一、前言
1、水資源的匱乏與污染以及節(jié)水的緊迫性
水是自然界中分布最廣的一種資源，同時也是人類賴以生存和發(fā)展的基礎物質。當前，水資源匱乏和污染對社會穩(wěn)定、經濟發(fā)展構成威脅，成為世界絕大多數國家穩(wěn)定和發(fā)展面臨的最突出問題之一。聯合國為此向世界發(fā)出警告：水，不久將成為一個深刻的社會危機，石油危機之后的下一個危機就是水。
我國是一個幅員遼闊的大國，又是一個水資源貧乏國，人均占有水量僅為2340m3，只有世界人均占有水量的1/4，排到世界第88位，被世界國際組織列入世界上17個最貧水國家名單中。我國600多個城市中，已有300多個存在不同程度的缺水，多次出現河水斷流，地下水超采，141條河流被嚴重污染，13億人口中有65%以上的人喝著不適合飲用的水。為了人類的生存和繁衍，治理污染，合理用水，節(jié)約水資源已刻不容緩。
2、水處理技術是工業(yè)水處理最普遍的有效手段
節(jié)水首先要抓住比較集中使用和用量大的工業(yè)用水，工業(yè)用水占有總用水量的80%以上，而工業(yè)的冷卻水量占工業(yè)用水總量的60～70%。因此，節(jié)約冷卻水，就成為工業(yè)節(jié)水最緊迫的任務。我國1988年制定了《中華人民共和國水法》，并開始對用水單位收取水資源費。原化學工業(yè)部也于1991年發(fā)布過《化工系統(tǒng)節(jié)約用水管理規(guī)定》，要求加強用水管理，合理利用水資源。特別規(guī)定：“采用地下水、自來水作間接冷卻水時，必須循環(huán)利用?！?/div>
目前，采用循環(huán)冷卻水代替直流水已成為各行各業(yè)的共識和行動。同時，也都更加重視水系統(tǒng)中設備的腐蝕結垢等問題。循環(huán)冷卻水化學處理技術是當前國內外公認的工業(yè)水處理最普遍使用的有效手段。循環(huán)冷卻水化學處理就是通過在循環(huán)水中加入化學藥劑來防止腐蝕、水垢和粘泥等危害的產生，以達到水處理目的的方法。循環(huán)水中加入水穩(wěn)藥劑，使水質得到改善，提高換熱器等設備的效率和壽命，降低能耗，保證生產順利地進行。
二、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特征及運行障礙產生的危害
1、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特征
冷卻水系統(tǒng)是用水來作為工業(yè)冷卻介質的系統(tǒng)，它分為直流冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。直流冷卻水系統(tǒng)因其消耗水量大、加藥處理費用過高，已基本被淘汰。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的冷卻水流經換熱器時，和工藝介質進行熱交換，熱介質通過冷卻水冷卻到需要的溫度，冷卻水溫度升高，成為熱水。熱水基本不排放，經過冷卻后仍返回系統(tǒng)重復使用。即冷卻水被加熱成熱水，熱水被冷卻成冷水，冷水再加熱，熱水再冷卻，循環(huán)不止，因而大大節(jié)約了用水。這就是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與直流冷卻水系統(tǒng)不同之處。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又可分為密閉式和敞開式兩種，其區(qū)別在于敞開式系統(tǒng)中的熱水是經過冷卻塔（又稱涼水塔）或冷卻池與空氣直接接觸被冷卻為冷水，再返回系統(tǒng)循環(huán)使用的，而密閉式系統(tǒng)中水不與大氣接觸，密閉循環(huán)，水不濃縮，也基本上不消耗。
在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，熱水通過冷卻塔時，部分水被蒸發(fā)，使循環(huán)水中鹽水被濃縮。水不斷循環(huán)，含鹽量就不斷增加。為了維持水中的水量平衡，必須不斷向循環(huán)系統(tǒng)中補充新鮮水，同時排放掉一部分循環(huán)冷卻水，以保持循環(huán)水的含鹽量穩(wěn)定在某一濃度。因此，在水系統(tǒng)循環(huán)運行的時候，補充水和循環(huán)水中的含鹽量是不同的。循環(huán)冷卻水與補充水中含鹽量的比值，就稱為濃縮倍數。濃縮倍數是敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行的一項重要參數。循環(huán)水中保持一定的濃縮倍數，不僅能節(jié)水、節(jié)藥、提高經濟效益，而且對穩(wěn)定水質有重要作用，也有利于進行化學處理。
敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質有以下特點：
（1）因冷卻塔的蒸發(fā)冷卻作用，使一部分循環(huán)冷卻水被空氣帶走，系統(tǒng)中損失了一部分水。這部分水沒有帶走所溶解的固體，而將它原來溶解的固體留在循環(huán)系統(tǒng)中，使循環(huán)水中的溶解固體物濃度增加，這就是濃縮現象。濃縮會改變水的腐蝕結垢性質，加重水的結垢或腐蝕傾向。
（2）在冷卻塔中，水在與空氣的接觸過程中還會失去一部分游離二氧化碳。由于二氧化碳的逸出，使水中碳酸氫鈣容易轉化成碳酸鈣沉積在換熱設備上，其反應如下：
?????? Ca(HCO3)2??????? Ca CO3?＋CO2?＋H2O
水在與空氣接觸時，還會溶解空氣中的氧氣，使水中的溶解氧總處于飽和狀態(tài)。當碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導電性，在碳鋼表面會形成許多腐蝕微電池，使陽極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕，其反應如下：
在陽極區(qū)????? Fe???? ?Fe2+＋2e
在陰極區(qū)????? 1/2 O2＋H2O＋2e???? 2OH－
在水中 ??? Fe2+＋2OH－????? Fe (OH)2
???????????????????? O2
???????????? Fe(OH)2????? Fe(OH)3
???????????????????? O2
???????????? Fe(OH)2????? 1/2 Fe2O3·H2O
（3）水在與空氣的接觸過程中，還會將空氣中所帶的灰塵、微生物、污染氣體（如SO2、H2S、NH3等）或昆蟲帶入水系統(tǒng)，引起水質污染，造成腐蝕或污垢沉積等問題。其中微生物帶來的危害特別嚴重。
如硫酸鹽還原菌分解水中的硫酸鹽，產生H2S，引起碳鋼腐蝕，其反應如下：
SO2－4＋8H+＋8e????? S2－＋4H2O＋能量（細菌生存所需）
Fe2+＋S2－ ? FeS
又如鐵細菌腐蝕鋼鐵，產生銹瘤，并釋放能量供細菌生存，其反應如下：
???? 細菌
Fe2+ Fe3+＋能量（細菌生存所需）
所以，冷卻水循環(huán)使用后，運行濃縮倍數提高，各種離子及雜質隨之被濃縮，硬度和堿度也大幅度增加，二者平衡被打破而形成水垢，并且，水垢在沉積過程中，常與淤泥、粘泥、腐蝕產物及其它雜質混合在一起形成污垢，污垢附著在設備上又會產生垢下腐蝕，加速設備的穿孔泄漏，危害性更大。水和大氣在冷卻塔中對流時，吸收了大氣中的灰塵、微生物及其孢子，使系統(tǒng)中微生物和懸浮物數量明顯增加，且由于養(yǎng)分的濃縮，日光的照射，適宜的溫度，充足的溶解氧等條件使得微生物迅速繁殖和滋生。微生物的危害與一般電化學腐蝕及水垢的危害比起來，微生物危害的嚴重性更勝一籌，其顯著特點是危害速度快，被稱之為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處理中的“急性病”，其危害不可小視。微生物滋生將產生兩大直接危害，即微生物腐蝕和沉積腐蝕。微生物腐蝕的一個重要特點是腐蝕速度集中于局部部位，主要是由于微生物繁殖將產生特殊的腐蝕環(huán)境，如硫酸鹽還原菌產生硫化氫氣體，硫細菌、鐵細菌和線狀菌等產生的酸性環(huán)境，造成局部腐蝕，最后將導致嚴重的點蝕直至穿孔，其危害特別嚴重。另外，空氣中的灰塵進入冷卻水系統(tǒng)中沉積，菌藻的滋生加速了這種粘附物的沉積，并且，微生物大量地繁殖和進行新陳代謝，致使系統(tǒng)內水側表面越來越多的沉積生物粘泥、污垢及腐蝕產物，溫度越高的地方沉積越厚，而且較多的沉積在流速驟降的滯流區(qū)和水流的死角，這些沉積物的導熱性能比金屬差幾百倍，且沉積物覆蓋下的金屬表面是貧氧區(qū)，形成氧濃差電池使金屬遭受嚴重的沉積腐蝕。另一方面，由于金屬腐蝕產物進入水中，使水質惡化，加劇了水側受熱面上的結垢趨勢，引起化學硬垢的產生及垢下腐蝕，如此惡性循環(huán)，將嚴重影響生產的長周期安全正常運行。
綜上所述，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由于空氣污染、水溫升高、水流速度變化、濃縮倍數提高、工藝介質泄漏和工況環(huán)境等因素的影響，給系統(tǒng)帶來的危害突出地表現在金屬設備及管道腐蝕，沉積物的析出和附著，微生物滋生和粘泥形成上。并且這些問題相互作用，形成惡性循環(huán)，危害甚大，它們的解決直接關系著生產的正常與否。若不采取必要的水處理技術加以解決，任其泛濫，將給生產帶來嚴重后果，給企業(yè)造成巨大的經濟損失。
2、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行障礙產生的危害
（1）腐蝕引起的危害
①腐蝕消耗金屬材料，使換熱器強度下降，降低換熱器使用壽命，增加設備投入費用及因停產檢修造成經濟損失。
②腐蝕常引起換熱器管壁穿孔，形成滲漏，或工藝介質泄漏進入冷卻水中，損失物料，污染水體；或冷卻水滲入工藝介質中，使產品質量受到影響，甚至成為廢品。
③嚴重的腐蝕造成換熱器傳熱面急劇減少，失去冷卻作用，而且可能引發(fā)泄漏事故，危害工廠安全生產，影響生產裝置的長周期運行。
④腐蝕產物會形成污垢，污垢附著在設備上又會產生垢下腐蝕，形成惡性循環(huán)，其危害性更大。
（2）水垢引起的危害
①高熱阻的無機鹽垢，導熱性能極低，降低換熱器傳熱效率和冷卻塔效率。1mm的垢厚大約相當于8%的能源損失，垢層越厚，換熱效率越低，能源消耗也越大。不但增加循環(huán)水的消耗量，造成有限資源的浪費，而且還會影響產品的產量和質量。
②水垢的形成使管道管徑縮小，流量降低，增加能耗，泵壓上升，系統(tǒng)阻力增加，使工藝介質的冷卻達不到設計要求，影響生產。
③結垢嚴重時，將換熱管道完全堵死，使生產無法進行，造成非正常停車，導致生產工期的延誤。
④水垢在金屬壁上的沉積，容易誘發(fā)垢下腐蝕，加速設備的穿孔泄漏，使設備遭受嚴重破壞。
⑤水垢的形成增加清洗次數和費用，尤其是系統(tǒng)停車清洗，造成生產被迫中斷，減少有效生產時間。同時，頻繁的清洗必將加速設備的損耗，影響材料性能，降低使用壽命。
（3）微生物引起的危害
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的環(huán)境極利于微生物的生長繁殖，微生物滋生將產生兩大直接危害，即微生物腐蝕和沉積腐蝕。循環(huán)水系統(tǒng)中大量細菌分泌出的粘液像粘合劑一樣，并以微生物群體及其遺骸為主體，與水中灰塵、雜質、化學沉淀物、腐蝕產物等粘結在一起，形成粘糊糊的膠粘狀物，即微生物粘泥。微生物粘泥既能促進污垢沉積，又能促進腐蝕，給系統(tǒng)造成的危害是相當突出的。粘泥是微生物引起的最嚴重的危害，常表現在以下幾個方面：
①粘泥附著在換熱部位的金屬表面上，降低冷卻水的冷卻效果。
②大量的粘泥將堵塞換熱器中冷卻水的通道，從而使冷卻水無法工作；少量的粘泥則減少冷卻水通道的截面積，從而降低冷卻水的流量和冷卻效果，增加泵壓。
③粘泥集積在冷卻塔填料的表面或填料間，堵塞了冷卻水的通過，降低冷卻塔的冷卻效果。
④粘泥覆蓋在換熱器的金屬表上，阻止緩蝕劑和阻垢劑到達金屬表面發(fā)揮其緩蝕與阻垢的作用，阻止殺生劑殺滅粘泥中和粘泥下的微生物，降低這些藥劑的功效。
⑤粘泥覆蓋在金屬表面，形成氧濃差腐蝕電池，引起金屬設備及管道的腐蝕。
三、水處理技術的作用及其重要性
實踐證明，化學處理技術能夠很好地解決循環(huán)水所帶來的危害。它在國外應用已有半個世紀以上；在我國也日益廣泛應用，大量推廣已有二十多年的歷史。其綜合處理效果令人滿意，處理費用也能為用戶接受，是普遍使用的好方法。
在循環(huán)冷卻水中應用水處理技術，既可改善水質，減少對設備的腐蝕和結垢，延長設備壽命，保證生產長周期均衡平穩(wěn)地運行，又能節(jié)約用水，減少排污，對生態(tài)環(huán)境大為有利，從而獲得良好的經濟效益和社會效益。
評價化學處理的經濟效益需要從處理費用上和生產上全面評價?；瘜W處理費用經濟合理，占循環(huán)水成本中的比例并不高，而且?guī)Ыo系統(tǒng)的好處很多，有很好的經濟效益。據我們了解，許多廠在這方面都深有體驗，特別是有的廠初期投產時循環(huán)水未進行化學處理，運行一段時間后才發(fā)現“水患成災”，后來采用化學處理，“對癥下藥”，使水質得到明顯改善。這些廠水處理前后對比的效果往往很生動，取得的經濟效益也都很明顯?？茖W技術是第一生產力，循環(huán)水化學處理技術在節(jié)能降耗，高產穩(wěn)產，提高效益等方面發(fā)揮著非常重要和關鍵的作用，具體表現在：
1、保證換熱設備的高效運行。通過化學處理，減緩設備和管道的腐蝕和結垢，提高換熱效率，改善工藝條件，延長設備及管道的使用壽命。
2、穩(wěn)定生產。沒有沉積物附著、腐蝕穿孔和粘泥堵塞等危害，冷卻水系統(tǒng)中的換熱器就可以始終在良好的環(huán)境中工作，除計劃中的檢修外，意外的停產檢修事故就會減少，為生產的長周期安全運行提供保證，從而降低生產過程中因設備維修造成的時間耽延。
3、節(jié)約水資源。冷卻水使用水處理劑后，可以提高循環(huán)水的濃縮倍數，這對工業(yè)節(jié)水有著重要的作用。與直流冷卻水相比，即便循環(huán)水的濃縮倍數比較低，例如僅為1.5倍，但此時補充水即可節(jié)約94.8%。由此可見，提高濃縮倍數，使用水處理技術，改善和凈化水質，對節(jié)約水資源有著至關重要的作用。
4、減少環(huán)境污染。由于濃縮倍數的提高，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)比起直流冷卻水系統(tǒng)來，大大減少了冷卻污水的排放量，也就減少了對環(huán)境的污染。
5、經濟效益顯著。采用水穩(wěn)技術后，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處于良性循環(huán)，換熱效率和冷卻效果良好，同時減少原材料的消耗，降低生產成本，實現生產的滿負荷運行，生產能力提高，產品質量改善，產量增加，經濟效益突出。
四、水處理技術的主要內容
這里所說的水處理技術，是指循環(huán)冷卻水的化學處理技術，它是一門多學科的綜合實用技術。它主要是針對不同的水質、設備、材質和工藝條件等因素，選擇合理的緩蝕阻垢配方和優(yōu)良高效的藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產生，使水質穩(wěn)定，以達到預期的效果，為生產服務。
為了應用好水處理技術，還應有一定的工藝過程和要求，它包括設備剝離清洗、預膜和日常水處理管理工作等。這些過程都是水處理技術的內容，并且每一個環(huán)節(jié)都是相互聯系的，是一個有機的整體，缺一不可，否則將大大降低水處理綜合效果。所以，完整地實施水處理技術，是保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)科學、經濟、高效運行的關鍵。
1、化學清洗
在采用水處理技術，投加水處理劑之前，應對循環(huán)水系統(tǒng)的換熱設備和管道進行剝離和清洗，特別是已經運行的老系統(tǒng)，在粘泥沉積、菌藻滋生嚴重的狀況下，清洗尤為重要。主要機理為通過滲透、疏松、剝離、溶解、分散、整合、晶格畸變等作用，除去水側表面的粘附物、水垢等雜物，以達到凈化設備金屬表面的目的，為水處理的預膜和日常處理創(chuàng)造條件。剝離清洗對合理使用水處理劑，發(fā)揮水處理劑正常效用是非常必要的。
2、預膜處理
預膜是在系統(tǒng)剝離清洗之后、正常運行之前水處理的一個必要步驟。預膜處理就是在緊接系統(tǒng)清洗之后，向系統(tǒng)中投加一定濃度的高效預膜劑，在設定條件下循環(huán)運行，使之在設備金屬表面形成一層均勻致密的保護膜，達到不易成垢和緩蝕的目的，對系統(tǒng)設備和管道起到良好的保護作用。
3、日常水處理工作
當預膜結束后，水處理劑由高濃度轉入低濃度的處理成為日常處理。日常處理工作在水處理工作中具有十分重要的作用。日常水處理工作包括：日常加藥和分析監(jiān)測，投加緩蝕阻垢劑以延緩腐蝕和阻止結垢，投加殺菌滅藻劑控制菌藻滋生及粘泥的粘附。日常加藥的目的是維持水中藥劑濃度，以保持膜的完整性，并起到緩蝕阻垢作用和控制微生物的生長。
要搞好水處理工作，必須下決心嚴格科學管理，保證在操作時按照規(guī)定的水穩(wěn)劑配方和控制指標（包括水質、加藥等）嚴格執(zhí)行。在循環(huán)水系統(tǒng)正常運行中，需要進行處理效果的監(jiān)測（如掛腐蝕試片等工作），以了解水質處理的效果，并根據每天水質分析化驗結果，對排污水量、補充水量及加藥量進行必要的調整，使之達到要求指標，并控制合理的濃縮倍數。
五、水處理運行效果及其評定
1、藥劑使用后的表現效果
（1）換熱設備和水程管道不再產生新垢，老垢在一定程度上逐步減少，管道阻力減小，泵壓降低，冷卻水流量增大，換熱器效率上升，工藝條件改善，生產能力提高，產品質量穩(wěn)定，產量增加。
（2）設備及管道的腐蝕得到有效的控制，不僅延長了設備的使用壽命和運行投入周期，而且降低了設備腐蝕穿孔引發(fā)泄漏事故的可能性，為生產的長周期安全平穩(wěn)運行提供了強有力的保障。
（3）系統(tǒng)不再產生新菌藻，老菌藻逐步脫落。同時，附著在換熱器、冷卻塔、水槽壁、池底、管道上的微生物粘泥、軟垢也逐漸被疏松、剝離和分散，隨排污水一起排掉。這有效地剿滅了微生物的滋生繁殖，阻斷了粘泥污物對系統(tǒng)的侵害。
（4）涼水塔噴嘴、填料無堵塞現象，冷卻水量增大，噴水均勻，水流暢通，冷卻效率提高，冷卻水進、出塔溫差變大，為工藝介質的冷卻達到設計要求提供了充足的低溫水量。
（5）系統(tǒng)結垢、腐蝕和微生物等危害得到有效控制，生產穩(wěn)定，循環(huán)水系統(tǒng)始終在良好的環(huán)境中安全運轉。除計劃中的檢修外，意外的停產檢修、清洗次數減少，從而降低生產過程中因設備維修、清洗造成的時間耽延和經濟損失，不僅減少了計劃外的經濟支出，同時也延長了有效生產時間。
（6）濃縮倍數提高，不僅節(jié)約了大量的冷卻用水，而且大大減少了冷卻污水的排放量，減輕了對環(huán)境的污染，為企業(yè)贏得了良好的經濟效益和社會效益。
2、水處理運行效果的評定
循環(huán)冷卻水經化學處理后，其效果應達到國家《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》GB50050－2007標準中的要求：
腐蝕率：碳鋼≤0.075mm/a?? 銅、不銹鋼≤0.005mm/a
污垢沉積率：＜ 15mg/(cm2·月)
異養(yǎng)菌總數：＜1×105個/ml（平板計數法）