工业循环冷却水处理设计规范样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。工业循环冷却水处理设计规范GB50050- 说明 1新版国标工业循环冷却水处理设计规范GB50050- 规范修订的背景、 意义及其特点 1.1 中国标准化法实施条例规定: ”标准实施后, 制定标准的部门应按科学技术的发展和经济建设的需要适时进行复审, 标准复审周期一般不超过五年”。我们这本工业循环冷却水处理规范第一版是GBJ80-83, 第二版, 也就是现行版GB50050-95, 发布至今已达 之久, 远远超过了标准化的规定, 因此要进行修订。 1.2 循环冷却水处理技术的发展 中国循环冷却水处理药剂及技术虽然起步较晚, 但紧跟国外的发展趋势, 并结合国情进行研究开发和推广应用, 具有起点高、 发展快的特点。在消化吸收的基础上, 先后开发出HEDP、 ATMP、 EDTMP、 PAA、 DDM( G4) 、 聚马、 马丙、 聚季铵盐。瞄准具有70 年代水平的聚磷酸盐/膦酸盐/聚合物/杂环化合物的循环冷却水处理”磷系复合配方”, 进行研究开发, 填补了国内空白, 满足了大化肥循环冷却水处理药剂国产化的要求。80 年代, 随着石油装置和大型冶金装置的引进, 对栗田、 Nalco Drew、 片山等国外著名公司的循环水处理剂及冷却水处理技术进行消化吸收。一大批新的循环水处理剂配方相继开发成功, 使中国的循环冷却水处理技术又取得了重要进展, 在磷系复合配方的基础上, 开发出”磷系碱性水处理配方”、 ”全有机水处理配方”、 ”钼系水处理配方”和”硅系水处理配方”。实现了循环冷却水在自然平衡pH 条件下的碱性条件下运行, 这类水处理配方除具有”磷系复合配方”的优点外, 还避免了加酸操作带来的失误, 深受用户的欢迎。90 年代以来, 随着水处理技术的进一步提高, 国内水处理剂及技术开始出口。同时新型膦酸盐、 新型水处理杀生剂的不断开发成功, 水处理药剂的前沿研究与国外水平基本接近。”全有机水处理剂配方”应用比重不断提高, 与此同时, 低磷、 无磷、 无金属水处理配方不断推向市场。 中国的循环冷却水处理是20 世纪70 年代后期从国外引进磷系配方开始的, 至今已取得了巨大的进步, 说明中国的水处理药剂应用水平不低, 表1 为中国循环冷却水处理配方发展过程。 表1 中国循环冷却水处理配方发展年代 配方 19751979 聚磷酸盐/膦酸盐/聚丙烯酸(用酸调pH) 聚磷酸盐/膦酸盐/锌/聚丙烯酸(用酸调pH) 19801985 多元醇磷酸酯/锌/磺化木质素(用酸调pH) 19801985 膦酸盐/聚合物或共聚物(碱性处理) 硅酸盐或钼酸盐配方 19861992 磷酸盐/二元、 三元共聚物全有机配方,系统可连续运行12 年 1993 新型膦酸盐及新型共聚物开始进入市场,碱性处理比重在提高 1998 开始开发无磷无金属配方 当前循环冷却水处理已经在中国各个行业的循环水系统中得到应用。不论是国产装置还是引进装置, 其使用的循环冷却水药剂绝大部分已经国产化, 我们已经有能力解决各种条件苛刻的冷却水系统中所遇到的腐蚀、 结垢、 生物粘泥等问题。 从90 年代开始, 中国在循环冷却水处理监控技术开发方面也开展了一些工作, 如示踪和远程控制技术已取得初步成果, 冷却水系统成垢过程专家系统已开发成功。但在这些方面我们也有较大差距, 循环冷却水系统的计算机控制、 自动化管理等方面没有投入很大的开发力量, 影响了水处理应用技术水平的提高。 中国循环冷却水处理技术在某些方面具有较高水平, 如中国的膦酸盐类水处理剂的质量已明显提高, 接近或达到了国际先进水平, 因此已开始大量出口。然而就总体而言, 与国际先进水平的差距仍很明显: 重点是水处理管理水平和控制水平。 现行工业循环冷却水处理规范GB50050-95, 其中一些数据均是以聚磷、 聚合物水处理配方为基础制定的, 实际上至 水处理配方已发展至全有机配方: 新型膦酸盐及新型共聚物, 无磷, 无金属水处理配方也开始出现, 这些新型水处理配方与管理的科学化, 控制的自动化相结合, 使得水处理效果明显提高, 水质适用范围更加宽泛, 所有这一些水处理技术上进步在现有规范中没有得到反映, 因此循环水处理技术发展的形势也要求对现有工业循环冷却水处理规范进行修订。 1.3 中国供水现状也要求对现行工业循环冷却水处理规范进行修订 a 中国用水现状 中国是一个水资源短缺的国家, 人均水资源占有量约为2200m3, 不足世界平均水平的四分之一, 随着中国经济建设的迅速发展, 水资源短缺的问题日益显现, 中国正常年份缺水量约400亿m3, 已经严重制约了中国经济建设的发展。缺水不但影响经济建设, 而且还威胁到人们的生活甚至生命安全, 比如四川、 内蒙古等地, 均出现过因干旱而发生人、 畜饮水危机。面对这样的严重局面, 节水不但是水处理工作者的任务, 而且也是全社会紧迫的任务。水资源的欠缺和用水效率不高是导致当前供水不足的主要原因, 自然条件无法改变, 可是在用水效率方面, 中国和发达国家还有很大差距, 中国万元GDP用水量是世界平均水平的4倍左右, 工业万元增加值取水量是发达国家的510倍, 中国灌溉水利用率仅为43, 为世界先进水平的二分之一, 由此可见, 无论是工业还是农业节水潜力还是很大的。 b 全民节水 节水是全民的义务, 哪个人不用水, 哪个行业不需要水, 因此, 节水不只是水行业的任务, 而且是所有行业和全体公民的共同任务。 至 , 中国总用水量约5300亿m3, 其中农业3430亿m3, ( 约占64.5) , 工业1170亿m3( 约占22) , 生活630亿m3( 约占12) 。 农业节水: 喷灌、 滴灌; 生活节水: 节水龙头, 厕所水箱。 工业节水: 首先是生产工艺的改革, 充分利用生产过程中产生的废热, 采用不用水的工艺( 空冷) 等。 请看这一现象, 钢铁、 石化、 电力、 石油、 纺织、 化工等行业的生产厂, 无不冷却塔林立, 大量的热量经过冷却塔散发到大气之中, 这不但是能量的浪费, 也是水资源的极大浪费。对于冷却塔所蕴藏的巨大能量, 很值得进行研究、 挖潜。以全国循环水量4亿m3/h, 冷却降温t=10 计算, 损失的热量为41012千卡/h, 折合标准煤为0.57106吨煤/h, 天然气0.47106米3/h, 这仅是一小时的热量损失。按年8000h计算, 折合为45.6亿吨煤, 约40亿m3天然气, 是中国煤的年产量2.4亿吨的19倍, 多么巨大的能源浪费。可见节能、 节水是有巨大潜力。 其次是水行业的节水, 在工业用水中的7080是循环水的补充水, 可见循环水在工业节水中的重要作用。当前生产工艺还做不到热能的全部利用, 也就是说冷却塔还需继续存在, 循环水还得继续使用, 那么循环水节水效益到底有多大呢? 循环冷却水的节水作用, 对比直流冷却水而言是非常巨大的。上个世纪五十六十年代, 国家工业建设刚刚起步, 工业用水量很少, 相对来说水资源是丰富的, 因此很多工厂企业都采用直流冷却水, 既简便又省钱。可是随着工业建设的发展, 水资源逐渐紧张, 迫使工厂企业不得不采用循环冷却水。采用这一措施到底能节省多少水呢? 以10000m3/h的直流冷却水为例, 改用循环冷却水, 温降10, 浓缩倍数N为3, 只需240m3/h, 若N=5, 则需200m3/h, 可见节水的巨大成果。同时从上面的数据也能够得出这样一个结论, 循环冷却水系统本身的节水取决于浓缩倍数的高低产。 因此在工业用水中节水的最有效措施, 就是采用循环水, 高浓缩倍数。最初人们的想法比较简单, 以为把水循环起来, 温升降下来即可, 可是问题远非这么简单, 循环水在运行过程中产生一系列问题, 如果不能很好的解决, 则循环水根本无法运行。例子很多, 如北京化工厂( 结垢) , 栖霞山化肥厂( 生物泛滥) 。归结起来, 循环水运行过程中所产生的主要问题如下: a水垢由于循环冷却水在冷却过程中不断地蒸发, 使水中含盐浓度不断增高, 超过某些盐类的溶解度而沉淀。常见的有碳酸钙、 磷酸钙、 硅酸镁等垢。水垢的质地比较致密, 能够防止对金属面的腐蚀, 可是却大大的降低了传热效率, 0.6毫米的垢厚就使传热系数降低了17.9。 b污垢污垢主要由水中的有机物、 微生物菌落和分泌物、 泥沙、 粉尘等构成, 垢的质地松软, 不但降低传热效率而且还引起垢下腐蚀。 c腐蚀循环冷却水对换热设备的腐蚀, 主要是电化腐蚀, 产生的原因有设备制造缺陷、 水中充分的氧气、 水中腐蚀性离子( Cl-、 Fe2+、 Cu2+) 以及微生物分泌的黏液所生成的污垢等因素, 腐蚀的后果十分严重, 不加控制极短的时间即使设备报废。 d微生物的孳生 因为循环冷却水中有充分的氧气、 合适的温度及丰富的营养, 很适合微生物的生长繁殖, 如不及时控制将迅速导致水质恶化、 发臭、 变黑, 大量黏垢沉积, 设备腐蚀加剧。因此循环冷却水处理的关键即是控制微生物的繁殖。面对上述这些问题, 人们在生产实践中, 不断的总结、 探索和研究, 掌握了治理这些危害的方法和技术, 从而保证了循环冷却水系统的稳定运行, 也保证了企业生产活动的安全、 高效、 持久的运行。”工业循环冷却水处理设计规范”就是把人们长期积累的实践经约和科研成果, 经过高度概括与浓缩, 以规范形式呈现出来, 其目的是为生产、 建设、 科研、 设计和施工服务, 为它们提供依据。 1.4 工业循环冷却水处理规范GB50050- 的特点规范修订版以及前两版, 其主要特点就是以节水为目的, 随着国家经济建设的发展, 修订版的节水措施突破了原有的框框, 增加以再生水( 处理后的污水) 为补充水的内容, 为节水减排, 保护环境创造了新的条件, 同时修订版还增加了直冷开式循环冷却水的内容, 即一般称谓的浊环水系统, 扩大了规范的覆盖面。涵盖了以淡水为补充水的全部循环冷却水系统。海水作补充水的循环水系统, 限于技术成熟程度, 此次未曾纳入, 随着技术的不断完善, 也将陆续收入到规范中。此次工业循环冷却水处理规范修订是一次全面修订, 修订内容很多, 将在后面详细介绍。 2. 当前工业循环冷却水处理设计现状、 存在问题以及解决措施 2.1 循环冷却水处理设计现状 过去循环冷却水是以设计为主体, 从收集循环冷却水系统资料起至水系统设计, 设备订货, 现场施工, 调试开车, 设计单位全部参与, 可是随着改革开放社会主义市场经济的建立, 以设计负全责的模式发生了很大的改变。现在是业主设计水处理公司三位一体的建设模式, 即由业主经过招标的方式选择水处理公司, 而后设计单位再根据水处理公司提供的水处理方案进行设计。因为水处理公司是专业公司, 掌握循环冷却水处理技术和积累了丰富的经验, 因此, 更能有效的保证水处理效果。 2.2 存在问题 由于循环冷却水处理设计是三方参与, 必然会因为三方的立场、 观点不同而对问题的处理产生分歧, 因此常常发生设计条件的重复修改, 出现问题屡议不决, 严重影响了工程进度和工程设计质量。下面我把工业循环冷却水处理规范修订过程中牵涉到的一些技术问题, 简要介绍如下: a 循环水补充水水质条件 一般, 设计单位对业主提供的水质资料, 以阴阳离子的毫克当量平衡来校核其准确性, 当分析误差2则合格。而当前国际单位中没有毫克当量这个单位, 而是制定了以摩尔为单位。什么是摩尔? 摩尔( mol) 表示一个系统的物质的量, 该系统所包含的基本单元数与0.012kg碳-12( 12C) 的原子数相等。 在使用摩尔时, 必须指明基本单元, 它能够是分子, 原子、 离子以及其它基本单位, 或这些单位的特定组合。 已知1个C原子的质量是1.99310-26kg, 因此1mol 12C所含的碳原子数目为: 因为任何一个克原子、 分子、 离子、 电子基本单元都包含6.021023个基本单位, 这个数即称为阿佛加德罗常数。 换句话说, 某物质所含有的基本单元数为阿佛加德罗常数的多少倍, 即是多少摩尔n, n可由下式计算: 对这一问题, 因此要详细的介绍, 原因是在这个单位上有许多错误观点。 a业主提供的水质分析资料, 有一些是以物质( 离子) 的摩尔量来平衡, 这是错的, 应当以物质( 阴阳离子) 所携带的电荷量来平衡。 b含磷排水的处理 由于当前循环冷却水处理配方中, 绝大多数均含有一定数量的磷组分, 因此循环冷却水系统排污水的磷含量超标, 导致江河湖海富营养化, 赤潮、 蓝藻大量孽生, 严重破坏了生态环境, 后果是非常可怕的。虽然现行工业循环冷却水处理规范中对排水水质指标作出了严格规定, 可是现实的循环冷却水系统无一进行处理, 其中主要问题是经济问题, 技术上不存在问题。那么如何来算经济帐, 这就要求我们站在一个比较高的水平上, 不是只算本单位的经济帐, 而是要从全社会的角度算帐, 要为全民族和子孙后代着想, 这个问题就好解决了。 c 预膜水处理 预膜水中的污染物数量, 更是大大的超标。因为预膜水的排放是间断性的, 开车、 检修基本上是一年一次, 这就更增加了它的处理难度, 现实的情况也是不经处理直接排放。 d 旁滤设施 现行规范和修订规范对旁滤量的规定均为15, 可是考虑到有些多尘地区的企业反映, 旁滤量不足, 因此增加了多尘地区或灰尘指数偏高地区可适当提高。 当前旁滤设施多采用无阀滤池或机械过滤器, 据有些厂家反映, 过滤效果不佳。分析原因可能是低浊度的条件下, 悬浮物胶体的颗粒很微小, 单纯的筛分过滤不易去除, 规范说明中建议投加混凝剂。 过滤器的型式可选择多样化, 有的企业( 济南炼油厂) 将无阀滤池改为以色列管道过滤器, 但效果不佳, 最后改为浮盘式纤维过滤器, 电动控制, 进水浊度78, 出水35。 e关于水泵的净正吸入水头 这不是本规范的范围, 可是这是水处理设计中以前存在的问题。过去选泵, 只要满足水位超过泵顶20cm即可启动运行, 这一概念是不够准确的, 对于小型离心泵, 常温水体, 一般是没有问题的, 可是对大型立式离心泵、 轴流泵, 特别是热水泵一定要计算净正吸入水头, 该值一定要大于水泵样本的气蚀余量。2.3 现存问题如何解决 a 应尽快制定一些有关工程建设各方责任的规范或规定, 理顺各方的关系。 b加快推进无磷、 无有害金属水处理配方。当前已有一些厂家声称握有无磷水处理配方, 但当水处理设计上推荐时, 却又给不出具体数据, 这说明无磷水处理配方还不成熟, 据我们了解国际上比较知名的水处理公司, 其无磷水处理配方也只适用于某些水质。 如果无磷水处理配方的成功推出, 则上述两大污染问题则可迎刃而解, 所带来的效益时非常巨大的。 建议这一问题, 应当由水处理协会组织水处理药剂生产厂家、 用户和科研单位一起攻克技术难关, 我想这个问题的难度总比探月要简单得多吧, 集中社会力量, 利用中国特色社会主义制度的优越性, 一定会很快的解决。 c 对现实的超标排污水的和预膜水, 建议还是送污水处理厂处理。本次工业循环冷却水处理规范修订, 对含磷污水的处理也给出了具体的技术方案。 3. 工业循环冷却水处理设计规范的适用范围及其术语 3.1 工业循环冷却水处理规范的适用范围在修订版 总则1.0.2条明确规定: ”本工业循环冷却水处理规范适用于以地表水、 地下水和再生水作为补充水的新建、 扩建和改建工程的循环冷却水处理设计”。也就是说, 除海水循环外, 其余的所有循环冷却水处理设计均适用。这里需要说明一点, 循环冷却水的水量多少不同, 有的几十万吨/h, 有的几百吨/h, 甚至几十吨/h, 几吨/h, 是否也适用呢, 能够明确地告诉你, 不论规模大小, 这本规范均适用, 可是, 小规模的循环冷却水处理, 按照这本规范来设计, 自然有些小题大做, 比如几十吨的循环说是否还需要旁滤, 是否还需要预膜, 这些问题都要重新加以考虑, 当前, 正酝酿编制一本中小型循环冷却水处理规范, 以解决这方面的问题。 3.2 名词术语 大家都是循环冷却水处理方面的内行, 很多术语都了如指掌, 我只是把这次工业循环冷却水处理规范修订提出的一些新的术语解释一下, 以便在工业循环冷却水处理规范中碰到这些名词时, 不至产生误解。 a 循环冷却水系统Recirculating Cooling Water System 以水作为冷却介质, 并循环运行的一种给水系统, 由换热设备、 冷却设备、 处理设施、 水泵、 管道及其它有关设施组成。 b 间冷开式循环冷却水系统( 间冷开式系统) Indirect Open Recirculating Cooling Water System 循环冷却水与被冷却介质间接传热且循环冷却水与大气直接接触散热的循环冷却水系统。 c 间冷闭式循环冷却水系统( 闭式系统) Indirect Closed Recirculating Cooling Water System 循环冷却水与被冷却介质间接传热且循环冷却水与冷却介质也是间接传热的循环冷却水系统。 d 全闭式系统Totally Closed System 系统中的循环冷却水不与大气接触的间冷闭式循环冷却水系统。 e 半闭式系统Semi Closed System 系统中的循环冷却水局部与大气接触的间冷闭式循环冷却水系统。 f 直冷开式循环冷却水系统 ( 直冷系统) Direct Open Recirculating Cooling Water System 循环冷却水与被冷却介质直接接触换热且循环冷却水与大气直接接触散热的循环冷却水系统。 g 开式系统 Open System 间冷开式和直冷系统的统称。 4. ”工业循环冷却水处理设计规范”主要修订内容 本次修订是一次全面修订, 每一章、 每一节, 甚至大多数条文都做了不同程度的修改, 我在这里就没有必要逐条解释了, 我这里只是将重要的修改及其原因介绍一下。 先说明各项数据是如何制定的, 大家都知道水处理是试验科学, 很多水处理数据都是从实践或试验中得出, 而非经计算得出的, 比如Cl-指标, 我们是根据国内很多企业循环冷却水的运行数据, 综合选择比较先进的指标而确定的, 而不是计算得出的。当前也无法计算。其它水处理指标的确定也都类似。 4.1 循环冷却水水质指标和水处理控制指标的修订 水质指标和控制指标是反映水处理技术的一面镜子, 长期以来, 中国在循环冷却水处理技术的进步, 必然要导致水质指标一系列数据的修改。 a 浊度: 现行规范使用的名称是悬浮物, 指标数据没有修改, 修订版工业循环冷却水处理规范只是将项目名称改为浊度。为什么这样修改呢, 虽然两者都是表示水中悬浮固体含量, 可是两者所表示的悬浮颗粒直径却不相同, 悬浮物所表示的颗粒粒径为1m以上, 而浊度所表示的颗粒粒径为1nm1m, 即一般所说的胶体物质, 而且两者的测试方法也不同, 前者是过滤法测定, 后者是利用光学原理测定。两者并没有换算关系。因为胶体物质对循环冷却水产生污垢、 菌藻孳生起着至关重要的作用, 因此将悬浮物质指标改为浊度更为确切, 而且应将这一指标尽量控制在更低的水平。循环冷却水的浊度对换热设备的污垢热阻和腐蚀速率影响很大, 因此要求越低越好。工厂运行的实践证明循环冷却水系统设有旁滤池时, 补充水浊度可控制在5NTU以内, 中国大部分地区的循环冷却水的浊度能够控制在10NTU以下, 因此表3.1.1-6规定板式、 螺旋板式和翅片管式换热设备, 浊度不宜大于10NTU, 其它一般不应大于20NTU, 工厂运行数据表明这一规定完全满足本规范的污垢热阻值指标。 对于电厂凝汽器, 因其传热管内循环冷却水的流速一般均大于1.5m/s, 另外凝汽器均设有胶球清洗设施, 因此电厂凝汽器内循环冷却水的浊度指标可适当放宽。 b pH值: 新版pH的范围比现行版的范围要宽, 反映了药剂缓蚀阻垢性能的提高。 c 钙硬度甲基橙碱度: 这个项目现行规范是将Ca2+和碱度分列, 采用综合指标更加科学。 CaCO3的溶度积 从上式能够看出: CO32-是随之H+的浓度而改变的, 当H+高时, CO32-转化为HCO3-, 而增大了溶解度, 因此导致CaCO3沉淀是由两个因素构成的, 即H浓度( 碱度) 和Ca2+含量两个因素构成的。 碳酸钙稳定指数RSI3.3, 这也是控制碳酸钙沉淀的一个指标, 它是根据碳酸钙饱和指数计算得出。有多个计算式, 推荐计算公式为: pHs9.70+A+B-C-D A总溶解固体系数 B温度系数 C钙硬系数 D碱度系数 水质稳定性判断: ( 1) . Langlier Is=pH-pHs Is0 碳酸钙过饱和 Is0 碳酸钙不饱和 Is0 饱和状态 可是由于碳酸钙结晶时的介稳区的影响, 上述判断有误差, 实践经验指数为 Is0.52.5 稳定 Is0.5 腐蚀 Is0.5 结垢 ( 2) .稳定指数 S=2pHs-pH S6.0 稳定 S3.7 严重结垢 3.7S6.0 结垢 6.0S7.5 腐蚀 S7.5 严重腐蚀 ( 3) . 结垢指数, 临界pH值, 极限碳酸盐硬度等。 d 总铁 铁离子为天然水中的微量离子, 锰离子含量更少, 约为铁离子的十分之一。一般二者共存, 不易分离, 故常以铁含量来代表铁和锰离子总量。 水中的总铁含量包括胶态铁和亚铁离子两部分。胶态铁为三价铁, 一般以氢氧化铁或铁氧化物的水合物呈胶体状态悬浮于水中。在循环水系统中, 会沉积在水冷器表面上, 形成黏着性强、 难清除的污垢, 并能导致垢下腐蚀。胶态铁在预处理混凝、 沉淀过程中可被除掉一部分。亚铁离子为溶解性离子, 在循环水系统中, 能促进碳酸钙结晶并沉积, 在采用磷系水稳剂时, 有可能声称黏结性很强的磷酸亚铁污垢, 还是铁细菌繁殖的营养源。一般对补充水总铁含量要求0.20.5mg/L。循环水中的总铁指标0.5mg/L。以往循环水中总铁有的不控制, 有的控制0.5mg/L、 1.5mg/L或2.0mg/L。根据不少系统的统计资料来看, 控制总铁 0.5mg/L是完全能够做到的, 这种水的腐蚀速率都很低。总铁如达到1.5mg/L或2.0mg/L时, 实际上腐蚀速度已经超标。控制循环水的总铁量除需控制补充水的总铁量之外, 主要改进水的缓蚀性能。 国内很多厂的运行数据, 总铁均在1mg/L以下, 国外可达2.0mg/L。 e 氯离子 对于循环冷却水中氯离子指标, 不但国内而且在国际上也是众说纷纭、 指标各异, 由此给设计工作带来很多不便, 甚至无所适从。 氯离子指标对循环冷却水处理影响很大, 指标不切实际将导致设备的腐蚀损坏或水处理费用增加, 因此制订一个合理的指标是非常必要的。本次工业循环冷却水处理规范修订的氯离子指标, 其根据是什么? 是否科学合理? 就这一问题做如下说明。 n 氯离子的腐蚀作用及其影响条件 氯离子是天然水中普遍存在的腐蚀阴离子。氯离子-有极高的极性促进腐蚀反应, 又有很强的穿透性, 容易穿透金属表面的保护膜, 造成缝隙腐蚀和孔蚀, 特别是对奥氏体不锈钢造成腐蚀开裂, 危害很大, 能使水冷器在短期内报废。化工、 炼油、 冶金等行业中很多奥氏体不锈钢设备耐氯离子腐蚀性能较差, 因此本次修订是专门针对奥氏体不锈钢及碳钢换热设备。 影响不锈钢腐蚀开裂主要因素有如下几个: ( 1) 设备的内应力, 这是在设备加热过程中形成的, 正规厂在设备制做完成后, 虽然经过热处理消除应力, 但仍有残留, 另外设备在安装、 生产过程中, 由于温度、 机械等因素也都会使设备产生内应力, 在这些应力部位, 氯离子很易积聚造成腐蚀。 ( 2) 氯离子的催化作用是在设备存在有内应力的情况下产生的, 由于氯离子的催化作用而使不锈钢设备产生应力腐蚀开裂, 首先是从点腐蚀、 缝隙或腐蚀沟槽上开始, 使被破坏的钝化膜无法修复, 故腐蚀不断加深, 直至金属呈枝状裂纹而被破坏。有的资料介绍只要每升几毫克的氯离子, 甚至0.2mg/L 氯离子就可产生腐蚀开裂, 上海金山化工厂不锈钢球罐被氯离子腐蚀开裂的实例也印证了这一结论。另外, 氯离子在缝隙中或污垢下容易富集而产生氯离子高浓度, 例如某厂的循环冷却水中的氯离子约200 mg/L, 但在损坏的壳程水冷器管板与管程连接的缝隙处, 氯离子则高达 030000 mg/L, 而现场管程水冷器未发生应力腐蚀开裂现象, 原因是壳程水冷器有缝隙而且水流速低, 为氯离子富集创造了条件。再有某厂投产仅两个月的时间, 大批换热器就发生了因腐蚀开裂而泄露, 当时循环冷却水中氯离子含量仅2050 mg/L, 可见氯离子多少并不是产生腐蚀开裂的唯一因素。 ( 3) 温度的诱导作用, 众所周知, 温度是化学反应的重要因素, 腐蚀开裂也不例外。在拉应力和氯离子都存在的条件下, 温度较低腐蚀不明显, 温度升高则腐蚀开裂加剧。有的资料认为奥氏体不锈钢达到70C时就产生腐蚀。现场发现, 应力腐蚀开裂均发生在水冷器的热端, 即工艺介质进口端, 冷端不产生腐蚀, 介质温度小于150C的水冷器也未发现过腐蚀开裂。 ( 4) 污垢、 水流速也是影响腐蚀的重要因素, 这两个因素互有因果关系, 流速低不易扩散, 利于氯离子富集, 同时也易使污垢沉积, 加剧氯离子的富集和腐蚀。同样条件下, 壳程设备较易发生腐蚀原因也就在此。 n 国标及国际上各厂商的氯离子指标 现在国际上还没有一个统一的循环冷却水水质标准, 因此各厂商的标准只是根据本厂的经验确定的。因此标准五花八门、 高低不一, 有的公司限制很严, 规定应小于100 mg/L, 甚至小于50 mg/L, 但有的公司则不太严, 规定为400 mg/L, 还有的公司则不限制。出现这种情况主要是各公司受本身经验所限和对现代循环冷却水处理技术缺乏了解所致。中国现行标准对氯离子的规定是300 mg/L。根据调查, 这一指标是偏低的。 n 对氯离子的防腐措施 针对循环冷却水的腐蚀( 包括氯离子腐蚀) 防护, 当前国内常见的有两种方法, 一种是药剂处理法, 即在循环冷却水中投加阻垢缓蚀药剂, 控制腐蚀, 另一种则是材料防腐, 选择抗腐蚀材料制作换热器, 前一种方法是当前广泛采用的, 后一种仅在电力行业较为普遍。 水处理药剂法常见的缓蚀剂有铬酸盐、 聚合磷酸盐、 有机磷酸盐、 钨酸盐、 钼酸盐、 硅酸盐、 硫酸亚铁等, 由于环保限制和价格因素等原因, 当前使用最多的是磷系水处理配方, 硫酸亚铁仅在电力行业使用, 用于对铜凝汽器的保护。磷酸盐的保护作用是经过与水中的钙离子或腐蚀产物亚铁离子相结合, 生成以聚合磷酸钙铁为主要成份的络合物, 依靠腐蚀电流电沉积于阴极表面形成沉淀膜保护金属不被腐蚀。由于无毒、 价廉而被广泛采用。 火力发电厂凝汽器管选材导则。 n 氯离子指标对循环冷却水处理的影响 氯离子对循环冷却水处理的影响, 主要是限制了循环水浓缩倍数的提高。中国北方地区, 地下水、 河水氯离子含量均比较高, 以沧州地区为例, 氯离子含量高达150200 mg/L, 按现行国家标准, 基本上不能直接循环使用, 由此可见氯离子指标对节约用水的制约作用。当然, 上述水质经过处理后, 还是能够用的, 可是脱除氯离子利用一般常规混凝沉淀过滤的方法是做不到的, 必须用离子交换或反渗透膜法进行处理, 才能脱除氯离子和含盐量, 如此则带来处理工艺流程的复杂化、 基建费用的增加、 原材料的消耗( 酸碱) 、 能源的消耗( 电力) 及管理人员的增多等。由此可见, 氯离子指标的提高与循环冷却水处理技术密切相关, 可带来巨大的节水和经济效益。 国内某些生产厂的氯离子指标 根据调查资料, 将国内一些典型生产厂的循环冷却水运行氯离子数据列表如下: 表2 循环冷却水中氯离子含量厂名 循环冷却水中Cl-含量( mg/L) 浓缩倍数 Cl-控制指标 注燕山炼化橡胶厂 I循 890.75 5.85 900 II循 809.31 3.44 IV循 6501064 4.97 上海石化股份有限公司 腈纶部北组循环冷却水 最高781 最高5.1 800 最低493 最低3.8 平均625.37 平均4.49 secco 循环冷却水 460705 3.045.86 盘锦辽河化工有限集团公司化肥厂 循环冷却水 230250 3 650 ( 正采取措施将浓缩倍数提高5) 大庆石化水气厂一循 循环冷却水 260.9 5 300 表中所列各厂循环冷却水系统的换热设备材质, 包括碳钢和不锈钢, 设备型式有管程也有壳程。 n 氯离子指标的修订值 许多著作和研究都对氯离子的腐蚀机理作了定性分析, 但是要从定量分析确定氯离子指标, 当前还是不可能的, 因为牵涉的因素条件太多。 本次修订氯离子指标, 主要还是来自实践和一些专家的调查结论, 最终氯离子指标修订值由现行规范300 mg/L提高至700 mg/L, 虽然现有工厂运行的氯离子指标高达1000 mg/L以上, 但毕竟不太普遍, 为稳妥起见, 采用平均偏上的指标。 根据前面所述, 氯离子的腐蚀不是单一的因素, 因此在确定氯离子指标的同时, 还对换热器材质、 水侧壁温、 设备冷却水出口的水温等作了规定, 以保证该指标的安全可靠。 附带说明, 氯离子指标是在药剂处理条件下的数据, 采用此指标时, 其它条件( 诸如水流速、 浊度、 pH值、 菌藻数量等) 也应符合本规范的规定。 f 游离氯 现行规范规定0.5mg/L1.0mg/L, 修订规范为0.21.0mg/L, 现在很多厂的控制指标都是0.21.0mg/L, 实际运行中的数据在0.150.8mg/L, 这说明如果水质比较好的话, 较低余氯量也可控制微生物的生长。 由于近来接连发生液氯爆炸, 运输途中液氯泄露伤人等重大事故, 北京市、 中石化已明令禁用液氯, 在征求意见过程中, 也有禁用液氯的建议。对此问题, ”规范”修订组经过调查认为, 在使用液氯对循环冷却水处理的过程中, 从未发生过重大事故, 只要加强管理, 严格执行安全操作规程, 完全能够保障安全生产。而且当前很多单位都在使用液氯, 如果立即取消液氯杀菌还有困难, 当前世界上仍有许多国家的循环冷却水处理还在使用用液氯杀菌。况且液氯价格便宜, 使用方便, 深受操作人员的欢迎, 经过对取消液氯使用单位的调查, 它们还是很愿意恢复使用液氯的。因此本次修订依然保留液氯的使用, 只是在推荐排序上做了调整, 毕竟液氯是一种危险品, 在生产、 制造、 运输和使用各个环节中存在巨大风险, 从安全角度上讲应逐渐淡化。 4.2 循环冷却水控制指标的修订 a 污垢热阻值 间冷开式循环冷却水系统的污垢热阻值: 现行规范是宜为1.7210-43.4410-4m2k/w, 修改版改为应小于3.4410-4m2k/w, 并增加了粘附速率指标15mg/cm2。 污垢热阻是一个很重要的数据, 设计阶段它关系到换热器的换热面积大小, 也就是设备投资的多少, 运行阶段则与传热效率、 能量的消耗、 产量的高低密切相关。 b 腐蚀速率 现行规范规定, 间冷却开式循环冷却水系统换热器碳钢管壁腐蚀率宜小于0.125mm/a, 修订规范为: 碳钢设备传热面水侧污垢热阻值应小于0.075mm/a。 c 微生物控制指标 现行规范规定, 敞开式系统循环冷却水中的异养菌宜小于5105个/mL, 生物黏量不大于3mL/m3。 这里需要解释一下, 什么是异养菌和自养菌两类。 自养菌( 无机营养型) 能直接利用无机物如空气中二氧化碳及无机盐类作为营养来源, 合成细胞所需要的碳源, 微生物。 异养菌是利用环境中的有机碳化合物进行氧化发酵得到细胞所需要的营养物。 循环冷却水中, 以异养菌的生长繁殖最快, 数量也最多。它代表水中大部分细菌的数量, 一般以异养菌的数量代表水中细菌总量。 微生物在循环冷却水系统中大量繁殖, 会使循环冷却水颜色变黑, 发生恶臭, 并形成大量黏泥沉积于冷却塔和换热设备内, 隔绝了药剂对金属的保护作用, 降低了冷却塔的冷却效果和设备的传热效率, 同时还对金属设备造成严重的垢下腐蚀, 微生物对循环冷却水系统的危害较之水垢、 电化腐蚀来说更为严重, 因此控制微生物的危害是首要的。 循环冷却水中生物黏泥量的多少直接反映出系统中微生物的危害程度, 因此生物黏量的控制是非常重要的。本次修订为小于3mL/m3。 d 浓缩倍数 循环冷却水本身的节水主要体现在浓缩倍数上, 高浓缩倍数比低浓缩倍数节水, 但这不是说浓缩倍数越高越好, 因为浓缩倍数大于5则节水效果不明显, 而且对水处理带来很大的难度而且在经济上也需要更多的花费, 根据当前工厂运行的情况浓缩倍数多在5左右, 中石油、 中石化的规定基本也是这个水平。当前, 在新项目的设计上浓缩倍数也多采用5这一指标, 结合中国用水和水资源短缺的现状, 本次修订将现行工业循环冷却水处理规范中的浓缩倍数由3提高到5。 浓缩倍数由3提高到5能节省多少水呢? 我们先作一个简单计算: 在浓缩倍数1.510的条件下, 经过对循环冷却水量为10000m3/h的计算得出下表: 计算条件: 气温40, K值选用0.0016/。 表3 不同浓缩倍数系统的补充水量与排污水量浓缩倍数计算项目 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 10.0 循环冷却水量R( m3/h) 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 水温差t( ) 10 10 10 10 10 10 10 10 排污水量B( m3/h) 320 160 80 53.3 40 32.0 26.7 17.8 补充水量M( m3/h) 480 320 240 213.3 200 192 186.7 177.8 排污水量占循环冷却水量的百分比( %) 3.20 1.60 0.8 0.53 0.4 0.32 0.27 0.18 补充水量占循环冷却水量的百分比( %) 4.8 3.2 2.40 2.13 2.00 1.92 1.87 1.78 本次工业循环冷却水处理规范修订, 将浓缩倍数从3提高到5倍, 近上表的计算结果, 节水效果能提高0.4个百分点, 折合全国节水量可达176亿m3之多, 这是一个很可观的数量。现在很多新工程项目不但要求高浓缩倍数, 甚至还限制使用新水, 可见用水形势的紧张程度, 另外国内各行各业为求节水也都纷纷研制新的水处理药剂处理配方, 达到浓缩倍数5的企业比比皆是, 甚至有少数企业已达到浓缩倍数10以上, 可见这一指标还是能够作到的, 虽然由此可能引起一些运行费用的增长