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        4. INTENT

          天津市英特節能技術有限公司

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          位置:中央空調運行維護與保養

          中央空調系統水處理技術研究

          國家工業水處理工程技術研究中心 陳愛民高級工程師


          摘 要:本文詳細論述了中央空調所涉及的三種水系統,不同的水系統存在的問題及解決的方法。
          關鍵詞:中央空調、循環冷卻水、采暖水、冷凍水、化學水處理

          一、概述
             中央空調循環水系統一般分為三部分,即循環水系統、冷凍水系統、采暖水系統。循環冷卻水多為開式,冷凍水與采暖水為封閉式;目前,高層建筑或封閉式廠方的冷凍水與采暖水多為同一系統,在夏季走冷凍水,在冬季走采暖水。這三套循環水系統各有特點,但存在同一問題:結垢、腐蝕和生物粘泥,如不進行適當的處理,勢必會引起管道堵塞,腐蝕泄漏、傳熱效率大為降低等一系列問題,影響整個空調系統的正常工作。
            多年來,我們對中央空調用水情況作了廣泛的調查,綜合起來看現中央空調水系統的用水分為三類,即未經過任何處理的自來水、軟化水和去離子水。水中對設備主要產生影響的因素分別為堿度、PH值、Cl-、氧含量等。自來水因地區不同而水質變化較大,在水的循環過程中,硬度和堿度是造成結垢的主要因素,而Cl-、低PH值、溶解氧是造成腐蝕的罪魁禍首。在自來水中這兩種危害同時存在,只是由于水質差異,危害的主副性有所區別;相對腐蝕而言,結垢性離子Ca2+、Mg2+、堿度為保護性離子,軟化水正是由于去除了這些離子,增加了Na+、Cl-等腐蝕性離子,從而加重了設備的腐蝕,所以說軟化水雖然避免了結垢問題,卻加重了腐蝕,這種現象會隨著時間推移而顯露出來。如大港開發區某空調系統一年就出現腐蝕穿孔現象,可見軟化水腐蝕性的強弱。去離子水相對地說即去除了結垢因素,也去除了腐蝕因素,但實際上并非如此,同樣,去離子水中雖然不存在結垢性離子和腐蝕性離子,但卻并未除去水中的溶解氧,初始時,腐蝕速度較慢,有一個逐漸加速過程,最終會導致同前兩種水一樣的紅水現象(封閉式系統)。
             空調水處理的必要性主要有以下三點,其一是延長管線和設備的使用壽命。如果在主要管線和設備上發生的泄露時,或在敷設管道上發生了泄露時,更換維修,不但要花費較大的費用,而且,在實施時存在著許多困難?照{系統水處理的必要性就在于使管線和設備達到設計的使用壽命。下表中數據可說明水處理的重要性;其二是節能。當結垢和腐蝕產生銹垢堆積物,都會導致傳熱效率下降,為達到設定效果,必須加大能量消耗同時還會造成縮短設備的使用壽命。在敞開式循環水系統中,采用水處理技術還會節省大量的補充水;其三是創造穩定舒適的工作和生活環境,保證中央空調系統穩定正常運行。
          表   設備使用壽命(單位:年)

          設備器材
          預防處理
          事后處理
          實際使用年限
          給水管(白鋼管)


          12.6
          揚水泵
          16.0
          7.5
          9.7
          潛水泵
          11.7
          5.0
          6.1
          冷凍機(渦輪式)
          16.4
          10.0
          11.2
          冷卻塔
          13.0
          6.0
          9.9
          空調機(包裝型)
          13.3
          7.5
          7.9

          注:1:預防處理是指為預防危害發生而進行水處理;事后處理是指危害發生后進行水處理;實際使用年限指設備破舊而更換的時間。
             2:本數據來自日本“建筑業協會”統計,而中國還未有有關統計數據。
          二、中央空調循環冷卻水處理
          1.中央空調循環冷卻水基本使用自來水。多年來,由于水系統結垢和腐蝕造成機組功能下降、使用壽命降低、能耗增加,業主長期處于設備、管線維修的局面。為改變這種狀況,水磁化器被引入中央空調水系統。實踐證明,使用這種設備處理能力有限,不成功的報導很多。上世紀80年代中期在工業的冷凍水系統引入工業循環冷卻水處理技術后非常成功,這就是循環冷卻水化學水處理技術。該技術是向水中投加水質穩定劑——包括分散劑、阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑等。是通過化學方法,使水中結垢型離子穩定在水中,其原理是通過螫合、絡合和吸附分散作用,使Ca2+、Mg2+穩定地溶于水中,并對氧化鐵、二氧化硅等膠體也有良好的分散作用,本法是目前空調水處理使用最為普遍的一種方法,也是在工業循環水處理中應用面最廣、技術最成熟的一種方法,實踐證明是有效而經濟的方法。
          1.1緩蝕阻垢處理
             過去使用以聚磷酸鹽為主體的緩蝕劑,但是,如果冷卻水系統在水高濃縮倍數下進行,由于磷酸鹽會大量的附著在金屬的表面上,反而引起結垢的危害,并且,聚磷酸鹽會水解生成正磷酸鹽,生成磷酸鹽垢。后有磷酸鹽和聚合物類阻垢劑的復合藥劑,即使冷卻水被高度濃縮,仍能充分發揮緩蝕和阻垢效果。最近幾年來新的合成藥劑不斷出現,效果越來越好,具體的使用與水質條件有關,濃度一般為100ppm左右。
             加藥劑處理后的有關國標:
              污垢熱阻<4.0×10-4mk/s
              碳鋼緩蝕率<0.125mm/y
              銅緩蝕率<0.005mm/y
          1.2粘泥的處理:
             粘泥是水中藻類和細菌類增殖后,與從大氣中洗滌出的灰塵等雜質構成的具有粘著性的軟泥質的物質,這些粘泥物在管壁會影響水的流速、流量,附著在換熱器管壁就要影響熱交換能力,另外還會造成微生物對金屬器壁的腐蝕,所以必須進行殺菌,粘泥抑制劑一般使用殺生劑。通常,殺生劑為氧化型與非氧化型殺生劑輪流交替使用,以防菌藻產生抗體。由于空調水系統多處于鬧市區人員集中,殺生劑使用要求較高,首先無味并對人體無毒且殺菌效果好,如氯氣就不能在空調系統中使用。
          1.3水質管理
          1.3.1濃縮倍數管理
             對空調循環冷卻水系統來說,貯水量相對循環量的數值太小,因為空調冷卻水設備的運行負荷往往變動較大,外界環境變化也大(如晝夜溫差、濕度等),即使進行一定的強制排污,冷卻水的濃縮倍數仍在變化,甚至變化較大。所以現場控制難度較大,因此,在水處理時,為了使冷卻水的水質維持一定的范圍內,需要建立自動濃縮和加藥管理系統。
             由于水濃縮時,水中的各種離子隨之濃縮,而電導正是反應水中離子濃度多少的數值,濃縮倍數與電導的增長基本上成正比,當水濃縮一倍時,電導濃縮0.93—0.98倍,所以一般采用濃縮倍數為3時水的對應電導率作為控制值,電導儀與電磁閥相聯,同時與自動計量泵相聯,當水濃縮倍數過高時,則電磁閥啟動進行排污,同時加藥泵啟動,補入相應的被排污水帶走的藥量,這一套自動系統根據條件不同而需費用為2—5萬元不等,所以很快被用戶迅速接受。
             自動化的采用,使空調冷卻水循環系統管理大為簡化,實現了現場無人操作,只需每月進行一次或兩次取樣分析,適當調整控制條件,使現場操作準確無誤,為進行化學水處理提供了很好的條件。
          1.3.2藥劑濃度的管理:
             平時,水處理藥劑若不維持在一定濃度上,則不能充分發揮效應。而過量加藥造成經濟上的浪費,因此,加藥要及時適量。目前,空調水系統加藥一般分為兩類,一是采用自動加藥裝置;二是根據計算量而采用連續滴加方式,這種方式也可保證水中藥量濃度在有效范圍內。
          1.3.3日常監測
             最重要的水質管理是掌握補水和冷卻水的水質,而且要把防患于未然的對策作為基本措施。但由于空調水系統一般現場不具備分析條件,一般都委托有關單位進行分析,由于采用自動化管理,所以監測分析可半月或每月進行一次,以便發現問題及時調整。
             腐蝕監測,采用現場掛標準試片,每月或兩月測定一次。
          三、冷凍水處理:
             冷凍水是只通過制冷機使其溫度下降后再流向冷卻工藝的循環水,主要用于中央空調和工廠中需低溫冷卻的系統。就冷卻系統的構成而言,冷凍水分為密閉式和非密閉式,非密閉式又分為部分敞開式和噴淋式兩種類型。中央空調冷凍水系統多為密閉式;工廠中冷凍水系統多為敞開式,如天津大沽化工廠某分廠7℃水;帶有噴淋裝置的冷凍水系統主要見于需進行空氣洗滌和控制空氣濕度的地方,如紡織廠、電子元器件制造車間等。上述幾種不同形式的冷凍水系統,有著許多共同的特點。
          1.冷凍水的特點
             與一般循環冷卻水相比較有以下幾個特點:
          1.l濃縮倍數基本保持不變。密閉式冷凍水系統在循環過程中,由于不與空氣接觸,沒有蒸發,所以水量基本上沒有損失。部分敞開式冷凍水系統僅是冷水池敞口部分暴露于空氣之中,與空氣之間的交換量很少,可以忽略不計,故在循環過程中幾乎沒有水量損失。帶有噴淋裝置的冷凍水系統,夏季在循環過程中有特殊的吸濕現象,即在循環過程中沒有水量損失,反而因空氣中的水蒸氣進入系統而使系統中的離子濃度低于補充水。由于這種現象在某些地區引起冷凍水變化較大,也是藥量損失的主要因素,應引起重視,采取相應措施。而在冬季由于對空氣起增濕作用冷凍水有一定的濃縮。
          l.2水溫比較低,一般在1℃到20℃之間變化,大多數在6℃到12℃之間。
          1.3水處理藥劑為一次性投入,為了保證藥劑的有效性,在指定的周期內排污換藥。
          1.4冷凍水對設備的危害主要是腐蝕,常因腐蝕原因出現紅水現象。
          1.5一般來說,貯水量與循環水量要小些。
          2.腐蝕機理
             冷凍水系統因其水量基本保持不變,水中鈣、鎂離子不因循環而增加,所以結垢趨勢并不嚴重。系統主要存在的問題為溶解氧腐蝕,碳鋼在水中由于形成微電池而引起腐蝕。腐蝕反應的過程可表示為:
               陽極反應 Fe Fe2+ + 2e
               陰極反應 1/2O2+H2O+2e 20H-
               在水中 Fe2+ +20H- Fe (OH)2
             氫氧化亞鐵極易氧化成紅棕色的鐵銹,這是冷凍水出現紅水的主要原因。在敞開式和噴淋式系統中,由于系統部分暴露于空氣中或與空氣直接接觸,系統中溶解氧的含量比較充足;在密閉式冷凍水系統中,溶解氧會因腐蝕的發生而迅速消耗,變的不充分。但這些系統仍會有少量的溶解氧存在,主要是通過閥門、管接頭、泵的壓墊漏進來的。此外,冷凍水系統雖然補充水很少,但溶解氧也會隨著補充水的加入而帶入系統中。所以溶解氧是造成冷凍水系統腐蝕的主要原因。
          伴隨著氧化鐵的腐蝕機理,另一種腐蝕循環反應也同時發生。
               1/2 Fe3+ + Fe2 3 Fe2+
               Fe2+ +1/2O2 Fe3+
             這是去離子水或軟化水腐蝕的主要原因,一旦形成腐蝕反應,還有一個加速過程而這種腐蝕在氧的存在下是一個往復連鎖反應。這是因為鈣、鎂、堿度對腐蝕而言為保護性離子,而軟化水與去離子水正是去除了這些離子,所以在某些用戶出現設備一年就穿孔腐蝕現象,從水處理方面講,密封式系統嚴禁使用去離子水或軟化水。另外Cl-等腐蝕性離子也參加了反應且腐蝕因素較多,這里不—一敘述。未經加藥處理的冷凍水系統腐蝕嚴重。
          3.藥劑的選擇
             根據冷凍水上述的主要腐蝕原因,分別對鉻酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、鉬酸鹽、鋅鹽及有機酸、硫脲、硫醇、唑啉等藥劑進行對比實驗,因其中鉻酸鹽嚴重污染環境、亞硝酸鈉的致癌原因而棄置不用。
             我們以天津自來水為實驗用水(數據見表1),采用掛片法,對單一及復配藥劑進行一系列腐蝕實驗,根據結果及實踐經驗,篩選出具代表性的幾種復配藥劑,試驗數據見表2。
             從表2結果看出,磷系、硅系、鉬系三類復配藥劑在緩蝕方面均取得了良好的效果,掛片腐蝕率遠遠低于國家標準。硅系復配藥劑雖然效果好、價格便宜,但因易生成硅垢且不易去除,使用時慎重。鉬系復配藥劑緩蝕效果好,且冷凍水中藥量損失不大,經濟上可以接受。我們又以相同的配方對四川某廠冷凍水進行對比實驗,其結果與上述一致。
             磷系與鉬系藥劑相比,鉬系主要以吸附膜、沉淀膜原理緩蝕,其效果可以使碳鋼腐蝕率小到幾乎測不出來,其缺點就是用量較大,復配藥劑用量大于2000ppm,成本較高;而磷系藥劑主要加入除氧劑等多種形式進行緩蝕,用量較小,一般為500ppm左右,成本低些,但效果不如鉬系配方。
             近幾年,國家工業水處理工程技術研究中心,針對冷凍水和采暖水系統的特點,開發出一種新型的低鉬藥劑,用量為100—500ppm,碳鋼腐蝕率幾乎為零,其阻垢環蝕效果非常優秀,專門適用于密閉系統。天津市英特節能技術有限公司生產銷售RT系列水處理藥劑 022-86574128

          表1試驗用水(天津自來水)

          PH
            
          7.05
          電導率(20℃)
          us·cm-1
          320
          Cl-
          mg·L-1
          26.14
          M堿
          mmol·L1
          2.64
          Ca2+
          mg·L-1
          44.02
          Mg2+
          mg·L-1
          18.79
          SO42
          mg·L1
          49.24

             表2

          編號
          配方
          掛片
          預膜
          腐蝕率/mm·a-1
          現象
          1
          磷系
          復配藥劑
          碳鋼1
          0.0432
          表面輕微腐蝕
          碳鋼2
          0.0775
          表面少量腐蝕
          不銹鋼
          未檢出
          光亮
          0.0017
          表面顏色烏暗
          2
          硅系
          復配藥劑
          碳鋼3
          0.0120
          表面輕微腐蝕
          碳鋼4
          0.0237
          表面輕微腐蝕
          不銹鋼
          未檢出
          光亮
          0.0008
          表面顏色烏暗
          3
          鉬系
          復配藥劑
          碳鋼5
          0.0009
          表面輕微腐蝕
          碳鋼6
          0.0006
          表面輕微腐蝕
          不銹鋼
          未檢出
          光亮
          未檢出
          光亮
          4
          空白
          碳鋼7
          0.1080
          表面少量腐蝕
          碳鋼8
          0.1580
          表面均勻腐蝕
          不銹鋼
          0.0040
          表面顏色烏暗
          0.0020
          表面顏色烏暗

          4.冷凍水處理藥劑損失
          4.l由于系統本身密閉性不強,在某些接口及泵處有泄漏現象,藥量隨之流失。一般情況下,損失的藥量占總藥量的1%一10%。但在某些系統,泄漏帶走的藥量為主要損失;因為冷凍水系統貯水量較小,只有幾個至幾十個立方,泄漏一個立方也會在幾天或幾十天系統里的水就會置換一次。某些系統一年回補好幾次藥,甚至每月都補。
          4.2系統本身要吸附一些藥劑,其損失量很小,約占總藥量的1%左右。
          4.3在某些帶有噴淋裝置的冷凍水系統中,由于吸濕作用,系統水量增加而發生溢流造成藥劑損失。
          4.4使用磷系配方,因除氧劑的消耗而必須定時補藥,周期為1~2月/每次。
          5.加藥方式
             冷凍水藥量損失較小,但為了保證藥劑在水中的有效性,須人為的進行有規律的排污、補水、加藥。目前,對冷凍水中加藥的間隔時間還未見報道,這里介紹幾種方法。
          5.1根據水質檢測結果不定期加藥。
          5.2連續加藥:即連續地小量排水與補水,同時連續加藥。
          5.3定期加藥:即每隔一定時間,換水加藥。因換水會帶走大量的冷能,故此方法一般采用部分排水補水進行,也有采用隔幾個月換掉部分冷凍水、補充部分藥劑的方法。
          5.4自動控制加藥:現場可通過儀器反映冷凍水的電導率、排污量等來控制加藥。還有更先進的方法是通過反映藥劑中示蹤離子含量的儀器來控制加藥。這種方法的優點是現場操作方便,節省人力物力,節省藥劑。但此類儀器價格較高,所以僅在大型中央空調系統中使用。
          四、采暖水處理:
             采暖水是指通過鍋爐加熱或蒸汽熱交換器而使水加熱然后進行循環使用的熱水系統。在空調系統中,采暖水與冷凍水系統常使用同一管程,只是使用時間不同,夏季為冷凍水,冬季為采暖水,同樣,二者都屬于密閉系統,所以相似之處甚多;本文著重點放在與冷凍水不同之處。
          1.采暖水的特點:
          ①濃縮倍數不變,為密閉式循環系統;
          ②水溫較高,一般在80℃左右。
          ③水處理藥劑為一次性加入,并且有高溫不分解的特點;
          ④采暖水根據水質不同,結垢與腐蝕性重點不同,由于水溫較高,兩種危害同時存在,也常因腐蝕出現紅水現象。
          ⑤一般采暖水如果無泄露等現象時,首先結垢,因結垢性同素不再補入,而溶解氧不斷通過各種途徑進入,致使腐蝕嚴重,使用去離子水時,這一現象尤為嚴重。
          2.腐蝕機理:
             與冷凍水基本相同,只是水溫較高,這一趨勢有所加強。同時,由于有垢層的出現,又會出現垢下腐蝕的現象。
          3.藥劑的選擇:
             選擇藥劑時,既要考慮防腐蝕,又要考慮防結垢,并且藥劑具有耐高溫性,無機磷與鋅鹽就不宜在熱水中使用。
             采暖水的阻垢緩蝕劑也以鉬酸鹽系列為主;鉬酸鹽在高溫不分解,并無環境污染之憂。一般與羧酸一磺酸鹽、磷酸酯等復配,用復配藥劑量在1500—2000ppm左右。
             隨著中央空調的發展和特殊工藝要求的增加,中央空調水處理已成為工業水處理中的重要領域。我們針對三種水系統的特點,作了大量的實驗研究工作,并在總結實踐經驗的基礎上,提出本文與大家交流,以便共同促進我國中央空調水處理技術的發展。

           


           

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