電廠(chǎng)工業(yè)循環(huán)冷卻水聯(lián)合處理方案討論

蘇玉鳳，岳春妹，金 浩，田文志，程 軍

(1. 淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠(chǎng)，安徽 淮南 232082; 2. 上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

1 開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)概述

火力發(fā)電廠(chǎng)中的很多設(shè)備都需要用水冷卻，其中汽機(jī)凝汽器冷卻水量最大[1]。冷卻水系統(tǒng)主要分直流冷卻和循環(huán)冷卻。對(duì)于直流冷卻水系統(tǒng)，冷卻水直接從河、湖、海洋中抽取，一次通過(guò)凝汽器后就排回天然水體，不循環(huán)使用。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是用水量大、水質(zhì)沒(méi)有明顯的變化。此系統(tǒng)必需具備充足的水源，在我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)及濱海電廠(chǎng)采用較多。隨著環(huán)保要求的提高，目前除了濱海電廠(chǎng)，新建或擴(kuò)建電廠(chǎng)均需采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)[2]。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為敞開(kāi)式和封閉式，在嚴(yán)重缺水地區(qū)，通常采用封閉式，如空冷塔，即冷卻水不與空氣接觸，在管內(nèi)進(jìn)行密閉循環(huán)，因此水量損失很少，主要用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的冷卻。電廠(chǎng)凝汽器冷卻廣泛采用的是開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，流程如圖1所示。在圖1中，PB為補(bǔ)充水；PZ為蒸發(fā)損失；PF為吹散及泄漏損失；PP為排污損失。

圖1 開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程圖

在開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中：冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵送入凝汽器，進(jìn)行熱交換，被加熱的冷卻水經(jīng)冷卻塔冷卻后，流入冷卻塔底部水池，再由循環(huán)水泵送入凝汽器循環(huán)使用。開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)是：蒸發(fā)過(guò)程不帶走水中鹽分導(dǎo)致鹽類(lèi)濃縮，因此易產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題；水中有充足的溶解氧，有光照，再加上溫度適宜，有利于微生物的滋生；由于冷卻水在冷卻塔內(nèi)洗滌空氣，會(huì)增加粘泥的生成。

因此，循環(huán)水在使用過(guò)程中，面臨水垢、微生物粘泥垢和腐蝕等問(wèn)題，需要定期排污。循環(huán)冷卻塔排污水是電廠(chǎng)連續(xù)排放水量最大的廢水，減少循環(huán)水排污量對(duì)電廠(chǎng)節(jié)水工作意義重大。

2 排污量與濃縮倍率

在開(kāi)式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，水的損失包括蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失和排污損失。蒸發(fā)損失不帶走水中鹽分，循環(huán)水中鹽分不斷濃縮，總鹽量隨著新鮮補(bǔ)給水的加入而不斷增加，循環(huán)水中某離子的濃度與其在補(bǔ)給水中濃度的比值，即為濃縮倍率(用N表示)。循環(huán)冷卻水的濃縮倍率十分重要，只有提高濃縮倍率，才能減少排污，達(dá)到節(jié)水的目的[3]。

以某2×600 MW機(jī)組為例，設(shè)蒸發(fā)損失率為1.29%(夏季)或1.13%(冬季)， 風(fēng)吹損失率為0.1%，循環(huán)水量29.22×104t/h(夏季)或16.72×104t/h(冬季)，則排污水量和濃縮倍率的關(guān)系如圖2所示。

不同濃縮倍率下，以N=3為基數(shù)的節(jié)水量如表1所示。

圖2 濃縮倍率與排污量關(guān)系

表1 濃縮倍率與節(jié)水量的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著濃縮倍率的提高，排污水量明顯降低。但當(dāng)濃縮倍率超過(guò)5時(shí)，排污水量的減少已不顯著。從表1可知，N=5時(shí)比N=3時(shí)節(jié)水323 t/h(夏季)或276 t/h(冬季)，而N= 6只比N=5節(jié)水97 t/h(夏季)或46 t/h(冬季)。

過(guò)高的濃縮倍率，會(huì)嚴(yán)重惡化循環(huán)水質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)生各種類(lèi)型的結(jié)垢、腐蝕故障，也會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)穩(wěn)定劑在冷卻系統(tǒng)中的停留時(shí)間超過(guò)其藥齡，降低處理效果。因此，應(yīng)根據(jù)水源地取水水質(zhì)及阻垢劑特點(diǎn)確定合適的濃縮倍率，而不是一味追求高濃縮倍率。

3 常見(jiàn)處理方法

隨著循環(huán)水的濃縮，各種離子濃度不斷升高，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)垢、腐蝕和微生物大量滋生問(wèn)題。如冷卻水中的Ca(HCO3)2受熱分解，生成難溶的CaCO3。CaCO3沉積會(huì)導(dǎo)致凝汽器、冷卻塔或管路結(jié)垢。因此，需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理，以降低水垢、粘泥沉積及腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)。

循環(huán)冷卻水處理方法有很多種，選用時(shí)一般根據(jù)水質(zhì)條件、循環(huán)冷卻系統(tǒng)的水工況、環(huán)境保護(hù)的要求、水資源短缺情況及水價(jià)、藥品供應(yīng)情況等因素，因地制宜地選擇有效、安全、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。在選擇處理方法時(shí)，既要兼顧節(jié)約用水，同時(shí)也要十分重視系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕和防護(hù)等。

常見(jiàn)循環(huán)水處理方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 各種循環(huán)水處理方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

因?yàn)楣?jié)水需求，大多數(shù)電廠(chǎng)要求濃縮倍率達(dá)到3～4倍以上，因此阻垢劑處理法應(yīng)用最為廣泛。

4 循環(huán)水聯(lián)合處理探討

阻垢劑處理法一般可控制循環(huán)水“鈣硬+堿度”在800～1 000 mg/L CaCO3濃度區(qū)間運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的濃縮倍率為3.5～4.5(假設(shè)補(bǔ)充水鈣硬+堿度為228 mg/L CaCO3)。若需進(jìn)一步提升濃縮倍率，則需要采取阻垢劑—石灰或阻垢劑—硫酸聯(lián)合處理。

阻垢劑—石灰聯(lián)合處理可在高濃縮倍率(4～6)下運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用較低，但基建投資大，系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜，容易污堵，而且需進(jìn)行輔助處理，以確保處理效果。阻垢劑—硫酸聯(lián)合處理設(shè)備簡(jiǎn)單，基建設(shè)資小，處理費(fèi)用較低，但應(yīng)注意緩蝕劑量，以免發(fā)生腐蝕[5-6]。

下以某電廠(chǎng)2×600 MW機(jī)組為例，比較兩種聯(lián)合處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 阻垢劑—石灰聯(lián)合處理原理

石灰處理可以除去水中的重碳酸鈣Ca(HCO3)2，重碳酸鎂Mg(HCO3)2和游離二氧化碳CO2，適用于碳酸鹽硬度較高的原水[5]。

經(jīng)石灰處理后水的殘留堿度包括2個(gè)部分：一是CaCO3的溶解度，一般為0.6～0.8 mmol/L；二是石灰的過(guò)剩量，一般控制在0.2～0.4 mmol/L(以1/2CaO計(jì))。因此，石灰處理后，水的殘留堿度一般在0.8～1.2 mmol/L(1/2CO32-)。此值還與石灰處理時(shí)的水溫有關(guān)，見(jiàn)表3。

表3 石灰處理時(shí)水溫與殘留堿度的關(guān)系

因?yàn)镃aCO3的溶解度與原水中鈣的非碳酸鹽硬度(CaCl2、CaSO4)有關(guān)，它的含量越高，經(jīng)石灰處理后，出水殘留的鈣含量也大，則其殘留堿度越低，如表4所示。

表4 石灰處理后殘留堿度(t=20～40℃)

用石灰處理時(shí)，水中硅化合物的含量會(huì)有所降低：當(dāng)溫度為40℃時(shí)，硅化合物可降至原水的30%～35%；采用石灰—混凝處理時(shí)，水中有機(jī)物可降低30%～40%。為了使石灰處理水更為穩(wěn)定，在補(bǔ)入循環(huán)冷卻系統(tǒng)時(shí)，一般要進(jìn)行輔助處理，如加酸調(diào)節(jié)pH值。

4.2 阻垢劑—硫酸聯(lián)合處理原理

循環(huán)水在濃縮過(guò)程中，大多是由于補(bǔ)充水中的堿度和Ca2+濃度限制了濃縮倍率的提高，因此加酸調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水pH值以提高濃縮倍率，不失為簡(jiǎn)便而有效的一種方法。

酸化法原理是通過(guò)加酸來(lái)降低水的碳酸鹽硬度，使碳酸鹽硬度轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙舛容^大的非碳酸鹽硬度，從而可達(dá)到防止結(jié)垢的目的。目前很多運(yùn)行裝置都采取了這一措施，以達(dá)到節(jié)水目的。

根據(jù)酸堿中和原理，理論上加酸量等于堿度降低量。一般工業(yè)硫酸純度為95%～98%，如用98%硫酸調(diào)pH值，則硫酸投加量為

A=49×(Mm-Mr/N)×Qm/(98%×1 000)

(1)

式中A——循環(huán)水硫酸投加量，kg/h；Mm——補(bǔ)充水堿度，mmol/L；Mr——循環(huán)水運(yùn)行堿度，mmol/L；N——循環(huán)水濃縮倍率；Qm——補(bǔ)充水量，m3/h；49——(1/2)mol/L H2SO4質(zhì)量濃度，g/mol。

采取硫酸聯(lián)合處理，硫酸貯存容積應(yīng)根據(jù)硫酸的來(lái)源和運(yùn)輸方式確定。由于硫酸用量較大，因此一般考慮槽車(chē)進(jìn)酸，貯酸槽的容積按10天消耗量計(jì)算。

在加酸時(shí)，一般采用直接投加法，即將酸加入補(bǔ)充水中，也可將酸加入循環(huán)水中。加入補(bǔ)充水中易保持加酸均勻，避免加酸過(guò)量；若加入循環(huán)水中，則加酸點(diǎn)與循環(huán)水泵應(yīng)保持一定距離，以免腐蝕循環(huán)水泵，或者將酸加在送入冷水塔的循環(huán)水中。

4.3 兩種方法對(duì)比

在同等加藥量下(均為100 mg/L)，石灰處理與硫酸處理效果對(duì)照見(jiàn)表5。

表5 石灰處理與硫酸處理對(duì)比

(1)從處理效果來(lái)看，石灰處理法在去除碳酸鹽堿度的同時(shí)也去除了暫硬，而硫酸處理法主要是去除堿度，因此同等加藥量下石灰去除成垢離子的效果約是硫酸的1.9倍；石灰處理過(guò)程中可去除水中硅化合物、有機(jī)物等，對(duì)水質(zhì)有澄清作用，可以降低循環(huán)水濁度。

(2)從直接運(yùn)行成本來(lái)看，同等加藥量下石灰處理需輔助投加混凝劑、硫酸調(diào)pH值，藥耗較高，約是硫酸處理法的2.8倍。

(3)從運(yùn)行管理看，石灰系統(tǒng)設(shè)備龐雜、故障較多、維修工程大[7]；硫酸酸化運(yùn)行控制較單一。

本例中，若采取阻垢劑—硫酸聯(lián)合處理：N=5時(shí)需投加硫酸57～182 kg/h(水質(zhì)隨季節(jié)變化)，加酸后循環(huán)水中硫酸根上升至372～515 mg/L；N=6時(shí)需投加硫酸121～240 kg/h，硫酸根上升至610～703 mg/L，此時(shí)具有很大的硫酸鈣結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。

因此，采取硫酸聯(lián)合處理，濃縮倍率不建議超過(guò)5，而石灰聯(lián)合處理可以提高濃縮倍率至5～6。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)最佳濃縮倍率應(yīng)根據(jù)新鮮補(bǔ)充水的水質(zhì)、阻垢劑性能、藥齡、投加量等綜合確定，不能一概而論。如某廠(chǎng)循環(huán)水補(bǔ)水“鈣硬+堿度”年平均值228 mg/L CaCO3，采用阻垢法平均濃縮倍率為4；若繼續(xù)提升濃縮倍率，則需大幅增加阻垢劑投加量，或采取聯(lián)合處理法。

(2)聯(lián)合處理法可提升濃縮倍率至5，本工程水質(zhì)情況下不建議將濃縮倍率提升至6，更不具備提升至7的條件。從處理效果看，同等加藥量下，石灰去除成垢離子的效果約是硫酸的1.9倍；從直接運(yùn)行成本來(lái)看，同等加藥量下石灰處理每噸水藥耗約是硫酸的2.8倍。

(3)阻垢劑聯(lián)合石灰處理或硫酸處理都需消耗化學(xué)藥劑，易產(chǎn)生二次污染，可進(jìn)一步探索綠色環(huán)保的循環(huán)冷卻水阻垢處理方法。