火電廠循環水排污減量新技術研究

劉 偉，黃文平，齊 冰，劉 宇，解 芳，趙貴龍，王衛東

（1.華能碳資產經營有限公司，北京 100031；2.華夏大地控股有限公司，北京 100000）

循環冷卻水系統是火電廠用水量、排水量最大的系統，也是節水減排的重點和難點。在《水污染防治行動計劃》、排污許可制度等新的環保要求下，循環水排污水減量處理已成為當今的研究熱點，而提高循環水濃縮倍率是火電廠節水的重要措施。目前常用的循環水排污水減量處置方案是采用反滲透膜脫鹽工藝進行處理和回用，但隨著濃縮倍率的增加，循環水排污水中的含鹽量、致垢性離子、有機物等含量均較高，易導致結垢、污堵及腐蝕問題。為保證系統安全穩定運行，循環水濃縮倍率普遍控制在3～5 倍。但是，在循環水系統中，腐蝕與結垢往往是并存的，采用單品種藥劑難以獲得滿意的效果。因此，有必要根據火電廠循環水特點，探尋新的循環水排污水減量技術路線。本文采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術，旨在提高循環水濃縮倍率，實現循環水排污水節水減量處理及自動化管理的目的。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

循環水動態模擬中試設備裝置是根據新型水處理藥劑的特點和數字信息化要求開發的，如圖1所示。該裝置通過數字化控制判定結垢、腐蝕速率趨勢和微生物抑制能力，在確保系統不發生結垢和腐蝕超標的情況下，控制藥劑加入量，提高循環水濃縮倍率，達到節水減量及自動化管理的目的。

圖1 中試工藝流程

該裝置循環流量為2 500 L/h，單臺循環水泵功率為0.55 kW（共2 臺），保有水量為1 000 L，補水箱容積為1 000 L，冷卻塔高度為1 750 mm。循環水動態試驗采用0.09～0.10 MPa 常壓飽和蒸汽模擬現場的流速、流態、水質、金屬材質、換熱強度和冷卻水進出口溫度等主要參數，評定新型水質穩定劑的阻垢、緩蝕和抑菌效果。中試期間開通了動態模擬試驗平臺APP 移動端，所有水質參數指標和在線檢測數據可通過APP 顯示。

1.2 試驗運行工況及新型藥劑

1.2.1 試驗運行工況及參數

試驗運行工況及參數如表1所示。

表1 試驗運行工況及參數

1.2.2 新型藥劑

新型水處理藥劑是針對冷卻水系統研發的無磷環保專用水處理劑。該藥劑由防垢去垢、緩蝕保護和微生物控制等三個功能助劑模塊組成，可根據具體水質情況和運行工況條件，依據濃縮倍率、在線腐蝕速率和污垢熱阻等監測值精確調整功能助劑配比，實時優化產品配方及應用方案。

一是清潔運行機理。新型水處理藥劑根據泥垢的主要成分，可通過復配實現自清洗能力。首先，可通過系統不停車在線除垢。其次，系統具備清潔污垢的內環境后，通過連續低濃度在線除垢與阻垢緩蝕協同組合，處理換熱器、冷卻塔及輸水管網中的沉積物，達到徹底防止污垢出現的目的。

二是除垢機理。新型水處理藥劑分子官能團的能量遠遠大于水垢分子之間的分子間力（范德華力），其具有超強的滲透性，當新型水處理藥劑分子官能團與水垢分子接觸時，其會克服分子之間的引力，逐漸滲透至水垢內部，迫使水垢分子向官能團遷移，達到除垢目的。

三是防垢機理。采用新型水處理藥劑時，隨著循環冷卻水系統濃縮倍率的提高，水中成垢離子（碳酸鹽、硫酸鹽等）濃度不斷升高，當離子濃度達到飽和形成晶核時，其立即被新型水處理藥劑分子所吸附，并在晶核表面形成一層帶有正電荷的電位離子層。由于同性相斥，晶核微粒不能凝聚而分散在水中保持穩定，最終，晶核微粒被水流帶入靜水區沉降，達到防垢的目的。

四是防腐蝕機理。新型水處理藥劑可以在碳鋼、銅、不銹鋼、冷卻塔水泥柱等表面快速被膜形成一層屏蔽層，隔絕氯離子、硫酸根與金屬表面接觸，達到防腐目的。

五是微生物控制機理。新型水處理藥劑通過線性高分子鏈與微生物細胞壁上帶負電的基團結合并產生應力，導致溶菌作用和細胞活性的喪失，同時系統長期在清潔的環境下運行，使微生物維持生命的養分攝入量大大降低，達到了抑制微生物生長的目的。

六是濁度控制機理。冷卻水在循環系統中不斷循環使用，室外陽光照射、灰塵雜物的進入、設備結構和材料等多種因素的綜合作用會導致系統濁度不斷升高。新型水處理藥劑運用清潔運行機理，通過分子官能團吸附雜質微粒并實現靜水沉降，在智能精細在線控制的配合下，能有效降低系統濁度（＜10 NTU），使系統長期穩定在低濁度下清潔運行。

2 結果與討論

2.1 補充水和循環水水質的分析

與結垢有關的水質參數主要有堿度、硬度和pH，與腐蝕性陰離子濃度及腐蝕趨勢有關的水質參數主要有氯離子、硫酸根離子等，與微生物存活發展和微生物腐蝕影響相關的水質參數有細菌總數、濁度等。本試驗通過在線方式監測循環水的水質指標，如圖2 至圖6所示，根據循環水的水質指標實時監測結果，可及時發現異常，從而調整藥劑用量，防止結垢、腐蝕和微生物滋生。循環水鈣堿和最大值為918 mg/L，滿足國標要求（≤1 100 mg/L）；氯硫和最大值為2 278 mg/L，滿足國標要求（≤2 500 mg/L）。補充水濁度波動較大，對循環水濁度指標影響較大。在試驗過程中，應特別關注補充水拉森指數，其介于3.61～17.56，表明補充水屬嚴重腐蝕性水質；循環水pH 均值應為8.50，而實測均值偏低，僅為8.07；循環水總磷明顯降低，磷的去除率高達81.85%。

圖2 補充水和循環水的pH

圖3 補充水和循環水的濁度

圖6 補充水和循環水的總磷和總鐵

圖4 補充水和循環水的硬度指標

圖5 補充水和循環水的氯離子和硫酸根離子

2.2 濃縮倍率

循環水濃縮倍率是指以某種不受外界影響而變化的離子為代表，循環水中的離子濃度與補充水中離子濃度之比。通常可以選擇總硬度、電導率、氯離子或者體積倍率等。循環水的濃縮倍率差等于氯離子的濃縮倍率減去硬度的濃縮倍率，理論上，如果水質正常，氯離子倍率與鈣硬倍率是相等的，若氯離子濃縮倍率大于鈣硬濃縮倍率，則表明存在結垢。從圖7 可知，濃縮倍率約為6.5 倍時，氯離子濃縮倍率小于鈣硬濃縮倍率，表明循環水鈣離子無析出現象，無結垢產生。當倍率高于7.2 時，氯離子倍率大于鈣硬倍率，表明循環水鈣離子有析出現象。

圖7 循環水的濃縮倍率

2.3 腐蝕速率

從圖8 可知，腐蝕速率最大值為0.002 522 mm/a，最小值為0，其遠低于《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB/T 50050—2017）的限值要求（≤0.005 mm/a）。從圖9 可以看出，無論是在進水側還是在出水側，不銹鋼掛片上無明顯垢層，無腐蝕，表明新型水處理藥劑對不銹鋼具有良好的防腐蝕效果。

圖8 懸浮物（SS）腐蝕率

圖9 清洗后試片

2.4 污垢熱阻

污垢熱阻表示換熱設備傳熱面上沉積物導致傳熱效率下降的程度數值，即換熱面上沉積物所產生的傳熱阻力。它又被稱為污垢系數，換熱器換熱表面上積有某種污垢（水垢、污泥、油污和煙灰等）后，污垢熱阻的逐步形成必將導致換熱器傳熱系數減小，促使換熱器的傳熱性能日益惡化。從圖10 可知，污垢熱阻值最大值為0.706×10m·K/W，最小值為0，符合《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB/T 50050—2017）的限值要求（≤3.44×10m·K/W）。這表明新型水處理藥劑可以阻止換熱表面結成硬垢，清除系統表面黏附或沉積的泥沙、黏泥和軟垢等物質，提高換熱表面清潔度和換熱效果。

圖10 污垢熱阻

2.5 黏附速率

黏附速率是指循環水中的雜質及其懸浮物對周圍設備及管道的附著速度。從圖11 可知，黏附速率最大值為0.072 338 mg/（cm·月），最小值為0，遠低于《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB/T 50050—2017）的限值要求，即≤15 mg/（cm·月）。這表明新型水處理藥劑可有效控制循環水中的雜質及其懸浮物對周圍設備及管道的附著速度。

圖11 黏附速率

3 結論

數字化監測技術可以有效監測循環水性能及水質指標，根據運行指標變化發出調整參數指令，同時可實現手機實時巡查，具有創新性和實用性。該技術可根據具體水質情況和運行工況條件，結合新型水處理藥劑的防垢去垢、緩蝕保護和微生物控制等三個功能助劑模塊，依據濃縮倍率、在線腐蝕速率和污垢熱阻等監測值精確調整功能助劑配比，實時優化產品配方及應用方案。采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術，在線監測運行水質、污垢熱阻和腐蝕速率來調節新型水處理藥劑投加濃度，可有效提高循環水濃縮倍率，實現循環水排污水節水減量處理及自動化管理的目的。此技術也可為后續實現火電廠廢水經濟性零排放打下堅實的基礎。