循环冷却水电化学除垢动力学特性与工艺研究

发布时间：2020-08-26 15:32

【摘要】：使用传统的化学药剂法对循环冷却水系统阻垢防垢会对水体造成二次污染,并且不能去除水中的成垢离子,不能从根本上解决循环冷却水系的结垢问题。电化学除垢作为一种新兴工艺具有高效、无污染、低成本等特点。本文针对电化学除垢工艺对循环冷却水进行处理,通过构建电化学除垢动力学模型,揭示了运行条件对工艺运行效果的影响规律,并对模型进行了实验室验证性试验研究及中试试验研究,得出主要研究结论如下:(1)基于法拉第第一定律和电化学反应动力学方程构建了间歇反应器(CMB)电化学除垢模型Cca2+=C0·exp(61kα2J2t2/34L2/kαJλC0't/L)。设计单因素试验对模型进行验证,结果表明试验数据与模型显著相关。在间歇反应条件下,Ca2+浓度随电流密度增大呈指数关系减小;动力学模型表明,反应器存在最优间距L=2C/D使Ca2+浓度降至最低,并对各组试验的2C/D进行数值求解,确定了电化学除垢工艺的最佳极板间距范围为0.7～1.7cm,为便于设备加工和工艺调试,取最佳极板间距为1cm;Ca2+浓度与电解时间的延长呈指数关系减小;所建立的动力学模型能够大致地反映Ca2+浓度随HCO3-初始浓度的变化趋势,随着HCO3初始浓度的增加,Ca2+浓度不断减小。通过SEM和XRD表征探明了阴极板水垢主要为质地坚硬的方解石,需要借助外力清除。(2)在CMB反应器电化学除垢模型基础上,基于物料平衡方程构建了活塞流反应器(PFR)电化学除垢反应动力学模型η=[1-exp(61/34·61kα2Jx2/L2v2-kαJλC0'x/Lv)]×100%。设计单因素试验加以验证,结果表明试验数据与模型显著相关。活塞流条件下硬度去除率随着极板高度的增加而增大,当h=17LvλC0'/61αJ时,硬度去除率达到最大值;随着电流密度的增大硬度去除率不断升高,但硬度去除率的增大趋势渐趋平缓;硬度去除率随着流速的降低持续减小;随着HCO3初始浓度的增加,硬度去除率持续增大,并且硬度去除率增大的速率越来越低。(3)建立比能耗与运行条件相关关系模型3600·C0[1-exp(61/34·61kα2Jx2/L2v2-kαJλC0'x/Lv)]·A·v'对各组试验的比能耗进行计算和整理,结果表明:比能耗随着流速地减小而增大,拟合得出的电压与实际电压较为接近;比能耗随着电流密度的增大而增大,并且增长速率不断升高;随着HCO3初始浓度的升高,比能耗不断降低,并且比能耗降低的趋势渐渐趋于平缓。(4)以某机场中央空调系统循环冷却水为处理对象,进行了中试试验。中试试验条件下,由于镁离子、阻垢剂和悬浮物等的干扰作用,硬度去除率电流密度呈近似的线性递增关系;流速从4.17mm/s降至2.08mm/s的过程中,硬度增长速率较快,而流速低于2.08mm/s时,硬度除率的增长减缓。对电化学去除冷却水硬度的比能耗研究结果表明,比能耗与电流密度呈近似的线性关系;比能耗随流速的减小呈现先降低后增大的变化趋势,当流速为2.08mm/s时比能耗最低。在此基础上确定了最佳运行工况条件:停留时间为4min,电流密度为25.56A/m2。由XRD图谱和SEM图发现循环冷却水中阻垢剂的存在导致阴极板上的水垢晶体发生畸变。通过上述研究揭示了运行条件对电化学除垢效果的影响规律,丰富了电化学除垢动力学理论体系。在循环水量为1000m3/h的中小型循环冷却水系统中,与传统的化学药剂法相比,采用电化学除垢设备可节约运行成本23.5万元,具有可观的经济效益和良好的环境效益。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ085.4
【图文】：

106mm×29mm×113mm 、 106mm×49mm×113mm 、 5106mm×69mm×113mm 、106mm×89mm×113mm、106mm×109mm×113mm。电解槽的宽度减去壁厚和极板厚度后为试验时的极板间距，如图3.2所示，从左到右这5个电解槽试验时极板间距分别为2cm、4cm、6cm、8cm、10cm。电解槽材料为有机玻璃，是一种绝缘材料，并不与模拟循环冷却水成分及反应产物发生反应，不会对试验结果造成干扰。（2）极板试验所用的阳极板为钛基铱钌氧化物涂层极板（DSA 电极），DSA 电极具有较高的标准电极电位，机械性能好，稳定性强，耐腐蚀，在外电流的作用下一般不会发生氧化溶解。与传统的石墨阳极和铅阳极相比，铱钌氧化物涂层钛基阳极的工作寿命较长，并且具有电催化活性，可以提高生产效率；尺寸稳定，可以防止因为变形而引起的短路问题；具有低过电位的特性

不同放大倍数的阴极水垢SEM照片

图 3.8 阴极水垢 XRD 图谱一步研究和观察水垢的微观结构，使用 X 射线衍射（XRD如图 3.8 所示。由图 3.8 可以发现，水垢的成分只有方解石ite）两种晶型，无其它种类晶型。并且阴极板上的 CaCO3水

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本文编号：2805355