電化學技術在冶煉廠循環(huán)冷卻水處理中的應用

袁治國，陶振軍，張 典，黃大爭*，常定明

（1.神華蒙西煤化股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內蒙古蒙騰環(huán)境技術有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000；3.上海易湃富得環(huán)保技術有限公司，上海 200000）

一直以來，我國都被認為是一個水資源短缺的國家。目前，我國水資源占有率在全球排名為第121名，其水資源人均占有率不足世界水資源人均占有率的25%[1]。而在水資源的用量中，80%的水主要用于工業(yè)中，在工業(yè)用水中，又有大約2/3的水是用于冷卻運行設備的，尤其是化工裝置。因此，充分利用我國現(xiàn)有的水資源，是人們一直以來追求的目標[2]。循環(huán)水在冷卻過程中，由于水分蒸發(fā)，循環(huán)水不斷濃縮，最終導致水中鈣鎂等結垢離子濃度越來越高，容易在換熱器與管道中結垢，影響系統(tǒng)的運行，導致生產能力的下降[3-5]。目前循環(huán)水常用的方法有藥劑法，超聲波法，磁處理法，電化學方法。藥劑法就是向循環(huán)冷卻水中投加藥劑，通過破壞CaCO3晶體的增長阻止碳酸鈣垢的沉積[6]。目前常用的阻垢劑為無機聚磷酸鹽、有機磷酸酯、有機多元磷酸、聚羧酸類阻垢劑[7]。超聲波防垢主要是利用超聲波強聲場處理流體，使流體中成垢物質在超聲波作用下，其物理形態(tài)和化學性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢[8-10]。其中，超聲波空化作用一方面可使垢粒物質在管壁上附著能力降低而逐漸脫落；另一方面可使水離解出OH-離子，OH-又與垢層中的Ca2+離子結合生成CaOH+，使積垢溶解[11，12]。磁處理是由于同晶異構現(xiàn)象產生同晶異構體，當水溶液流過強磁場時，水中的成垢物質從磁場中獲得能量，使方解石型晶體變成霰石型晶體，成為不附著的軟泥，隨排污排出系統(tǒng)外，或沉淀于冷卻塔的底部，防止了水垢的生成[13]。其中，磁化處理的核心是磁水器[14]。電化學處理技術是20世紀70年代發(fā)展起來的新型處理技術，廣泛運用于工業(yè)和民用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的供水處理中。李明建人用快速阻垢測試方法和熱水系統(tǒng)模擬試驗法，研究證實了電子水處理器具有顯著的阻垢效果，其阻垢率與電壓、水質、溫度等因素有關。G. Elgressy等對電子水處理器的控垢機理進行了探討，他們認為電子水處理器產生的高頻電場會使水分子的結構和水溶液的性質發(fā)生改變，加上水合離子及締合、結晶等作用的影響便使成垢物質的附壁能力差、結構松散，從而使水垢得以控制。張高舉使用電子水處理器替代常規(guī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的軟水器處理真空電弧自耗爐的外循環(huán)水，節(jié)省了前期投資，管理方便，運行費用低。岳峰等在對某鋼廠的循環(huán)水進行處理時，使用電解除垢技術代替以前的化學藥劑處理法，直接向冷卻循環(huán)水加載直流電，一段時間后對管道斷面進行掃描，結果顯示管道的閉塞率在不到4個月時間內下降了25%以上，改善了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結垢問題。王晨晨等對電化學循環(huán)水質穩(wěn)定處理技術的基本原理進行了討論，并且將其運用于某催化公司循環(huán)水系統(tǒng)中，運行結果表明，電化學水處理技術比傳統(tǒng)化學法具有更好的處理效果，排污量減少了約76%，節(jié)省了水資源及運行成本。

1 電化學技術介紹及特點

1.1 電化學技術原理

本電化學技術充分發(fā)揮陽極氧化、陰極還原反應，使陽極發(fā)生氧化反應（電解），一方面產生OH·、H2O2、O3、HClO等氧化性物質，可以氧化水中的有機物，氨氮，凈化水質，同時發(fā)揮防腐除銹、殺菌滅藻的作用，陰極發(fā)生還原反應（電結晶），同時陰極還會產生少量的氫，殘留下來的氫氧根會使局部的pH升高，與水中的堿度反應，再與將成垢離子反應并將其從水中析出，從而達到全面的凈化水質的目的，同時增加了混頻，掃頻功能，配合智能主機的使用，更加適用于水質變化的智能控制系統(tǒng)。

1.2 技術特點

（1）將鈣、鎂等結垢離子快速吸附捕捉到集垢器上，脫離循環(huán)水系統(tǒng)，大幅降低換熱器結垢風險。

（2）陽極產生的OH·、H2O2、O3、HClO物質具有氧化性能，可以實現(xiàn)殺菌滅藻等功能。

（3）集垢器中的電極通過電解產生氫氧根離子，通過一系列的電化學反應，不僅可以消除紅銹，同時還能生成磁性氧化鐵，隔開管壁和水，防止腐蝕。

（4）集垢器中的電極通過環(huán)保獨有的掃頻及混頻的專利技術，使自然狀態(tài)下的水分子團被打散成單個的水分子，并能夠產生適量的氫離子，這種單個的水分子的滲透力和溶解力很強，而氫離子的還原性很強，能夠很好的清除已經結晶的碳酸鈣（鎂），三氧化二鐵水垢（銹）。

1.3 循環(huán)水處理流程

循環(huán)水處理流程見圖1所示，電化學設備從循環(huán)水池中取水，進水水量為10 m3/h，經過電化學處理后，再排入循環(huán)水池中，電化學設備由智能主機控制。

2 結果與討論

2.1 水質改善分析

2.1.1 電導率的改善分析

電導率是循環(huán)水是一項目重要的指標，因電導率與鹽分呈正相關，過高的電導會加強系統(tǒng)的腐蝕。在運行的近一個月的周期中，出水電導率得到明顯的變化，進水平均電導率為4643 μS/cm，出水電導率為4130 μS/cm，平均去除率為11.05%，電導率去除率有一個先升高，再下降，最后趨向于平衡的過程。分析認為，當循環(huán)水經過電化學設備時，在電場的作用下，水質中的陰陽離子會向對應的陽極與陰極遷移，導致出水的電導率下降，在設備運行前期，電導率遷移快，所以電導率去除快，后期電導遷移與電場形成平衡，最終達到平衡。

2.1.2 COD的改善分析

COD是循環(huán)水控制的重要的指標之一，高的COD容易導致系統(tǒng)的微生物增長，導致系統(tǒng)的生物腐蝕與換熱效果。COD改善見圖3所示，出水的COD呈現(xiàn)出一定的下降，進水COD平均為79.85mg/L，出水COD平均為73.8mg/L，去除率為6.52%。分析認為，在陽極氧化過程中，COD被氧化去除。但是電化學功率高，所以COD的去除率并不高。

2.1.3 總硬度的改善分析

硬度是循環(huán)水中結垢的主要因子，因此控制循環(huán)水硬度是十分重要的條件，本電化學對循環(huán)水中硬度去除的效果見圖4所示，平均進水硬度為1320 mg/L，平均出水硬度為1237 mg/L，平均去除率為6.25%。當循環(huán)水經過電化學設備時，陰極區(qū)域產生局部的高pH，可以達到11以上，一方面，氫氧根與鎂生成氫氧化鎂沉積于陰極板上，另一方面，氫氧根與溶液中的碳酸氫根反應生成碳酸鈣沉積于陰極板上，所以硬度得到去除。

2.1.4 氯離子的改善分析

氯離子是循環(huán)水中控制的重要指標之一，因為高的氯離子濃度容易造成管道特別是換熱器的腐蝕，嚴重的情況下會影響主裝置的生產。本電化學設備對氯離子的去除效果見圖5所示，平均進水氯離子濃度為583.55mg/L，平均出水氯離子濃度為542.6mg/L，去除率為7.02%。分析認為，當循環(huán)水經過電化學設備時，氯離子對遷移到陽極附近，在陽極強氧化的過程中，氯離子生轉化為次氯酸根以及化合氯，生成的次氯酸根也是一種氧化型殺菌劑，可以用作于系統(tǒng)的殺菌劑，降低系統(tǒng)微生物的生長。

2.1.5 濁度的改善分析

濁度也是循環(huán)冷卻水控制的重要指標之一，濁度高會在換熱器的彎頭處累計，影響循環(huán)水水的流速，造成系統(tǒng)結垢風險加大，另外，在彎頭處累積的懸浮物也會引起垢下腐蝕，造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。電化學設備對濁度具有很好的去除效果，平均進水濁度為7.27NTU，平均出水濁度為5.40NTU，平均去除率為25.70%。當循環(huán)水經過電化學設備時，有些細小的顆粒帶電后，遷移到陰極，與結垢成分一起析出，有一部分濁度在電化學的作用下破壞之前穩(wěn)定的結構，相互碰撞成形成大顆粒而沉淀于水池底面從而被去除。

2.2 結垢成分分析

在試驗一個月后，對電化學設備進行清垢，并對垢成分分析，垢含水率低，僅為27%左右，有機物含量為6%左右，對于去除水分和有機物后的進行灼燒后，其中氧化鈣占88%,，氧化鎂占8%，其它成分占4%，說明垢的成分主要為鈣和鎂的沉淀。

2.3 減排量估算

根據(jù)進水水質和循環(huán)水控制指標，限制濃縮倍數(shù)提高的是總硬度，本研究僅以一套系統(tǒng)作為研究對象，進水量為10m3/h，平均去除硬度為82.55mg/L，去除硬度量為0.8255 kg/h。以本循環(huán)水系統(tǒng)為例，在保證相同的水質時，通過電化學設備的使用，一套設備可節(jié)約10%的補水與排水，經濟效益顯著。

2.4 能耗分析

本套系統(tǒng)設備電功率為7kW，可處理循環(huán)水量2000m3/h，折算成電耗為0.0035kWh，電費按1元計，折算每噸水費用為0.35分。

3 小結與展望

通過循環(huán)水電化學旁路式的試驗研究發(fā)現(xiàn)，電化學設備可以全面的改善循環(huán)水的水質，在一套旁路式設備，進水量為10 m3/h，功率為7 kW時，總硬度平均降低6.25%，鈣離子平均降低3.94%，電導率平均降低11.05%，氯離子平均降低7.07%，濁度平均降低25.70%。折算到2000 m3/h循環(huán)量的系統(tǒng)中，平均節(jié)約10%的補水與排水量。若提供系統(tǒng)節(jié)水能力，可以通過增加設備的形式實現(xiàn)。