廣東河源電廠循環水高濃縮倍率試驗研究及工程應用

吳來貴,姜琪,范紅照 (.深圳能源集團股份有限公司,廣東深圳 5803;.西安熱工研究院有限公司,陜西西安 7003)

廣東河源電廠循環水高濃縮倍率試驗研究及工程應用

吳來貴1,姜琪2,范紅照1(1.深圳能源集團股份有限公司,廣東深圳 518031;2.西安熱工研究院有限公司,陜西西安 710032)

循環冷卻系統濃縮排污水是電廠最大的排污水,是節水減排和廢水零排放的關鍵問題之一。以河源電廠為例,分析了電廠進水水質條件;選用了 5種水穩劑,采取極限碳酸鹽硬度計算濃縮倍率的方法,通過靜動態阻垢、防腐與殺菌試驗,探明了各種藥劑的極限濃縮倍率,論證了河源電廠循環冷卻系統 10倍以上的濃縮倍率運行方式的可行性。按試驗所確定的原則,河源電廠循環冷卻水系統按 10倍的濃縮倍率運行,一年來未出現腐蝕與結垢現象。分析了實際運行期間的運行數據,對我國循環冷卻水處理、節約用水、減少排污具有一定的示范意義。

高濃縮倍率;水穩劑;阻垢;節水

1 研究背景

廣東河源電廠地理位置較為敏感,距離東江約500m。東江是深圳和香港等城市的供水水源地,根據環評要求,河源電廠不能設置廢水排放口,需實現廢水零排放。循環冷卻水系統是全廠最大的用、排水系統,是實施節水減排、廢水零排放的關鍵之一[1]。河源電廠 2×600MW機組的循環冷卻水系統夏季最大日補水量 53000m3。若按國內電廠常規 3～4倍濃縮倍率的運行方式,日濃縮排污水量14000余 t,無法滿足全廠廢水零排放的水量平衡要求。根據全廠的水量平衡,當濃縮倍率約為 9.5～10倍及以上時,日排污量可降至 3500 t,日節約用水量 10000余 t。但該濃縮倍率的實施在國內尚屬首例,為確保高濃縮倍率運行條件下循環水系統的安全、經濟運行,特進行模擬試驗研究。試驗結果及實際運行情況表明,河源電廠循環水高濃縮倍率的運行方式是可行的,節水效果顯著。

2 循環水處理模擬試驗

2.1 循環水補充水水質

河源電廠水源為地表水,取自東江。經電廠凈化系統處理后用作工業水。電廠循環冷卻水系統的補充水主要有工業水、設備冷卻水與處理后的生活廢水。東江水質情況見表 1。經測試,東江水硬度為 0.63mmol/L,堿度 0.70mmol/L,pH為 7.54,濁度 3.26NTU,電導率 90.62μs/cm。由表 1可知,東江水含鹽量、硬度、電導率等指標均較低。

2.2 靜態阻垢試驗

目前,在水穩劑阻垢性能測定方法中使用的評價指標主要有:阻垢率;鼓泡法中使用的鈣離子穩定濃度,即在水的自然 pH條件下,水中鈣離子的穩定濃度;極限碳酸鹽硬度法中使用的極限濃縮倍率。本試驗方法采用極限濃縮倍率作為評價指標 ,即在一定條件下,加入水穩劑維持運行中不結垢所能達到的最大碳酸鹽硬度值即極限碳酸鹽硬度值,與之對應的濃縮倍率即為極限濃縮倍率。在一定條件下,便于用各種水穩劑的極限濃縮倍率彼此進行直接的定量比較,電廠選擇水穩劑時有著重要的參考價值,更加貼近實際運行情況。

表1 東江水水質全分析 mg/L

2.2.1 試驗裝置

試驗裝置主要由玻璃缸、攪拌器、加熱管、控溫儀等組成。試驗裝置見圖 1。

圖1 極限碳酸鹽硬度試驗裝置

2.2.2 試驗條件

試驗水樣為經凈化處理的東江水;試驗溫度45℃±1℃;攪拌器轉速 200 r/min～300 r/min。補充水氯離子為 14.50mg/L,堿度為 0.49mmol/L

2.2.3 試驗方法

取配制好的水樣 5L,加入一定量水穩劑,置于玻璃缸中,攪拌、升溫至 45℃,并保持水溫在 45℃±1℃,在蒸發濃縮的同時,下口瓶連續補加水樣(水樣中加入同樣劑量的水穩劑),以保證玻璃缸內水位不變。試驗過程中,不定期從玻璃缸中取樣,測定總堿度和氯離子含量,當△A≥0.2時 (△A為氯離子濃縮倍率與總堿度濃縮倍率的差值),玻璃缸中水的碳酸鹽硬度值即為極限碳酸鹽硬度。采取硬度比計算出極限濃縮倍率。

2.2.4 試驗結果

不同劑量下各種水穩劑試驗結果見表 2,表中A、B、C、D、E為 5種水穩劑。

表 2結果表明,在水穩劑量 2.0mg/L條件下,A水穩劑阻垢性能最佳,其理論濃縮倍率接近 13倍。

表2 不同水穩劑量下的極限濃縮倍率

表 2的結果表明,在水穩劑劑量 2.0mg/L的基礎上繼續大幅增加劑量,效果不明顯。合理的水穩劑劑量為 2.0mg/L。

2.3 腐蝕試驗

2.3.1 試驗方法

采用旋轉掛片法。試驗水樣相當于濃縮倍率為9的水質,堿度 4.20mmol/L,氯離子濃度 128mg/L, pH為 8.92。試驗中選取河源電廠循環水系統相同的材料 TP304不銹鋼、HSn70-1銅合金、A3碳鋼進行試驗。試驗溫度為 45℃±1℃。試片線速度選取0.35m/s±0.02m/s;試液體積與試片表面積比選取30mL/cm2,試驗時間為 72 h。

2.3.2 試驗結果

電鏡試驗結果表明:所有 TP304不銹試片均無明顯點蝕現象,包括加 5種水穩劑及未加水穩劑的;加水穩劑 A、B、D的 HSn70-1銅合金試片均無明顯局部腐蝕現象,加水穩劑 C的銅合金試片有輕微局部腐蝕,加水穩劑 E和未加水穩劑的銅合金試片有局部腐蝕現象;未加水穩劑的 A3碳鋼試片表面有嚴重的腐蝕現象;加水穩劑A、B、D的A3碳鋼試片表面有沖刷部分的腐蝕嚴重,別的部位有輕微腐蝕現象;加水穩劑 C、E的A3碳鋼試片表面有沖刷部分的腐蝕嚴重,別的部位也有腐蝕現象。

2.4 動態模擬試驗

2.4.1 試驗系統

為進一步考察水穩劑在工業中使用的可行性,對水穩劑A和 B進行動態模擬驗證試驗。模擬試驗的管樣選用電廠相同的 TP304不銹鋼、HSn70-1銅合金、A3碳鋼的腐蝕試片各 2片。

模擬系統工藝參數見表 3。模擬試驗的循環水量與系統容積之比選同電廠冷卻系統參數。

表3 模擬試驗系統工藝參數

2.4.2 試驗方法

在試驗用水中按照 2.0mg/L的劑量加入水穩劑,然后將水加入試驗系統,至水容積符合要求,啟動主循環泵,在要求的循環流量下進行循環;啟動加熱器和熱水循環泵,控制換熱器出口水溫,并定期補水以保持系統水容積不變。當濃縮倍率達到要求后,系統開始排污,并調節排污量,保持濃縮倍率穩定在要求的范圍內,試驗進入穩定工況運行階段。在該工況下連續運行 15 d以上。試驗期間,每天取循環水分析一次,分析項目為氯離子、酚酞堿度、甲基橙堿度、硬度、鈣硬度、電導率、pH等。試驗結束后,剖管檢查換熱管結垢和粘泥附著情況。并對腐蝕試片稱重,計算均勻腐蝕速率。

2.4.4 試驗結果

2.4.4.1 試驗期間的水質變化情況

試驗期間循環水水質分析數據見圖 2、3。

圖2 水穩劑A動態模擬濃縮倍率

圖3 水穩劑B動態模擬試驗結果

A水穩劑:從圖 2可以看出,在穩定運行工況試驗中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為 8.54和 8.39,最高濃縮倍率分別為 8.61和 8.45,△A值的平均值為 0.15,最高為 0.16,均小于 0.20。在濃縮倍率提高到 9倍后的運行中,Kcl、Ka平均濃縮倍率為 9.15和 8.97,最高濃縮倍率分別為 9.20和 9.02,△A值的平均值為 0.17,最高為 0.18,均小于 0.20。說明循環水水質是穩定的,無結垢傾向。

B水穩劑:從圖 3可以看出,在穩定運行工況試驗中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為 8.57和 8.41,最高濃縮倍率分別為 8.65和 8.49,△A值的平均值為 0.15,最高為 0.16,均小于 0.20。在濃縮倍率提高到 9倍后的運行中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為9.19和 9.03,最高濃縮倍率分別為 9.26和 9.08,△A值的平均值為 0.17,最高為 0.18,均小于0.20。說明循環水水質是穩定的,無結垢傾向。

2.4.4.2 試驗期間系統粘泥生成情況

在A、B水穩劑的動態模擬試驗運行至 25天左右時,均發現水池底部、管道外壁有少量淤泥沉積,顏色呈深墨綠色,手摸有滑膩感。為此,對循環水進行了沖擊式殺菌。至試驗結束時,水池底部的淤泥顏色呈灰黃色,說明試驗過程中對循環水的殺菌滅藻是有效的,殺菌方式是合理的。

試驗結束后,在管道接口處有少量污泥沉積。由于冷卻塔的洗滌作用,模擬冷卻塔水池底部也有污泥沉積,厚度 0.5mm,出口處污泥沉積較少,這些污泥較易清除。在換熱管封頭處也有少量污泥沉積,厚度小于 0.5mm,用自來水即可沖洗干凈。模擬冷卻塔填料上未見有污泥沉積。經剖管檢查后,發現 4根換熱管內表面均清潔無垢。

2.4.4.3 腐蝕掛片電鏡檢測結果

在兩種水穩劑的試驗過程中,腐蝕試片 A3碳鋼表面均在 2周左右開始有少量沉積物附,隨著試驗時間的增加,沉積物也逐漸增加;A水穩劑的HSn70-1銅合金試片表面由亮黃色變為金黃色。B水穩劑的 HSn70-1銅合金試片表面由亮黃色變為略帶青黃色;兩種水穩劑的 TP304不銹鋼試片在整個試驗過程中均沒有明顯變化。

試驗結束后取出腐蝕試片,從外表看,A、B兩種水穩劑的試片均呈現相似的外觀,A3碳鋼表面有棕褐色腐蝕產物附著其上,用手可以清除。用 5%鹽酸加緩蝕劑清洗后發現,有沉積物附著的試片表面部分腐蝕嚴重,而未有沉積物附著的試片表面部分則沒有明顯的腐蝕現象。電鏡檢測結果表明前者以點狀腐蝕坑為主,腐蝕坑較多,成串;后者無明顯的局部腐蝕現象,為均勻腐蝕;對于 HSn70-1銅合金試片,A水穩劑中的試片呈金黃色,B水穩劑的試片為略帶青黃色,均無明顯腐蝕現象,電鏡檢查結果顯示也無局部腐蝕現象;TP304不銹鋼試片整個試驗過程中均呈光亮色,無明顯變化,電鏡檢查結果表明無局部腐蝕現象。

2.4.4.4 試片的均勻腐蝕速率

3種試片的均勻腐蝕速率見表 4。

表 4 動態模擬試驗掛片的均勻腐蝕速率

由表 4可見,A、B水穩劑的 TP304不銹鋼和HSn70-1銅合金試片的均勻腐蝕速率均達到了《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050-1995)中規定要求(≤0.005mm/a)。而A3碳鋼的均勻腐蝕速率則均未達到 GB 50050-1995規定的碳鋼均勻腐蝕速率≤0.125mm/a的要求。其中,試片表面形成了附著物而造成沉積物下的局部腐蝕是A3碳鋼未達標的原因之一。

2.4.4.5 試驗期間循環水的 COD及濁度

動態模擬試驗期間,檢測了循環水的 COD及濁度。結果表明,循環水中 CODCr值與補充水中CODCr的比值遠大于濃縮倍率,說明系統存在一定的微生物和細菌繁殖現象。在進行殺菌處理后,循環水的 CODCr有所下降,說明殺菌起到了一定效果。

2.5 協同試驗

本試驗的目的是考察殺菌劑對水穩劑性能影響。殺菌劑選用次氯酸鈉作為氧化性殺菌劑代表,異噻唑啉酮 (2.0%)作為非氧化性殺菌劑的代表。采用前面的阻垢率試驗方法,試驗時加入一定量殺菌劑,測定阻垢率(見表 5)。

表5 協同試驗下的阻垢率

表 5的試驗結果表明,對于氧化性殺菌劑,在水中余氯量 0.5mg/L左右時,對水穩劑的阻垢率基本沒有影響。在水中余氯量 1.7mg/L左右時,對水穩劑的阻垢率有一定的影響,各水穩劑的阻垢率分別下降了 8%、7.9%、8.6%、8.4%、12.2%;對異噻唑啉酮,在加藥量 100mg/L時,對水穩劑的阻垢率基本沒有影響。在加藥量 200mg/L時,各水穩劑的阻垢率還有所上升,可能原因是異噻唑啉酮含量的增加起到了類似分散劑的效果。

因此,非氧化性殺菌劑對水穩劑的阻垢性能基本沒有影響。氧化性殺菌劑在常規使用條件下對水穩劑的阻垢性能影響較小。

3 河源電廠循環水系統運行數據分析

3.1 藥品選用與管道防腐

為了確保系統運行穩定,參照試驗結果,選用了無磷環保性非復合型藥劑,主要藥品有阻垢劑、緩蝕劑、氧化性殺菌劑與非氧化性殺菌劑。為充分發揮藥劑效能,同時降低藥劑間的相互影響,阻垢劑與緩蝕劑加入在冷卻塔循環水泵取水口處,相距約 5m;氧化性殺菌劑選用次氯酸鈉,殺菌劑加入點為阻垢劑加入點的冷卻塔對面。鑒于試驗期間碳鋼管道在高濃縮倍率的運行環境中,存在一定的腐蝕現象,冷卻系統主要管道內部均進行了防腐處理。同時為減少運行期間的腐蝕,系統運行前期進行了預膜處理。

3.2 實際運行數據與分析

河源電廠水質控制指標與實際典型運行參數見表 6。河源電廠 1號機組負荷 600MW,1號循環水系統補水量 30000m3/d,排水量 1700m3/d,濃縮倍率 10.3。因藥品采用外國配方,藥劑量同試驗數據相差較大;冷卻塔設置有旁流過濾裝置控制濁度。

表 6 1號循環水系統水質標準與實測值

表 6可知,河源電廠循環冷卻水系統實際濃縮倍率可達試驗值。從掛片來看,表面無附著物,無明顯腐蝕。連續運行 1年后,檢查循環水系統,無結垢、腐蝕現象,表明高濃縮運行模式取得成功。同時補水量與濃縮排水量降低,每天節水 10000余 t,節水減排效果明顯。

4 結語

(1)從整個循環水藥劑選用與濃縮倍率確定過程來看,采取靜態與動態模擬試驗方法是有效的。

(2)從試驗結果來看,不同藥品性能差異較大;加藥量存有合理值,在合理值上增加加藥量,效果提高不明顯。

(3)在高濃縮倍率的運行環境中,盡管添加緩蝕劑,碳鋼材質還存有一定的腐蝕趨向。機組建設期間進行防腐和運行前期進行預膜處理是必要的。

(4)采取高濃縮倍率的運行方式,循環冷卻系統補水量及排污量大幅減少,藥劑加入量也相應減少,節水減排與經濟效應明顯。

(5)采取高濃縮倍率運行方式,藥劑性能衰減情況需進一步檢驗。

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Research on high concentration rate for the cycle cooling system and its application at HeYuan Power Station

The discharging water quantity from the cycle cooling system was the m ax imum waste water at power station,and was one of the key problem s forwater saving and ZLD system,so a higher concentration rate and little discharging waterwere expected.As an example,the inletwater quality at HeYuan power station was analyzed.And choosing five chem ical medicaments,the anti-scaling,antico rrosion and sterilizat ion exper iments were taken w ith the l im it carbonate hardness m ethod for the concentrating rate,the l im it concentrating rates were found for different chem icalmedicam ent.The feasibility for the cooling system to run under the concentrating rate 10 or above was proofed.The actualoperation data were analyzed,inletwater saving and waste water discharge reducing were achieved w ith large scale,which are favorable to ZLD system.

high concentrating rate;water chem icalm edicament;anti-scaling;water save

X703.1

B

1674-8069(2011)03-043-05

2010-10-21;

2011-04-28

吳來貴 (1969-),男,江西九江人,研究生,高級工程師,主要從事電力環保研究工作。E-mail:laigui@163.com