中央空调系统水处理技术研究

一、概述
　　中央空调循环水系统一般分为三部分，即循环水系统、冷冻水系统、采暖水系统。循环冷却水多为开式，冷冻水与采暖水为封闭式；目前，高层建筑或封闭式厂方的冷冻水与采暖水多为同一系统，在夏季走冷冻水，在冬季走采暖水。这三套循环水系统各有特点，但存在同一问题：结垢、腐蚀和生物粘泥，如不进行适当的处理，势必会引起管道堵塞，腐蚀泄漏、传热效率大为降低等一系列问题，影响整个空调系统的正常工作。
　　多年来，我们对中央空调用水情况作了广泛的调查，综合起来看现中央空调水系统的用水分为三类，即未经过任何处理的自来水、软化水和去离子水。水中对设备主要产生影响的因素分别为碱度、PH值、Cl-、氧含量等。自来水因地区不同而水质变化较大，在水的循环过程中，硬度和碱度是造成结垢的主要因素，而Cl-、低PH值、溶解氧是造成腐蚀的罪魁祸首。在自来水中这两种危害同时存在，只是由于水质差异，危害的主副性有所区别；相对腐蚀而言，结垢性离子Ca2+、Mg2+、碱度为保护性离子，软化水正是由于去除了这些离子，增加了Na+、Cl-等腐蚀性离子，从而加重了设备的腐蚀，所以说软化水虽然避免了结垢问题，却加重了腐蚀，这种现象会随着时间推移而显露出来。如大港开发区某空调系统一年就出现腐蚀穿孔现象，可见软化水腐蚀性的强弱。去离子水相对地说即去除了结垢因素，也去除了腐蚀因素，但实际上并非如此，同样，去离子水中虽然不存在结垢性离子和腐蚀性离子，但却并未除去水中的溶解氧，初始时，腐蚀速度较慢，有一个逐渐加速过程，最终会导致同前两种水一样的红水现象（封闭式系统）。
　　空调水处理的必要性主要有以下三点，其一是延长管线和设备的使用寿命。如果在主要管线和设备上发生的泄露时，或在敷设管道上发生了泄露时，更换维修，不但要花费较大的费用，而且，在实施时存在着许多困难。空调系统水处理的必要性就在于使管线和设备达到设计的使用寿命。下表中数据可说明水处理的重要性；其二是节能。当结垢和腐蚀产生锈垢堆积物，都会导致传热效率下降，为达到设定效果，必须加大能量消耗同时还会造成缩短设备的使用寿命。在敞开式循环水系统中，采用水处理技术还会节省大量的补充水；其三是创造稳定舒适的工作和生活环境，保证中央空调系统稳定正常运行。
表 设备使用寿命（单位：年）

表 设备使用寿命（单位：年）

　　注：1：预防处理是指为预防危害发生而进行水处理；事后处理是指危害发生后进行水处理；实际使用年限指设备破旧而更换的时间。
　　　　2：本数据来自日本“建筑业协会”统计，而中国还未有有关统计数据。
二、中央空调循环冷却水处理
　　中央空调循环冷却水基本使用自来水。多年来，由于水系统结垢和腐蚀造成机组功能下降、使用寿命降低、能耗增加，业主长期处于设备、管线维修的局面。为改变这种状况，水磁化器被引入中央空调水系统。实践证明，使用这种设备处理能力有限，不成功的报导很多。上世纪80年代中期在工业的冷冻水系统引入工业循环冷却水处理技术后非常成功，这就是循环冷却水化学水处理技术。该技术是向水中投加水质稳定剂——包括分散剂、阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等。是通过化学方法，使水中结垢型离子稳定在水中，其原理是通过螫合、络合和吸附分散作用，使Ca2+、Mg2+稳定地溶于水中，并对氧化铁、二氧化硅等胶体也有良好的分散作用，本法是目前空调水处理使用最为普遍的一种方法，也是在工业循环水处理中应用面最广、技术最成熟的一种方法，实践证明是有效而经济的方法。
1.缓蚀阻垢处理
　　过去使用以聚磷酸盐为主体的缓蚀剂，但是，如果冷却水系统在水高浓缩倍数下进行，由于磷酸盐会大量的附着在金属的表面上，反而引起结垢的危害，并且，聚磷酸盐会水解生成正磷酸盐，生成磷酸盐垢。后有磷酸盐和聚合物类阻垢剂的复合药剂，即使冷却水被高度浓缩，仍能充分发挥缓蚀和阻垢效果。最近几年来新的合成药剂不断出现，效果越来越好，具体的使用与水质条件有关，浓度一般为100ppm左右。
　　加药剂处理后的有关国标：
　　污垢热阻<4.0×10-4mk/s
　　碳钢缓蚀率<0.125mm/y
　　铜缓蚀率<0.005mm/y
2.粘泥的处理
　　粘泥是水中藻类和细菌类增殖后，与从大气中洗涤出的灰尘等杂质构成的具有粘着性的软泥质的物质，这些粘泥物在管壁会影响水的流速、流量，附着在换热器管壁就要影响热交换能力，另外还会造成微生物对金属器壁的腐蚀，所以必须进行杀菌，粘泥抑制剂一般使用杀生剂。通常，杀生剂为氧化型与非氧化型杀生剂轮流交替使用，以防菌藻产生抗体。由于空调水系统多处于闹市区人员集中，杀生剂使用要求较高，首先无味并对人体无毒且杀菌效果好，如氯气就不能在空调系统中使用。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。
3.水质管理
　　3.1 浓缩倍数管理
　　对空调循环冷却水系统来说，贮水量相对循环量的数值太小，因为空调冷却水设备的运行负荷往往变动较大，外界环境变化也大（如昼夜温差、湿度等），即使进行一定的强制排污，冷却水的浓缩倍数仍在变化，甚至变化较大。所以现场控制难度较大，因此，在水处理时，为了使冷却水的水质维持一定的范围内，需要建立自动浓缩和加药管理系统。
　　由于水浓缩时，水中的各种离子随之浓缩，而电导正是反应水中离子浓度多少的数值，浓缩倍数与电导的增长基本上成正比，当水浓缩一倍时，电导浓缩0.93—0.98倍，所以一般采用浓缩倍数为3时水的对应电导率作为控制值，电导仪与电磁阀相联，同时与自动计量泵相联，当水浓缩倍数过高时，则电磁阀启动进行排污，同时加药泵启动，补入相应的被排污水带走的药量，这一套自动系统根据条件不同而需费用为2—5万元不等，所以很快被用户迅速接受。
　　自动化的采用，使空调冷却水循环系统管理大为简化，实现了现场无人操作，只需每月进行一次或两次取样分析，适当调整控制条件，使现场操作准确无误，为进行化学水处理提供了很好的条件。
　　3.2 药剂浓度的管理：
　　平时，水处理药剂若不维持在一定浓度上，则不能充分发挥效应。而过量加药造成经济上的浪费，因此，加药要及时适量。目前，空调水系统加药一般分为两类，一是采用自动加药装置；二是根据计算量而采用连续滴加方式，这种方式也可保证水中药量浓度在有效范围内。
　　3.3 日常监测
　　最重要的水质管理是掌握补水和冷却水的水质，而且要把防患于未然的对策作为基本措施。但由于空调水系统一般现场不具备分析条件，一般都委托有关单位进行分析，由于采用自动化管理，所以监测分析可半月或每月进行一次，以便发现问题及时调整。
　　腐蚀监测，采用现场挂标准试片，每月或两月测定一次。
三、冷冻水处理
　　冷冻水是只通过制冷机使其温度下降后再流向冷却工艺的循环水，主要用于中央空调和工厂中需低温冷却的系统。就冷却系统的构成而言，冷冻水分为密闭式和非密闭式，非密闭式又分为部分敞开式和喷淋式两种类型。中央空调冷冻水系统多为密闭式；工厂中冷冻水系统多为敞开式，如天津大沽化工厂某分厂7℃水；带有喷淋装置的冷冻水系统主要见于需进行空气洗涤和控制空气湿度的地方，如纺织厂、电子元器件制造车间等。上述几种不同形式的冷冻水系统，有着许多共同的特点。
1.冷冻水的特点
　　与一般循环冷却水相比较有以下几个特点：
　　1.l 浓缩倍数基本保持不变。密闭式冷冻水系统在循环过程中，由于不与空气接触，没有蒸发，所以水量基本上没有损失。部分敞开式冷冻水系统仅是冷水池敞口部分暴露于空气之中，与空气之间的交换量很少，可以忽略不计，故在循环过程中几乎没有水量损失。带有喷淋装置的冷冻水系统，夏季在循环过程中有特殊的吸湿现象，即在循环过程中没有水量损失，反而因空气中的水蒸气进入系统而使系统中的离子浓度低于补充水。由于这种现象在某些地区引起冷冻水变化较大，也是药量损失的主要因素，应引起重视，采取相应措施。而在冬季由于对空气起增湿作用冷冻水有一定的浓缩。
　　l.2 水温比较低，一般在1℃到20℃之间变化，大多数在6℃到12℃之间。
　　1.3 水处理 药剂为一次性投入，为了保证药剂的有效性，在指定的周期内排污换药。
　　1.4 冷冻水对设备的危害主要是腐蚀，常因腐蚀原因出现红水现象。
　　1.5 一般来说，贮水量与循环水量要小些。
2.腐蚀机理
　　冷冻水系统因其水量基本保持不变，水中钙、镁离子不因循环而增加，所以结垢趋势并不严重。系统主要存在的问题为溶解氧腐蚀，碳钢在水中由于形成微电池而引起腐蚀。腐蚀反应的过程可表示为：
　　阳极反应FeFe2+＋2e
　　阴极反应1/2O2＋H2O＋2e20H-
　　在水中Fe2+＋20H-Fe(OH)2
　　氢氧化亚铁极易氧化成红棕色的铁锈，这是冷冻水出现红水的主要原因。在敞开式和喷淋式系统中，由于系统部分暴露于空气中或与空气直接接触，系统中溶解氧的含量比较充足；在密闭式冷冻水系统中，溶解氧会因腐蚀的发生而迅速消耗，变的不充分。但这些系统仍会有少量的溶解氧存在，主要是通过阀门、管接头、泵的压垫漏进来的。此外，冷冻水系统虽然补充水很少，但溶解氧也会随着补充水的加入而带入系统中。所以溶解氧是造成冷冻水系统腐蚀的主要原因。
　　伴随着氧化铁的腐蚀机理，另一种腐蚀循环反应也同时发生。
　　1/2Fe3+＋Fe23Fe2+
　　Fe2+＋1/2O2Fe3+
　　这是去离子水或软化水腐蚀的主要原因，一旦形成腐蚀反应，还有一个加速过程而这种腐蚀在氧的存在下是一个往复连锁反应。这是因为钙、镁、碱度对腐蚀而言为保护性离子，而软化水与去离子水正是去除了这些离子，所以在某些用户出现设备一年就穿孔腐蚀现象，从水处理方面讲，密封式系统严禁使用去离子水或软化水。另外Cl-等腐蚀性离子也参加了反应且腐蚀因素较多，这里不—一叙述。未经加药处理的冷冻水系统腐蚀严重。
3.药剂的选择
　　根据冷冻水上述的主要腐蚀原因，分别对铬酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、钼酸盐、锌盐及有机酸、硫脲、硫醇、唑啉等药剂进行对比实验，因其中铬酸盐严重污染环境、亚硝酸钠的致癌原因而弃置不用。
　　我们以天津自来水为实验用水（数据见表1），采用挂片法，对单一及复配药剂进行一系列腐蚀实验，根据结果及实践经验，筛选出具代表性的几种复配药剂，试验数据见表2。
　　从表2结果看出，磷系、硅系、钼系三类复配药剂在缓蚀方面均取得了良好的效果，挂片腐蚀率远远低于国家标准。硅系复配药剂虽然效果好、价格便宜，但因易生成硅垢且不易去除，使用时慎重。钼系复配药剂缓蚀效果好，且冷冻水中药量损失不大，经济上可以接受。我们又以相同的配方对四川某厂冷冻水进行对比实验，其结果与上述一致。
　　磷系与钼系药剂相比，钼系主要以吸附膜、沉淀膜原理缓蚀，其效果可以使碳钢腐蚀率小到几乎测不出来，其缺点就是用量较大，复配药剂用量大于2000ppm，成本较高；而磷系药剂主要加入除氧剂等多种形式进行缓蚀，用量较小，一般为500ppm左右，成本低些，但效果不如钼系配方。
　　近几年，国家工业水处理工程技术研究中心，针对冷冻水和采暖水系统的特点，开发出一种新型的低钼药剂TS－52706，用量为100—500ppm，碳钢腐蚀率几乎为零，其阻垢环蚀效果非常优秀，专门适用于密闭系统。

表１试验用水（天津自来水）

表 2

4.冷冻水处理药剂损失
　　4.l 由于系统本身密闭性不强，在某些接口及泵处有泄漏现象，药量随之流失。一般情况下，损失的药量占总药量的1％一10％。但在某些系统，泄漏带走的药量为主要损失；因为冷冻水系统贮水量较小，只有几个至几十个立方，泄漏一个立方也会在几天或几十天系统里的水就会置换一次。某些系统一年回补好几次药，甚至每月都补。
　　4.2 系统本身要吸附一些药剂，其损失量很小，约占总药量的1％左右。
　　4.3 在某些带有喷淋装置的冷冻水系统中，由于吸湿作用，系统水量增加而发生溢流造成药剂损失。
　　4.4 使用磷系配方，因除氧剂的消耗而必须定时补药，周期为1～2月／每次。
5.加药方式
　　冷冻水药量损失较小，但为了保证药剂在水中的有效性，须人为的进行有规律的排污、补水、加药。目前，对冷冻水中加药的间隔时间还未见报道，这里介绍几种方法。
　　5.1 根据水质检测结果不定期加药。
　　5.2 连续加药：即连续地小量排水与补水，同时连续加药。
　　5.3 定期加药：即每隔一定时间，换水加药。因换水会带走大量的冷能，故此方法一般采用部分排水补水进行，也有采用隔几个月换掉部分冷冻水、补充部分药剂的方法。
　　5.4 自动控制加药：现场可通过仪器反映冷冻水的电导率、排污量等来控制加药。还有更先进的方法是通过反映药剂中示踪离子含量的仪器来控制加药。这种方法的优点是现场操作方便，节省人力物力，节省药剂。但此类仪器价格较高，所以仅在大型中央空调系统中使用。
四、采暖水处理
　　采暖水是指通过锅炉加热或蒸汽热交换器而使水加热然后进行循环使用的热水系统。在空调系统中，采暖水与冷冻水系统常使用同一管程，只是使用时间不同，夏季为冷冻水，冬季为采暖水，同样，二者都属于密闭系统，所以相似之处甚多；本文着重点放在与冷冻水不同之处。
1.采暖水的特点：
　　①浓缩倍数不变，为密闭式循环系统；
　　②水温较高，一般在80℃左右。
　　③水处理药剂为一次性加入，并且有高温不分解的特点；
　　④采暖水根据水质不同，结垢与腐蚀性重点不同，由于水温较高，两种危害同时存在，也常因腐蚀出现红水现象。
　　⑤一般采暖水如果无泄露等现象时，首先结垢，因结垢性同素不再补入，而溶解氧不断通过各种途径进入，致使腐蚀严重，使用去离子水时，这一现象尤为严重。
2.腐蚀机理
　　与冷冻水基本相同，只是水温较高，这一趋势有所加强。同时，由于有垢层的出现，又会出现垢下腐蚀的现象。
3.药剂的选择
　　选择药剂时，既要考虑防腐蚀，又要考虑防结垢，并且药剂具有耐高温性，无机磷与锌盐就不宜在热水中使用。
　　采暖水的阻垢缓蚀剂也以钼酸盐系列为主；钼酸盐在高温不分解，并无环境污染之忧。一般与羧酸一磺酸盐、磷酸酯等复配，用复配药剂量在1500—2000ppm左右。
　　随着中央空调的发展和特殊工艺要求的增加，中央空调水处理已成为工业水处理中的重要领域。我们针对三种水系统的特点，作了大量的实验研究工作，并在总结实践经验的基础上，提出本文与大家交流，以便共同促进我国中央空调水处理技术的发展。