發(fā)電廠循環(huán)冷卻水節(jié)水措施及優(yōu)化處理方案的研究

賴世偉

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410007）

引言

工業(yè)用水約占城市總用水量的60%以上，工業(yè)冷卻水用量約占整個(gè)工業(yè)用水量的70%～80%[1]。電廠是用水大戶，電廠循環(huán)冷卻水耗水量大，因此充分考慮節(jié)水技術(shù)，提高循環(huán)冷卻水的循環(huán)利用率，可以使有限的水資源得到最大程度的重復(fù)利用。

發(fā)電廠敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水在系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于水的溫度升高，水流速的變化，水的蒸發(fā)，各種無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和冷水池在室外受到陽(yáng)光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的進(jìn)入，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沉積物附著，設(shè)備腐蝕和微生物大量滋生，以及由此形成的黏泥污垢堵塞管道等問(wèn)題[2]，它們會(huì)威脅和破壞企業(yè)長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。

為了阻止水質(zhì)無(wú)限制地惡化下去，需要排放一部分濃水，同時(shí)補(bǔ)充一部分新鮮水。而為了盡量減少循環(huán)水的排水量，需要在合理的范圍內(nèi)盡可能地提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)同時(shí)選擇合理且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的循環(huán)水冷卻水處理方案。

1 某電廠水源水質(zhì)情況

某電廠1 000 MW 機(jī)組工程為新建工程，其水源為湘江水，經(jīng)過(guò)過(guò)澄清過(guò)濾后作為循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水，水源水質(zhì)分析見(jiàn)表1。

從表1 中水質(zhì)資料可以看出，該水質(zhì)含鹽量低，碳酸鹽硬度低，水質(zhì)好。

表1 水源水質(zhì)分析表

2 循環(huán)冷卻水循環(huán)倍數(shù)的確定

在不同的濃縮倍數(shù)條件下運(yùn)行，循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水量和循環(huán)冷卻水排污水量通過(guò)以下公式計(jì)算得出[3][4]：

式中：Qm——循環(huán)水補(bǔ)水量，m3/h ；

Qb——循環(huán)水排污水量，m3/h；

Qe——蒸發(fā)量，m3/h；

Qr——循環(huán)水量，取值1.98×105m3/h；

N——濃縮倍數(shù)；k 為蒸發(fā)損失系統(tǒng)，取值0.0015；

Δt——循環(huán)冷卻水進(jìn)、出冷卻塔溫差，10 ℃；

Qw——風(fēng)吹損失水量，取值20 m3/h。

通過(guò)計(jì)算得出不同濃縮倍數(shù)條件下循環(huán)補(bǔ)充水量和循環(huán)水排污水量見(jiàn)表2。

表2 不同濃縮倍數(shù)條件下循環(huán)補(bǔ)充水量和循環(huán)水排污水量

從表2 可以看出，當(dāng)循環(huán)水濃縮倍數(shù)為5 比較濃縮倍數(shù)為4 運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水補(bǔ)充水量與循環(huán)水排污水量都減少248 m3/h；當(dāng)循環(huán)水濃縮倍數(shù)為6 比較濃縮倍數(shù)為5 運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水補(bǔ)充水量與循環(huán)水排污水量都減少148 m3/h；當(dāng)循環(huán)水濃縮倍數(shù)為7比較濃縮倍數(shù)為6 運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水補(bǔ)充水量與循環(huán)水排污水量都減少99 m3/h；當(dāng)循環(huán)水濃縮倍數(shù)為8比較濃縮倍數(shù)為7 運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水補(bǔ)充水量與循環(huán)水排污水量都減少71 m3/h。由此可以看出，在濃縮倍數(shù)小于6時(shí)，提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，具有非常明顯的節(jié)水效果；但是當(dāng)濃縮倍數(shù)大于6時(shí)，節(jié)水效果不是特別明顯，而且濃縮倍數(shù)越大，循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)越大。因此循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)取值6。

3 提高濃縮倍數(shù)后的節(jié)水效益

以濃縮倍數(shù)從4 提高到6 為例，循環(huán)水補(bǔ)充水量從3 960 m3/h 減少至3 564 m3/h，相當(dāng)于每小時(shí)節(jié)約用水396 m3。電廠年利用小時(shí)數(shù)以5 000 h計(jì)，水費(fèi)以0.8 元/t 計(jì)，則每年節(jié)省水費(fèi)158.4 萬(wàn)元。同時(shí)循環(huán)水排污水量減少396 m3/h，減少了循環(huán)水排污水處理設(shè)備的投資約1 380 萬(wàn)元，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 高濃縮倍數(shù)下的循環(huán)冷卻水優(yōu)化處理方案

循環(huán)冷卻水處理的目的就是防止或減緩冷卻系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕、微生物生長(zhǎng)和結(jié)垢等問(wèn)題。在電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，凝汽器管材采用耐腐蝕性很強(qiáng)的不銹鋼，而且原水中的Cl-、SO42-含量低，當(dāng)濃縮倍數(shù)為6 時(shí)，Cl-含量48 mg/L，基本對(duì)設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。因此，循環(huán)冷卻水處理的主要目的是防止水垢產(chǎn)生，其次是控制微生物生長(zhǎng)。

4.1 防結(jié)垢處理

每一種水在實(shí)際運(yùn)行條件下，都有一個(gè)不結(jié)垢的碳酸鹽硬度最大值，即極限碳酸鹽硬度。極限碳酸鹽硬度應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行調(diào)試來(lái)確定，而根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，極限碳酸鹽硬度通常為8～10 mmol/L（以CaCO3計(jì)）。

電廠循環(huán)冷卻水在濃縮倍數(shù)為6 的條件下運(yùn)行，其碳酸鹽硬度已接近極限碳酸鹽硬度，循環(huán)冷卻水處理采用單一的投加阻垢劑的方法無(wú)法保證系統(tǒng)不結(jié)垢，因此考慮采用加酸與加阻垢劑聯(lián)合處理工藝。這種聯(lián)合處理工藝，首先是對(duì)補(bǔ)充水進(jìn)行加酸處理，使補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度降至阻垢劑所能穩(wěn)定的極限碳酸鹽硬度與濃縮倍率的比值，然后再對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行阻垢劑穩(wěn)定處理，阻垢劑可采用單一藥劑，也可采用復(fù)合配方。這是一種非常經(jīng)濟(jì)的處理工藝。

4.1.1 加酸處理

1）加酸處理的原理

加酸處理的目的主要是降低循環(huán)冷卻水的碳酸鹽硬度，其反應(yīng)原理為：

反應(yīng)的結(jié)果是水中的碳酸鹽硬度轉(zhuǎn)變成非碳酸鹽硬度，反應(yīng)中生成的游離CO2，有利于抑制析出碳酸鹽水垢，因此加酸后碳酸鹽硬度明顯降低，低于極限碳酸鹽硬度。

加酸處理可以防止碳酸鈣水垢并提高濃縮倍數(shù)，但是如果加硫酸的量過(guò)大，可能引起CaSO4、Mg-SiO3水垢出現(xiàn),一般推薦：[7]

式中：[Ca2+]——循環(huán)水中Ca2+濃度，mg/L；

[SO42-]——循環(huán)水中SO42-濃度，mg/L；

[Mg2+]——循環(huán)水中Mg2+濃度，mg/L；

[SiO2] ——循環(huán)水中SiO2濃度，mg/L。

由于原水中的Ca2+、Mg2+含量均較低，不會(huì)出現(xiàn)CaSO4、MgSiO3水垢的風(fēng)險(xiǎn)。

2）加濃硫酸設(shè)備

循環(huán)水的加酸處理通常采用硫酸，很少采用鹽酸，因?yàn)榱蛩岜塞}酸便宜，而且鹽酸中的Cl-對(duì)系統(tǒng)有腐蝕性。

循環(huán)冷卻水加硫酸的量可通過(guò)監(jiān)測(cè)循環(huán)水的pH值來(lái)控制，一般控制循環(huán)水的pH值在7.4～7.8。

加酸的流程為：用卸濃硫酸泵將濃硫酸從槽車送入濃硫酸貯罐，濃硫酸貯罐一般高位布置，利用濃硫酸計(jì)量泵將濃硫酸送入循環(huán)水泵吸水井或冷卻塔水池，工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作方便。加濃硫酸設(shè)備及管道閥門(mén)接觸介質(zhì)部分均需耐濃硫酸腐蝕，可采用碳鋼或碳鋼襯聚四氟材質(zhì)。

4.1.2 加阻垢劑處理

某些化學(xué)藥劑只需少量添加到冷卻水中，就可以阻止水垢的生成，所用的藥劑稱為阻垢劑。阻垢劑的加藥量一般為2～5 mg/L，一般所能穩(wěn)定的極限碳酸鹽硬度為8～10 mmol/L[8]。

1）阻垢劑的種類

阻垢劑的種類很多，常用的阻垢劑包括聚磷酸鹽、有機(jī)膦酸、聚羧酸類（如聚丙烯酸、聚馬來(lái)酸酐等）。

聚磷酸鹽和有機(jī)膦酸的缺點(diǎn)是增加了水體營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)了微生物繁殖；聚羧酸類如聚丙烯酸、聚馬來(lái)酸酐等無(wú)磷聚合物，曾被認(rèn)為是無(wú)毒、污染很小、環(huán)境友好型，而近年研究發(fā)現(xiàn)：盡管毒性較低，它們一般無(wú)法被生物降解或只有很弱的生物可降解性。

20 世紀(jì)90 年代，無(wú)磷、生物可降解的綠色緩蝕阻垢劑如聚環(huán)氧琥珀酸和聚天冬氨酸被廣泛研究并得到一定的應(yīng)用。聚環(huán)氧琥珀酸簡(jiǎn)稱PESA，是一種無(wú)磷無(wú)氮、可生物降解的綠色阻垢劑，PESA 對(duì)水中的碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、氟化鈣和硅垢有良好的阻垢分散性能，具有一定的緩蝕作用。聚天冬氨酸簡(jiǎn)稱PASP，是一種無(wú)磷無(wú)毒、無(wú)公害、可完全生物降解的綠色阻垢劑，能有效阻止碳酸鈣、磷酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和氧化鐵等結(jié)垢的發(fā)生[9]。

2）加阻垢劑設(shè)備

目前采用的阻垢劑，有固體粉末狀，也有液體，液體的有效成分一般為30%～50%，投加阻垢劑時(shí)應(yīng)先將其配制成5%～10%的水溶液，然后投加到水中。阻垢劑加藥量一般為2～5 mg/L。

4.2 殺菌滅藻處理

4.2.1 微生物的危害

循環(huán)冷卻水中的微生物會(huì)產(chǎn)生黏泥和導(dǎo)致微生物腐蝕，生物體附著在設(shè)備上增加了水阻和熱阻，因此微生物的主要危害是降低傳熱效率，阻塞水道和腐蝕設(shè)備。同時(shí)水中的細(xì)菌、微生物含量較高時(shí)，會(huì)加速管道及設(shè)備的腐蝕速率[7]。

為了控制循環(huán)水微生物滋生，電廠采用氧化性殺菌劑及非氧化性殺菌劑相結(jié)合來(lái)控制循環(huán)水微生物。

4.2.2 殺菌劑的投加方式

氧化性殺菌劑采用次氯酸鈉，投加量為2 mg/L，每天投加2次，每次持續(xù)時(shí)間為1 h。循環(huán)冷卻水游離氯最優(yōu)控制范圍為0.2～0.4 mg/L[8]，采用沖擊式投加。

由于生長(zhǎng)在冷卻水中的微生物種類甚多，同一種藥劑對(duì)不同微生物的效果可能不同，專用一種殺菌劑往往會(huì)使微生物漸漸產(chǎn)生抗藥性，為了解決微生物的抗藥性，可以交替使用不同的殺菌劑，因此每個(gè)月投加一次非氧化性殺菌劑，以保證獲得較好的殺菌效果。

4.2.3 殺菌劑加藥設(shè)備

采用外購(gòu)殺菌劑的方式，只需設(shè)置次氯酸鈉貯罐及計(jì)量泵，此方案具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 旁流過(guò)濾處理

4.3.1 旁流過(guò)濾處理的作用

循環(huán)冷卻水在循環(huán)冷卻的過(guò)程中由于空氣中的灰塵、粉塵等懸浮固體物的帶入，使循環(huán)水水質(zhì)不斷惡化而超出允許值，尤其是在高濃縮倍數(shù)下運(yùn)行可能會(huì)造成循環(huán)水中污物量的增加和沉積，沉積的結(jié)果是降低設(shè)備傳熱，增加設(shè)備腐蝕。為了去除循環(huán)水中的污物，降低循環(huán)水中微小結(jié)晶體的數(shù)量，阻止結(jié)垢物質(zhì)長(zhǎng)大、沉積，減低微生物的繁殖，減少藥品耗量，對(duì)部分循環(huán)冷卻水進(jìn)行旁流過(guò)濾處理，即從循環(huán)水系統(tǒng)中引出一部分循環(huán)水，用過(guò)濾的方法除去其中的懸浮物。

旁流過(guò)濾的水量可按1%～5%的循環(huán)水量，也可按下式計(jì)算：

式中：Q——旁濾水量，m3/h；

q1——循環(huán)水補(bǔ)水量，m3/h；

q2——循環(huán)水排污水量，m3/h；

c1——循環(huán)水補(bǔ)充水濁度，mg/L；

cx——循環(huán)水濁度，mg/L；

c3——旁濾系統(tǒng)出水濁度，mg/L；

N——循環(huán)水濃縮倍數(shù)。

4.3.2 旁流過(guò)濾處理設(shè)備

旁流過(guò)濾可以采用石英砂過(guò)濾器、重力式無(wú)閥濾池、自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器、纖維過(guò)濾器等，其中纖維過(guò)濾器具有對(duì)5 μm 以上懸浮物的去除率高、過(guò)濾流速高、單套設(shè)備的處理量大、反沖洗強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，同等處理水量的條件下，設(shè)備臺(tái)數(shù)少，便于管理，占地面積小，整體造價(jià)低于其它過(guò)濾設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

電廠基于節(jié)約水資源，降低取水成本，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放的要求，采用適當(dāng)?shù)墓?jié)水措施，在合理范圍內(nèi)盡可能提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)并優(yōu)化循環(huán)水處理方案是可行的，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。