關鍵詞：循環冷卻水；零排污；高濃縮倍數；節水降耗

 

0 引言

耗水量高，重復利用率低，是中國工業系統水資源利用的突出問題。因此，節約工業冷卻水，使有限水資源得到最大限度利用，是工業領域節水工作的重中之重。隨著現代建設飛速發展，對水資源需求又與日俱增，水已成為中國經濟和社會發展的寶貴資源，節約用水已成為黨和國家的重要政策。

1 技術背景

中國人口總數超過世界總人口的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%，被聯合國認定為水資源缺乏國。不僅如此，水資源在中國分布也十分不均勻，長江以南區域占中國水總量的4/5，而這一區域僅為中國總面積的1/3，但廣大北方地區的水利卻僅有1/5。基于此中國于2012年頒布了《最嚴格水資源管理制度》，通過這一“最”字可看出水資源的缺乏程度，也體現了中國對于水資源的優化管控的堅定信念。

中國工業水平不斷提升，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面臨更為缺水的嚴重現狀，相關研究顯示，中國人均水量約為2 400 t，但北方地區的卻不足這一數據的1/10。在城鎮用水中，用于工業用途的比例占3/5～4/5，這其中工業冷卻循環用水是工業總用水的4/5左右，同時中國工業用水沒有建立有效循環利用機制，重復利用僅為2/5，由此可見，水已經成為中國經濟和社會發展的寶貴資源。節約用水已成為黨和國家的重點工作目標。

2 循環冷卻水系統的利用現狀與其中的問題

冷卻水在循環系統中進行循環利用，但在實際運用中，因設計不足等諸多因素會造成資源浪費，進而引起諸多問題產生。

2.1 冷卻水量的變化

冷卻水量不但會根據季節不同有所改變，還會根據熱交換設備熱負荷進行改變，但如果冷卻水量發生變化，而循環水泵繼續采用統一方式運轉，那么必然會降低運行效率，造成能源浪費，因此需要根據冷卻水量不同，及時調節循環水泵。

2.2 冷卻塔

冷卻塔的設計工況通常以大于運行條件為設計標準，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計的冷卻能力，這樣也會浪費風機能源及電能，因此應當對冷卻塔風機運行方式采取優化調節，以最少能源消耗實現冷卻能力。

2.3 冷卻池

雖然冷卻池運行簡單、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境污染，因此通常冷卻池僅適合冷卻水量大，冷卻水溫不嚴格，且存在可以利用的水庫、洼池、河、湖泊等的地區。

3、水垢的危害

水垢化學性質十分穩定，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。對熱水工程進行適當水處理，可使熱效率提高20%～40%左右，設備使用年限提高1倍～2倍，設備維修率下降20%～30%。

循環水系統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

循環水是工業企業的血液，在循環水中投加阻垢劑，破壞CaCO3的結晶增長過程，以達到控制水垢形成的目的，這也是目前應用最廣泛的方式。

當今中國一半以上工業循環水都是通過傳統方法進行：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，因此為了防止結垢與腐蝕，需要排污處理，個別企業排污后進行統一處理，之后回用，此種方式無疑使污水處理費用大幅提高。如此一來生化與回收的費用就達到4元/m3，回收75%再生水的費用近2 000×104元。這種方式不但花費高，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，大大加大了運行成本。

3.2 軟化法

a) 離子交換樹脂法。去除補水中鹽分使循環水不結垢，但系統腐蝕率是未處理補水腐蝕率的3倍。設備腐蝕產生鐵垢一樣會影響生產，且設備壽命大打折扣，運行成本高且污染環境產生廢水，系統大小受限；

b) 補水通過反滲膜處理。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，但此種技術還有待深入研究，效果較差。

 

4、循環冷卻經濟運行的關鍵點

減少循環水的總溶解固體和濁度，提高濃縮倍數，整體改善循環水水質，這也即為循環冷卻經濟運行的關鍵。總之，需通過此種方式，實現減少處理所需成本，降低污染，節水h環保的最終目標，具體見表1。

                表1 不同濃縮倍數系統補水量以及排污水量

5、循環冷卻水處理和零排放新技術

分析循環水傳統方法的弊端，為有效克服傳統工藝不足，新工藝新技術應包含以下幾點；a) 藥劑應具有優良除垢阻垢、緩蝕、預膜和抑制菌藻生長的作用；b) 通過合理系統設計，配備合理設備后，要基本實現零排污。

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垢。以水中主要結垢成份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垢的主要原因。因此，尋找一種能與Ca² 、Mg² （用化學符號表示）形成固定反應的藥劑，使結垢離子晶格異變或不易結晶是防垢的一條可行路徑。研究表明具有特定配位基團的LJ-120藥劑可使CaCO₃（用化學符號表示）晶體由菱面體狀轉變成圓球狀（見圖1、圖2），使之不易在金屬表面上著落結垢。

              

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運行中，不用停產，原有設備上的老垢在藥劑中改性木質素磺酸鈉（LSA）對晶體產生了晶格畸變作用。這是由于LSA不僅能與水中的Ca2 形成穩定螯合物，同時還能與碳酸鈣晶體面上的Ca2 發生螯合作用。從空間位阻來看，LSA較易與晶體扭折位置處的Ca2 螯合，形成的螯合物占據了晶體正常生長的晶格位置。結果晶體就不能按正常規律生長，晶體晶格歪扭，晶粒間聚集困難。即使晶體繼續長大，由于螯合劑被鑲嵌在繼續生長的晶體中，這種晶體較不穩定在環境條件變化時，晶體易碎裂，形成外形不規則的小晶體。這些晶格畸變所形成的垢，難以密致和牢固的附著在設備接觸面上，為酥松軟垢形式，可輕易的被水流沖走。進入到沉淀池中或旁流的分離系統里。此種除垢法可將結垢在正常運行中自然消除，防止因化學清洗與管線更換所產生的費用，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，不耗費電能，真正做到了循環水系統免維護，為企業帶來了良好經濟效益。

而藥劑的緩蝕性能得益于產品中的某元素呈現出多陰離子和氧化物特征，在與氯的吸附競爭中以其較強的絡合作用優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。其極強的預膜，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的侵害腐蝕，從而減少了點蝕和垢下腐蝕。有效保護循環水管道，延長設備使用壽命。

此外，新藥劑還應在合適的pH范圍內工作，研究表明弱堿性環境可有效破壞微生物生存條件，抑制菌藻生長。同時，由于藥劑可使循環水中多價金屬離子被絡合，并逐漸轉化為不溶性沉淀物，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為結垢物的常見固態圖。

圖3 結垢物的常見固體形態圖

5.2 新工藝對設備的要求及設計

a) 菌藻控制器。循環水隨著夏季溫度升高，各種細菌及藻類繁殖盛行，目前絕大部分廠家都是投加化學藥劑治理菌藻。不僅環保成本高，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，減少了化學藥品的使用，保護了生態環境。

b) 循環水池中污泥處理。新工藝為高倍率運行，循環水濁度極高，水池底部污垢相應增大，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) 水質凈化器。由于新工藝基本不排污，濁度自然增大。為降低循環水濁度需安裝水質凈化裝置，使循環水濁度符合國家標準。

 

6 結語

新工藝新技術符合以上功能要求，經多廠家實際運行都達到了預期效果，解決了循環水除垢、阻垢、緩釋三大難題，水池內淤泥得到了清除，循環水得到了凈化，使微生物得到了有效控制，切循環水濃縮倍率也大大提高（當循環水濃縮倍率提高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，節水率70%以上）。節水極為顯著，符合國家節水降耗新政策，大大緩解了中國極度缺水現象。極大降低了排污量，使生態環境得到了有力保護，極具推廣價值。