文献标识码：BDOI：10.3969/J.ISSN.1009-797X.2009.08.009
中国神马集团橡胶轮胎有限责任公司为适应生产所需，曾于1998年对循环水系统进行技术改造，改造后循环冷却水系统的最大供水量由原来的400m3/h增加到1200m3/h，并采用腐植酸系防垢技术作为循环水冷却系统的水处理剂。近两年来为缓解缺水与经济发展的矛盾、节约水资源和保护环境，国家不断上调水资源费和污水处理费的征收价格，使企业的生产成本也随之增加。为降耗增效，我公司及时制定了节能规划，在《工业水管理制度》中规定水的重复利用率>90%(循环水占工业用水的80%以上)，这样就要求必须有效的提高水的循环重复利用率，为达到此目的，必须确保循环水系统的安全可靠运行。
1.循环冷却水处理流程、工艺参数及设备介绍
循环冷却水处理流程是根据循环冷却水水质标准、补充水水质指标、浓缩倍数、热交换设备对污垢热阻值和腐蚀率的要求，考虑保护环境、节约用水、水质稳定、经济合理，同时吸取成功的运行经验，通过技术经济比较后确定的。我公司原循环冷却水处理系统如图1所示。
循环冷却水系统的主要设备由4台生产供水泵(型号为ISG-200-400(I)，Q=400m3/h，H=50m)、4台冷却塔供水泵(型号为ISG-200-315(I)，Q=400m3/h，H=32m)和一台型号为BNB-1200的冷却塔组成。其循环水量：700～1000m3/h，补充水量：20～25m3/h。循环冷却给水压力0.5MPa、温度≤32℃；循环冷却回水压力温度35～40℃，浓缩倍数保持在2.5～3.0之间，系统一直采用腐植酸系防垢技术的方式运行。
生产给水通过循环水泵将冷水池的水加压后进入循环冷却给水管道，供应生产冷却用水。
循环冷却回水则通过循环冷却回水管道依靠重力回流到热水池，经冷却塔供水泵送到冷却塔的配水系统均匀分布后，在冷却塔内自上而下进行气水换热降温，冷却后进入冷水池，再通过循环水泵加压供出。如此循环往复。
2.循环冷却水系统的特点、存在的问题及运行评价
2.1循环冷却水系统的特点
(1)轮胎公司换热设备繁多(如空压机、密炼机、开炼机、挤出机、水泵等)，并且大小不均，且材质多样，热介质温度不一，给水处理运行带来一定困难；
(2)循环水冷却塔不是一个全封闭系统，塔池与外界直接接触，由外界带来的污染物比较多。由于塔池周围的尘土、泥沙、杂草、树叶等杂物，在风天极易进入冷却塔水池，循环冷却水在冷却塔中进行热交换时，这些杂质就进入到循环水中，造成系统悬浮物、浊度偏高；
(3)我公司采用地下井水作为循环水的补充水，水中的Ca、Mg等离子硬度及碱度均较大，溶固含量高。
2.2循环冷却水系统存在的问题
冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水温升高、流速变化、蒸发、各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷却水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备的结构和材料等多种因素的综合作用，会造成系统结垢、氧腐蚀、有害离子腐蚀和微生物腐蚀等。
2000年底，我们对公司循环水的运行状况调研，发现由于水质、水处理工艺管理及水处理设施等方面的原因，致使工业循环水在运行过程中出现了结垢严重和菌藻生长并伴随腐蚀的产生。水垢的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，导致了系统粘泥污垢堵塞管道、水质指标低劣、换热效率下降，极大的影响了循环冷却水系统的正常运行，影响生产甚至会出现严重事故。同时由于循环水钙硬度和总碱度仍在增加，导致浓缩倍数减少、补充用水量提高。
2.3循环冷却水系统的运行评价
依据调研的情况，根据补充水的水质状况、冷却水的运行状态和对冷却塔结垢样品进行了分析，提出了该系统的运行评价如下。
(1)补充水(井水)水质分析见表1。
由表1中数据可看出我公司补水水质硬度、碱度高，以这样的补水水质计算，我公司循环水的浓缩倍数最好为3.0～3.5倍。
(2)循环水水质分析见表2。
根据以上水质分析结果显示循环水的钙硬+碱度已超过900mg/L，表明该循环水系统为结垢型。现场取冷却塔垢样分析，垢层中灼烧残重为35%～40%，证明该系统为结垢型伴随污泥堆集。我们随即对设备的运行状况展开调查：
(1)LW型水冷式空压机是采用往复、脉冲式工作原理，自然空气通过一、二级压缩，压力最终达到0.8MPa/cm2、终出口温度在冷却后仍然达到160℃，为了保证设备的正常运行，采用了循环冷却水进行冷却。通过分解空压机水套、水管道，发现在结垢最严重时，φ120的进水管内径只剩φ50，φ40的管道基本完全堵塞，结垢致密，十分坚硬，最大厚度达40mm；冷却水套基本不能过水，已基本起不到冷却作用。
(2)冷却塔填料层带垢层厚度平均为1.5～2mm，已经阻止水的均匀喷淋和水膜的生成，冷却塔效率降低。按要求中温机械通风式凉水塔降温效率应为7～9℃，该塔因藻类和垢层堵塞已达不到设计效率。
(3)密炼机、开炼机辊筒内腔的垢层厚度平均在2mm以上，冷却效率降低。
综上所述对循环水水质运行评价为：工业冷却水系统从水质而言为轻度结垢型水质，从运行状况看已造成大部分换热部位的水垢沉集，导致循环冷却水系统存在着运行能耗高、降温效果差的问题，已不能适应生产所需。对循环冷却水系统必须实现优化运行，即通过规范操作，提高运行人员的技术水平，合理利用和改造现有的水处理设施，使系统处理效率最高。为提高装置能力、降低运行成本，我们于2001年上半年对该系统进行了改进。
3.水处理方案
根据系统的现状和特点，以经济合理的处理观念，结合公司的实际，确定公司改造的水处理系统如图2所示，其工艺流程为：生产给水通过循环水泵将冷水池的水加压后进入循环冷却给水管道，供应生产冷却用水。循环冷却回水则通过循环冷却回水管道依靠重力回流到热水池，一部分经冷却塔供水泵送到冷却塔的配水系统均匀分布后，在冷却塔内自上而下进行气水换热降温，冷却后进入沉淀池，沉淀后溢流至冷水池；另一部分经冷却塔供水泵送到旁流水处理系统，进行处理后进入冷水池；再通过循环水泵加压供出。如此循环往复。
具体的水处理方案如下。
3.1进行水处理设施改造
(1)增建沉淀池
因腐植酸系除垢剂在防垢、阻垢过程中形成絮状沉淀物，因而必须在系统中修建一座沉淀池，以促使其沉淀后排除，避免堵塞冷却管道或生成泥垢。沉淀物用泥浆泵从沉淀池中的集泥坑中抽走。
(2)增设旁流水处理系统
循环冷却水在循环过程中，大气中的灰尘、粉尘等各种杂质，均会通过冷却塔进入循环水系统，它们会使循环水浊度增大。在用化学药剂处理循环水过程中，腐植酸药剂与杂质和结垢物质络合而在水系统中积累。由于原设计中没有旁滤设施，这个问题很难有效解决，只有通过加大排污量来降低水中的浊度。这样浪费了不少补充水，浓缩倍数也上不去，同时也达不到节水和环保的要求，这就要求必须将循环水的处理模式做些改变，增设旁流水处理系统，控制好旁流量和进、出旁流设备的浊度，就可保持系统长时间运行下的浊度在控制指标内，减少污垢形成。旁流水处理的目的是保持循环冷却水水质，使系统在满足浓缩倍数的条件下有效、经济地运行。
考虑经济合理，同时吸取成功的运行经验，旁流过滤设备选用重力式无阀滤池，滤料选用石英砂，过滤能力100m3/h，进水浊度要求小于20mg/L。它是根据虹吸原理采用滤后水反冲洗，不设置反冲洗水泵；滤前进水、滤后出水、反洗供水、反洗排水均依靠水力控制自动工作。反冲洗时杂质将随反洗水排出系统。由于反洗水中杂质浓度比排污水高得多，所以系统排出的杂质多而消耗的水量少，即通过旁滤可使排污量显著降低，达到降低对补充水水质的要求，减少排污水量、补充水量，从而保护环境、节约用水。
(3)更换冷却塔填料
冷却塔的主要作用是对循环冷却水进行冷却。填料和喷头是冷却塔进行降温的关键部件，其降温性能如何直接影响冷却塔的效果。原有填料存在着老化、塌方、结垢、堵塞、脱落等一系列问题，造成冷却效果差、夏季水温降不到设计温度的不利影响。我们在本次改造时用双向波PVC填料替代原来的大斜波玻璃钢填料，其抗破碎性和耐压性更好，消除了原填料碎片进入循环水中堵塞管道现象。其片形由正弦波和梯型波分段错位的直波组成，强化了水气扰流和减缓下泄速度，提高了填料的散热质量，由于增大了通孔面积，可防止泥垢堵塞。将原有的玻璃钢旋转布水器改为轻质不锈钢的，喷头选用三溅式喷头，增加了布水的均匀性，提高了散热效果。
更换填料和旋转布水器后，在风机运行时间相同的情况下冷却水温度较以前下降1～2℃，大大改善了冷换设备的工艺条件。在气温不高的情况下，可通过停运风机实现节能。
(4)改变循环水塔池周围的环境，硬化塔池周围地面，并注意保持其周围的环境卫生，防止尘土、泥沙等杂物进入塔池。
3.2对设备进行单机清洗
由于公司的循环水水质处理不善，在冷却腔传热面形成垢物况集。垢物的硬度大，采用机械除垢等方法难以清洗，必须采用化学方法进行清洗，原理示意图见图3所示。其原理是利用泵将配好的清洗液通过联结装置送入清洗设备的内腔冲释来完成除垢的。
(1)清洗液的配制：用工业纯盐酸配制成8%～10%的盐酸溶液，按盐酸溶液的总量(以升计)加入3～4g/L的缓蚀剂(乌洛托品)；
(2)清洗：加热清洗液使其温度控制在50～70℃，开泵进行清洗，清洗时间为4～7h；注意在清洗过程中应不定期补充盐酸，控制酸液浓度≥6%；清洗结束后用5%浓度的可性钠水溶液注入清洗设备的内腔，以中和其中残留的盐酸溶液；然后用清水冲洗，直至用试纸测试流出的溶液到中性为止。
3.3系统清洗预膜
在单台清洗结束后，对整个系统作不停车系统清洗，主要目的是将管路和泵体内的污垢清理掉，以对新鲜的金属表面进行预膜保护，防止腐蚀的产生。具体操作程序为：
(1)将水池内的水保持在1/3水位，以供水泵可以吸取为限；
(2)根据水量投加CJ-201200×10-6，运转46～50h，观察水体浊度，待浊度上升平稳后，补排水降浊度在20mg/L左右；
(3)将水池内的水保持在1/3水位，投加CJ-701清洗预膜剂300×10-6，开泵运行，每隔1～2h分析循环水浊度、硬度、PH等指标，监测清洗效果和确定清洗时间，待浊度上升趋势平稳，铁离子上升在500～1000mg/L之内时，保持PH值在3.5～4.0运行12h结束，补水至标准水位，投加JSF-601200×10-6运行48h，清洗预膜结束。
3.4确定水质稳定剂
继续选用腐植酸系除垢剂作为循环水的水处理剂，其性状无毒、无害，褐黑色粉末或颗粒状，易溶于水，弱碱性，比重约0.9mm/cm3，是一种含有芳香结构大量官能团有机大分子化合物，有较多的含氧活性基因，较强的吸附、交换、络合和螯合能力。具有防垢、阻垢、缓蚀和防青苔滋生方面的作用；通过分析其阻垢、缓蚀效果，浓缩倍数应控制在3.0～3.5，投加浓度为30～40mg/L。
3.5ZHS-X型腐植酸系水稳定剂的投用
控制3个水池的水位线距池顶以下1m深处，根据水位控制线来确定增加或减少补充水；保证循环水的平衡，杜绝跑、冒、滴、漏。在上述两个条件具备的前提下，确定首次加药量和每天的补药量。首次加药量为1t，缓慢的同时加在冷却塔供水泵和生产供水泵的进口，以免药剂停留在池内；每天的加药量为8～10kg，缓慢的加在生产供水泵的进口。无论如何，要确保加药后的循环水的PH值在7～9，系统进入正常运行。
3.6分析及监测
循环冷却水系统建立有效的监测手段，是保证工业循环水处理系统良好运行的必不可少的方法，由于循环水系统水量大，流程长，所以水处理药剂在系统中停留时间较长，致使工业循环水处理发生问题在短期时间内表现不明显，建立必要的监测手段，就可以在发生问题之前，提示问题所在，以便查找原因及时对水处理药剂或工业循环水处理工艺参数作适当调整。
(1)水质控制标准：
总碱度<350mg/L，以CaCO3计；
总硬度<50mg/L，以CaCO3计；
浊度≤15mg/L；PH7～9
(2)水质分析：每天用6～9的精密试纸测试循环水的PH值，测量的时间在加药后1～2h测试并计入循环水水位测量及加药记录；每周用酸度计测PH值一次，在加药后1～2h取样；每周做一次浊度分析；每半月做一次总溶解固形物分析，防止溶解盐过多而腐蚀设备；每一个月做一次Cl-分析，计算浓缩倍数。
(3)腐蚀监测：利用监测换热器及时测取传热面的平均腐蚀速率，每月测取一次腐蚀率；利用挂片器挂片监测循环水非传热面的平均腐蚀速率，每月测取一次。
3.7循环水运行日常管理
循环水的正常处理是日常运行中最关键的一环，其管理素有“三分药剂，七分管理"之说，说明管理的重要性。循环水系统转入正常运行后，在其升温、蒸发和冷却的过程中，冷却水逐渐被浓缩，其水质指标会发生变化，运行日常管理主要是依据水质变化情况进行及时相应的调整。
为规范员工操作，2001年开始订立了《循环水水质过程控制作业指导书》、《循环水水质过程报告单》和《循环水加药日程表》，进行了定岗、定点、定时、定量的合理化管理，同时提高分析人员本身素质，保证了分析结果具有及时性、准确性，更好地指导操作人员日常操作。同时设立了专门人员负责循环水的加药工作。负责检查、监督加药质量和数量，并根据分析结果及时调整加药量，使各工艺指标控制在公司内控指标内，达到保证循环水水质平稳运行的目的。
4.经济效益分析
4.1直接经济效益无阀滤罐投用后，水质明显改善，浊度下降、排污量减少，新鲜水单耗下降，每天少补充水约40t，全年节约水量约14000t，合人民币3.5万元(平顶山市污水处理费征收标准为1.0元/t，水资源费征收标准为1.2元/t，提水运行费用为0.3元/t)。排污量减少，污水处理量也相应减少，对实现装置的清洁环保生产大有帮助。
4.2间接经济效益
通过循环水水质改进，减少了水冷器物料泄漏，提高了循环水水质合格率，降低设备腐蚀和结垢，延长其使用寿命，提高了全厂生产负荷，大大降低了能耗，保证了生产安稳运行。同时，由于减少了排污量，降低了污水对环境造成的严重影响，其社会效益是不可估算的。
5.评价
本工程循环冷却水处理各系统自2001年5月投入使用至今(2008年8月)，运行状况良好，达到了预期要求，效果评价如下：
(1)腐蚀率达到国家标准(碳钢≤0.125mm/a)，浊度达到Ⅱ级水要求(≤20mg/L)，循环水系统处于良好的运行状态。技术先进、经济合理；
(2)旁流过滤设备依靠水力控制自动工作，维护和操作管理方便。
(3)符合安全生产、保护环境、节约能源、节约用水的要求，并便于维护和操作管理。
6.结语
通过对循环水系统的改进，从根本上解决了循环水系统的“结垢"问题，大大地改善了用水系统的腐蚀状况，减少了设备的运行故障，降低了维修工作量和运行费用，给生产管理带来了极大的方便。实践证明，对循环冷却水系统。只要选择正确的药剂配方，合理的操作方法，良好的运行管理，一定会获得良好的经济效益和环境效益。
