Utilizarea ozonului pentru turnurile de răcire

Autori: ALEXIS MÉTAIS ȘI BRENDAN VAN WYK

Turnuri de răcire și sistem de ozon containerizat.

Apa este mediul preferat pentru extragerea căldurii din procesele exoterme, astfel încât turnurile de răcire sunt un mijloc important de asigurare a funcționării eficiente și fiabile a instalațiilor industriale precum fabricile de celuloză și hârtie. Apa de răcire circulă într-o buclă în care căldura este preluată din proces și apoi evacuată în turnul de răcire. În turnul de răcire apa care circulă este adusă în contact direct cu aerul și răcită prin evaporare.

Tirajul cauzat de turnul de răcire atrage praful și alte materiale organice și creează un mediu de creștere ideal pentru bacterii și alge. Această creștere bacteriană în cadrul unui turn de răcire este o problemă constantă și, dacă este lăsată necontrolată, va avea ca rezultat o creștere a biofilmului gros, pierderea eficienței turnului de răcire și coroziune. Acest biofilm poate găzdui, de asemenea, agenți patogeni precum Legionella, rezultând un mediu toxic și risc pentru sănătatea publică.
Pentru a controla această activitate microbiană, metodele convenționale de tratament includ substanțe chimice biocide. Acestea trebuie dozate în concentrații suficient de mari pentru a asigura o reducere mare a creșterii. Bacteriile pot construi imunitate și toleranțe la aceste substanțe chimice și, prin urmare, este necesară o schimbare de rutină a substanțelor chimice și a dozei chimice. Programele convenționale de tratare chimică utilizate pentru a menține un turn de răcire în bună funcționare constau în următoarele: biocid, substanțe chimice anticalcar, inhibitori de coroziune, agenți antispumanți, control al pH-ului și dispersanți.

Adăugarea tuturor acestor substanțe chimice și îndepărtarea apei prin evaporare limitează cantitatea de ori în care apa de răcire poate fi circulată înainte ca concentrația de solide dizolvate și substanțe chimice să devină atât de mare încât să înceapă să se formeze și să devină problematice. Prin urmare, o parte din apă de răcire trebuie evacuată (purjare) și apa din bazin diluată cu apă proaspătă (apă de completare). Această purjare trebuie tratată într-o stație de tratare a efluenților înainte de a putea fi evacuată în mediu din cauza tuturor substanțelor chimice pe care le conține.

Apa de alimentare tipică și condițiile de funcționare limitează, de obicei, numărul de cicluri de concentrare la două până la cinci înainte ca depunerile să devină o problemă, chiar și cu corecția pH-ului. Ciclurile sunt controlate prin descărcarea sau suflarea apei din bazin și compensarea acestei pierderi de apă prin adăugarea de apă proaspătă. Acest control se face în mod normal pe baza conductivității apei, așa că tehnicienii trebuie să calculeze o conductivitate maximă. Când se atinge această conductivitate, supapa de purjare este deschisă și apa este evacuată în deșeuri până când se atinge o valoare mai mică a conductibilității.

ROLUL OZONULUI

Ozonul (O 3 ) poate îndeplini rolul majorității substanțelor chimice de tratare. Este un gaz cu o puternică putere de oxidare produs din oxigen (O 2 ). Deoarece se auto-descompune rapid în oxigen, ozonul este produs la fața locului. Nu există livrare, depozitare sau manipulare a substanțelor chimice și nici un efect biocid rămas în fluxul de evacuare a efluentului. Ozonul este de obicei dozat prin injectoare venturi la 0,1-0,3 g / m 3in functie de calitatea apei de racire. Ca biocid oxidant, ozonul ucide toți microbii, cum ar fi bacteriile, virușii, sporii și algele prin liza celulară, mai degrabă decât prin otrăvire ca biocidele convenționale. Aceasta înseamnă că organismele nu pot deveni imune la ozon, așa cum se întâmplă atât de des cu biocidele convenționale. În plus, spre deosebire de substanțele chimice clorurate, ozonul nu formează AOX.

Ozonul asigură că nu există creștere microbiană sau bacteriană în apa turnului și îndepărtează orice biofilm care ar fi putut fi prezent înainte de introducerea ozonului, curățând eficient întreaga buclă de apă de răcire. Nalco 1 a raportat încă din 1992 „nenumeroase istorice de utilizare a ozonului în aplicațiile turnurilor de răcire cu „descărcare zero”” și a operat un sistem de răcire la o concentrație de 100 de cicluri. Ferguson și Freedman 2a raportat că, în apele de răcire ozonate cu rapoarte ridicate de saturație a carbonatului de calciu, atunci când ar fi de așteptat catar, carbonatul de calciu precipită în apa în vrac și nu sub formă de calcar. Într-adevăr, eficiența biocidă ridicată a ozonului evită formarea de slime care ar putea da posibilitatea apariției calamului, astfel încât carbonatul de calciu precipită sub formă de cristale și apoi aceste cristale cresc din cauza propriei suprafețe foarte mari. Aceste cristale precipitate sunt ușor îndepărtate în filtrele de nisip ale sistemului.
Pryor și Fisher 3 au raportat, de asemenea, că „au existat numeroase cazuri documentate de sisteme de ozonare care funcționează pentru perioade lungi de timp, fără avarii intenționate”. De fapt, utilizarea ozonului permite creșterea ciclurilor de concentrare mult peste cea prevăzută de Indicele de Saturație Langelier (LSI), astfel încât Pryor și Fisher au dezvoltat indicele de scalare a ozonului (POSI) pentru turnurile de răcire operate cu ozon 3 .

Efectul biocid puternic al ozonului are ca rezultat economii de apă, deoarece este nevoie de mai puțină apă de purjare și de completare. Mai recent au fost raportate economii semnificative de apă în alte turnuri de răcire tratate cu ozon 4, 5, 6 . Prin creșterea ciclurilor de concentrare, există un impact direct asupra costurilor de exploatare a turnului, prin:
• Reducerea aportului de apă dulce
• Reducerea deversării efluenților
• Nevoie mai redusă de curățare a echipamentelor
• Eficiență mai mare a transferului de căldură

O primă consecință a neformarii calcarului este că nu sunt necesare substanțe chimice anticalcar să fie dozate în turn. Deoarece acidul este dozat în mod normal pentru a menține pH-ul și pentru a evita precipitarea carbonatului de calciu, acest lucru nu mai este necesar atunci când se utilizează ozon, deoarece calciul precipită într-o manieră nedegradabilă.

După cum a afirmat Strittmatter, et al 1 , „rata de coroziune a oțelului moale este dominată de nivelul de saturație al apei și nu de prezența sau absența ozonului în sistem”. Prin urmare, buclele de apă de răcire operate la un ciclu ridicat de concentrație (care este posibil datorită utilizării ozonului) au rate de coroziune minime din cauza nivelurilor ridicate de metale dizolvate și a reducerii ulterioare a potențialului de coroziune al apei. Nu trebuie dozat nici un inhibitor de coroziune.

În cele din urmă, deoarece nu se adaugă substanțe chimice în sistem, nu există spumă în turn și nu este nevoie de adăugarea de dispersanți pentru a crește solubilitatea substanțelor chimice, astfel încât nu trebuie adăugați antispumante sau dispersanți în sistem.

STUDIU DE CAZ

Iată un studiu de caz al unui turn de răcire cu un debit de circulație de 11.000 m 3 /h reducând temperatura de la 37°C la 30°C cu un debit de evaporare de 133 m 3 /h. Tratamentul chimic convențional, furnizat de o companie de servicii de tratare a turnurilor de răcire, funcționează foarte bine cu 5,5 cicluri de concentrare. Doza de ozon necesară este de 0,3 g/m 3 , iar producția de ozon necesită un total de 12,5 kW/kgO 3  incluzând toată puterea folosită pentru ca VSA să genereze oxigen, precum și puterea pentru generarea de ozon. La final, ambele soluții de tratament costă la fel.
Cu toate acestea, creșterea ciclurilor de concentrare la 15, ceea ce este posibil datorită ozonului, permite o reducere a debitului apei de adaos de la 163 m 3 /h la 143 m 3 /h, pentru economii semnificative.
Morile se pot aștepta la beneficii suplimentare legate de eficiența îmbunătățită a transferului de căldură și economiile de energie asociate cu răcirea îmbunătățită a echipamentelor de proces; acestea ar trebui să fie calculate pe o bază specifică site-ului. Alte beneficii de cost și de mediu care trebuie luate în considerare sunt valorile AOX mai mici, sau zero, în efluent și descărcarea îmbunătățită a COD în stația de tratare a efluenților.

În concluzie, turnurile de răcire care sunt tratate cu ozon se pot aștepta la următoarele beneficii:
• Calitatea excelentă a apei de răcire, de exemplu, adâncimi de vizibilitate foarte bune
• Protecție pe termen lung împotriva creșterii microbiologice (biofoing) datorită reducerii unităților formatoare de colonii CFU cu aproximativ trei până la patru pași logariți
• Controlul eficient al Legionellei
• Transfer de căldură îmbunătățit
• Costuri reduse cu apa uzată, deoarece nivelurile de COD sunt scăzute și valorile AOX vor fi reduse deoarece nu există adaosuri de clor sau brom
• Ratele de coroziune au scăzut pe măsură ce ciclurile de concentrare cresc
• Siguranță industrială îmbunătățită datorită lipsei de depozitare sau manipulare a substanțelor chimice periculoase
• Funcționare la cicluri mai mari de concentrare 

Referinte:
1. Strittmatter, RJ, Yang, B. și Johnson, DA, Application of Ozone in Cooling Water Systems, Corrosion'92, Nashville, TN, SUA, (1992).
2. Ferguson, RJ și Freedman, AJ, A Comparison of Scale Potential Indicis with Treatment Program Results in Ozonated Systems, Prezentat la Corrosion'94, Houston, TX, SUA, (1993).
3. Pryor, A. și Fisher, M., Ghiduri practice pentru funcționarea în siguranță a sistemelor de ozonare a apei din turnul de răcire, Ozone Science & Engineering, voi. 16, p. 505-536, (1994).
4. Van Wyk BJ, Full-Scale Pilot Investigation into Ozone Treatment for Cooling Tower Water, Conferința WISA, Cape Town, Africa de Sud, (2006).
5. Panjeshahi, MH, Ataei, A., Gharaie, M., Parand, R., Optimum design of cooling water systems for energy and water conservation, Chemical Engineering Research and Design 87, Elsevier Ltd., (2009).
6. Gina, N., Utilizarea eficientă și eficientă a ozonului pe sistemele de răcire cu apă, disertație de master, Universitatea din Witwatersrand, Africa de Sud, (2014).
Brendan van Wyk este manager de dezvoltare a afacerilor, celuloză și hârtie, la Xylem. Alexis Métais este manager de cont cheie pentru celuloză și hârtie, Xylem Inc. și poate fi contactat la [email protected].

 Vezi articolul original AICI