工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的旁流過濾處理技術(shù)

劉存玉

(淄博職業(yè)學(xué)院制藥與生物工程系，山東淄博，255314)

?

工藝與設(shè)備

工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的旁流過濾處理技術(shù)

劉存玉

(淄博職業(yè)學(xué)院制藥與生物工程系，山東淄博，255314)

摘要

關(guān)鍵詞：工業(yè)冷卻塔清潔過濾器旁流過濾

工業(yè)冷卻塔是將來自于工業(yè)生產(chǎn)裝置或制冷空調(diào)，挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣中的一種設(shè)備，在化工、制藥、石油加工、食品生產(chǎn)等工業(yè)部門有著廣泛的應(yīng)用。由于在冷卻塔內(nèi)空氣和水直接接觸，所以空氣中的懸浮顆粒物就容易被循環(huán)冷卻水夾帶進(jìn)入冷卻塔水槽內(nèi)，并在槽中同來自于其他渠道的水中懸浮物匯合形成污垢。如不清除，這些污垢會(huì)隨水進(jìn)入冷卻循環(huán)系統(tǒng)，并通過沉積、阻塞等方式對(duì)下游工藝設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不良影響，降低傳熱效率、增加能量消耗和水的化學(xué)處理費(fèi)用，還有可能縮短設(shè)備的使用壽命。

雖然可以采用定期把全塔停機(jī)進(jìn)行人工清潔，或?qū)鋮s水整體進(jìn)行全流量過濾的方法除去水中的污垢，但實(shí)踐表明，旁流過濾是一種更加經(jīng)濟(jì)可行的有效方法。

所謂旁流過濾，就是把水的一部分連續(xù)通過過濾介質(zhì)，控制過濾速率使得在一定時(shí)間內(nèi)(通常是1小時(shí))系統(tǒng)的全部冷卻水都被過濾一遍。旁流過濾原理其實(shí)就是通過連續(xù)濾除水中的污垢來保持水的清潔[1]。

本文將介紹冷卻塔系統(tǒng)中污垢的來源、影響，以及提高冷卻水水質(zhì)可采用的過濾裝置，并著重討論旁流過濾的應(yīng)用。

1冷卻水中污垢的來源

冷卻塔水槽中主要由懸浮固體顆粒組成的污垢，除了源自空氣中的懸浮物，還有三個(gè)來源，即水垢、腐蝕產(chǎn)物和生物性污垢。下面分別對(duì)這四種污垢加以介紹[2-3]。

1.1水垢

當(dāng)溶于水的固體從冷卻水中沉淀出來時(shí)，就能在傳熱表面形成水垢。水垢的種類和物性隨當(dāng)?shù)厮|(zhì)的變化而變化，其主要成分是金屬的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽等。水垢的作用如同絕緣層，能夠降低冷凝器或其他水冷熱交換器的傳熱能力。水垢還能使水的排出壓力升高，增加動(dòng)力消耗。

雖然化學(xué)處理是清除水垢的最好方法，但水中其他類型的污垢有的也會(huì)與化學(xué)水處理劑發(fā)生反應(yīng)，從而降低處理效果。水越臟，就越難處理，處理劑需要量就越大。這是為什么采用過濾的一個(gè)原因。

1.2腐蝕產(chǎn)物生成的污垢

腐蝕是由發(fā)生在冷卻系統(tǒng)和水之間的電化學(xué)反應(yīng)造成的，它使金屬或合金材料被損耗，并最終能使材料失效。腐蝕產(chǎn)物通常是金屬的氧化物或氫氧化物，其顆粒大小一般在1-5μm之間。研究表明，如果水中的金屬表面被污垢覆蓋，其腐蝕速度一般會(huì)比潔凈表面的腐蝕速度高5-20倍，這是因?yàn)樵诒桓采w面和相鄰潔凈表面之間產(chǎn)生了一個(gè)電化學(xué)原電池，被覆蓋面的金屬變成失電子的陽極。不加控制的腐蝕使金屬性能不斷劣化，累積的腐蝕產(chǎn)物使傳熱效率降低并阻礙水的流動(dòng)。盡管也可以使用化學(xué)水處理劑應(yīng)對(duì)腐蝕問題，但因其難以到達(dá)被污垢覆蓋的表面，電化學(xué)腐蝕仍將繼續(xù)。

1.3生物性污垢

生物性污垢是由循環(huán)水系統(tǒng)中存在的細(xì)菌、藻類、真菌或其他微生物引起的。適宜的水溫、陽光、以及空氣中懸浮的有機(jī)物質(zhì)都有利于這類污垢的產(chǎn)生，結(jié)果使生物性污垢的生長常常得不到控制。

例如，粘泥或生物膜就是由微生物及其排泄物積累而成。粘泥中還包括由經(jīng)過冷卻塔的水洗滌下來的懸浮于空氣中的灰塵、昆蟲肢體以及其他污染物。

生物性污垢妨礙熱的傳遞，限制冷卻水經(jīng)管路、濾網(wǎng)、噴嘴和控制閥的流動(dòng)。盡管化學(xué)處理有利于對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，但保持系統(tǒng)中水的清潔才是控制生物性污垢產(chǎn)生的最有效途徑。

1.4空氣中懸浮物

進(jìn)入冷卻塔水中的空氣懸浮物，隨冷卻水的循環(huán)流動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)中，并可沉積在設(shè)備表面和冷卻塔水槽中。

對(duì)不同水槽內(nèi)水的取樣分析表明，由來自于空氣中的懸浮物構(gòu)成的污垢顆粒大小，以1-10μm的占最大多數(shù)。因?yàn)樘幱?-10μm區(qū)間的粒子容易滯留在空氣中，難以通過沉降等與空氣分離，所以當(dāng)其與冷卻塔的流水接觸就容易被沖入水槽內(nèi)，進(jìn)而通過水的循環(huán)進(jìn)入系統(tǒng)中。來自于空氣的懸浮物也使得對(duì)水垢、腐蝕和生物膜生長的控制變得更加復(fù)雜。

通常，在經(jīng)過常用水處理劑處理后的冷卻塔循環(huán)水中，小于2微米的固體顆粒很容易被分散而不會(huì)沉積出來，因此其存在可不予考慮。大多數(shù)情況下，大于30微米的顆粒由于較重，難以被流過冷卻塔的空氣挾帶進(jìn)入冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)。

綜合上述因素，在冷卻塔循環(huán)水中需要過濾去除的懸浮固體顆粒的臨界尺寸集中在2-30微米。

2冷卻水的過濾清潔設(shè)備

冷卻水過濾清潔裝置主要有自動(dòng)網(wǎng)眼過濾器、水力旋流器、濾筒、砂濾器和多介質(zhì)過濾器等。

2.1網(wǎng)眼過濾器

其核心部件是濾網(wǎng)，冷卻水在流過濾網(wǎng)時(shí)，大于網(wǎng)眼的污垢顆粒就被截留。當(dāng)足量的顆粒在濾網(wǎng)上累積，使壓降達(dá)到規(guī)定值時(shí)，就通過機(jī)械的或返洗的方法進(jìn)行清除。兩種方法都要排出含有被清除污垢的廢水。

但對(duì)工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的過濾建議不要使用網(wǎng)眼過濾器，因?yàn)橛闷錇V除水中臨界尺寸2-30微米的顆粒，需要經(jīng)常返洗濾網(wǎng)，這不但會(huì)降低濃縮倍數(shù)、造成水和化學(xué)水處理劑的浪費(fèi)，也增加了返洗廢水的排放量。其之所以需要經(jīng)常返洗，原因在于網(wǎng)眼過濾器是一種表面過濾裝置，當(dāng)其表面滿載后，過濾就不能進(jìn)行了。換句話說，網(wǎng)眼過濾器對(duì)固體污垢的承載能力很低，僅適用于固體量少的小型冷卻塔循環(huán)水的過濾。

2.2水力旋流器

水力旋流器是靠水流過時(shí)產(chǎn)生的離心力來除去水中污垢的裝置。水力旋流器對(duì)水中污垢去除能力的大小是顆粒尺寸、形狀、密度和旋流器設(shè)計(jì)形式的函數(shù)。由于市面上的水力旋流器能除去的固體顆粒最小尺寸是25微米，所以也不建議將其作為工業(yè)冷卻塔循環(huán)水過濾裝置。

2.3濾筒

濾筒基本上就是沒有機(jī)械清潔或返洗能力的網(wǎng)眼過濾器。由于濾筒也屬于表面過濾裝置，所以和網(wǎng)眼過濾器一樣，其對(duì)污垢的處理能力很低。兩者的主要區(qū)別在于，一旦濾筒被截留的固體填滿，就必須取下來清洗，或更換一只新的濾筒。盡管通常不推薦使用濾筒作為工業(yè)冷卻塔循環(huán)水過濾裝置，但大小合適的濾筒在懸浮固體量少的小型冷卻塔系統(tǒng)還是可以使用的。

2.4砂濾機(jī)

在砂濾機(jī)中，水中的污垢是被由砂性介質(zhì)組成的多孔床層截留的。砂濾機(jī)的操作是表面過濾和深層過濾的組合，何者占優(yōu)勢決定于所用砂性介質(zhì)的尺寸和懸浮固體的類型。砂濾機(jī)在工業(yè)冷卻塔循環(huán)水過濾中的應(yīng)用相對(duì)較普遍，只要水中固體負(fù)載不太高、小于10微米的顆粒不占主要地位，其過濾效果還是不錯(cuò)的。被床層截留的固體通過返洗方法除去，以設(shè)定的在線時(shí)間或通過床層的壓力差來界定何時(shí)開始返洗操作。

2.5多介質(zhì)過濾器

多介質(zhì)過濾器是砂性介質(zhì)過濾器的變種，二者區(qū)別在于前者使用幾種不同大小的介質(zhì)以便在獲得最大程度的深層過濾的同時(shí)，對(duì)臨界尺寸為2-30μm的懸浮固體顆粒達(dá)到非常高的去除效率。過濾介質(zhì)床由無煙煤過濾層、硅砂過濾層，以及金剛砂過濾層等組成，底部用砂礫支撐。與砂濾機(jī)相比，多介質(zhì)過濾器因使用多層濾床而具有高得多的固體承載負(fù)荷，因此對(duì)同樣多的固體去除量需要返洗的次數(shù)也少得多，從而最大程度地減少了返洗水和水處理劑的用量。不同介質(zhì)之間的尺寸差異使得過濾器具有極好的截留性能，甚至可截留直徑小至0.5微米的顆粒，對(duì)5微米≤直徑<10微米的顆粒能除去90%，對(duì)直徑≥10微米的顆粒能除去98%。不同介質(zhì)尺寸不同、密度也不同，因此通過返洗對(duì)多介質(zhì)床進(jìn)行清潔，即除去被截留固體時(shí)，不同介質(zhì)能自行分類匯集在一起。與砂濾機(jī)一樣，多介質(zhì)過濾器也以設(shè)定的在線時(shí)間或通過床層的壓力差來界定何時(shí)開始返洗操作。

由于多介質(zhì)過濾器能高效去除上述臨界尺寸范圍的懸浮固體，具有很高的固體負(fù)載，能最大程度地減少返洗水和價(jià)格不菲的化學(xué)水處理劑的使用量，所以特別適用于工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的旁流過濾操作。

3工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的旁流過濾[4-6]

3.1旁流過濾與全流量過濾的比較

旁流過濾之所以比單循環(huán)全流量過濾更有優(yōu)勢，是因?yàn)榕粤鬟^濾使用的設(shè)備較小，運(yùn)行費(fèi)用較低。例如，多數(shù)水冷系統(tǒng)中冷卻水是高速流動(dòng)的，100噸的制冷-冷卻負(fù)荷，冷卻水流量就有18-19L/s。如果使用全流量砂濾器，還得加上20%的富裕度以便在過濾器出現(xiàn)一定程度的臟污后仍能滿足流量要求。這樣，所選砂濾器的尺寸必須至少能適合22-23L/s的流量，而這樣的過濾器直徑在1.5m以上。

若使用旁流過濾器時(shí)，只有一部分水進(jìn)入過濾器，而且過程連續(xù)進(jìn)行。若每過1小時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的水就被過濾一遍，那么對(duì)上例的情形，假定10%流量的水被導(dǎo)入旁流過濾器，則該過濾器的額定流量就是18-19L/s，加上20%的富裕度，相應(yīng)設(shè)備的直徑僅為0.5-0.6m。

盡管旁流過濾能改善任何冷卻塔系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，但經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)濃縮倍率高于8，或者處于沙塵環(huán)境中的冷卻系統(tǒng)強(qiáng)制使用旁流過濾是必要的。

3.2旁流過濾器類型的選擇

能夠?yàn)V除的水中固體顆粒的大小，而不是其重量，是用來評(píng)價(jià)不同類型過濾器好壞的最重要指標(biāo)。舉例說明：假定有兩個(gè)相同大小的容器都盛有12.6g固體，其中一個(gè)容器盛放的是一塊重量為12.6g的石子，另一個(gè)容器中則盛放的是直徑為2μm、數(shù)量達(dá)2560億個(gè)、總重也是12.6g的微粒。后者具有巨大的表面積，如果沉積在換熱器內(nèi)壁會(huì)對(duì)換熱效果產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，而一塊小石子產(chǎn)生的影響將十分有限。同時(shí)，這些2μm微粒擁有的巨大表面積也會(huì)降低化學(xué)處理的效率，因?yàn)榛瘜W(xué)處理劑需要和這些細(xì)小顆粒競爭來控制水垢、腐蝕和生物污垢的產(chǎn)生。

因此，如前所述，根據(jù)工業(yè)冷卻塔循環(huán)水中需要濾除的固體污垢顆粒尺寸范圍，結(jié)合不同類型過濾器的性能特點(diǎn)，宜選用砂濾器或多介質(zhì)過濾器作為工業(yè)冷卻水的旁流過濾裝置。

3.3旁流過濾器尺寸的選擇

過濾的基本參數(shù)有兩個(gè)，即水的循環(huán)率和固體顆粒直徑。就是說，冷卻水在過濾器中的循環(huán)次數(shù)和被濾除污垢顆粒的大小是選擇過濾器的兩個(gè)主要指標(biāo)。水流過過濾介質(zhì)的頻度越高，被濾出的固體就越多。

大量研究和實(shí)踐證明，每小時(shí)使整個(gè)冷卻系統(tǒng)的水過濾一遍，就能使冷卻水的清潔度達(dá)到相當(dāng)高的程度。系統(tǒng)總水量由三部分組成：①冷卻塔水槽內(nèi)的水，②系統(tǒng)管路內(nèi)的水，③各種熱交換設(shè)備內(nèi)的水。

以一個(gè)3000噸的冷卻系統(tǒng)為例。系統(tǒng)中冷卻水總量為170噸，其中在冷卻塔水槽內(nèi)有約94.5噸，3臺(tái)1000噸的冷凝器內(nèi)共容納34噸，管道中約41.5噸。因每經(jīng)1個(gè)小時(shí)循環(huán)一次，則旁流過濾器中水的流量就是170噸/小時(shí)，或47.2L/s。

與此處理能力最接近的標(biāo)準(zhǔn)砂濾器的直徑是2.13m，其最大流率是48.5L/s。但考慮到運(yùn)行過程中過濾介質(zhì)因截留污垢使有效截面積的減少，故起碼還應(yīng)打出20%的富裕度。而在水中污垢量較大的場合，如敞開式場地附近、高速路附近，或在工業(yè)制造中心區(qū)安裝的冷卻塔，額外加大過濾器處理能力尤其顯得重要。

3.4旁流過濾器的安裝

在工業(yè)冷卻塔系統(tǒng)，有兩個(gè)位置可用于旁流過濾器的安裝：一個(gè)在冷卻塔水槽內(nèi)，另一個(gè)是用支管與冷卻水管道連接。盡管兩種方法都是可行的，但安裝在水槽中還有另一個(gè)好處，就是對(duì)水槽自身的清潔。水槽里的水被泵送入過濾器，從過濾器出來的清潔水可回沖槽底的污垢，再用特制的沖洗噴嘴把污垢導(dǎo)向過濾器的進(jìn)口管。這種方式有助于盡量減少污垢在水槽內(nèi)的累積，避免可能發(fā)生的在沉積物覆蓋下的材料腐蝕。

3.5旁流過濾系統(tǒng)的運(yùn)行

旁流過濾器的運(yùn)行需要冷卻系統(tǒng)循環(huán)水具有足夠的水壓和流量。一般來說，旁流過濾器正常運(yùn)行壓力至少要在2.1kg/cm3左右。對(duì)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水自身無法達(dá)到合適的壓力和/或流量的情形，應(yīng)單獨(dú)加裝一臺(tái)大小合適的水泵。通常當(dāng)過濾床層兩側(cè)的壓力差達(dá)到0.69-1.04 kg/cm3時(shí)，或在線運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就啟動(dòng)返洗操作。但實(shí)踐證明，以在線運(yùn)行時(shí)間控制返洗進(jìn)程效果通常更好，這樣既可靠，又便捷。返洗水既可以用系統(tǒng)內(nèi)的水，也可以用新鮮水。玻璃纖維材質(zhì)的過濾器最高可承受6-7kg/cm3的操作壓力，對(duì)更高壓力，推薦使用不銹鋼或涂層鋼質(zhì)材料。

3.6安裝旁流過濾器的益處

3.6.1節(jié)能

因?yàn)榧词故窃趽Q熱器管壁上沉積的污垢像一張紙那樣薄，都會(huì)影響傳熱的正常進(jìn)行，增加能量消耗。例如，0.38mm厚的污垢沉積在冷卻換熱器表面就能使傳熱效率降低12%以上，在冷凝器中即使存在0.025mm厚的污垢就能使操作費(fèi)用增加近10%。

3.6.2節(jié)省維修保養(yǎng)費(fèi)用

冷卻塔的傳統(tǒng)清潔方法是放空后進(jìn)行沖洗?；ㄙM(fèi)的時(shí)間從數(shù)小時(shí)到數(shù)天不等。不但造成水的浪費(fèi)，還要處置清出的污垢，而且生產(chǎn)線還得停車，誤工費(fèi)也不容忽視。

例如某輪胎生產(chǎn)企業(yè)對(duì)已運(yùn)行一年的冷卻塔進(jìn)行清理，清出的污垢裝滿了18個(gè)容量200L的鐵桶。而在安裝旁流過濾系統(tǒng)后，經(jīng)過兩年才需要清理水槽，冷卻塔則不需清理，一名維修工僅花2小時(shí)就完成了任務(wù)。

3.6.3減少水處理劑的消耗

化學(xué)水處理劑的作用主要是阻止水垢的產(chǎn)生，即防止水中的溶解固體析出，或用于阻止微生物的生長，但水中其他污垢也可能與水處理劑發(fā)生反應(yīng)，使處理效果降低或處理劑消耗量增加。通過旁流過濾不斷清除水中的污垢，能大幅度提高化學(xué)處理效果，減少水處理劑的消耗。

3.6.4延長設(shè)備壽命

因?yàn)槲酃负透g會(huì)降低用水來冷卻的設(shè)備的預(yù)期壽命，特別是對(duì)空氣壓縮機(jī)的夾套、冷凝器管道、換熱器等更是如此。

3.6.5改善周圍環(huán)境

在有些情況下，更清潔的冷卻水還能改善生產(chǎn)裝置的總體運(yùn)行狀況，減少大氣污染物的排放，帶來環(huán)境效益。如一家硝酸銨工廠，其生產(chǎn)裝置向大氣中NOx排放量與工藝?yán)鋮s水的溫度直接相關(guān)：冷卻水溫度升高，排放量增加。該廠后來更改了冷卻塔的設(shè)計(jì)，安裝了砂濾器對(duì)冷卻水進(jìn)行旁流過濾，改善了冷卻效果，降低了冷卻水溫，NOx的排放量也因此減少了50%。

參考文獻(xiàn)

[1] Perlmutter, B.A. Principles of Filtration[M]. New York: Pall Corp, 1983, 2-3.

[2] 靳兆文.石化設(shè)備清洗技術(shù)進(jìn)展[J].化工設(shè)備與管道,2008,45(4):62.

[3] 劉天慶,李香琴,王鴻靈,等.水系統(tǒng)中微生物與碳酸鈣混合垢形成過程的研究[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2002,16(3):263-269.

[4] Clark, T. Wastewater Reuse[ J]. Industrial Wastewater, 1998, 5/6: 37-43.

[5] Olsen, K.R. How to Remove Fouling Solids from Cooling Wate[J]. Chemical Engineering, 1992, 99(5): 155-158.

[6] Gibson, W.D. Recycling Cooling and Boiler Water[J]. Chemical Engineering,1999,106(1):47-51.

Sidestream Filtration for Water Cleaning of Industrial Cooling Tower

LiuCunyu

(DepartmentofPharmaceuticalManufacturingandBioengineering,ZiboVocationalInstitute,Zibo255314,Shandong,China)

Key words:industrial cooling tower; cleaning; filter; sidestream filtration

Abstract:The types and sources of solid contaminants in industrial cooling water, and types and characteristics of various filters that can be used forthe cleaning of cooling water were summarized, with emphasis on sidestream filtration system.

綜述了工業(yè)冷卻塔循環(huán)水中污垢的種類、來源，常用的冷卻水過濾器類型和性能特點(diǎn)，并對(duì)旁流過濾系統(tǒng)作了重點(diǎn)介紹。