CN107628715B - 高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统及方法，方法包括以下步骤：步骤01，调查检测循环冷却水系统的基本参数和补充水的基本参数；步骤02，选取电化学水垢去除设备的类型，并确定数量；步骤03，确定超声波装置的类型，并确定数量；步骤04，确定胶球清洗装置的类型和数量。本发明的联合处理方法将传统的循环冷却水物理清洗方法有机结合，可提高循环水系统的浓缩倍数，减少排污水量，具有显著的经济性，且不会破坏换热器管表面的保护膜，不会引起换热器管的腐蚀。

Description

高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统及方法

技术领域

本发明属于循环冷却水处理领域，具体涉及一种高硬度、高碱度循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统及方法。

背景技术

循环冷却水系统的稳定运行对于保证企业安全稳定生产具有十分重要的意义。现有的循环冷却水系统存在的主要问题在于：换热器及管路系统中的水垢沉积、腐蚀、菌藻滋生及由此而造成的循环水换热效能下降与能耗增加。因此，亟待解决的问题在于：控制水垢沉积、减缓腐蚀发生及消灭菌藻。

另外，水资源的紧缺已经成为制约工农业生产的关键因素。在水资源匮乏地区，大量品质很差的水被做循环冷却水系统的补水，其中循环冷却水的高硬度、高碱度使得常用的传统方法无法进行有效的循环水水质稳定控制。与此同时，国家及地方的环保政策越来越严格，循环冷却水系统的污水外排受到较大的限制，需要相应的技术方案来提高循环水的浓缩倍数，提高水资源利用效率，减少排污水量。

现在市场上存在大量用于循环冷却水系统的水质稳定化控制的处理方法，例如：物理清洗法、化学清洗法、化学药剂法、电化学法、超声波法、高压静电阻垢技术、磁化及电磁处理法等。上述方法各有优缺点，但都能从一定程度上对于循环水水质稳定起到一定的作用。由于前述环保政策与标准的限制，目前使用最为广泛的化学药剂法在未来发展过程中会受到较大的限制。类似于电化学法、超声波法及物理清洗法等不会给循环冷却水系统带入新的污染物质的方法是更有发展前景的循环冷却水处理技术。

电化学除垢阻垢技术属于典型的主动式除垢阻垢技术。其优点在于能够将水中的成垢离子以水垢沉积的方式从水体中析出，由此使得循环冷却水的浓缩倍数提高，减少排污水量及补水量，节约水资源。与此同时，电化学反应器中的阳极在反应过程中能够产生大量的强氧化性活性物质，使得该技术对于循环冷却水系统的微生物及藻类也具有较好的杀灭及抑制作用。该技术的缺点在于单机处理能力有限，适用于硬度小于等于550mg·L^-1(以CaCO₃计，下同)的情况；当循环冷却水硬度过高时，需要电化学处理设备的数量较大，工程投资较高，相比于其余处理方法并不具有显著的经济性。与此同时，该技术对于硫酸盐水垢及硅酸盐水垢并无处理效果，当水体中存在硫酸根或硅酸根离子并产生硫酸钙或硅酸钙类型的水垢时，需要选择其它的处理办法。

超声波除垢技术是通过超声波作用清除换热管内外壁上沉积的垢层以及防止垢晶体沉积在换热管内外壁上的一种物理除垢方法。超声波除垢是利用强声场处理换热器内的流体。超声波在液体内传播时强声场会产生空化效应、机械剪切效应、活化效应以及抑制效应，使换热器内的垢发生物理变化和化学变化。在超声波声场的作用下，能够使原来沉积的垢内部产生大量的空洞，垢的结构从致密变得疏松直至脱落、并逐渐消失，同时超声波还可以阻止垢的沉积。超声波不仅能够清除换热器及换热管内沉积的垢，而且对预防换热器及换热管内结垢有良好的效果。与此同时，该技术属于物理除垢阻垢方法，对于碳酸盐水垢、硫酸盐水垢及硅酸盐水垢等均具有较好的效果。该技术的缺点在于无法将循环水中的成垢离子去除，水体结垢倾向仍然不变；当水体硬度较大时，阻垢效果较差；无法提高循环水系统的浓缩倍数，没有节水及减排效能。

对循环冷却水进行的各种处理，只能减轻或减缓凝汽器铜管内附着物的产生，但不能根除之，依然需要采用物理清洗技术进行系统内污垢的直接清除。作为物理清洗技术的典型代表，胶球清洗技术是在运行的凝汽器循环水侧投入胶球，胶球随水流进入凝汽器铜管，利用胶球的对铜管内壁的摩擦而起清洗作用。胶球清洗用于清洗的胶球有两种：一种是硬胶球，其外径比铜管内径小1-2mm，依靠胶球在铜管内的不规则跳动、碰撞，将部分污垢清除；同时，当硬胶球在管内通过时，只留下1-2mm的间隙，此处将产生较高的水流速度，冲击该处的污泥。另一种是软胶球，通常由橡胶制成，其球径比铜管内径大1-2mm。软胶球为多孔、能压缩的软性材料制成，故又称海绵球。球在充分吸水后的比重与水相近，它随循环水进人铜管，并在水流的作用下，拉伸变成椭圆形。由于它与铜管内壁有较大的接触面，故行进中能将管壁上的污垢擦除。当胶球流出铜管管口时，它在自身弹力的作用下，突然恢复原状，从而弹除了胶球表面上的污垢。出水中的胶球有收球网收集。实践证明，软胶球比硬胶球的清洗效果好得多，故目前现场多采用软胶球淸洗。该技术的缺点在于对软垢有一定的清除作用，无法清除硬垢；容易丢球，运行费用高；当水流速度慢或管内有硬垢时，球卡在管内，管被於死；清洗次数不宜过多，因为清洗过度会破坏换热器管表面的保护膜，引起换热器管的腐蚀。

工程实践表明，当循环冷却水的硬度及碱度值较高时(硬度与碱度大于550mg·L^-1)，前述单一处理方案很难奏效。因此，需要充分考虑上述方案的优缺点，扬长避短，采用联合方案来处理高硬度、高碱度循环水，以保证循环冷却水系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统及方法，以解决上述技术问题。本发明的联合处理方法将传统的循环冷却水处理方法有机结合，可提高循环水系统的浓缩倍数，减少排污水量，具有显著的经济性，且不会破坏换热器管表面的保护膜，不会引起换热器管的结垢与腐蚀。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统，包括循环冷却水系统和安装于循环冷却水系统中的电化学水垢去除设备、超声波装置和胶球清洗装置；

循环冷却水系统包括冷却塔和换热器；冷却塔的循环冷却水出口连通换热器的入口，换热器的出口连通冷却塔的循环冷却水入口；

电化学水垢去除设备设置于冷却塔的循环冷却水出口与换热器的入口之间，用于对冷却塔流出的循环冷却水进行电化学处理；

超声波装置设置于换热器、管道及弯头部位；用于对换热器、管道及弯头部位进行阻垢处理；

胶球清洗装置置于换热器系统上，用于去除换热管内的沉积物。

进一步的，电化学水垢去除设备、超声波装置的类型与数量通过以下步骤确定：

步骤01，检测循环冷却水系统的基本参数和补充水的基本参数；

步骤02，根据步骤01获得的参数选取电化学水垢去除设备的类型，并确定数量；

步骤03，根据步骤01获得的参数确定超声波装置的类型，并确定数量。

进一步的，在步骤1中，循环冷却水系统的基本参数包括单位时间蒸发水量、单位时间风吹飞溅水量、循环水保有量；补充水的基本参数包括硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度；在步骤1中，还采集换热器结构、设备形状、尺寸、材质、换热面积、介质、流速及管道的连接方式和连接结构信息；在步骤02中，将结垢指数调整至结垢指数为0.5-1.5的结垢倾向，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量。

进一步的，电化学水垢去除设备为直接抛入式或池外运行式。

进一步的，在步骤03中，超声波装置数量的确定具体包括：

1)用在法兰连接管线上，―个超声波换能器去除法兰内管线中的水垢；

2)用在焊接管线上，一个超声波换能器去除100―150m延长管线中的水垢；

3)用在法兰连接结构的换热器上，一个超声波换能器去除30-40m²的水垢；

4)用在全焊接结构的换热器上，―个超声波换能器去除80-110m²的水垢；

5)装置功率的大小根据换热器的换热面积所能布置的换能器的数量决定：0.01KW/m²，平方米是指换热器所提供的换热面积。

高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，包括以下步骤：

步骤01，调查检测循环冷却水系统的基本参数和补充水的基本参数；循环冷却水系统包括冷却塔和换热器；冷却塔的循环冷却水出口连通换热器的入口，换热器的出口连通冷却塔的循环冷却水入口；

步骤02，根据步骤01获得的参数选取电化学水垢去除设备的类型，并确定数量；利用电化学水垢去除设备对冷却塔流出的循环冷却水进行电化学处理；

步骤03，根据步骤01获得的参数确定超声波装置的类型，并确定数量，将超声波装置设置于换热器、管道及弯头部位；利用超声波进行阻垢处理；

步骤04，将胶球清洗装置置于换热器系统上，利用胶球清洗装置去除换热管内的沉积物。

进一步的，在步骤1中，循环冷却水系统的基本参数包括单位时间蒸发水量、单位时间风吹飞溅水量、循环水保有量；补充水的基本参数包括硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度；在步骤1中，还采集换热器结构、材质及管道的连接方式和连接结构信息。

进一步的，在步骤02中，当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值小于550mg·L^-1时，将整个循环冷却水系统的结垢指数调整至腐蚀结垢平衡点，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量；当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值在550mg·L^-1以上时，将结垢指数调整至结垢指数为0.5-1.5的结垢倾向，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量。

进一步的，在步骤03中，超声波装置数量的确定具体包括：

1)用在法兰连接管线上，―个超声波换能器去除法兰内管线中的水垢；

2)用在焊接管线上，一个超声波换能器去除100―150m延长管线中的水垢；

3)用在法兰连接结构的换热器上，一个超声波换能器去除30-40m²的水垢；

4)用在全焊接结构的换热器上，―个超声波换能器去除80-110m²的水垢。

5)装置功率的大小根据换热器的换热面积所能布置的换能器的数量决定：0.01KW/m²，平方米是指换热器所提供的换热面积。

进一步的，在步骤04中，胶球清洗装置的数量为一个，胶球清洗装置中的胶球为硬胶球或者软胶球。循环冷却水池内的水体进行电化学处理，起到去除水中成垢离子与杀灭水中菌藻的作用；将超声波装置置于系统的换热器、管道及弯头等部位，利用超声波进行阻垢处理；将胶球清洗装置置于换热器系统上，利用胶球清洗的作用去除换热管内的沉积物。本发明的联合处理方法将传统的循环冷却水物理清洗方法有机结合，适用于高硬度高碱度循环冷却水的水质稳定化处理，可提高循环水系统的浓缩倍数，减少排污水量，具有显著的经济性，且不会破坏换热器管表面的保护膜，不会引起换热器管的腐蚀。本发明结合的三种传统方法均为物理性或物理化学性方法，在其运行过程中不会额外添加化学药剂，使得外排污水的污染程度大大减低，由此能够极大减轻业主的环保压力。

进一步的，当循化水硬度值较高时(大于550mg·L^-1)，依据公开专利201611236675.1的标准获得的设备数量较大，经济性较差。在本发明中，电化学水垢去除装置的数量选择在计算方式上仍然使用公开专利201611236675.1提出的选型方案，将结垢指数调整至结垢倾向(0.5-1.5)，无需调至腐蚀结垢平衡点，可使得所选设备的数量减少，工程投资趋于合理。电化学水垢去除装置的主要作用是去除水体中的成垢离子，减轻水体的结垢趋势，利用电化学产生的强氧化性物质杀灭水体中的细菌和藻类，一定程度上提高水体的浓缩倍数，减少循环水外排，减少补水，起到节约水资源的效果。电化学水垢去除装置的数量选择适当，既可以保证起到较好的去除水垢、杀灭菌藻、提高浓缩倍数和节约水资源的效果，又不至于使得设备数量过大而造成投资过大，降低技术的经济性。通过对电化学水垢去除装置数量的控制，使得处理后得水体呈现出弱结垢趋势，可以较好的保护系统换热器及管道内部的保护膜，防止腐蚀现象的发生，能够减少甚至不使用缓蚀剂。

进一步的，电化学水垢去除装置在循环冷却水系统中的两种安装模式：直接抛入式和池外运行式。直接抛入式是指将无外壳电解设备直接置于循环水池中并与池外的直流电源进行连接，使得反应进行。池外运行式是指将循环水通过水泵抽取或是带压自流的方式引入池外有壳电解设备中，待反应一定时间后，排入循环水池，可根据实际需要，选用不同的安装模式，可使本发明具有更广的适用范围。

进一步的，池外运行式的电化学水垢去除装置的两种运行模式：手动除垢和自动除垢。手动模式是指设备不带自动除垢功能，需要在反应器运行一段时间后，人工打开反应器并清理水垢，使得阴极表面重新恢复清洁状态，便于后续运行。自动除垢模式是指设备带有自动刮除系统，当系统运行到某一设定状况时，刮除系统自动启动，清理水垢并清洗反应器内部，便于后续运行，可根据实际需要，选用不同的运行模式，可使本发明具有更广的适用范围。

进一步的，超声波装置的主要作用是利用超声波的独特性质清除换热管内外壁上沉积的老旧垢层以及防止垢晶体沉积在换热管内外壁。超声波装置的数量选择上有一定的要求，超声波在金属中传导的衰减很小，遇到法兰连接时，因密封垫片属于软体结构，超声波的衰减则很大，因此，对于不同连接方式的换热设备及管线换能器的阻垢除垢能力是不同的。基本选用原则如下：用在法兰连接管线上，―只换能器只能去除法兰内管线中的水垢；用在焊接管线上，一只换能器可以去除100―150延长米管线中的水垢；用在法兰连接结构的换热器上，一只换能器只能去除30-40m²的水垢；用在全焊接结构的换热器上，―只换能器可以去除80-110m²的水垢。上述换能器的除垢能力计算只是作为估算，仅作参考。装置功率的大小根据换热器的换热面积所能布置的换能器的数量决定；参考值：0.01KW/m²，平方米是指换热器所提供的换热面积。实际选型应按超声波装置的功率大小、换热设备的结构、运行条件、介质理化指标等多方面因素确定。对于经过电化学水垢去除装置处理后的弱结垢趋势循环水，超声波装置的使用可以有效的保证水体不会在系统换热器及管道内部结垢。由此可以避免超声波装置直接处理高硬度高碱度循环水时力不从心的尴尬局面。

进一步的，胶球清洗装置的主要作用是保证在系统出现一定程度的结垢症状后，利用直接清理的过程清除换热器内的沉积物，保证系统的安全稳定运行。胶球清洗装置的数量只需要一台。胶球清洗装置起到安全屏障的作用，当系统运行较长时间需要清洗或是出现某些极端情况危害系统安全时，可以开启以保证系统的安全稳定运行。由此可以极大的减少胶球清洗频次，避免因为频繁开启导致损坏系统换热器及管道内部的保护膜。

附图说明

图1是本发明的一种高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化合处理系结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1所述，本发明一种高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统，包括循环冷却水系统和安装于循环冷却水系统中的电化学水垢去除设备、超声波装置和胶球清洗装置；

循环冷却水系统包括冷却塔和换热器；冷却塔的循环冷却水出口连通换热器的入口，换热器的出口连通冷却塔的循环冷却水入口；

电化学水垢去除设备设置于冷却塔的循环冷却水出口与换热器的入口之间，用于对冷却塔流出的循环冷却水进行电化学处理；

超声波装置设置于换热器、管道及弯头部位；用于对换热器、管道及弯头部位进行阻垢处理；

胶球清洗装置置于换热器系统上，用于去除换热管内的沉积物。

针对循环水硬度值大于550mg·L^-1的循环冷却水系统，采用本发明所提出的一种高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，按照下列步骤来进行方案确定：

(1)前期调查：主要调查循环水系统的基本参数，包括单位时间蒸发水量、单位时间风吹飞溅水量、循环水保有量，用以完成水量平衡计算；补充水的基本参数，包括硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度；与此同时，有关换热器结构、材质以及管道的相关信息也需要仔细了解，上述信息越详细越好。

(2)在充分了解循环水系统及补水的前提下，使用公开专利201611236675.1(公开号CN106587278A提出的选型方案(权利要求1-6对应的技术方案)进行电化学水垢去除设备的选型；以结垢指数调整至1.0为目标，通过计算获得电化学水垢去除设备的数目，电化学水垢去除设备为自动除垢的池外运行式。

(3)在充分了解换热器与管道情况的前提下，根据所选择超声波装置的功率大小、换热设备的结构、运行条件、介质理化指标的多方面因素确定超声波装置的数量。

超声波台数如何选择：超声波处理装置分为换热设备进口水处理区及换热器强化处理区两种，换热设备进口水处理区统一配置安装，如水质较差可选择同时安装进口水处理和强化处理两种装置。装置功率的大小根据换热器的换热面积所能布置的换能器的数量决定；参考值：0.01KW/m²，平方米是指换热器所提供的换热面积。

(4)胶球清洗装置的数量为一台，安装位置在换热器上。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统，其特征在于，包括循环冷却水系统和安装于循环冷却水系统中的电化学水垢去除设备、超声波装置和胶球清洗装置；

循环冷却水系统包括冷却塔和换热器；冷却塔的循环冷却水出口连通换热器的入口，换热器的出口连通冷却塔的循环冷却水入口；

电化学水垢去除设备设置于冷却塔的循环冷却水出口与换热器的入口之间，用于对冷却塔流出的循环冷却水进行电化学处理；

超声波装置设置于换热器、管道及弯头部位；用于对换热器、管道及弯头部位进行阻垢处理；

胶球清洗装置置于换热器系统上，用于去除换热管内的沉积物；

电化学水垢去除设备、超声波装置的类型与数量通过以下步骤确定：

步骤01，检测循环冷却水系统的基本参数和补充水的基本参数；

步骤02，根据步骤01获得的参数选取电化学水垢去除设备的类型，并确定数量；

步骤03，根据步骤01获得的参数确定超声波装置的类型，并确定数量；

在步骤03中，超声波装置数量的确定具体包括：

1)用在法兰连接管线上，-个超声波换能器去除法兰内管线中的水垢；

2)用在焊接管线上，一个超声波换能器去除100-150m延长管线中的水垢；

3)用在法兰连接结构的换热器上，一个超声波换能器去除30-40m²的水垢；

4)用在全焊接结构的换热器上，-个超声波换能器去除80-110m²的水垢；

5)装置功率的大小根据换热器的换热面积所能布置的换能器的数量决定：0.01KW/m²，平方米是指换热器所提供的换热面积。

2.根据权利要求1所述的高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统，其特征在于，在步骤1中，循环冷却水系统的基本参数包括单位时间蒸发水量、单位时间风吹飞溅水量、循环水保有量；补充水的基本参数包括硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度；在步骤1中，还采集换热器结构、材质及管道的连接方式和连接结构信息；在步骤02中，当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值小于550mg·L^-1时，将整个循环冷却水系统的结垢指数调整至腐蚀结垢平衡点，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量；当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值在550mg·L^-1以上时，将结垢指数调整至结垢指数为0.5-1.5的结垢倾向，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量。

3.根据权利要求1所述的高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理系统，其特征在于，电化学水垢去除设备为直接抛入式或池外运行式。

4.高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤01，调查检测循环冷却水系统的基本参数和补充水的基本参数；循环冷却水系统包括冷却塔和换热器；冷却塔的循环冷却水出口连通换热器的入口，换热器的出口连通冷却塔的循环冷却水入口；

步骤02，根据步骤01获得的参数选取电化学水垢去除设备的类型，并确定数量；利用电化学水垢去除设备对冷却塔流出的循环冷却水骤03，根据步骤01获得的参数确定超声波装置确定数量，将设置于换热器、管道及弯头部位；利用超声波进行阻垢处理；

步骤04，装置去除换热管内的沉积物据权利要求1所述的高碱循环冷却水系统水质稳定化联处理方法，其特征在于，在步骤1中，循环冷却水系统的基本参数包括单位时间蒸发水量、单位时间风吹飞溅水量、循环水保有量；补充水的基本参数包括硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度；在步骤1中，还采集换热器结构、材质及管道的连接方式和连接结构信息。

5.根据权利要求4所述的高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，其特征在于，在步骤02中，当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值小于550mg·L^-1时，将整个循环冷却水系统的结垢指数调整至腐蚀结垢平衡点，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量；当循环冷却水系统中的冷却水的硬度值在550mg·L^-1以上时，将结垢指数调整至结垢指数为0.5-1.5的结垢倾向，由此来确定所选用的电化学水垢去除设备的数量。

6.根据权利要求4所述的高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，其特征在于，在步骤03中，超声波装置数量的确定具体包括：

1)用在法兰连接管线上，一个超声波换能器去除法兰内管线中的水垢；

2)用在焊接管线上，一个超声波换能器去除100-150m延长管线中的水垢；

3)用在法兰连接结构的换热器上，一个超声波换能器去除30-40m²的水垢；

4)用在全焊接结构的换热器上，-个超声波换能器去除80-110m²的水垢。

7.根据权利要求4所述的高硬高碱循环冷却水系统水质稳定化联合处理方法，其特征在于，在步骤04中，胶球清洗装置的数量为一个，胶球清洗装置中的胶球为硬胶球或者软胶球。

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