火電廠循環(huán)冷卻水加酸與緩蝕阻垢劑耦合處理試驗(yàn)研究

余一凡，張佳寧，魯衛(wèi)哲，馮向東，張 弛，張 賀，徐浩然，黃斐鵬

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江浙能長興發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 湖州 313100；3.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121；4.中國能源建設(shè)集團(tuán)華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，杭州 311200；5.工業(yè)新水源浙江省工程研究中心，杭州 311121）

0 引言

某火力發(fā)電廠（以下簡(jiǎn)稱“火電廠”）裝有4 臺(tái)300 MW 燃煤機(jī)組，4 臺(tái)機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)均采用敞開式二次循環(huán)冷卻方式，循環(huán)冷卻水取自附近城市中水。系統(tǒng)主要是通過添加循環(huán)水阻垢緩蝕劑和殺菌劑等化學(xué)藥品聯(lián)合處理來改善循環(huán)冷卻水的品質(zhì)，在防止水體結(jié)垢的同時(shí)，有效地控制循環(huán)冷卻水中微生物的繁殖，防止凝汽器內(nèi)部管路堵塞和腐蝕，確保凝汽器的傳熱效率和真空度[1-3]。循環(huán)水加酸處理能有效控制循環(huán)水的堿度，提高循環(huán)水的極限濃縮倍率，在之前的研究中，有不少學(xué)者對(duì)循環(huán)水加酸的理論及可行性進(jìn)行了研究[4-5]。

為確保循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[6-8]、節(jié)約水資源[9-10]、減少污染物排放[11-13]，火電廠開展了循環(huán)冷卻水緩蝕阻垢劑性能評(píng)估，并通過加酸處理對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)人員針對(duì)該廠循環(huán)冷卻水的實(shí)際水質(zhì)情況，通過動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)分析不同緩蝕阻垢劑投加量和控制堿度條件下的循環(huán)冷卻水水質(zhì)，研究循環(huán)冷卻水極限濃縮倍率變化規(guī)律，為該廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的安全環(huán)保運(yùn)行控制提供參考依據(jù)[14-15]。

1 試驗(yàn)原理和方法

1.1 試劑和儀器

緩蝕阻垢劑型號(hào)為TRL-004L，該藥劑符合DL/T 806—2013《火力發(fā)電廠循環(huán)水用阻垢緩蝕劑》中的規(guī)定，實(shí)際使用緩蝕阻垢劑投加量為5.0～8.0 mg/L，緩蝕阻垢劑密度為1.14 g/cm3。試驗(yàn)所用循環(huán)冷卻水取自城市中水。用于堿度、硬度、氯離子濃度等化學(xué)分析所使用的試劑均為分析純?cè)噭?/p>

本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水智能動(dòng)態(tài)模擬裝置（見圖1），對(duì)試驗(yàn)循環(huán)水進(jìn)行動(dòng)態(tài)濃縮試驗(yàn)。該裝置利用常壓飽和蒸汽加熱熱交換器（即換熱管），模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水水質(zhì)、流速、流態(tài)、換熱強(qiáng)度和冷卻水進(jìn)、出口溫度等主要參數(shù)，以評(píng)定特定藥劑的緩蝕阻垢性能。

圖1 循環(huán)水智能動(dòng)態(tài)模擬裝置

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

循環(huán)水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法采用HG/T 2160—2008《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方法》，試驗(yàn)過程中保持循環(huán)總水量150 L 不變，保持加熱器內(nèi)的水沸騰，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)冷卻效率控制換熱管進(jìn)水溫度在（42±1）℃范圍內(nèi)。換熱管材質(zhì)為316 不銹鋼和黃銅，試驗(yàn)期間每隔2～4 h 取濃縮循環(huán)水水樣并進(jìn)行水質(zhì)分析，每次取樣體積為200 mL。試驗(yàn)過程中滿足以下條件之一時(shí)終止試驗(yàn)：

（1）鈣硬度下降。

（2）氯離子濃縮倍率KCl-與鈣離子濃縮倍率KCa2+的差值ΔK≥0.2。

（3）試驗(yàn)裝置換熱管有結(jié)垢現(xiàn)象。

單次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)進(jìn)出口掛片及換熱管進(jìn)行差重分析，計(jì)算結(jié)垢速率。

首次用藥時(shí)，若循環(huán)冷卻水堿度大于125 mg/L（以CaCO3計(jì)），則需加入硫酸溶液。運(yùn)行前首次加酸量計(jì)算公式為：

式中：m0為首次一次性硫酸（純度為98%）加入量；k 為實(shí)際試驗(yàn)加酸系數(shù)，取k=0.6；VSR為單機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)保有水量（水容積）；Mo為循環(huán)水調(diào)pH 值前的堿度；Mr為循環(huán)冷卻水控制堿度。

運(yùn)行中每小時(shí)加酸量計(jì)算公式為：

式中：m 為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)硫酸（純度為98%）加入量；Mm為補(bǔ)充水堿度；Qm為補(bǔ)充水量。

1.2.2 腐蝕速率測(cè)定

在燒杯中（靜態(tài)模擬試驗(yàn)）或換熱管前后（動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)）放置黃銅、碳鋼和316 不銹鋼腐蝕掛片，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)利用失重法測(cè)定腐蝕速率。

掛片腐蝕速率計(jì)算公式為：

式中：Vc為均勻腐蝕速率；m1為試驗(yàn)前試片質(zhì)量量；m2為試驗(yàn)后試片質(zhì)量；S 為試片表面積；ρ為試片密度；t 為試驗(yàn)時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)分析

2020 年10 月12 日對(duì)火電廠循環(huán)水冷卻補(bǔ)水取樣并進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1。

表1 火電廠循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)

2.2 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

緩蝕阻垢劑投加量對(duì)阻垢效果的影響如圖2所示，控制堿度條件下緩蝕阻垢劑投加量對(duì)阻垢效果的影響如圖3 所示，不同試驗(yàn)條件下循環(huán)水的極限水質(zhì)數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 不同試驗(yàn)條件下循環(huán)水的極限水質(zhì)

圖2 阻垢劑投加量對(duì)阻垢效果的影響

圖3 控制堿度條件下阻垢劑投加量對(duì)阻垢效果的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，阻垢劑投加量與循環(huán)水濃縮倍率大體上呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，通過控制堿度能夠有效提升循環(huán)水的極限濃縮倍率。當(dāng)阻垢緩蝕劑投加量為6 mg/L，加酸調(diào)整補(bǔ)充水堿度至1.25mmol/L 時(shí)，能將濃縮倍率從3.98 提升至5.52；當(dāng)阻垢緩蝕劑投加量為8 mg/L，加酸調(diào)整補(bǔ)充水堿度至1.25 mmol/L 時(shí)，能將濃縮倍率從6.38 提升至7.15。在目前某火電廠阻垢劑投加量（8 mg/L）下，極限濃縮倍率（7.15）遠(yuǎn)超目前實(shí)際運(yùn)行控制濃縮倍率，仍有較大的調(diào)整余量。

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)換熱管垢量分析結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)換熱管垢量分析

由表3 可以看出：未投加阻垢劑的空白組換熱管結(jié)垢最嚴(yán)重，平均每根換熱管垢量為4.7 g，用稀硝酸酸洗時(shí)有劇烈的起泡現(xiàn)象，判斷結(jié)垢的主要成分為碳酸鹽垢；4 mg/L 組、6 mg/L 組出現(xiàn)了少量的結(jié)垢情況，6 mg/L（加酸）組、8 mg/L 組、8 mg/L（加酸）組的換熱管均無明顯結(jié)垢現(xiàn)象，說明阻垢劑起到了很好的阻垢效果，并且控制堿度的方法也有一定的阻垢作用。

2.3 緩蝕性能評(píng)估

本試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)方法，對(duì)阻垢劑的緩蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。316 不銹鋼、黃銅、20號(hào)碳鋼掛片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表4、表5、表6，圖4 為不同材質(zhì)掛片腐蝕情況實(shí)物對(duì)比。

圖4 不同材質(zhì)掛片腐蝕情況對(duì)比

表4 腐蝕速率測(cè)試（316 不銹鋼）

表5 腐蝕速率測(cè)試（黃銅）

表6 腐蝕速率測(cè)試（20 號(hào)碳鋼）

在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)條件下，316 不銹鋼材質(zhì)掛片在試驗(yàn)水質(zhì)下的平均腐蝕速率小于GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的腐蝕速率限值（0.005 mm/a），掛片表面整體光亮，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。在同樣阻垢劑投加量下，加酸控制堿度對(duì)不銹鋼材質(zhì)掛片的平均腐蝕速率影響不大。

在不添加阻垢劑的情況下，黃銅掛片的平均腐蝕速率明顯高于比316 不銹鋼掛片，腐蝕情況較為嚴(yán)重。在添加阻垢劑后，黃銅掛片的平均腐蝕速率明顯下降，說明添加阻垢劑能很大程度上減緩黃銅掛片的腐蝕。在同樣阻垢劑投加量下，加酸控制堿度微小地提升了腐蝕速率（平均提升了0.001 5 mm/a），說明加酸控制堿度對(duì)黃銅材質(zhì)掛片腐蝕情況的影響較小。

在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，碳鋼掛片的平均腐蝕速率明顯高于不銹鋼掛片和黃銅掛片。觀察掛片表面情況，碳鋼掛片腐蝕程度嚴(yán)重，并且加酸控制堿度會(huì)增加碳鋼掛片的腐蝕程度。其中出口掛片腐蝕速率明顯高于進(jìn)口掛片腐蝕速率，這是因?yàn)槌隹谄骄疁馗哂谶M(jìn)口平均水溫，出口處相對(duì)較高的水溫加速了掛片的腐蝕。

3 結(jié)論與建議

（1）通過動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，對(duì)火電廠在循環(huán)冷卻水中投加緩蝕阻垢劑與控制堿度的方法進(jìn)行了性能評(píng)估，結(jié)果表明：TRL-004L 緩蝕阻垢劑對(duì)抑制循環(huán)水結(jié)垢具有良好的效果，并有效降低了金屬的腐蝕速率；緩蝕阻垢劑的投加量與循環(huán)冷卻水極限濃縮倍率正相關(guān)。

（2）控制堿度的方法能在添加緩蝕阻垢劑的基礎(chǔ)上再次提升循環(huán)水的濃縮倍率，并且對(duì)循環(huán)水換熱系統(tǒng)的腐蝕速率影響極小。

（3）目前火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)緩蝕阻垢劑實(shí)際投加量（5.0～8.0 mg/L）、實(shí)際濃縮倍率（3～5）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，仍有較大的優(yōu)化空間?？刂茐A度有利于降低緩蝕阻垢劑的投加和減少循環(huán)水廢水的排放量，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。適當(dāng)加酸控制堿度不會(huì)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)造成額外的腐蝕現(xiàn)象。以現(xiàn)有循環(huán)水補(bǔ)水量和控制堿度為1.25 mmol/L 的全堿度計(jì)算，單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)加硫酸量約為10 L，建議在維持現(xiàn)有緩蝕阻垢劑投加量的情況下加酸用以提高循環(huán)水的濃縮倍率。