循环冷却水基础知识

第一章工业循循环冷却水处理知识

总则

为了贯彻国家节约水资源和保护环境的方针政策，促进工业循环冷却水的循环利用和污水资源化，有效控制和降低循环冷却水所产生的各种危害，保证设备的换热效率和延长使用寿命，减少排污、达标排污的要求，减少对环境的污染和破坏，使工业循环冷却水处理达到技术先进、经济适用、安全可靠的运行方针。

循环冷却水的处理，是许多学科交叉渗透的边缘科学，它涉及到无机化学、高分子化学、电化学、数学、微生物和工程学等领域，本手册为本单位（兰州华星高科技开发有限公司）技术售后服务而制定，根据火力发电厂水质的监督和处理原理而编写，可提供化验员及即将从事工业循环冷却水处理人员学习，本手册力求自己现有的水平的基础上，尽可能满足工业循环冷却水处理工作者的需求，廖误之处，敬请赐教。

目录

一、循环冷却水系统各术语定义和符号 (4)

1.术语 (4)

2.符号 (8)

二、循环冷却水处理指标控制及平衡关系 (10)

1.间冷开式系统循环冷却水换热设备的控制条件 (10)

2.循环冷却水水质指标 (10)

3循环冷却水计算平衡关系 (13)

三.循环冷却水系统中沉积物及其控制 (16)

1.影响结垢的主要因素 (16)

1.1水质 (16)

1.2温度 (16)

1.3流速 (17)

1.4表面状态 (17)

2.垢的形成机理 (17)

3.阻垢剂的作用机理 (17)

3.1螯合 (18)

3.2低剂量效应 (18)

3.3晶格畸变 (18)

3.4分散作用 (18)

4.腐蚀问题 (19)

4.1影响腐蚀速度的因素 (19)

5.缓蚀剂的缓蚀机理 (22)

6.微生物问题 (23)

6.1冷却水中微生物的主要危害 (23)

6.2循环冷却水中微生物的处理 (25)

7.循环水运行条件 (26)

7.1.浓缩倍数 (26)

7.2 PH值 (27)

一、循环冷却水系统各术语定义和符号

1.术语

1.1循环冷却水系统 recirculating cooling wanger system

以水作为冷却介质，并循环运行的一种给水装置，由换热设备、冷却设备、处理设施、水泵、管道及其他有关设施组成。

1.2间冷开式循环冷却水系统(间冷开式系统) indircct open recirculating cooling wanger system

循环冷却水与被冷却介质间接传热且循环冷却水与大气直接接触散热的循环冷却水系统。

1.3间冷闭式循环冷却水系统（闭式系统）indircct closed recirculating cooling wanger system

循环冷却水与被冷却介质间接传热且循环冷却水与冷却介质也是间接接传热的循环冷却水系统。

1.4全闭式系统 totally closed system

系统中的循环冷却水不与大气接触的简冷闭式循环冷却水系统。

1.5半闭式系统 semi closed system

系统中的循环冷却水局部与大气接触的间冷闭式循环冷却水系统。1.6直冷开式循环冷却水系统（直冷系统）direct open recirculating cooling wanger system

循环冷却水与被冷却介质直接接触散热且循环冷却水与大气直接接触散热的循环冷却水系统。

1.7开式系统open system

间冷开式和直冷系统的统称。

1.8药剂 chemicals

循环冷却水处理过程中所使用的化学药剂。

1.9异养菌总数 count of aerobic heterotrophic bacteria

以细菌平皿计数法统计每毫升水中的异养菌落个数，单位为个/mL。

1.10生物粘泥 slime

微生物及其分泌的粘液与其他有机和无机杂志混合在一起的黏浊物质。

1.11生物粘泥量 slime content

用生物过滤网法测定的循环冷却水所含生物粘泥体积，以mL/m3表示。

1.12污垢热阻值 fouling resisance

换热设备传热面上因沉积物而导致换热速率下降程度的数值，单位m?K/W。

1.13腐蚀速率 corrosion rate

以金属腐蚀失重而算得的每年平均腐蚀速率，单位为mm/a。1.14粘泥速率 adhesion rate

换热设备单位传热面上每月的污垢增长量，单位为mg/cm2。1.15系统水容积 system capacity voiume

循环冷却水系统内所有水容积的总和，单位为m3。

1.16监测试片 monitoring test coupon

置于监测换热设备、监测管或塔池中用于监测腐蚀的标准金属试片。

1.17浓缩倍率 cycle of concentratin

循环冷却水含盐量与补充水含盐量的比值。

1.18预膜 preilming

以预膜液循环通过换热设备，使其金属表面形成均匀致密保护膜的过程。

1.19旁流水 side stream

从循环冷却水系统中分流并进过处理后，再返回系统的那部分水。

1.20药剂允许停留时间 permitted reunion time of chemicals

药剂在循环冷却水系统中的有效时间。

1.21补充水量 anount of makeup water

指补充循环冷却水系统运行中的损失的水量。

1.22排污水量 Amount of Blowdown

在确定浓缩别率的前提下，需要从循环冷却水系统中排除的那部分水量。

1.23温差△T

指水从热交换器返回至冷却塔时的平均水温T1,与蒸发之后的平均水温T2之差。

1.24蒸发损失

冷却过程中由于蒸发使水冷却而损失的那部分蒸发水量，即单位时间内水蒸发到大气的量（m3/h）；

1.25风吹损失

系统中的水以水雾或水滴的形式被风吹出冷却塔外，逸散到大气而损失的水量（m3/h）；

1.26系统损失

指包括水泵、阀门等泄漏、人为放水等造成失去的水量（m3/h）；

1.27泥浆浓度（含固率）mud concentralion

单位质量污泥所含固体物质的质量分数。

1.28含水率 containing water rate

单位质量污泥所含水分的质量分数。

1.29再生水 reclaimed water

污水及其其他废水经过处理后，达到一定的水质指标可进行再利用的水。

1.30深度处理 advanced treatment

对再生水进一步处理。

1.31超滤 ultra filtration

系膜式分离技术，过滤精度在0.01~0.1um范围内。

1.32 微滤 micro filtration

膜式分离技术，过滤精度在0.1 ~1um范围内。

1.33稳定指数 stability index

指2倍水的饱和pH值和水的实际pH值的差值，以此判定水的腐蚀和结垢倾向。

1.34凝汽器的真空度

在正常情况下，凝汽器内会形成一定的真空度，其值一般为0.005Mpa。绝度压力低于大气压时，表压小于零简称负压；也称真空。负压的绝对值大小就是真空度。影响真空度的主要因素为：汽轮机的排气量、凝汽器的抽气量、冷却水流量和温度、凝汽器的传热面（大多数为铜管）沉积物多等。

1.35凝汽器的端差

汽轮机的排气温度和凝汽器的出口温度之差，显然凝汽器的传热效果越好，冷却水出口温度就越高，端差越小；反之，端差上升。当凝汽器结垢较多时，端差就会上升。所以根据端差的变化有助于进行循环冷却水的故障诊断。

2.符号

A ——冷却塔空气流量（m3/h）；

A C——硫酸投加量（kg/h）；

C ——空气含尘量（g/m3）；

C mi ——补充水某项成分含量（mg/L）；

C ms——补充水悬浮物含量（mg/L）；

C rs——循环冷却水悬浮物含量（mg/L）；

C ri——循环冷却水某项成分含量（mg/L）；

C si——旁流处理后水的某项成分含量（mg/L）；

C SS——滤后水悬浮物含量（mg/L）；

G f——首次投加量（kg）；

G n——非氧化型杀菌剂每次加药量（kg）；

G o——氧化型杀生剂加药量（kg）；

G r——系统运行时的加药量（kg/h）；

g——每升循环冷却水加药量（mg/L）；

g n——每升循环冷却水非氧化型杀菌剂每次加药量（mg/L）；

g o——每升循环冷却水氧化型杀菌剂每次加药量（mg/L）；

K s——悬浮物沉降系数；

K——气温系数（1/℃）；

M m——补充水碱度（mg/L，以CaCO3计）；

M r——循环冷却水控制碱度（mg/L，以CaCO3计）；

N——浓缩倍率；

Q b——排污水量（m3/h）；

Q b1——强制排污水量（m3/h）；

Q b2——循环冷却水处理过称中损失水量，即自然排污水量（m3/h）；Q e——蒸发水量（m3/h）；

Q m——补充水量（m3/h）；

Q r——循环冷却水量（m3/h）；

Q sf——旁滤水量（m3/h）；

Q si——旁流处理水量（m3/h）；

Q w——风吹损失水量（m3/h）；

T d——设计停留时间（h）；

△t——冷却塔进出水温差（℃）；

V——系统水容积（m3）；

V e——循环冷却水泵、换热设备、处理设施等设备中的水容积（m3）；V p——工艺生产设备内的水容积（m3）；

V k——膨胀罐或水箱的水容积（m3）；

V r——循环冷却水管道水容积（m3）；

二、循环冷却水处理指标控制及平衡关系

1.间冷开式系统循环冷却水换热设备的控制条件

1.1循环冷却水管道流速不宜小于0.9m/s；

1.2当循环冷却水壳程流速小于0.3m/s时，应采取防腐涂层、反向冲洗等措施；

1.3设备传热面冷却水侧壁温不宜高于70℃；

1.4设备传热面水侧污垢热阻值应小于3.44×10-4m·K/W；

1.5设备传热面水侧粘泥速率不应大于15mg/cm2·月；炼油行业不应大于2015mg/cm2·月；

1.6碳钢设备传热面水侧腐蚀速率应小于0.075mm/a；铜合金和不锈钢设备传热面水侧腐蚀速率应小于0.005 mm/a；

1.7闭式设备传热面水侧污垢热阻值应小于0.86×10-4m·K/W，腐蚀速率应按照上述1.6执行；

1.8间冷开式系统与直冷系统的钙硬度与甲基橙碱度之和大于1100mg/L；稳定指数RSI＜3.3时，应加硫酸或进行软化处理。

1.9间冷开式系统的设计浓缩倍率不宜小于5.0，且不应小于3.0；直冷系统的设计浓缩倍率不应下雨3.0；

2.循环冷却水水质指标

2.1间冷开式系统循环冷却水水质指标

表1

2.2闭式系统循环冷却水水质指标

表2

2.3直冷系统循环冷却水水质指标

表3

3循环冷却水计算平衡关系

3.1浓缩倍率计算

N=

循环冷却水氯离子补充水氯离子=

式中N —浓缩倍率

Q m —补充水量（m 3/h ）；

Q b —排污水量（m 3/h ）；

Q w —风吹损失水量（m 3/h ）。

3.2水质判断指数的计算

ΔA 1＝--BU X Cl l C -BU

X JD JD ≤0.2 ； ΔA 2＝BU X BU X YD YD Cl Cl ---≤0.2； ΔB 1=-?--BU BU

X JD Cl Cl X JD ≤0.5 mmol/L ； ΔB 2＝X BU BU X YD YD Cl Cl -?--≤0.5 mmol/L. 上式中：

Cl X —循环水氯根mg/L ； Cl Bu —补充水氯根mg/L ；

JD X —循环水的碱度， mmol/L ； JD Bu —补充水碱度，mmol/L ；

YD x —循环水的硬度mmol/L ； YD Bu —补充水的硬度mmol/L 。

3.3开式系统循环冷却水的设计停留时间不应超过药剂允许的允许停留时间。设计停留时间可按下式计算：

T d =

式中T d —设计停留时间（h ）；

V—系统水容积（m3）。

3.4间冷开式系统水容积宜小于循环冷却水量的1/3，系统水容积可按下式计算：

V=V e+V r+V t

式中V e—循环冷却水泵、换热器、处理设施等设备中的水容积（m3）； V r—循环冷却水管道容积（m3）；

V t—水池容积（m3）。

3.5闭式系统水容积可按下式计算：

V= V p+V e+V r+V k

式中V p—生产工艺设备内的水容积（m3）；

V k—膨胀罐或水箱的水容积（m3）。

3.6循环冷却水系统缓蚀阻垢剂的首次加药量，按下式计算：

G r=

式中G r—首次加药量（kg）；

g—每升循环冷却水加药量（mg/L）。

3.7循环冷却水系统运行时，缓蚀阻垢剂加药量可按下式计算：

3.7.1开式系统和直冷系统

G r =

式中G r—系统运行时的加药量（kg）。

3.7.2闭式系统

G r =

3.8循环冷却水采用硫酸处理时，硫酸投加量宜按下式计算：

A c=

上式A c—硫酸投加量（kg/h,纯度为98%）；

M m—补充水碱度（mg/L，以CaCO3计）；

M r —循环冷却水控制碱度（mg/L，以CaCO3计）。

3.9循环冷却水杀菌灭藻剂投机量计算

3.9.1氧化型杀菌灭藻剂投加时，加药设备能力应满足冲击式加药量的要求，加药量可按下式计算：

G o=

式中G o—氧化型杀菌灭藻剂加药量（kg/h）；

g o—每升循环冷却水氧化型杀菌灭藻剂加药量（mg/L）,连续加药投机宜取0.1～0.5 mg/L，冲击式投加宜应取2～4 mg/L，以有效氯计。

3.9.2非氧化型杀菌灭藻剂，宜根据微生物监测数据进行不定期投加，每次投加量应按下式计算：

G n=

式中G n—非氧化型杀菌灭藻剂加药量（kg）；

G n—每升循环冷却水非氧化型杀菌灭藻剂加药量（mg/L）

3.10开式系统补充水量可按下式计算：

Q m=Q e+Q b+Q w

Q m=

Q e=k·△t·Q r

式中 Q e—蒸发水量（m3/h）；

Q r—循环冷却水量（m3/h）；

Q w—冷却塔进出水温度（℃）。

k—气温系数（1/℃），按表4计算：

3.11闭式系统的补充水量宜为循环水量的1%，闭式系统补充水设计流量宜为循环水量的0.5%～1%。

3.12开式系统的排污水量可按下式计算：

Q b= Q W

Q b= Q b1 +Q b2

式中Q b1—强制排污水量（m3/h）；

Q b2—循环冷却水处理过程中损失水量，即为自然排污水量（m3/h）。

三.循环冷却水系统中沉积物及其控制

1.影响结垢的主要因素

1.1水质

水质是影响污垢沉积的最主要因素之一，冷却水水质的各项控制指标如硬度、碱度、总溶固、水中各种成垢离子、悬浮物，绝大部分是针对防垢的要求而制定的，水的PH对成垢影响也很大，PH高有利于腐蚀控制，但不利于垢沉积控制。

1.2温度

温度直接影响冷却水的结垢过程，冷却水流速一定时，水温越高，垢沉积速度越大。温度升高还能使那些反溶解度的盐类加速析出沉积，

甚至还能起烘烤作用，使已沉积的污垢转化为难以消除的形态。

1.3流速

水的流动状态的作用对垢的沉积很明显，它决定剥离污泥切力的大小，在换热器中冷却水流速<0.3米/秒时，悬浮物和其它固形物就会开始沉淀，为避免沉淀产生，故要求冷却水最低流速大于0.5米/秒。

1.4表面状态

金属表面粗糙度和糙面的分布密度以及均匀程度，都直接影响晶核生成和污垢沉积，表面越粗糙，相应的表面积越大，吸附垢的能力也越强，金属性质不同，导热系数各有差异，也会产生结垢状态变化。

除了以上提到的因素外，还有冷却水中菌藻微生物的生长，腐蚀产物的形成程度工艺过程中物料的泄漏以及换热器的几何形状，水的流动都能影响到垢的形成。

2.垢的形成机理

随着溶液浓度增加到达饱和或过饱和状态，溶质分子间距离缩小，分子与分子之间碰撞机会增加，生成晶核，在晶核生成初期，微小的晶核又会产生再溶解，当晶核长大到临界核(临界粒径)时，再溶解过程减弱，结晶开始迅速生长，吸附在换热器水侧管壁，这便是结垢。3.阻垢剂的作用机理

a控制结晶核成长b.控制结晶继续增加c.使结晶分散

上述三个步骤中，若有一个被破坏，则整个成垢过程就被控制，在循环水系统中投加阻垢剂、分散剂就是为了控制其中的一个步骤或

几个步骤，以达到阻垢目的。阻垢剂就是通过对水中成垢离子进行螯合作用，低剂量效应，使其生成的结晶，晶格畸变，大晶粒分散成小晶粒等作用来达到阻垢效果的

3.1螯合

即阻垢剂与水中钙镁离子形成螯合物，且这些螯合物是水溶性的，将更多的钙镁离子稳定在水中，相当于增加了微溶性钙镁盐在水中的溶解度，从而减少了微溶盐生成过饱和溶液的可能性。这一过程也叫“络合增溶”。

3.2低剂量效应

螯合作用是可以按化学当量计算的。实际上，在水中反投加几个PPm 的阻垢剂，可将比按化学当量计算高得多的，甚至几百个PPm的钙离子稳定在水中，这就是低当量效应。通过试验发现，在低浓度时，随着阻垢剂浓度增加，其阻垢率上升，但当达到一定值后，阻垢率的增加就不明显了。象有机膦酸盐，聚羧酸聚磷酸盐都具有这种低当量效应。

3.3晶格畸变

在碳酸钙过饱和溶液中，一旦出现晶格，晶体就迅速成长，在成长过程中，晶体界面上若有螯合物存在，螯合物占据晶体生长的晶格座位，晶格继续长大，螯合物被镶嵌在其中，这种含有螯合物的晶体是不稳定的，晶体中有弹性应力，当外部环境条件变化时，晶体在弹性应力作用下碎裂形成外型不规则的小晶体，晶格发生畸变。

3.4分散作用

某些阻垢剂具有分散作用，在冷却水中有碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙等小晶体及其它悬浮粒子存在时，由于物理或化学作用，阻垢剂被吸附到颗粒表面，颗粒表面形成双电层，在静电作用下，颗粒相互排斥，避免了颗粒碰撞积聚成长，使微小的颗粒分散在水中。

4.腐蚀问题

一般的说法腐蚀的定义是材料（通常是金属）和它所存在的环境之间的化学或电化学反应而引起材料的破坏及其性质的恶化变质叫

腐蚀。根据反应机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，根据形式可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

所谓腐蚀，即金属和它所存在的环境之间的化学或电化学反应而引起金属的破坏现象。

阳极反应是铁的溶解过程： 2Fe→2Fe2++4e

阴极是氧的还原反应： O2+2H2O+4e→4OH～

在冷却水系统中，主要是吸氧腐蚀引起金属的破坏。阳极反应在敞开式循环冷却水系统中引起的危害，除了使系统的输水管线、水冷设备的寿命减少及损害等直接的损失之外，还有由于腐蚀造成泄漏而引起工艺介质的污染或造成计划外的停车事故。另外由于腐蚀产生的锈瘤，也会引起水冷器传热效率下降或管线阻碍。一般在冷却水系统中，如不使用化学处理方法，碳钢的腐蚀速率平均在70～150mg/dm2?day 范围之内，但发生点蚀的部位腐蚀速度可达到平均腐蚀率的2～10倍。

4.1影响腐蚀速度的因素

4.1.1溶解氧的浓度

随浓度增大，腐蚀率增加；但当达到一定极限时，高氧会使氧化物成为钝化膜，降低腐蚀速度。

4.1.2 PH值

PH在4～10时，腐蚀由扩散过程控制腐蚀速度与PH关系不大，当PH小于4时，氧化膜被溶解，金属表面与酸性溶液接触，产生两个去极化作用。

氧的去极化 O2+4H++4e→2H2O

氢的去极化 2H++2e→H2

故电化学腐蚀加强，腐蚀速度加快。PH在10～13时，碳钢表面PH值升高，氧的钝化临界浓度降低到6ppm，生成r-Fe2O3而钝化腐蚀速度下降。PH＞13时，钝化膜被溶解，生成可溶性络合物铁酸钠（NaFeO2）和亚铁酸钠（Na2FeO2）腐蚀速度又上升。

4.1.3温度及热负荷

通常随着温度升高，腐蚀速度增加。温度升高增加了反应速度和扩散速度，在氧浓度一定时，温度每升高30℃腐蚀速度就增大一倍。对敞开式循环水而言温度在80℃以内，温度升高加快腐蚀，80℃以上腐蚀速度才开始下降。

4.1.4流速

不加缓蚀剂水流速度对腐蚀速度影响较大，水的流动状态强烈的影响着氧的扩散速度。水的流速大，使氧的极限扩散电流密度增大，腐蚀速度增大，在层流区内腐蚀速度随流速增加而缓慢上升。当流速