電化學(xué)技術(shù)在冶煉廠循環(huán)冷卻水處理中的應(yīng)用

袁治國，陶振軍，張 典，黃大爭*，常定明

（1.神華蒙西煤化股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古蒙騰環(huán)境技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.上海易湃富得環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 200000）

一直以來，我國都被認(rèn)為是一個水資源短缺的國家。目前，我國水資源占有率在全球排名為第121名，其水資源人均占有率不足世界水資源人均占有率的25%[1]。而在水資源的用量中，80%的水主要用于工業(yè)中，在工業(yè)用水中，又有大約2/3的水是用于冷卻運行設(shè)備的，尤其是化工裝置。因此，充分利用我國現(xiàn)有的水資源，是人們一直以來追求的目標(biāo)[2]。循環(huán)水在冷卻過程中，由于水分蒸發(fā)，循環(huán)水不斷濃縮，最終導(dǎo)致水中鈣鎂等結(jié)垢離子濃度越來越高，容易在換熱器與管道中結(jié)垢，影響系統(tǒng)的運行，導(dǎo)致生產(chǎn)能力的下降[3-5]。目前循環(huán)水常用的方法有藥劑法，超聲波法，磁處理法，電化學(xué)方法。藥劑法就是向循環(huán)冷卻水中投加藥劑，通過破壞CaCO3晶體的增長阻止碳酸鈣垢的沉積[6]。目前常用的阻垢劑為無機(jī)聚磷酸鹽、有機(jī)磷酸酯、有機(jī)多元磷酸、聚羧酸類阻垢劑[7]。超聲波防垢主要是利用超聲波強聲場處理流體，使流體中成垢物質(zhì)在超聲波作用下，其物理形態(tài)和化學(xué)性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢[8-10]。其中，超聲波空化作用一方面可使垢粒物質(zhì)在管壁上附著能力降低而逐漸脫落；另一方面可使水離解出OH-離子，OH-又與垢層中的Ca2+離子結(jié)合生成CaOH+，使積垢溶解[11，12]。磁處理是由于同晶異構(gòu)現(xiàn)象產(chǎn)生同晶異構(gòu)體，當(dāng)水溶液流過強磁場時，水中的成垢物質(zhì)從磁場中獲得能量，使方解石型晶體變成霰石型晶體，成為不附著的軟泥，隨排污排出系統(tǒng)外，或沉淀于冷卻塔的底部，防止了水垢的生成[13]。其中，磁化處理的核心是磁水器[14]。電化學(xué)處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型處理技術(shù)，廣泛運用于工業(yè)和民用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的供水處理中。李明建人用快速阻垢測試方法和熱水系統(tǒng)模擬試驗法，研究證實了電子水處理器具有顯著的阻垢效果，其阻垢率與電壓、水質(zhì)、溫度等因素有關(guān)。G. Elgressy等對電子水處理器的控垢機(jī)理進(jìn)行了探討，他們認(rèn)為電子水處理器產(chǎn)生的高頻電場會使水分子的結(jié)構(gòu)和水溶液的性質(zhì)發(fā)生改變，加上水合離子及締合、結(jié)晶等作用的影響便使成垢物質(zhì)的附壁能力差、結(jié)構(gòu)松散，從而使水垢得以控制。張高舉使用電子水處理器替代常規(guī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的軟水器處理真空電弧自耗爐的外循環(huán)水，節(jié)省了前期投資，管理方便，運行費用低。岳峰等在對某鋼廠的循環(huán)水進(jìn)行處理時，使用電解除垢技術(shù)代替以前的化學(xué)藥劑處理法，直接向冷卻循環(huán)水加載直流電，一段時間后對管道斷面進(jìn)行掃描，結(jié)果顯示管道的閉塞率在不到4個月時間內(nèi)下降了25%以上，改善了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢問題。王晨晨等對電化學(xué)循環(huán)水質(zhì)穩(wěn)定處理技術(shù)的基本原理進(jìn)行了討論，并且將其運用于某催化公司循環(huán)水系統(tǒng)中，運行結(jié)果表明，電化學(xué)水處理技術(shù)比傳統(tǒng)化學(xué)法具有更好的處理效果，排污量減少了約76%，節(jié)省了水資源及運行成本。

1 電化學(xué)技術(shù)介紹及特點

1.1 電化學(xué)技術(shù)原理

本電化學(xué)技術(shù)充分發(fā)揮陽極氧化、陰極還原反應(yīng)，使陽極發(fā)生氧化反應(yīng)（電解），一方面產(chǎn)生OH·、H2O2、O3、HClO等氧化性物質(zhì)，可以氧化水中的有機(jī)物，氨氮，凈化水質(zhì)，同時發(fā)揮防腐除銹、殺菌滅藻的作用，陰極發(fā)生還原反應(yīng)（電結(jié)晶），同時陰極還會產(chǎn)生少量的氫，殘留下來的氫氧根會使局部的pH升高，與水中的堿度反應(yīng)，再與將成垢離子反應(yīng)并將其從水中析出，從而達(dá)到全面的凈化水質(zhì)的目的，同時增加了混頻，掃頻功能，配合智能主機(jī)的使用，更加適用于水質(zhì)變化的智能控制系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)特點

（1）將鈣、鎂等結(jié)垢離子快速吸附捕捉到集垢器上，脫離循環(huán)水系統(tǒng)，大幅降低換熱器結(jié)垢風(fēng)險。

（2）陽極產(chǎn)生的OH·、H2O2、O3、HClO物質(zhì)具有氧化性能，可以實現(xiàn)殺菌滅藻等功能。

（3）集垢器中的電極通過電解產(chǎn)生氫氧根離子，通過一系列的電化學(xué)反應(yīng)，不僅可以消除紅銹，同時還能生成磁性氧化鐵，隔開管壁和水，防止腐蝕。

（4）集垢器中的電極通過環(huán)保獨有的掃頻及混頻的專利技術(shù)，使自然狀態(tài)下的水分子團(tuán)被打散成單個的水分子，并能夠產(chǎn)生適量的氫離子，這種單個的水分子的滲透力和溶解力很強，而氫離子的還原性很強，能夠很好的清除已經(jīng)結(jié)晶的碳酸鈣（鎂），三氧化二鐵水垢（銹）。

1.3 循環(huán)水處理流程

循環(huán)水處理流程見圖1所示，電化學(xué)設(shè)備從循環(huán)水池中取水，進(jìn)水水量為10 m3/h，經(jīng)過電化學(xué)處理后，再排入循環(huán)水池中，電化學(xué)設(shè)備由智能主機(jī)控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)改善分析

2.1.1 電導(dǎo)率的改善分析

電導(dǎo)率是循環(huán)水是一項目重要的指標(biāo)，因電導(dǎo)率與鹽分呈正相關(guān)，過高的電導(dǎo)會加強系統(tǒng)的腐蝕。在運行的近一個月的周期中，出水電導(dǎo)率得到明顯的變化，進(jìn)水平均電導(dǎo)率為4643 μS/cm，出水電導(dǎo)率為4130 μS/cm，平均去除率為11.05%，電導(dǎo)率去除率有一個先升高，再下降，最后趨向于平衡的過程。分析認(rèn)為，當(dāng)循環(huán)水經(jīng)過電化學(xué)設(shè)備時，在電場的作用下，水質(zhì)中的陰陽離子會向?qū)?yīng)的陽極與陰極遷移，導(dǎo)致出水的電導(dǎo)率下降，在設(shè)備運行前期，電導(dǎo)率遷移快，所以電導(dǎo)率去除快，后期電導(dǎo)遷移與電場形成平衡，最終達(dá)到平衡。

2.1.2 COD的改善分析

COD是循環(huán)水控制的重要的指標(biāo)之一，高的COD容易導(dǎo)致系統(tǒng)的微生物增長，導(dǎo)致系統(tǒng)的生物腐蝕與換熱效果。COD改善見圖3所示，出水的COD呈現(xiàn)出一定的下降，進(jìn)水COD平均為79.85mg/L，出水COD平均為73.8mg/L，去除率為6.52%。分析認(rèn)為，在陽極氧化過程中，COD被氧化去除。但是電化學(xué)功率高，所以COD的去除率并不高。

2.1.3 總硬度的改善分析

硬度是循環(huán)水中結(jié)垢的主要因子，因此控制循環(huán)水硬度是十分重要的條件，本電化學(xué)對循環(huán)水中硬度去除的效果見圖4所示，平均進(jìn)水硬度為1320 mg/L，平均出水硬度為1237 mg/L，平均去除率為6.25%。當(dāng)循環(huán)水經(jīng)過電化學(xué)設(shè)備時，陰極區(qū)域產(chǎn)生局部的高pH，可以達(dá)到11以上，一方面，氫氧根與鎂生成氫氧化鎂沉積于陰極板上，另一方面，氫氧根與溶液中的碳酸氫根反應(yīng)生成碳酸鈣沉積于陰極板上，所以硬度得到去除。

2.1.4 氯離子的改善分析

氯離子是循環(huán)水中控制的重要指標(biāo)之一，因為高的氯離子濃度容易造成管道特別是換熱器的腐蝕，嚴(yán)重的情況下會影響主裝置的生產(chǎn)。本電化學(xué)設(shè)備對氯離子的去除效果見圖5所示，平均進(jìn)水氯離子濃度為583.55mg/L，平均出水氯離子濃度為542.6mg/L，去除率為7.02%。分析認(rèn)為，當(dāng)循環(huán)水經(jīng)過電化學(xué)設(shè)備時，氯離子對遷移到陽極附近，在陽極強氧化的過程中，氯離子生轉(zhuǎn)化為次氯酸根以及化合氯，生成的次氯酸根也是一種氧化型殺菌劑，可以用作于系統(tǒng)的殺菌劑，降低系統(tǒng)微生物的生長。

2.1.5 濁度的改善分析

濁度也是循環(huán)冷卻水控制的重要指標(biāo)之一，濁度高會在換熱器的彎頭處累計，影響循環(huán)水水的流速，造成系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險加大，另外，在彎頭處累積的懸浮物也會引起垢下腐蝕，造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。電化學(xué)設(shè)備對濁度具有很好的去除效果，平均進(jìn)水濁度為7.27NTU，平均出水濁度為5.40NTU，平均去除率為25.70%。當(dāng)循環(huán)水經(jīng)過電化學(xué)設(shè)備時，有些細(xì)小的顆粒帶電后，遷移到陰極，與結(jié)垢成分一起析出，有一部分濁度在電化學(xué)的作用下破壞之前穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，相互碰撞成形成大顆粒而沉淀于水池底面從而被去除。

2.2 結(jié)垢成分分析

在試驗一個月后，對電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行清垢，并對垢成分分析，垢含水率低，僅為27%左右，有機(jī)物含量為6%左右，對于去除水分和有機(jī)物后的進(jìn)行灼燒后，其中氧化鈣占88%,，氧化鎂占8%，其它成分占4%，說明垢的成分主要為鈣和鎂的沉淀。

2.3 減排量估算

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和循環(huán)水控制指標(biāo)，限制濃縮倍數(shù)提高的是總硬度，本研究僅以一套系統(tǒng)作為研究對象，進(jìn)水量為10m3/h，平均去除硬度為82.55mg/L，去除硬度量為0.8255 kg/h。以本循環(huán)水系統(tǒng)為例，在保證相同的水質(zhì)時，通過電化學(xué)設(shè)備的使用，一套設(shè)備可節(jié)約10%的補水與排水，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.4 能耗分析

本套系統(tǒng)設(shè)備電功率為7kW，可處理循環(huán)水量2000m3/h，折算成電耗為0.0035kWh，電費按1元計，折算每噸水費用為0.35分。

3 小結(jié)與展望

通過循環(huán)水電化學(xué)旁路式的試驗研究發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)設(shè)備可以全面的改善循環(huán)水的水質(zhì)，在一套旁路式設(shè)備，進(jìn)水量為10 m3/h，功率為7 kW時，總硬度平均降低6.25%，鈣離子平均降低3.94%，電導(dǎo)率平均降低11.05%，氯離子平均降低7.07%，濁度平均降低25.70%。折算到2000 m3/h循環(huán)量的系統(tǒng)中，平均節(jié)約10%的補水與排水量。若提供系統(tǒng)節(jié)水能力，可以通過增加設(shè)備的形式實現(xiàn)。