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多晶硅厂循环冷却水系统水质稳定性分析与优化运行
更新时间:2016-12-01 来源:《净水技术》 作者:何银凤,李晓红,胥五一,周天茹,陈磊磊

摘要:针对多晶硅厂循环冷却水系统水质不稳定造成生产设备事故频发的问题,采用Puckorius 指数理论分析水质稳定性,研究了循环冷却水对设备腐蚀结垢的影响,结合现场实际提出可行的水处理指导。经一年运行监测表明水质指标稳定,设备运行情况平稳。

多晶硅企业是耗水大户,也是污水排放大户。循环水系统的有效实施将减少企业废水排放量和工业新水用量,可靠的水处理技术将充分保证生产装置安全、长周期运行,使企业获得社会效益、环境效益的同时兼顾经济效益。

1 多晶硅厂循环冷却水现状研究

黄河水电新能源公司工业用水主要包括循环冷却水和工业锅炉用水两套系统,其中冷却水系统属于敞开式。在生产中,冷却水通过换热器来冷却工艺介质,在换热过程中冷却水温度升高成为热水,热水再经过冷却塔蒸发冷却后循环使用。当冷却水通过冷却塔时被不断蒸发损失,水浓缩后含盐量增加,电导率上升; 与此同时,因水浓缩造成水中各种矿物质和离子含量成倍增加,特别是碳酸氢盐容易分解成垢。因此,从2012 年以来设备腐蚀事故频频发生,使生产工艺条件处于不正常状况。

1. 1 水体环境基本状况

通过2011 ~ 2013 年三年的水质指标的跟踪发现,水质变化较大。为了客观描述这种变化,以年为界,以每年每月的均值进行参数的对比,观察循环冷却水4 个主要指标的变化情况。

( 1) pH

图1 为2011 年~ 2013 年循环水pH 月均值对比图。由图1 可知生产初期( 2011 年6 月) 的pH 比较高,生产比较稳定。2013 年5 月前循环水pH 处于最低位,此阶段设备腐蚀最频繁。由图2 可知3 年内水中电导率变化明显,电导率的变化反映了含盐量的变化。当电导率处于最低位时含盐量相对较少,循环水导电能力较弱。

( 3) 总碱度

图3 为2011 年~ 2013 年循环水总碱度月均值对比图。由图3 可知循环水运行初期( 2011 年6 月) 碱度值较高,由于种种原因碱度不断降低,2013 年前半年达到最低。循环冷却水系统中的碱度基本上为碳酸盐碱度,且水中pH 与碱度密切相关,pH 随着碱度高低而变化。

( 4) 总铁

图4 为2011 年~ 2013 年循环水总铁月均值对比图。由图4 可知2012 年初循环水中铁离子浓度增加异常,说明金属被腐蚀,更换设备后恢复。但2013 年初铁离子浓度又持续增高,判断此时腐蚀是最严重时期。

1. 2 冷却水腐蚀和结垢趋势判断

水质对金属设备的腐蚀和在传热面上形成水垢的过程比较复杂,利用帕科拉兹( Puckorius) 结垢指数( P. S. I. ) 定性判断冷却水系统腐蚀和结构趋势[1]。

判断标准: P. S. I. = 2pHs - pHeq ( 1)

饱和pHs: pHs = ( 9. 70 + A + B) - ( C + D)( 2)

其中A———总溶解固体系数;

B———温度;

C———钙硬度,C = lg[Ca2 + ];

D———M-碱度( D = lg[M 碱度]) 。

平衡pHeq: pHeq = 1. 465lg[M - 碱度]+ 4. 54( 3)

其中M - 碱度—系统中水的总碱度( 以碳酸钙计) ,mg /L。

选择冷凝器( 设备代号: HE-22012) 工作环境中冷却水结垢指数计算的参数如表1 所示。由表1 可知2011 年投产期间循环冷却水P. S. I. 为5 . 19 ~ 8 . 82 ,水质在结垢、稳定、腐蚀之间变化。随着循环水的蒸发结垢等问题的出现,水中总碱度明显降低,水质变为腐蚀型。2012 年P. S. I. 为6 . 56 ~ 9 . 29 ,水质明显处于腐蚀型,总碱度仍然偏低。2013 年初P. S. I. 为7 . 59 ~ 9 . 41 ,水质腐蚀型达到最大,各种因素共同作用,管束陆续腐蚀泄露,到了设备承受极限。

1. 3 2011 年~ 2013 年初冷却水系统存在的主要问题

( 1) 水处理药剂投加效果及配套控制不理想。原采用无磷阻垢缓蚀剂,利用总锌浓度控制药剂量。但循环水中总锌浓度实测数据( 约1. 0 mg /L) 小于理论计算值( 2. 8 mg /L) 。后续补加药剂后,短期总锌浓度有所上升,但很快衰减,与药剂正常消耗不成比例。由此循环水中阻垢缓蚀剂的浓度不能准确判断,只能通过每天的补水量或排污量进行补加。

( 2) 浓缩倍数控制不稳定,变化较大。冷却水系统中浓缩倍数为2. 87 ~ 6. 9,变化较大,说明水质不稳定,这也是造成系统结垢、腐蚀的主要因素。

( 3) 系统浊度高,生物粘泥等较多。循环水浊度较高,基本超过20 NTU,甚至高达45 NTU。过多的粘泥等附着在设备上降低换热效率。

2 冷却水系统优化运行研究

西宁是典型的资源型缺水城市,系统补水采用地下水。水质硬度高、碱度高,且水中存在一定腐蚀性离子,随着水温、pH 上升及浓缩倍数的提高,结垢趋势更加严重。所以在确定水处理药剂及配套控制条件上要严格控制结垢,同时也要兼顾缓蚀。

2. 1 系统参数控制

现场试验时间为15 d,各参数变化如下。

( 1) 有机磷

2013 年7 月更换药剂,加入低磷阻垢缓蚀剂( W-2001) 300 kg。随后根据循环水水质化验数据不断调整药品的投加量和投加方式。通过检测循环水中有机磷指标来控制低磷阻垢缓蚀剂的药剂浓度,阻垢缓蚀剂的控制浓度为80 ~ 100 mg /L,阻垢缓蚀剂药剂的磷含量约3%,现场有机磷浓度变化如图5 所示。现场360 h( 15 d) 取样测试,循环水有机磷指标为3 ~ 4 mg /L,阻垢缓蚀剂浓度偏高,考虑到前期应用无磷配方时水质指标异常,总铁持续上升,缓蚀膜存在破坏的情况,故维持一段时间的药剂浓度高值,可以有效达到沉积补膜的目的[2],更好地保护水系统。

( 2) 循环水总铁指标

循环水在清洗预膜后正常运行中,循环水中总铁离子呈上升趋势,系统管路内存在一定的浮锈,在正常运行过程中由于药剂的分散性,使管路内浮锈缓慢分散剥离于循环水中,导致总铁离子浓度上升。系统优化前及改造14 d 后循环水池内铁管情况如图6 所示。

版权、出处:《净水技术》

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