工业给水处理4章水的冷却和循环水水质处理.ppt

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1、第第4 4章章 水的冷却和循环水水质处理水的冷却和循环水水质处理n 在工业生产过程中（热力、电力、钢铁、石油、化工、空调等），往往会产生大量热量，使生产设备或产品（气体或液体）温度升高，必须及时冷却，以免影响生产的正常进行和产品质量。从节能、经济、环保三方面考虑，冷却水应该实现循环利用。n 水是吸收和传递热量的良好介质，常用来冷却生产设备和产品。工业冷却水的供水系统一般可分为直流式、循环式和混合式三种。为了节约水资源，常采用循环冷却水系统，一般流程如下图。敞开式循环冷却水系统n循环水在使用过程中，少量水在冷却塔中蒸发损失，从而盐类浓缩而形成盐垢，水中悬浮物也发生浓缩，循环水可能受到渗漏工艺物料

2、的污染，还有有机物、微生物、藻类进入系统。这些都可使循环水系统出现结垢、污垢、腐蚀和淤塞问题。n因此，为了保证循环冷却水系统的可靠运行，必须同时采取以下技术措施：1.采用冷却构筑物以降低水温；2.进行水质处理以控制结垢、污垢、腐蚀和淤塞。一、冷却构筑物类型及构造第一节第一节 冷却构筑物类型、工艺构造1.1.水面冷却池水面冷却池（1）水面面积有限的水体：水塘、浅水库、小湖泊（2）水面面积很大的水体：河道、海湾、大型湖泊2.2.喷水冷却池喷水冷却池：压力水喷射后又落回水池，水与空气接触，而蒸发与传导散热。3.3.冷却塔冷却塔湿式：自然通风、机械通风、混合通风干式：即风冷，不需大量水，但费用高 湿式

3、冷却塔按热水与空气流动的方向可分为：逆流式、横流式、混流式。本章主要讲述以水滴水膜形式冷却的湿式冷却塔1.1.水面冷却池水面冷却池2.2.喷水冷却池喷水冷却池3.3.湿式冷却塔湿式冷却塔冷却塔冷却塔自然通风冷却塔自然通风冷却塔自然通风式冷却塔是利用空气自然对流来使水冷却的，水流运动形式有喷淋、溅滴等多种.主要有进水管、出水管、分配水管、喷头和通风百叶窗等部件组成。缺点是：占地面积大；冷却效率低；冷却效果不稳定，易受风速和风向的影响，水被吹散的损失大 优点是：构造简单；设备投资少；运行维护方便。机械通风冷却塔机械通风冷却塔冷却塔水系统机械通风式冷却塔需要消耗电能，而且维护管理比较复杂。但是它的冷

4、却效率高，结构紧凑，占地面积小，适用范围广。抽风式机械通风横流钢制冷却塔抽风式机械通风横流钢制冷却塔逆流式机械通风冷却塔逆流式机械通风冷却塔在塔内空气和水通过填料时的流动方向是相逆的：热水从上向下淋洒，而空气从下向上流动。冷却效果比较好，横断面积相对较小，其缺点是配水不够均匀，而且塔体高度较大。机机械械通通风风逆逆流流冷冷却却塔塔（1）配水系统 （2）淋水填料（3）风机 （4）风筒（5）空气分配装置 （6）除水器（7）集水池 （8）塔体（9）输水设施 （10）其它设施二、冷却塔的组成（1）配水系统将热水均匀分配在整个淋水面积上，有管式、槽式、池盘式，管式如下图。（2）淋水填料 是冷却塔的关键部

5、分。其作用：将配水系统溅落的水滴，经多次溅散成微细的小水滴或水膜，增大水和空气的接触面积，延长接触时间，从而保证空气和水的良好热、质交换作用。要求有大的比表面积，使水与空气有大的接触面积，通风阻力小，亲水性强，价格低廉，施工方便，质轻、耐久。分类有：点滴式、薄膜式、点滴薄膜式。点滴式淋水填料（3）通风及空气分配装置均匀分配空气。有机械通风的风机，风筒（形成风的自然对流流线形），导风装置。（4）其他装置 除水器：减少水量损失。除水器：减少水量损失。集水池：收集、储存和调节水量。集水池：收集、储存和调节水量。容积为循环水小时流量的三分之一到五分之一。容积为循环水小时流量的三分之一到五分之一。塔体：

6、支撑作用。塔体：支撑作用。收收水水器器第二节第二节 水冷却的基本原理水冷却的基本原理n一、湿空气的性质1.湿空气的热力学参数 （1）湿空气的压力 P=Pg+Pq PV=GRT10-3 Pg=gRg10-3 Pq=qRqT10-3 Pg、Pq干空气和水蒸汽在其本身分压 Rg干空气的气体常数，Rg=287.145 J/（kgK）Rq水蒸气的气体常数，Rq=461.53 J/kgK （2）饱和水蒸气分压力 当空气在一定温度下，吸湿能力达到最大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水蒸气的分压称为饱和水蒸汽压（Pq“）。0PqPq”当温度在0-100及通常的气压范围内时，可按纪利公式计算：T=273.15+

7、，为空气的温度 从上式可知，湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，与大气压力无关。空气温度越高，蒸发越快，Pq“越大。在一定温度下已饱和的空气，当温度升高时成为不饱和；反之，不饱和的空气，当温度降低到某一值时，又趋于饱和。冬天结露、夏天空调管结露就剩这个道理。（3）绝对湿度 绝对湿度每m3湿空气中所含水蒸汽的质量称为空气的绝对温度。其数值等于水蒸汽在分压Pq和湿空气温度T时的密度(q)。（4）相对湿度：空气绝对湿度和同温度下饱和空气的绝对湿度之比。表示湿空气接近饱和的程度。其计算公式为：=q/q=Pq/Pq Pq=Pq Pq Pq、湿空气的干球、湿球温度 P“、P“相当于和的饱和水蒸汽压力 （5

8、）含湿量：在含有 1 kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水蒸汽的质量x（kg）称为湿空气含湿量，也称为比湿，单位为kg/kg(干空气)。大气压一定时，使湿空气变成饱和空气的温度称为露点，当空气温度低于露点温度时，水蒸汽开始凝结。（6）湿空气的密度 湿空气的密度等于1m3湿空气中所含的干空气和水蒸汽在其各自分压下的密度之和。湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减小。（7）湿空气的比热（Csh）使总质量为（x）kg的湿空气（包括kg干空气和x kg水蒸汽）温度升高所需的热量，称为湿空气的比热，用Csh表示。Cshg+Cq x Csh=1.00+1.84x Csh一般采用.kJ/(kg)（8

9、）湿空气的焓（i）表示气体含热量大小的数值叫焓，用 i 表示。湿空气的焓等于kg干空气和含湿量x公斤水蒸汽的含热量之和。iigx ig计算含热量要有一个基点，国际上以的水的热量为零。水蒸汽的焓以两部分组成：a.汽化热0=2500 kJkgb.1kg水蒸汽由升至所需的热量：2.湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图 湿空气的各项热力学参数都是由试验测得，为了计算方便，一般把湿空气的四项主要热力学参数（相对湿度、压力P、焓 i、温度）之间的相应关系绘制成图表，根据已知的参数求焓的图称为焓湿计算图。3.湿球温度（湿球温度（）和水的冷却理论极限：）和水的冷却理论极限：干湿球温度是空气的主要热力学参数，干球温度为

10、一般温度计测得的气温。在温度计外包有纱布并将纱布的自由端浸入水中，在毛细管作用下，纱布表面吸收一层水，这就组成湿球温度计。由于纱布表面水的蒸发，使水温下降，当蒸发散热量与空气传回水的传导散热量相等，处于动态平衡时，测得湿球温度。测定湿球温度时：）纱布必须完全包住水银球）风速m/s以上。湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。二、水的冷却原理二、水的冷却原理 当热水表面直接与未饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断汽化蒸发，在此过程中，将从热水中吸收热量，

11、达到冷却的效果，这是蒸发传热。与温度无关，是单向的。当热水表面与空气直接接触时，因温度不同，将产生传热过程，最终使温度达到平衡，这是接触传热。与温度差（水温tf-）有关，是双向的。水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，水温的水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，水温的变化则是两者作用的结果。变化则是两者作用的结果。在冷却过程中，冬季接触传热可占50%，夏季，蒸发传热占80-90%。设计按夏季气候考虑。三、接触传热量和蒸发传热量1.接触传热量 接触传热与水和空气的温度差成正比。在单位时间内通过水和空气接触的微元面积dF上的接触传热量为：传热系数，Kw/(cm2.)2.蒸发传热量 在微

12、元面积dF上，单位时间内蒸发的水量dQu与水面饱和空气的分压差成正比（也可用含湿量差代替），其蒸发水量为：蒸发传热量等于蒸发水量与水的汽化热的乘积，蒸发热量为：3.总传热量 总传热量等于接触传热量和蒸发传热量之和：在冷却塔中，淋水填料邻接触表面积 F 的总传热量H为：接触面积F确定困难，实际中填料体积以及填料单位体积相应的系数。式中：v容积传热系数 pv与蒸汽分压差有关的容积传质系数xv与含湿量差有关的淋水填料的容积传质系数第三节第三节 循环冷却水水质处理循环冷却水水质处理n一、循环冷却水的水质特点一、循环冷却水的水质特点n1、浓缩作用、浓缩作用 冷却水在循环过程中会产生4种水量损失，即：蒸发

13、、风吹、渗漏和排污损失。P总=P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污 蒸发损失了水分，但盐分仍留在水中。风吹、渗漏和排污所带走的盐量为：S(P风吹+P渗漏+P排污)补充水带进系统的盐量为：S补P=S补(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)S循环水含盐量，S补补充水含盐量 在系统刚投入运行时，系统中的水质为新鲜的补充水水质：S初=S补，随着运行循环水中含盐量逐渐提高，引起浓缩作用，最终达到平衡。平衡时含盐量S平：S补(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)=S平(P风吹+P渗漏+P排污)令：S平/S补=K，即浓缩系数 K=(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)/(P风吹+P渗漏+P排污)=P总/(P总-P蒸发)1 在

14、敞开式中K值永远大于1，密闭式循环冷却水的浓缩倍数：K=S平/S补=1 浓缩会增加水的导电性加快腐蚀，同时也使某些盐类由于过饱和而沉积出来产生结垢。n2.2.COCO2 2的散失和的散失和O O2 2的增加的增加 天然水中含有一定量的重碳酸盐和游离CO2，使水质稳定，但在冷却塔内淋漏过程中引起的CO2散失（同中和吹脱、阳床后的吹脱塔），加重了水中碳酸钙的沉淀。另一方面，淋洒如同曝气，使水中O2增加，助长了水的氧化腐蚀性，是造成金属化学腐蚀的主要原因。n3.3.水质污染水质污染 （1）大气中的多种杂质通过空气接触进入水中；（2）塔体、填料、水池和管道的腐蚀剥落物会进入水中；（3）循环水水质稳定处

15、理过程中加入药剂会产生沉淀物；（4）系统内微生物繁殖及分泌物形成的粘性污垢。以上各种杂质中：微生物繁殖所形成的粘性物称为粘垢；无机盐沉积出来称为结垢；悬浮物。腐蚀剥落物称为污垢。粘垢、结垢、污垢统称为沉积物。n4.4.水温的变化水温的变化 冷却水在换热设备中是升温过程，有结垢倾向；冷却水在冷却塔内是降温过程，CO2散失，O2增加，结垢腐蚀均可能发生。总之，循环冷却水的水质特点：总之，循环冷却水的水质特点：浓缩作用、浓缩作用、CO2散失散失 O O2 2增加、增加、水质污染、水温发生变化。水质污染、水温发生变化。产生结垢、污（粘）垢、腐蚀不利影产生结垢、污（粘）垢、腐蚀不利影响。响。n二、循环冷

16、却水的基本水质要求二、循环冷却水的基本水质要求 通常把冷却水水质按腐蚀和沉积物控制要求作为水质指标，是一种间接指标。见下表（P513，表24-1）给水排水设计手册（二版）第四册，356页，循环冷却水水质标准，18项指标，主要有：SS20mg/L，板式换热器要求10mg/L pH值 7.0-9.2 甲基橙碱度（以碳酸钙计）500 mg/L Ca2+30-200 mg/L Fe2+0.5 mg/L Cl-300 mg/L 电导率 3000 us/cm 作为循环水补充水的水质应要求高一些，GB50335-2002中再生水用作冷却用水的水质控制指标如下表 序号项目直流冷却水循环冷却系统补充水1pH6.

17、0-9.06.5-9.02SS(mg/L)30-3浊度（NTU）-54BOD5(mg/L)30105CODcr(mg/L)-606铁(mg/L)-0.37锰(mg/L)-0.28Cl-(mg/L)3002509总硬度(mg/L)85045010TDS(mg/L)1000100011游离余氯(mg/L)0.10.20.10.2敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标标敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标标项目要求条件允许值浊度（度）1.年污垢热阻 9.510-5 m2h0C/kJ2.有油类粘性污染物时,年污垢热阻1.410-4m2h0C/kJ3.腐蚀率0.125mm/a201.年污垢热阻1.410-

18、4 m2h0C/kJ2.腐蚀率0.2mm/a501.年污垢热阻1.410-4 m2h0C/kJ2.腐蚀率0.2mm/a100电导率（s/cm）采用缓蚀剂处理3000总碱度（mmol/L）采用缓蚀剂处理0 结垢倾向IL0 腐蚀倾向IR=4.0-5.0严重结垢5.0-6.0轻微结垢6.0-7.0基本稳定7.0-7.5显著腐蚀7.5-9.0严重腐蚀pH0循环水的实际pH值pHs碳酸钙平衡时的pH值四、循环冷却水处理四、循环冷却水处理 循环水处理的目的及重要性：主要是为了保护换热器免遭损害。稳定生产、节约水资源、减少环境污染、节约成本、提高经济效益。主要是三方面的控制 1.沉积物控制（主要是防垢）2.

19、腐蚀控制 3.微生物控制 还有循环水系统的清洗、预膜、排污处理闭路循环零排污流程图1.1.沉积物控制沉积物控制 包括结垢控制和污垢控制，粘垢控制与微生物控制一起考虑。（1）结垢控制：1）去除水中产生结垢的成分，如软化和除盐，只有补充水水质很差或必须提高浓缩倍数的情况下采用。2）采用酸化法，将碳酸盐硬度转化为溶解度较高的非碳酸盐硬度。3）向水中投加阻垢剂阻垢剂：聚磷酸盐（六偏磷酸钠和三聚磷酸钠）、有机磷酸盐与水中钙金属离子起络合反应生产不易结垢的络合盐，从而提高循环水中允许的极限碳酸盐浓度，也有分散剂作用，防止产生结垢。4）用排污法减小浓缩倍数 5）物理水处理：磁水器、电子式水处理器阻垢（2）污

20、垢控制 1）尽量减少补充水中悬浮物的含量；2）采用傍滤，防止悬浮物的积累。2.2.腐蚀控制腐蚀控制（1）投加缓蚀剂缓蚀剂：缓蚀剂使在金属表面形成一层薄膜将金属表面覆盖起来，从而与腐蚀介质隔绝，防止金属腐蚀。缓蚀剂所形成的膜有氧化膜（铬酸盐亚硝酸盐）、沉淀物膜（聚磷酸盐和锌盐）、吸附膜（胺类和表面活性剂）三类型。（2）降低或除去水中易产生腐蚀的杂质（如氯离子），提高水的pH 值。（3）阳极保护、阴极保护。（4）改进设备材质。（5）用防腐涂层。3.3.微生物控制微生物控制（1）采用旁滤装置；（2）防止日光照射，水池加盖；（3）加强补充水的预处理；（4）加入杀生剂，是目前最常用的方法 常用的杀菌剂有

21、氧化型：液氯、次氯酸、次氯酸钠、二氧化氯、臭氧 加氯量一般为2-4mg/L，余氯在0.5-1.0 2-4mg/L非氧化型：氯酚类、季铵盐类、丙烯醛等 聚磷酸盐+有机膦酸盐+聚丙烯复合复方缓蚀阻垢剂：锌盐+聚磷酸盐+共聚物 六偏磷酸钠+硫酸锌+苯并噻挫n4.4.循环水系统的清洗和预膜循环水系统的清洗和预膜（1）清洗 物理清洗：人工清洗、一定流速的水冲洗、空气擦洗、海绵球或橡胶球清洗。化学清洗：利用酸、碱或有机分散剂将水垢、污泥等沉积物溶解清洗（2）预膜 是在系统正常运行之前或年度大修酸洗之后，投加预膜剂，使金属表面形成一层完好的缓蚀保护层。常用预膜剂配方：六偏磷酸钠+硫酸锌、多元醇膦酸酯+聚羟酸类聚合物等。n5.5.排污水处理排污水处理（1）除磷：以石灰为助凝剂，铁盐为混凝剂，去除率可达85-90%。（2）除锌、铬：化学沉淀法n6.6.循环水水质简单判断循环水水质简单判断（1）在浓缩倍数变化不大的情况下，钙镁较大幅下降，说明系统有结垢发生；（2）总铁不断上升，说明腐蚀加重；（3）其它离子增加，如铜、氨、油，说明腐蚀或渗漏发生；（4）采取污垢进行分析（5）挂片试验