循環冷卻水系統的電化學水質穩定技術案例分析

張延進，張澤坤，徐 星，韓英強，高 憲，江 波，徐 浩，

（1.西安交通大學環境科學與工程系，陜西西安 710049； 2.山東深信節能環?？萍加邢薰?，棗莊市工業循環水處理工程技術中心，山東滕州 277531；3.青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033）

工業用水量在我國總用水量中占有較大比例，其中循環冷卻水又在工業用水中占據著最重要的地位〔1〕。因此，控制循環水系統水垢沉積問題，提高循環水系統節水率對于推動行業循環經濟發展和綠色低碳轉型建設至關重要〔2-4〕。

解決循環冷卻水系統結垢問題的主要方法包括化學藥劑法〔5〕、磁化與電磁法〔6〕、超聲波法〔7〕以及電化學除垢法〔8-10〕。電化學除垢法作為一種主動式除垢阻垢技術，能夠實現一步除垢、殺菌滅藻和緩蝕作用，保證換熱器的換熱效率，提高循環水濃縮倍數，減少排污量，有效節約水資源，是最有前景的水處理技術之一〔11-12〕。其技術原理是在陰極區附近產生過濃的OH-，直接或間接沉淀水中的鈣鎂離子，去除硬度和部分堿度，降低系統結垢率，提升循環水的濃縮倍數，減少外排量〔13〕。同時，陽極區由水參與反應形成的高酸度區域可以去除另一部分堿度。此外，循環水中的有機物和菌藻會與陽極產生的強氧化性物質（如·OH、OCl-）反應，使有機物礦化、菌藻失活死亡〔14-15〕。

目前，已經有大量電化學除垢技術應用于中試實驗。周福偉等〔16〕報道了華北地區某機場中央空調循環冷卻水系統上的中試應用情況。與實驗室小試相比，阻垢劑對除垢效果無顯著影響，但不利于陰極水垢沉積物的去除。張霄磊〔17〕報道了某鋼鐵冶金企業1 700 m3/h間冷開式循環冷卻水系統上電化學除垢裝置的中試應用情況。結果顯示，電化學法的全流程成本為68.74萬元，遠小于化學藥劑法的137.4萬元。電化學除垢技術的技術優越性已經在大量的中試試驗案例中得到證實，但對于實際工業化應用的報道仍較少。因此，筆者以某廠循環水系統的電化學除垢設備為案例，通過分析循環水系統的除垢、管路與系統腐蝕和加藥情況等，計算該廠在使用電化學除垢設備后的經濟效益，為更多企業提供借鑒和參考。

1 案例情況

1.1 循環水水質

某廠循環水系統的管道材質由碳鋼和不銹鋼組成，系統設計循環量18 500 m3/h，保有水量5 700 m3。4臺涼水塔同時運行時達到最大循環水供水量（3臺大泵額定流量6 200 m3/h，1臺小泵額定流量4 200 m3/h）。實際達到22 800 m3/h超負荷運行時，冷卻效果欠佳。在未運行電化學除垢設備之前，循環水的水質分析如表1所示。其中，補充水由南水北調水、水庫水和地下水組成，三股水補充到地表水池后再分配到循環水系統。

表1 循環水水質狀況Table 1 Circulating water quality conditions

1.2 項目技術路線

圖1為該廠電化學除垢設備的工藝流程圖。設備安裝在循環水池附近，在循環水池系統回水管旁路各安裝一套電化學除垢設備。單臺設備為一個單元，每個單元由帶電極（陰極、陽極）的反應室、進出水管、排垢閥門、電源控制柜和線纜設備等組成。電化學除垢設備為箱體框架開放式運行結構，進水管連接在循環水池回水管道上，設備出水直接進入循環水池。在設備附近單獨設置沉渣池，沉渣池內配置一臺潛水泵，以將渣池內經過沉積處理的水回收到循環水池內，減少外排水量。

圖1 電化學除垢設備的工藝流程Fig.1 Process flow diagram for electrochemical descaling equipment

1.3 測試分析方法

測試儀器：采用TU-1810PC型紫外可見分光光度計（北京，普析通用儀器有限公司），WZB-170便攜式濁度計（上海，儀電科學儀器有限公司），883 Basic plus離子色譜儀（深圳，瑞盛科技有限公司）等設備對補充水和循環水的水質進行分析評估。

系統中細菌總數采用絕跡稀釋法分析。將水樣按10、100、1 000、10 000的倍數進行逐級稀釋，依次將稀釋液接種入測試瓶中，并放置于37 ℃培養箱中，連續培養24 h。根據陽性反應測試瓶顏色深淺，計算所檢測水樣中的細菌總數。

2 試驗運行分析

本案例所研究電化學除垢設備的運行時間為2021年10月1日至2022年7月31日，共10個月。設備自2021年10月1日起通電運行，并同時加藥。12月25日至27日進行檢修，發現設備的產垢量大，陰極板有殘垢積存。2022年1月5日開始清垢，下箱體共清垢約7.9 t。1月21日執行減藥方案，循環水濃縮倍數逐步提高。1月21日至29日殺菌劑減藥20%，緩蝕阻垢劑和銅緩蝕劑減藥50%；1月30日至2月9日殺菌劑減藥30%，緩蝕阻垢劑和銅緩蝕劑減藥50%；2月10日至4月13日殺菌劑、緩蝕阻垢劑和銅緩蝕劑減藥50%。3月9日至14日，再次對設備進行檢修，并于4月30日在下箱體共清垢約7 t。4月份起，部分換熱器的換熱效果明顯下降，疑似濃縮倍數過高導致結垢，因此降低了循環水濃縮倍數。5月24日至6月14日對車間換熱器進行檢修，發現換熱效果變差是由于換熱器進水口堵塞了大量填料碎片，換熱管內并無結垢現象。檢修后循環水中各離子濃度較低，因此6月11日至7月23日停止投加緩蝕劑和阻垢劑。7月24日起，為提高濃縮倍數，恢復投加50%緩蝕阻垢劑并運行至7月31日。

電化學除垢設備運行的10個月期間，設備進水量穩定，電流根據水質情況不同維持在1 000～1 300 A之間。設備電壓略有波動，但基本與設備的檢修周期吻合。

2.1 結垢控制分析

電化學除垢設備中配有換熱器監測系統，根據當天換熱器進出口溫度、流量等信息，計算換熱試管的污垢熱阻值，以監測循環水系統運行情況。換熱試管的污垢熱阻值和黏附速率可以反應出循環水系統中各換熱設備的結垢情況〔18〕。圖2顯示了換熱試管各月的平均進出口溫度、平均熱流體溫度及平均污垢熱阻值。圖2（a）顯示，換熱器的月平均熱流體溫度穩定保持在70 ℃左右。圖2（b）中，月平均污垢熱阻最大值為1.685×10-4m2·K/W。電化學系統運行10個月期間，污垢熱阻平均值為1.131×10-4m2·K/W，最大值為1.92×10-4m2·K/W，均小于《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB/T 50050-2007，以下簡稱“國標”）規定的3.44×10-4m2·K/W，循環水系統結垢情況控制良好。

圖2 換熱器運行數據的月平均值Fig.2 Monthly average of heat exchanger operating data

2022年1月21 日起執行減藥方案以來，循環水濃縮倍數逐步提高，對應的硬度和堿度也隨之增大。因此，采用常規的硬度與堿度去除率計算方法，即與未使用電化學除垢設備前的硬度和堿度進行對比并不準確。由此，引入新的硬度和堿度去除效果表示方法，將各月循環水與補充水硬度和堿度的比與當月濃縮倍數（即當月循環水與補充水的電導率之比）進行比較。硬度或堿度比與對應月份的濃縮倍數值相差越大，則當月循環水的硬度或堿度去除效果越好。

如圖3所示，設備運行期間各月循環水與補充水的硬度和堿度比始終小于當月的濃縮倍數，說明引入電化學設備使硬度和堿度得到了有效去除。此外，堿度比遠小于硬度比，表明堿度去除效果優于硬度去除效果。這是由于電化學除垢技術中，硬度只能通過陰極區反應去除（典型除垢過程），而堿度可以同時通過陰極區和陽極區反應共同去除（分別屬于除垢過程和阻垢過程），因此堿度的去除率高于硬度。這也與筆者在小試實驗和中試實驗中觀察到的結果完全吻合〔4，19〕。2021年10月至12月的硬度比與當月濃縮倍數相差最大，表明這3個月循環水的硬度去除效果最優。該時間段為電化學除垢設備啟動初期，為確保循環水系統的安全平穩，要求藥劑持續投加，因此該時間段電化學設備與藥劑共同運行。從2022年1月份起，阻垢劑藥劑減半，同時逐步提高濃縮倍數，2、3月份的濃縮倍數由1月份的4.9分別提升至7.6和7.24，Ca2+濃度明顯提高，因此該階段硬度去除效果變差。進入4月份以后，各車間根據生產情況控制了水質，Ca2+濃度下降，硬度去除效果逐漸轉好。

圖3 循環水各月參數與補充水的比值變化Fig.3 Graph of the variation in the ratio of circulating water parameters to supplementary water by month

2.2 腐蝕控制分析

采用腐蝕掛片檢測循環水系統的腐蝕狀況。掛片與系統和管道材質相同，由碳鋼和不銹鋼組成。腐蝕速率由掛片的總表面積、金屬密度、試驗時間和掛片的失重決定。圖4為掛片腐蝕速率情況，2022年3月份碳鋼#6掛片的失重質量較大（0.215 2 g），腐蝕速率較高（0.123 2 mm/a）。根據水質數據分析，從2022年1月份開始，阻垢劑藥劑減半，同時逐步提高濃縮倍數。到3月份時，濃縮倍數顯著提升，水中含鹽量增加，Ca2+均值（750 mg/L以上）及總硬度（23.33 mmol/L）達到峰值，腐蝕性離子和成垢離子濃度增加，因此極易發生結垢，導致垢下腐蝕。除此之外，其他碳鋼及不銹鋼掛片的腐蝕速率均可控制在國標范圍內（碳鋼≤0.075 mm/a，不銹鋼≤0.005 mm/a）， 符合防腐要求。

圖4 掛片的腐蝕情況Fig.4 Corrosion diagram for hanging sheets

與總鐵量測試相比，掛片腐蝕速率測試具有測試周期長、測試頻率低、測試樣本過少和酸洗等缺點，測試誤差較大，因此其測試結果只作為參考，日常監測中應以總鐵量作為腐蝕控制的主要指標〔20〕。鐵在循環水中通常以膠體和離子（Fe2+、Fe3+）兩種形式存在，膠體鐵的吸附作用極易形成污垢淤積，堵塞循環水系統并造成污垢下腐蝕。而鐵離子在循環水系統中易形成電化學腐蝕，給碳鋼設備和管路造成極大傷害。如圖5所示，自電化學除垢設備運行以來，總鐵量有一定波動，每月均值最大為0.94 mg/L，最小為0.2 mg/L，符合國標要求（≤1 mg/L）。

圖5 總鐵量變化情況Fig.5 Graph of changes in total iron

2.3 加藥情況

設備運行10個月期間，各類藥劑的使用情況如圖6所示。藥劑每月的用量與2021年7月至12月的均值相比出現大幅下降（總體約50%），緩蝕劑、阻垢劑和次氯酸鈉的下降最為明顯。阻垢劑的投加質量由2021年7月至12月的月平均813 kg降至2022年2月至7月的261 kg，降幅達67.9%。由于系統中硬度持續排出，循環水體的硬度積累減緩，極大節省了阻垢藥劑的投加量。

圖6 加藥情況統計Fig.6 Statistical chart of added agents

設備投用期間，循環水異養菌數一直維持在2×104mL-1以下，循環水池池壁及立柱均無明顯綠藻滋生情況。但入夏后天氣逐漸炎熱導致綠藻微量產生，需要配合投加一定量的次氯酸鈉控制，因此次氯酸鈉的投加量自6月份開始顯著增加。圖6（b）中，硫酸加藥量在2022年5月份突增，達到了25 191 kg，超過了2021年7月至12月的月平均量22 600 kg。由于5月份換熱器換熱效果變差，猜測是其內部存在結垢現象，因此加大了pH的控制力度。但實際檢修后發現其內部并無結垢現象。待后續pH穩定后，硫酸用量自2022年6月份起明顯回落。

2.4 經濟效益分析

該廠循環水系統的總循環量為18 500 m3/h，電化學除垢設備投用前排污水量為63 m3/h，年運行8 760 h。設備投用后，以運行工況最為穩定的2、3月份計算，系統穩定運行的濃縮倍數為7.4，排污量降至13 m3/h，減少排污水50 m3/h，循環水系統共節省補水50 m3/h。按照補水費2.66元/（t水費2.4元/t，預處理費0.26元/t），循環水排污處理費2.0元/t，電費0.6元（/kW·h）的標準計算，系統運行成本及綜合效益如表2所示。藥劑費、補水費和循環水排污處理費等費用每年可分別節省約90、116.5、87.6萬元。除去電化學除垢設備造成的人工、設備材料費及電費等共計約81.2萬元。該廠循環水系統經電化學除垢設備升級改造后，每年可節省成本約212.9萬元。

3 結論

某廠通過電化學除垢設備處理循環水，設備運行10個月期間共清垢兩次，累計清理水垢約15 t，有效改善了水質，防止了結垢。同時，系統月平均污垢熱 阻 值 僅 為1.131×10-4m2·K/W，結 垢 情 況 控 制 良好。掛片腐蝕達標，鐵離子控制在1 mg/L以下，腐蝕情況控制良好，循環水系統運行平穩。經計算，該電化學除垢設備投用之后，該廠每年能夠減少循環水系統補水量和排污量各4.38×105t，并顯著降低藥劑投加量。每年為該廠節省成本約212.9萬元，具有顯著的經濟效益。通過分析電化學除垢設備運行后的除垢情況、腐蝕情況、加藥情況和經濟效益，證實了將電化學技術用于處理循環冷卻水完全可行且優勢顯著，具有廣闊的市場發展前景。