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循環水系統中污垢的來源和危害

系統的冷熱傳遞介質為水,以開路循環的形式運行,根據水的物化性質和其中含有的雜質等,會對系統產生一定的危害。

1、循環水系統的物化特征:

水是比較理想的冷熱介質,和其它液體相比,熱容和比熱較大,因此對熱量的吸收或釋放量均較多,具有良好的貯熱能力和低費用等特點。

系統中采用水廠凈化處理后的水,通過鐵管或水泥管道進行輸送。其水質基本上與水源的水質相同。通常水廠在處理原水過程中,無法有效的對水中的各類雜質等的去除,所以系統補水中存有多種雜質。

(1)懸浮雜質:其來源主要為大氣中的灰塵水流對河床地表的沖刷,各類廢棄物、動植物代謝等。其中密度較大的多為礦物質等無機物,而密度較小的多為有機懸浮物。這類懸浮物雜質在中央空調循環水系統中,無機懸浮物由于其重力的作用,會逐漸沉積在系統的較低位置,如冷凝器及蒸發器中:而有機類暴浮物則以油脂類狀態存在于系統的較高位詈。

(2)膠體雜質:膠體雜質是由某些低分子物質組成,其顆粒極小,表面大多帶有負電荷,在水中分散均勻,很難用肉眼觀察到。膠體成份比較復雜,其來源主要是水中動植物和生活廢物在水中腐爛和分解而形成,其次鐵、鋁和硅的氧化物也可形成無機類膠體。這類雜質在系統中大多以粘泥樣狀態沉積在冷卻塔及管道的轉彎處和流速較小的部位,并可成為水中微生物的養料和滋生載體。

(3)氣體雜質:水經過遙遠而漫長的路途向東流動,在與大氣的氣一液相面上,始終存在著物質交換,種類繁多的氣體均以溶解的方式存在于水中,其中循環水的金屬設備、管道而言,溶解氧和溶解的二氧化碳氣體皆具有腐蝕性,其中溶解氧的腐蝕作用較為強烈,而二氧化碳可與水作用形成碳酸;游離碳酸具有一定酸性,不僅對金屬有腐蝕作用,同時還會加劇溶解氧對金屬的腐蝕。

(4)離子雜質:水中的離子絕大部份為無機鹽溶于水后電離形成的。其中,陽離子主要有鈣、鎂、鈉、鉀、亞鐵、鐵、錳、銨等離子,陰離子主要有碳酸根、硫酸根、氯根、硅酸根、硝酸根、碳酸氫根等離子。其中以鈣、鎂、碳酸根、硫酸根、硅酸根、碳酸氫根等六種離子對系統運行威脅較大,我們在水質處理工作中,有一部份工作是專門來防止這類離子對系統危害激活的。陽離子濃度的大小稱水的硬度大小,陰離子濃度的大小稱為水的堿度大小,這類問題的機理和計算等較專業而復雜,在本方案中不一一列出。

2 污垢的形成:

(1) 水垢的來源:

因系統所使用的水源中,仍然含有一定濃度的鈣、鎂、鈉、鉀等離子,其中鈣、鎂離子在水中溶解度很小,根據水垢的物化性質,當水不斷發和濃縮,或熱交換相溫差存在時,易產生CaCO3、MgO、CaSiO等沉淀從水中析出,沉積在系統設施內不同部位形成水垢。對循環水系統而言,溫差可導致鈣、鎂離子溶解度下降。

另外,水中所含有其它離子的濃度越高,Ca2+、Mg2+的溶解度也會受到影響而降低。

冷卻水通過換熱器傳熱表面時,會發生如下反應:

Ca2++2HCO3→CaCO3+CO2+H2O

Mg2++2HCO3-→Mg(OH)2+2CO2

同時,冷卻水通過冷卻塔則相當于一個曝氣過程,溶解在水中的C02會逸出,水的pH值會升高,此時重碳酸鹽在堿性條件下會發生如下的反應:

Ca(HCOз2 + 20H →CаCOз↓+2H2О + CO32_

當水中溶有其它鈣鹽時.還會發生如下的置換反應:Ca2++CO32→CaCO↓

碳酸鈣等水垢從水中析出的過程,就是微溶性鹽從溶液中結晶沉淀的一種過程,按結晶動力學觀點,結晶的過程首先是發生晶核,形成少量的微晶粒,然后這種微小晶體在溶液中由于熱運動(布朗運動)不斷地相互碰撞,和金屬器壁也不斷地進行碰撞,碰撞的結果就提供了晶體生長的機會,使小晶體不斷變成了大晶體,也就是說要形成碳酸鈣層垢,碳酸鈣小晶粒在溶液中必須按一種特有的次序集合或排列才能形成。碳酸鈣是鹽類,有離子晶格,只有當一分子碳酸鈣小晶粒以所帶正電荷的Ca2+部分向另有分子碳酸鈣小晶粒的帶負電荷的CO2-部分碰撞,才能彼此互相結合,形成較大晶體,若繼續不斷地按一定方向碰撞,就形成了覆蓋傳熱表面的垢層。20211208114309672.png

(2)銹垢的來源:

①水中溶解氧與金屬之間的化學反應形成:開式間冷循環水系統中的水與空氣充分接觸,水中溶解氧接近平衡濃度。當含氧量接近飽和的水流過換熱設備后,由于水溫升高,氧的溶解度下降,因此在局部溶解氧達到過飽和。冷卻水系統金屬的腐蝕與溶解氧的含量有密切關系,相對腐蝕率隨溶解氧含量和溫度升高而增大,至70℃后,因含氧量已相當低,才逐漸減小。

②系統運行前清洗不徹底存在遺留:系統在加工、制造、安裝、運輸過程中也會產生或帶來氧化鐵,其主要成份為Fe2O3,也有一部份FeO和Fe304,但由于制造過程中熱處理溫度不同,氧化鐵出現分三層狀態,最外層大多為Fe304,中間層為a型或r型Fe2O3,里層為較厚的Fe0層,外觀為軋制鱗皮狀和普通形式氧化皮。

③系統在使用過程中垢下腐蝕所產生。

(3)生物粘泥垢的形成:

循環水系統的水溫大多在27~47℃之間,有利于微生物的生長,微生物以驚人的速度繁殖。系統中微生物細菌種類多達百種,其繁殖相當迅速,一般每隔20~30分鐘進行一次分裂繁殖,在條件適宜的情況下,經過10個小時就可繁殖成數億個。

在水中,微生物以菌落狀的“群居”形式分布,具有高等生物無法具備的五大特征,即體積小、面積大,吸收多、轉化快,生長旺、繁殖快,適應強、變異頻,分布廣、種類多。

微生物對環境條件,尤其是惡劣的“極端環境”,如溫度、殺菌劑等,具有驚人的適應力,這是高等生物所無法具備的。

(4)銹瘤的形成:

微生物對金屬腐蝕的菌種主要有:硫酸鹽還原菌、噬鐵菌、硝化菌等。

硫酸鹽還原菌對金屬的腐蝕:

S04 2-+8H++8e=S2-+4H2O+能量(細菌生存所需)

Fe2++S2-=FeS↓(銹瘤內部可見的黑色沉積物)

噬鐵菌對金屬的腐蝕:

2Fe2++1/2O2+xH2O=Fe2o3хH2O Fe2+鐵細菌Fe3++能量(細菌生存所需)

硝化菌對金屬的腐蝕:能產生一種膠狀、黏性或黏泥狀、附著力強的沉積物。這種沉積物遮蓋在金屬表面上,降低換熱效率,引起垢下金屬腐蝕。

微生物是以菌落狀態附著在系統內壁,微生物對金屬的腐蝕是由菌落位置向金屬內部縱深進行的。隨著微生物對金屬的不斷蠶食,其繁殖與代謝產物在該菌落的位置不斷升高,微生物最終可將菌落下的金屬本體蠶食穿孔,當使用化學清洗或外力去除銹瘤后,即可看到原銹瘤處的腐蝕坑,甚至穿孔的出現。因此,微生物腐蝕是對系統破壞力最大的腐蝕。平常遇到的系統設備腐蝕泄漏就是由微生物腐蝕引起的,水處理的緩蝕劑對這種腐蝕毫無效果。從圖中我們可以清楚的看到這一過程:

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(5)其它污垢的形成:

除系統內存有大量的水垢、銹垢和生物垢之外,還有一定量的泥沙、塵土等污垢,這類污垢大多從水中、大氣中帶入水中,并與水垢、銹垢混合在一起而形成總的污垢。

3、腐蝕發生的機理:

系統的腐蝕發生可分為均勻腐蝕和局部腐蝕:

(1)電偶腐蝕:系統由兩種及以上金屬材質構成時,不同材質的金屬之間會產生電化學腐蝕,這種腐蝕的速度是根據水中導電離子濃度來決定的,發生腐蝕大多為局部腐蝕。

(2)氯離子對不銹鋼的晶間腐蝕:Cr和Ni是不銹鋼獲得耐腐蝕性能最主要的合金元素。 Cr和Ni使不銹鋼在氧化性介質中生成一層十分致密的氧化膜,使不銹鋼鈍化,降低了不銹鋼在氧化性介質中的腐蝕速度,使不銹鋼的耐腐蝕性能提高。氯離子的活化作用對不銹鋼氧化膜的建立和破壞均起著重要作用。由于氯離子半徑小,穿透能力強,故它最容易穿透氧化膜內極小的孔隙到達金屬表面,并與金屬相互作用形成了可溶性化合物,使氧化膜的結構發生變化,金屬產生腐蝕。

(3)溶解氧腐蝕:水中含有溶解氧濃度越大,腐蝕的速度也越大,碳鋼在與水接觸中的腐蝕有四個過程。第一個過程,單質鐵放出自由電子而成為亞鐵離子進入溶液:第二個過程是自由電子從陽極單質鐵,流入碳鋼中含有的陰極滲碳體;第三個過程是溶解氧在滲碳體上吸收電子;第四個過程是陰、陽極產物相結合生成Fe(OH)2沉淀。這四個過程中最慢的是溶解氧擴散到陰極速度,這一速度控制了整個過程的腐蝕速度。Fe(OH)2在溶解氧的作用下進一步氧化成Fe(OH)3成為碳鋼表面的氧化--水化物。碳鋼在水中形成的銹層大致分為三層:最內層是黃色的氧化亞鐵水合物,其分子式為FeOnH2O,n數值不固定。中間往往是一層黑褐色的 FeO4nH2O物質,而最外層是三價鐵的氧化物Fe2O3nH2O,這類氧化物有兩種異構體一種是 r-Fe2O3,另一種為a-Fe2O3均為紅棕色。由于a-Fe2O3r-Fe2O3有更低的自由能,因而多數以a-Fe2O3存在。在銹層中,外層氧化物中氧含量最高,而內層氧化物中氧含量最低。在全面腐蝕中,這層腐蝕產物對溶解氧的擴散速度起到一定的緩解作用。

(4)水的酸堿度形成的腐蝕:水的酸堿度不同,或濃縮倍數過低時,金屬可產生均勻腐蝕。

(5)垢下腐蝕:系統中由于有多種污垢的存在,并粘附在系統本體壁上,這就形成了兩種或兩種以上不同物質之間會發生電偶腐蝕情況,我們通常在有水垢的管壁上去掉水垢后看到的是明顯金屬腐蝕坑,就是這個道理。另外,微生物的細菌腐蝕,是對金屬破壞性最大的局部腐蝕,水處理中的緩蝕劑對此類腐蝕沒有明顯作用。

(6)系統運行狀態對腐蝕速度的影響:水流速的大小,對溶解氧的腐蝕與擴散有著密切的關系,尤其在水的滯流過渡到湍流時,腐蝕速度會出現突變,這也是系統中管徑越小越早出現腐蝕的原因。

4、腐蝕、結垢對系統的危害:

腐蝕可使系統內金屬壁變薄甚至穿孔,導致物料泄漏進入循環水系統中,對安全生產和正常工作帶來隱患。

(1)氯離子不銹鋼材質的循環水系統運行影響:

含有氯離子的水溶液中不銹鋼表面的氧化膜便產生了溶解,其原因是由于氯離子能優先有選擇地吸附在氧化膜上把氧原子排掉然后和氧化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物,結果在基底金屬上生成孔徑為20μm~30μm小蝕坑,這些小蝕坑便是孔蝕核。在外加陽極極化條件下,只要介質中含有一定量的氯離子,便可能使蝕核發展成蝕孔。在自然條件下的腐蝕,含氯離子的介質中含有氧或陽離子氧或陽離子氧化劑時能促使蝕核長大成蝕孔,嚴重時造成設備腐蝕泄漏。

2)微生物對系統運行的影響:

A.微生物可形成大量粘泥和淤泥,主要集中在:

①系統低位換熱器、隔板、擋板、低位設備及管道等處。這類污垢可降低換熱器的熱交換效率,影響冷卻效果。嚴重時可堵寒換熱器而不得不停工檢修,同時也會引起泵壓上升,流量減少現象,并伴有強烈的銹瘤腐蝕發生。

②冷卻塔:冷卻塔填料處集中堆積,導致冷卻塔效率下降,填料變形,脫落。

③蓄水池和在池底部,可出現大量淤泥堆積,且淤泥的形成速度較快,易被帶入系統設備中造成事故。

B、形成鐵銹瘤,出現局部腐蝕:

鐵銹瘤由鐵細菌類微生物形成。這類細菌可將二價鐵氧化為三價鐵,使之以鞘的形式沉淀下來,同時還產生大量粘液構成銹瘤。由鐵細菌系耗氧菌,而生成銹瘤又阻礙氧的擴散,銹瘤下面金屬表面常處干缺氧狀態,從而構成氧濃度差電池,引起鋼的腐蝕甚至穿孔。并降低系統換熱效果。腐蝕故障不僅縮短設備壽命,而且引起工藝過程效率的降低、產品泄漏和污染等問題,在高溫高壓過程的冷卻水系統,還可能發生安全事故。系統發生腐蝕的主要原因,除水中相關雜質引起之外,更主要的腐蝕仍由微生物中硫酸鹽還原菌,硫氧化菌類和部份需氧菌引起,這類菌的繁殖及代謝產物具有極強的腐蝕性,國內許多大中型循環冷卻水系統中,碳鋼設備發生嚴重腐蝕而報廢,皆由此引起。

(3) 水垢對系統運行的影響:

水垢的傳熱系數為0.464-0.697W/(m.k),只有碳鋼的1%左右,當金屬本體表面覆蓋污垢時,會嚴重阻礙金屬的傳熱能力,直接導致系統整體性能的急劇下降。這是系統能耗上升的最直接原因。

平均1mm水垢,會降低熱交換效率17-30%左右

1mm主換熱面水垢,會降低熱交換效率25-30%左右

1mm微生物垢,會降低熱交換效率13-19%

1mm混合污垢,會降低熱交換效率15-20%

對系統換熱效率影響最大的是主換熱面上的水垢。其它污垢大多在非主換熱面處,對系統效率影響不大。





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