【壓縮機網(wǎng)】前言
我公司某工廠有4臺某外資品牌離心式空壓機，配套4臺循環(huán)水泵，6個開式冷卻塔?？諝?a href="http://teamkylake.com" target="_blank" class="keylink">壓縮機24h運行，擔(dān)負著工廠生產(chǎn)所需壓縮空氣的供應(yīng)任務(wù)。4臺離心式空壓機運行已有10年時間，在運行過程當(dāng)中，多次出現(xiàn)因循環(huán)冷卻水對空壓機冷卻器產(chǎn)生影響，造成機組聯(lián)鎖停機，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。
水是大自然賦予人類最為寶貴的財富，是生命的源泉，是人類及一切生物賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一，但水資源缺乏已成為世界性的問題。水同時也是現(xiàn)代工業(yè)的血液，工業(yè)用水占城市供水量的80%左右，循環(huán)冷卻水又占工業(yè)用水的60%～80%。因此，要節(jié)約用水，著眼點應(yīng)放在合理使用冷卻水這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上。最主要的措施是提高循環(huán)水的利用率，提高濃縮倍數(shù)，減少補充水量，降低排污量，節(jié)約水處理藥劑的消耗量，降低循環(huán)水處理的成本。
本文通過分析，簡述制造企業(yè)如何對空壓機冷卻循環(huán)水進行軟化處理，降低冷卻系統(tǒng)換熱器的結(jié)垢傾向，提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。這既節(jié)約了大量的新鮮水和原材料，減少大量的排污水，又簡化了工藝操作，收到了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
1、空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和設(shè)備基本情況
1.1空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程見圖1.1，為獨立間冷開式系統(tǒng)，由冷卻塔、水池、風(fēng)機/水輪機、循環(huán)水泵、加藥系統(tǒng)、給回水管路等組成。水池循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵加壓到0.4MPa后送到空壓機冷卻系統(tǒng)進行換熱冷卻，換熱后回到總回水管，通過上塔管回到冷卻塔頂部，水從塔體的上部通過配水管均勻灑在填料層自上而下垂直落下，在填料層形成水滴或水膜，與風(fēng)機抽取的自下而上冷空氣逆流接觸進行換熱降溫，降溫后的水匯集到冷卻塔下方的水池。
循環(huán)水系統(tǒng)在運行過程中，由于水分蒸發(fā)、風(fēng)吹損失等情況使循環(huán)水系統(tǒng)中的水分越來越少，而水中各種礦物質(zhì)和金屬離子含量越來越多，為使循環(huán)水含鹽量維持在一定的濃度，必須不斷排出濃縮水、補充新鮮水，補水使用的是市政自來水，PH值7.5左右，總硬度<120mg/L，屬于低硬低堿度水質(zhì)，水質(zhì)較為穩(wěn)定。
1.2 離心式空壓機
該型空壓機是一種速度型離心式壓縮機。每臺壓縮機為整體組裝，安裝在一個鋼制底板上。其工作原理如圖1.2所示，空氣通過安裝在機組上的進氣調(diào)節(jié)閥進入壓縮機并流進第一級壓縮，葉輪將速度加給氣體，然后氣體進入靜止的擴壓器部分，在此處將速度轉(zhuǎn)化成壓力。內(nèi)置于機組中的中間冷卻器換熱帶走氣體壓縮過程中所產(chǎn)生的熱量，從而提高壓縮效率。然后氣體在流動的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器除去冷凝水。這樣的過程在每一個接續(xù)的階段重復(fù)，直到壓縮機達到了所要求的工作壓力。
該空壓機為3級壓縮，在每一壓縮級之后有一個筒狀管翅式中間冷卻器，水走殼程，氣走管程。管內(nèi)有翅片，空氣通過管道，冷卻水在管外同時反向流動，這樣的結(jié)構(gòu)具有非常高的換熱效率。冷卻水流過冷卻器后會有8℃左右的溫升，排氣溫度一般<47℃，達到49℃報警，達到52℃會自動停機。
2、循環(huán)水系統(tǒng)對空壓機運行的影響及對策
2.1空壓機級間冷卻器換熱器結(jié)垢
從歷次空壓機異常和檢修情況分析，循環(huán)水對空壓機級間冷卻器的影響主要是結(jié)垢。2021年2月和4月，先后有兩臺空壓機級間冷卻器溫度逐漸升高，由正常的47℃以下，升高至51℃，接近52℃的停車值，被迫停機檢修。冷卻器拆解抽芯后，發(fā)現(xiàn)換熱器水路管壁表面結(jié)垢嚴(yán)重，輕敲垢皮脫落，垢樣厚度1～2mm。
對垢樣成分委托第三方檢測，檢測結(jié)果見圖2.2。從檢測報告中可以看出，垢物從成分上看，主要成分組織是氧化鈣、碳酸根離子及氧化鎂，占總含量的97.95%，說明循環(huán)水系統(tǒng)中鈣、鎂離子過多，在換熱器管壁160℃左右高溫狀態(tài)下容易形成結(jié)垢，影響換熱效果。
2.2換熱器結(jié)垢成因分析
冷卻水經(jīng)換熱器換熱，產(chǎn)生如下反應(yīng)：
Ca2++2HCO3-→CaCO3+CO2+H2O
Mg2++2HCO3--→Mg(OH)2+2CO2
冷卻塔噴淋，水中溶解CO2逸出pH值升高，水呈堿性發(fā)生如下反應(yīng)：
Ca(HCO3)2+2OH-→CaCO3C+2H2O+CO32-
碳酸鈣從水中析出的過程，是微溶性鹽從溶液中沉淀的過程，碳酸鈣是鹽類，有離子晶格，以帶正電荷Ca2+部分向帶有負電荷的CO32-碰撞，彼此結(jié)合，形成較大晶體，進而形成覆蓋在傳熱面的結(jié)垢層。
現(xiàn)有循環(huán)水采用加藥阻垢，這在一定程度上減緩了管路和換熱器的結(jié)垢，但循環(huán)水加入阻垢劑不能降低水的硬度，而是改變形成水垢的鈣、鎂離子與碳酸根離子結(jié)合的特性，從而使水垢不能析出、沉積。從圖2.3 2001年2～4月循環(huán)水水質(zhì)控制圖看出，2～4月的水質(zhì)總硬度在400mg/L 左右，優(yōu)于控制標(biāo)準(zhǔn)（總硬度＜500），但還是出現(xiàn)了結(jié)垢的現(xiàn)象。
實際應(yīng)用中，對城市自來水為補水水源時，通常采用朗格利爾（Langelier）飽和指數(shù)（L.S.I）來判斷碳酸鈣沉淀趨勢。根據(jù)碳酸鈣的溶解平衡，朗格利爾推算L.S.I的簡化計算公式如下：
L.S.I＝PH-PHs＝PH-{9.3+A+B-(C+D)}
式中，Ph為水樣實測的pH值；
pHs為飽和pH值，碳酸鈣在水中呈飽和狀態(tài)時，重碳酸鈣既不分解為碳酸鈣，碳酸鈣也不會繼續(xù)溶解，此時的pH值稱為飽和的pH值。
A為總?cè)芙夤腆w系數(shù)，A=（lg[TDS]-1）/10，[TDS]單位為mg/L；
B為溫度系數(shù)，B=-13.2lg(t+273)+34.55，溫度單位為℃；
C為鈣硬度系數(shù)，C=lg[Ca2+（以CaCO3計）] -0.4，[Ca2+]單位為mol/L；
D為M堿度系數(shù)，D=lg[堿度（以CaCO3計）]，堿度單位為mol/L。
A、B、C、D系數(shù)換算可查表1。
根據(jù)循環(huán)水的LSI可判斷CaCO3沉淀的可能性如下：
LSI<0，即pH<pHs，說明水中的碳酸鈣處于未飽和狀態(tài)，仍能繼續(xù)溶解，水具有產(chǎn)生腐蝕的趨勢；
LSI>0，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，水具有產(chǎn)生碳酸鈣沉積的趨勢；
LSI=0，水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既不結(jié)垢，也無產(chǎn)生腐蝕的趨勢。
我公司采用的緩釋阻垢劑能控制LSI<2.6 的循環(huán)水的結(jié)垢趨勢。
以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，補水電導(dǎo)率237μS/cm，循環(huán)水電導(dǎo)率1171μs/cm，水側(cè)表面溫度按照LSI參數(shù)最高的80℃計算（實際在160℃左右）鈣硬度約為382mg/L，總堿度440mg/L，pH值8.83。計算后的LSI為3.04，超出藥劑的控制閾值2.6，這也說明了為何加了阻垢劑還是出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象。
2.3應(yīng)對設(shè)備結(jié)垢對策
根據(jù)系統(tǒng)的補水情況及阻垢劑所能對應(yīng)的極限LSI，我公司循環(huán)水極限濃縮倍數(shù)控制在4倍以下，實際按3.5倍進行管控。
2.3.1循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)現(xiàn)狀
濃縮倍數(shù)(N)表示循環(huán)水中的鹽類濃度與補充水中鹽類濃度之比：
N=CR÷CM=P÷(P2+P3+P4)
P=P1+P2+P3+P4
式中：CR一一循環(huán)水中的鹽類濃度，ppm
CM——補充水中的鹽類濃類，ppm
P一一補充水量，m3/h
P1一一蒸發(fā)損失，m3/h
P2一一風(fēng)吹損失，m3/h
P3一一泄漏損失，m3/h
P4一一排污量，m3/h
以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，濃縮倍數(shù)N=1171/237=4.94倍，高于4倍的極限濃縮倍數(shù)。
2.3.2對策后存在的問題
補水量及排污量計算
?、僬舭l(fā)損失P1
P1=K×Δt×Q=750×0.0015×8=9m3/h
K：系數(shù)（在環(huán)境溫度為24℃時，K=0.0015，2021年廣州市年平均氣溫24.0℃）
Δt：進出水溫差系統(tǒng)設(shè)計為Δt=8℃
Q：系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)水量750m3/h
②風(fēng)吹損失P2
P2=750×0.1%=0.75m3/h
對于機械通風(fēng)涼水塔，在有收水器的情況下，風(fēng)吹損失率為0.1%。
?、坌孤p失P3
P3=0m3/h
由于系統(tǒng)是密閉循環(huán)，機泵的泄漏可忽略不計。
④補水量P
∵N=P÷(P-P1)
∴P=N×P1÷（N-1）=3.5×9÷2.5=12.6m3/h
每天補水量：12.6×24=302.4m3/天
⑤理論排污量P4
P4=12.6-9-0.75-0=2.85m3/h
每天排污量：2.85×24=68.4m3/天
綜上所述，須每天排污68.4m3左右，才能將濃縮倍數(shù)降到3.5倍。
存在問題：
循環(huán)水系統(tǒng)每天需補水量302.4m3，補水后同時需補充相應(yīng)數(shù)量藥劑控制水質(zhì)，加入藥劑后須每天化驗、定時加藥，但受補水量、補水水質(zhì)、水溫和環(huán)境氣候變化、檢測手段及其精度等外界因素影響，水質(zhì)指標(biāo)難以精準(zhǔn)控制，設(shè)備結(jié)垢問題難以完全杜絕。
3、循環(huán)水軟化處理
3.1軟化方案選擇
軟化方法有藥劑軟化法或沉淀軟化法、離子交換軟化法、電滲析法、反滲透與超濾、蒸餾法等，由于水的硬度主要由鈣、鎂離子形成及表示，基于經(jīng)濟適用的原則，采用目前最常用的、效果穩(wěn)定準(zhǔn)確、工藝成熟的離子交換法。
離子交換法的工作原理是：離子交換樹脂是一種聚合物，帶有相應(yīng)的功能基團。鈉離子交換樹脂中帶有大量的Na+，Na+與水中的硬度成分Ca2+、Mg2+相交換，從而將水中的Ca2+、Mg2+吸附出來，使水的硬度下降。隨著樹脂內(nèi)Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低。當(dāng)樹脂吸收的Ca2+、Mg2+飽和之后，就必須進行再生。再生過程就是從鹽箱中吸入鹽水沖洗樹脂層，鹽水中的Na+再和樹脂上的Ca2+、Mg2+進行交換，交換出來的Ca2+、Mg2+隨再生廢液排出罐外，樹脂即可恢復(fù)軟化交換功能。
如以RNa代表鈉型樹脂，其交換過程如下：
2RNa+Ca2+=2RCa+2Na+
2RNa+Mg2+=2RMg+2Na+
即水通過鈉離子交換器后，水中的Ca2+、Mg2+被置換成Na+。由于鈉鹽的溶解度很高，所以就避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況。
3.2軟化系統(tǒng)設(shè)計
基于簡單實用的原則，在循環(huán)水系統(tǒng)中增加一套20m3/h軟化水處理設(shè)備。如圖3.1所示，從冷卻塔的回水管道中取出循環(huán)水，循環(huán)水回水壓力是0.35MPa，滿足軟水設(shè)備的進水使用壓力要求，循環(huán)水直接進入軟化水設(shè)備，設(shè)備運行基本上不需要電力，只靠進水壓力，采用虹吸原理吸鹽，自動注水化鹽、配比濃度，無須鹽泵、溶鹽等附屬設(shè)備，通過控制器即可實現(xiàn)程序控制自動運行、自動再生；軟化后的循環(huán)水返回冷卻塔重復(fù)使用。
3.3軟化設(shè)備調(diào)試及軟化性能保證
軟化處理能力：
樹脂的體積全交換容量：≥1900mmol/L，樹脂的工作交換容量：≥1200mmol/L（浙江爭光001*7強酸性陽樹脂ZGC107MB，按1500mmol/L）計算。
軟化樹脂罐容量900L；
空壓機冷卻系統(tǒng)采用軟化系統(tǒng)后，完全可以不用排污，實現(xiàn)0排放，每天補水量302.4m3下降到302.4-68.4=234m3，補水硬度120mg/L，約為3mmol/L（1mmolCa2+的質(zhì)量是40mg），出水0.03mmol/L。
每立方水中需要去除的硬度量為：
1000L×(3-0.03)mmol/L=2970mmol/m3
每天需要去除的硬度量為：
2970mmol/m3×234m3/天=694980mmol/天
軟化水設(shè)備所填樹脂的總工作交換容量是：
1500mmol/L×900L=1350000mmol。
所以，設(shè)備理論再生周期為：
1350000mmol÷694980mmol/天=1.9天
4、軟化處理實施效果
4.1水質(zhì)指標(biāo)情況：
經(jīng)3個月的運行時間驗證，循環(huán)水電導(dǎo)率1500μs/cm左右，鈣硬度約為99mg/L左右，總堿度433mg/L左右，pH值8.79左右。計算后的LSI也低于藥劑的控制閾值2.6，可有效控制循環(huán)水結(jié)垢傾向，濃縮倍數(shù)在6倍左右。在此高濃縮倍數(shù)下，水質(zhì)各項指標(biāo)仍能滿足冷卻系統(tǒng)的使用需求，達成了軟化設(shè)計的預(yù)期效果。
4.2經(jīng)濟效益：
?、俳档退M及污水處理費：使用軟化水后，污水排放由68.4m3降到11.1m3左右，每天補水量由302.4m3下降到245.1m3左右，每年可以節(jié)省自來水費8萬元、污水處理費26萬余元。
②日常運行費用：基本上是樹脂和工業(yè)鹽的消耗，但和減少投入的藥劑成本相抵，基本上不會增加運行費用。
?、劬S修費用：技改前，每年須對4臺空壓機冷卻器拆洗除垢一次，費用約為8萬余元。
綜上所述，每年可產(chǎn)生42萬余元的經(jīng)濟效益。當(dāng)年投資，當(dāng)年收益，經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯，值得推廣實施。
5、結(jié)束語
空壓機冷卻循環(huán)水軟化處理的實施，不僅滿足了生產(chǎn)的要求，簡化了操作，延長了設(shè)備的使用周期，提高了生產(chǎn)的安全可靠性，更重要的是還提高了循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，減少用水量及排污量，節(jié)約了大量的新鮮水及污水處理費用，節(jié)約了阻垢劑、鹽酸和燒堿等藥劑，減少了環(huán)境污染，開創(chuàng)了公司設(shè)備冷卻系統(tǒng)循環(huán)水軟化處理應(yīng)用的成功實例，取得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻
[1] 李統(tǒng)富，劉祥宇，循環(huán)水處理在空壓機冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用，工業(yè)水處理，2008(12):12
[2] 陳世通 循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢的原因分析及處理措施 氮肥技術(shù) 2015:36.3
[3] 任秀珍，劉偉 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的管理 貴州化工 2009(6):34.3
作者簡介
林義鋒，男，就職于東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，機械工程師。1998年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)，先后在東風(fēng)汽車公司、東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，從事過工藝技術(shù)、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、動力技術(shù)等工作。
來源：本站原創(chuàng)
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我公司某工廠有4臺某外資品牌離心式空壓機，配套4臺循環(huán)水泵，6個開式冷卻塔?？諝?a href="http://teamkylake.com" target="_blank" class="keylink">壓縮機24h運行，擔(dān)負著工廠生產(chǎn)所需壓縮空氣的供應(yīng)任務(wù)。4臺離心式空壓機運行已有10年時間，在運行過程當(dāng)中，多次出現(xiàn)因循環(huán)冷卻水對空壓機冷卻器產(chǎn)生影響，造成機組聯(lián)鎖停機，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。
水是大自然賦予人類最為寶貴的財富，是生命的源泉，是人類及一切生物賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一，但水資源缺乏已成為世界性的問題。水同時也是現(xiàn)代工業(yè)的血液，工業(yè)用水占城市供水量的80%左右，循環(huán)冷卻水又占工業(yè)用水的60%～80%。因此，要節(jié)約用水，著眼點應(yīng)放在合理使用冷卻水這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上。最主要的措施是提高循環(huán)水的利用率，提高濃縮倍數(shù)，減少補充水量，降低排污量，節(jié)約水處理藥劑的消耗量，降低循環(huán)水處理的成本。
本文通過分析，簡述制造企業(yè)如何對空壓機冷卻循環(huán)水進行軟化處理，降低冷卻系統(tǒng)換熱器的結(jié)垢傾向，提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。這既節(jié)約了大量的新鮮水和原材料，減少大量的排污水，又簡化了工藝操作，收到了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
1、空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和設(shè)備基本情況
1.1空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程見圖1.1，為獨立間冷開式系統(tǒng)，由冷卻塔、水池、風(fēng)機/水輪機、循環(huán)水泵、加藥系統(tǒng)、給回水管路等組成。水池循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵加壓到0.4MPa后送到空壓機冷卻系統(tǒng)進行換熱冷卻，換熱后回到總回水管，通過上塔管回到冷卻塔頂部，水從塔體的上部通過配水管均勻灑在填料層自上而下垂直落下，在填料層形成水滴或水膜，與風(fēng)機抽取的自下而上冷空氣逆流接觸進行換熱降溫，降溫后的水匯集到冷卻塔下方的水池。
循環(huán)水系統(tǒng)在運行過程中，由于水分蒸發(fā)、風(fēng)吹損失等情況使循環(huán)水系統(tǒng)中的水分越來越少，而水中各種礦物質(zhì)和金屬離子含量越來越多，為使循環(huán)水含鹽量維持在一定的濃度，必須不斷排出濃縮水、補充新鮮水，補水使用的是市政自來水，PH值7.5左右，總硬度<120mg/L，屬于低硬低堿度水質(zhì)，水質(zhì)較為穩(wěn)定。
1.2 離心式空壓機
該型空壓機是一種速度型離心式壓縮機。每臺壓縮機為整體組裝，安裝在一個鋼制底板上。其工作原理如圖1.2所示，空氣通過安裝在機組上的進氣調(diào)節(jié)閥進入壓縮機并流進第一級壓縮，葉輪將速度加給氣體，然后氣體進入靜止的擴壓器部分，在此處將速度轉(zhuǎn)化成壓力。內(nèi)置于機組中的中間冷卻器換熱帶走氣體壓縮過程中所產(chǎn)生的熱量，從而提高壓縮效率。然后氣體在流動的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器除去冷凝水。這樣的過程在每一個接續(xù)的階段重復(fù)，直到壓縮機達到了所要求的工作壓力。
該空壓機為3級壓縮，在每一壓縮級之后有一個筒狀管翅式中間冷卻器，水走殼程，氣走管程。管內(nèi)有翅片，空氣通過管道，冷卻水在管外同時反向流動，這樣的結(jié)構(gòu)具有非常高的換熱效率。冷卻水流過冷卻器后會有8℃左右的溫升，排氣溫度一般<47℃，達到49℃報警，達到52℃會自動停機。
2、循環(huán)水系統(tǒng)對空壓機運行的影響及對策
2.1空壓機級間冷卻器換熱器結(jié)垢
從歷次空壓機異常和檢修情況分析，循環(huán)水對空壓機級間冷卻器的影響主要是結(jié)垢。2021年2月和4月，先后有兩臺空壓機級間冷卻器溫度逐漸升高，由正常的47℃以下，升高至51℃，接近52℃的停車值，被迫停機檢修。冷卻器拆解抽芯后，發(fā)現(xiàn)換熱器水路管壁表面結(jié)垢嚴(yán)重，輕敲垢皮脫落，垢樣厚度1～2mm。
對垢樣成分委托第三方檢測，檢測結(jié)果見圖2.2。從檢測報告中可以看出，垢物從成分上看，主要成分組織是氧化鈣、碳酸根離子及氧化鎂，占總含量的97.95%，說明循環(huán)水系統(tǒng)中鈣、鎂離子過多，在換熱器管壁160℃左右高溫狀態(tài)下容易形成結(jié)垢，影響換熱效果。
2.2換熱器結(jié)垢成因分析
冷卻水經(jīng)換熱器換熱，產(chǎn)生如下反應(yīng)：
Ca2++2HCO3-→CaCO3+CO2+H2O
Mg2++2HCO3--→Mg(OH)2+2CO2
冷卻塔噴淋，水中溶解CO2逸出pH值升高，水呈堿性發(fā)生如下反應(yīng)：
Ca(HCO3)2+2OH-→CaCO3C+2H2O+CO32-
碳酸鈣從水中析出的過程，是微溶性鹽從溶液中沉淀的過程，碳酸鈣是鹽類，有離子晶格，以帶正電荷Ca2+部分向帶有負電荷的CO32-碰撞，彼此結(jié)合，形成較大晶體，進而形成覆蓋在傳熱面的結(jié)垢層。
現(xiàn)有循環(huán)水采用加藥阻垢，這在一定程度上減緩了管路和換熱器的結(jié)垢，但循環(huán)水加入阻垢劑不能降低水的硬度，而是改變形成水垢的鈣、鎂離子與碳酸根離子結(jié)合的特性，從而使水垢不能析出、沉積。從圖2.3 2001年2～4月循環(huán)水水質(zhì)控制圖看出，2～4月的水質(zhì)總硬度在400mg/L 左右，優(yōu)于控制標(biāo)準(zhǔn)（總硬度＜500），但還是出現(xiàn)了結(jié)垢的現(xiàn)象。
實際應(yīng)用中，對城市自來水為補水水源時，通常采用朗格利爾（Langelier）飽和指數(shù)（L.S.I）來判斷碳酸鈣沉淀趨勢。根據(jù)碳酸鈣的溶解平衡，朗格利爾推算L.S.I的簡化計算公式如下：
L.S.I＝PH-PHs＝PH-{9.3+A+B-(C+D)}
式中，Ph為水樣實測的pH值；
pHs為飽和pH值，碳酸鈣在水中呈飽和狀態(tài)時，重碳酸鈣既不分解為碳酸鈣，碳酸鈣也不會繼續(xù)溶解，此時的pH值稱為飽和的pH值。
A為總?cè)芙夤腆w系數(shù)，A=（lg[TDS]-1）/10，[TDS]單位為mg/L；
B為溫度系數(shù)，B=-13.2lg(t+273)+34.55，溫度單位為℃；
C為鈣硬度系數(shù)，C=lg[Ca2+（以CaCO3計）] -0.4，[Ca2+]單位為mol/L；
D為M堿度系數(shù)，D=lg[堿度（以CaCO3計）]，堿度單位為mol/L。
A、B、C、D系數(shù)換算可查表1。
根據(jù)循環(huán)水的LSI可判斷CaCO3沉淀的可能性如下：
LSI<0，即pH<pHs，說明水中的碳酸鈣處于未飽和狀態(tài)，仍能繼續(xù)溶解，水具有產(chǎn)生腐蝕的趨勢；
LSI>0，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，水具有產(chǎn)生碳酸鈣沉積的趨勢；
LSI=0，水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既不結(jié)垢，也無產(chǎn)生腐蝕的趨勢。
我公司采用的緩釋阻垢劑能控制LSI<2.6 的循環(huán)水的結(jié)垢趨勢。
以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，補水電導(dǎo)率237μS/cm，循環(huán)水電導(dǎo)率1171μs/cm，水側(cè)表面溫度按照LSI參數(shù)最高的80℃計算（實際在160℃左右）鈣硬度約為382mg/L，總堿度440mg/L，pH值8.83。計算后的LSI為3.04，超出藥劑的控制閾值2.6，這也說明了為何加了阻垢劑還是出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象。
2.3應(yīng)對設(shè)備結(jié)垢對策
根據(jù)系統(tǒng)的補水情況及阻垢劑所能對應(yīng)的極限LSI，我公司循環(huán)水極限濃縮倍數(shù)控制在4倍以下，實際按3.5倍進行管控。
2.3.1循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)現(xiàn)狀
濃縮倍數(shù)(N)表示循環(huán)水中的鹽類濃度與補充水中鹽類濃度之比：
N=CR÷CM=P÷(P2+P3+P4)
P=P1+P2+P3+P4
式中：CR一一循環(huán)水中的鹽類濃度，ppm
CM——補充水中的鹽類濃類，ppm
P一一補充水量，m3/h
P1一一蒸發(fā)損失，m3/h
P2一一風(fēng)吹損失，m3/h
P3一一泄漏損失，m3/h
P4一一排污量，m3/h
以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，濃縮倍數(shù)N=1171/237=4.94倍，高于4倍的極限濃縮倍數(shù)。
2.3.2對策后存在的問題
補水量及排污量計算
?、僬舭l(fā)損失P1
P1=K×Δt×Q=750×0.0015×8=9m3/h
K：系數(shù)（在環(huán)境溫度為24℃時，K=0.0015，2021年廣州市年平均氣溫24.0℃）
Δt：進出水溫差系統(tǒng)設(shè)計為Δt=8℃
Q：系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)水量750m3/h
②風(fēng)吹損失P2
P2=750×0.1%=0.75m3/h
對于機械通風(fēng)涼水塔，在有收水器的情況下，風(fēng)吹損失率為0.1%。
?、坌孤p失P3
P3=0m3/h
由于系統(tǒng)是密閉循環(huán)，機泵的泄漏可忽略不計。
④補水量P
∵N=P÷(P-P1)
∴P=N×P1÷（N-1）=3.5×9÷2.5=12.6m3/h
每天補水量：12.6×24=302.4m3/天
⑤理論排污量P4
P4=12.6-9-0.75-0=2.85m3/h
每天排污量：2.85×24=68.4m3/天
綜上所述，須每天排污68.4m3左右，才能將濃縮倍數(shù)降到3.5倍。
存在問題：
循環(huán)水系統(tǒng)每天需補水量302.4m3，補水后同時需補充相應(yīng)數(shù)量藥劑控制水質(zhì)，加入藥劑后須每天化驗、定時加藥，但受補水量、補水水質(zhì)、水溫和環(huán)境氣候變化、檢測手段及其精度等外界因素影響，水質(zhì)指標(biāo)難以精準(zhǔn)控制，設(shè)備結(jié)垢問題難以完全杜絕。
3、循環(huán)水軟化處理
3.1軟化方案選擇
軟化方法有藥劑軟化法或沉淀軟化法、離子交換軟化法、電滲析法、反滲透與超濾、蒸餾法等，由于水的硬度主要由鈣、鎂離子形成及表示，基于經(jīng)濟適用的原則，采用目前最常用的、效果穩(wěn)定準(zhǔn)確、工藝成熟的離子交換法。
離子交換法的工作原理是：離子交換樹脂是一種聚合物，帶有相應(yīng)的功能基團。鈉離子交換樹脂中帶有大量的Na+，Na+與水中的硬度成分Ca2+、Mg2+相交換，從而將水中的Ca2+、Mg2+吸附出來，使水的硬度下降。隨著樹脂內(nèi)Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低。當(dāng)樹脂吸收的Ca2+、Mg2+飽和之后，就必須進行再生。再生過程就是從鹽箱中吸入鹽水沖洗樹脂層，鹽水中的Na+再和樹脂上的Ca2+、Mg2+進行交換，交換出來的Ca2+、Mg2+隨再生廢液排出罐外，樹脂即可恢復(fù)軟化交換功能。
如以RNa代表鈉型樹脂，其交換過程如下：
2RNa+Ca2+=2RCa+2Na+
2RNa+Mg2+=2RMg+2Na+
即水通過鈉離子交換器后，水中的Ca2+、Mg2+被置換成Na+。由于鈉鹽的溶解度很高，所以就避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況。
3.2軟化系統(tǒng)設(shè)計
基于簡單實用的原則，在循環(huán)水系統(tǒng)中增加一套20m3/h軟化水處理設(shè)備。如圖3.1所示，從冷卻塔的回水管道中取出循環(huán)水，循環(huán)水回水壓力是0.35MPa，滿足軟水設(shè)備的進水使用壓力要求，循環(huán)水直接進入軟化水設(shè)備，設(shè)備運行基本上不需要電力，只靠進水壓力，采用虹吸原理吸鹽，自動注水化鹽、配比濃度，無須鹽泵、溶鹽等附屬設(shè)備，通過控制器即可實現(xiàn)程序控制自動運行、自動再生；軟化后的循環(huán)水返回冷卻塔重復(fù)使用。
3.3軟化設(shè)備調(diào)試及軟化性能保證
軟化處理能力：
樹脂的體積全交換容量：≥1900mmol/L，樹脂的工作交換容量：≥1200mmol/L（浙江爭光001*7強酸性陽樹脂ZGC107MB，按1500mmol/L）計算。
軟化樹脂罐容量900L；
空壓機冷卻系統(tǒng)采用軟化系統(tǒng)后，完全可以不用排污，實現(xiàn)0排放，每天補水量302.4m3下降到302.4-68.4=234m3，補水硬度120mg/L，約為3mmol/L（1mmolCa2+的質(zhì)量是40mg），出水0.03mmol/L。
每立方水中需要去除的硬度量為：
1000L×(3-0.03)mmol/L=2970mmol/m3
每天需要去除的硬度量為：
2970mmol/m3×234m3/天=694980mmol/天
軟化水設(shè)備所填樹脂的總工作交換容量是：
1500mmol/L×900L=1350000mmol。
所以，設(shè)備理論再生周期為：
1350000mmol÷694980mmol/天=1.9天
4、軟化處理實施效果
4.1水質(zhì)指標(biāo)情況：
經(jīng)3個月的運行時間驗證，循環(huán)水電導(dǎo)率1500μs/cm左右，鈣硬度約為99mg/L左右，總堿度433mg/L左右，pH值8.79左右。計算后的LSI也低于藥劑的控制閾值2.6，可有效控制循環(huán)水結(jié)垢傾向，濃縮倍數(shù)在6倍左右。在此高濃縮倍數(shù)下，水質(zhì)各項指標(biāo)仍能滿足冷卻系統(tǒng)的使用需求，達成了軟化設(shè)計的預(yù)期效果。
4.2經(jīng)濟效益：
?、俳档退M及污水處理費：使用軟化水后，污水排放由68.4m3降到11.1m3左右，每天補水量由302.4m3下降到245.1m3左右，每年可以節(jié)省自來水費8萬元、污水處理費26萬余元。
②日常運行費用：基本上是樹脂和工業(yè)鹽的消耗，但和減少投入的藥劑成本相抵，基本上不會增加運行費用。
?、劬S修費用：技改前，每年須對4臺空壓機冷卻器拆洗除垢一次，費用約為8萬余元。
綜上所述，每年可產(chǎn)生42萬余元的經(jīng)濟效益。當(dāng)年投資，當(dāng)年收益，經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯，值得推廣實施。
5、結(jié)束語
空壓機冷卻循環(huán)水軟化處理的實施，不僅滿足了生產(chǎn)的要求，簡化了操作，延長了設(shè)備的使用周期，提高了生產(chǎn)的安全可靠性，更重要的是還提高了循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，減少用水量及排污量，節(jié)約了大量的新鮮水及污水處理費用，節(jié)約了阻垢劑、鹽酸和燒堿等藥劑，減少了環(huán)境污染，開創(chuàng)了公司設(shè)備冷卻系統(tǒng)循環(huán)水軟化處理應(yīng)用的成功實例，取得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻
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作者簡介
林義鋒，男，就職于東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，機械工程師。1998年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)，先后在東風(fēng)汽車公司、東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，從事過工藝技術(shù)、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、動力技術(shù)等工作。
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