(柳州市盛鵬源環(huán)?？萍加邢薰?廣西 柳州 545002)

淺議提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)在循環(huán)冷卻水運(yùn)行管理中的作用

劉上月農(nóng)光廈張芳

(柳州市盛鵬源環(huán)?？萍加邢薰緩V西柳州545002)

工業(yè)循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)N是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)節(jié)水要求、離子濃度變化、水處理劑的選擇及濃度保持、循環(huán)水腐蝕性與結(jié)垢性的關(guān)系變化等有顯著的影響。探討了濃縮倍數(shù)與補(bǔ)充水量、排污量以及循環(huán)水利用率的關(guān)系，淺議了提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)在循環(huán)冷卻水運(yùn)行管理中的作用。

濃縮倍數(shù)；循環(huán)冷卻水；運(yùn)行管理

工業(yè)循環(huán)水作為介質(zhì)冷卻的主要載體，直接或間接的參與到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中。敞開(kāi)式的工業(yè)循環(huán)系統(tǒng)用水量約占工業(yè)用水的70%[1]，由于冷卻散熱過(guò)程中水體蒸發(fā)作用，敞開(kāi)式循環(huán)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部離子濃度會(huì)不斷增高，對(duì)循環(huán)水的運(yùn)行管理方式的選擇提出新的要求，建立新的平衡關(guān)系，第一是濃縮倍數(shù)與節(jié)水的關(guān)系；第二是濃縮倍數(shù)的選擇；第三是濃縮倍數(shù)在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的作用。

一、濃縮倍數(shù)的定義和節(jié)水的關(guān)系

(一)濃縮倍數(shù)的定義

工業(yè)循環(huán)水的濃縮倍數(shù)(N)是系統(tǒng)中某一組分濃度與補(bǔ)水中該組分濃度的比值，用作計(jì)算濃縮倍數(shù)的組分主要為各種離子，其中采用較多為氯離子、鈣離子、鉀離子、二氧化硅等，也可以通過(guò)電導(dǎo)率作為計(jì)算系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的方法，關(guān)于各種離子、儀器檢測(cè)值計(jì)算系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的方法的特點(diǎn)和所涉及的影響因素如表1所示：

表1 濃縮倍數(shù)計(jì)算方法的特點(diǎn)和影響因素

(二)濃縮倍數(shù)與節(jié)水的關(guān)系

循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)作為系統(tǒng)節(jié)水的一個(gè)重要指標(biāo)，在忽略系統(tǒng)滲漏和風(fēng)吹損失的情況下，系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)只與系統(tǒng)的蒸發(fā)量E(m3/h)和排污量B(m3/h)有關(guān)，兩者之和為系統(tǒng)的補(bǔ)水量M(m3/h)，即：M≈E+B。通常情況在系統(tǒng)排污量一定的情況下，系統(tǒng)濃縮倍數(shù)會(huì)隨蒸發(fā)量的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，在外界環(huán)境穩(wěn)定、生產(chǎn)設(shè)備熱量要求變化不大的情況下，系統(tǒng)濃縮倍數(shù)會(huì)在一個(gè)相對(duì)小的一個(gè)區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，這個(gè)區(qū)間中值為N≈M/ B，與系統(tǒng)中的各種離子濃度沒(méi)有直接聯(lián)系。例如：一個(gè)系統(tǒng)的排污量為200 m3/h，為了維持系統(tǒng)正常水位需要補(bǔ)充新水為800 m3/h，那系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)的濃縮倍數(shù)約為4，其物理意義可近似的認(rèn)為是排污量中的鹽分與補(bǔ)充水鹽分總量相等(鹽分包括離子狀態(tài)和聚合狀態(tài)或逃逸的物質(zhì))，平衡建立后系統(tǒng)的鹽分不會(huì)繼續(xù)增加。再根據(jù)系統(tǒng)的循環(huán)量和濃縮倍數(shù)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)水量，即可計(jì)算出系統(tǒng)的節(jié)水率，一般情況下濃縮倍數(shù)達(dá)到4倍以后，系統(tǒng)的節(jié)水效果就不明顯。工業(yè)循環(huán)水處理設(shè)計(jì)規(guī)范GB50050-2007對(duì)濃縮倍數(shù)的要求為3～5，可以滿足節(jié)水和環(huán)保的要求。

(三)計(jì)算濃縮倍數(shù)與真實(shí)濃縮倍數(shù)差異的分析

為了更為方便的對(duì)濃縮倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在循環(huán)水實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主要是通過(guò)循環(huán)水中某一組分濃度與補(bǔ)水中同一組分的濃度進(jìn)行計(jì)算。有時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)補(bǔ)水的不唯一性、補(bǔ)水水質(zhì)多變性、取樣的瞬時(shí)性，導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的濃縮倍數(shù)與系統(tǒng)真實(shí)濃縮倍數(shù)存在較大的差異，可能會(huì)出現(xiàn)真實(shí)濃縮倍數(shù)較低時(shí)計(jì)算濃縮倍數(shù)較高，而真實(shí)濃縮倍數(shù)較高時(shí)計(jì)算濃縮倍數(shù)較低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)補(bǔ)排的指令的混亂。例如某鋼廠一凈環(huán)系統(tǒng)在2016年4月間的系統(tǒng)濃縮倍數(shù)計(jì)算就出現(xiàn)了系統(tǒng)硬度高時(shí)要求增加濃縮倍數(shù)，系統(tǒng)硬度低時(shí)要求排水的現(xiàn)象。相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。目前由于中水回用量加大，中水水質(zhì)指標(biāo)的變化受到各種因素的影響，穩(wěn)定性較差，在計(jì)算系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的時(shí)更容易造成結(jié)果的不確定性，濃縮倍數(shù)對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)排水的指導(dǎo)意義被弱化。由于中水補(bǔ)水總硬的基數(shù)較大，在濃縮倍數(shù)不高的情況下也會(huì)引起系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)超標(biāo)，對(duì)本身真實(shí)濃縮倍數(shù)偏低的多數(shù)柳鋼凈環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中水回用對(duì)濃縮倍數(shù)控制產(chǎn)生了明顯影響，而相對(duì)較低的運(yùn)行濃縮倍數(shù)會(huì)引發(fā)一系列相關(guān)問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的管理和穩(wěn)定性造成了一定影響。

表2 某鋼廠一凈環(huán)系統(tǒng)2016年4月水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

二、濃縮倍數(shù)的選擇

系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻模式運(yùn)行，就必須面對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行濃縮倍數(shù)的選擇，如何選擇系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)與系統(tǒng)補(bǔ)水、系統(tǒng)循環(huán)量、系統(tǒng)設(shè)備溫度、設(shè)備材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。系統(tǒng)補(bǔ)水的pH、總硬、總堿、氯離子、電導(dǎo)率等因素直接會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)濃縮倍數(shù)的選擇產(chǎn)生直接的影響，pH值偏高，總硬、總堿濃度較大的補(bǔ)水不宜要求在較高濃縮倍數(shù)下運(yùn)行，否則系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)會(huì)較大，一般保持濃縮倍數(shù)在3～4即可滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求；pH值較低，總硬、總堿濃度較小的補(bǔ)水可通過(guò)濃縮來(lái)提高系統(tǒng)的pH值，降低溶解氧的陰極去極化腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)濃縮倍數(shù)的增加來(lái)提升水體自身的成膜性能，可降低對(duì)系統(tǒng)腐蝕控制的要求，此類(lèi)補(bǔ)水可在大于4倍的濃縮倍數(shù)下運(yùn)行。除考慮補(bǔ)水本身水質(zhì)因素外，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)量、設(shè)備溫度、設(shè)備材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行綜合評(píng)估，原則上在保持系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)的前提下，盡可能防止熱量在設(shè)備高溫端聚集以減少水體在運(yùn)行過(guò)程的調(diào)整量，降低高溫面的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

三、提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)的作用

(一)對(duì)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和減輕環(huán)保壓力的作用

提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，可節(jié)約新水的使用量，降低了系統(tǒng)的排污量，同時(shí)也可以降低和穩(wěn)定系統(tǒng)水處理劑的投加量，減少水處理劑對(duì)環(huán)境的總輸出量。無(wú)論是從系統(tǒng)運(yùn)行成本還是環(huán)保等方面考慮，提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)均具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。

(二)對(duì)轉(zhuǎn)化水體腐蝕性和結(jié)垢性關(guān)系的作用

一般情況下，新水和低濃縮倍數(shù)的水體，水體的腐蝕性會(huì)較強(qiáng)，這可能與水體的離子濃度低、穩(wěn)定性差、成膜性弱有關(guān)。隨著循環(huán)水濃縮倍數(shù)的升高，水體的鹽分增加，其結(jié)垢性也會(huì)增強(qiáng)，通常水體適當(dāng)增加濃縮倍數(shù)后其水體的腐蝕性較新水會(huì)有明顯減弱，這可能與水體本身成膜能力提高有關(guān)。在濃縮倍數(shù)的提升過(guò)程中，從單因素分析水體的腐蝕性和結(jié)垢性都會(huì)增強(qiáng)，但可能由于水體結(jié)垢性增強(qiáng)速度比腐蝕性增強(qiáng)的速率更快，導(dǎo)致水體的腐蝕性在一定程度上受到結(jié)垢性的抑制而使水體的腐蝕減輕。因此系統(tǒng)提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)的過(guò)程也是水體性能衍化和穩(wěn)定過(guò)程，有助于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中離子狀態(tài)轉(zhuǎn)化進(jìn)程進(jìn)行合理評(píng)估。

(三)對(duì)增加系統(tǒng)離子緩沖容量建立微動(dòng)態(tài)平衡的作用

循環(huán)水隨著濃縮倍數(shù)的增加，各種離子的濃度也相應(yīng)的增加，在水處理劑參與下的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)水水體會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的選擇性調(diào)整，以適應(yīng)系統(tǒng)工況條件。提高并穩(wěn)定系統(tǒng)濃縮倍數(shù)后，水體中的離子濃度便具備了一定的緩沖容量，可形成動(dòng)態(tài)平衡，離子的緩沖容量可有效的緩解系統(tǒng)因排污和新水補(bǔ)入對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，水體中的離子結(jié)構(gòu)平衡不易被打破，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程無(wú)需進(jìn)行大幅度調(diào)整即能建立新的平衡以適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境。提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)能使系統(tǒng)離子緩沖容量的提高，但如果系統(tǒng)排補(bǔ)水無(wú)規(guī)律，系統(tǒng)的平衡也會(huì)被破壞，系統(tǒng)重新建立平衡需要調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕也屬水體調(diào)整結(jié)果之列。因此提高濃縮倍數(shù)并穩(wěn)定排補(bǔ)，讓系統(tǒng)濃縮倍數(shù)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)，使系統(tǒng)離子組成比例關(guān)系不出現(xiàn)大的變化，在運(yùn)行過(guò)程中建立微動(dòng)態(tài)平衡，盡量減小水質(zhì)波動(dòng)后的調(diào)整過(guò)程對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

(四)對(duì)提高水處理效果促進(jìn)離子有效化利用和無(wú)害化處理的作用

系統(tǒng)水體濃縮的同時(shí)，水處理劑也被濃縮，水處理劑有效濃度的保持和停留時(shí)間的保證與系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)有直接且重要的關(guān)系，大排大補(bǔ)的系統(tǒng)是無(wú)法滿足水處理劑對(duì)水體馴化要求的，即使是通過(guò)加水處理劑的投加量來(lái)保證藥劑的濃度也未必能明顯提升水處理效果，水處理劑的作用過(guò)程應(yīng)遵循相應(yīng)的規(guī)律，包括其擴(kuò)散、離子協(xié)同增加靶向作用、吸附成膜、脫附修復(fù)、分解代謝，這是一個(gè)系統(tǒng)的微妙的過(guò)程。因此提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)能對(duì)促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部離子的有效化利用和無(wú)害化處理提供保證。其中離子的有效化利用主要是指提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)可使系統(tǒng)內(nèi)二價(jià)和高價(jià)金屬離子的濃度得以保證，藥劑濃度得以穩(wěn)定，而對(duì)設(shè)備緩蝕作用正是建立在金屬離子和水處理劑的協(xié)同關(guān)系基礎(chǔ)之上的，穩(wěn)定的濃縮倍數(shù)能夠使水處理效果增加并維持相互作用；其中的離子的無(wú)害化處理主要是指提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)可使水體從腐蝕性向結(jié)垢性衍化，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)整作用和水處理螯合增溶、晶格畸變、吸附分散等阻垢作用對(duì)水體內(nèi)部結(jié)垢性離子進(jìn)行無(wú)害化處理，處理的本質(zhì)即為結(jié)垢性離子組分形成聚集態(tài)垢相或微晶，不強(qiáng)烈附著于換熱器等表面對(duì)設(shè)備冷卻效果造成影響，該類(lèi)物質(zhì)可以通過(guò)排污、旁濾、清理水池等方式進(jìn)行處理，從而達(dá)到凈化、清除結(jié)垢性離子的目的。

(五)對(duì)優(yōu)化水處理劑選擇和中水回用的作用

提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)，即穩(wěn)定水體的運(yùn)行狀態(tài)，可根據(jù)系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)確定和優(yōu)化水處理劑的選擇。當(dāng)系統(tǒng)濃縮倍數(shù)提高，對(duì)系統(tǒng)的緩蝕要求相對(duì)會(huì)有所降低，轉(zhuǎn)化到阻垢為主的處理方式上來(lái)，因此可以減小水處理劑中緩蝕性能較強(qiáng)的有機(jī)膦系水處理劑單體的使用，增加磺酸鹽聚合物和聚羧酸鹽等阻垢成分，減少在中水回用的模式下大循環(huán)體系中磷酸鹽的量，以控制磷酸鈣垢和抑制微生物的繁殖。同時(shí)濃縮倍數(shù)的提高，系統(tǒng)無(wú)害化調(diào)整增大，排污量減小，對(duì)廢水處理效果提升和回用中水指標(biāo)調(diào)整更為有利。

四、濃縮倍數(shù)太低或太高對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

(一)濃縮倍數(shù)太低對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，水體置換量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，水體在運(yùn)行過(guò)程中調(diào)整幅度和總量反而會(huì)增加，于系統(tǒng)低溫端腐蝕和高溫端結(jié)垢的控制均不利；系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，水體置換量大，二價(jià)和高價(jià)金屬離子的濃度、水處理劑濃度無(wú)法有效保證，金屬離子和藥劑間的協(xié)調(diào)作用效率下降，于系統(tǒng)腐蝕控制不利；系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，水體置換量大，循環(huán)水于系統(tǒng)內(nèi)在水處理劑作用下的結(jié)垢性離子的無(wú)害化處理和調(diào)整無(wú)法有效進(jìn)行，無(wú)害化調(diào)整量和效果受到影響，于系統(tǒng)高溫端結(jié)垢的控制和中水的有效回用不利；系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，水體置換量大，增加新水使用量和廢水排放及處理量，于循環(huán)水運(yùn)行、廢水處理成本控制和環(huán)境保護(hù)不利；系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，水體置換量大，對(duì)短促性的殺菌劑投用效果產(chǎn)生較大影響，于大循環(huán)系統(tǒng)細(xì)菌控制不利，可能一定程度助長(zhǎng)細(xì)菌的耐藥性。系統(tǒng)濃縮倍數(shù)太低，以水量換熱量冷卻模式存在諸多不利因素，對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行不利，不足取。

(二)濃縮倍數(shù)太高對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

系統(tǒng)運(yùn)行濃縮倍數(shù)太高，pH、總硬、總堿、氯離子、電導(dǎo)率的大幅升高，會(huì)增加控制系統(tǒng)結(jié)垢的難度；系統(tǒng)運(yùn)行濃縮倍數(shù)太高，水處理劑的新陳代謝會(huì)受到影響，分解后的水處理劑無(wú)法及時(shí)置換出系統(tǒng)，反而會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生副作用，于系統(tǒng)良性循環(huán)運(yùn)行不利；系統(tǒng)運(yùn)行濃縮倍數(shù)太高，水體的腐蝕性和結(jié)垢性有可能發(fā)生二次反轉(zhuǎn)，于系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢控制均不利。

五、系統(tǒng)運(yùn)行管理控制建議

(1)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，控制排污量，減少系統(tǒng)外用水，防止系統(tǒng)串漏，杜絕低濃縮倍數(shù)的以水量換熱量運(yùn)行模式。

(2)穩(wěn)定補(bǔ)水，包括補(bǔ)水種類(lèi)和量，多種補(bǔ)水對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制和濃縮倍數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生影響，系統(tǒng)補(bǔ)水以1～2支為宜。

(3)提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)(真實(shí)濃縮倍數(shù)達(dá)到4左右為宜)，以促進(jìn)金屬離子的有效化利用和無(wú)害化處理。

(4)提高并穩(wěn)定濃縮倍數(shù)的同時(shí)，通過(guò)對(duì)循環(huán)量、風(fēng)機(jī)的控制，合理分散和降低設(shè)備熱量，促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]龍荷云.循環(huán)冷卻水處理.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2001.11～13