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一.简述

  水,迄今我们所知道的各种生命都离不开水。
  水的化学分子式----H 2 O,指的就是一个氧原子和两个氢原子相结合,形成了一个水分子。虽然看起来很简单,但水却具有许许多多其它物质所无法比拟的特性, 而正是这些特性,使得迄今我们所知道的各种生命得以生生不息。

1 .1 水的一些特性:

  水蒸气含有相当高的能量。
  水比其它物质能够吸收或释放更多的能量。
  水受冻结时体积膨胀,密度变小。
  在自然环境中,水是唯一能够呈现三态的物质:固态、液态和气态。
  我们很容易看到水在三态之间的相互转化:受冻、液化和蒸发。此外,自然界中水的蕴含量非常丰富,容易运输,当然,还非常价廉。
  其实,水还具有许多不为常人所知的特性。譬如,水被称做“万能溶剂”,因为它几乎能够溶解一切物质(大峡谷就是一个很好的例子)。凡是水接触到的物质,总是能够在水中或多或少的找到这些物质的痕迹。当水溶解岩石时,溶解下来的矿物质就随着水流抵达它们最后的目的地—循环冷却水系统中。
  即使水没有溶解岩石,水中不含有矿物质,水中依然有氧气、氮气和二氧化碳等气体的少量溶解成分,同样会造成麻烦。
  所有的水源---自来水、井水、湖泊水和江河水,均含有各种各样会造成各种热交换设备腐蚀、结垢或堵塞的杂质。对用水来进行加热和冷却的用户来讲要特别注意如下三种类型的杂质:
   溶解气体:(特别是氧气)是引起腐蚀的主要原因。
   溶解固体:引起结垢,并有可能导致腐蚀。
   悬浮固体:引起腐蚀和结垢,并有可能导致堵塞。
  水常常又分为地下水和地表水两种形式。地下水,顾名思义,指的就是渗透到地面以下的水,矿物质的含量往往很高。井水一般归类为地下水。地表水的概念则非常广泛,常见的形式如江河湖泊中的水。地表水的矿物质含量较低,但溶解气体和悬浮固体的含量较高。
  通常情况下,地表水质量随季节变化的程度比地下水大。

1.2 为什么利用水来传输热能

  因为水不但能够吸收大量的热能,而且相当价廉,同时还非常容易汲取和运输。譬如:锅炉用水产生蒸汽,热水加热,水源热泵的单体环路,工业流程中循环冷却水的冷却,以及建筑物保暖、通风和空调。

1 .3 水处理的历史回顾

  水处理的最早应用可以追溯到蒸汽机时代,当时人们开始在锅炉上使用化学药品以抑制水垢和腐蚀。在二次大战之前,则出现了专门的维护人员进行系统的除垢保养以及更换零件等工作。
  二战结束后至五十年代期间(中国在六十年代初),随着工业和研究领域的迅速发展,人们对冷却能力的要求越来越高,因而对水处理的要求也日益迫切。同时发现适当的水处理非常合算有效。
  当时最时兴的水处理技术是:使用酸抑制矿物质的沉淀生成,同时搭配含重金属铬酸盐或锌等的缓蚀剂来抑制腐蚀。然而,酸、铬酸和锌虽然能够保护设备,但使用起来却有很多问题。酸不仅对人员有危险,事实上,过量的酸还会腐蚀系统设备。这样的水处理方法要求维护人员必须定时监控系统设备,而许多企业无法提供专职的水处理人员负责这项工作。
  到了七十年代,基于廉价能源的短缺,政府部门开始要求对环境进行保护,并出台限制使用酸、铬酸盐和锌的措施,这对水处理行业来说既是机遇又是难题。机遇,是因为人们已经意识到水处理提高效益的重要性;难题,是因为必须发展更为先进的水处理技术。
  从整个八十年代至进入九十年代,水处理产品面临的限制日益苛刻,龙其是生物杀菌和腐蚀抑制剂。

二.为什么要进行水处理?

  为什么要进行水处理?答案其实很简单。我们已经知道大多数的冷却和加热系统都在使用水在工业流程或空调系统进行热量传递。由于水用于热量传递过程,从而使循环水进行循环的设备和系统管道就非常容易滋生下列问题:
  水垢故障
  设备腐蚀
  淤泥残渣
  微生物粘泥
  消除或减小上述问题,无疑会提高冷却和加热系统的运行效率,减少设备的
  维护开支和节约能源支出。
  水处理的必要性:水处理的必要性:冷热交换设备的形状各式各样,大小也不尽相同。无论是大楼里较小的中央空调系统,还是轧钢厂、炼油厂丶发电厂等较大的冷却和加热系统,它们的工作运行原理基本上是一样的。
  为了更好地了解水处理的重要性,接下来将讲述水系统的工作原理,及结垢、腐蚀丶淤泥残渣及微生物粘泥对系统设备的危害,以及我们水处理药剂是如何消除这些这些危害的。
  首先,让我们先来看看与冷却和加热系统用水相关的这些危害,是如何定义的。使用水处理药剂消除这些危害后,将会提高系统的运行效率,从而减少因设备损坏进行停机检修的巨额费用支出。
危害 定 义
结垢 附着在冷却水系统各种热交换设备表面上,如岩石般一层沉积物
腐蚀 系统设备与水长期接触的金属表面,由于电化学反应丶 PH、氧气、或受快速水流的侵蚀而产生的变质现象。
淤泥残渣 由补偿给水或化学反应带来的烂泥、尘埃、砂砾等的沉积,在冷却塔中,由于循环水和空气对流,而带入的烂泥、灰尘和砂砾。
微生物粘泥 冷却水由于暴露在空气中给微生物的繁殖提供便利,继而引发水质腐败、管道堵塞和设备腐蚀的不良后果。
  

2.1 水垢故障

  溶解在水中的杂质稀溶液中,呈离子丶络离子丶单分子状态,在过饱和溶液
  中,由数个数十个分子集聚生成晶核,慢慢结晶而析出,层积后便形成了水垢。
  如下图:
  •   水垢的生成主要受下面因素的复合影响:
      1、 杂质的多少
      2、 杂质的类型
      3、 水的温度
      4、 水的PH值
      下面让我们详细谈谈每个因素是如何影响结垢的生成的。
      

    2.1.1 杂质

      其实,无论水中的杂质属何类型,只要杂质的量足够多,就会析出形成水垢。
      打个比方:慢慢地往一杯咖啡里添加方糖,你会注意到起初方糖全都能够溶解在咖啡里,然后任由你添加多少方糖,它们却再也无法溶解掉。这同锅炉和冷却塔中的溶解性固体最后形成沉淀析出的道理是一样的。
      虽然溶解在水中的杂质有许许多多种,各自的数量也会因季节的变化不尽雷同,但我们目前所关心的只有几种:硬度(钙和镁)、铁、碱度(碳酸氢盐和碳酸盐)、硫酸盐、及二氧化硅。通常一些大型的循环水系统在补偿给水前,都会对补偿给水进行预处理,以消除或减少其中的杂质如硬离子和溶解氧等。碳酸钙是最为常见的一种结垢。这是因为碳酸钙在热水中的溶解度比在冷水中的溶解度小碳酸钙在热水中的溶解度比在冷水中的溶解度小,这种现象又称“逆溶解”现象,这也是为什么碳酸钙总是最先在冷却塔或热交设备的最热表面结垢的原因。
      我们不妨再看看另外一个例子:端一杯热茶和一杯冰茶来作溶解试验。你会发现热茶比冰茶能够溶解更多的方糖或许多其它物质,但是,碳酸钙片恰恰相反,它在冰茶中的溶解度比热茶中的溶解度大。
      在某些地区,原生水里的二氧化硅含量较高,极易生成二氧化硅结垢。以往对这种结垢的方法主要是想方设法限制进入循环水系统。现在,已经开发先进的水处理品配方,即使冷却塔和冷凝器中的二氧化硅结垢很厚,也能将结垢剥离清除掉。
      

    2.1.2 温度

      温度对水垢的生成有什么样的影响,相信大家都明了。但在这里必须说明的是:并不是所有的水处理产品在高温条件下,都有效的。基于这个原因,如果你遇到需要处理的冷却塔的温度超过 65。 C 或是高压锅炉时,请务必与我们技术服务中心联系。
      

    2 .1 .3 PH 值

      PH 值是衡量溶液中氢离子浓度的一个指标。具体应用到水处理方面,PH 值主要衡量的是溶液的相对酸度或相对碱度。PH 值越高,即溶液的碱度越大,形成结垢的可能性也就越大。PH 低,水呈酸性,金属发生匀均腐蚀.
      H + + OH- =H2 O H   + ﹥ OH -   酸性水,反之碱性水
      

    2.2 腐蚀故障

      腐蚀指的是金属与水接触所发生的一种电化学反应。如下图:
  •   由于这种腐蚀变化无法彻底根除,因此我们所关注的是减缓金属腐蚀的速度。象结垢一样,腐蚀也受许多因素的左右,常见的因素有:
      1 、金属的类型
      2 、水中含氧量
      3 、PH 值
      4 、电导率
      5 、物理淤泥
  •   

    2 .2 .1 金属的类型

      有些金属相对来说更容易被腐蚀。譬如说,在大多数的情况下,软(低炭)钢就比铜腐蚀得快。软钢是制造锅炉和管道的常用材质,而紫铜和黄铜则常用于制造冷却水系统中的热交换器。不过,即使是最新式的镀锌冷却塔,除非使之置于合适的工作环境,否则也非常容易“生白锈”而腐蚀。
      

    2 .2 .2 水的含氧量

      前面我们讲过,绝大多数的腐蚀生成,都必须有氧气的参与。水中氧气的含量越高,水就越具有腐蚀性。冷却水系统中的氧气含量始终达到饱和程度,这是因为冷却过程中不断地引风造成的。
      温度越高,水中氧气含量就越低。但是,在高温条件下,譬如锅炉水,即使是含极微量的氧气,它的致腐蚀性也远远大于含溶解氧气多的冷却水,这是因为高温加速了氧气的电化学反应。高温条件下的腐蚀速度如此之快,以致于必须对水进行处理,尽可能让腐蚀反应的速度放慢。
      

    2 .2 .3 PH 值

      PH 值越高,越容易生成水垢,PH 值越低,越容易引起腐蚀,的确两难。如何在两难之中寻找平衡,这也是水处理技术关健所在.
      

    2 .2 .4 水的电导率

      从本质上来看,腐蚀基本上是一种电子转移的过程。因此,水中总的可溶性固体含量越高,即水的电导率越大,水的致腐蚀性也就越大。
      

    2 .2 .5 物理淤泥

      冷却塔里会产生泥污,这是因为进入冷却塔的原生水携带有大量的杂质,而冷却塔的循环空气也携带了许多尘埃。
      沉积在金属表面上的泥污阻止了水处理品配方中的腐蚀抑制剂在潜在的腐蚀区域发挥作用。腐蚀在泥污层下得以扩展,最后形成了大面积的腐蚀表面。泥污层还能够给微生物的生长提供温床,其结果同样是大面积的腐蚀表面。硫酸盐还原细菌(SRB)就是一个很好的例子,它在泥污层里大量滋生繁殖,最终侵蚀金属表面,缩短冷却水系统的使用寿命。
      泥污的堆积还妨碍热量传递,延长设备的运行时间,增加能源费用,缩短设备的使用寿命。
      

    其它腐蚀之:磨蚀

      磨蚀指的是管道中的金属表面或塑料表面(管)受流动水中固体悬浮物冲刷而磨损老化的现象。管道的弯头和水流速度快的部位尤其容易受磨蚀。有一个很好的例子可以说明这个问题:用一个打湿了的喷砂器逐渐磨掉了一层又一层的管道表面,直至管道脆裂。
      

    其它腐蚀之:溶解气体

      所有的水源都溶有氧和二氧化碳,它们给设备造成的主要危害是腐蚀。我们主要关注这两种气体。许多腐蚀的生成都需要氧气的参与,缺乏氧气的环境往往不能形成腐蚀。一旦温度升高,氧气会加剧腐蚀速度,生成危害性更大的蚀穴。
      

    其它腐蚀之:溶解固体

      水几乎能够溶解所有它所接触的物质,因此水中便含有了许许多多各式各样的杂质,所有这些溶解固体杂质统称“总溶解固体(TDS)。TDS 常用电导仪来测定。
      不过,我们最感兴趣的溶解固体只有几种:硬度(钙和镁)、铁、碱度(碳酸盐和碳酸氢盐)、氯化物、硫酸盐及二氧化硅,这些都是分析结垢样品必须测试的指标。迄今为止,碳酸钙是人们所知道的最常见的结垢成分。
      

    其它腐蚀之:悬浮固体

      悬浮固体指的是一些肉眼可辩的微小颗粒:如尘埃、泥砂、铁屑等。悬浮固体并没有溶在水中,未呈电离态,不会增加水的电导率。在悬浮固体进入运行系统之前通常被沉降或过滤出来。
      悬浮固体经常会在狭小的部位或水位流缓慢的区段聚积起来,引起水流阻塞,或者在灼热的热量传递区域受烤焦结,降低热量传递的效率。悬浮固体甚至能够在某些水系统里产生大量的泡沫。
      

    2.3 微生物及粘泥

      冷却塔实在是细菌、藻类和真菌生存的良好场所。我们知道,空气中存在着许多微生物孢子,当空气穿过冷却塔时,嗜好氧气、水分和阳光的藻类孢子就会在冷却塔里找到栖身之处,嗜好木质纤维素的真菌同样也会在冷却塔里生存繁殖,而嗜热厌光的细菌孢子则在热交器里拼命分裂生长。
      这些微生物的生长会堵塞冷却塔中的布水器和填料,限制了积在金属表面的微生物腐殖体隔绝了缓蚀剂与金属表面的接触,致使缓蚀剂无法对金属表面发挥保护作用, 可以说,微生物腐殖体是造成腐蚀的又一间接因素 。粘泥的大量生长,阻塞了管道的水通量,造成水循环不畅通,这点可以从水泵的电流上得到体现.
  •   
      这些微生物还能带来诸多的疾病:如退伍军人病。

      军团杆菌引起的“军团病”,因首次在美国退伍军人会上发生而被命名 北京市疾病预防控制中心副主任检验师彭晓旻介绍说,1976 年 7 月 21 至 24 日,美国第 58 届退伍军人会议在费城的一家宾馆举行,会议期间有 221 人染病,死 亡 34 人。1977 年,美国疾病预防控制中心首次分离到以前从未见过的一种杆菌,命名为军团杆菌。患者中有 90%以上表现为“肺炎”,症状有发热、咳嗽、喘憋、呼吸困难、头痛、胸痛和脓痰等。此后,世界 30 多个国家和地区,相继有该病发生。各国学者为此进行了大量研究,发现目前已被证实的军团菌有 39 个种,近 20 种与人类军团菌密切相关。
      其实早在 1965 年美国华盛顿特区圣伊丽莎白医院就发生过类似的疾病,81 例患者中死亡 14 人。我国媒体曾有报道 1982 年在南京发现首例病人,重庆、石家庄、唐山、北京市也已有数次军团病报道。中央空调冷却塔是军团病的主要传染源。近年来卫生监督人员对本市的一些饭店和写字楼以及体育馆的中央空调的冷却塔和管道系统进行了多次检测,其中一次抽查了 14 家饭店的 38 个冷却塔,结果发现 12 家饭店的 21 个冷却塔都有超标的军团菌,在饭店工作的人员血清中军团菌抗体水平明显高于一般人群。1992 年北京郊区一家宾馆,有 9 人同时患 病,其中有 6 人在餐厅工作。后来医务人员发现餐厅门口有一个观赏鱼池,池内装有加氧喷水系统,被军团菌污染后的池水随空气雾化,使工作人员吸入带菌的蒸汽而受染。
      
    这里讲一个关键词:

       
    浓缩系数(COC )

      浓缩倍数:是水处理技术的一个重要指标。我们知道,循环冷却水系统在运行时,水分或多或少地蒸发掉(或称被蒸馏掉)。理论上讲,蒸发掉的这部分水 是非常“纯净“的不带走任何杂质,从而把杂质浓度,越来越提高。为了维持系统水位,补偿因蒸发(蒸馏)损失的水,必须及时向系统补充新鲜的“含有杂质的水”,其结果可想而知:系统水的杂质浓度越来越增大。
      浓缩倍数非常恰当地反应了杂质浓度的这种变化。当冷却水中的杂质浓度是补给水的杂质浓度的两倍时,系统的浓缩系数是 COC=2。由于所有的矿物质仍然留在系统水中,我们可以通过测试任何一种矿物质的浓度来计算出系统水的浓缩系数。我们可以挑选氯化物或电导值来表示 COC。对于 COC,每个水处理公司都有自己设定的限度,如果每项指标(如总的硬度,碱度丶电导或二氧化硅)的 COC 值在限度范围内,就可以通过物理或化学方法进行处理,不会导致诸如结垢、腐蚀或泄漏等等诸多困扰。通过测试补偿给水的各项指标,我们可以知道,系统经过多少次的水循环之后,哪一个指标最先达到系统的限值,这多少次的水循环数,就相应地成了系统 COC 的最大值。
      浓缩系数通常用系统水的溶解体浓度与补偿给水的溶解固体浓度之比率来表示,也可以用补偿给水的流速与排放水的流速比率来表示。
      
    例如: 1.冷却塔水的氯化物含量=300ppm
      补偿给水的氯化物含量=50ppm 300÷50=6 CoC
      2.冷却水补给水的流速=8 m 3 /h
      冷却水排污水的流速=2 m 3 /h 8÷2=4 CoC
      随着“纯净水”的不断蒸发,如果只是简单地补偿(含杂质的)自来水,那么系统水中的杂质浓度就会越来越高,积重难返的后果就是:即使采用适当的化学方法来处理,系统中的结垢仍然失控般地越结越厚。基于这个原因,人们不得不连续排放或间歇排放,杂质浓度较高的系统水,借以控制系统水的杂质浓度或杂质的浓缩周期 COC。
      由此可见,如果水处理产品能够让系统耐受更多的杂质却不会生成结垢,那么,系统的用水量就因减少排污量,无疑也减少了化学品的用量。因此,经过水处理后的系统允许的浓缩周期数越大,对客户来说,就意味着水、能源和化学品的用量越少,节省下来费用也就越多。
       

    三.从水处理看节能减排

      

    3.1 抑制水垢的产生所节约的能源

      A.水垢和钢铁的传热系数对比 单位:kcal/m.h. ℃
    名称 碳钢 碳酸盐水垢 硫酸盐水垢 硅垢
    传热系数 46.4-69.6 0.4-0.6 0.5-2.0 0.2-0.4
      B.由水垢引起的传热损失
    水垢厚度 碳酸钙软垢 碳酸钙硬垢 硫酸钙硬垢
    0.5(毫米) 损失率 3.5% 损失率 5.2% 损失率 3.0%
    1.0(毫米) 损失率 8.0% 损失率 9.9% 损失率 9.0%
    2.2(毫米) 损失率 15.0% 损失率 14.3% 损失率 14.3%
      C.例如:1000RT 的冷却装置,如果结有 0.5mm 厚的水垢,热传输损失 3.5%
      1000×3.5%=35RT/h (注:1RT=0.9KW/H)
      35×0.9=31.5KW/H
      全年浪费电力:31.5×24×30×12=272,160(KW/H)
      

    3.2 从减少排污看节约用水

      水处理药剂能提高循环水的浓缩倍数,从而减少排污。
      一般情况下,循环水浓缩两倍就有结垢危险,加入水处理剂后,能达到 5倍以上也不会结垢。
      1000RT 的冷却塔,在夏天(30℃左右)每小时蒸发的水量:10 吨左右(不含点滴损失和溢出损失)一天蒸发达到 240 吨,如果:COC=5节约水资源=240×(5-1)=960 吨
     

     3.3 从缓蚀来看设备的保护

      减少设备故障发生率,从而减少维修次数,减轻了劳动强度;维护好设备,延长设备的使用周期。
      

    3.4 综合评价

      节能丶节水丶提高效率丶减轻劳动强力如下图:水处理前后对比
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