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1.冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水廣泛應(yīng)用于鋼鐵,能源,化工,輕工,食品等各大工業(yè)領(lǐng)域；中央商務(wù)樓,商場,賓館,文化設(shè)施的中央空調(diào)。據(jù)不完全統(tǒng)計資料表明全國工業(yè)用冷卻水用量占全部工業(yè)用水的80%以上，取水量占40%，是我國水資源zui大的用戶之一。

冷卻水是通過蒸發(fā)實現(xiàn)熱交換來達到降低水溫，可供循環(huán)使用。冷卻溫差一般為2～5℃，溫差要求越大，水的蒸發(fā)量就越多，需大量補充水，參見下表。

例如在循環(huán)流量為1000GPM的系統(tǒng)中：

冷卻塔水溫差（℃）每天蒸發(fā)水量（噸）每年蒸發(fā)水量（噸）

5～654．519900

10～1110939800

我國冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)在線運行的實際總量，資料上難以統(tǒng)計。

2.冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)本身存在的三大問題

2.1 結(jié)垢

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中管道內(nèi)外表面結(jié)垢的主要成分是鈣鹽與鎂鹽，它們的溶解度隨溫度的增高而降低。當(dāng)循環(huán)冷卻水與加熱表面接觸時，如果溫度超過了化合物的溶解度時柴油檢測儀，這類鹽就會沉積在加熱表面上。

結(jié)垢的厚度與熱效的關(guān)系參見表1。

表1 結(jié)垢的厚度與熱效的關(guān)系

結(jié)垢厚度 （mm）0．150．30．610．841．22

熱效損失 （%）5．310．821．532．243．0

2.2 生物膜

循環(huán)冷卻水適宜的溫度，大量不清潔的空氣，以及被太陽直射開放的集水池等諸多條件，均有利于各種微生物的生存與繁殖，圖3是生物膜的放大形態(tài)。

圖3 生物膜的放大形態(tài)

大量的實地實驗證明，清潔的換熱器管道內(nèi)外表面是不易形成積垢的，無機物沉淀后的垢質(zhì)是一種疏松的粉末，很容易被水流沖走。但微生物一旦生成，繼而產(chǎn)生生物膜，無機物沉淀與生物膜結(jié)合催生的聚合物，將會很難處理。

2.3 軍團菌

軍團菌是一種菌種的總稱，屬革蘭氏陰性，嗜氧，干狀菌，其大小約為2～5×0.3～0.9微米，能隨水氣,水滴進入人體呼吸道而寄生肺組織細胞內(nèi)。

表2 幾種微生物細菌的世代期

微生物名稱世代時間（分鐘）

蠟狀芽孢桿菌18

覃狀芽孢桿菌28

嗜熱芽孢桿菌13．8

巨大芽孢桿菌32

假單胞桿菌9．8

嗜酸乳酸菌66～90

乳鏈球菌26

小球菌8．5

人們一旦被軍團菌所感染，一種較輕的軍團菌叫“傍帝亞克病”，病人類似重感冒，一般不會轉(zhuǎn)成肺炎，只需對癥下藥，通常7～10天內(nèi)可治愈；另一種被稱為“嗜肺軍團病”，感染潛伏期2～10天，病情發(fā)作呈現(xiàn)典型的肺炎病癥。

1987年北京發(fā)現(xiàn)軍團病以后，我國已將其納入傳染病防治名單。

軍團菌普遍存在于水環(huán)境中，其存活,繁殖的溫度條件是20～58℃（zui佳35～46℃）。

由冷卻塔等設(shè)備形成的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是軍團菌容易生存,繁殖的場所之一，同時可借助冷卻塔冷卻風(fēng)機，將軍團菌散布至都市各個角落，對人體產(chǎn)生極大的危害之隱患。

3.簡述傳統(tǒng)處理方法與問題

傳統(tǒng)處理循環(huán)冷卻水的方法主要是加入化學(xué)藥品來抑制微生物生長和結(jié)垢，但因水中藥品和無機鹽隨水的蒸發(fā)而濃度增加，這樣必須排放部分含藥和無機鹽的冷卻水，同時及時補充清潔水。傳統(tǒng)處理方法帶來的問題：

?系統(tǒng)用水量增加和大量排水，間接導(dǎo)致水費增加；

?微生物的抗藥性，要求及時地,適時地改變藥品；盡管如此，結(jié)垢問題,生物膜,軍團菌三大問題還是不能徹底解決；

?前二項，導(dǎo)致系統(tǒng)需要長期操作和維護的費用增加；

3.4 隨著中國GPT的增長，環(huán)境保護及其執(zhí)行法規(guī)標準一再提高，直接涉及的有：

⑴ 給水,排水,排污水都須交納稅費，且費用逐步提高；

⑵ 含有化學(xué)藥品,致病細菌等的循環(huán)冷卻水（不經(jīng)過處理的水），不得直接排放。

3.5 復(fù)雜的技術(shù)和管理，要求操作人員的從業(yè)水平較高。

我國的各行業(yè)使用循環(huán)冷卻水是大量的，從中水資源的浪費不少，更可怕的是其中帶有致病菌使接觸人群處于危險之中。二十一世紀的科學(xué)技術(shù)水平以及發(fā)展，帶來較為成熟的水處理技術(shù)——臭氧的應(yīng)用。

4.臭氧

自然界通常在電閃雷鳴時，會產(chǎn)生大量的臭氧；但極不穩(wěn)定水中臭氧，易揮發(fā)。1783年荷蘭人發(fā)現(xiàn)了合成臭氧；1840年德國人在實驗室生產(chǎn)出臭氧；1906年法國人利用臭氧給水消毒；1937年美國人首先在商業(yè)上應(yīng)用臭氧給大型游泳池消毒。

1857年，Werner Siemens發(fā)明了通過靜電釋放而產(chǎn)生臭氧的方法。

臭氧的比重較空氣重，在循環(huán)冷卻水中一般存于水的表面（臭氧極易在常溫空氣中揮發(fā)，很少溶解于水）。根據(jù)Henny’s定律，臭氧的濃度大一些,臭氧的表面積適當(dāng)，就可容易地被水溶解。

臭氧的壽命一般在空氣中存在有4～12小時；在水中有1～30分鐘（一般只有20分鐘，當(dāng)處理污水,污物或負荷較大時，只有1～4分鐘）。事實是壓力,溫度,露點,PH值對其壽命都有很大的影響。例如45℃以上，使用臭氧的效果不是很好。

臭氧O3是公認的一種強氧化劑,消毒劑。

臭氧被正式應(yīng)用在循環(huán)冷卻水處理技術(shù)上，是1991年的美國。美國能源部,戰(zhàn)略環(huán)境研究和發(fā)展計劃,聯(lián)邦技術(shù)警示局,新技術(shù)示范項目等國家單位長期追蹤，并從54個節(jié)能新技術(shù)的市場實踐研究結(jié)果中篩選出來。美國能源部對此項技術(shù)的總體評價：用臭氧對冷卻塔進行維護處理在節(jié)省操作和維護費用方面都具有很大的潛力，原因是：

表3 殺生劑的殺菌效果比較

名 稱漂白劑氯溴季銨臭氧

水藻好好好極好極好

普通病菌極好極好好好極好

軍團病菌好好好一般極好

4.1 殺生作用：少量的臭氧就可起到強力的殺生劑作用，從而可減少或幾乎不需要排放為降低冷卻塔系統(tǒng)有機和無機物濃度的冷卻水，同時還可以減少冷卻水中的化學(xué)藥品添加量；表3是殺生劑的殺菌效果比較。

4.2 消除生物膜，提高熱交換效率：在正確安裝和操作的系統(tǒng)中，細菌數(shù)減少，從而熱交換器表面的生物膜積結(jié)可減少到zui低程度。結(jié)果，所使用的能量減少，冷卻塔工作效率提高，所需維護減少，有利于環(huán)保，排放的廢水也能達到排放標準；

4.3 一定的阻蝕作用：臭氧是一種腐蝕促進劑，不是一種阻蝕劑。然而，在清潔的系統(tǒng)（不是受生物或化學(xué)污染的系統(tǒng)）中臭氧容易起到阻蝕劑的作用。

5.臭氧技術(shù)在循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用

5.1 氧化技術(shù)

氧化技術(shù)，簡稱AOP（Advanced Oxidation Process）,是一種非常有效處理難降解有機物的專有技術(shù)。主要是利用紫外線（UV）,過氧化氫（H2O2）,臭氧（O3）等，在一定條件下可產(chǎn)生羥基游離基等強氧化劑，能強力分解有機物,微生物，來處理冷卻水。

表4是各種強氧化劑的氧化性能。

表四 各種強氧化劑的氧化性能

氧化劑OHOO3H2O2HOClCl2Cl02O2

氧化性能（V）2.802.422.071.781.491.361.271.23

氧化技術(shù)處理循環(huán)冷卻水有許多特點：

⑴ 幾乎能與冷卻水中大部分的有機污染物起反應(yīng)，使之?dāng)嗔褳樾》肿踊蛘邚氐籽趸癁槎趸?水,無機鹽,氧氣等，一般不產(chǎn)生新的污染；

⑵ 以很低的濃度就能殺滅微生物，且不產(chǎn)生抗藥性；

⑶ 容易實現(xiàn)自動控制。等

5.2 臭氧是強大的微生物殺滅劑

冷卻水中含有0.1毫克/升的臭氧存在，3小時后可破壞70～80%生物膜；當(dāng)水中殘留0.4毫克/升的臭氧時，2～3分鐘即可100%地殺滅制造生物膜細菌。維持這一條件可阻止其再生長。

臭氧殺滅細菌的速度比氯高3200倍，其能效強50倍。

由于臭氧是直接破壞細胞壁，完全殺滅細菌而不會產(chǎn)生免疫抗藥性。

經(jīng)臭氧處理后的冷卻塔循環(huán)水總菌落數(shù)為100～1000cfu/ml，比化學(xué)法處理后的1000000 cfu/ml低了1千至1萬倍。

5.3 臭氧為何能防腐蝕

在低濃度含臭氧的水中PH值為8～9，這一條件不利于化學(xué)腐蝕的發(fā)生；其次，由于臭氧分解產(chǎn)生的氧原子能與鐵離子反應(yīng)，使鐵管表面形成致密的γ-氧化鐵鈍化膜，對系統(tǒng)產(chǎn)生保護作用；第三，臭氧能有效殺滅噬硫噬鐵等微生物，切斷了腐蝕源。

只要把臭氧控制在一定濃度范圍，就能夠達到防腐蝕的目的。實驗表明：經(jīng)臭氧處理的水質(zhì)控制總堿度大于240毫克/升，ORP為550以下時，有zui佳的防腐蝕效果。

表五是常用材料的腐蝕率。

5.4 臭氧為什么能阻垢

臭氧不能直接攻擊垢的主要成分如碳酸鈣，但臭氧在氧化過程中會生成（OH）,（HO2）,（O3-）,（H2O2）等自由基中間產(chǎn)物，氧化垢基質(zhì)中的有機物，使垢變松并脫落。

脫落的垢基需人工的方法去除。

表5 使用臭氧在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行條件下常用材料的腐蝕率

材料銅鎳合金（70：30）黃銅灰鑄鐵軟鋼鋁

腐蝕率mpy0.01～0.020.01～0.021.3～1.80.7～0.80.01～0.02

注：mpy為密耳/年，1密耳=2.54mm

6.冷卻塔臭氧處理系統(tǒng)的基本構(gòu)成

冷卻塔臭氧處理系統(tǒng)大多數(shù)由空氣預(yù)制裝置（空氣干燥器,空氣壓縮機）,臭氧發(fā)生器,臭氧與水接觸裝置（文丘里混合器）,自動控制儀器等組成。

臭氧可用氣泡擴散法,正壓注入法,逆流氣泡接觸法,渦輪混合法等溶解于水中，但更合適地冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的臭氧融合裝置氯氣檢測儀，還是文丘里管加靜態(tài)混合器,噴射器加靜態(tài)混合器。

空氣經(jīng)壓縮干燥后（純氧制臭氧效果更佳，氧氣濃度提高6%，臭氧的得率會提高16%），在臭氧發(fā)生器中電離產(chǎn)生臭氧；臭氧一般通過冷卻塔循環(huán)水的側(cè)流加入，此處的水溫zui低（實驗表明：臭氧宜在40℃以下工作，此時臭氧在循環(huán)水中的溶解度小于3毫克/升；能低于37.7℃以下），能將zui大量的臭氧溶入水中。

臭氧量在工程應(yīng)用上，已成功的經(jīng)驗：

⑴ 瓶裝水 0.7ppm

⑵ 廢水 5.0～8.0ppm

⑶ 冷卻塔 0.1～0.4ppm

7.臭氧應(yīng)用于循環(huán)冷卻水的案例

20世紀70年代末期，臭氧技術(shù)被應(yīng)用于冷卻塔的水處理。

7.1 NASA（美國航空航天局）

1984～1985年對一個600噸的冷卻塔進行了試驗，采用固態(tài)臭氧發(fā)生器（電耗比變壓器/玻璃-電極式發(fā)生器要小60%）。

試驗結(jié)果是冷卻塔上水垢變松，脫落；細菌數(shù)要減少4個數(shù)量級，濁度要降低8倍；冷凝器管道清潔如新。

問題是臭氧對鍍鋅鋼管,銅制件,尼龍制件等材料有腐蝕，zui后換上PVC,不銹鋼制件。

7.2 肯尼迪航空航天中心

4臺陶瓷充填的水泥冷卻塔，用于溫濕度控制的空調(diào)系統(tǒng)，每臺容量為2500噸（8750KW）。

由于美國環(huán)保法規(guī)的嚴格，不能再象以往將冷卻塔循環(huán)水排入地面水，為了減少排放水，就安裝了臭氧系統(tǒng)（每100噸冷卻容量3～6克/小時臭氧）。在不到1年的時間內(nèi)，大大地減少了廢水排放。

實用結(jié)果是每年節(jié)水3500萬加侖（1億3千5百萬升）。

7.3 我國的北京恒動科技開發(fā)有限責(zé)任公

司在燕山石化影劇院空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)中使用了臭氧處理技術(shù)，已成功運行了四年。

8.結(jié)論

2004年1月法國加萊海峽省的埃克森-美孚屬下兩家工廠和當(dāng)?shù)佧溈鲜砥瑥S，爆發(fā)“軍團病”，導(dǎo)致10多人死亡。

2004年初水中臭氧，北京市疾病預(yù)防控制中心對14家飯店,38個冷卻塔檢查，發(fā)現(xiàn)12家飯店,21個冷卻塔的軍團菌超標；并稱在飯店,寫字樓的人群水中臭氧，軍團菌的感染率為9.9%，而一般人群不超過3.5%。

循環(huán)冷卻水處理，不僅要簡單地改善熱交換的效率，延長設(shè)備的使用期等；同時必須考慮社會利益。臭氧技術(shù)是解決這些問題的合適項目。

一項應(yīng)用技術(shù)能解決一個系統(tǒng)的全部問題，我認為很難，臭氧技術(shù)應(yīng)用在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)要解決本文中涉及的一些問題，同樣是不可能的。

臭氧技術(shù)確實能對改善循環(huán)冷卻水系統(tǒng)遇到的一些難題，但需要加強管理，同時還要輔助一些其他技術(shù)措施，根據(jù)單一循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的特例，強化水處理的效果。

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