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新手基本知识:冷却水塔水处理计算

联合循环发电厂实际上已成为许多正在淘汰的燃煤发电厂的事实上的替代品。这些新工厂的一个特殊方面是,它们通常只有很少的人员,只有很少的受过水/蒸汽化学培训的人员。但是,由于水处理和化学控制不足而导致的故障,无论是在蒸汽发生器中还是在冷却系统中,如果导致故障和强制停机,则会给工厂造成巨大的收入损失和设备维修成本。关于冷却,不再使用直通式冷却系统来建造工厂,而是选择冷却水塔或风冷冷凝器。本文重点讨论前者。在过去的几十年中,冷却系统处理程序已经有了实质性的发展,并且这种发展仍在继续,但是越来越复杂。
 
冷却水塔传热基础
下图说明了冷却水塔的基本流路,并指出了一组可能明显涉及工艺流温度和水分含量的条件。包括数据以概述冷却水塔的重要概念。
 
请注意,不仅通过塔的空气温度变化很大,而且相对湿度(RH)也有很大变化。通常,塔中65%到85%的冷却来自一小部分回水的蒸发。其余的是通过显热传递。尽管相当详细数学和工程需要适当地选择尺寸和冷却水塔的空气 - 水流动比率(更通常被称为液体 - 气体[L / G]的比值),常见的几种公式是非常实用的用于确定系统的操作方面。考虑上面的示例,我们将选择75%的蒸发率,在下面的公式中将其转换为十进制格式作为蒸发因子(ƒ)。
 
E =(R *ƒ*范围)/ 1000,其中
 
E =蒸发量(gpm)
 
R =循环水率(在此示例中为150,000 gpm)
 
ƒ=蒸发系数(在此示例中为0.75)
 
范围=热水和冷水之间的温差(27oF)
 
因此,在此示例中,蒸发速率为3037 gpm,大约是循环水速率的2%。
 
当水在冷却水塔中蒸发时,溶解的固体(和悬浮的固体)会留在后面。这些固体会浓缩并增加水的结垢,腐蚀和结垢的可能性。化学处理程序基于对所有这三种机制的控制,我们在首先考虑其他基本流量计算后将很快对其进行检查。
 
即使采用最佳的化学处理程序,也只能在水垢势能使化学处理不堪重负之前,将冷却水塔中的杂质累积到一定水平。杂质在冷却系统补给水中的富集量被称为浓缩循环(COC)。通过定期排空一部分冷却水来控制COC,冷却水的体积补充了补充水。下式与排污量与蒸发量和COC的关系如下所示。
 
BD = E /(COC – 1)
 
排污率与COC – 2
 
就这些计算而言,很少量的水(通常可忽略不计)使塔式风扇的排气形式呈水滴状。这种损失称为漂移(D),可以认为是很小的连续排污。因此,将此因素添加到上面的方程式中,冷却水塔的总组成量(MU)由以下方程式表示。
 
MU = E + BD + D
 
冷却水塔计算

在带有精心设计的除雾器的冷却水塔中,常见的设计漂移率为循环水流量的0.0005%。因此,在我们的示例中,漂移约为1 gpm,这确实可以忽略不计。
 
排污方面的一个重要问题是,随着COC的增加,排污量将呈相反的方向降低,如下图所示。
 
图2.上面列出的示例的排污率与COC的关系。
 
显而易见,随着收益成本的增加,“收益递减定律”适用。常见的COC范围是4到8。但是,如果塔位于干旱环境中或排污量受到限制,则可能需要更高的COC。但是,这是有代价的,因为较高的COC意味着冷却水中溶解的固体浓度更高,这会增加水垢和腐蚀的可能性。
 
现代化学控制
在由淡水供应的塔中,如果不进行任何处理,几乎总是第一个形成的水垢是碳酸钙(CaCO3)。钙离子(Ca2 +)喜欢与碳酸氢根离子(HCO3-)结合,尤其是在冷凝器和其他热交换器的温度升高时。
 
Ca2 + + 2HCO3- +热量→CaCO3↓+ CO2↑+ H2O
 
因此,在上世纪中叶,采用了一种非常通用的处理程序,该程序通过两种化学方法处理结垢和腐蚀。第一步是进料硫酸,以将冷却水的pH值保持在约6.5至7.0的范围内。酸将碳酸氢盐转化为二氧化碳,二氧化碳当然会作为气体逸出。将其与重铬酸钠进料到水中一起。铬在碳钢上形成表面层,并赋予其类似不锈钢的品质。在普通话语中,此程序几乎是“轻而易举”的事,尽管酸进料的不适会而且确实会导致严重腐蚀。
 
两种常见的膦酸酯– 3
 
 
不幸的是,基于铬酸盐的处理会产生有毒的六价铬(Cr6 +)。对于打开或关闭的所有冷却系统,该方法基本上消失了。直到最近,流行的替代方法一直是基于碱的处理,主要依靠无机和有机磷酸盐(膦酸盐),以及补充聚合物来螯合和修饰非碳酸盐水垢形成剂,以及低剂量的锌盐。
 
在这些程序的典型pH范围(从低到高8)下,腐蚀得以减少,但是各种化学物质也会抑制金属中阳极和阴极部位发生的腐蚀反应。
 
图4.抑制剂对腐蚀的影响。资料来源:参考文献1。
 
抑制剂对腐蚀的影响– 4
 
常见的聚合物构建基和官能团– 5
 
冷却水塔膜积垢– 6
 
 
化学过程使碳酸钙的形成减至最少,但不幸的是,如果不小心控制,会导致磷酸钙结垢。防止这种规模是聚合物通常是化学共混物一部分的主要原因。
 
主要的水处理化学公司已经为磷酸盐/膦酸盐计划开发了复杂的监控和进料计划,但是出现了新问题。由于磷对有毒藻类大量繁殖的影响,现在该国许多接受水的地区被认为是缺磷的。因此,不允许新的工厂向这些水体排放任何含磷的水流。新兴的是全聚合物程序,其中聚合物共混物充当晶体改性剂和螯合剂,以使形成水垢的离子和晶体保持悬浮状态。下图说明了其中许多聚合物的活性位。
 
选择冷却水处理程序时,建模软件可能会带来很大的好处。 French Creek软件公司是该技术的领导者,许多主要的水处理化学品供应商都在其程序中使用该软件。
 
微生物污染的控制
 
尽管结垢和腐蚀是冷却系统中非常重要的问题,但迄今为止,微生物结垢通常是造成最多问题的原因。
 
冷却系统为微生物生长和建立菌落提供了理想的温暖和潮湿环境。细菌将在冷凝器和冷却水塔填充物中生长,真菌将在冷却水塔木中和其中生长,并且藻类会在暴露于阳光的湿式冷却水塔组件中生长。杀菌剂处理对于维持冷却系统的性能和完整性至关重要。
 
细菌分为以下三类,
 
有氧:在代谢过程中利用氧气。
厌氧:生活在无氧环境中,并使用其他来源,例如硫酸盐,硝酸盐或其他供体来提供能量。
兼性:可以生活在有氧或厌氧的环境中。
HOCl的解离与pH的关系– 7
 
 
微生物,特别是细菌的问题在于,一旦它们沉积在表面上,生物便会分泌多糖层来进行保护。然后,该薄膜会从水中收集淤泥,从而变得更厚,并进一步减少热传递。即使表面的细菌可能是需氧的,分泌层也可以使下面的厌氧细菌蓬勃发展。反过来,这些臭虫会产生直接攻击金属的酸和其他有害化合物。微生物沉积物还会建立浓集池,在沉积物下方缺乏氧气会导致该位置对裸露金属的其他区域变为阳极。通常会出现点蚀现象,这会在预期的材料使用寿命之前就造成管子故障。
 
真菌将以不可逆的方式攻击冷却水塔木材,最终可能导致结构破坏。藻类会污染冷却水塔的喷淋甲板,从而可能导致性能下降和不安全的工作位置。
 
大多数微生物处理程序的核心是提供氧化性杀菌剂,以杀死生物,然后才能将其沉降到冷凝器管壁,冷却水塔填充物和其他位置。多年以来,氯一直是人们的主力军,向其中添加气态氯会发生以下反应。
 
Cl2 + H2O⇔HOCl + HCl
 
次氯酸HOCl是杀伤剂。由于HOCl在水中的平衡性质,该化合物的功能和杀伤力受pH值的影响很大。
 
HOCl⇔H + + OCl-
 
OCl-是一种比HOCl弱得多的杀菌剂,这可能是由于OCl-离子上的电荷不允许其穿透细胞壁这一事实。当pH值超过7.5时,氯的杀灭效率急剧下降。因此,对于常见的碱性水垢/腐蚀处理程序,氯化学可能无效。
 
水中的氨或胺会进一步影响对氯的需求,这些胺或胺会不可逆地反应而生成低效的氯胺。出于安全方面的考虑,液态漂白剂(NaOCl)进料已在许多工厂取代了气态氯。
 
常见的替代方法是溴化学,将氯氧化剂和溴化物盐(通常为溴化钠(NaBr))混合在补充水流中,然后注入冷却水中。化学过程产生的次溴酸(HOBr)具有与HOCl相似的杀灭力,但在碱性pH值下更有效地发挥作用。
 
由于以下几个原因,二氧化氯(ClO2)变得越来越流行。其杀灭力不受pH值的影响,该化学物质不会与氨反应,也不会形成卤化有机化合物。同样,二氧化氯在攻击已建立的生物沉积物方面更有效。
 
ClO2不稳定,必须在现场生成。过去,常见的方法是在送入冷却水中的支流中使亚氯酸钠(NaClO2)与氯发生反应。
 
2NaClO2 + Cl2®2ClO2 + 2NaCl
 
但是,该技术需要存储大量危险化学品,并且比漂白或溴处理的价格贵几倍。现在可以使用许多改进的技术,其中一种设计基于以下化学性质。
 
NaClO3 + 1/2 H2O2 + 1/2 H2SO4→ClO2 + 1/2 O2 + 1/2 Na2SO4 + H2O
 
氯酸钠(NaClO3)是主要化学物质,而不是亚氯酸钠。
 
一种帮助控制微生物的方法是补充非氧化性杀菌剂。通常,需要临时但定期的饲料,也许每周一次。表1概述了最常见的非氧化剂的一些特性。
 
为了确定最有效的杀菌剂,必须仔细评估冷却水中的微生物种类。未经适当监管机构的批准,不得使用或测试这些化学物质。它们必须符合工厂的国家污染物排放消除系统(NPDES)准则。
 
与所有化学药品一样,在使用非氧化剂时,安全性绝对是至关重要的问题。必须遵守所有操作准则并使用适当的个人防护设备。这些化学物质中的许多都会攻击人类细胞以及微生物。