冷却水处理基本知识

循环冷却水处理基础

工业生产过程中，生产设备或产品往往会产生大量热量，使温度升高，必须及时冷却，以免影响生产的正常进行和产品质量。

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。用水来冷却工艺介质的系统称为冷却水系统。

在热力发电厂中，有许多设备需要用水作为冷却介质，其中主要的是汽轮机的凝汽器。冷却水水质不良，是凝汽器铜管内生成附着物和铜管发生腐蚀的原因之一。

由于附着物的传热性很差，它的形成会导致凝结水温度升高，从而使凝汽器真空度降低，影响汽轮机的出力和运行的经济性。

铜管的腐蚀会减弱其机械强度，甚至会穿孔，使冷却水漏入凝结水中，影响锅炉的安全运行。

一、为什么用水作为冷却介质？

✓ 水的化学稳定好，不易分解。

✓ 水的热容量大，在常用温度范围内，不会产生明显的膨胀或压缩。

✓ 水的沸点较高，在通常使用条件下，在换热器内不致汽化。

✓ 水的来源较广泛，流动性好，易于输送和分配。

✓ 水的价格相对便宜。

二、冷却水系统：

1、直流冷却水系统：冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉。

➢ 用水量大，排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。

➢ 投资少，操作简便，但冷却水的操作费用大，而且不符合当前节约使用水资源的要求。

➢ 也有沉积、腐蚀等问题，也需要进行化学处理。

2、循环冷却水系统：冷却水经使用后，通过冷却塔或喷水池等设备将温度降低后又作为冷却介质使用，即重复利用吸热后的冷却水。

➢ 水的再冷却通过冷却塔（或其他冷却构筑物）来进行。

➢ 冷却水在循环过程中与空气接触，部分水在通过冷却塔时会不断被蒸发而损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。

➢ 为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一范围内，必须对系统补充一定量的冷却水，通常称为补充水；并排出一定量的浓缩水，通称排污水。

➢ 虽然会损失一部分水，但与直流式冷却水系统相比，可以节约大量的冷却水，且排污水也相应减少。

➢ 有腐蚀、沉积和微生物滋生的问题，需要进行必要的化学处理，操作运行费用较高，设备投资较大，化学处理比较容易控制。

不论从节约水资源，还是从经济和保护环境的观点出发，都应设法降低各类工厂的冷却水用量，减少排污水量，限制使用直流冷却水系统，尽可能推广采用敞开式循环冷却水系统。

3、敞开式循环冷却水系统产生的问题

❖ 沉积物的析出和附着

❖ 设备腐蚀

➢ 溶解氧引起的电化学腐蚀

➢ 有害离子引起的腐蚀

➢ 微生物引起的腐蚀

❖ 微生物的滋生和粘泥 4、敞开式循环冷却水系统处理的重要性

❖ 稳定生产：减少意外停产检修事故

❖ 节约水资源：补充水量少

❖ 减少环境污染：排放量少

❖ 提高经济效益：减少设备腐蚀

三、几个基本概念

1) 循环量R：循环水泵的实际出流量。

2) 蒸发损失量E：冷却过程中，从冷却水中蒸发逸入大气的水蒸汽量。精确计算E＝G(X2－X1)；G为进入塔的干空气量，X2与X1分别为出塔和进塔空气的含湿量。估算E＝K△tR，K为温度系数，R为循环水量，△t为冷却塔进出口的温度差。

3) 风吹损失量D：冷却过程中，被空气带走的或因飞溅而脱离系统的部分水滴。通常约为循环量的0.1%左右。与塔型设计有关。

4) 排污损失量B：为了控制冷却水循环过程中因蒸发损失而引起的浓缩过程，必须人为地排掉的水量。可以直接计量。

5) 渗漏损失量F：在管道和贮水系统中因渗漏而损失的水量。完善的系统基本上可以忽略。

6) 补充水量M：为了维持系统水量平衡而向系统中补充的部分水量。可以直接计量。

7) 浓缩倍数N：指循环水中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。改变补充水量或排污水量，就可以改变循环水的浓缩倍数。理论情况下，不论系统中某离子的初始浓度是多少，随着运行时间的推移，其最终的浓度总是浓缩倍数和补充水中离子浓度的乘积。 循环冷却水处理的三大问题

一般冷却水常引起的障害有三种，即腐蚀( corrosion ) 、水垢(scale)、淤泥沉积( deposition ) 与微生物 ( slime )，兹将其发生原因及控制方法分述如下：

第一部分：腐蚀

一、冷却水中金属腐蚀的机理

金属腐蚀是经由化学或电化学反应而导致金属毁坏的现象。最主要的腐蚀问题是由氧气所引起的，冷却水于冷却水塔中与空气密切接触，水中溶氧高达

8～10 ppm ，极易促成腐蚀。

金属的腐蚀是一个电化学过程。

由于种种原因，碳钢的金属表面并不是均匀的。当它与冷却水接触时，会形成许多微小的腐蚀电池（微电池）。其中活泼的部位成为阳极，腐蚀学上把它称为阳极区；而不活泼的部位则成为阴极，腐蚀学上把它称为阴极区。

阳极反应：Fe

Fe2+ + 2e

阴极反应：1/2O2 + H2O + 2e 2OH-

沉淀反应：Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2

总反应 ：Fe + 1/2O2 + H2O Fe(OH)2

二、冷却水中金属腐蚀的形态

1、均匀腐蚀

❖ 又称全面腐蚀或普遍腐蚀。

❖ 腐蚀过程在金属的全部暴露表面上均匀地进行。

❖ 主要发生在低pH值的酸性溶液中 ➢ 冷却水系统酸洗时

➢ 加酸调节pH的冷却水系统，加酸过多

❖ 在腐蚀过程中，金属逐渐变薄，最后被破坏。

2、电偶腐蚀

❖ 又称双金属腐蚀或接触腐蚀。

❖ 当两种不同的金属浸在导电性的水溶液中时，两种金属之间通常存在电位差。如果这些金属互相接触，则该电位差就会驱使电子在它们之间流动，从而形成一个腐蚀电池。

❖ 电位较低的金属在接触后腐蚀速度会增加，电位较高的金属在接触后腐蚀速度将下降。例如热交换器的铜管与碳钢端板，其接触部份的钢铁材质会因此加速腐蚀。工业上也时常运用此原理来做防蚀方法，这种方法称为牺牲阳极保护法。

3、缝隙腐蚀

❖ 为强烈的局部腐蚀，有时又称垢下腐蚀。

❖ 与孔穴、垫片底面、搭接缝、表面沉积物、金属的腐蚀产物以及螺帽、鉚钉帽下缝隙内积存的少量静止溶液有关。

➢ 阳极过程：M

M2+ + 2e

➢ 阴极过程：1/2O2 + H2O + 2e 2OH-

MCl2 + 2H2O M(OH)2 + 2H+ + 2Cl-

❖ 沉积物的作用是屏蔽，在其下面形成缝隙，为液体不流动创造条件。

❖ 在缝隙中，金属生成金属离子，而氧则由于缝隙中溶液对流不通畅而贫化，故氧的还原反应主要是在缝隙之外氧容易到达的阴极区进行。这样，在缝隙溶液中就有了过剩的正电荷。这些过剩的正电荷需要带负电的Cl-迁移到缝隙中去，以保持电中性。结果，缝隙内金属氯化物的浓度增加。之后，金属氯化物水解，生成不溶性的金属氢氧化物沉淀和可溶性的盐酸。盐酸是强电解质，它在水中会全部电离为H+和Cl-。这些H+和Cl-会加速多数金属和合金的溶解（腐蚀）。

❖ 凡是耐蚀性依靠氧化膜或钝化膜的金属或合金，例如不锈钢和碳钢，特别容易遭受缝隙腐蚀。

4、孔蚀

❖ 又称点蚀或坑蚀，是在金属表面上产生小孔的一种极为局部的腐蚀形态。

❖ 是破坏性和隐患性最大的腐蚀形态之一。

❖ 是剧烈的局部腐蚀，孔蚀严重的设备会在突然之间发生穿孔。

❖ 检查和发现很困难，通常蚀孔小而且被腐蚀产物或沉积物复盖，蚀孔通常往重力方向生长。一般蚀孔需要几个月或几年才穿透金属。在出现可以看到的蚀孔前，通常需要一段很长时间的孕育期。

❖ 在碳钢换热器冷却水一侧的碳钢管壁表面和管板上，经常可以看到许多由孔蚀产生的腐蚀产物及其下面的蚀孔。

❖ 孔蚀是金属溶解的一种独特形式。蚀孔中金属的阳极溶解是一种自催化过程：例如，钢发生蚀孔时，铁在蚀孔内溶解，生成Fe2+，引起蚀孔内产生过量的正电荷，结果使Cl-迁移到蚀孔中以维持蚀孔内溶液的电中性。因此，蚀孔内会有高浓度的FeCl2。FeCl2水解产生高浓度的H+和Cl-，整个过程随时间而加速。

❖ 由于氧在蚀孔溶液中的浓度实际等于0，所以溶解氧的阴极还原过程是在蚀孔附近的表面上进行的，故这部分表面成为腐蚀电池的阴极区而不受腐蚀。

❖ 冷却水中大多数孔蚀与卤素离子有关。其中影响最大的是氯离子、溴离子和次氯酸根离子。

❖ 许多不锈钢在海水和其他氯化物溶液中有强烈产生孔蚀和缝隙腐蚀的倾向，普通碳钢耐孔蚀的能力比不锈钢要高一些。

5、选择性腐蚀

❖ 是从一种固体金属中有选择性地除去其中一种元素的腐蚀。

❖ 冷却水系统中最常见的选择性腐蚀是黄铜管的脱锌（黄铜从黄色变为红色或铜的颜色）。

➢ 均匀型或层型脱锌：多发生于高锌黄铜和酸性介质中。

➢ 局部型或塞型脱锌：多发生于低锌黄铜和中性、碱性或微酸性介质中。

6、磨损腐蚀

❖ 又称冲击腐蚀、冲刷腐蚀或磨蚀

❖ 是由于腐蚀性流体和金属表面间的相对运动引起的金属加速破坏和腐蚀。

7、应力腐蚀破裂

❖ 是指拉应力和特定腐蚀介质的共同作用而引起金属或合金的破裂。

❖ 特点：大部分表面实际上未遭破坏，只有一部分细裂纹穿透金属或合金内部。

❖ 能在常用的设计应力范围之内发生，后果严重。

❖ 重要变量：温度、溶液成分、金属或合金的成分、应力和金属结构。

8、微生物腐蚀

❖ 直接引起金属腐蚀的细菌

➢ 铁沉积细菌（铁细菌）

➢ 产硫化物细菌（硫酸盐还原菌） ➢ 产酸细菌（硝化细菌、硫杆菌）

❖ 导致沉积物下腐蚀：当微生物繁殖时，其微生物体的分泌物与冷却水有机物、无机物聚积而形成的黏泥沉积在系统中时，将造成沉积下腐蚀。沉积物上下界面因溶存氧浓度不同将会造成氧浓淡电池( Oxygen

concentration cell)，在沉积物下发生严重的腐蚀现象。

三、冷却水中金属腐蚀的影响因素

分为化学因素、物理因素、微生物因素，具体有以下几种因素：

❖ pH

❖ 阴离子

❖ 络合剂

❖ 硬度

❖ 金属离子

❖ 溶解气体

❖ 溶液浓度

❖ 悬浮固体

❖ 流速

❖ 电偶

❖ 温度

四、冷却水中金属腐蚀的控制方法

❖ 添加缓蚀剂：是一种简便而有效的方式。

❖ 提高冷却水的pH值（碱性处理法）：随着水pH值的增加，水中氢离子浓度降低，金属腐蚀过程中氢离子去极化的阴极反应受到抑制，碳钢表面生成氧化性保护膜的倾向增大，故冷却水对碳钢的腐蚀性随其