深耕循环冷却水领域
做循环冷却水处理技术的开路人
——访南京工业大学退休教授沈鸿礼
本刊记者 | 王妮
沈鸿礼教授在实验室

 

  在远古时代,人类没有水处理技 术,为了降低疾病的水传播, 他们便是采用简单的格栅截留和自然 沉降等方法进行水处理。随后,经过 多年观察和总结,人类发现了用砂子 可以过滤掉细微悬浮物的方法,进而 出现了药剂混凝预处理。随着工业革 命的发展,在石油、电力、钢铁等行 业中,冷却工艺物料或产品是生产的 重要环节,以水作为热交换介质的冷 却水系统应用越来越广泛,循环冷却 水的处理技术从此方兴未艾。 我国的循环冷却水处理技术是从 引进十三套大化肥的过程中在消化、 吸收其循环冷却水技术的基础上发展 起来的,这其中,南京工业大学 ( 原 南京化工学院)被称为中国水处理技 术的摇篮,沈鸿礼教授级高工在这里 从事水处理的研究、开发、生产近 30 余年,他先后主持过化工部、中国石 油化工总公司、能源部委托的有关水 处理的众多科研项目,期间获得过国 家科学进步二等奖一次,化工部、能 源部科技进步二等奖各一次,获得过 江苏省、化工部科学技术三等奖四次, 他参与制定了有关水处理方面国家和 专业标准近 100 项,研制、开发了 JN 系列水处理剂五个品种,其它常用和 新型水处理剂 15 个品种。1995 年, 沈教授又承担了国家科委下达的用于 高硬度、高碱度水质的 DTPMP 水处理 剂,这种水处理剂至今已有三十多个 企业使用,其中改进后的 HEDP、ATMP产品已远销美国、台湾、东南亚各地, 目前年出口量已达几十万吨,创汇近 十亿美元。

  沈教授,南京工业大学教授,中 国水处理领域里的老一辈专家,他的 科研生涯也是从我国引进十三套大化 肥进行消化、吸收和创新中谈起。

从事水处理技术研究 缘起 十三套大化肥的引进

  上世纪七十年代,我国政府为了 加速发展化学肥料产业,提高粮食的 产量,经过谈判分别从美国、日本及 法国签约购买了十三套年产 30 万吨的 合成氨大型现代化肥工厂装置,其中 包括工艺技术、设备、安装及开车的 设备指导,这些工厂建设在辽宁、黑 龙江、四川、云南、贵州、山东、江 苏、广东、河北、湖南、湖北、安徽 等省。这是中国有史以来从国外引进 规模最大、数量最多的工业设备。随 着十三套大化肥设备技术的引进,同 时配套引进了当时国内尚处于空白的 水质稳定技术,即现在称之的循环冷 却水处理技术。沈教授回忆说:“当 时石油化工部的康部长认为水质稳定 技术是一项核心技术,为了掌握和运 用水处理技术,化工部第三设计院召 开了一次会议,会议要求天津化工研 究院、华东化工学院和南京化工学院, 即现在的南京工业大学共同承担水质 稳定技术的研究工作。我原本不在腐 蚀与防护教研室,而是在分析化学教 研室,主讲分析化学的基础课。因为 水质稳定技术的研究工作涉及到分 析化学的内容,防腐教研室认为参 与这一项目是一个很好的发展机遇, 把我从分析化学教研室调到了防腐 教研室,从此开始了循环冷却水处 理技术的研究工作。” 在这项科研任务中,南京化工大 学承担的是栖霞山化肥厂的水质稳定 技术工作,该厂是与法国签订的合同, 但初期提供的是嫩江水质,后由于实 际需要工厂改建在长江边,化工部曾要求法方根据水质的改变,重新改变 药剂配方,但法国坚持要求再交 40 万 美金,当时我国外汇紧张,化工部希 望国内自己解决,实现国产化,同时 省下这笔外汇。经过充分酝酿论证, 南京化工大学成立了以张有衡教授为 组长,从有机合成组、分析化学组和 防腐组调集一些教师,组成了跨学科 的科研攻关小组。 据沈教授介绍,当时栖霞山化肥 厂能提供的资料很少,只有法国的一 种淡黄色液体药剂(G79S),以及与 法方签定的合同上的 2 个技术指标: 碳钢换热器设备的腐蚀率 <0.05mm/ a,年污垢热阻 <2.58×10-4m2•K/W。 法方也没有提供试验仪器和试验方法, 因此,药剂是什么组成、药剂如何起 到阻垢缓蚀作用以及如何验证 2 个技 术指标,成为攻关的难点。为此,首 先要在实验室内制作一个与现场相似 动态模拟装置,其中关键点是换热器 两端温差在流速 1 米 / 秒时为 10℃左 右。天津化工研究院探索用电加热方 式结果效果不佳。后来,沈教授采用 有机化学实验室中的水蒸气蒸馏的方 法,解决了模拟温差的问题。后经张 有衡教授和时均教授(后为中科院院 士)从理论推导,将模拟装置小型化, 并推导出求污垢热阻公式,绘制了正 式仪器图纸。在南京工业大学跨学科 的科研攻关小组努力下,栖霞山化肥 厂引进的法国化肥生产设备中的技术 难点被逐一攻破,随后运转一年后, 再次打开设备发现,设备上没有结垢、 没有腐蚀现象。化工部对南京化工大 学水质稳定技术攻关小组的研发水平 给予了充分的肯定和重视,并先后在 两次相关会议上推介沈教授他们研制 的动态模拟实验装置,各科研院所和 企业也纷纷到南京化工大学参观学习。

  到 1977 年,南京化工大学成立了“水 质稳定教研室”,这是全国高校系统 中唯一一所专门从事水质稳定技术的 研究所。不仅大大激发了沈教授他们 的科研热情,特别是随着教研室的实 验条件逐渐改善,沈教授他们在水处 理药剂开发、仪器研制、水处理工程 等方面取得了一系列丰硕的成果。先 后获得了 1978 年化工部《水质稳定
技术》科技成果二等奖,《在含有大 量磷酸盐的天然水和循环冷却水中硫 酸盐含量快速测定》在《化肥工业》
1979 年第四期和《南京化工学院学 报》1979 年第二期发表后,获得了 1979 年江苏省科技三等奖和化工部 科技三等奖。

研发成果填补国内空白 水处 理剂走向世界

  上世纪五六十年的,我国工业建 设刚刚起步,工业用水量很小,很多 工厂企业都采用直流冷却水,既省钱又方便,但经常因腐蚀和结垢而停产。 随着工业发展,水资源的紧张,很多 工厂不得不采用循环冷却水。在采用 循环冷却水时,最初人们的想法很简 单,以为把高浓缩倍数的水循环起来, 温度降下来就可以了。其实,循环冷 却水在运行的过程中会产生很多问题,如果不能好好解决,循环水就根本无 法运行。比如说,北京化工厂出现了 结垢现象,栖霞山化肥厂出现生物泛 滥现象,水垢、污垢、腐蚀、微生物 孳生,这些都是循环冷却水在运行中 容易出现的问题,水处理药剂是解决 这些现象的最好方法。

  于是 , 我国伴随着引进十三套大 化肥装置和水处理化学品后,同时又 开始引进石油化工企业装置水处理的 化学品,这些产品主要是从美国的纳 尔科公司——一家从事油田和石油化 工企业冷却水水处理药剂研发生产的 公司引进。石油化工部委托南京的几 家科研单位来消化、吸收研制水处理产品。沈教授当时负责这几家科研单 位产品研发之后的评定工作。经过近 一年的研发努力,虽然几家单位都研 制出了杀菌剂、预膜清洗剂、分散剂、 缓蚀剂、消泡剂的仿制品,但经过评审,发现它们还存在有些缺陷。于是, 他又重新进行了实验改进,并在南京 工业大学联营的南京化工学院武进水 质稳定剂厂进行了生产,生产出的产 品很快运用到南京扬子石化、北京东 方化工厂、上海氯碱总厂等,这样一 下子就改变了这些工厂使用水处理药 剂完全依赖进口的局面。这个项目获 得了化工部科技进步二等奖,江苏省 科技进步二等奖。

  在水处理药剂的研发方面,沈教 授进行了不断地总结、探索和研究。 1989 年,他承担了国家科委专项计划 项目二乙烯三胺五甲叉膦酸的研发工 作。经过一年多的工作,他不仅完成 了合同要求的指标,而且经过化肥厂 高硬水应用试验证明 , 其研发的阻垢 缓蚀性能良好 , 对钙的容忍度也大幅 度提高。后来又经其他几个厂的运用 表明,这个产品在高碱、高硬度的水 质下具有良好的阻垢、缓蚀作用,它 完全可以替换 HEDP、ATMP、EDTMP 等 常见有机膦酸,它的运用可以解决高 浓缩倍率的循环水冷却水处置的阻垢 问题,具有优秀的运用前景。1997 年 5 月 9 日这个产品通过了化工部科技司 主持的鉴定。鉴定专家一致认为:二 乙烯三胺五甲叉膦酸产品属国内首创, 生产工艺先进,质量指标达到国内外 同类产品先进水平。

  采访中沈教授介绍,虽然我国的水处理起步较晚,但我国紧跟国际发 展步伐并结合国情在引进的基础上进 行了消化吸收。研究的产品填补了国 内空白,满足了大化肥循环冷却水处 理药剂国产化的要求。特别是到上世 纪 80 年代,随着石油装置和大型冶金 装置的引进,对国外著名公司的循环 水处理剂及冷却水处理技术进行消化 吸收。一大批新的循环水处理剂配方 相继开发成功,使我国的循环冷却水 处理技术又取得了重要进展,并吸引 了国际的关注。美国的孟山都公司是 世界最大的有机磷农药公司,他们生 产的有机磷农药和有机磷水处理剂畅 销东南亚和世界各国。但是从美国运 输过来,路途遥远,于是孟山都公司 找到他,要与南京化工学院武进水质 稳定剂厂合作,进行贴牌生产。

  孟山都公司新加坡的董事参观完 武进水质稳定剂工厂后,拿出了他们 的生产要求指标,沈教授指导工厂严 格按照其生产指标进行了第一批产品 的生产,大获成功,并打响了出口的 第一炮。沈教授介绍,经过 40 多年的 摸索,现在我国已经成为水处理剂的 出口大国,每年水处理剂的出口量很 大,每年出口量达几十万吨。我国也 不再做贴牌生产,并且有了自己品牌 的产品,畅销全世界各个国家。

制定行业标准 推动水质稳定 剂标准化使用

  通过几年实践,我国水处理行业 的专家们深刻地体会到在循环冷却水 处理过程中“三分药剂,七分管理” 是非常重要的,为此沈教授首先认为 由于循环冷却水中投加的水质稳定剂 都是一些络合剂和分散剂,它们对常 规分析方法可能有干扰,同时 13 套大 化肥厂也反映了上述问题。当时特别 典型的例子是当循环冷却水用氯气杀 菌后,却无法测出水中余氯量,相反 地不通氯反而能测出余氯量,造成各 工厂无法用氯气进行杀菌灭藻。后经 沈教授的科研小组研究,找出了解决 上述难题的方法,使工厂能继续采用 性价比最好的通氯杀菌的方法。为此, 化工部决定由天津化工研究院牵头、 沈教授负责制定了《循环冷却水分析 方法》化工部标准,该标准受到各厂 欢迎,先后获得了化工部科技进步二 等奖和国家级科技进步二等奖。之后 沈教授与能源部合作制定了《锅炉用 水和循环冷却水分析方法》国家标准, 获得了能源部科技进步二等奖。紧接 着又制定了《循环冷却水动态模拟试验方法》和《循环冷却水静态阻垢试 验方法》等行业标准,为规范我国循 环冷却水处理管理奠定了基础。

  时至今日,这些标准虽也进行了 调整,但是我国的水质稳定剂的发展 已走在世界前列,我国的标准也就成 为世界的标准。

后记:
我国循环水处理技术在引进与吸收中产生,一代又一代像沈教授一样的科研工作者在不断的努力和探索中,将心中的理想变成现实,让中国的水处理技术走向世界

 

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