深耕循環冷卻水領域
做循環冷卻水處理技術的開路人
——訪南京工業大學退休教授沈鴻禮
本刊記者 | 王妮
沈鴻禮教授在實驗室

 

  在遠古時代,人類沒有水處理技 術,爲了降低疾病的水傳播, 他們便是採用簡單的格柵截留和自然 沉降等方法進行水處理。隨後,經過 多年觀察和總結,人類發現了用砂子 可以過濾掉細微懸浮物的方法,進而 出現了藥劑混凝預處理。隨着工業革 命的發展,在石油、電力、鋼鐵等行 業中,冷卻工藝物料或產品是生產的 重要環節,以水作爲熱交換介質的冷 卻水系統應用越來越廣泛,循環冷卻 水的處理技術從此方興未艾。 我國的循環冷卻水處理技術是從 引進十三套大化肥的過程中在消化、 吸收其循環冷卻水技術的基礎上發展 起來的,這其中,南京工業大學 ( 原 南京化工學院)被稱爲中國水處理技 術的搖籃,沈鴻禮教授級高工在這裏 從事水處理的研究、開發、生產近 30 餘年,他先後主持過化工部、中國石 油化工總公司、能源部委託的有關水 處理的衆多科研項目,期間獲得過國 家科學進步二等獎一次,化工部、能 源部科技進步二等獎各一次,獲得過 江蘇省、化工部科學技術三等獎四次, 他參與制定了有關水處理方面國家和 專業標準近 100 項,研製、開發了 JN 系列水處理劑五個品種,其它常用和 新型水處理劑 15 個品種。1995 年, 沈教授又承擔了國家科委下達的用於 高硬度、高鹼度水質的 DTPMP 水處理 劑,這種水處理劑至今已有三十多個 企業使用,其中改進後的 HEDP、ATMP產品已遠銷美國、臺灣、東南亞各地, 目前年出口量已達幾十萬噸,創匯近 十億美元。

  沈教授,南京工業大學教授,中 國水處理領域裏的老一輩專家,他的 科研生涯也是從我國引進十三套大化 肥進行消化、吸收和創新中談起。

從事水處理技術研究 緣起 十三套大化肥的引進

  上世紀七十年代,我國政府爲了 加速發展化學肥料產業,提高糧食的 產量,經過談判分別從美國、日本及 法國簽約購買了十三套年產 30 萬噸的 合成氨大型現代化肥工廠裝置,其中 包括工藝技術、設備、安裝及開車的 設備指導,這些工廠建設在遼寧、黑 龍江、四川、雲南、貴州、山東、江 蘇、廣東、河北、湖南、湖北、安徽 等省。這是中國有史以來從國外引進 規模最大、數量最多的工業設備。隨 着十三套大化肥設備技術的引進,同 時配套引進了當時國內尚處於空白的 水質穩定技術,即現在稱之的循環冷 卻水處理技術。沈教授回憶說:“當 時石油化工部的康部長認爲水質穩定 技術是一項核心技術,爲了掌握和運 用水處理技術,化工部第三設計院召 開了一次會議,會議要求天津化工研 究院、華東化工學院和南京化工學院, 即現在的南京工業大學共同承擔水質 穩定技術的研究工作。我原本不在腐 蝕與防護教研室,而是在分析化學教 研室,主講分析化學的基礎課。因爲 水質穩定技術的研究工作涉及到分 析化學的內容,防腐教研室認爲參 與這一項目是一個很好的發展機遇, 把我從分析化學教研室調到了防腐 教研室,從此開始了循環冷卻水處 理技術的研究工作。” 在這項科研任務中,南京化工大 學承擔的是棲霞山化肥廠的水質穩定 技術工作,該廠是與法國簽訂的合同, 但初期提供的是嫩江水質,後由於實 際需要工廠改建在長江邊,化工部曾要求法方根據水質的改變,重新改變 藥劑配方,但法國堅持要求再交 40 萬 美金,當時我國外匯緊張,化工部希 望國內自己解決,實現國產化,同時 省下這筆外匯。經過充分醞釀論證, 南京化工大學成立了以張有衡教授爲 組長,從有機合成組、分析化學組和 防腐組調集一些教師,組成了跨學科 的科研攻關小組。 據沈教授介紹,當時棲霞山化肥 廠能提供的資料很少,只有法國的一 種淡黃色液體藥劑(G79S),以及與 法方簽定的合同上的 2 個技術指標: 碳鋼換熱器設備的腐蝕率<0.05mm/ a,年污垢热阻 <2.58×10-4m2•K/W。 法方也沒有提供試驗儀器和試驗方法, 因此,藥劑是什麼組成、藥劑如何起 到阻垢緩蝕作用以及如何驗證 2 個技 術指標,成爲攻關的難點。爲此,首 先要在實驗室內製作一個與現場相似 動態模擬裝置,其中關鍵點是換熱器 兩端溫差在流速 1 米 / 秒時爲 10℃左 右。天津化工研究院探索用電加熱方 式結果效果不佳。後來,沈教授採用 有機化學實驗室中的水蒸氣蒸餾的方 法,解決了模擬溫差的問題。後經張 有衡教授和時均教授(後爲中科院院 士)從理論推導,將模擬裝置小型化, 並推導出求污垢熱阻公式,繪製了正 式儀器圖紙。在南京工業大學跨學科 的科研攻關小組努力下,棲霞山化肥 廠引進的法國化肥生產設備中的技術 難點被逐一攻破,隨後運轉一年後, 再次打開設備發現,設備上沒有結垢、 沒有腐蝕現象。化工部對南京化工大 學水質穩定技術攻關小組的研發水平 給予了充分的肯定和重視,並先後在 兩次相關會議上推介沈教授他們研製 的動態模擬實驗裝置,各科研院所和 企業也紛紛到南京化工大學參觀學習。

  到 1977 年,南京化工大學成立了“水 質穩定教研室”,這是全國高校系統 中唯一一所專門從事水質穩定技術的 研究所。不僅大大激發了沈教授他們 的科研熱情,特別是隨着教研室的實 驗條件逐漸改善,沈教授他們在水處 理藥劑開發、儀器研製、水處理工程 等方面取得了一系列豐碩的成果。先 後獲得了 1978 年化工部《水質穩定
技術》科技成果二等獎,《在含有大 量磷酸鹽的天然水和循環冷卻水中硫 酸鹽含量快速測定》在《化肥工業》
1979 年第四期和《南京化工學院學 報》1979 年第二期發表後,獲得了 1979 年江蘇省科技三等獎和化工部 科技三等獎。

研發成果填補國內空白 水處 理劑走向世界

  上世紀五六十年的,我國工業建 設剛剛起步,工業用水量很小,很多 工廠企業都採用直流冷卻水,既省錢又方便,但經常因腐蝕和結垢而停產。 隨着工業發展,水資源的緊張,很多 工廠不得不採用循環冷卻水。在採用 循環冷卻水時,最初人們的想法很簡 單,以爲把高濃縮倍數的水循環起來, 溫度降下來就可以了。其實,循環冷 卻水在運行的過程中會產生很多問題,如果不能好好解決,循環水就根本無 法運行。比如說,北京化工廠出現了 結垢現象,棲霞山化肥廠出現生物泛 濫現象,水垢、污垢、腐蝕、微生物 孳生,這些都是循環冷卻水在運行中 容易出現的問題,水處理藥劑是解決 這些現象的最好方法。

  於是 , 我國伴隨着引進十三套大 化肥裝置和水處理化學品後,同時又 開始引進石油化工企業裝置水處理的 化學品,這些產品主要是從美國的納 爾科公司——一家從事油田和石油化 工企業冷卻水水處理藥劑研發生產的 公司引進。石油化工部委託南京的幾 家科研單位來消化、吸收研製水處理產品。沈教授當時負責這幾家科研單 位產品研發之後的評定工作。經過近 一年的研發努力,雖然幾家單位都研 製出了殺菌劑、預膜清洗劑、分散劑、 緩蝕劑、消泡劑的仿製品,但經過評審,發現它們還存在有些缺陷。於是, 他又重新進行了實驗改進,並在南京 工業大學聯營的南京化工學院武進水 質穩定劑廠進行了生產,生產出的產 品很快運用到南京揚子石化、北京東 方化工廠、上海氯鹼總廠等,這樣一 下子就改變了這些工廠使用水處理藥 劑完全依賴進口的局面。這個項目獲 得了化工部科技進步二等獎,江蘇省 科技進步二等獎。

  在水處理藥劑的研發方面,沈教 授進行了不斷地總結、探索和研究。 1989 年,他承擔了國家科委專項計劃 項目二乙烯三胺五甲叉膦酸的研發工 作。經過一年多的工作,他不僅完成 了合同要求的指標,而且經過化肥廠 高硬水應用試驗證明 , 其研發的阻垢 緩蝕性能良好 , 對鈣的容忍度也大幅 度提高。後來又經其他幾個廠的運用 表明,這個產品在高鹼、高硬度的水 質下具有良好的阻垢、緩蝕作用,它 完全可以替換 HEDP、ATMP、EDTMP 等 常見有機膦酸,它的運用可以解決高 濃縮倍率的循環水冷卻水處置的阻垢 問題,具有優秀的運用前景。1997 年 5 月 9 日這個產品通過了化工部科技司 主持的鑑定。鑑定專家一致認爲:二 乙烯三胺五甲叉膦酸產品屬國內首創, 生產工藝先進,質量指標達到國內外 同類產品先進水平。

  採訪中沈教授介紹,雖然我國的水處理起步較晚,但我國緊跟國際發 展步伐並結合國情在引進的基礎上進 行了消化吸收。研究的產品填補了國 內空白,滿足了大化肥循環冷卻水處 理藥劑國產化的要求。特別是到上世 紀 80 年代,隨着石油裝置和大型冶金 裝置的引進,對國外著名公司的循環 水處理劑及冷卻水處理技術進行消化 吸收。一大批新的循環水處理劑配方 相繼開發成功,使我國的循環冷卻水 處理技術又取得了重要進展,並吸引 了國際的關注。美國的孟山都公司是 世界最大的有機磷農藥公司,他們生 產的有機磷農藥和有機磷水處理劑暢 銷東南亞和世界各國。但是從美國運 輸過來,路途遙遠,於是孟山都公司 找到他,要與南京化工學院武進水質 穩定劑廠合作,進行貼牌生產。

  孟山都公司新加坡的董事參觀完 武進水質穩定劑工廠後,拿出了他們 的生產要求指標,沈教授指導工廠嚴 格按照其生產指標進行了第一批產品 的生產,大獲成功,並打響了出口的 第一炮。沈教授介紹,經過 40 多年的 摸索,現在我國已經成爲水處理劑的 出口大國,每年水處理劑的出口量很 大,每年出口量達幾十萬噸。我國也 不再做貼牌生產,並且有了自己品牌 的產品,暢銷全世界各個國家。

制定行業標準 推動水質穩定 劑標準化使用

  通過幾年實踐,我國水處理行業 的專家們深刻地體會到在循環冷卻水 處理過程中“三分藥劑,七分管理” 是非常重要的,爲此沈教授首先認爲 由於循環冷卻水中投加的水質穩定劑 都是一些絡合劑和分散劑,它們對常 規分析方法可能有干擾,同時 13 套大 化肥廠也反映了上述問題。當時特別 典型的例子是當循環冷卻水用氯氣殺 菌後,卻無法測出水中餘氯量,相反 地不通氯反而能測出餘氯量,造成各 工廠無法用氯氣進行殺菌滅藻。後經 沈教授的科研小組研究,找出瞭解決 上述難題的方法,使工廠能繼續採用 性價比最好的通氯殺菌的方法。爲此, 化工部決定由天津化工研究院牽頭、 沈教授負責制定了《循環冷卻水分析 方法》化工部標準,該標準受到各廠 歡迎,先後獲得了化工部科技進步二 等獎和國家級科技進步二等獎。之後 沈教授與能源部合作制定了《鍋爐用 水和循環冷卻水分析方法》國家標準, 獲得了能源部科技進步二等獎。緊接 着又制定了《循環冷卻水動態模擬試驗方法》和《循環冷卻水靜態阻垢試 驗方法》等行業標準,爲規範我國循 環冷卻水處理管理奠定了基礎。

  時至今日,這些標準雖也進行了 調整,但是我國的水質穩定劑的發展 已走在世界前列,我國的標準也就成 爲世界的標準。

後記:
我國循環水處理技術在引進與吸收中產生,一代又一代像沈教授一樣的科研工作者在不斷的努力和探索中,將心中的理想變成現實,讓中國的水處理技術走向世界

 

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