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通過水處理藥劑的調整及循環冷卻水系統降溫改造、氮壓機冷卻器的改造
發布日期: 2011年1月6日 點擊: 1

 通過水處理藥劑的調整及循環冷卻水系統降溫改造、氮壓機冷卻器的改造


原因分析

冷卻器氣側出口溫度偏高的主要原因有:水流量不足;水溫度太高;閥門調節不當;水流道堵塞或冷卻管水側臟;水流道短路;冷卻器泄漏。

通過分析和現場排查,認為造成氮透冷卻器氣側出口溫度超高這種現象的原因中,“水流量不足、水溫度太高、水控制閥門調節不當、水流道短路、冷卻器泄漏”的可能性是可以排除的,“水流道堵塞或冷卻管水側臟”可能是氮透冷卻器溫度超高的最終原因。

    最后不得不將氮壓機停機解體檢修,拆下氮壓機冷卻器后,發現其四個冷卻器均有嚴重的結垢現象,銅管全部被白色垢層覆蓋,結垢最厚處達3mm之多,從而導致換熱器效率急劇下降,后將管壁及換熱器內結垢物送至中心實驗室分析,結果為91.37%的碳酸鈣、7.64%的碳酸鎂,從而可以判斷該結垢物為水垢。

    氣體公司循環水系統歷來靠電子除垢進行水質處理(主要因為一些同行在加藥處理過程中,發生帶水事故),出現了嚴重結垢問題,才意識到物理性除垢并不能完全達到水處理要求,于是我們及時采用加藥方式,重新對循環水進行了處理,最后才真正解決了結垢問題。

    水垢是由于水中原有的Ca(HCO3)2及Mg(HCO3)2遇熱分解而生成的,又由于CaCO3和MgCO3較為特殊,溫度越高在水中的溶解度卻越小,(CaCO3在15℃時,溶解度為lO.Omg/L,25℃時,

溶解度為6.9mg/L),從而導致其在溫度落差較大處(即換熱器及周邊管道)以沉淀的形式析出。

    Ca(HC03)2=CaCO3↓+H20+C02↑

    Mg(HC03)2=MgC03↓+H20+C02↑

    而水垢的導熱系數遠遠小于金屬,碳酸鹽水垢為1.674~2.520[kJ(m2·h·℃)-1],銅1338.88~l506.34[kJ(m2·h·℃)-1],從而導致換熱器效率急劇下降,氮壓機已無法正常運轉,另外此氮壓機對水質有較苛刻的要求,要求冷卻水總硬度須小于1OOmg/L(以CaCO3計),pH值在6:0~8.5之間,懸浮物顆粒不得超過50mg/L,朗格利爾指數在+0.5~+1.O之間,而我廠工業補充水為水庫水(即生活用水),佛山氣體調查因江西新余屬江南丘陵地形,地下富含石灰石及白云石礦,水質硬度較高,春夏季水質硬度在100~llOmg/L(以CaC03計),而秋冬季在110~120mg/L(以CaC03計),全年平均為110mg/L左右,懸浮物在60~70mg/L,因此必須對水質進行全面處理方可使用。現有水處理為電子除垢儀,通過了解,大型鋼廠早巳不采用物理方法,而改用藥劑水處理方式。

藥劑水處理

    藥劑水處理分為阻垢、緩蝕、殺菌滅藻三種方法,一般情況下,三種方法組合使用,不僅阻止冷卻器結垢,而且防止水冷系統設備管道腐蝕。

1 阻垢

    由于補充水先天總硬度較高,加上內部循環用水不停地蒸發濃縮,根據經驗水溫每上升5.6℃,將蒸發掉l%的水量,而水中的鈣、鎂離子化合物卻并不會隨之蒸發,若不補充低硬度水,水中的總硬度將會急劇上升。根據測量25000m3/h空分設備循環水總硬度在150~170mg/L(以CaC03計),因此必須首先加入阻垢劑。阻垢劑一般通過三種作用來控制結垢:一是和水中的金屬離子形成的一種可溶性的穩定螯合物或絡合物,從而避免金屬離子和陰離子結合成為垢類物質;二是用陰離子或非離子型的聚合物把形成垢的懸浮物顆粒包圍起來,使其帶有足夠的相同電荷,依靠靜電作用,顆粒間互相排斥,從而失去粘結能力,使成垢顆粒穩定在分散狀態;三是阻垢劑摻雜在已形成的晶體結構中,使規則的晶體發生畸變,晶體顆粒不再增長于固體表面結構而浮于流動水中。

緩蝕

    金屬的腐蝕原因和現象多種多樣,在新鋼氣體公司的一些老系統水管中常伴有凹凸不平的現象,特別是有些隨著水位上下浮動,時而淹沒,時而裸露的管道尤為嚴重,厚度落差有些甚至達1.5cm左右,這些都是由于金屬表面與水接觸而發生電化學反應的原因。以鐵為例;金屬鐵被水溶解進入水中,被氧化成鐵離子,每溶解一個鐵原子,就釋放兩個電子進入陰極區,而循環水中的氧移到陰極,得到兩個電子,在金屬表面形成氫氧根離子,從而完成電回

路。在水中,陰陽的反應產物結合生成Fe(OH)2沉淀,而且水中氧還可以使Fe(OH)2進一步氧化成Fe2O3。

    Fe-2e→Fe2+(陰極反應)

    O2+2H20+4e→40H-(陰極反應)

    4Fe(OH2)+02+H2+4Fe(OH)3↓

    2Fe(OH)3→Fe203+3H20

    由于金屬成型加工時的不規則及焊接成型或其它加工引起的應力和金屬表面顯微結構上的差異,造成金屬表面有無數個陰極和陽極,為了防止上述反應的發生,只要扼制住任何一步,腐蝕即停止,在室溫下,被氧飽和的純水中,開始對碳鋼的腐蝕速度為0.45mm/a,經幾天后由于產生了銹蝕產物,阻滯了氧的擴散速度,使腐蝕速度降至0.1mm/a。腐蝕的種類多種多樣,主要有垢下腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕、汽蝕、沖擊摩擦腐蝕、微生物腐蝕,而防腐的手段也多種多樣,最主要的方法是預膜、鈍化法。

3 殺菌滅藻

    在工業用水中,由于水流、空氣、生產物料等因素,一般都含有無機物、有機物,特別是敞開式冷卻水循環系統,有充足的溶解氧,且水溫通常在15~35℃之間,這些都給微生物提供了適宜的生長條件,從而使設備壁上產生生物垢,不僅會降低換熱器的效率,還有可能堵塞管道,在我廠冷卻塔的四周均發現有大面積的綠藻、紅藻滋生,這些都給設備的正常運行帶來嚴重的隱患,故而必須選用合理有效的殺菌滅藻劑。

 新鋼25000m3/h制氧水處理過程

    制氧行業中對循環水中加藥處理,一向是非常慎重的,處理不當,有可能會造成帶水事故,所以新鋼氣體廠選擇在這一行業有較多業績的廠商,通過多次交流,最終選定了湖北中泰環境有限公司的水質處理試劑,通過一段時間的對比實驗,選用ZT-305系列阻垢緩蝕劑,作為水處理的主要藥劑。

    鑒于氮壓機已結垢嚴重,必須先進行除垢清理,故而在2004年11月將氮壓機解體抽出換熱器,單獨使用第奧克斯98酸洗劑進行浸泡,該試劑每千克可除碳酸鹽水垢200~250g,對碳鋼、黃銅、鋁、不銹鋼的腐蝕率分別為0.4、O.34、0.62、0.30h/m2·h左右,2h后,換熱器便露出本體顏色,后用大量清水沖洗,便裝回機體內,之后進行機體部分處理,用循環泵使用該試劑對氮壓機單機進行循環除垢處理,并每半小時測定溶液酸度,4h后,測定出前后兩次溶液酸度小于2%,酸洗結束。將機體內酸洗快速排盡后立刻用清水沖洗,便轉入堿性中和(使用NaOH和Na3PO4),lh后分析堿度達15mg-N/L,中和結束。便轉入預膜階段,使用快速成膜劑和ZT-305阻垢緩蝕劑對機體水路系統進行預膜保護,即在設備壁內形成—層100~300pm均勻致密的磷酸鈣保護膜,從而較好地保護設備本體及管道免遭腐蝕,待6h后結束便可轉入正常運轉,并按正常需求控制藥劑濃度。

    根據對循環水中菌藻類檢測,循環水內的鐵離子濃度高達0.78mg/L,而當鐵離子含量高于O.2mg/L時水中就會出現鐵細菌,故而每星期定量投放250kgZT-102型殺菌滅藻劑,特別注意的是因殺菌過程中由于細菌的死亡將產生大量泡沫,而這些泡沫如進入空冷塔內很有可能會導致分子篩帶水事故并會堵塞管道,因此在投放殺菌滅藻劑30min前,應預先投放60kgZT-406消泡劑,從而可避免泡沫的產生。

    ZT-305系列阻垢緩蝕劑主要由有機膦酸鹽、聚合物鋅鹽及緩蝕荊組合,有較強的阻垢、緩蝕性能,成膜速度也較快,判斷藥劑濃度以總磷為主,根據多次實驗,最終判定藥荊濃度為2~3mg/L,以計量泵的形式加入,從而保證能夠長期穩定、有效地保持藥劑濃度。

    水質控制要求:

    pH:7.0~9.O;懸浮物<15mg/L;總堿度<500mg/L(以CaC03計);Ca2+<200mg/L(以CaC03計);總硬度<250mg/L(以CaCO3計);Cl-<30mg/L;電導率<l000μs/cm:濃縮倍數:1.8~2.5。

    水系統正式運行第二天便在不同地點進行動態掛片試驗,30天后測得數據如下:

    碳鋼腐蝕率:0.0074mm/a(國標:0.125mm/a);鋼腐蝕率:0.0027mm/a(國標:0125mm/a);

不銹鋼腐蝕率:0.00018mm/a(國標:0.005mm/a),均達到國家標準。

    水系統加藥運行半年之后,仍然發現氮壓機換熱器內有結垢現象,后與廠家技術人員進一步進行研究分析,歸結原因是氮壓機換熱器內溫度落差太大(高效換熱器),在溫度較高時ZT-305阻垢緩蝕劑的阻垢作用大大降低,為應對這種情況,及時更換了配方。

    ZT-305A阻垢緩蝕劑(以前的藥劑),該藥劑主要是由有機磷酸鹽、聚合物以及緩蝕劑等復合而成,是全有機堿性水處理劑,本品對碳酸鈣垢及磷酸鈣垢有極好的分散、阻垢性能。適用于腐蝕性水質,對循環水水質有如下規定:pH值7.O~9.3,鈣硬度30~100mg/L,總堿度70~240mg/L,Cl-+S042-<1000mg/L,SiO2<50mg/L,濁度<30mg/L。本品在180℃以下時不會分解,當溫度高于200℃時,分解率為3%,當溫度高于500℃時,分解率為10%。

    ZT-305C阻垢緩蝕劑(目前使用的藥劑)主要是由PBTCA與共聚物等復合的一種高效環保型阻垢緩蝕劑,具有耐高溫、抗氧化性、不易分解等特點,對各種材質均有緩蝕阻垢作用。適用于高溫、高pH值、高硬度、高濃縮倍數等四高的苛刻水質條件。在1000℃以下時不會分解,當溫度高于1500℃時分解率為4.5%,溫度高于2000℃時,水解率為8%,廣泛適用于鋼鐵行業各種循環水系統。

    新鋼氣體公司25000m3/h制氧機循環水系統投入初期采用ZT-305A阻垢緩蝕劑,循環系統的腐蝕得到全面控制,測得碳鋼、不銹鋼、黃銅的腐蝕率分別為:O.0269mm/a、0.00369mm/a、O.00053mm/a,但氮壓機四級壓縮換熱器局部溫度偏高,藥劑中的阻垢成份羥基亞乙基二膦酸(HEDP)易分解,阻垢效果不理想。

    ZT-305A阻垢緩蝕劑的緩蝕、阻垢機理為:(1)絡合增溶作用:由于HEDP能和鈣離子和鎂離子生成很穩定的絡合物,因而降低了水中鈣離子和鎂離子的濃度,使水中碳酸鈣沉積的可能性減小。(2)晶格歪曲理論:由于HEPD對鈣離子的整合作用而引起的干擾會使碳酸鈣垢的晶體結構發生很大的畸變而不再繼續按正常規則繼續增長,或者說晶體的晶格被歪曲了,產生了一些較大的非結晶的顆粒,從而使碳酸鈣硬垢變成軟垢。(3)HEPD的五個羥基上的氧原子都可以用共用電子對與鐵金屬表面上鐵的離子或部分正電荷的鐵原子發生化學吸附,形成配位鍵,最后產生一種螯合膜。這種螯合膜覆蓋在鐵金屬表面,有利于溶解氧向金屬表面的擴散。

    通過對氣體廠氮壓機四級壓縮換熱器上垢樣進行分析,其主要成份為碳酸鈣和少量的泥沙,根據此種情況,采用在高溫系統仍具有較強阻垢性能,同時對循環水中機械雜質具有較好分散性能的ZT-305C阻垢緩蝕劑。

ZT-305C阻垢緩蝕劑,主要成份為2-膦酸基丁烷-1,2,3-三羧酸(PBTCA)。其主要作用是抑制碳酸鈣、硫酸鈣垢的沉積,其阻垢、緩蝕機理為:分子中的部分官能團通過靜電力吸附于致垢金屬鹽類正在形成的晶體(晶核)表面的活性點上,抑制晶體增長,從而使形成的許多晶體保持在微晶狀態。由于PBTCA分子在晶體表面的吸附,晶體即使增長也只能畸形地增長,這就使晶體產生畸變,畸變后的晶體與金屬表面的粘附力減弱,因此不易沉積于金屬表面。由于吸附于晶體表面上的官能團只是阻垢劑分子中的部分官能團,就會對晶體呈現離子性,因電荷的排斥力增大而使晶體處于分散狀態。PBTCA主要是與二價金屬離子、鈣離子、鐵離子、鋅離子等形成絡合物,當溶解氧與碳鋼表面鐵原子作用形成FeOOH時,絡合物與Fe(Ⅲ)作用形成絡合沉淀覆蓋在金屬表面形成保護膜。

    加藥水處理注意事項:

    (1)結垢與腐蝕是一對反向作用,故而濃縮倍率應嚴格控制,當其過高時,將產生結垢危險,而過低時將產生腐蝕隱患。

    (2)Ca2+離子的濃度必須得到控制,并非越低越好,當使用聚磷酸鹽預膜時,水中Ca2+離子濃度以50~80mg/L為宜。且當正常運轉時,如若水中鈣離子含量過低,將很可能導致設備表面的預膜溶解,從而發生腐蝕的危險。

(3)藥荊停留時間按公式(1)計算。如使用聚磷系統藥劑的系統,為防止其水解之后的正磷酸鹽與Ca2+生成難溶的Ca3(PO4)2,在系統水溫小于50℃,為使其水解不超過50%,停留時間應控制在50h以內,可根據控制排污水量來具體調節:

t=  (1)

式中:V——冷卻水系統水容積,m3;

      N-—濃縮倍率:

      △T——循環冷卻水進出口溫差,℃;

      Q——冷卻水系統循環水量,m3/h;

      t——藥劑停留時間,h。

   (4)為保證藥荊的有效投用,藥劑投放點應盡可能地靠近外界補水口處而遠離排污口,取樣化驗水質時應盡可能地從系統回水中取點,從而可以更好地判定流經設備的水質情況。

 循環冷卻水系統降溫改造

    25000m3/h空分循環冷卻水系統使用兩臺噴霧冷卻塔,處理水量3000t/h,夏季運行時給水溫度達36.5℃,冷卻溫差僅有5.5℃(回水溫度為42℃時),嚴重制約了整個裝置效率的發揮,通過增加兩臺600t/h的玻璃鋼冷卻塔以加強冷卻效果,循環水泵達不到出力,經廠家對葉輪改造,使水流量及壓力增大到設計值。盡管如此,還是沒有達到預期的效果,2006年,進一步對冷卻塔進行改造:(1)兩臺冷卻塔各加裝一臺190000m3/h風量的冷卻風機;(2)塔內增加厚l000mm的聚丙烯波紋填料。通過改造,夏季給水溫度保持在32℃以下。

 


 
 
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