冶金业循环水体系研究

1高压静电离子棒的工作原理

高压静电离子棒是当今世界上水处理领域中一种新的高科技产品,可广泛应用在以下领域的循环水中[1-4]:(1)热电行业上的冷却凝汽器、冷油器、冷风器;(2)钢铁冶金行业上各种加热炉的炉体系统;(3)炼油化工行业上各种反应器和冷却器;(4)空调制冷行业;(5)游泳池里用来杀菌灭藻,进行水质更新等。循环水在流经电子离子棒产生的高压静电场时,会受到离子棒周围产生的静电场的影响,使具有极性的H2O的偶极距增大,而溶解在水中的Ca2+、Mg2+和CO2-3等离子被这些水分子所包围,从而减少了彼此间的有效碰撞,降低了正负离子间的运行速度,阻止了污垢的形成;同时在静电场的作用下,水分子增加了与碳酸盐、硫酸盐等正负离子的水和能力,因而加快了对已在管壁和设备壁面上形成水垢的溶解速度,使已形成的水垢逐渐松散、龟裂,直至脱落,达到除垢的目的。同时高压静电场还会使水体中产生一定的电子密度,将溶解在水中的空气与水体一起产生如O2-、H2O2、羟基自由基等活性氧,这些活性氧可有效地把系统中的管道和设备表面进行氧化,使其表面形成一层微薄的氧化膜,隔绝水中的氧与金属壁面直接接触,达到防腐蚀的目的;这些活性氧还能破坏生物细胞的离子通道,改变细菌和藻类的生物场,起到杀菌灭藻的作用,其效果比氯气好得多。

2原工业循环水使用情况

山东省冶金建设开发公司为解决循环水在系统管道和设备壁面上结垢的问题,曾根据循环水的分析结果每周向水中添加阻垢缓蚀剂,并根据其浓缩倍数的高低,不定期换水,以求达到防垢缓蚀的目的。在炎热的夏季里,还要向循环水中加入适量的JS-36型杀菌剥离剂进行杀菌灭藻,有时为减少费用,还向循环水中加入少量的氯水代替杀菌剂。尽管采取了防垢除藻的措施,但仍不能根除管道和设备壁面上结垢、生藻的现象,特别是在一些温度偏高、流速过缓的设备传热壁面上还会出现较为严重的结垢现象,比如在一级氯气冷却器的列管外壁上就因结垢严重,使流经一级冷却器出来的氯气温度高达60℃,给二级冷却器增加了更大的负担,这样就使为二级冷却器供5℃水的机组必须增加运行的负荷,才能满足冷却的需要,为此在满负荷运行状态下的5℃水机组经常出现不减载或自停的现象,使氯气的冷却效果难有保障,造成氯气中的含水量有时超过3×10-4指标的要求,为此迫使电解生产在低负荷状态下运行,降低了生产经济效益。该公司于2008年5月新上了1台用来生产氯化氢气体的石墨二合一炉,该设备在运行不到1个月的时间,其石墨外壁就出现结垢的现象,影响石墨的传热性,同时加上炉膛内的炉温比较高,使二合一炉内的石墨外壁在燃烧火焰处出现了石墨龟裂和剥落,导致加在循环水中的防垢剂不起作用,这样,造成了石墨炉的石墨外壁出现过5次龟裂和剥落,导致频繁地开停炉,严重影响了生产的正常进行。当出现轻度石墨剥落时,用酚醛进行粘接维修,当剥落严重时还要把石墨炉体送回厂家去更换一段新的筒体,而在每次修复以后,都要对炉夹套进行酸洗处理,二合一石墨炉就这样断断续续地开了1年多。因石墨外壁的剥落,导致炉夹套内的冷却水溅进炉膛内,致使炉膛内的石英灯头损坏4套,使生产受到很大影响。

3循环水系统中安装离子棒后的使用情况

3•1初次使用的情况

鉴于上述原因,于2009年3月在循环水的总管和送去盐酸生产工序的支管路上各安装了1台高压静电离子棒,通电运行1周后,循环水质硬度上升十分迅速,Ca2+含量由原来的300mg/L上升到726mg/L。于是进行不定期地换水,如此持续运行了2个多月,水质一直处在浑浊状态,在此期间,特别关注盐酸工序中石墨二合一炉的运行情况,并利用停炉的机会,排净夹套内存水,打开安装在二合一炉下部金属外壳上的玻璃视镜法兰,检查其石墨外壁的结垢情况,发现石墨外观基本呈原色,没有明显结垢的现象发生。于是用自来水把夹套底部沉积的淤泥冲洗干净,再开车运行。直到2009年6月中旬,由于气温骤然升高,1台循环水泵的流量明显不足,工序上各物料的冷却效果不理想,便开启了循环水工序的3#备用泵。但因为3#泵入口的管口距池底部距离短,所以把沉积在池底部的淤泥和水一起抽上来,导致整个循环水的水质变得浑浊,其浊度高达4×10-5。在这种情况下,整个系统运行了10天左右便发现盐酸二合一石墨炉的石墨外壁又出现爆壁剥落的现象,而且从一级钛冷却器里出来的氯气温度也由原来的46~48℃上升到59~61℃,进出冷却器的循环水的温差变化也很小,因此判断一级钛管冷却器的列管上又结垢了。

3•2离子棒失灵原因与解决措施

离子棒在循环水系统应用的一段时间里,确实在管道和设备上起到了除垢防垢的作用,而且效果十分明显,可是在离子棒应用3个月后出现失灵,为此,分析查找原因。先把盐酸工序石墨二合一炉内的存水放净,在放水的过程中,炉夹套内的存水都变成泥浆状,浊度非常高。把安装在盐酸工序循环水支管路上的离子棒卸下来进行检查,发现整个离子棒的表面上都粘满了淤泥,厚约有1•5mm。在擦拭离子棒上的淤泥后测试其静电场的性能不变,但粘满淤泥的离子棒的电性却大大地减弱。因此认为,导致离子棒失灵的原因是循环水的浊度高于指标要求2×10-5以下。离子棒上被循环水中的淤泥粘满,导致其通电时的静电场衰弱,再加上石墨二合一炉夹套内的水流速缓慢,浊度高的水中的淤泥便逐渐沉积在夹套内,导致循环水在局部环境里的浊度很高,改变了夹套内循环水的自由静电场,所以在炉夹套内温度偏高的底部石墨外壁上又重新出现一层软垢,从而影响了石墨的传热性能,再次导致石墨外壁出现爆壁剥落的现象。基于上述原因,在电解停车换电槽时停止循环水泵的运行,检查安装在总管上的离子棒,发现棒上也吸附一层薄薄的软泥。与此同时,在处理一级钛管氯气冷却器夹套内存水时,同样也发现排放出的存水夹带着大量的淤泥。为彻底把夹套内的淤泥清理干净,开启循环水泵冲洗夹套内的列管间隙,于是大量的淤泥随水被冲洗出来,这证明了电子离子棒在除垢、防垢方面是有效果的。为使电子离子棒能更好地发挥其作用,把盐酸工序的石墨二合一炉上的冷却水进口改为两路:一路仍沿原路走底部;另一路在炉壁上重新开一直径为50mm的进水口,在炉火燃烧部位进水,使大量的冷却水从这里进去,直接去冷却炉膛内的高温处,尽量使该处的水流呈湍流状态,从而避免水中悬浮杂质被吸附在石墨外壁;而从底部的进水量被控制得很小,处于稳流状态,以便让循环水中的淤泥沉降下来,并定期排放,以彻底解决石墨二合一炉夹套内结垢的问题。为了使电子除垢的效果更好,在去氯氢处理工序冷却水的支管上增加1台同样的电子离子棒,使水中静电场的强度能与所要冷却的设备总量相匹配,确保整个氯氢处理系统内的每1台设备都能在强的水中静电场保护之中,完全实现除垢、防垢的目的。为使循环水中的浊度能降低到最低水平,从而增加换热界面的冷却效率,提高设备的工作能力,让电子离子棒处在正常的浊度要求范围内工作。最终决定把导致水质变浑浊的3#水泵停下,开启2#水泵和1#水泵一起为系统供水,因此避免了循环水池中的淤泥在循环水系统中反复地流动和沉积。同时还借鉴兄弟厂家循环水运行的成功经验,把原来闲置未用的砂滤器用来过滤循环水和向循环水池中补充的自来水(黄河水),让循环水中被离子棒除下来的淤泥和悬浮物一起被砂滤器过滤下来,保证循环水质的稳定和减少排水量,并要求定期排放被冷却设备内的底部存水,进一步解决温度高、流速慢的设备内循环水水质不稳的问题。通过采取以上有效的措施,循环水的浊度小于5×10-6,Ca2+含量小于3×10-4,完全达到了离子棒工作条件的要求,因而电子离子棒在循环水系统中更好地发挥了其除垢、防垢以及杀菌灭藻的作用。

4静电离子水处理离子棒的优越性

在循环水系统中使用静电水处理离子棒比加阻垢缓蚀剂和杀菌灭藻剂时的水质更清、更好,同时还有以下优点:(1)减少了加药时的劳动强度,只需定期地巡检电子离子棒的运行是否正常即可。(2)应用电子离子棒是一次性投资,可以使用8~10年,因此节省了购买阻垢缓蚀剂和杀菌灭藻剂的费用,每年可节约费用3万余元,同时还比原来少排2/3的水量。过滤循环水的砂滤器每周只需强制反冲1次,而每次用水量仅为30mL左右。(3)因为水质稳定,也减少了水质分析频率和分析费用。水质分析由原来的每天1次,可改为每周1次,1年就可以节约分析费用达3万余元。(4)电子离子棒替代化学法处理循环水,使操作和管理简单化,节约了劳动力,也避免了因人工加药不规范而引起的不良后果。

5应用高压静电离子棒时的注意事项

(1)必须有良好的接地设施,系统内的水必须全部持续地流过静电场。(2)离子棒只能安装在金属管道上,必须与金属管道形成稳流的静电场,且管径不能小于76mm,长度不得小于20m(非金属管道使用时,需要辅助电极)。(3)对于已有严重结垢的老系统,要时刻注意局部排污或对水进行过滤,以防对管路和设备堵塞,造成设备内部局部水的浊度大于2×10-5,使电子离子棒失效。(4)要注意加强对流速缓慢和温度偏高设备的底部循环水进行定期排污。(5)要根据水质的浊度情况,不定期地对离子棒表面进行淤泥清理,以确保其良好的使用效果。

6结语

静电离子水处理离子棒在循环水上的成功应用,是在管道和设备上采用新的除垢、防垢、杀菌灭藻方法上实现了新的突破,在循环水系统中真正地实现了循环水排放绿色环保、节能降耗的目的。