闭式循环冷却水系统外喷淋冷却水结垢机理研究

闭式循环冷却水系统外喷淋冷却水结垢机理研究

王磊1 ,张铭1 ,王佳琦1 ,郭成博2 ,李堰杰2

1.中国石油长庆油田（榆林）油气有限公司  陕西  榆林  719000  2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂  河南  濮阳  457000

摘要：密闭式循环冷却水系统分为内循环冷却水系统和外喷淋冷却水系统。内部结构形式为“翅片+盘管+填料”，对内循环冷却水采用风冷+水冷的方式进行降温，闭式冷却塔的外喷淋冷却水采用地下水直接作为补充水。本文主要针对外喷淋冷却系统水的结垢机理进行研究，从而找寻除垢措施，更好地保障设备的运行。

关键词： 密闭式循环 内循环 外喷淋 结垢机理 除垢

一、结垢形成机理研究

（1）固相物的生成原因研究

污垢形成的原因：污垢形成的主要原因包括：多组份过饱和溶液中盐类的结晶析出；有机胶状物和矿质胶状物的沉积；不同分散度的某些物质固体颗粒的粘结；某些物质的电化学还原过程生成物等。

水垢形成的原因：水中溶解盐类产生固相沉淀是构成结垢（水垢）的主要因素，其产生固相沉淀的条件是：

1）随着温度的升高，某些盐类的溶解度降低，如Ca(HCO3)2、CaCO3、Ca(OH)2、CaSO4等

2）随着水分的蒸发，水中溶解盐的浓度增高，达到过饱和程度；

3）在被加热的水中产生化学过程，某些离子形成另一些难溶的盐类离子。

具备了上述条件的某些盐类，首先在金属表面上个别部分沉积出原始的结晶胚，并以此为核心逐渐合并增长。之所以易沉积于金属表面，这是因为金属表面在微观上具有一定的粗糙度，微观上的凹凸不平成为过饱和溶液中固体结晶核心。作为构成水垢的盐类一钙镁，在过饱和溶液中生成固相结晶胚芽，逐变而为颗粒，具有无定形或潜晶型结构，接着互相聚附，形成结晶或絮团。固相沉渣的生成与胚芽核心的生成速度有关，即与单位时间内出现的结晶核数量与结晶生长的线速度有关，而这两个因素又与水温和水中含盐浓度及其它杂质的存在有关。

（2）钙、镁碳酸盐水垢形成机理研究

碳酸盐水垢通常以致密的结晶沉淀在加热器壁面甚至冷却塔填料或壁上。但当水温在过热面超过100℃时，CaCO3沉淀是海绵状的絮状体，虽然在沸腾温度以下，也有可能出现硫酸钙的沉淀，但这只能是特例，因为硫酸钙的三种状态：CaSO4、2CaSO4· H2O、CaSO4·2H2O三者的溶解度都很大，而30℃时，硫酸钙的溶解度是0.264g/100g，而碳酸钙的溶解度是0.00529g/100g，硫酸钙的溶解度是碳酸钙的49.9倍，因此可推断，在冷却水的具体条件下，可以完全不必考虑硫酸钙的沉积问题，氢氧化钙的溶解度也是随温度升高而降低的，但在一般情况下在水中不会生成氢氧化钙，因而也不必考虑。重点在于钙、镁的碳酸盐：

Ca2++2HCO3-=H2O+CO2↑+CaCO3↓

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑

Mg(HCO3)2=MgCO3↓+H2O+CO2↑

MgCO3的溶解度比CaCO3的溶解度大六倍以上，而且在水中的MgCO3会很快水解。

MgCO3+H2O=Mg(OH)2+CO2↑

在水中以Mg(OH)2状态存在，而Mg(OH)2的溶解度因温度升高所起的变化较慢，基本上很少会沉积，而且在天然水中的钙离子远远大于镁离子，镁盐的沉积在数量上影响较微，可以忽略不计。

二、抑制结垢方法研究

（1）物理抑制法

喷淋水排浓法。目的：将浓缩倍数较高的冷却水排放，更换新鲜水。优点：防结垢效果好。缺点：浓水处理较麻烦，排放不当污染环境。

清理污垢法。目的：将已产生的垢清除，增加换热面积，增强换热效果。优点：快捷、方便、有效。缺点：部分区域无法完全清除，需结合其他手段进行。

（2）化学抑制法

加酸法。目的：降低水的pH值，使水的碳酸盐硬度转化重碳酸盐硬度。优点：费用较小。缺点：不易控制、过量会产生腐蚀的危险、有生成硫酸钙垢的危险。

软化法。目的：降低水中至垢阳离子的含量。优点：防止结垢效果好。缺点：需要独立的软化水生产设备，投入成本较大，操作复杂。

加阻垢剂法。目的：使碳酸钙的过饱和溶液保持稳定。优点：防垢效果好、具有缓蚀作用、针对性强。缺点：药剂一般含磷，对环境保护造成压力。

（3）抑制结垢方法选择

根据水质分析，我们知道闭式冷却塔结垢物的主要结垢物成分是碳酸钙，而在对外喷淋冷却水进行结垢趋势预测后，外喷淋冷却水亦有碳酸钙结垢的趋势。因此降低外喷淋冷却水中的易导致结垢的Ca2+、Mg2+等离子浓度成了抑制结垢的关键所在，通过对目前最流行的抑制结垢的物理、化学方法进行研究后，决定选择软化法，对喷淋冷却水的源水进行软化，从根源上解决碳酸钙结垢的问题。

三、外喷淋冷却水软化工艺改造

通过在循环水泵房增设1套全自动软化水处理装置（见图1），对外喷淋冷却水进行软化工艺改造，其中包含变频稳压供水设备和钠离子交换软化水设备各1套，设计规模0~100m3/h，去除易导致结垢的钙、镁等硬度离子。变频稳压供水设备全自动化运行，流量与外喷淋蒸发量实时匹配；钠离子交换软化水设备处理量

0~100m3/h，采用3台钠离子交换器并联，2用1备，轮流再生，再生时长2h，出水硬度30～500mg/L（以CaCO3计），控制器采用微电脑控制，相互连锁确保轮流再生连续产水，同时可与变频稳压供水、软水箱等连锁控制，自动启停。经过试运行，全自动软化水处理装置各项运行指标正常，能够满足外喷淋水水质要求，其操作参数见下表1：

表1  全自动软化水处理装置操作参数

总结

本文从固相物的生成原因，钙、镁碳酸盐水垢形成机理，进一步研究探讨外喷淋系统结垢原因。针对结垢机理提出相应的抑制结垢的措施方法。主要应用物理及化学方法。其中对比得到软化法能够最大程度上抑制结垢。为进一步提升设备运行，本文还针对外喷淋系统进行软水改造，从而进一步解决结垢问题。

参考文献

[1]尹先清， 伍家忠， 王正良. 油田注入水碳酸钙垢结垢机理分析与结垢预测[J]. 石油勘探与开发， 2002.

[2] 段接新.循环水系统结垢分析与抑制[J].化学工程师，2004，107(8):47-48.