高濃縮倍數條件下的循環冷卻水處理分析與對策

董恩氚，肖蘭芳，唐支林，楊 偉，曾祥華

（1.湖北海力環保科技股份有限公司；2.寶武水務科技有限公司武漢分公司，湖北武漢 430083）

前言

工業冷卻水系統的節水減排已成為工業企業的內在要求，其中循環水濃縮倍數直接關系冷卻水系統的節水水平和水資源重復利用效率，提高濃縮倍數是目前公認的工業冷卻水系統有效的節水減排措施。循環水濃縮倍數的提高勢必會引起冷卻水系統結垢，腐蝕因子也隨之上升，特別是結垢趨勢尤為顯著。隨著濃縮倍數的提高，排污量減少，循環水中黏泥、有機質等懸浮物濃度上升，易形成污垢沉積及垢下腐蝕，也勢必導致微生物的控制愈加困難［1］。因此，高濃縮倍數條件下，循環水的水質穩定處理難度也大大增加。

1 問題與分析

以湖北省武漢地區某2×100 MW 亞臨界燃氣熱電站循環冷卻水系統為例，該循環冷卻水系統為敞開式間接冷卻方式，主要供發電機組凝汽器、油冷器、輔機等設備冷卻用水。在冷凝器、油冷器等用戶熱交換過程中，冷卻水帶走熱量而升溫，水分不斷蒸發濃縮，水中離子溶解平衡被打破，水質易出現結垢、腐蝕、生物黏泥滋生等問題。為了保證循環冷卻水系統穩定運行，系統設有水處理旁濾設施和水質穩定劑投加裝置。

該循環冷卻水系統補充水為經絮凝、沉淀和過濾處理后的工業凈化水，其主要水質指標見表1。

表1 補充水主要水質指標

為響應節水減排的要求，該循環冷卻水系統排污受限，日常運行過程中很少排污，且排污量較小，導致循環水濃縮倍數（以電導率計）高達5.5～6.5，循環水含鹽量大幅度增加，鈣、鎂離子及堿度等結垢性因子濃度上升，水中鈣硬度和總堿度之和接近1 100 mg∕L（以CaCO3計），循環水屬于嚴重結垢型水質［2］。并且隨著不斷蒸發濃縮，循環水腐蝕性離子如氯離子、鐵離子也相應上升，存在金屬換熱器材質點蝕的風險。同時，因循環水濃縮倍數過高，水在系統中停留時間延長，循環水中懸浮物、膠體及CODcr隨之濃縮，不僅易形成污垢沉積，造成垢下腐蝕，也為微生物繁殖提供更豐富的營養源，極易滋生成生物黏泥，微生物的控制難度進一步加大［3］。

該循環冷卻水采用磷系阻垢緩蝕劑配方進行水質穩定處理，結合次氯酸鈉與異噻唑啉酮交替投加的殺菌滅藻處理方式。系統投運半年后，凝汽器的端差呈明顯上升趨勢，并伴有真空度下降現象，凝汽器換熱管存在結垢傾向。在水處理效果日常監測中發現，包括碳鋼腐蝕速率、試管粘附速率、異養菌總數和生物黏泥量等控制指標均偏高，甚至出現超標情況。并且，監測還發現，試管粘附速率偏高時，碳鋼腐蝕速率也呈偏高趨勢。其水處理效果各項控制指標見表2。

表2 水處理效果控制指標

同時，水質化驗結果還表明，循環水濁度偏高，水體長時間出現泛白現象。取水樣進行加硫酸燒杯試驗，調節pH 值，并分析水中pH 值、濁度、鈣離子、鋅離子和總磷等指標的變化。其酸化指標變化結果見表3。

表3 循環水加酸試驗前、后水質指標變化

經酸化處理后，循環水中鈣離子、鋅離子含量大幅度上升；濁度隨著酸性增強，明顯下降；總磷含量上升幅度不大。該加酸試驗結果表明，在高pH值條件下，循環水中鈣離子和藥劑引入的鋅離子易與水中堿性陰離子形成不溶物膠體，導致循環水濁度指標升高，水體泛白［4］。同時也說明該阻垢緩蝕劑在高pH 值條件下的阻垢分散、穩鋅性能方面有待加強。

深入現場調查發現，該循環水系統冷卻塔壁附著有大面積的灰白色硬質沉積物。經化驗分析，其主要成分為CaCO3，并含有少量Zn（OH）2，這與上述循環水加酸試驗結果一致，進一步說明在高濃縮倍數條件下，循環水系統存在碳酸鈣結垢和鋅沉積的問題。

調查還發現填料縫隙處滋生有大量泥狀黏稠污染物，帶有濃烈的魚腥味。取樣采用450 ℃灼燒失重法進行檢測，確定有機物質量分數為68%，并且在光學顯微鏡下分析確定樣品中存在革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和膠體微粒，初步判斷為微生物滋生形成的生物黏泥。

2 解決措施

目前，對于高濃縮倍數條件下的循環水水質穩定處理主要采取加酸調節pH 值、優化藥劑配方、改善補水水質等方法［5］，在實際應用中取得了一定成效。但加酸處理除了需增設硫酸儲罐、自動加酸控制設備、安全防護措施外，也帶來了加酸過量或局部不均造成氫去極化腐蝕的風險，從而引入新的水質不穩定因素。改善補水水質可能需要新增較高的水處理設施投資或取水成本，與提高循環水濃縮倍數節約水資源效益相比，其性價比并不高。

針對該亞臨界燃氣熱電站循環冷卻水系統處于高濃縮倍數條件下運行產生的結垢沉積、垢下腐蝕、黏泥滋生等水質問題，通過對循環水化學水質穩定處理的原理分析，結合水處理現場實際情況，提出了下述解決措施。

2.1 優化藥劑配方

模擬現場循環水水質條件，進行阻垢緩蝕劑配方優化系列性能試驗，包括采用極限碳酸鹽法測定藥劑阻垢性能、采用旋轉掛片法測定藥劑緩蝕性能。優化后的新型阻垢緩蝕劑具有良好的緩蝕與阻垢效果，適合高硬度、高堿度、高鹽分的循環水系統水質穩定處理。

新型阻垢緩蝕劑配方具有以下特點。

（1）新阻垢緩蝕劑為低磷配方，引入具有很高的鈣容忍度和優異的螯合分散性能的PAPEMP 有機膦單體［6］，舍去了其它磷含量高的有機膦單體，提高了藥劑對鈣、鋅金屬離子的螯合值，防止水中生成鈣凝膠等難溶物。

（2）新配方對聚羧酸與AA∕AMPS多元共聚物的含量比例進行了調整，并添加氨基磺酸（NH2SO3H），增強酸性，調節藥劑中強酸基團與弱酸基團的配比，協同增效，強化藥劑的阻垢分散性能。

新型阻垢緩蝕劑理化質量指標見表4。

表4 新型阻垢緩蝕劑質量指標

2.2 調整加藥方案

該循環水處理采用低磷配方，循環水總磷含量控制指標由3.5～4.5 mg∕L 變更為2.5～3.5 mg∕L。采用自動加藥裝置實時在線檢測藥劑濃度、電導率、pH 值、濁度、ORP、腐蝕速率等數據，并根據藥劑濃度變化自動加藥，維持循環水中藥劑濃度穩定。

同時，在現有非氧化性殺菌劑的基礎上，增加以聚季銨鹽為主要成分的非氧化性殺菌剝離劑，兩種非氧化性殺菌劑每月交替投加1次。現有氧化性殺菌劑改為每周1 次沖擊性投加，并根據循環水細菌總數、余氯值等指標及時調整加藥量和投加頻次。調整后的循環水水質控制指標見表5。

表5 循環水水質控制指標

2.3 加強旁濾處理能力

循環水旁濾系統采用自清洗淺層砂過濾器，以高效截留水中懸浮物等雜質，降低循環水濁度。過濾器反洗水經過一體化凈化器處理后再進入該循環水系統。系統設有外排污管，當出水水質濁度超標時，可外排進入全廠污水管網。

旁濾器日常運行采用6 用4 備，旁濾處理水量約為循環水量的3%，出水濁度要求小于5.0 NTU。為提升循環水濁度指標，防止懸浮物沉積，加強了旁濾處理能力，將旁濾器運行調整為8 用2 備，要求循環水濁度不高于15 NTU。

2.4 控制合理的濃縮倍數

根據《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB∕T50050—2017）相關條款，間冷開式循環水濃縮倍數不宜小于5.0。結合全廠降低新水耗量的要求，為保障循環水系統安全、穩定運行，應控制循環水濃縮倍數在5.0～6.0之間，維持循環水鈣硬度和總堿度之和不高于1 100 mg∕L（以CaCO3計）。一旦監測發現循環水濃縮倍數超過6.0，則需人工適量排污或旁濾器反洗水外排，并加大補水量，維持系統水量平衡。

3 應用效果

該亞臨界燃氣熱電站循環冷卻水系統通過優化藥劑配方、調整加藥方案、加強旁濾處理能力、控制合理濃縮倍數等整改措施，經過5個月的運行，實際循環水濃縮倍數在5.2～6.0范圍內波動，凝汽器端差較此前下降了1.2 ℃，真空度略有上升，有效控制了真空度下降的趨勢，循環水濁度下降，水質泛白現象明顯好轉。再次取水樣進行加酸試驗，調節pH值，并分析水中pH 值、濁度、鈣離子、鋅離子和總磷等指標的變化。其酸化試驗前、后水質指標變化見表6。

表6 循環水加酸試驗前、后水質指標變化

上述加酸試驗結果表明，經酸化處理后，循環水中濁度、鈣離子、鋅離子及總磷含量變化幅度小，說明循環水中結垢性離子形成不溶物鈣凝膠的量少，鋅沉積問題得到明顯改善，藥劑螯合與分散能力顯著提高，在高硬度、高pH 值條件下，藥劑的阻垢與分散效果較好。

同時，在日常水處理效果監測中，各項指標符合控制要求，達到了水處理預期的目標值。水處理效果各項控制指標見表7。

表7 水處理效果控制指標

4 結語

（1）提高循環水濃縮倍數是工業循環冷卻水系統實現節水減排的有效措施，但高濃縮倍數條件下，循環水CO2溶解平衡被打破，結垢和腐蝕因子上升，特別是結垢趨勢。同時隨著濃縮倍數的提高，排污量減少，循環水中懸浮物濃度增加，易出現污垢沉積及垢下腐蝕問題，并導致微生物及生物黏泥的控制愈加困難。因此，高濃縮倍數條件下，循環水的水質穩定處理難度大。

（2）以某廠亞臨界熱電站循環冷卻水系統為研究對象，進行了高濃縮倍數條件下的水質穩定性分析，提出了包括優化藥劑配方、調整加藥方案、加強旁濾處理能力、控制合理濃縮倍數等解決措施。

（3）實施上述系列解決措施后，亞臨界熱電站循環冷卻水系統在高濃縮倍數條件下運行穩定，循環水水質控制指標符合要求，凝汽器端差上升、真空度下降的趨勢得到控制與改善，水處理效果達到預期目標值。