循环冷却水处理和“趋零”排放新技术—从循环水中要效益

<font size="4">论文作者：翟智高<br/>摘要： 我国是一个贫水国家，因为按国际标准，每人每年水供应量在1000吨以下就是缺水国家。目前，中国缺水在千亿立方米以上。不少地区人均水资源已同世界闻名的缺水国家以色列相近。黄土高原地区情况就是这样。我国被列为世界上贫水的国家之一。 <br/>关键词： 循环冷却 水处理 排放 循环水<br/>　　我国是一个贫水国家，因为按国际标准，每人每年水供应量在1000吨以下就是缺水国家。目前，中国缺水在千亿立方米以上。不少地区人均水资源已同世界闻名的缺水国家以色列相近。黄土高原地区情况就是这样。我国被列为世界上贫水的国家之一。特别是北方、西部广大地区缺水特别严重。我国东南地区由于地面水资源污染引起水质性缺水情况也很严重。在全国670座大中城市中，有400座城市不同程度的缺水。其中110座城市严重缺水。据最新资料证实，北京人均水资源占有量目前是不足300立方米。<br/>　　面对如此缺水的严峻形势，我国工业用水量却浪费惊人。主要是工业用水重复利用率低。工业用水重复利用率只有20—30%。仅为发达国家的三分之一。如生产1吨钢，中国耗水量是国际先进水平的1—6倍以上,生产1吨纸中国所耗水量是国际先进水平的3倍以上。其他工业方面也同样存在水资源浪费的情况。<br/>　　节约用水已经成为我们国家的当务之急，缺水问题也将严重制约我国本世纪的经济可持续发展，并将引起生态环境退化、人居环境恶化、争水矛盾日益突出等社会和环境问题。为了节约用水国家正在制定和实施一些具体举措和政策，鼓励节约用水、提高水的重复利用率、污水处理回用。我国将逐步实行定量供水、提高水价、超量用水罚款的措施。据有关消息透露，在2006年以前，北方地区用水价格将提高到民用水4元/吨，工业用水6元/吨，并对不同行业实行定量供水，超出定量的部分实行6倍的罚款。这将迫使各行业及居民提高节水意识。<br/>　　石油化工企业是耗水大户。用水量的多少、水污染物排放量的增减不仅对本企业的综合经济效益产生重大影响，而且对缓解石化企业所在地区缺水矛盾、改善地表水环境状况有举足轻重的作用。目前石化企业用水和排水状况并不十分理想，吨原油排水量偏高（1.5-2.5吨水/吨原油以上），与水相关的费用在原油加工成本中所占的比例偏大，单位产品所排水污染物量也不低。这些指标不仅难以同世界先进水平相比（0.5吨水/吨原油），而且不同程度地造成水资源的极大浪费。<br/>　　目前，各地单位用水排水费用逐渐迅速增加的趋势已成定局，然而就炼油工艺而言，尽管会不断改进，但由于是多年的定型成熟工艺，不可能在短时间内出现革命性的进步，主工艺挖潜似乎难以在降低成本、提高效益方面发挥重要作用。在这种情况下作水的文章显然十分必要，仅从提高企业经济效益角度看，也会有事半功倍的效果。因此，污水经深度处理后回用于生产，已成为企业提高效益、清洁生产、节能降耗以及减少环境污染的大趋势。<br/>　　企业水系统大致可分为以下五部分：<br/>　　1、 锅炉水系统（包括蒸汽系统）<br/>　　2、 工艺水系统<br/>　　3、 循环（直接）冷却水系统<br/>　　4、 污水处理系统<br/>　　5、 生活污水系统<br/>　　</font>

<font size="4">按照分质利用的治理原则，污水处理后回用同样存在如何治理最有效、回用到何处最保险、最经济以及综合效益最高等问题。也就是说，污水回用点应该综合考虑工程投资、技术成熟性及可操作性、运行成本、以及回用污水对整个水系统的长远影响等因素。同时应遵循先易后难、分质利用的原则。<br/>　　通过综合分析以及大量试验，污水经深度处理后回用于循环水系统是上述几个因素的平衡点。<br/>　　一、技术背景与意义<br/>　　循环冷却水是工业用水中的用水大项,在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业，循环冷却水的用量占企业用水总量的50-90%。由于原水中有不同的含盐量，循环冷却水浓缩到一定倍数必须排出一定的浓水，并补充新水。一台30万KW冷凝机组，循环冷却水量要达到3.3万吨/时左右，假定原水中含盐量为1000mg/L，浓缩倍数为3，那么循环冷却水的浓水排放约在6—8‰左右，即198—264m3/h，同时需补充的新水等于排水及蒸发损失等，补充水量大约为循环水量的2—2.6%，将为660—860m3/h左右，水资源消耗与污水排放的数量是很大的。<br/>　　循环冷却水由于受浓缩倍数的制约，在运行中必须要排出一定量的浓水和补充一定量的新水。使冷却水中的含盐量、PH值、有机物浓度、悬浮物含量控制在一个合理的允许范围。对这部分浓水排放进行具体处理回用，具有重要的意义。它不但能提高水的重复利用率，节约水资源，而且能极大的改善循环冷却水的整体状况。<br/>　　二、循环冷却水现状及存在问题<br/>　　循环冷却水由泵送往冷却系统中各用户，经换热后温度升高，被送往冷却塔进行冷却。在冷却塔中热水从塔顶向下喷淋成水滴或水膜状，空气则逆向或水平交流流动，在气水接触过程中，进行热交换。水温降至符合冷却水要求时，继续循环使用。<br/>　　空气由塔顶溢出时带走水蒸气，使循环水中离子含量增加，因此必须补充新鲜水，排出浓缩水，以维持含盐量在一定浓度，从而保证整个系统正常运行。补充水的量应弥补系统蒸发、风吹（包括飞溅和雾沫夹带）及排污损失的水量。循环水与补充水中含盐量之比，即为该循环水系统的浓缩倍数。在一定的循环冷却水系统中，只要改变补充水的含盐量，就可以改变循环水系统的浓缩倍数，而提高浓缩倍数是保证整个循环冷却水系统经济运行的关键。<br/>　　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，会产生很多问题。<br/>　　1、水垢附着<br/>　　在循环冷却水系统中，碳酸氢盐的浓度随蒸发浓缩而增加。当其浓度达到过饱和状态，或经过传热表面水温升高时，会分解生成碳酸盐沉积在传热表面，形成致密的微溶性盐类水垢，其导热性能很差（≤1.16W/(m.K)，钢材一般为45W/(m.K)）。因此，水垢附着，轻则降低换热器传热效率，严重时，使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，生产能耗增加，产量下降，加快局部腐蚀，甚至造成非正常停产。<br/>　　2、设备腐蚀<br/>　　循环冷却水系统中，大量设备是由金属制造，长期使用循环冷却水，会发生腐蚀穿孔。这是由多种因素造成的，主要有：冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀；有害离子（ Cl-和SO42-）引起的腐蚀；微生物（厌氧菌、铁细菌）引起的腐蚀等。<br/>　　设备管壁腐蚀穿孔，会形成渗漏，或工艺介质泄露入冷却水中，损失物料，污染水体；或冷却水渗入工艺介质，影响产品质量，造成经济损失，影响安全生产。<br/>　　3、微生物的滋生与粘泥<br/>　　在循环水中，由于养分的浓缩，水温升高和日光照射，给细菌和藻类的迅速繁殖创造了条件。细菌分泌的黏液使水中漂浮的灰尘杂质和化学沉淀物等黏附在一起，形成沉积物附着在传热表面，即生物粘泥或软垢。粘泥附着会引起腐蚀，冷却水流量减少，进而降低冷却效率；严重时会堵死管道，迫使停产清洗。<br/>　　综上所述，冷却水长期循环使用后，必然会带来结垢、腐蚀和微生物滋生问题。解决好这三个问题才能稳定生产、节约资源与能源，从而减少环境污染，提高经济效益。</font>

<font size="4">三、循环冷却水处理技术现状<br/>　　1、水垢的控制<br/>　　循环水系统中最易生成的水垢是碳酸钙垢，水垢控制即是防止碳酸钙的析出，大致有以下几类方法。<br/>　　⑴ 从补充冷却水中除去成垢的钙、镁离子<br/>　　在补充水进入循环水系统之前进行软化处理，除去Ca2+、Mg2+，也就形不成水垢。目前常用的软化方法有两种：<br/>　　一是离子交换树脂法，该法适于补充水量小的循环水系统间或采用；<br/>　　二是石灰软化法，即投加石灰，使Ca(HCO3)2反应生成CaCO3沉淀提前析出。该方法成本低，适于原水（尤其是暂时硬度大的结垢型原水）钙含量高，补充水量较大的循环冷却水系统。<br/>　　⑵ 加酸或通入CO2气体，降低PH值，稳定重碳酸盐<br/>　　在循环水中加酸（通常为硫酸）或通入CO2气体，降低PH值，使下列平衡左移，重碳酸盐处于稳定状态。<br/>　　<br/><br/>　　加酸法目前仍有使用，关键是控制好加酸量，否则酸量过多会加速设备腐蚀。<br/>　　通CO2气体同样应注意控制好PH值，否则循环水通过冷却塔时，由于CO2的溢出，CaCO3在塔内结晶，堵塞填料，形成钙垢转移现象。该方法在某些化肥厂、化工厂及电厂等有CO2气体源的企业仍有推广使用的价值。<br/>　　⑶ 投加阻垢剂<br/>　　在循环水中投加阻垢剂，破坏CaCO3的结晶增长过程，以达到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢剂有聚磷酸盐、有机多元膦酸、有机磷酸脂、聚丙烯酸盐等，这也是目前应用最广的控制水垢的方法。<br/>　　2、污垢的控制<br/>　　控制污垢，可从下面几个方面努力：<br/>　　⑴ 对补充水进行预处理，降低浊度<br/>　　⑵ 做好循环水水质处理<br/>　　⑶ 投加分散剂<br/>　　可将粘合在一起的泥团杂质等分散成微粒悬浮于水中，随水流流动而不沉积，从而减少污垢对传热的影响，部分悬浮物还可随排污排出。<br/>　　⑷ 增加旁滤设备<br/>　　如果在系统中增设旁滤设备，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。<br/>　　3、循环冷却水系统金属腐蚀的控制<br/>　　循环冷却水系统金属腐蚀的控制方法常用的主要有以下四种：<br/>　　⑴ 添加缓蚀剂<br/>　　缓蚀剂是一种用于腐蚀介质中抑制金属腐蚀的添加剂，它用量少，不会改变腐蚀介质的性质，不需特殊投加设备，也不需对设备表面进行处理。因此，使用缓蚀剂是一种经济效益较高且适应性较强的金属防护措施。<br/>　　在敞开式循环水系统中，常用的缓蚀剂有硅酸盐、钼酸盐、锌盐、磷酸盐、聚磷酸盐、有机多元膦酸、巯基苯并噻唑（MBT）、苯并三唑（BTA）和甲基苯并三唑（TTA）、硫酸亚铁等，并且为了减轻环境富营养化的压力，目前更趋向于使用后面几种有机膦酸盐和低磷缓蚀剂。<br/>　　⑵ 提高循环水的PH值<br/>　　提高循环水的PH值，使金属表面生成氧化性保护膜的倾向增大，易于钝化，从而有利于控制设备腐蚀。<br/>　　敞开式循环冷却水系统通常通过在冷却塔内的曝气提高PH值，当水中和空气中的CO2达到平衡时，水的PH为8.5左右。<br/>　　提高循环水的PH值后，不可避免的带来一些问题：循环水结垢倾向增大；设备腐蚀速度下降，但还不能满足要求；某些常用缓蚀剂失效。目前可通过添加专门为碱性冷却水处理开发的复合缓蚀剂来解决，例如：聚磷酸盐-锌盐-膦酸盐-分散剂、聚磷酸盐-正磷酸盐-膦酸盐-三元共聚物、有机多元膦酸-聚合物分散剂-唑类、多元醇磷酸酯-丙烯酸系聚合物、HEDP-PMA等。这些水处理剂的复合配方可发挥出除垢和防腐的综合作用，由于协同或增效作用，它比单一药剂的单一作用，效果更显著，这也是缓蚀剂的发展趋势。<br/>　　</font>

<font size="4">⑶ 选用耐蚀材料的换热器<br/>　　例如使用聚丙烯换热器或石墨改性聚丙烯换热器，但由于换热效果差，很少使用。<br/>　　⑷ 用防腐涂料涂覆<br/>　　通过防腐涂料的屏蔽、缓蚀、阴极保护及PH缓冲作用来保护设备不受腐蚀。<br/>　　4、循环冷却水系统微生物的控制<br/>　　循环水系统中微生物引起的腐蚀、粘泥及其生长的控制方法有：设备选用耐蚀材料；控制循环水中的氧含量、PH值、悬浮物和微生物的养料等水质指标；在防腐涂料中添加杀生剂，抑制微生物的生长；采取在冷却水水池加盖、冷却塔的进风口加装百叶窗等措施，防止阳光照射；设置旁流过滤设备；对补充水进行混凝沉淀预处理以及颇有前途的噬菌体法等。<br/>　　除上面所列方法之外，目前最有效和最常用的方法则是向循环水中添加杀生剂。杀生剂的种类很多，氧化性杀生剂有：氯、次氯酸盐、氯化异氰尿酸、二氧化氯、臭氧、溴及溴化物等；非氧化性杀生剂有氯酚类、有机锡化物、季铵盐、有机胺类、有机硫化物、铜盐及异噻唑啉铜等。<br/>　　综上所述，上面介绍的是分类解决循环水系统问题的各种方法，在实际应用中需要根据原水水质、循环水水量及温升、补水水质和价格、使用循环水的换热设备材质和型式以及其他工况条件等实际情况，综合考虑经济效益和环境效益，选择适宜的除垢、防腐、控制微生物的方法结合在一起，制定出经济、实用、可行的循环水处理方案才能实现循环水系统的经济合理运行。但这些传统处理方法，不能从根本上解决盐浓缩引起的各种问题，并且投加各种水处理剂的操作系统复杂、药剂费用高，使循环水的总体浓缩倍数不高、运行管理成本很高。<br/>　　四、循环冷却水处理和“趋零”排放新技术<br/>　　

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<font size="4">3、技术路线<br/>　　

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　　反渗透法是近20年来发展起来的膜技术，现己被广泛地用于水质除盐和污水治理等方面。该法专门用以分离水中的分子态和离子态溶解物质，其实质是向水溶液中施加巨大的压力，使溶剂水透过反渗透膜成为淡水，而溶质被阻留成为浓水，由此可达到两个目的，一是从含盐水中制取淡水；二是浓缩污水中的溶解态污染物质，处理后的污水或直接排放或重复利用。反渗透装置是以分子扩散膜为介质。以静压差为推动力来分离水溶液中的物质，与电渗析法相比，在经济上具有显著的优越性，电能效率较高、能耗低，相同进水条件下，反渗透法生产一吨淡水的能耗为电渗析法的五分之一至十分之一。<br/>　　</font>

<font size="4">超滤和微滤亦属于压力推动的膜工艺系列，就分离范围而言，它补充了反渗透、纳滤和普通过滤之间的空隙。超过滤是对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体、蛋白质、微粒等被半透膜所截留，而溶剂和低分子物质则透过膜。超过滤的分离机理主要是膜表面孔径筛分机理、膜孔阻塞的阻滞机理和膜面以及膜孔对粒子的一次吸附机理。一般来说，超滤操作的跨膜压差为0.2-0.7MPa，远远小于反渗透等膜法装置。但超滤装置不能脱盐，实现不了我们污水深度处理的目的。（分类范围见下图）<br/>　　<br/><br/>　　纳滤技术是近几年来发展起来的膜技术，采用ESNA系列高性能纳滤膜，膜材质为芳香族聚酰胺，可脱除污水中的有机物、细菌、病毒、盐类，操作压力0.3-1.0MPa。<br/>　　<br/><br/>　　具体工艺流程如下：<br/>　　<br/><br/>　　5、经济效益、环境效益和社会效益分析<br/>　　该系统建设投资费用为1100-1500元/吨水·日，运行费用在0.5-0.8元/吨水之间，节省新鲜水和减少排污水可创造价值为1.5-2.5元/吨水。同时循环水系统总体水质逐步好转，杀菌剂、阻垢剂的用量、设备的清洗和腐蚀折旧费用大大减少，经济效益显著。<br/>　　由于循环冷却水占工业用水的比例很大，如某些化工企业的冷却水占总用水量的（90-95%），所以节约循环冷却水的新鲜水用量，可极大地缓解我国水资源短缺的矛盾，减少污水排放，可减轻周边环境的水体污染状况，这对保证环境经济的可持续发展，促进生态环境的良性循环，改善少数地区的人居环境状况有着重要的意义。<br/>　　工业用水和污水排放量的减少，可缓解企业与企业、企业与居民之间对水资源的争夺矛盾和消除企业排污对农作物、居民饮水的不良影响造成的社会矛盾，这对维护社会的安定团结，促进经济发展和居民生活质量的提高，改善人居环境状况有举足轻重的作用。<br/>　　6、技术应用前景<br/>　　该技术在石油、化工、电力和冶金等循环水用量较大的行业有着广泛的应用前景。对某些石化企业，被冷却介质的温度较高，换热设备结垢现象严重，是束缚和困扰企业生产正常发展的一大障碍，应用此项技术的优势十分明显。<br/>　　在我国北方大部分地区，用水水源主要是地下水，原水浊度低但含盐量较高，给生活和生产用水都带来很不利的影响。针对使用含盐量较高的地下水的一些工厂企业，若能利用该技术，首先对原水进行脱盐净化，供给生活用水，产生的生活污水再经处理后补给循环水系统，可最大限度地节约水资源，并提高水的利用价值，给企业带来极大的经济效益。<br/></font>

<font size="4">下面以实例来分析该技术的经济效益:<br/>　　某2×300MW热电厂循环冷却水处理工程设计方案简介<br/>　　一、工程概况<br/>　　某热电厂现有300MW进口亚临界中间再热汽轮发电机组两套，冷却水循环总量为65000 m3/h，设计冷却塔进出口温差为8℃，项目实施前后循环冷却水浓缩倍数分别为2.0和3.5，入塔空气干球温度为35℃，经计算循环水的排污水量为286m3/h。<br/>　　二、水处理工艺流程<br/>　　<br/><br/>　　三、工程投资概算<br/>　　<br/><br/>　　四、经济效益分析<br/>　　1、水处理直接运行费用<br/>　　 [1]系统能耗：运行功率123kw，电费按0.5元/kwh计，则吨水处理能耗费用为0.21元/吨水；<br/>　　 [2]人工费用：每班一人，四班三运转，设管理人员1名，人均工资计为1000元/月，则吨水处理人工费为0.02元/吨水；<br/>　　水处理直接费用合计为：0.23元/吨水。<br/>　　2、水处理间接费用<br/>　　 [1]设备易损件更换费：设备易损件年均更换费用为45万元，则吨水处理折旧费用为0.19元/吨水；<br/>　　 [2]设备维护费：年均维护费按设备总投资的1%计（即7.26万元/年），则设备运行维护费用为0.03元/吨水；<br/>　　 [3]设备折旧费：按设备总投资的4%计（29万元/年），则设备折旧费用为0.12元/吨水；<br/>　　水处理间接费用合计为：0.34元/吨水。<br/>　　水处理运行费用总计为：0.57元/吨水。<br/>　　3、水回用效益分析<br/>　　若地方水资源价格为1.5元/吨水，排污费为0.5元/吨水，则回用吨水效益为：1.43元/吨水。年均水处理回用创造利润为350万元，设备投入运行后，2—3年可全部收回成本。<br/>　　综上所述，提高全民的节水意识，节约使用新鲜水，是我国国民经济持续发展的需要，工业循环水的浓水、生活污水、污水处理厂出水、工艺过程的假定净水回用，是工业生产中提高水的重复利用率的必经之路，并且在废水回用中给企业带来一定的经济效益。<br/>　　作者单位：北京旭海仁禾环保技术中心<br/></font>

<p>写得非常不错，循环水是电厂用水的大头，能解决循环水处理和排污回用问题，就可实现排污趋零。零排放技术在技术上已不存在问题，关键是现在水价太低，企业在废水处理上投入太少，企业节水意识淡薄，加上环保意识淡薄和国家环保监督的缺失，使废水处理技术和零排放技术很多都停留在纸面上，很少有实现的。</p>

<p>所谓趋零排放就是零排放嘛。</p>

顶!!!