高度な冷却水処理の概念 (パート 1)

ここで概説した問題により、従来の冷却水スケール/腐食処理プログラムからの大幅な移行が進んでいます。

編集者注: これは、Buecker & Associates, LLC の社長である Brad Buecker による複数部構成のシリーズの第 1 回です。

電力およびコージェネレーション施設には、蒸気の凝縮、化学反応器の温度制御、回転機器のベアリング冷却、潤滑油の冷却など、さまざまなプラントプロセス用に複数の冷却システムがあります。

冷却システムは、パフォーマンスを最大化し、プラントの運転を部分的または完全に停止させる可能性のある異常を防ぐために、腐食、スケール、微生物による汚れから保護する必要があります。 これらの問題とその相互依存性を以下に示します。

4 番目の、ますます重要になっている要因は、水処理化学物質、特に工場の排出物に含まれる可能性のある化学物質が環境に与える潜在的な影響です。 かつては一般的だった治療プログラムは、現在では許可されなくなったり、退院規制により厳しく制限されたりする可能性があります。

このシリーズでは、貫流システム、冷却塔を備えた開放再循環システム、密閉システムなどの冷却ネットワークにおけるこれらの問題を最小限に抑えるための処理コンセプトを検討します。 治療プログラムは過去数十年で大幅に進化し、さらなる研究が進行中です。

最も複雑な水処理の問題は通常、冷却塔またはそのハイブリッド バージョンがシステムの中心となる開放再循環システムで発生します。 図 2 は、冷却塔ベースのシステムの基本的な流路の概要を示しています。

これらのシステムのいくつかの側面は、スケーリング、汚れ、腐食の可能性を高め、あるいは悪化させるという方が適切かもしれません。 最も重要なのは、塔内の熱伝達の大部分は、少量 (おそらく 2 ～ 3%) の温かい戻り水の蒸発によって発生するということです。

(冷却塔の設計と基本的な熱伝達について詳しく知りたい場合は、参考文献 1 ～ 3 に追加情報が記載されています。これらの参考文献を確認することは、このシリーズを理解するのに役立ちます。また、冷却水と冷却システムの詳細な情報については、素晴らしいリソースです。冷却技術研究所 (www.cti.org) です)。

水が蒸発すると、溶解および浮遊固体が濃縮され、冷却水のスケール付着や腐食の可能性が高まります。 開放型再循環システムには通常、濃縮水を排出して新鮮な補給水に置き換えるためのブローダウン制御が装備されていますが、ブローダウンは通常、スケール/腐食制御に対して部分的な解決策しか提供しません。

冷却塔は非常に効率的な空気スクラバーでもあります。 したがって、空気中の粉塵や微粒子、微生物が除去されますが、後者は補給水と一緒に侵入することもあります。 適切な処理を行わないと、冷却システムの暖かく湿った環境により微生物が急速に増殖し、熱交換器や冷却塔の充填物などの冷却システムのコンポーネントが汚れます。

スケールと腐食制御の処理方法は、大部分において一緒に進化してきました。 このシリーズの最初の 2 部では、この歴史の重要な側面とより効果的なテクノロジーの出現について検討します。 このシリーズの後半では、冷却水処理の主な懸念事項である微生物の汚れと制御について検討します。

前世紀の半ばに、非常に信頼性の高いスケール/腐食処理方法が出現しました。今後、この方法を迅速に検討していきます。 まず、当時の多くのシステムには湖、貯水池、あるいはおそらく処理された市水などの淡水源があったことを考えてみましょう。 これらの元のソースでも依然として溶存イオンが含まれており、冷却塔システム内で濃縮されるとスケールを形成する可能性があります。 最も一般的な 2 つのイオンはカルシウム (Ca2+) と重炭酸塩アルカリ (HCO3-) であり、そのスケール形成能は濃度および温度の増加とともに増加します。

Ca2+ + 2HCO3– + 熱 –> CaCO3 + CO2 + H2O 式 1

未処理の水では、通常、CaCO3 が主なスケール化合物です。 これは家庭用の温水配管やシャワーヘッドに形成される堆積物と同じもので、やや誤って「石灰スケール」と呼ばれます。

CaCO3 スケーリングの可能性を低減するための非常に効果的な解決策は、硫酸を添加して重炭酸塩のアルカリ度を溶液から逃げる二酸化炭素に変換することです。

HCO3–(水溶液) + H2SO4 –> HSO42-(水溶液) + H2CO3 (水溶液) 式 2

H2CO3 (水溶液) ⇌ CO2 + H2O 等式 3

重炭酸塩のアルカリ度を下げるために補給水または冷却水に酸を供給することは、スケール制御にとって簡単であることが証明されましたが、システムの故障により冷却水の pH が大幅に低下し、問題が発生した例はよく知られています。

腐食の観点から見ると、多くの冷却水システムの主な材料は軟炭素鋼であり、熱交換器チューブの材料としてはおそらくステンレス鋼または銅合金が使用されます。 したがって、前世紀半ばには、スケール制御のための硫酸供給 (pH 範囲を 6.5 ～ 7.0 に設定するため) と、腐食制御のためのクロム酸二ナトリウム (Na2Cr2O7) の使用からなる、開放再循環システムの非常に人気のある処理プログラムが行われました。 。 この後者の化合物は、炭素鋼と反応して金属表面を不動態化する疑似ステンレス鋼層を形成するクロム酸イオン (CrO42-) を提供します。 金属表面の保護は腐食制御の重要な側面であり、この考えについては後で説明します。

1970 年代と 1980 年代には、六価クロム (Cr6+) の毒性に対する認識が高まり、環境へのクロムの排出が禁止されました。 これにより、開放型冷却水システムのクロメート処理が実質的に不要になりました。 一般的な交換プログラムはまったく異なり、腐食制御を助けるために弱塩基性 pH (通常は約 8.0、あるいはそれより少し高い) での操作が重要な要素でした。 図 3 は、そのような化学の基本概念を示しています。

リン酸ナトリウム、たとえばオルトリン酸三ナトリウム (Na3PO4) やヘキサメタリン酸ナトリウム (NaPO3)6) (水中で部分的にオルトリン酸に戻ります) が pH 制御の最初の選択肢でした。 しかし、リン酸カルシウム (Ca3(PO4)2) の沈着による問題は、以前の炭酸カルシウムの問題とほぼ同じくらい深刻になりました。 そこで、一般的にホスホネートとして知られる有機リン酸塩の使用を含むプログラムが開発されました。 最も一般的なもののいくつかの構造を以下に示します。

これらの化合物は、イオン隔離や結晶改質などのいくつかの方法によってスケールの形成を軽減するのに役立ちました。 ATMP は 1970 年代初頭に炭酸カルシウムのスケール制御のために導入され、ポリリン酸塩の代替として機能しました。 この化合物は、（当時は新しい）リン酸塩-ホスホン酸塩プログラムのアルカリ性 pH 範囲でかなり良好な腐食防止剤特性を示しましたが、塩素などの酸化剤に対する耐性が低く、また、ホスホン酸カルシウム沈殿物を生成する可能性があります。

図 4 に示す他のホスホネートは、部分的には酸化性殺生物剤の分解に抵抗するために開発されました。 ただし、PBTC と HPA のカルボン酸基 (COOH) に注意してください。 カルボン酸塩 (COO-) は、パート 2 でさらに詳しく説明するように、多くの堆積物制御分散剤にとって重要な官能基です。

研究者らは、リン酸塩/ホスホン酸塩の化学も腐食制御に役立つ可能性があることを発見しました。 反応生成物に応じて、リン酸塩およびポリリン酸塩の沈殿物が腐食セルの陽極および陰極部位に沈降し、腐食電流を減少させます。

少量の亜鉛を添加すると、カソードに水酸化亜鉛 (Zn(OH)2) の堆積物が形成され、電子の移動がさらに阻害されるため、少量の亜鉛を添加することが一般的になりました。 さらなる改良には、リン酸カルシウムの沈殿やその他の堆積を制御するポリマーの開発が含まれます。 次回は、これらのポリマーのいくつかを検討します。

リン酸塩/ホスホン酸塩プログラムは多くの用途で成功していますが、その方法論には重大な欠陥がある可能性があります。 前述したように、腐食制御化学の主な目的は金属表面を保護することです。 化学反応によって形成される腐食抑制沈殿物はしっかりと付着しておらず、流れの不均衡やその他の問題により洗い流される可能性があります。 (4) これにより、一部の表面が局所的に腐食する可能性があります。 逆に、過剰な化学飼料は、リン酸カルシウム、あるいは場合によってはホスホン酸カルシウムの大量の堆積物を生成する可能性があります。 適切なコントロールとは「かみそりの刃の上を歩く」という命題かもしれません。

処理化学に対する影響が増大しているのは、一部の施設が淡水の供給以外の他の供給源から補給物を摂取する必要があることである。 ますます一般的になり、一部の乾燥した場所では義務付けられている補給源は、公共下水処理施設、別名公営処理施設 (POTW) からの排水です。 多くの場合、POTW 排水には、かなりの量の変動するリン酸塩濃度が含まれており、その濃度を使用する工業プラントの冷却および用水の化学反応に強い影響を与える可能性があります。

最後に、懸念が高まっているのは、自然の水域へのリンの放出と、そのような放出が有毒な藻類の増殖に及ぼす影響です。

多くの人は、これらの藻類の異常発生はフロリダやメキシコ湾などの暖かい場所に限定されていると考えていますが、図 4 が示すように、ほぼすべての水域が影響を受ける可能性があります。 現在、多くの場所で、完全に禁止されているわけではないにしても、リンの排出は制限されています。 亜鉛や銅などの金属の排出も制限されている。 このような制限により、リン酸塩/ホスホン酸塩処理化学の選択肢が完全に排除される可能性があります。

上で概説した問題により、従来の冷却水スケール/腐食処理プログラムからの大幅な移行が進んでいます。 パート 2 では、より優れた腐食と堆積物の制御を提供すると同時に、放電化学による潜在的な環境への影響を大幅に軽減する、フィルム形成技術とポリマー技術の組み合わせの概要を説明します。

この議論は検討のための一般的な概念を表すものであり、水処理化学会社からの直接の意見を提供するものではありません。 システム設計と補給水の化学的性質の慎重な評価に基づいて処理プログラムを選択し、すべてのプロジェクトを個別に評価する必要があります。

参考文献

著者について: Brad Buecker は、コンサルティングおよびテクニカル ライティング/マーケティングを担当する Buecker & Associates, LLC の社長です。 最近では、ChemTreat, Inc. の上級技術広報担当者を務めました。電力および工業用水処理業界で 40 年以上の経験またはサポートの経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理および結果エンジニアリングの職にあります。 City Water, Light & Power (イリノイ州スプリングフィールド) と Kansas City Power & Light Company (現 Evergy) のカンザス州ラ・シーニュ駅。 Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、高度な無機化学の追加コースも受講しています。 彼はさまざまな専門業界誌で 250 を超える記事を執筆または共著しており、発電所の化学と大気汚染管理に関する本を 3 冊執筆しています。 [email protected] までご連絡ください。