CN103058336B

CN103058336B - 一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备

Info

Publication number: CN103058336B
Application number: CN201310026673.XA
Authority: CN
Inventors: 王惠丰
Original assignee: SHENYANG HUIFENG ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shenyang Hanwei Technology Co ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: CN103058336A

Abstract

本发明涉及一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备，其核心思想是在循环冷却水系统上设置旁路循环系统并安装直流电解处理设备对循环冷却水进行处理。直流电解处理设备利用阴极析氢反应使循环水中钙镁离子结垢析出，再通过除垢和排垢使系统硬度不断下降，防止结垢；通过特殊形稳阳极析出的活性物质杀灭和抑制菌藻滋生，防止堵塞和腐蚀。同时电解析氢使pH值升高，可有效防止电化学腐蚀。该直流电解处理工艺在同一过程中实现除垢、杀菌灭藻和防腐蚀多种功能，与传统物理法和化学法相比，具有效果明显、清洁性、节约水资源、低能耗、低成本、可实现无人值守等优势。

Description

一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备

技术领域

本发明属于水处理技术领域，主要涉及一种循环冷却水处理工艺及设备，特别是涉及一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备。

背景技术

工业生产设备和建筑空调系统需要进行冷却，水是最为常用的冷却介质。工业冷却水用量很大，占整个用水量的2/3以上，许多行业冷却水占到工业用水总量的80%～95%。建筑空调系统数量庞大，据估计全国大约有几百万台中央空调机组，冷却水消耗量非常巨大。为了节约水资源，冷却水通常要求循环使用，称之为循环冷却水。循环冷却水系统通常会产生如下问题：

（1）结垢：循环冷却水会在自身散热冷却过程中因为蒸发而发生浓缩，使体系内钙镁离子含量逐渐增高，同时体系内的重碳酸盐会因为换热升温而解析逸散，使系统中碳酸钙、碳酸镁呈饱和状态，从而在系统传热表面结垢。结垢会严重影响系统热交换效率，实验证明当系统结垢厚度超过0.13mm时，系统传热效率就会下降95%，而为了达到相同的冷却效果，需要使用10倍以上的循环水量。

（2）微生物滋生：敞开式循环冷却水在冷却塔中散热过程中能卷积空气中的灰尘和微生物（及其孢子），造成系统浊度增加，同时细菌和藻类等微生物在冷却水系统适宜的条件会下快速生长，导致系统微生物滋生。大量微生物滋生不仅会造成粘泥增加、沉积，堵塞设备管道，而且在粘泥内部形成的厌氧环境，使硫细菌和铁细菌大量繁殖，加速金属表面化学腐蚀。

（3）电化学腐蚀：循环冷却水在冷却塔内散热过程中与空气充分接触，使溶解氧和重碳酸根浓度升高，体系pH值下降，从而加速金属的电化学腐蚀。

结垢、微生物滋生和腐蚀问题会对循环冷却水系统效率和设备造成严重危害。为了解决循环冷却水系统的结垢、微生物滋生和腐蚀问题，国内外通常化学法对循环冷却水进行处理，即向循环水中投加阻垢剂、杀菌剂和缓蚀剂等化学试剂来防止系统结垢、微生物滋生和腐蚀。化学法是目前循环冷却水处理普遍使用的方法，许多国际大公司针对不同水质开发了多种阻垢剂、杀菌剂和缓蚀剂，如美国的NALCO，GE等，国内也有许多生产和销售企业。

循环冷却水的化学处理法虽然效果良好，但却存在着明显的缺点：第一、大量使用化学药剂，其中大多数药剂对环境具有危害性，环境兼容性较差；第二、药剂在水中的含量随冷却水浓缩不断提高，系统排水将受到严格控制，增加了系统投资和处理成本；第三、药剂的运输、储藏、配制和投加等过程操作繁琐，并且都需要大量人力资源，无疑增加了运行维护成本；第四、由于药剂（如氯系杀菌剂）用量增加会导致系统腐蚀和运行维护问题，因此无法有效提高浓缩倍数，节约用水受到限制。

为了克服化学处理方法的缺陷，以电磁为能量介质的物理处理方法得以发展。物理法包括高压静电和高能电磁场处理技术，其原理是利用高压静电或高能磁场改变循环冷却水中的钙镁等离子的存在状态，从而抑制其结晶析出，实现阻垢；而高压静电能击穿微生物细胞壁，起到有杀菌灭藻作用。近年来，以电磁技术为基础开发了多种循环冷却水处理设备，如电子水处理仪、高压静电水处理器、高能磁（高能粒子）环阻垢仪等。这些设备虽然具有一定处理阻垢或杀菌灭藻效果，但适用范围十分有限。对于敞开式循环冷却水系统水质控制和实现较高浓缩倍数而言，无法达到预期效果，因此很难推广，随着时间推移逐渐淡出市场。

发明内容

发明目的：

本发明针对循环冷却水化学处理方法的缺点和物理处理方法的不足，提出了一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种循环冷却水直流电解处理工艺，其特征在于：在循环冷却水系统上设置旁路循环系统，在旁路循环系统上安装直流电解处理设备，通过直流电解处理设备对循环冷却水进行处理。

旁循环系统设置在循环冷却水系统的循环水池和冷却塔部分，由旁路循环泵提供循环，循环比例为循环水量的0.5%～5%。

直流电解处理设备根据循环水量和水中硬度计算并确定电解电流和电解时间，电流范围10～200A，电解时间1～24h，使阴极发生析氢反应，循环水系统pH值升高，从而使循环冷却水中钙镁离子在阴极结垢析出，降低循环水中硬度。

直流电解处理设备设置除垢装置和排垢系统，通过定时倒极或者机械刮除的方式清除阴极结垢，然后通过排垢系统使水垢排出系统，从而实现循环冷却水中钙镁离子不断降低，有效防止换热系统和管路结垢。

直流电解处理设备采用钛基涂钌电极作为催化阳极。

直流电解处理设备由控制系统中的PLC设定程序控制运行。

一种如上所述的循环冷却水直流电解处理工艺所使用的循环冷却水直流电解处理设备，包括循环冷却水系统，循环冷却水系统主要由冷却塔、循环水池、循环水泵和换热器构成，冷却塔下方为循环水池，循环水池通过循环水泵连接换热器，换热器连接冷却塔；其特征在于：循环冷却水系统上还设置有旁路循环系统，旁路循环系统由旁路循环泵和直流电解处理设备组成。

直流电解处理设备由电解反应器、电极、直流电源、电极连接装置、除垢装置、排垢系统和控制系统组成；电解反应器内设置有电极和除垢装置，电极通过电极连接装置连接直流电源，电解反应器下部连接排垢系统，控制系统分别连接电极连接装置、除垢装置和排垢系统；旁路循环泵连接电解反应器。

优点及效果：

本发明是一种循环冷却水直流电解处理工艺及设备，具有如下优点：

（1）与化学法相比，不需要投加任何化学药剂，无化学药剂二次污染问题，环境兼容性好；

（2）与物理法相比，阻垢、杀菌灭藻效果明显，处理效果好；

（3）可通过直流电解一个过程同时实现除垢、杀菌灭藻和防腐蚀多种效果；

（4）可实现连续排垢，因此可有效提高循环冷却水系统的浓缩倍数至6以上，节约补给水30%以上，节约大量水资源；

（5）处理成本只有电解过程能耗，并且能耗很低，与化学处理法相比，可降低运行成本30%以上；

（6）直流电解处理设备运行控制采用PLC程序控制，可实现无人值守，节省人员劳务费用和工资80%以上。

附图说明：

图1为本发明循环冷却水直流电解处理工艺示意图。

附图标记说明：

图中：R1-循环冷却水系统；1-冷却塔；2-循环水池；3-循环水泵；4-换热器； R2-旁路循环系统；5-旁路循环泵；6-电解反应器；7-电极；7a-阴极；7b-阳极；8-直流电源；9-电极连接装置；10-除垢装置；11-排垢系统；12-控制系统；13-直流电解处理设备。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明针对循环冷却水化学处理方法的缺点和物理处理方法的不足，提出了直流电解处理工艺，具体内容如下：

（1）在循环冷却水系统上设置旁路循环系统；

（2）在旁路循环系统上安装直流电解处理设备；

（3）通过直流电解处理设备实现循环冷却水系统除垢、杀菌灭藻和防腐蚀。

上述工艺具体实施方案如下：

（1）上述旁路循环系统R2设置在循环冷却水系统R1的循环水池2和冷却塔1部分，由旁路循环泵5提供循环，循环比例为循环水量的0.5%～5%；

（2）上述直流电解处理设备应根据循环水量和水中硬度计算并确定电解电流和电解时间，电流范围10～200A，电解时间1～24h，使阴极发生析氢反应，循环水系统pH值升高，从而使循环冷却水中钙镁离子在阴极结垢析出，降低循环水中硬度，其反应过程如下：

阴极反应：

结垢反应：

或；

（3）上述直流电解处理设备设置除垢装置10和排垢系统11，通过定时倒极或者机械刮除的方式清除阴极结垢，然后通过排垢系统使水垢排出系统，从而实现循环冷却水中钙镁离子不断降低，有效防止换热系统和管路结垢；同时pH值升高，可有效防止电化学腐蚀。

（4）上述直流电解处理设备应采用钛基涂钌电极作为催化阳极，在电解过程中析出活性氯、活性氧、自由基等物质，有效杀灭循环冷却水中的细菌和藻类，使循环冷却水系统保持很低的菌藻浓度，防止系统发生粘泥堵塞和微生物结垢及腐蚀，其反应过程如下：

析氯反应：

自由基生成反应：；

（5）上述直流电解处理设备的运行由PLC设定程序控制，可确保连续稳定运行和无人值守。

所述循环冷却水直流电解处理设备，包括循环冷却水系统R1，如图1所示，循环冷却水系统R1主要由冷却塔1、循环水池2、循环水泵3和换热器4构成，冷却塔1下方为循环水池2，循环水池2通过循环水泵3连接换热器4，换热器4连接冷却塔1。冷却水由循环水池2经循环水泵3打入换热器4，对工作介质冷却后变成热水，然后冷却塔1中喷淋冷却，与空气接触蒸发、换热得以冷却。冷却水在换热器4表面受热后在冷却塔1喷淋冷却，会使水分不断蒸发而钙镁离子不断浓缩，同时重碳酸盐也会析出挥发，导致水中硬度处于过饱和状态而在换热器表面和管路系统析出形成结垢，造成系统传热效率大幅下降。同时冷却水在冷却塔1喷淋冷却过程中与空气接触，会夹带卷积空气中尘土和微生物（及其孢子）而使系统菌藻滋生、粘泥积累，从而导致系统设备和管路堵塞和腐蚀。

在系统中增加旁路循环系统R2，即在循环冷却水系统R1上设置旁路循环系统R2，该旁路循环系统R2由旁路循环泵5和直流电解处理设备13组成。直流电解处理设备13由电解反应器6、电极7（阴极7a、阳极7b）、直流电源8、电极连接装置9、除垢装置10、排垢系统11和控制系统12组成。电解反应器6内设置有电极7和除垢装置10，电极7通过电极连接装置9连接直流电源8，电解反应器6下部连接排垢系统11，控制系统12分别连接电极连接装置9、除垢装置10和排垢系统11；旁路循环泵5连接电解反应器6。部分循环冷却水经旁路循环泵5打入电解反应器6，在电解反应器6内的电极7上，利用直流电源8和电极连接装置9提供的直流电进行电解。电解过程中会在阴极7a表面产生析氢反应，从而使pH值升高，从而在其表面形成结垢。当结垢达到一定厚度应启动除垢装置10进行除垢，除垢完成后启动排垢系统11进行排垢，从而使系统硬度不断降低，并最终达到平衡浓度，防止循环冷却水系统R1内管路和换热器4表面结垢，确保系统始终维持高传热系数和传热效率。阳极7b采用具有催化特性的钛基涂钌电极，在电解过程中产生活性氯、活性氧和自由基等物质杀灭系统菌藻，防止粘泥堵塞和腐蚀。电解过程中阴极7a表面的析氢反应也导致系统pH值升高，从而能有效防止电化学腐蚀。

本发明所述的循环冷却水直流电解处理工艺可以用于各种行业、各种类型和各种规模的循环冷却水系统，并不限于具体实例，此处仅以下面实施例对本发明进行验证和说明：

实施例1：

（1）概况

选择沈阳中富瓶胚有限公司纯净水灌装生产线冷却系统作为试验研究对象，该系统主要用于纯净水罐装生产设备冷却，规模为50m³/h。由于缺乏专业维护人员，系统补水依靠浮球液位计所控制的补水阀开度进行控制，除了风吹损失，系统很少排水，导致长期在极高的浓缩倍数（按照电导率和硬度检测结果判断，系统浓缩倍数大于600倍）条件下运行，同时系统很少进行化学处理和维护，造成系统结垢和腐蚀严重，换热器表面结垢厚度大于8mm，系统冷却效果很差，冷却介质温差低于2摄氏度。

为了验证上述发明内容，设计并加工制造了循环冷却水直流电解处理设备。在上述循环冷却水系统上设置旁路系统，旁路系统由旁路循环泵和管路系统组成。将直流电解处理设备接入旁路系统，调节合适的电流和电解时间进行生产试验。

（2）试验过程及结果

循环冷却水直流电解处理设备安装和调试完成后，调整旁路系统循环量为0.25m³/h，调节电流为10A，调整电解时间为24h，电解完成后进行除垢和排垢，排垢后重新进行电解处理。上述过程在PLC程序自动控制下无人值守完成。连续进行试验，每天取循环冷却水系统内水样进行检验，分别测定pH值、电导率、总硬度和细菌总数等水质指标，指标检测采用国标方法或《水和废水监测分析方法》（第四版）中推荐使用方法进行测定。试验和检测过程自2012年6月18日开始，连续进行10天，试验结果如下：

在设备安装初期系统中硬度迅速降低，设备排出大量水垢；随着系统硬度降低，换热设备上所结水垢开始溶解，系统硬度维持在20～30mmol/L，表明此时系统达到水垢溶解和除垢平衡；

在设备安装前几天中系统中细菌总数迅速降低，此后系统细菌总数一直保持在10²～10³CFU/L水平，表明直流电解处理设备具有良好的杀菌灭藻效果；

设备运行过程中系统电导率逐渐降低，最后稳定位置在8mS/cm，说明系统浓缩倍数维持在15左右。电导率的降低有利于减少电化学腐蚀电流，降低循环水系统管路和设备腐蚀风险；

设备运行过程中系统pH值逐渐升高，由初始的6.72升高到8.0，pH值的升高可有效降低循环水系统管路和设备电化学腐蚀风险；

随着系统水垢溶解，系统进出水温度差明显增加，由最初的2～3℃增加到5℃左右，说明系统传热系数和传热效率提高了两倍；

（3）结论

由上述试验结果可以得出如下结论：

循环冷却水直流电解处理工艺具有明显的除垢、杀菌灭藻和防腐蚀效果；

循环冷却水直流电解处理工艺可明显改善系统传热效率，降低系统运行能耗和能量损失；

循环冷却水直流电解处理工艺运行只消耗很少的电能，因此与化学法相比具有无可比拟的清洁性。

实施例2：

（1）概况

（2）试验过程及结果

循环冷却水直流电解处理设备安装和调试完成后，调整旁路系统循环量为1m³/h，调节电流为50A，调整电解时间为10h，电解完成后进行除垢和排垢，排垢后重新进行电解处理。上述过程在PLC程序自动控制下无人值守完成。连续进行试验，每天取循环冷却水系统内水样进行检验，分别测定pH值、电导率、总硬度和细菌总数等水质指标，指标检测采用国标方法或《水和废水监测分析方法》（第四版）中推荐使用方法进行测定。试验和检测过程自2012年6月29日开始，连续进行10天，试验结果如下：

硬度进一步降低，设备排出大量水垢；随着系统硬度降低，换热设备上所结水垢开始溶解，系统硬度维持在20mmol/L以下，系统达到了硬度补给和排垢平衡；

系统细菌总数一直保持在10²～10³CFU/L水平，表明直流电解处理设备具有良好的杀菌灭藻效果；

设备运行过程中系统电导率逐渐降低，最后稳定位置在5mS/cm，说明系统浓缩倍数维持在10左右。电导率的降低有利于减少电化学腐蚀电流，降低循环水系统管路和设备腐蚀风险；

设备运行过程中系统pH值逐渐升高，升高到8.24，pH值的升高可有效降低循环水系统管路和设备电化学腐蚀风险；

随着系统水垢溶解，系统进出水温度差明显增加，增加到8℃左右，说明系统传热系数和传热效率提高了两倍以上；

（3）结论

由上述试验结果可以得出如下结论：

实施例3：

（1）概况

（2）试验过程及结果

循环冷却水直流电解处理设备安装和调试完成后，调整旁路系统循环量为2.5m³/h，调节电流为200A，调整电解时间为1h，电解完成后进行除垢和排垢，排垢后重新进行电解处理。上述过程在PLC程序自动控制下无人值守完成。连续进行试验，每天取循环冷却水系统内水样进行检验，分别测定pH值、电导率、总硬度和细菌总数等水质指标，指标检测采用国标方法或《水和废水监测分析方法》（第四版）中推荐使用方法进行测定。试验和检测过程自2012年6月30日开始，连续进行10天，试验结果如下：

硬度进一步降低，设备排出大量水垢；随着系统硬度降低，换热设备上所结水垢开始溶解，系统硬度维持在15mmol/L以下，系统达到了硬度补给和排垢平衡；

设备运行过程中系统电导率逐渐降低，最后稳定位置在3mS/cm，说明系统浓缩倍数维持在7左右。电导率的降低有利于减少电化学腐蚀电流，降低循环水系统管路和设备腐蚀风险；

设备运行过程中系统pH值稳定维持在8.2左右，pH值的升高可有效降低循环水系统管路和设备电化学腐蚀风险；

随着系统水垢溶解，系统进出水温度差明显增加，增加到10℃左右，说明系统传热系数和传热效率恢复了设计值；

（3）结论

由上述试验结果可以得出如下结论：

Claims

1.一种循环冷却水直流电解处理工艺，其特征在于：在循环冷却水系统（R1）上设置旁路循环系统（R2），在旁路循环系统（R2）上安装直流电解处理设备（13），通过直流电解处理设备对循环冷却水进行处理；直流电解处理设备（13）设置除垢装置（10）和排垢系统（11），通过定时倒极或者机械刮除的方式清除阴极结垢，然后通过排垢系统（11）使水垢排出系统；旁路循环系统（R2）设置在循环冷却水系统（R1）的循环水池（2）和冷却塔（1）部分，由旁路循环泵（5）提供循环，循环比例为循环水量的0.5%～5%；直流电解处理设备（13）根据循环水量和水中硬度计算并确定电解电流和电解时间，电流范围10～200A，电解时间1～24h；直流电解处理设备（13）采用钛基涂钌电极作为催化阳极；直流电解处理设备（13）由控制系统（12）中的PLC设定程序控制运行。

2.一种如权利要求1所述的循环冷却水直流电解处理工艺所使用的循环冷却水直流电解处理设备，包括循环冷却水系统（R1），循环冷却水系统（R1）主要由冷却塔（1）、循环水池（2）、循环水泵（3）和换热器（4）构成，冷却塔（1）下方为循环水池（2），循环水池（2）通过循环水泵（3）连接换热器（4），换热器（4）连接冷却塔（1）；其特征在于：循环冷却水系统（R1）上还设置有旁路循环系统（R2），旁路循环系统（R2）由旁路循环泵（5）和直流电解处理设备（13）组成；直流电解处理设备（13）由电解反应器（6）、电极（7）、直流电源（8）、电极连接装置（9）、除垢装置（10）、排垢系统（11）和控制系统（12）组成；电解反应器（6）内设置有电极（7）和除垢装置（10），电极（7）通过电极连接装置（9）连接直流电源（8），电解反应器（6）下部连接排垢系统（11），控制系统（12）分别连接电极连接装置（9）、除垢装置（10）和排垢系统（11）；旁路循环泵（5）连接电解反应器（6）。