菱科冷卻塔基礎(chǔ)知識(shí)：冷卻塔水處理
作者：湖北武漢辦事處 時(shí)間：2021-05-20 10:07 閱讀：
聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠在很大程度上已成為許多正在退役的燃煤電廠的事實(shí)上的替代品。這些新工廠的一個(gè)特殊方面是，他們通常只有極少的人員，如果有任何人員接受過水/蒸汽化學(xué)方面的良好培訓(xùn)。然而，由于水處理和化學(xué)控制不充分導(dǎo)致的故障，無論是在蒸汽發(fā)生器還是冷卻系統(tǒng)中，如果它們導(dǎo)致故障和強(qiáng)制停機(jī)，都會(huì)使工廠損失巨大的收入和設(shè)備維修費(fèi)用。關(guān)于冷卻，不再使用直流冷卻系統(tǒng)建造工廠，而是選擇冷卻塔或風(fēng)冷冷凝器。本文重點(diǎn)介紹前者。冷卻系統(tǒng)處理程序在過去幾十年中已經(jīng)發(fā)生了很大變化，并且這種演變?nèi)栽诶^續(xù)，但復(fù)雜程度越來越高。
湖北菱科冷卻塔傳熱基礎(chǔ)知識(shí)
下圖說明了冷卻塔的基本流動(dòng)路徑，并且表明了一組明顯數(shù)量很大的條件，這些條件對(duì)于工藝流的溫度和水分含量是可能的。包括數(shù)據(jù)以概述冷卻塔的重要概念。
注意，不僅在通過塔的空氣溫度而且在相對(duì)濕度（RH）方面發(fā)生很大變化。通常，塔中冷卻的65％至85％來自將一小部分回水蒸發(fā)到塔中。其余部分是通過顯熱傳遞。雖然需要相當(dāng)詳細(xì)的數(shù)學(xué)和工程來正確選擇冷卻塔的尺寸和空氣 - 水流量比（通常稱為液體 - 氣體[l / g]比率），但幾個(gè)常見的方程式非常實(shí)用用于確定系統(tǒng)的操作方面。考慮上面的例子，我們將選擇75％的蒸發(fā)率，在下面的等式中將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式作為蒸發(fā)因子（X）。
E =（R *X*范圍）/ 1000，其中
E =蒸發(fā)（gpm）
R =循環(huán)水率（在本例中為150,000 gpm）
？ =蒸發(fā)因子（在本例中為0.75）
范圍=熱回水和冷放電之間的溫差（27oF）
因此，該實(shí)施例中的蒸發(fā)速率為3,037加侖/分鐘，約為循環(huán)水速率的2％。
當(dāng)水在冷卻塔中蒸發(fā)時(shí)，溶解的固體（和懸浮固體）留在后面。這些固體濃縮并增加水的結(jié)垢，腐蝕和結(jié)垢潛力。化學(xué)處理程序基于控制所有這三種機(jī)制，我們將在首先考慮其他基本流量計(jì)算后立即進(jìn)行檢查。
即使采用最佳的化學(xué)處理程序，冷卻塔中的雜質(zhì)也只能在結(jié)垢潛力超過化學(xué)處理之前累積到一定水平。允許雜質(zhì)濃縮超過冷卻系統(tǒng)補(bǔ)充水中的雜質(zhì)的量稱為濃度循環(huán)（COC）。通過定期排空一小部分冷卻水來控制COC，冷卻水的體積用補(bǔ)充水補(bǔ)充。排污與蒸發(fā)和COC的關(guān)系由下式表示。
BD = E /（COC - 1）
排污率與COC - 2
在這些計(jì)算方面通?？珊雎缘姆浅Ｉ倭康乃顾斤L(fēng)扇以水滴的形式排出。這種損失稱為漂移（D），可以認(rèn)為是非常小的連續(xù)排污。因此，將該因子添加到上面的等式中，到冷卻塔的總組成（MU）由以下等式表示。
MU = E + BD + D.
在具有精心設(shè)計(jì)的除霧器的冷卻塔中，常見的設(shè)計(jì)漂移率是循環(huán)水流量的0.0005％。因此，對(duì)于我們的示例，漂移將達(dá)到大約1加侖/分鐘，這實(shí)際上可以忽略不計(jì)。
排污方面的一個(gè)重要問題是，隨著COC增加，排污量反向減少，如下圖所示。
圖2.上述示例的排污率與COC的關(guān)系。
很明顯，隨著COC的增加，“收益遞減法則”也適用。常見的COC范圍是4到8.但是如果塔位于干旱環(huán)境中或排污量受到限制，則可能需要更高的COC。然而，這是有代價(jià)的，因?yàn)檩^高的COC意味著冷卻水中溶解固體的濃度更高，這增加了結(jié)垢和腐蝕的可能性。
現(xiàn)代化學(xué)控制
在由淡水供應(yīng)的塔中，并且在沒有任何處理的情況下，幾乎總是形成的第一垢將是碳酸鈣（CaCO 3）。鈣離子（Ca2 +）喜歡與碳酸氫根離子（HCO3-）結(jié)合，特別是當(dāng)冷凝器和其他熱交換器的溫度升高時(shí)。
Ca2 + + 2HCO3- +加熱→CaCO3↓+ CO2↑+ H.
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因此，在上個(gè)世紀(jì)中期，采用了一種非常常見的處理方案，通過雙化學(xué)方法解決了結(jié)垢和腐蝕問題。第一步是加入硫酸以保持冷卻水的pH值在約6.5-7.0的范圍內(nèi)。酸將碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳，二氧化碳當(dāng)然會(huì)以氣體形式逸出。這與重鉻酸鈉進(jìn)料相結(jié)合。鉻在碳鋼上形成表面層，賦予其不銹鋼質(zhì)量。用普通話來說，這個(gè)程序幾乎是“不費(fèi)腦筋”，盡管酸性飼料的干擾可能并且確實(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕。
兩種常見的膦酸鹽 - 3
不幸的是，基于鉻酸鹽的處理會(huì)產(chǎn)生有毒的六價(jià)鉻（Cr6 +）。對(duì)于所有冷卻系統(tǒng)，無論是打開還是關(guān)閉，該方法基本上都消失了。直到最近流行的替代品一直是基于堿的處理，主要依靠無機(jī)和有機(jī)磷酸鹽（膦酸鹽），以及用于隔離和改性非碳酸鹽結(jié)垢劑的補(bǔ)充聚合物，以及可能是低劑量的鋅鹽。
在這些程序的典型pH范圍內(nèi)，低至高于-8范圍，腐蝕減少，但各種化學(xué)品也抑制金屬中陽極和陰極位置發(fā)生的腐蝕反應(yīng)。
圖4.抑制劑對(duì)腐蝕的影響。來源：參考文獻(xiàn)1。
抑制劑對(duì)腐蝕的影響 - 4
常見的聚合物構(gòu)件和功能組 - 5
結(jié)垢冷卻塔薄膜填充 - 6
化學(xué)物質(zhì)最大限度地減少了碳酸鈣的形成，但遺憾的是，如果不進(jìn)行仔細(xì)控防止這種氧化皮是聚合物通常是化學(xué)混合物的一部分的主要原因。
主要的水處理化學(xué)公司已經(jīng)為磷酸鹽/膦酸鹽項(xiàng)目開發(fā)了復(fù)雜的監(jiān)測和飼料計(jì)劃，但出現(xiàn)了一個(gè)新的問題。由于磷對(duì)有毒藻類大量繁殖的影響，該國許多接收水體現(xiàn)在被認(rèn)為是磷受損的。因此，可能不允許新植物將任何含磷流排放到這些水體中。新興的是全聚合物程序，其中聚合物共混物充當(dāng)晶體改性劑和多價(jià)螯合劑以保持形成水垢的離子和晶體懸浮。下圖說明了許多這些聚合物的活性位點(diǎn)。
在選擇冷卻水處理程序時(shí)，建模軟件可以帶來很大的好處。 French Creek Software是該技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，許多主要的水處理化學(xué)品供應(yīng)商都將該軟件用于他們的計(jì)劃。
控制微生物污垢
雖然結(jié)垢和腐蝕是冷卻系統(tǒng)中非常重要的問題，但是到目前為止微生物污染通常導(dǎo)致大多數(shù)問題。
冷卻系統(tǒng)提供理想的溫暖和潮濕環(huán)境，使微生物生長和建立菌落。細(xì)菌將在冷凝器和冷卻塔填充物，冷卻塔木材上的真菌和暴露于陽光下的濕潤冷卻塔組件上的藻類中生長。殺菌劑處理對(duì)于保持冷卻系統(tǒng)性能和完整性至關(guān)重要。
細(xì)菌分為以下三類，
好氧：在代謝過程中利用氧氣。
厭氧：生活在無氧環(huán)境中，并使用其他來源，即硫酸鹽，硝酸鹽或其他供體來提供能量。
兼容性：可以生活在有氧或無氧環(huán)境中。
HOCl的解離作為pH-7的函數(shù)
微生物，特別是細(xì)菌的問題是，一旦它們沉淀在表面上，生物體就會(huì)分泌多糖層用于保護(hù)。然后，這種薄膜將從水中收集淤泥，從而生長得更厚，并進(jìn)一步減少熱傳遞。即使表面上的細(xì)菌可能是需氧的，分泌層也允許下面的厭氧細(xì)菌繁殖。這些蟲子反過??來會(huì)產(chǎn)生酸和其他直接攻擊金屬的有害化合物。微生物沉積物也建立了濃縮細(xì)胞，其中沉積物下方缺氧導(dǎo)致位置變成陽極暴露于其他暴露金屬區(qū)域。點(diǎn)蝕通常是結(jié)果，其可能在材料的預(yù)期壽命之前很久導(dǎo)致管故障。
真菌將以不可逆轉(zhuǎn)的方式攻擊冷卻塔木材，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性失效。藻類會(huì)污染冷卻塔噴霧甲板，可能導(dǎo)致性能下降和不安全的工作位置。
大多數(shù)微生物處理程序的核心是在它們能夠沉積在冷凝器管壁，冷卻塔填充物和其他位置之前進(jìn)料氧化殺生物劑以殺死生物體。氯氣是多年來的主力，當(dāng)氯氣加入水中時(shí)會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)。
Cl2 + H2O？ HOCl + HCl
HOCl，次氯酸，是殺滅劑。這種化合物的功能和殺滅力a由于HOCl在水中的平衡性質(zhì)，pH受pH影響很大。
HOCl？ H + + OCl-
OCl-是比HOCl弱得多的殺生物劑，可能是因?yàn)镺Cl-離子上的電荷不允許它穿透細(xì)胞壁。隨著pH值高于7.5，氯的殺滅效率急劇下降。因此，對(duì)于常見的堿性垢/腐蝕處理程序，氯化學(xué)可能效率不高。
氯的需求進(jìn)一步受到水中氨或胺的影響，氨或胺不可逆地反應(yīng)形成效力低得多的氯胺。出于安全考慮，液體漂白劑（NaOCl）進(jìn)料已在許多設(shè)施中取代了氣態(tài)氯。
常見的替代方案是溴化學(xué)，其中氯氧化劑和溴化物鹽（通常為溴化鈉（NaBr））在補(bǔ)充水流中混合并注入冷卻水中。該化學(xué)產(chǎn)生次溴酸（HOBr），其具有與HOCl類似的殺滅能力，但在堿性pH下更有效。
由于幾個(gè)原因，二氧化氯（ClO2）變得越來越流行。其殺滅力不受pH影響，化學(xué)物質(zhì)不與氨反應(yīng)，也不形成鹵化有機(jī)化合物。此外，二氧化氯在攻擊已建立的生物沉積物方面更有效。
ClO2不穩(wěn)定，必須在現(xiàn)場生成。過去，常用的方法是將亞氯酸鈉（NaClO2）與氯氣一起加入供給冷卻水的滑流中。
2NaClO2 + Cl2？ 2ClO2 + 2NaCl
然而，這種技術(shù)需要儲(chǔ)存大量危險(xiǎn)化學(xué)品，并且比漂白劑甚至溴處理貴幾倍?，F(xiàn)在有許多改進(jìn)的技術(shù)，其中一種設(shè)計(jì)基于以下化學(xué)成分。
NaClO 3 + 1 / 2H 2 O 2 + 1 / 2H 2 SO 4→ClO 2 + 1/2 O 2 + 1/2 Na 2 SO 4 + H 2 O.
氯酸鈉（NaClO3）是核心化學(xué)物質(zhì)而不是亞氯酸鈉。
需要仔細(xì)評(píng)估冷卻水中的微生物種類，以確定最有效的殺菌劑。未經(jīng)相應(yīng)管理機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，不得使用或測試這些化學(xué)品。他們必須符合工廠的國家污染物排放消除系統(tǒng)（NPDES）指南。
與所有化學(xué)品一樣，在處理非氧化劑時(shí)，安全性是絕對(duì)關(guān)鍵的問題。必須遵守所有處理指南和使用適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)設(shè)備。許多這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)攻擊人體細(xì)胞以及微生物細(xì)胞。