蒸發式冷凝器結垢分析與處理

滕軒,王世超,王雪婷,楊福生

(頓漢布什(中國)工業有限公司,山東 煙臺 264003)

蒸發式冷凝器由于其高效、節水的特性,目前被廣泛應用于中央空調及冷庫系統中,但水與空氣直接發生熱質交換的方式使得蒸發式冷凝器相比于常規的殼管式換熱器更易出現結垢、腐蝕的情況,而冷凝器作為制冷系統的核心部件之一,其工作狀態的好壞直接決定了制冷系統的運行狀態,相關資料顯示,水垢的導熱系數很低,為0.35～2.9 W/(m·K),而碳鋼的導熱系數為45～50 W/(m·K),結垢會導致冷凝器換熱熱阻增大,冷卻效果變差,進而導致冷凝壓力升高,壓縮機消耗的功率增加,嚴重時可能會導致壓縮機燒毀等事故;而換熱管腐蝕會導致制冷劑泄漏、系統制冷效果變差、設備停機等情況。因此為保證蒸發式冷凝器安全可靠高效運行,就需要找到一種有效的方式來預防和減緩換熱器表面水垢的形成。目前最常見的方式就是對循環冷卻水進行水處理,降低其中結垢因子的量來達到減緩結垢的目的,國標中對循環冷卻水的水質有一定要求,但由于不同項目原水水質差異較大,因此對循環冷卻水的處理方式也不統一,按照技術原理可分為被動式除垢和主動式除垢。被動式除垢的核心是防止水垢在系統中形成,但結垢因子仍然存在于水中,一旦外部條件發生改變,仍然存在結垢的風險,這類水處理方法主要包括化學藥劑法、硫酸軟化法、石灰軟化法、磁化法和電磁法等。主動式除垢則是直接將結垢因子從循環水中去除,主要包括機械清洗法、樹脂交換法、膜過濾法以及電化學處理法。好的處理方法能夠減緩結垢趨勢,提高換熱效率,降低能耗,同時可以提高循環水濃縮倍數,減少耗水量。本文主要通過對比這些常規水處理方法在應用過程中的優勢和不足,結合實際應用案例,給蒸發式冷凝器循環冷卻水處理方式的選擇提供一定的理論和數據支持。

1 蒸發式冷凝器概述

1.1 蒸發式冷凝器概念與原理

蒸發式冷凝器又叫蒸發冷、冷卻器。是在制冷時利用盤管外的噴淋水部分蒸發時吸收盤管內高溫高壓氣態制冷劑的熱量而使氣態制冷劑被冷卻轉變為液態的一種設備。蒸發式冷凝器相當于是把傳統形式中的水冷式冷凝器(殼管式、套管式、板式)、冷卻塔、冷卻水循環水泵、集水池、循環水箱及配水系統綜合為一體,主要包括軸流風機、擋水器、噴淋裝置、填料、冷凝盤管、循環水泵、水箱、補水閥、排污閥、空氣濾網等部件,如圖1。

圖1 蒸發式冷凝器原理示意圖

間冷開式系統:循環冷卻水與被冷卻介質間接傳熱且循環冷卻水與大氣直接接觸散熱的循環冷卻水系統,簡稱間冷開式系統[1]。

蒸發式冷凝器就是一種典型的間冷開式系統。其工作時大致原理流程如下:軸流風機與循環水泵分別啟動,循環水泵從底部水箱中抽取冷卻水并輸送至上部噴淋裝置,通過噴嘴將冷卻水均勻噴淋在冷凝盤管表面,軸流風機的運轉使得周圍空氣穿過冷凝器下部兩側的空氣濾網進入箱體,然后高溫高壓的氣態冷媒從上部管路進入冷凝盤管,由于此時冷凝盤管表面已經覆蓋了一層水膜,水膜便可以吸收氣態高溫冷媒通過換熱管管壁傳導的熱量進而蒸發,高溫氣態冷媒也因失去部分熱量溫度降低進而冷凝為液態冷媒并產生一定過冷度。箱體內空氣在軸流風機的抽吸下向上流動,一方面空氣流過冷凝盤管時溫度升高也起到了一定的冷卻作用,另一方面也是主要作用,即帶走因為蒸發而產生的大量水蒸氣并排到周圍環境中,降低了冷凝器內水蒸氣的分壓,保證后續噴淋到盤管上的冷卻水能夠持續蒸發,多余未被蒸發的冷卻水則在重力作用下經過下部填料后落入水箱繼續循環。下部填料增大了水-空氣的接觸面積,提高了空氣的利用率,提升換熱器整體性能。上部填料的作用是攔截部分未能蒸發的冷卻水液滴,減少冷卻水的飄散,節約循環水。經過一段時間的運行,由于循環水不斷蒸發,水箱內的循環水量必然會持續減少,因此在到達設定值后,需要通過補水口向水箱內補充水,而由于水中的各種離子、雜質無法通過蒸發逸散,水箱中的水不斷濃縮,就需要通過排污閥排出部分高濃度污水以減少結垢和腐蝕的風險。

1.2 蒸發式冷凝器優缺點

1.2.1 節能節水效果顯著

蒸發式冷凝器利用循環冷卻水的汽化潛熱帶走冷媒熱量,1 kg水在常壓下蒸發時大約能夠帶走2 428 kJ熱量,這是水冷式冷凝器和風冷式冷凝器無法比擬的,大幅降低了空調系統壓縮機功耗,與傳統冷卻塔-冷凝器相比節能10%以上,與傳統風冷式冷凝器相比節能30%以上。一般水冷式機組放置在機房內,冷卻塔則需要放置在屋頂或室外,循環冷卻水管路較長,沿程損失大,因此需要冷卻水泵的流量和揚程都比較大,對應的水泵功率較大,蒸發式冷凝器由于循環水泵的流量和揚程較小,水泵功率相比于冷卻塔水泵節能75%左右。此外冷卻塔的循環水量約為同等冷卻效果下蒸發式冷凝器循環水量的100多倍,雖然冷卻塔的循環水并不是完全消耗,但循環量的增加導致了飛濺量、排污量等損耗的增加。

1.2.2 節省初期投資

蒸發式冷凝器將冷卻塔、冷凝器、循環水泵、水箱及配水系統集成于一體,用戶只需連接部分管路即可完成安裝,安裝簡便、縮短了安裝周期,降低了安裝成本。同時由于其高效的換熱方式,在相同冷凝熱負荷下所需要的換熱器面積小,所需要的風機數量少,降低了設備投資。

1.2.3 節省空間

蒸發式冷凝器由于其集成度高,省去了像冷卻塔系統那樣較大的水泵與水系統管路,與風冷式冷凝器相比,由于其換熱效率更高,相同冷凝熱負荷下所需換熱器體積更小,整體設備占地空間小。

1.2.4 容易結垢,影響換熱

蒸發式冷凝器為敞開式循環系統,且循環水在不斷蒸發濃縮,水中Ca2+、Mg2+、雜質等含量相比于補水會高出很多,因此在盤管表面極易出現結垢和腐蝕的現象。由于其內部結構緊湊,換熱效率高,結垢會嚴重影響換熱器換熱性能。有數據研究顯示,當蒸發式冷凝器換熱管上水垢厚度達到1.5 mm時,冷凝溫度會上升2.8 ℃,耗電量增加9.7%[2]。

1.2.5 換熱管存在腐蝕風險

由于冷凝盤管長期處于潮濕和氣流通暢的空間,換熱管通常為碳鋼熱浸鋅管、無縫不銹鋼管等材質,隨著循環水的不斷濃縮,循環水的電導率不斷增大,在這種條件下換熱管易發生電化學腐蝕。而盤管內為高溫高壓制冷劑,一旦發生腐蝕就會導致制冷劑泄漏,設備停機,造成不可逆損失,嚴重時甚至釀成安全事故。

1.2.6 受噴淋水量分布影響較大

蒸發式冷凝器主要依靠噴淋水蒸發時的汽化潛熱來帶走冷凝器中制冷劑熱量,因此噴淋水量是否合適與噴淋水是否均布會嚴重影響換熱器工作效率。當噴淋水不足時,部分換熱管表面會出現“干斑”,導致換熱效率降低同時還加速表面結垢;當噴淋水量過大時,換熱管表面的水膜厚度會增加,增大傳熱熱阻。

由于蒸發式冷凝器存在上述特點,所以其在實現“雙碳”目標、降低空調能耗領域具有可觀的應用前景,但蒸發式冷凝器也的的確確存在一些“痛點”導致其目前的應用受到了限制,因此本文主要就對蒸發式冷凝器在使用過程中出現的一些問題進行分析與討論,給出具有一定參考意義的解決思路與方案。

2 蒸發式冷凝器應用現狀

2.1 蒸發式冷凝器存在的問題

2.1.1 冷凝器結垢

蒸發式冷凝器在運行過程中,循環冷卻水不斷吸收冷凝盤管內制冷劑通過換熱管管壁傳遞的熱量進而蒸發,使得換熱管內制冷劑冷凝冷卻,蒸發后的水蒸氣則在上部軸流風機的抽吸下隨氣流逸散到周圍大氣中,但原本循環水中含有的Ca2+、Mg2+、其它無法溶解的雜質、灰塵無法通過這種方式帶出因而循含量不斷升高,整個過程類似于蒸發濃縮。當濃縮達到一定程度后,循環水質會變得很差,濁度增加,甚至原本溶解在水中的一些可溶鹽類會達到飽和濃度而結晶析出,這里就涉及一個參數——濃縮倍率(倍數)。濃縮倍數是工業循環用水的一個重要指標,很多地方采用Cl-、Ca2+、Na+、K+等離子濃度來測定,但是由于常見的水處理方式會導致人為添加Cl-,所以用Cl-表示濃縮倍數通常沒有太大的參考意義,而Ca2+是結垢的因素之一,循環水在運行過程中或多或少會出現結垢現象,尤其是在濃縮倍數較高的情況下,用Ca2+測定的濃縮倍數可能會偏低,而K+在循環水中的溶解度較大,在運行過程中不會析出,同時補充水中的K+也比較穩定,因此用K+測定的濃縮倍數較準確,在工程實際測量中,濃縮倍數通常為循環冷卻水的電導率和補充水的電導率之比或K+之比。

提高循環水濃縮倍數的好處:

1)提高循環水的濃縮倍數,可降低補水用量,節約水資源;

2)提高循環水的濃縮倍數,可降低排污量,可減少污染和廢水處理量;

3)提高循環水的濃縮倍數,可以節約水處理劑的消耗量,從而降低水處理成本。

過多提高循環水濃縮倍數的壞處:

1)由于循環水中各種鹽類飽和溶解度的限制,濃縮倍數不能無限提高;

2)過多地提高循環水濃縮倍數,會使得循環水的堿度和硬度增大,加速循環水結垢;

3)過多地提高循環水濃縮倍數,會使得循環水的電導率增大,易對金屬產生電化學腐蝕。

因此,要保證循環冷卻水的處理效果,同時兼顧運維成本,必須控制好冷卻水的濃縮倍數,通常對于中央空調冷卻水的濃縮倍數一般控制在4～5為佳,間冷開式系統的設計濃縮倍數不應小于3.0,濃縮倍數按下式計算:

式中:N——濃縮倍數;

Qm——補水量(m3/h);

Qb——排污量(m3/h);

Qw——漂水量(m3/h)。

當濃縮倍數較高的循環水噴淋到換熱管表面時,一方面在噴淋水分布較少的邊緣區域由于噴淋水完全蒸發也不足以帶走制冷劑熱量,導致盤管表面局部出現“干斑”,此時循環水轉化為氣態水蒸氣可以隨空氣流走,但循環水中含有的大量CaCO3、Mg(OH)2微粒以及灰塵雜質則在盤管表面沉積下來,附著在換熱管表面形成一層垢;另一方面在噴淋水流速較慢的死角區域,雖然不會出現噴淋水不足而“蒸干”時的這種情況,但較低的流速導致噴淋水對換熱管表面的沖刷作用較弱,循環水中CaCO3、Mg(OH)2及雜質以液膜的形式停留在換熱管表面,當機組卸載或停機后,殘存的這部分水膜就會在空氣自然對流的作用下逐漸蒸發,最終的結果仍然是在換熱管表面形成一層垢。不管是哪種方式形成的水垢,都會導致換熱器性能下降,制冷系統冷凝壓力升高,系統功耗增加,圖2是某工地蒸發式冷凝器換熱管結垢照片。

圖2 換熱管表面結垢

除了換熱管表面結垢會極大影響蒸發式冷凝器性能外,另一重要部件結垢也是一個不可忽視的問題,即頂部的軸流風機。雖然軸流風機結垢對冷凝效果的影響不如換熱管表面結垢那么明顯,但會嚴重影響產品的可靠性。圖3是某工地蒸發式冷凝器風機扇葉結垢的照片。

圖3 風機扇葉結垢

由圖3可以看到風機扇葉背面出現了一定程度的結垢,這是由于在設備運行過程中,循環水在噴淋過程中飛濺產生部分直徑較小的液滴,這部分液滴由于尺寸小、質量輕,向上的氣流對其產生的作用力大于液滴自身重力,因此這部分液滴最終隨著氣流向上流動,液滴中裹挾的CaCO3、Mg(OH)2微粒及雜質也隨之向上,當撞擊到高速旋轉的風機扇葉時,液滴中的水分蒸發,其中含有的固體顆粒便附著在扇葉上,久而久之在扇葉表面形成一層垢,這部分垢層會嚴重影響風機扇葉的動平衡,導致風機振動和噪音增大,嚴重時導致設備故障。

2.1.2 換熱管腐蝕

我們都知道鐵生銹是一種氧化反應,有三個必要條件:1)鐵本身的活潑性;2)氧氣;3)水分。單一的氧氣或者水分都不能使鐵生銹。蒸發式冷凝器工作原理就決定了其換熱管要持續暴露在高濕度、富氧的環境中,為鐵生銹提供了充足的條件,雖然目前各生產廠家都采用了諸如不銹鋼換熱管或者鍍鋅換熱管等方式進行了保護,但由于一些加工工藝的問題導致蒸發式冷凝器換熱管還是會在使用一段時間后出現不同程度的銹蝕。例如工程中常用的不銹鋼為奧氏體不銹鋼材料,具有較好的防銹性能,但是當用奧氏體不銹鋼加工換熱管時,在換熱管彎頭位置不銹鋼材料被拉伸,導致彎頭位置的不銹鋼金相結構發生了變化,從奧氏體轉變為馬氏體,而馬氏體不銹鋼的防銹性能要弱于奧氏體不銹鋼,因而在彎頭位置形成了薄弱區域易產生銹蝕,這就要求換熱管生產廠家改善其加工工藝。如圖4是某工地蒸發式冷凝器不銹鋼換熱管彎頭位置腐蝕照片。采用熱鍍鋅防銹的換熱管雖然不存在上述問題,但存在由于熱鍍鋅鋅層厚度不均勻導致局部發生腐蝕穿孔以及換熱管鋅層氧化出現“白銹腐蝕”的情況。

圖4 換熱管彎頭腐蝕

2.1.3 微生物滋長

除了結垢和腐蝕問題,潮濕、富氧且溫度適宜的環境也有利于細菌和藻類的生長,再加上空氣中的灰塵、泥沙與冷卻水充分接觸最終導致循環冷卻水黏泥(生物膜)的增加并附著在換熱管上,不同微生物,如鐵細菌、硫酸鹽還原菌、軍團菌等代謝會創造一個微酸性環境,其最終結果仍然是導致換熱熱阻增加、換熱管有腐蝕風險。

2.2 蒸發式冷凝器循環水水質要求

目前國內沒有專門針對蒸發式冷凝器循環冷卻水水質的相關要求和標準,在GB 50050—2017中,對于間冷開式系統循環冷卻水的水質指標要求如表1所示。

表1 間冷開式系統循環冷卻水水質指標(GB 50050—2017)

而GB/T 18430.1中對于冷卻水水質要求如表2所示,但是由于沒有明確該冷卻水是否適用于間冷開式系統,所以暫不做參考。

表2 冷卻水水質(GB/T 18430.1)

2.3 蒸發式冷凝器循環水處理方法

2.3.1 物理水處理法

內磁水處理器(圖5)是利用稀土永磁材料作為基體,安裝在水管路上利用循環水流動切割磁場削弱水分子間作用力,提高循環水對鈣鎂難溶化合物的溶解能力,來減少水垢在管壁上沉積附著。

圖5 內磁水處理器

這種設備無需外部電源的輸入,安裝簡便快捷。如圖6為磁水器原理示意圖。

圖6 磁水器工作原理示意圖

自然狀態下的水并不是簡單的H2O,而是由若干個水分子締合而成的較大的水分子,即nH2O,稱之為締合水分子,n為締合度。圖中虛線就是將單個水分子連接在一起形成締合水分子的氫鍵,屬于分子間作用力的一種。在水管路中加入磁水器后,會在水中形成磁場,當締合水分子以一定流速切割磁感線,會獲得磁感應能,磁感應能會使電子云發生極化,使得締合水分子中氫鍵彎曲、拉長甚至斷裂,締合水分子變成較小的締合水分子或單個水分子,單個水分子的數量越多,水分子的活動越自由,則溶解能力越強。單個的水分子還會占據溶液中的空隙,抑制CaCO3晶體在管壁上形成,起到除水垢的作用。此時,CaCO3并沒有“憑空消失”,而是以小分子CaCO3形式溶解或是微小的CaCO3粒子懸浮在水中。

內磁水處理器的原理就決定了雖其無需額外耗電、安裝簡便,但由于其只是提高了循環水對水垢的溶解度,并沒有將水垢從循環水中真正除去,即“抑垢”而非“除垢”,因此其應用受到以下條件限制。

1)循環水經過磁化后對水垢的溶解度仍然存在上限,如果在開式系統中應用就需要定期排污來將溶解在水中的水垢排出,且濃縮倍數不宜過高,一旦排污不及時仍然會結垢;

2)依靠水流切割磁感線來使循環水磁化,流速越快磁化效果越明顯,為保證磁化效果對循環水流速有一定要求,不適合變流量系統;

3)這種應用方式下永磁體磁性會隨時間發生衰減,當磁性衰減到一定程度通常為40%左右時,其磁化抑垢效果就無法保證,就需要更換永磁體。

目前市面上還有一種用外加電源產生磁場代替永磁體的電子水處理儀,如圖7。其原理與內磁水器相同,雖然不需要定期更換永磁體,但需要電源輸入。無論是永磁體還是外加電源產生磁場,都只是抑制結垢,并沒有從循環水中除去水垢,因此在閉式循環系統中應用較廣泛,對于持續補水的開式循環系統其應用受到一定程度的限制。

圖7 電子水處理儀

2.3.2 水質軟化法

常見水質軟化的方法主要有石灰軟化法、氫-鈉離子交換法。石灰軟化法適用于原水硬度高、堿度高的場合,且只能用于降低原水中碳酸鹽的硬度,通常需要先從石灰制取石灰乳,再將石灰乳加入原水中,經過反應和混凝處理,將生成的CaCO3沉淀分離出來作為固廢排放,整個過程工藝較為繁瑣,且原料不易保存。

氫-鈉離子交換法實際上是氫離子交換法和鈉離子交換法的結合,鈉離子交換法是用樹脂中Na+將原水中的陽離子主要是Ca2+、Mg2+置換出來同時生成對應的鈉鹽NaHCO3、NaCl、Na2SO4,由于HCO3-的存在,溶液呈堿性。因此鈉離子交換法可以降低其硬度,但不會改變其堿度,如下為反應式:

2RNa+Ca2+→R2Ca+2Na+

2RNa+Mg2+→R2Mg+2Na+

R為樹脂官能團,當樹脂中Ca2+、Mg2+達到飽和時就需要用再生劑(通常為高濃度NaCl溶液)對樹脂進行再生。

氫離子交換法則是以樹脂中H+將原水中的Ca2+、Mg2+置換出來同時生成對應酸H2CO3、HCl、H2SO4,其反應式如下:

2RH+Ca2+→R2Ca+2H+

2RH+Mg2+→R2Mg+2H+

R為樹脂官能團,當樹脂中Ca2+、Mg2+到達飽和時就需要用再生劑(通常為高濃度HCl溶液)對樹脂進行再生。

氫離子交換法能夠同時降低原水的堿度和硬度,使得出水偏酸性,但是在空調循環冷卻水應用中為避免腐蝕產生,不希望循環水呈酸性,其中H2CO3可以通過加熱分解為CO2和H2O的形式除去,HCl和H2SO4則只能通過堿性溶液中和。因此就產生了氫-鈉離子交換法,在降低原水硬度堿度的同時不會造成出水呈酸性,滿足工程應用要求。但這對運行過程控制精度要求較高,如果氫離子交換和鈉離子交換比例不合適就會導致最終出水偏弱堿性或酸性,增加腐蝕風險,同時氫-鈉離子交換法需要消耗大量的樹脂再生劑,成本較高。不管是石灰軟化法還是氫-鈉離子交換法,都需要特定的容器設備如快速反應室、離子交換塔、再生塔等來進行化學反應,設備會占用一定的空間,工藝流程比較復雜,整體應用難度大、成本高。

2.3.3 排污法

排污法顧名思義就是無其他外部因素干預,僅通過定期排污來對循環水處理的方法,這種情況下就要求濃縮倍數不能太高,即循環水中結垢因子的濃度在達到結垢的條件之前就進行排污,然后通過低硬度、低堿度的補水進行稀釋,進而維持循環水中結垢因子始終處于一個較低的濃度,前文提到過,濃縮倍數決定了排污量的多少,濃縮倍數越小,排污量越大,因此這種水處理方式會造成大量水資源的浪費,因此該方法僅適用于補水暫時硬度較低,水資源相對充足或者冷卻循環水流量不大的場合。

2.3.4 添加化學藥劑法

根據蒸發式冷凝器應用地點的不同,其當地的原水水質也各有差異。添加化學藥劑法可以根據當地冷卻水水系統水質狀況以及在設備運行過程中出現的具體問題,向冷卻水系統中添加不同的化學藥劑,“對癥下藥”地解決系統中出現的結垢、腐蝕、微生物滋長等問題。這種方法可以提高冷卻循環水的濃縮倍數,減少排污量,且沒有復雜的工藝設備,是目前應用比較廣泛的一種處理方式。常見的化學藥劑包括:阻垢劑、緩蝕劑、殺菌滅藻劑。

阻垢劑的原理就是通過聚磷酸鹽、有機磷酸鹽、聚羧酸類聚合物溶解在水中在其分子表面極性的作用下吸附懸浮固體顆粒,使固體顆粒相互排斥,無法凝聚成較大固體顆粒,始終保持較小的直徑并懸浮在水中,通過旁流過濾裝置定期處理懸浮物。

殺菌滅藻劑常見的有氯、臭氧、次氯酸鹽,這些藥劑都具有很強的氧化性,能夠破壞細菌表面的氨基酸結構,使其失去活性進而達到殺滅病菌的目的。

不管是阻垢劑還是殺菌滅藻劑,這種投放化學藥劑的方式都會向循環冷卻水中引入大量離子,導致循環水電導率大幅提高。在其他條件不變的情況下,電導率越高,則冷卻水系統金屬材料越容易發生腐蝕,因此還需要緩蝕劑的存在。所謂腐蝕其實是一個電化學反應,金屬材料在陽極失去電子被氧化,而水中電解的氫離子根據水pH值的不同來決定在陰極得到電子產生氫氣還是結合水中的溶解氧生成氫氧根離子并與水中其他陽離子結合。緩蝕劑的工作原理就是通過其強氧化性與金屬材料發生氧化反應并在其表面生成一層致密的氧化膜,通過這種成膜的方式減少陽極和陰極的可接觸面積來抑制或者消除腐蝕。根據其特性分為陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑以及混合型緩蝕劑。成膜與否是決定緩蝕劑緩蝕效果的關鍵,因此在使用緩蝕劑之前,必須先對金屬材料表面清洗處理,除去油污、氧化皮和其他雜質以此來保證形成的氧化膜足夠致密。目前工程中常用的一些緩蝕劑大多為聚磷酸鹽、鉻酸鹽、亞硝酸鹽,這部分廢水在排放到環境中時,大量的磷很容易造成水體富營養化,重金屬離子也會污染環境。

無論是除垢劑、殺菌滅藻劑還是緩蝕劑,這種通過投放化學藥劑的方法雖然能夠以簡單有效的方式將循環水質處理到想要的水平,不需要復雜的工藝設備,但需要持續在循環水中投加化學藥劑,因此需要一定的運維成本且如果前期的預處理操作不當或者藥劑比例調配不合適反而會加劇腐蝕。目前常用的化學藥劑一方面對操作者健康有影響,另一方面產生的廢水會造成環境的污染,需要處理后再進行排放,這也在一定程度上增加了循環水處理的成本,限制其應用。因此目前亟待研發一種環境友好型的阻垢緩蝕劑。

綜合以上,目前在工程中常用的一些水質處理方法都是針對單一結垢問題、腐蝕問題或者微生物滋長問題進行處理,沒法對這些問題進行綜合處理,且這些處理方式或需要復雜的工藝設備,或有較高的運營成本還有可能造成環境污染,從不同方面限制了蒸發式冷凝器的應用。

2.3.5 電解水處理技術

電解水處理技術顧名思義就是通過對循環水外加電壓使其電解的方式,在特定的反應空間內通過化學、電化學反應對循環水的水質進行處理,降低其中鹽離子和雜質的含量,以此達到循環水軟化、純化的目的。電解水處理技術其實是一個非常大的概念,包括電氣浮法、電滲析法、電絮凝法、電吸附法、電催化氧化技術等。目前在循環冷卻水處理領域討論比較多的是電化學除垢技術(Electrochemical Scale Treatment),簡稱EST技術。其工作原理如下:

在循環水中插入兩根電極,并在電極兩端外加電壓,與電源正極連接的為陽極,與電源負極連接的為陰極。陽極失去電子帶正電荷,吸引溶液中的陰離子同時發生氧化反應,陰極得到電子帶負電荷,吸引溶液中的陽離子同時發生還原反應,眾所周知電流的方向與電路中電子移動的方向剛好相反,外部電源、陽極、陰極、溶液剛好構成了一個完整的電路,通過兩極發生的氧化還原反應,將電能轉化為化學能,如圖8。

圖8 電吸附技術原理示意圖

對于蒸發式冷凝器循環冷卻水補水來說,其中主要包含Ca2+、Mg2+、Na+、K+、H+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-等還有部分CO2和溶解氧。其中H+和OH-來源于H2O的電離[3]。

其陽極發生的主要反應如下:

4OH-→O2(g)+2H2O+4e-

生成氧氣

O2+2OH-→O3(g)+H2O+2e-

生成臭氧

OH-→·OH+e-

生成OH自由基

2H2O→H2O2+2H++2e-

生成雙氧水

H2O→2·O+2H++2e-

生成O自由基

Cl-→Cl+e-

生成Cl自由基

2Cl-→Cl2(g)+2e-

生成氯氣

Cl2+2OH-→Cl-+ClO-+H2O

生成次氯酸根

其陰極主要反應如下(堿性環境):

O2+2H2O+4e-→4OH-

生成OH-,高pH環境

CO2+OH-→HCO3-

生成HCO3-

HCO3-+OH-→CO32-+H2O

生成CO32-

Ca2++CO32-→CaCO3↓

生成CaCO3沉淀

Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓

生成Mg(OH)2沉淀

根據其反應過程及產物可以看出,在陽極會生成大量的強氧化劑(臭氧、雙氧水、氯氣、次氯酸),這部分氧化劑能夠破壞微生物表面氨基酸的結構,使其失去活性,因而對循環水中的藻類和細菌具有較好的滅殺作用。在陰極由于外加電壓的作用,會在陰極附近創造出一個高pH值的環境,同時由于陰極帶負電荷吸引溶液中的陽離子,主要是Ca2+、Mg2+,使其剛好在陰極附近的堿性環境中以沉淀的形式析出,這部分沉淀以固體顆粒的形式懸浮在水中(如圖9)或以松軟絮狀垢層的形式附著在陰極表面。如果能將這部分沉淀從循環水中過濾除去,便可大幅降低循環水的硬度與堿度,不同于投放化學藥劑會引入大量其他離子,通過這種方式處理過的循環水電導率基本不變或略有下降,不會出現加劇金屬材料腐蝕的情況。

圖9 Na2CO3溶液中滴入CaCl2形成CaCO3絮狀沉淀

3 EST應用案例

以國內某制藥廠為案例,采用3臺蒸發式冷凝器設備,單臺設計冷凝負荷900 kW,由于用戶補水鈣硬度較大為300 mg/L,在蒸發冷設備投入運行后不久就出現了換熱管嚴重結垢導致冷凝溫度偏高、機組高壓報警的情況,部分盤管除結垢外,在不銹鋼換熱管彎頭位置出現了腐蝕穿孔導致氟利昂泄漏的嚴重故障,同時在接水盤位置可以看到有一定量的藻類滋生,見圖10。

雖然采用酸洗的方式對換熱管及填料進行了沖刷噴淋,但收效甚微,只有與高壓水流直接接觸的那部分換熱管表面的水垢出現了部分脫落和剝離,其余位置的水垢無明顯變化,未達到預期的清洗效果。而且酸性藥劑的使用,加速了換熱管彎頭位置的腐蝕。在此基礎上決定采用EST電化學水處理的方式。采用某品牌EST設備,設備構造及運行原理如圖11、12。

圖10 蒸發冷設備藻類滋生、腐蝕、結垢照片

圖11 EST水處理設備

工作流程如下:

當達到PLC設定的清洗周期后,電化學處理旁流循環水泵停止運轉,EST設備進、出水口閥門關閉,底部排污水閥打開,位于頂部的刮刀在活塞的推動下自上而下緩慢移動,將部分附著在反應室內壁(陰極)上的絮狀水垢刮下,并將含有懸浮物的濃縮水從底部排污閥排出,在排污終了時,旁流循環水泵再次開啟,同時進水口閥門打開,利用進水對排污區域進行沖洗,沖洗一段時間后,排污閥關閉,刮刀回到反應室頂部,出水閥門打開,設備進入下一工作周期。清洗周期和排水量需要根據具體項目補水水質和濃縮倍數來確定,按照前文所述,濃縮倍數可以通過循環水電導率與補水電導率的比值來近似計算,因此需要對這部分水質實時監測來獲取參數。

Qe=Qc/rw×3.6

式中:Qe——蒸發量(耗水量),m3/h;

Qc——換熱器冷凝熱負荷,kW;

rw——水的汽化潛熱,kJ/kg。

Qb=Qe/(N-1)-Qw

式中:Qb——排污量,m3/h;

N——濃縮倍數;

Qw——漂水量(飛水量),m3/h。

Qm=Qe+Qw+Qb

式中:Qm——補水量,m3/h。

以此項目為例,單臺蒸發式冷凝器名義工況下冷凝熱負荷為900 kW,而水在30 ℃時的汽化潛熱按照2 257.2 kJ/kg,則蒸發量為1.44 m3/h,即0.001 595 m3/(kW·h)。按照蒸發量為循環量的1.875%計算,或者按照單位冷凝負荷所需噴淋量為0.116 m3/(h·kW)來估算[4],則循環量為76.8 m3/h。廢水量按照循環量0.001%計,設計濃縮倍數3倍,則排污量為0.72 m3/h,補水量為2.16 m3/h。電解水處理旁流循環流量則按照下面公式計算[5]:

Qsi=Ms2/ΔCs

式中:Qsi——旁流水處理流量,m3/h;

Ms2——需電化學去除的結垢因子量,g/h;

ΔCs——電化學處理裝置進出水質量濃度差值,mg/L。

Ms2=Ms0-Ms1

式中:Ms2——需電化學去除的結垢因子量,g/h;

Ms0——補充水帶入的結垢因子量,g/h;

Ms1——排污及飛水帶出的結垢因子量,g/h。

Ms0=Qm·Cs0

式中:Ms0——補充水帶入的結垢因子量,g/h;

Cs0——補充水中的結垢因子質量濃度,mg/L。

Ms1=(Qb+Qw)·Cs1

式中:Cs1——排污水中的結垢因子質量濃度,mg/L。

以現場補水結垢因子Ca2+質量濃度為300 mg/L來進行計算,補水量按照2.16 m3/h計, 則通過補水帶入的結垢因子量為648 g/h,假設循環水最終鈣硬度控制質量濃度為500 mg/L,則排污和飛水帶出的結垢因子量為360 g/h,則需要電化學旁流處理的結垢因子量為288 g/h,按照EST設備進出水結垢因子質量濃度差值為35 mg/L計,則旁流水處理量約為8.23 m3/h,則3臺設備共需24.7 m3/h。單臺EST設備名義水處理量25 m3/h,根據項目情況選擇一臺EST25電化學水處理器即可。由于該項目補水鈣硬度與全堿度之和為1 500 mg/L,超過了1 100 mg/L,按照GB 50050規定,對于間冷開式系統的鈣硬度與全堿度之和大于1 100 mg/L(以CaCO3計)或者穩定指數RSI小于3.3時,應加硫酸軟化處理。改造過程中首先將原來腐蝕泄漏的盤管進行了更換,改造前三臺蒸發冷設備循環水系統相互獨立,為便于軟化處理,改造時在三臺蒸發冷設備的水箱之間增加連通平衡管,這樣僅操作一次便可實現對三臺設備水箱循環水的軟化。同時在每臺設備的水箱上增加旁流水處理進水口以及回水口,配備兩臺水泵,一用一備,單臺流量30 m3/h,設備功率0.25 kW,在EST設備進出水口均配備了水質檢測傳感器,實時檢測循環水電導率、pH值以及溫度,系統流程如圖13。

圖13 EST電化學旁流水處理流程示意圖

改造工程安裝調試完畢后試運行4個月左右,系統水質檢測對比結果如表3所示。

表3 循環冷卻水水質分析

未采用EST電化學設備時,氯離子濃縮倍數為4倍,鈣離子濃縮倍數為2.56倍,造成這一現象的原因為補水硬度較大且pH值為8.1,有結垢傾向,其中約有36%的鈣離子以碳酸鈣水垢的形式附著在換熱管表面,這與盤管表面結垢情況相吻合。安裝EST設備后運行4個月數據對比,氯離子濃縮倍數為3.69,而對應的鈣離子濃縮倍數為1.46,而觀察換熱管及填料表面,基本沒有出現結垢的情況,如圖14。EST設備對鈣離子去除率達到了60%,這部分鈣離子是在EST設備內部反應室內部以碳酸鈣形式沉積并定期通過底部排污閥排出。硫酸根離子濃度偏高是由于增加了硫酸軟化這一步驟。

圖14 增加EST后盤管及填料

4 結論

EST技術在蒸發冷設備循環冷卻水除垢方面具有非常優異的效果,只需要消耗一定電能,不需要復雜的容器設備和化學藥劑,不會由于加藥或軟化導致循環水電導率增加,避免了設備腐蝕,并且主要產物只有碳酸鈣,不會造成環境污染,同時電化學反應過程中陽極附近會產生強氧化性物質,如臭氧、氯氣、氧自由基、次氯酸根等,對藻類以及微生物具有較好的殺滅效果,避免了常規水處理方式在應用過程中存在的一些弊端,基本可以解決蒸發式冷凝器在應用中遇到的難題,PCL保證了設備自動化運行、自動排污,便于管理,節省了設備運維的人工成本,具有較好的可靠性。設備模塊化設計可以根據不同項目情況進行拼接組合,簡化了設計流程,提高了效率。綜合來看EST技術是目前值得推廣的一種新型水處理方式。