火電廠循環水排污減量技術的工業應用研究

趙貴龍，黃文平，劉 偉，齊 冰，劉 宇，解 芳，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 100039）

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與難點。在排污許可制度等環保要求下，循環水排污減量技術已成為當今的研究熱點[1-2]，而提高循環水濃縮倍率是火電廠節水的重要措施[3-6]。目前，常用的循環水排污減量方案是采用反滲透膜脫鹽工藝處理后回用[6-9]，但隨著濃縮倍率的增加，循環水排污水的鹽分、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[10-11]，故循環水濃縮倍率普遍控制在3～5 倍，且排污水量較大[12]。火電廠有必要根據循環水特點，尋找一種經濟、高效的新型循環水排污減量技術路線。本文采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術，提高循環水濃縮倍率，實現循環水排污大幅減量。

1 火電廠簡介

某火電廠配備裝機容量2×350 MW 的超臨界燃煤供熱發電機組，2 臺機組凝汽器管材均為TP316L不銹鋼管，輔機冷卻設備過流部件材質為TP316L 不銹鋼。冷卻方式采用帶自然通風冷卻塔的濕式再循環系統，兩機一塔。主要通過添加硫酸和緩蝕阻垢劑等化學藥品來改善循環冷卻水的品質，控制循環冷卻水中微生物的繁殖，防止冷卻設備結垢和腐蝕，確保冷卻設備的傳熱效率。循環水補充水源為市政中水，設計濃縮倍率不大于3.5 倍，實際以3.0 倍的濃縮倍率運行，經理論計算，夏季滿負荷運行時補水量為1 429 m3/h，排污量為416 m3/h。部分排污水用作脫硫、除渣系統補水及綠化景觀用水，其余大部分排污水通過雨水井外排。為符合國家環保相關要求，降低循環水排污水深度處理投資規模，減少后續全廠廢水處理費用，必須采取有效措施，實現循環水排污水大幅減排。

2 循環水系統排污減量技術

2.1 循環水系統數字化管理技術

循環水在線監測體系和系統管理平臺是工業水系統數字化管理技術的重要組成部分。主要通過補充水（pH、電導率、濁度和氯離子）和循環水（pH、電導率、濁度、氯離子、總硬度、鈣硬度、鎂硬度和總堿度）水質在線監測單元、補排水在線計量單元（工業補充水、工業廢水回用、循環水排污）、運行工況在線監測單元（大氣溫度、濕球溫度、空氣濕度、大氣壓力、水池液位、儲罐液位、取樣水溫度、儲罐溫度、換熱器水側進出口溫度、換熱器料側進出口溫度、取樣水壓力）以及循環水處理效果監測單元（污垢熱阻、黏附速率和腐蝕速率），實現精準加藥，提高濃縮倍率節水，智能自控減少外排水量，預判聯控降低設備腐蝕。

2.2 新型水處理藥劑技術

新型水處理藥劑是針對循環冷卻水系統研發的無磷環保專用水處理劑，主要理化指標如表1 所示。

表1 新型藥劑的主要理化指標

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。根據具體水質情況和運行工況條件，結合在線監控數據，精確調整功能助劑配比，實時優化產品配方及應用方案，在循環水高濃縮倍數的運行條件下，機組不發生結垢和腐蝕。

3 應用效果

為考察采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術后的循環水系統結垢、腐蝕情況，試驗分了3 個階段進行。第一階段是2019 年10 月28 日至12 月18 日（51 d），主要采用新型水處理藥劑；第二階段為2020年3 月3 日至3 月23 日，（20 d），采用原有常規阻垢緩蝕劑；第三階段為2020 年4 月1 日至5 月17 日（47 d），繼續采用新型水處理藥劑。通過在線監測污垢熱阻、黏附速率和腐蝕速率，考察機組的循環水濃縮倍率變化趨勢及機組在高濃縮倍率下的運行狀態。

3.1 高濃縮倍率防垢效果

試驗期間，濃縮倍率和氯離子濃度變化趨勢如圖1 和圖2 所示。

圖1 濃縮倍率的變化趨勢

圖2 氯離子濃度的變化趨勢

試驗第一階段關閉排污閥，采用新型水處理藥劑，連續運行20 d，濃縮倍率最高為10.2 倍，平均濃縮倍率為8.63 倍。循環水氯離子最高值為1 085 mg/L，平均值為990 mg/L，試驗期間，循環水系統沒有進行強制排污，排污流量顯示為零。第二階段主要通過投加原有阻垢緩蝕劑，對比研判新型多功能環保藥劑的實際水處理能力。投加常規阻垢緩蝕劑運行20 d，試驗期間，濃縮倍率最高值為4.38 倍，平均濃縮倍率為3.64 倍，循環水氯離子最高值為630 mg/L，平均值為541 mg/L。第三階段采用新型多功能環保藥劑提高濃縮倍率，在此期間，濃縮倍率最高值為9.0 倍，平均濃縮倍率為5.73 倍，循環水氯離子最高值為970 mg/L，平均值為846 mg/L。整個試驗過程中，補充水的氯離子很不穩定，最高為290 mg/L，最低為95 mg/L，平均值為151 mg/L。其中高于180 mg/L 的占總運行天數的4.69%，低于150 mg/L 的占總運行天數的41.78%。補水氯離子波動大對日常人工循環水濃縮倍率精確計算造成較大困難，試驗期間已將原有人工計算改為氯離子在線監測，并采用補水氯離子移動平均計算法自動計算濃縮倍率，應用試驗能較好反映機組實際運行工況。從試驗數據分析可知，采用新型水處理藥劑的循環水濃縮倍率明顯高于采用常規藥劑的濃縮倍率。

3.1.1 循環水硬度與堿度

在不改變原有補水預處理工藝的情況下，循環水系統濃縮倍率保持在6.5 倍以上，其防垢效果如圖3、圖4 所示。由此可見，循環水的總硬度、鈣硬度、總堿度等結垢性指標與濃縮倍率呈同步增減趨勢。隨著濃縮倍率的升高，水中成垢離子不再增加，析出的水垢分子被新型藥劑吸附或與新型藥劑中的高分子聚合物官能團絡合，最終生成游離水垢分子，實現防垢功能。

圖3 循環水硬度的變化趨勢

圖4 循環水總堿度的變化趨勢

3.1.2 在線污垢熱阻和黏附速率

污垢熱阻可以反映換熱設備傳熱面上沉積物導致傳熱效率下降的程度，限值為3.44×10-4m2·℃/W，在線監測數據如圖5 所示，負值越大越清潔，正值越大污堵越嚴重。在線監測設備安裝在原有換熱器上，當沉積物在原有基礎上增加時，污垢熱阻升高；當原有沉積物被剝離后，污垢熱阻會出現負值，說明換熱效率向好的方面轉變。這種在線監測方式適用于因安裝位置、流速較低和水溫較高易導致結垢或者污堵的換熱器。

圖5 污垢熱阻和黏附速率的變化趨勢

3.1.3 凝汽器內部污垢

2020 年6 月1 日停機檢修時，拍攝的凝汽器內部污垢狀態如圖6 所示。由此可以看出，在高濃縮倍率條件下運行時，凝汽器內部比較清潔，未發現沉積碳酸鈣垢，僅有少量泥沙附著于設備表面，清水沖洗后即可去除，阻垢效果比較明顯。

圖6 凝汽器內部污垢狀態

3.1.4 冷卻塔填料污垢

冷卻塔填料污垢狀態的變化如圖7 所示。試驗前（2019 年10 月27 日），填料上有明顯的污垢附著。機組工業應用試驗一周后，填料上附著的污泥開始逐漸脫落。機組工業應用試驗連續運行60 d，冷卻塔填料表面明顯清潔。2020 年3 月使用常規藥劑后，填料內部污垢增多。第三階段重新采用新型藥劑后，填料污垢又開始減少。試驗結果表明，新型水處理藥劑可以有效去除附著在填料上的陳年污垢。經分析，新型水處理藥劑分子官能團的能量遠遠大于水垢分子間的范德華力，并具有超強的滲透性，新型水處理藥劑分子官能團與水垢分子接觸時會克服分子之間的引力，逐漸滲透水垢內部，迫使水垢分子向官能團遷移，達到除垢目的。

圖7 填料污垢狀態的變化

3.2 高濃縮倍率腐蝕效果

3.2.1 在線腐蝕監測

從圖8 和圖9 可知，經均勻腐蝕速率在線監測，銅最高值為0.002 8 mm/a，平均值為0.000 63 mm/a，不銹鋼最高值為0.000 379 mm/a，平均值為0.000 037 mm/a，均優于標準限值0.005 mm/a。從金屬材質均勻腐蝕速率整體趨勢來看，銅均勻腐蝕速率大于不銹鋼。2019年11 月25 日至12 月18 日開展高濃縮倍率試驗，其間，銅與不銹鋼腐蝕速率均有所上升，說明濃縮倍率的提高對腐蝕速率存在一定影響。但是，銅最大腐蝕速率僅為0.001 mm/a，不銹鋼最大腐蝕速率僅為0.000 5 mm/a，高濃縮倍率運行的防腐效果非常理想。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。

圖8 銅均勻腐蝕的變化趨勢

圖9 不銹鋼均勻腐蝕的變化趨勢

3.2.2 掛片腐蝕測試

選擇與凝汽器管道和換熱設備材質相同的316L不銹鋼和黃銅測試片，將試片懸掛在冷卻塔水池中。經過一定的掛片周期，對掛片進行烘干、稱重，對比計算出的均勻腐蝕速率與國標均勻腐蝕速率（0.005 mm/a），判斷不銹鋼和銅腐蝕速率是否達標，以達到保護凝汽器和銅材質換熱設備的防腐效果，如表2 所示。

從表2 可知，不銹鋼和黃銅采用常規藥劑時，第一次均勻腐蝕速率測試結果不合格，第二次合格，兩次平均值分別為0.011 95 mm/a 和0.008 9 mm/a，判定不合格；不銹鋼和黃銅采用新型藥劑時，3 次均勻腐蝕速率測試結果均合格，三次平均值分別為0.000 77 mm/a 和0.000 37 mm/a。從對比結果來看，新型藥劑的防腐蝕效果明顯優于常規藥劑。在本次機組工業應用試驗中，與常規藥劑處理不同，可實時在線監測新型藥劑對不銹鋼和黃銅的腐蝕速率，然后調整加藥濃度。

表2 316L 不銹鋼和黃銅掛片腐蝕速率測試結果

3.3 高濃縮倍率異養菌數量抑制效果

在沒有投加氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑的情況下，驗證新型藥劑在不同季節對循環水異養菌的抑制效果。測試結果如表3 所示。

表3 異養菌總數定期檢測結果

從異養菌測試片的定期檢測結果來看，雖然補充水水源多數是市政中水，但異養菌總數較低，僅有100 個/mL。經檢測，2019 年，循環水異養菌總數為300～5 000 個/mL，系統微生物控制較好。試驗結果說明，在未投加氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑的情況下，循環水系統僅靠正常投加新型多功能藥劑，在冬季就能夠很好地抑制微生物生長。從2020 年7 次異養菌測試結果來看，補充水異養菌總數較冬季明顯增加，循環水異養菌總數也隨補充水菌落總數的增加和大氣溫度的升高而出現爆發式增長，4 月30 日和5月26 日均出現異養菌總數超出標準限值的情況。雖然增加了新型藥劑的投加量，但抑制效果有限，特別是5 月29 日投加了非氧化殺菌劑，但從跟蹤測試結果來看，效果仍不理想，主要原因是補充水異養菌總數較高，夏季微生物繁殖速度較快。

3.4 節水減排效果

該火電廠采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術，節水減排量可達69.75 m3/h，實現減排40%的目標，大大降低了后續廢水處理費用，具有顯著的環境效益和社會效益。

4 結論

在循環水高濃縮倍率的條件下，新型藥劑可有效防止循環水系統和凝汽器發生結垢，并對陳年污垢有顯著的去除效果。新型藥劑對不銹鋼和銅的防腐效果都特別明顯，檢測數據顯示，金屬平均腐蝕速率均優于標準限值要求。在冬季，循環水異養菌總數較小，新型藥劑對系統微生物的控制效果較好。采用新型水處理藥劑，輔以數字化管理技術，可提高循環水濃縮倍率，大幅度減少循環水排污量，為后續火電廠實現經濟的廢水零排放奠定基礎。