锌电解整流变压器循环冷却水软化净化方案的研究

苟藏红 赵虎林

（陇南师范高等专科学校 机电工程学院，陇南 742500）

硅整流器在交流电转化为直流电的过程中会产生大量热。如果不能及时排走热量[1]，整流元件可能会被烧毁或击穿，影响正常的生产工作。为确保整流元件正常工作，必须加装散热装备。锌冶炼厂电解车间的供电整流器采用的是高水位水池自流冷却方式，工作原理如图1所示。

图1 整流器冷却原理

锌冶炼厂使用整流器和整流变压器的冷却方式，虽然造价低廉，维护成本低，但是冷却效率和产能均较低[2]。单组整流器载荷二次电流小于15 kA时，尚可维持运行。近年来，由于公司产能调高，供电系统负载长期保持在90%以上运行。当整流器二次电流为55 kA时，副水温度冷却效率低，导致整流器元件温度达到70 ℃以上，整流柜水温达到50 ℃以上，且系统运行极不稳定。尤其在夏季，经常出现高温报警和轻瓦斯报警，严重影响生产效率。

通过分析计算和实验论证，对锌冶炼厂供电系统的硅整流器和整流变压器冷却设备进行改造。将整流变压器由原来的油-散热片自冷方式改为油-水循环方式，大大提高了整流变压器的散热效果。

敞开的冷却水循环系统在运行过程存在很多问题。比如，随着热水在循环过程的蒸发和损耗，循环水中所含的各种盐浓度会逐渐增加。当盐浓度大于其溶解度时，会在循环冷却管道和交换板内壁等地方形成水垢。水垢会沉积堵塞管道，造成内壁与热循环的交换面积减小，大大降低了热交换效率[3]。

文章通过重新设计循环冷却水，增加旁流软化净化水质系统，通过旁流净化有效减少循环水中的颗粒物、悬浮物、Ca2+以及Mg2+等，从而有效抑制水垢的形成，提高整流变水循环的冷却效率，延长整流变设备的使用年限。

1 石灰法软化原理

20世纪70年代，石灰软化工业循环冷却水的方法被提出，并因成本较低获得了广泛应用。它通过提高循环水的pH值去除循环水中的Ca2+、Mg2+以及SiO2等硬质成分[4]。

石灰软化循环冷却水的化学反应方程式为[5]

经过化学反应后生成的CaCO3和Mg(OH)2均难溶于水，经过析出、沉淀和过滤即可去除Ca2+、Mg2+。

但是，循环冷却水中依然存在钙和镁的永硬性（当水中钙和镁的含量超过碳酸盐和碳酸氢盐的含量时，过量的钙和镁与水中的氯化物、硫酸盐和硝酸盐形成非碳酸盐硬度）和负硬性问题，此时水中的Ca2+和Mg2+都变成了碳酸氢盐，同时含有Na+和K+的碳酸氢盐。这部分多出的Na+、K+的碳酸氢盐碱度被称为负硬度[5]。

化合物会与Ca(OH)2发生化学反应，生成溶解度更大的永硬度化合物，化学反应方程式为

针对永硬和负硬物质，可以在循环冷却水中加入Na2CO3进行软化处理，处理过程的化学反应方程式为

经过Na2CO3软化后，永硬度和负硬度物质均转变成难溶于水的化合物[6-9]。

2 旁流软化设备设计

在整流循环冷却系统中加入旁路软化系统。旁路软化系统的安装位置如图2所示。将补充水与旁路软化系统结合，利用循环后出水作为旁路软化系统的进水，无须额外增加循环水泵。旁路软化后的水进入冷却塔循环系统，旁路软化系统的设计如图3所示。

图2 旁路软化系统在循环冷却系统中的位置

从图3可以看出，旁路软化系统工作过程可分为石灰软化过滤、碱的软化过滤和活性炭吸附过滤3个部分。

图3 旁路软化系统设计

石灰软化过滤。循环冷却水进入石灰反应区发生化学反应，在滤网上产生絮状物并凝结，生成CaCO3和Mg(OH)2等难溶性化合物[10-13]，经过沉淀后形成CaCO3和Mg(OH)2颗粒，可在滤网中经滤料沉积去除[10]。

碱的软化过滤。经过石灰软化过滤的循环水中，依然存在少数永硬度和负硬度盐离子，进入碱反应区与Na2CO3反应生成CaCO3和MgCO3等化合物。这些化合物颗粒经过析出和沉淀后，可经滤料沉积去除。

活性炭吸附过滤。经过石灰+碱软化后，循环水中的绝大部分盐离子已经被去除，剩余少量负离子与悬浮微小颗粒，此时可采用反渗透装置过滤技术和纳米过滤技术进一步清除[14-15]，但是反渗透和纳米过滤技术会增加设备成本。本文研究对象为当地小型锌冶炼厂的锌电解车间，安装反渗透和纳米渗透装备会增加生产成本[16]。实验得知，当地循环水中SiO2和Cl-的含量很少，因此第三层设计使用活性炭滤料层过滤，再经过石灰+碱软化的循环水进入循环冷却水系统。

循环冷却水系统在运行过程中常常因高温、蒸发以及风干等出现冷却水量不足，需要从旁路补充水量[17]。所以，在设计旁路软化系统时，将补充水阀设计在循环水旁路软化系统进水口处，在补充水的同时也可以软化新补充的水，最后一同进入循环水路。

3 结语

通过实验可知，设计的旁路软化系统能有效去除Ca2+和Mg2+等，从而减少循环管路水垢的生成。通过调整石灰和工业纯碱的投入量，此方法可以去除90%左右的钙硬度、75%的镁硬度以及100%的磷。旁路软化系统具有成本低、设备简单、滤网及滤料均可更换的优点，适用于小型锌冶炼锌电解整流变循环冷却水的软化处理。