冶金業(yè)循環(huán)水體系研究
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1高壓靜電離子棒的工作原理
高壓靜電離子棒是當(dāng)今世界上水處理領(lǐng)域中一種新的高科技產(chǎn)品,可廣泛應(yīng)用在以下領(lǐng)域的循環(huán)水中[1-4]:(1)熱電行業(yè)上的冷卻凝汽器、冷油器、冷風(fēng)器;(2)鋼鐵冶金行業(yè)上各種加熱爐的爐體系統(tǒng);(3)煉油化工行業(yè)上各種反應(yīng)器和冷卻器;(4)空調(diào)制冷行業(yè);(5)游泳池里用來(lái)殺菌滅藻,進(jìn)行水質(zhì)更新等。循環(huán)水在流經(jīng)電子離子棒產(chǎn)生的高壓靜電場(chǎng)時(shí),會(huì)受到離子棒周圍產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的影響,使具有極性的H2O的偶極距增大,而溶解在水中的Ca2+、Mg2+和CO2-3等離子被這些水分子所包圍,從而減少了彼此間的有效碰撞,降低了正負(fù)離子間的運(yùn)行速度,阻止了污垢的形成;同時(shí)在靜電場(chǎng)的作用下,水分子增加了與碳酸鹽、硫酸鹽等正負(fù)離子的水和能力,因而加快了對(duì)已在管壁和設(shè)備壁面上形成水垢的溶解速度,使已形成的水垢逐漸松散、龜裂,直至脫落,達(dá)到除垢的目的。同時(shí)高壓靜電場(chǎng)還會(huì)使水體中產(chǎn)生一定的電子密度,將溶解在水中的空氣與水體一起產(chǎn)生如O2-、H2O2、羥基自由基等活性氧,這些活性氧可有效地把系統(tǒng)中的管道和設(shè)備表面進(jìn)行氧化,使其表面形成一層微薄的氧化膜,隔絕水中的氧與金屬壁面直接接觸,達(dá)到防腐蝕的目的;這些活性氧還能破壞生物細(xì)胞的離子通道,改變細(xì)菌和藻類的生物場(chǎng),起到殺菌滅藻的作用,其效果比氯氣好得多。
2原工業(yè)循環(huán)水使用情況
山東省冶金建設(shè)開發(fā)公司為解決循環(huán)水在系統(tǒng)管道和設(shè)備壁面上結(jié)垢的問(wèn)題,曾根據(jù)循環(huán)水的分析結(jié)果每周向水中添加阻垢緩蝕劑,并根據(jù)其濃縮倍數(shù)的高低,不定期換水,以求達(dá)到防垢緩蝕的目的。在炎熱的夏季里,還要向循環(huán)水中加入適量的JS-36型殺菌剝離劑進(jìn)行殺菌滅藻,有時(shí)為減少費(fèi)用,還向循環(huán)水中加入少量的氯水代替殺菌劑。盡管采取了防垢除藻的措施,但仍不能根除管道和設(shè)備壁面上結(jié)垢、生藻的現(xiàn)象,特別是在一些溫度偏高、流速過(guò)緩的設(shè)備傳熱壁面上還會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象,比如在一級(jí)氯氣冷卻器的列管外壁上就因結(jié)垢嚴(yán)重,使流經(jīng)一級(jí)冷卻器出來(lái)的氯氣溫度高達(dá)60℃,給二級(jí)冷卻器增加了更大的負(fù)擔(dān),這樣就使為二級(jí)冷卻器供5℃水的機(jī)組必須增加運(yùn)行的負(fù)荷,才能滿足冷卻的需要,為此在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的5℃水機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)不減載或自停的現(xiàn)象,使氯氣的冷卻效果難有保障,造成氯氣中的含水量有時(shí)超過(guò)3×10-4指標(biāo)的要求,為此迫使電解生產(chǎn)在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行,降低了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。該公司于2008年5月新上了1臺(tái)用來(lái)生產(chǎn)氯化氫氣體的石墨二合一爐,該設(shè)備在運(yùn)行不到1個(gè)月的時(shí)間,其石墨外壁就出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象,影響石墨的傳熱性,同時(shí)加上爐膛內(nèi)的爐溫比較高,使二合一爐內(nèi)的石墨外壁在燃燒火焰處出現(xiàn)了石墨龜裂和剝落,導(dǎo)致加在循環(huán)水中的防垢劑不起作用,這樣,造成了石墨爐的石墨外壁出現(xiàn)過(guò)5次龜裂和剝落,導(dǎo)致頻繁地開停爐,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。當(dāng)出現(xiàn)輕度石墨剝落時(shí),用酚醛進(jìn)行粘接維修,當(dāng)剝落嚴(yán)重時(shí)還要把石墨爐體送回廠家去更換一段新的筒體,而在每次修復(fù)以后,都要對(duì)爐夾套進(jìn)行酸洗處理,二合一石墨爐就這樣斷斷續(xù)續(xù)地開了1年多。因石墨外壁的剝落,導(dǎo)致爐夾套內(nèi)的冷卻水濺進(jìn)爐膛內(nèi),致使?fàn)t膛內(nèi)的石英燈頭損壞4套,使生產(chǎn)受到很大影響。
3循環(huán)水系統(tǒng)中安裝離子棒后的使用情況
3•1初次使用的情況
鑒于上述原因,于2009年3月在循環(huán)水的總管和送去鹽酸生產(chǎn)工序的支管路上各安裝了1臺(tái)高壓靜電離子棒,通電運(yùn)行1周后,循環(huán)水質(zhì)硬度上升十分迅速,Ca2+含量由原來(lái)的300mg/L上升到726mg/L。于是進(jìn)行不定期地?fù)Q水,如此持續(xù)運(yùn)行了2個(gè)多月,水質(zhì)一直處在渾濁狀態(tài),在此期間,特別關(guān)注鹽酸工序中石墨二合一爐的運(yùn)行情況,并利用停爐的機(jī)會(huì),排凈夾套內(nèi)存水,打開安裝在二合一爐下部金屬外殼上的玻璃視鏡法蘭,檢查其石墨外壁的結(jié)垢情況,發(fā)現(xiàn)石墨外觀基本呈原色,沒有明顯結(jié)垢的現(xiàn)象發(fā)生。于是用自來(lái)水把夾套底部沉積的淤泥沖洗干凈,再開車運(yùn)行。直到2009年6月中旬,由于氣溫驟然升高,1臺(tái)循環(huán)水泵的流量明顯不足,工序上各物料的冷卻效果不理想,便開啟了循環(huán)水工序的3#備用泵。但因?yàn)?#泵入口的管口距池底部距離短,所以把沉積在池底部的淤泥和水一起抽上來(lái),導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)水的水質(zhì)變得渾濁,其濁度高達(dá)4×10-5。在這種情況下,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行了10天左右便發(fā)現(xiàn)鹽酸二合一石墨爐的石墨外壁又出現(xiàn)爆壁剝落的現(xiàn)象,而且從一級(jí)鈦冷卻器里出來(lái)的氯氣溫度也由原來(lái)的46~48℃上升到59~61℃,進(jìn)出冷卻器的循環(huán)水的溫差變化也很小,因此判斷一級(jí)鈦管冷卻器的列管上又結(jié)垢了。
3•2離子棒失靈原因與解決措施
離子棒在循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用的一段時(shí)間里,確實(shí)在管道和設(shè)備上起到了除垢防垢的作用,而且效果十分明顯,可是在離子棒應(yīng)用3個(gè)月后出現(xiàn)失靈,為此,分析查找原因。先把鹽酸工序石墨二合一爐內(nèi)的存水放凈,在放水的過(guò)程中,爐夾套內(nèi)的存水都變成泥漿狀,濁度非常高。把安裝在鹽酸工序循環(huán)水支管路上的離子棒卸下來(lái)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)整個(gè)離子棒的表面上都粘滿了淤泥,厚約有1•5mm。在擦拭離子棒上的淤泥后測(cè)試其靜電場(chǎng)的性能不變,但粘滿淤泥的離子棒的電性卻大大地減弱。因此認(rèn)為,導(dǎo)致離子棒失靈的原因是循環(huán)水的濁度高于指標(biāo)要求2×10-5以下。離子棒上被循環(huán)水中的淤泥粘滿,導(dǎo)致其通電時(shí)的靜電場(chǎng)衰弱,再加上石墨二合一爐夾套內(nèi)的水流速緩慢,濁度高的水中的淤泥便逐漸沉積在夾套內(nèi),導(dǎo)致循環(huán)水在局部環(huán)境里的濁度很高,改變了夾套內(nèi)循環(huán)水的自由靜電場(chǎng),所以在爐夾套內(nèi)溫度偏高的底部石墨外壁上又重新出現(xiàn)一層軟垢,從而影響了石墨的傳熱性能,再次導(dǎo)致石墨外壁出現(xiàn)爆壁剝落的現(xiàn)象?；谏鲜鲈?在電解停車換電槽時(shí)停止循環(huán)水泵的運(yùn)行,檢查安裝在總管上的離子棒,發(fā)現(xiàn)棒上也吸附一層薄薄的軟泥。與此同時(shí),在處理一級(jí)鈦管氯氣冷卻器夾套內(nèi)存水時(shí),同樣也發(fā)現(xiàn)排放出的存水夾帶著大量的淤泥。為徹底把夾套內(nèi)的淤泥清理干凈,開啟循環(huán)水泵沖洗夾套內(nèi)的列管間隙,于是大量的淤泥隨水被沖洗出來(lái),這證明了電子離子棒在除垢、防垢方面是有效果的。為使電子離子棒能更好地發(fā)揮其作用,把鹽酸工序的石墨二合一爐上的冷卻水進(jìn)口改為兩路:一路仍沿原路走底部;另一路在爐壁上重新開一直徑為50mm的進(jìn)水口,在爐火燃燒部位進(jìn)水,使大量的冷卻水從這里進(jìn)去,直接去冷卻爐膛內(nèi)的高溫處,盡量使該處的水流呈湍流狀態(tài),從而避免水中懸浮雜質(zhì)被吸附在石墨外壁;而從底部的進(jìn)水量被控制得很小,處于穩(wěn)流狀態(tài),以便讓循環(huán)水中的淤泥沉降下來(lái),并定期排放,以徹底解決石墨二合一爐夾套內(nèi)結(jié)垢的問(wèn)題。為了使電子除垢的效果更好,在去氯氫處理工序冷卻水的支管上增加1臺(tái)同樣的電子離子棒,使水中靜電場(chǎng)的強(qiáng)度能與所要冷卻的設(shè)備總量相匹配,確保整個(gè)氯氫處理系統(tǒng)內(nèi)的每1臺(tái)設(shè)備都能在強(qiáng)的水中靜電場(chǎng)保護(hù)之中,完全實(shí)現(xiàn)除垢、防垢的目的。為使循環(huán)水中的濁度能降低到最低水平,從而增加換熱界面的冷卻效率,提高設(shè)備的工作能力,讓電子離子棒處在正常的濁度要求范圍內(nèi)工作。最終決定把導(dǎo)致水質(zhì)變渾濁的3#水泵停下,開啟2#水泵和1#水泵一起為系統(tǒng)供水,因此避免了循環(huán)水池中的淤泥在循環(huán)水系統(tǒng)中反復(fù)地流動(dòng)和沉積。同時(shí)還借鑒兄弟廠家循環(huán)水運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn),把原來(lái)閑置未用的砂濾器用來(lái)過(guò)濾循環(huán)水和向循環(huán)水池中補(bǔ)充的自來(lái)水(黃河水),讓循環(huán)水中被離子棒除下來(lái)的淤泥和懸浮物一起被砂濾器過(guò)濾下來(lái),保證循環(huán)水質(zhì)的穩(wěn)定和減少排水量,并要求定期排放被冷卻設(shè)備內(nèi)的底部存水,進(jìn)一步解決溫度高、流速慢的設(shè)備內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)不穩(wěn)的問(wèn)題。通過(guò)采取以上有效的措施,循環(huán)水的濁度小于5×10-6,Ca2+含量小于3×10-4,完全達(dá)到了離子棒工作條件的要求,因而電子離子棒在循環(huán)水系統(tǒng)中更好地發(fā)揮了其除垢、防垢以及殺菌滅藻的作用。
4靜電離子水處理離子棒的優(yōu)越性
在循環(huán)水系統(tǒng)中使用靜電水處理離子棒比加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑時(shí)的水質(zhì)更清、更好,同時(shí)還有以下優(yōu)點(diǎn):(1)減少了加藥時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度,只需定期地巡檢電子離子棒的運(yùn)行是否正常即可。(2)應(yīng)用電子離子棒是一次性投資,可以使用8~10年,因此節(jié)省了購(gòu)買阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑的費(fèi)用,每年可節(jié)約費(fèi)用3萬(wàn)余元,同時(shí)還比原來(lái)少排2/3的水量。過(guò)濾循環(huán)水的砂濾器每周只需強(qiáng)制反沖1次,而每次用水量?jī)H為30mL左右。(3)因?yàn)樗|(zhì)穩(wěn)定,也減少了水質(zhì)分析頻率和分析費(fèi)用。水質(zhì)分析由原來(lái)的每天1次,可改為每周1次,1年就可以節(jié)約分析費(fèi)用達(dá)3萬(wàn)余元。(4)電子離子棒替代化學(xué)法處理循環(huán)水,使操作和管理簡(jiǎn)單化,節(jié)約了勞動(dòng)力,也避免了因人工加藥不規(guī)范而引起的不良后果。
5應(yīng)用高壓靜電離子棒時(shí)的注意事項(xiàng)
(1)必須有良好的接地設(shè)施,系統(tǒng)內(nèi)的水必須全部持續(xù)地流過(guò)靜電場(chǎng)。(2)離子棒只能安裝在金屬管道上,必須與金屬管道形成穩(wěn)流的靜電場(chǎng),且管徑不能小于76mm,長(zhǎng)度不得小于20m(非金屬管道使用時(shí),需要輔助電極)。(3)對(duì)于已有嚴(yán)重結(jié)垢的老系統(tǒng),要時(shí)刻注意局部排污或?qū)λM(jìn)行過(guò)濾,以防對(duì)管路和設(shè)備堵塞,造成設(shè)備內(nèi)部局部水的濁度大于2×10-5,使電子離子棒失效。(4)要注意加強(qiáng)對(duì)流速緩慢和溫度偏高設(shè)備的底部循環(huán)水進(jìn)行定期排污。(5)要根據(jù)水質(zhì)的濁度情況,不定期地對(duì)離子棒表面進(jìn)行淤泥清理,以確保其良好的使用效果。
6結(jié)語(yǔ)
靜電離子水處理離子棒在循環(huán)水上的成功應(yīng)用,是在管道和設(shè)備上采用新的除垢、防垢、殺菌滅藻方法上實(shí)現(xiàn)了新的突破,在循環(huán)水系統(tǒng)中真正地實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水排放綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的。