鋅電解整流變壓器循環(huán)冷卻水軟化凈化方案的研究

茍藏紅 趙虎林

（隴南師范高等專科學(xué)校 機(jī)電工程學(xué)院，隴南 742500）

硅整流器在交流電轉(zhuǎn)化為直流電的過程中會產(chǎn)生大量熱。如果不能及時(shí)排走熱量[1]，整流元件可能會被燒毀或擊穿，影響正常的生產(chǎn)工作。為確保整流元件正常工作，必須加裝散熱裝備。鋅冶煉廠電解車間的供電整流器采用的是高水位水池自流冷卻方式，工作原理如圖1所示。

圖1 整流器冷卻原理

鋅冶煉廠使用整流器和整流變壓器的冷卻方式，雖然造價(jià)低廉，維護(hù)成本低，但是冷卻效率和產(chǎn)能均較低[2]。單組整流器載荷二次電流小于15 kA時(shí)，尚可維持運(yùn)行。近年來，由于公司產(chǎn)能調(diào)高，供電系統(tǒng)負(fù)載長期保持在90%以上運(yùn)行。當(dāng)整流器二次電流為55 kA時(shí)，副水溫度冷卻效率低，導(dǎo)致整流器元件溫度達(dá)到70 ℃以上，整流柜水溫達(dá)到50 ℃以上，且系統(tǒng)運(yùn)行極不穩(wěn)定。尤其在夏季，經(jīng)常出現(xiàn)高溫報(bào)警和輕瓦斯報(bào)警，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

通過分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)論證，對鋅冶煉廠供電系統(tǒng)的硅整流器和整流變壓器冷卻設(shè)備進(jìn)行改造。將整流變壓器由原來的油-散熱片自冷方式改為油-水循環(huán)方式，大大提高了整流變壓器的散熱效果。

敞開的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在運(yùn)行過程存在很多問題。比如，隨著熱水在循環(huán)過程的蒸發(fā)和損耗，循環(huán)水中所含的各種鹽濃度會逐漸增加。當(dāng)鹽濃度大于其溶解度時(shí)，會在循環(huán)冷卻管道和交換板內(nèi)壁等地方形成水垢。水垢會沉積堵塞管道，造成內(nèi)壁與熱循環(huán)的交換面積減小，大大降低了熱交換效率[3]。

文章通過重新設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水，增加旁流軟化凈化水質(zhì)系統(tǒng)，通過旁流凈化有效減少循環(huán)水中的顆粒物、懸浮物、Ca2+以及Mg2+等，從而有效抑制水垢的形成，提高整流變水循環(huán)的冷卻效率，延長整流變設(shè)備的使用年限。

1 石灰法軟化原理

20世紀(jì)70年代，石灰軟化工業(yè)循環(huán)冷卻水的方法被提出，并因成本較低獲得了廣泛應(yīng)用。它通過提高循環(huán)水的pH值去除循環(huán)水中的Ca2+、Mg2+以及SiO2等硬質(zhì)成分[4]。

石灰軟化循環(huán)冷卻水的化學(xué)反應(yīng)方程式為[5]

經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后生成的CaCO3和Mg(OH)2均難溶于水，經(jīng)過析出、沉淀和過濾即可去除Ca2+、Mg2+。

但是，循環(huán)冷卻水中依然存在鈣和鎂的永硬性（當(dāng)水中鈣和鎂的含量超過碳酸鹽和碳酸氫鹽的含量時(shí)，過量的鈣和鎂與水中的氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽形成非碳酸鹽硬度）和負(fù)硬性問題，此時(shí)水中的Ca2+和Mg2+都變成了碳酸氫鹽，同時(shí)含有Na+和K+的碳酸氫鹽。這部分多出的Na+、K+的碳酸氫鹽堿度被稱為負(fù)硬度[5]。

化合物會與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成溶解度更大的永硬度化合物，化學(xué)反應(yīng)方程式為

針對永硬和負(fù)硬物質(zhì)，可以在循環(huán)冷卻水中加入Na2CO3進(jìn)行軟化處理，處理過程的化學(xué)反應(yīng)方程式為

經(jīng)過Na2CO3軟化后，永硬度和負(fù)硬度物質(zhì)均轉(zhuǎn)變成難溶于水的化合物[6-9]。

2 旁流軟化設(shè)備設(shè)計(jì)

在整流循環(huán)冷卻系統(tǒng)中加入旁路軟化系統(tǒng)。旁路軟化系統(tǒng)的安裝位置如圖2所示。將補(bǔ)充水與旁路軟化系統(tǒng)結(jié)合，利用循環(huán)后出水作為旁路軟化系統(tǒng)的進(jìn)水，無須額外增加循環(huán)水泵。旁路軟化后的水進(jìn)入冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)，旁路軟化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 旁路軟化系統(tǒng)在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的位置

從圖3可以看出，旁路軟化系統(tǒng)工作過程可分為石灰軟化過濾、堿的軟化過濾和活性炭吸附過濾3個(gè)部分。

圖3 旁路軟化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石灰軟化過濾。循環(huán)冷卻水進(jìn)入石灰反應(yīng)區(qū)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在濾網(wǎng)上產(chǎn)生絮狀物并凝結(jié)，生成CaCO3和Mg(OH)2等難溶性化合物[10-13]，經(jīng)過沉淀后形成CaCO3和Mg(OH)2顆粒，可在濾網(wǎng)中經(jīng)濾料沉積去除[10]。

堿的軟化過濾。經(jīng)過石灰軟化過濾的循環(huán)水中，依然存在少數(shù)永硬度和負(fù)硬度鹽離子，進(jìn)入堿反應(yīng)區(qū)與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3和MgCO3等化合物。這些化合物顆粒經(jīng)過析出和沉淀后，可經(jīng)濾料沉積去除。

活性炭吸附過濾。經(jīng)過石灰+堿軟化后，循環(huán)水中的絕大部分鹽離子已經(jīng)被去除，剩余少量負(fù)離子與懸浮微小顆粒，此時(shí)可采用反滲透裝置過濾技術(shù)和納米過濾技術(shù)進(jìn)一步清除[14-15]，但是反滲透和納米過濾技術(shù)會增加設(shè)備成本。本文研究對象為當(dāng)?shù)匦⌒弯\冶煉廠的鋅電解車間，安裝反滲透和納米滲透裝備會增加生產(chǎn)成本[16]。實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)?shù)匮h(huán)水中SiO2和Cl-的含量很少，因此第三層設(shè)計(jì)使用活性炭濾料層過濾，再經(jīng)過石灰+堿軟化的循環(huán)水進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常常因高溫、蒸發(fā)以及風(fēng)干等出現(xiàn)冷卻水量不足，需要從旁路補(bǔ)充水量[17]。所以，在設(shè)計(jì)旁路軟化系統(tǒng)時(shí)，將補(bǔ)充水閥設(shè)計(jì)在循環(huán)水旁路軟化系統(tǒng)進(jìn)水口處，在補(bǔ)充水的同時(shí)也可以軟化新補(bǔ)充的水，最后一同進(jìn)入循環(huán)水路。

3 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)的旁路軟化系統(tǒng)能有效去除Ca2+和Mg2+等，從而減少循環(huán)管路水垢的生成。通過調(diào)整石灰和工業(yè)純堿的投入量，此方法可以去除90%左右的鈣硬度、75%的鎂硬度以及100%的磷。旁路軟化系統(tǒng)具有成本低、設(shè)備簡單、濾網(wǎng)及濾料均可更換的優(yōu)點(diǎn)，適用于小型鋅冶煉鋅電解整流變循環(huán)冷卻水的軟化處理。