摘  要：敘述了循環(huán)冷卻水節(jié)水減排新技術(shù)的技術(shù)背景、循環(huán)冷卻水現(xiàn)狀及存在問題，分析了水垢危害，提出了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行關(guān)鍵，并對循環(huán)冷卻水處理和零排放新技術(shù)進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：循環(huán)冷卻水；零排污；高濃縮倍數(shù)；節(jié)水降耗

中圖分類號： S210.4   文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

耗水量高，重復(fù)利用率低，是中國工業(yè)系統(tǒng)水資源利用的突出問題。因此，節(jié)約工業(yè)冷卻水，使有限水資源得到最大限度利用，是工業(yè)領(lǐng)域節(jié)水工作的重中之重。隨著現(xiàn)代建設(shè)飛速發(fā)展，對水資源需求又與日俱增，水已成為中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的寶貴資源，節(jié)約用水已成為黨和國家的重要政策。

1 技術(shù)背景

中國人口總數(shù)超過世界總?cè)丝诘?a name="OLE_LINK2">1/5，但水資源卻不足世界總量的10%，而人均水量更是僅為世界平均的25%，被聯(lián)合國認(rèn)定為水資源缺乏國。不僅如此，水資源在中國分布也十分不均勻，長江以南區(qū)域占中國水總量的4/5，而這一區(qū)域僅為中國總面積的1/3，但廣大北方地區(qū)的水利卻僅有1/5?；诖酥袊?012年頒布了《最嚴(yán)格水資源管理制度》，通過這一“最”字可看出水資源的缺乏程度，也體現(xiàn)了中國對于水資源的優(yōu)化管控的堅定信念。

中國工業(yè)水平不斷提升，淡水消耗量也不斷增長，這使得原本水資源不足的北方地區(qū)面臨更為缺水的嚴(yán)重現(xiàn)狀，相關(guān)研究顯示，中國人均水量約為2 400 t，但北方地區(qū)的卻不足這一數(shù)據(jù)的1/10。在城鎮(zhèn)用水中，用于工業(yè)用途的比例占3/5～4/5，這其中工業(yè)冷卻循環(huán)用水是工業(yè)總用水的4/5左右，同時中國工業(yè)用水沒有建立有效循環(huán)利用機(jī)制，重復(fù)利用僅為2/5，由此可見，水已經(jīng)成為中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的寶貴資源。節(jié)約用水已成為黨和國家的重點(diǎn)工作目標(biāo)。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的利用現(xiàn)狀與其中的問題

冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)利用，但在實際運(yùn)用中，因設(shè)計不足等諸多因素會造成資源浪費(fèi)，進(jìn)而引起諸多問題產(chǎn)生。

2.1 冷卻水量的變化

冷卻水量不但會根據(jù)季節(jié)不同有所改變，還會根據(jù)熱交換設(shè)備熱負(fù)荷進(jìn)行改變，但如果冷卻水量發(fā)生變化，而循環(huán)水泵繼續(xù)采用統(tǒng)一方式運(yùn)轉(zhuǎn)，那么必然會降低運(yùn)行效率，造成能源浪費(fèi)，因此需要根據(jù)冷卻水量不同，及時調(diào)節(jié)循環(huán)水泵。

2.2 冷卻塔

冷卻塔的設(shè)計工況通常以大于運(yùn)行條件為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但此種不利條件僅僅為1 a中一小部分時間，而其余時間則無需保持設(shè)計的冷卻能力，這樣也會浪費(fèi)風(fēng)機(jī)能源及電能，因此應(yīng)當(dāng)對冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式采取優(yōu)化調(diào)節(jié)，以最少能源消耗實現(xiàn)冷卻能力。

2.3 冷卻池

雖然冷卻池運(yùn)行簡單、取水便利，但冷卻池容易受到太陽輻射、夏季高溫等方面影響。且易于淤積，還會因清理困難造成環(huán)境污染，因此通常冷卻池僅適合冷卻水量大，冷卻水溫不嚴(yán)格，且存在可以利用的水庫、洼池、河、湖泊等的地區(qū)。

3、水垢的危害

水垢化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不僅會影響熱交換率、消耗能源（1 mm厚水垢能多消耗10％能源），且過多水垢會堵塞水管，使水流變小，以致帶來安全隱患。對熱水工程進(jìn)行適當(dāng)水處理，可使熱效率提高20%～40%左右，設(shè)備使用年限提高1倍～2倍，設(shè)備維修率下降20%～30%。

循環(huán)水系統(tǒng)中最易生成的水垢是CaCO₃垢，水垢控制即是防止CaCO₃析出，大致有以下幾類方法。

3.1 藥劑法

循環(huán)水是工業(yè)企業(yè)的血液，在循環(huán)水中投加阻垢劑，破壞CaCO3的結(jié)晶增長過程，以達(dá)到控制水垢形成的目的，這也是目前應(yīng)用最廣泛的方式。

當(dāng)今中國一半以上工業(yè)循環(huán)水都是通過傳統(tǒng)方法進(jìn)行：阻垢劑、殺菌劑、消泡劑及加酸等多種方式，濃縮倍率通常為2倍～4倍，因此為了防止結(jié)垢與腐蝕，需要排污處理，個別企業(yè)排污后進(jìn)行統(tǒng)一處理，之后回用，此種方式無疑使污水處理費(fèi)用大幅提高。如此一來生化與回收的費(fèi)用就達(dá)到4元/m3，回收75%再生水的費(fèi)用近2 000×104元。這種方式不但花費(fèi)高，還不能使鹽濃縮等問題徹底解決，同時因為各類水處理劑投入，大大加大了運(yùn)行成本。

3.2 軟化法

a) 離子交換樹脂法。去除補(bǔ)水中鹽分使循環(huán)水不結(jié)垢，但系統(tǒng)腐蝕率是未處理補(bǔ)水腐蝕率的3倍。設(shè)備腐蝕產(chǎn)生鐵垢一樣會影響生產(chǎn)，且設(shè)備壽命大打折扣，運(yùn)行成本高且污染環(huán)境產(chǎn)生廢水，系統(tǒng)大小受限；

b) 補(bǔ)水通過反滲膜處理。此法投資極大，且容易生成部分無法被處理的高濃鹽水。

3.3 物理法

主要包括電磁、電解與電吸附等方式，但此種技術(shù)還有待深入研究，效果較差。

 

4、循環(huán)冷卻經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)

減少循環(huán)水的總?cè)芙夤腆w和濁度，提高濃縮倍數(shù)，整體改善循環(huán)水水質(zhì)，這也即為循環(huán)冷卻經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵?？傊?，需通過此種方式，實現(xiàn)減少處理所需成本，降低污染，節(jié)水h環(huán)保的最終目標(biāo)，具體見表1。

                表1 不同濃縮倍數(shù)系統(tǒng)補(bǔ)水量以及排污水量

5、循環(huán)冷卻水處理和零排放新技術(shù)

分析循環(huán)水傳統(tǒng)方法的弊端，為有效克服傳統(tǒng)工藝不足，新工藝新技術(shù)應(yīng)包含以下幾點(diǎn)；a) 藥劑應(yīng)具有優(yōu)良除垢阻垢、緩蝕、預(yù)膜和抑制菌藻生長的作用；b) 通過合理系統(tǒng)設(shè)計，配備合理設(shè)備后，要基本實現(xiàn)零排污。

5.1 新工藝對藥劑的要求及其原理

水體中的Ca² 、Mg² （用其離子化學(xué)符號表示）、硅硫酸鹽等可溶性離子及微量金屬離子在水循環(huán)過程中可形成特定形貌的晶體并沉積在換熱面上而形成結(jié)垢。以水中主要結(jié)垢成份Ca(HCO₃)₂和Mg(HCO₃)₂為例，2種碳酸氫鹽形成菱面體狀晶體并緊密堆積是造成結(jié)垢的主要原因。因此，尋找一種能與Ca² 、Mg² （用化學(xué)符號表示）形成固定反應(yīng)的藥劑，使結(jié)垢離子晶格異變或不易結(jié)晶是防垢的一條可行路徑。研究表明具有特定配位基團(tuán)的LJ-120藥劑可使CaCO₃（用化學(xué)符號表示）晶體由菱面體狀轉(zhuǎn)變成圓球狀（見圖1、圖2），使之不易在金屬表面上著落結(jié)垢。

              

圖1 無阻垢劑情況下CaCO₃晶體的SEM照片 

圖2 加入阻垢劑之后的CaCO₃晶體電鏡照片

除了有效防垢外，新藥劑還應(yīng)具有除垢、緩蝕及抑制菌藻的能力。除垢能力是指在正常生產(chǎn)運(yùn)行中，不用停產(chǎn)，原有設(shè)備上的老垢在藥劑中改性木質(zhì)素磺酸鈉（LSA）對晶體產(chǎn)生了晶格畸變作用。這是由于LSA不僅能與水中的Ca2 形成穩(wěn)定螯合物，同時還能與碳酸鈣晶體面上的Ca2 發(fā)生螯合作用。從空間位阻來看，LSA較易與晶體扭折位置處的Ca2 螯合，形成的螯合物占據(jù)了晶體正常生長的晶格位置。結(jié)果晶體就不能按正常規(guī)律生長，晶體晶格歪扭，晶粒間聚集困難。即使晶體繼續(xù)長大，由于螯合劑被鑲嵌在繼續(xù)生長的晶體中，這種晶體較不穩(wěn)定在環(huán)境條件變化時，晶體易碎裂，形成外形不規(guī)則的小晶體。這些晶格畸變所形成的垢，難以密致和牢固的附著在設(shè)備接觸面上，為酥松軟垢形式，可輕易的被水流沖走。進(jìn)入到沉淀池中或旁流的分離系統(tǒng)里。此種除垢法可將結(jié)垢在正常運(yùn)行中自然消除，防止因化學(xué)清洗與管線更換所產(chǎn)生的費(fèi)用，且不會造成污水及廢水的排放，雖然所需時間較長，但不用中斷生產(chǎn)，不耗費(fèi)電能，真正做到了循環(huán)水系統(tǒng)免維護(hù)，為企業(yè)帶來了良好經(jīng)濟(jì)效益。

而藥劑的緩蝕性能得益于產(chǎn)品中的某元素呈現(xiàn)出多陰離子和氧化物特征，在與氯的吸附競爭中以其較強(qiáng)的絡(luò)合作用優(yōu)先吸附在金屬表面并形成吸附層，阻礙了氯對金屬的吸附，同時防止溶解氧在金屬表面的還原，抑制了溶解氧的腐蝕。其極強(qiáng)的預(yù)膜，能使陰極得到鈍化，還能阻隔空氣或水中的氧、二氧化碳、酸根離子和多種腐蝕性物質(zhì)的侵害腐蝕，從而減少了點(diǎn)蝕和垢下腐蝕。有效保護(hù)循環(huán)水管道，延長設(shè)備使用壽命。

此外，新藥劑還應(yīng)在合適的pH范圍內(nèi)工作，研究表明弱堿性環(huán)境可有效破壞微生物生存條件，抑制菌藻生長。同時，由于藥劑可使循環(huán)水中多價金屬離子被絡(luò)合，并逐漸轉(zhuǎn)化為不溶性沉淀物，菌藻失去了賴以生存的可溶性微量營養(yǎng)元素。研究表明，LJ-120藥劑在防垢、除垢、緩蝕及抑制菌藻等方面具有良好性能,圖3為結(jié)垢物的常見固態(tài)圖。

圖3 結(jié)垢物的常見固體形態(tài)圖

5.2 新工藝對設(shè)備的要求及設(shè)計

a) 菌藻控制器。循環(huán)水隨著夏季溫度升高，各種細(xì)菌及藻類繁殖盛行，目前絕大部分廠家都是投加化學(xué)藥劑治理菌藻。不僅環(huán)保成本高，藥劑投入也更為繁瑣。加裝菌藻控制器能使90%以上微生物被殺死，減少了化學(xué)藥品的使用，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

b) 循環(huán)水池中污泥處理。新工藝為高倍率運(yùn)行，循環(huán)水濁度極高，水池底部污垢相應(yīng)增大，隨著時間拉長，水池底部淤泥污垢需要清理，添加一套污泥處理器；

c) 水質(zhì)凈化器。由于新工藝基本不排污，濁度自然增大。為降低循環(huán)水濁度需安裝水質(zhì)凈化裝置，使循環(huán)水濁度符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

 

6 結(jié)語

新工藝新技術(shù)符合以上功能要求，經(jīng)多廠家實際運(yùn)行都達(dá)到了預(yù)期效果，解決了循環(huán)水除垢、阻垢、緩釋三大難題，水池內(nèi)淤泥得到了清除，循環(huán)水得到了凈化，使微生物得到了有效控制，切循環(huán)水濃縮倍率也大大提高（當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率提高3倍時，排污量80 m³/h，濃縮倍率提高到10倍時，排污量18 m³/h，節(jié)水率70%以上）。節(jié)水極為顯著，符合國家節(jié)水降耗新政策，大大緩解了中國極度缺水現(xiàn)象。極大降低了排污量，使生態(tài)環(huán)境得到了有力保護(hù)，極具推廣價值。