臭氧处理循环冷却水节能减排效益分析

精品范文模板 可修改删除撰写人：_日 期：_臭氧处理循环冷却水节能减排效益分析摘要：本文基于臭氧（O3）处理法处理循环冷却水因可以同时达到阻垢脱垢、缓蚀、杀菌等多重功能，其在国外已得到广泛应用，同时国内也逐步普及应用的环境下，结合国内外长期的工程实践经验，从节水、节能、减排和公共卫生效益四个方面，详细分析了臭氧处理循环冷却水所带来的巨大经济效益、社会效益和环境效益。论文关键词：循环冷却水,臭氧,节能减排,效益1引言随着工业的迅猛发展，大量的水资源被耗用，环境污染日趋严重。与此同时，工业用水在总用水量中所占的比例也逐年增加，其中工业用冷却水，约占工业用水总量的80%以上。因此对冷却水实行循环利用，符合可持续发展的战略要求。然而，随着浓缩倍数的提高，导致了冷却系统结垢、腐蚀及微生物生长等危害，以致影响设备的传热效率，威胁设备的使用寿命1。因此，对循环冷却水进行水质稳定是必不可少的。目前，国内对循环冷却水大都采用化学药剂法2-3。但是，随着水处理研究工作的深入开展，大量的生产实践及研究结果表明：化学药剂处理的效果受到人为因素的较大影响，且各种药剂在水中进行复配和循环作用时，很可能不只发挥一种效用，有时还会彼此产生副作用，从而降低了药剂的效果；另外，大量药剂的投加亦会带来对环境的二次污染4。因此，能否在运行中长期保持换热效率的不降低并增加水的循环利用次数，提高水资源利用率、避免长期使用化学药剂对环境造成累积性危害、延长设备的使用寿命、减少清洗次数，这些目标对我国实现节能减排目标，提高生产效率具有重要意义。臭氧（O3）作为兼具阻垢-缓蚀-杀菌等多项功能的单一水处理药剂，可以在较高浓缩倍数，甚至可以在零排放的条件下运行5-7，能够有效地节约用水量。本文结合国内外研究以及上海轻工业研究所长期的工程实践经验，从节能减排的角度，详细分析了臭氧处理循环冷却水所带来的巨大的环境效益、经济效益和社会效益。2处理效果水质指标的比较与分析为了直观表述臭氧处理循环冷却水的优越性，表1给出了2006-2009年上海轻工业研究所完成的一实际案例的运行数据。需要说明的是工业循环冷却水处理设计规范（GB50050-2007）以传统药剂作为基本依据。从表1可知使用臭氧处理循环冷却水的水质全面优于化学药剂法。表1 臭氧处理的循环水水质指标与GB50050-2007的比较Table 1 Quality indicators of circulating cooling water after treatment by O3 项目 类别 工业循环冷却水处理设计规范 经臭氧处理水水质 污垢热阻（m2K/W） 3.4410-4 0.3-1.010-4 腐蚀率（mm/a） 碳钢 铜/不锈钢 0.075 0.005 0.03-0.07 0.004-0.006 钙碱度 + 总碱度 1100 600-1200 300-400 氯离子（mg/L） 700 600-1600 氨氮（mg/L） 10 0.1 石油类（mg/L） 5-10 1-1.5 生物粘泥（mg/L） 3 1-2.5 细菌总数（个/mL） 100000 20-500 pH 6.8-9.5 8.3-8.9 CODcr（mg/L） 100 5-18 由表1可知，作为化学处理用的以钙碱度的标准在臭氧处理法中被突破，在循环水系统的污垢热阻和生物粘泥、pH等表征系统结垢的指标并未因钙碱度超标而提高，说明在药剂处理中被看成结垢的危险区，在臭氧处理时实际不对传热器表面污垢产生影响，不仅水的循环次数（浓缩倍数）得以大幅度提高8，而且对补充水的水质要求范围得以放宽。3臭氧处理循环冷却水的节水效果比较分析循环冷却水的一个主要节水途径是提高循环冷却水的浓缩倍数，提高浓缩倍数可以降低补水量，节约水资源，降低排污量，减少对环境的污染，降低冷却水的处理成本。循环水的损失主要有蒸发、排放和漂移损失组成，蒸发量取决于所需冷吨量和气候的温度湿度状况。当忽略漂移量，有物料平衡计算，当浓缩倍数从N1提高到至N2补充水的节约率为（N2-N1）/N1（N2-1）100%。当N1=2提高到N2=3，5，8的节水率分别为25%，37.5%和43%9-10。20世纪80年代，绝大多数循环冷却水循环倍数小于1.5，目前多数已达到2-3，少数已达到4左右，如江苏华电扬州发电有限公司两台330MW传热机组设计循环倍数达到2.5。大同煤矿集团循环水在浓缩倍数为2.5，温度小于70时，水质处于稳定，当浓缩倍数上升到3.48倍运行时，缓蚀、阻垢效果不符合原设计要求11。夏容等人研制出一种高效复合阻垢剂POCA，在实验室条件下，保持循环水中质量浓度10mg/L时，循环倍数可以在3.50.5下正常运行12。随着水处理技术的研究与开发，新投产的循环冷却水系统普遍采用弱酸阳离子交换和膜法等外部处理技术，对循环冷却水的补给水进行处理，使浓缩倍数得到一定的提高，但很难超过5。张青等人通过动态铜挂片试验得出，使用化学处理法时，当浓缩倍数达到5时，腐蚀速率将超过循环冷却水的标准，理论上说，浓缩倍数低于4倍是安全的，但管壁表面有较大水流速，冲刷作用将加速腐蚀，浓缩倍数很难达到4以上。化学处理法提高循环倍数的方法主要有两个，其一是对循环冷却水进行深度处理，二是增设旁路系统，加大旁路处理。但两种途径将极大地加大处理成本，且提高浓缩倍数有限13。而利用臭氧法处理循环冷却水时，如前面2分析用臭氧处理循环冷却水，所用循环水可容许比化学药剂法有更高的电导率，从而可以显著地提高水的循环利用数（浓缩倍数），减少循环水补给量。以上海轻工业研究所一案例为例，臭氧处理循环冷却水平均电导率可达4500s/cm上下（最高可达6000s/cm），未发现结垢或腐蚀，浓缩倍数从1.7提高到8-10，节约补充水54%。通常采用化学药剂法或物理法进行循环冷却水处理时，一般只能使用自来水作为循环冷却水的补充水。近年来，由于水资源的日益紧张，很多工业企业希望可以回用废弃水作为占工厂80%用水量的循环冷却水的补充水。如北京某电厂以官厅水库水经预沉-机械搅拌（加入三氯化铁、氯化钙、氯气）-砂滤工艺回用官厅水库源水作为循环冷却水，为控制浓缩倍数2.5-3，加入阻垢剂和铜缓蚀剂分别为6mg/L和2mg/L，加入硫酸控制碱度，定期投加杀菌剂（季胺盐）每10天1次，每次1.5吨14；河北某电厂采用细格栅-BAF-混凝-澄清-砂滤处理城市污水厂二级出水作为循环水等15。从上述案例可以看出，虽然通过一定的处理，可以使用一定的废弃水作为循环水，但存在着处理工艺流程过于复杂；由于对Cl-，含盐量无明显处理效果，经投入到循环冷却水中降低了原系统浓缩倍数；氨氮经处理后转化为硝酸盐和亚硝酸盐，加速设备的腐蚀；需投加额外水质稳定剂等缺点，使得利用化学处理法处理循环水时，用废弃水作为循环水受到极大限制16。随着膜法水处理技术的发展，其也被用于循环水处理。某厂以超滤（控制SDI3）-反渗透处理冷却塔和溢流、冷油器等废水作为冷却水，但在运行过程中，膜极易受污染且难于清洗，能耗大，操作复杂，且需要额外投加化学药剂，需在RO前投加适量的亚硫酸氢钠防止氧化剂对RO膜的破坏以及细菌的繁殖17。而臭氧净化方法的节水潜力更在于可以用将排放的“废弃水”部分或全部代替新鲜自来水作循环冷却水用，此种“废弃水”包括反渗透（RO）浓水。增加水的回用率，同时降低废水的排放量。许多企业大量使用清洗水或在用膜法深度净化时排放掉大量的水，造成水资源浪费的同时，用水成本昂贵。使用臭氧处理法可以有效分解水中有机物、氨氮、脱色、除臭、降低COD、改进pH，特别是臭氧具有微絮凝作用，能够破坏水中带点粒子形成的胶体，使之沉降。因此，利用臭氧处理法使得废水简单回用于循环冷却水成为可能18。在上海轻工业研究所工况模拟平台成功进行了多种实际水的试验，证明用臭氧处理工业废弃水，使之再生利用的可能性。其中，某电子工业芯片的清洗水含强碱性三甲基氢氧化铵和其他杂质，pH达到11.2、COD为20-50mg/L、色度100-250。利用臭氧处理后，维持浓缩倍数达到4以上时，循环冷却水水质为pH为8、COD为1mg/L、色度15、污垢系数为0.1510-4m2K/W；此外利用臭氧处理酿酒厂的酿造和清洗废水后作为补充水替代自来水，在初始电导1880-2000s/cm，经持续运行后升至14000s/cm，浓缩倍数超过7，此时极限污垢热阻为0.810-4m2K/W。在上海轻工业研究所完成的实际工程中也得到了应用，某厂方有一套UF+RO为主要设备的纯水处理系统，UF+RO浓缩水的电导率达到973s/cm左右，硬度、碱度均比自来水高很多，在化学处理时，作为废弃水而排入污水处理系统。臭氧处理技术的应用，使补充水水质得以放宽，因此以UF+RO浓缩水作为循环冷却水补充水。自启用UF+RO浓缩水作为补充水，相比化学处理法，平均用水量下降90.3%。4臭氧处理循环冷却水的节能分析由图1可知，国家规定的污垢热阻值，大致相当于只容许0.3mm垢厚，由图2可知，当垢厚达到1mm时，能耗增加40%左右19，图2说明维持换热系统在低垢系数条件下长期运行对节能的重要性。综合国内外工程实例，臭氧作为单一药剂处理循环冷却水时，其阻垢效率平均可达78%左右。图3为一空压机经臭氧处理循环冷却水运行两个月后的表面对比，且运行超过两年无需清洗，节能约36%。为了直观说明臭氧处理循环冷却水的节能效果，上海轻工业研究所就臭氧使用前后机组性能变化委托第三方进行了测试。测试中，对比经臭氧处理前后冷水机组单位制冷量的能耗，选取COP作为参数进行对比，其中COP定义为制冷量与压缩机输入功率的比值。冷水机组COP随臭氧处理时间的变化趋势见图4。从图4可以看出，冷却水中未通入臭氧时，冷水机组的COP随时间的推移在降低；通入臭氧以后，机组性能提高比较明显，这是由于臭氧处理循环冷却水水质状况大大改善所产生的节能效果。图4 冷水机组COP随臭氧处理前后的对比Fig.4 Comparison of COP for air compressor before and after treatment by O3GB19577-2004根据冷水机组的性能系数将冷水机组的能效分为5个等级，如表2所示。按照上表的分类，该冷水机组的能效等级为4级，经臭氧处理后等级达到2级，说明臭氧处理循环冷却水可以明显提高冷水机组的性能。表2 能源效率等级指标Table 2 Energy efficiency rating index 类型 制冷量 能效等级（COP） 1 2 3 4 5 水冷式 528kw 5 4.7 4.4 4.1 3.8 臭氧不但可以通过脱垢改善已经结垢的机组的性能，同时还可以通过阻垢维持新机组的性能不发生变化。上海轻工业研究所就上海市某公共场所新安装的冷水机组经臭氧处理冷却水一年后的性能进行了第三方测定，测试结果见表3。根据冷冻水出水温度和冷却水进水温度，使用内插法在机组制造厂家提供的性能参数中选取相应工况下COP值与测试结果进行比较，比较结果见表4。通过一个月的跟踪测试表明，冷水机组COP实测值与出厂值之间偏差最大不超过3.3%，机组性能维持在新机组状态。表3 冷水机组测试数据结果Table 3 Test data of chiller water unit 冷却水进水温度（） 冷却水出水温度（） 冷却水流量 （m3/h） 压缩机输出功率（kw） COP 8/20 33.5 37.4 163 125.2 4.94 8/25 30.7 34.8 155 116.2 5.39 8/28 32.6 36.5 161 121.5 5.05 8/31 28.5 32.2 165 107.6 5.63 9/14 28.9 32.9 149 110.5 5.31 9/17 30.6 34.6 152 113.4 5.27 9/23 29.5 33.5 146 110.7 5.15 表4 实测COP值与出厂值比较Table 4 Measured COP values compared with the default setting 8/20 8/25 8/28 8/31 9/14 9/17 9/23 实测COP 4.94 5.39 5.63 5.63 5.31 5.27 5.15 厂家COP 4.95 5.18 5.45 5.45 5.32 5.12 5.21 偏差（%） -0.2 -2.51 3.3 -0.19 -0.19 2.93 -1.15 5臭氧处理循环冷却水的减排分析传统的化学药剂法通过向水体中投加一定的阻垢剂、缓蚀剂、杀生剂，以达到循环冷却水水质稳定的目的。缓蚀阻垢剂主要为磷酸盐、有机磷化合物、有机聚合物、锌盐等化学物，这些物质一旦进入水体必会产生水体的二次污染。针对Ca2+:25-75mg/L、Cl-：50mg/L、浊度5、电导率350s/cm，维持浓缩倍数3-5的循环水水质，需投加复合药剂（多元醇磷酸酯，锌盐，铜缓蚀剂）为40-60mg/L23。与化学处理法相比，臭氧处理法作为单一药剂处理循环冷却水无需投加化学药剂，从而不会产生化学污泥，产生二次污染。而从经臭氧处理后的循环冷却水水质分析可知，COD比国家标准（100mg/L）要低90%以上，BOD5比国家标准容许值（25mg/L）低95%以上，水质清澈，浊度常年与自来水相似，达到1-5NTU，无化学和生物污染，可直接排放或再利用20-22。同时，臭氧处理法可以使用废弃水作为循环冷却水，从而进一步降低了废水排放量。6公共卫生效益分析臭氧作为最强的氧化型杀生剂，是公认的高效无污染的杀生剂，在0.1ppm的浓度下，即可有效杀灭病毒和细菌24。杀菌广谱为氯的50倍，速度为氯的3000倍，尤其是对军团菌有很好的杀灭作用，CT（2-log）AWWA为0.3-1.1mg-min/L，而氯试剂在一般浓度下无效。美国OSHA（职业安全与健康委员会）Dr.W.K.McGrane等人在实验室做的有关氯气和臭氧的对比实验结果表明：两种杀菌剂都降低了军团菌的数量，但氯不能杀灭全部军团菌，而连续控制的臭氧彻底消除了军团菌，并且以三个数量级高于氯气的效率杀死了绝大部份细菌。因此经过臭氧净化后水中细菌、病毒、藻类、生物黏泥会显著降低，细菌总数可与自来水和饮用水相比。与药剂处理法相比，臭氧不仅杀菌速度快，而且直接进入细胞核杀灭微生物，无抗药性。7结论综上所述，臭氧处理循环冷却水不仅具有脱垢除垢、缓蚀、杀菌灭藻等功能，而且能消除化学品排放，还具有显著的节水、节能、提高公共卫生安全的能力，因此对于节能减排具有十分积极的意义。参考文献1唐受印，戴友芝等工业循环冷却水处理M北京：化学工业出版社，2003：442赖万东，杨卓如，陈焕钦臭氧在冷却水中缓蚀与阻垢机理的研究J工业水处理，1999，19(3)：24-253李松田，李长浩，王占生循环冷却水处理新工艺研究J中国给水排水，1999，15(3)：14-164杨宝红，汪德良，王正江，等.火力发电厂废水处理与回用M北京：化学工业出版社，2002：99-1015 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