電化學技術在火電廠循環水系統中的應用研究

中圖分類號：U455.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0169-05

Abstract：Inthispaper，thecirculatingcoling watersystemofthermalpowerplantsistakenastheresearchobject，and thetreatmentefectandoperatingcostofelectrochemicaldevicesinthecirculatingcolingwatersystemarestudiedundertwo workingcondions：theconcentrationratioofthecirculatingcoolingwatersystemisconstantandtheconcentrationratiois increased.Theresearchresultsshowthatwhentheconcentrationratioof thecirculatingcoling watersystemis4times，thetotal hardnes，calciumhardness，totalalkalinity，andturbidityofthecirculatingcolingwatersystemusingelectrochemicaldevicesare significantlylowerthanthatofthecireulatingcolingwatersystemtreatedonlybytradionalchemicalmethods.Thedosageof anti-scale agent can be reduced by 50% ，and the energy consumption per ton of water is 0.029kW?h ；the concentration ratio of thecirculatingcoolingwatersystemusingelectrochemicaldevicescanbeincreasedfrom4timesto6times.Thewaterqualityof the circulating water system canmeet the operating requirements，the dosage of scale inhibitor can be reduced by 30% ，and the energy consumption per ton of water is 0.020kW?h ：

Keywords： circulating cooling water; descaling; electrochemistry; thermal powerplant; concentration ratio

循環冷卻水系統是火電廠的用水大戶，其水量一般占全廠用水量的 80% 以上[-2]，很多電廠受制于補水水質、循環冷卻水系統濃縮倍率較低，導致循環排污水水量較大，循環排污無法在廠內全部消納，致使部分排污水外排，存在較大的環保風險。在確保循環冷卻水系統安全穩定運行的前提下，盡可能提高循環冷卻水系統濃縮倍率是火電廠實現深度節水、消除環保風險的關鍵所在。傳統加藥處理工藝提高循環冷卻水系統濃縮倍率有限，近年來，越來越多的火電廠，將電化學技術應用在循環冷卻水系統中用于提高濃縮倍率、緩解循環冷卻水系統結垢風險。

利用水和水中離子在低壓電場中的化學和物理特性，引導水中成垢離子 （Ca²⁺，Mg²⁺，HCO₃^- “主動\"在陰極附近結晶析出，從而去除水中的成垢離子，降低水中硬度，是一種主動阻垢技術3-5。與傳統的工藝相比，無使用化學藥劑造成二次污染的問題、占地面積小、運行操作相對簡單，因其具有綠色、環保等優勢，電化學技術具有良好的發展前景。電化學技術作為一種新興水處理技術，由于其除垢效率有限、穩定性較低、投資及運行成本較高，導致電化學技術在傳統火力發電廠尚未大規模推廣[7-8]。本文通過理論分析和現場工業實驗，對比了循環冷卻水電化學技術與傳統藥劑處理的利弊，為電化學技術在火電廠循環冷卻水系統中的推電化學技術是向水中的電極板通入低壓直流電，廣應用提供了借鑒和參考。

1電化學技術工作原理

目前，關于電化學技術在循環冷卻水系統中的研究主要集中在防垢、除垢、殺菌滅藻以及碳酸鈣晶體形成過程的控制機理等幾個部分。其中，關于電化學除垢機理主要是以“電解及伴隨反應\"理論為主，具體反應過程為：在低壓直流電場的作用下，正負極板間水溶液的電解反應，在陰極表面產生 ΔOH^- ，OH在陰極附近會形成一個堿性區域，可以增大水中 CO₂ 的溶解度，同時也會促進原溶液中的 HCO₃. 生成 CO₃^2- ，水中的 Ca²⁺，Mg²⁺ 在電場作用下向陰極遷移富集，與陰極附近大量的 CO₃^2-，OH 反應結晶析出沉淀9-，反應如式（1）、（2）所示；與此同時，陽極區發生一系列氧化反應，反應如式（3）（4）、（5）所示[1-12]。由于水中一部分CI-轉化成氯氣，同時產生過氧化氫等具有殺生效應的產物，因此電化學處理技術在理論上也同時具有殺菌滅藻的功能[13-14]。

CO₃^2-+Ca²⁺?CaCO₃

20H^-+Mg²⁺?Mg（0H）₂↓

電化學技術在循環冷卻水中一般采用旁流處理的安裝方式，水中成垢離子在電化學處理裝置陰極表面結晶析出，可通過機械刮垢法或倒電極等方法去除陰極表面的結垢物質，達到循環冷卻水系統防垢的目的[15]。倒極法脫垢的原理是將陽、陰極板接通反向電流，使原來的陽極變陰極、陰極變為陽極，倒極后的陽極（原陰極）發生氧化反應產生的氣體可將極板上的積垢剝離下來，從而恢復極板電化學反應效率[

2電化學技術在循環冷卻水系統中的應用研究2.1循環冷卻水系統基本概況

某電廠機組凝汽器換熱管材質為TP304，循環冷卻水系統補充水主要為地表水（經混凝澄清過濾處理后補充至循環冷卻水系統），地表水水質年度變化較小，主要水質指標見表1。循環冷卻水系統主要設計參數見表2。

2.2循環冷卻水系統電化學裝置概況

某電廠#1機組循環冷卻水系統未設置電化學處理裝置，#2機組循環冷卻水系統設置處理能力為 2× 400m³/h 的電化學裝置（處理水量占循環水量的比例約為 1% ，停留時間約為 10min ），電化學裝置進水來自淋水收集裝置，來水自流進人電化學裝置，電化學裝置出水返回塔池。電化學裝置陽極、陰極均采用板式極板，材料為鈦板鍍貴金屬。采用倒極法去除陰極板上的積垢，倒極后極板上的積垢被剝離下來，沉積在電化學裝置底部后排入濾渣槽，定期通過人工方式將濾渣槽內的渣垢送至脫硫制漿系統進行綜合利用，#2機組電化學處理工藝流程如圖1所示。

表1地表水主要水質指標

表2循環冷卻水系統設計參數 m³?h^-1

圖1#2機組循環冷卻水系統工藝流程

2.3濃縮倍率不變工況下電化學裝置去除效果分析

當機組運行負荷、循環冷卻水系統補水水質、濃縮倍率（約為4倍）保持一致的情況下，分別對投運電化學裝置（#1機組）與未投運電化學裝置（#2機組）的循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度、堿度和濁度等指標進行取樣分析，2種工況下循環水系統水質變化趨勢分別如圖2、圖3所示。從圖2、圖3（a）可以看出，當#1、#2機組循環冷卻水系統濃縮倍率保持一致的情況下，#2機組循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度、堿度明顯低于#1機組。#1機組循環冷卻水系統平均總硬度、鈣硬度、堿度約為 8.99mmol/L.6.79mmol/L.4.51mmol/ L，#2機組循環冷卻水系統平均總硬度、鈣硬度、堿度約為 8.05mmol/L.5.85mmol/L.3.69mmol/L 當循環冷卻水系統濃縮倍率為4倍并且保持一致時，電化學裝置對循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度、堿度的平均去除率分別為 13.8%.10.5%.18.2% 0

圖2#1機組與#2機組循環冷卻水總硬度、鈣硬度對比

圖3#1機組與#2機組循環冷卻水堿度、濁度對比

從圖3（b）可以看出，投運電化學裝置的循環冷卻水系統濁度較低，#1機組循環冷卻水濁度平均值約為12.4NTU，#2機組循環冷卻水濁度平均值約為4.2NTU ，平均去除率約為 66.1% ，可能是由于電化學除垢設備中的結垢物質對循環冷卻水中的濁度有一定的攔截、過濾作用。

綜合以上分析，當保持循環冷卻水系統濃縮倍率不變的情況下，使用電化學裝置可有效改善循環冷卻水系統水質、降低結垢風險。

2.4濃縮倍率提高工況下電化學裝置去除效果分析

當機組運行負荷、循環冷卻水系統補水水質保持一致的情況下，#1機組循環冷卻水系統濃縮倍率控制在4倍左右、未設置電化學裝置，#2機組循環冷卻水系統濃縮倍率控制在6倍左右、設置電化學裝置，對#1、#2機組循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度、堿度和濁度等指標進行取樣分析，2種工況下循環冷卻水系統水質變化趨勢分別如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，當循環冷卻水系統濃縮倍率提高時，投運電化學裝置且濃縮倍率較高的#2機組循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度均比未投運電化學裝置且濃縮倍率較低的#1機組循環水系統略高。#1機組循環冷卻水系統平均總硬度、鈣硬度分別為 8.93mmol/L 、6.64mmol/L，#2 機組循環冷卻水平均總硬度、鈣硬度分別為 從圖5（a）可以看出，#2機組循環冷卻水系統堿度比#1機組略高，但是均低于系統極限碳酸鹽硬度 7.0mmol/L ，表明使用電化學裝置可以使循環冷卻水系統濃縮倍率提高，循環冷卻水系統水質依然能夠滿足系統運行要求；從圖5（b）可以看出，提高循環水系統濃縮倍率時，投運電化學除裝置的循環水系統濁度均較低。

圖4#1機組與#2機組循環水總硬度、鈣硬度對比

圖5#1機組與#2機組循環水堿度、濁度對比

2.5 經濟效益分析

2.5.1 藥耗

當保持循環冷卻水系統濃縮倍率（約為4倍）不變的情況下，其他參數都保持一致時，使用了電化學裝置的循環冷卻水系統阻垢劑投加量相比未使用電化學裝置的循環冷卻水系統阻垢劑加藥量可以減少 50% ；當機組運行負荷、循環冷卻水系統補水水質保持一致的情況下，循環冷卻水濃縮倍率為6倍時且投運電化學裝置的循環冷卻水系統相比濃縮倍率為4倍且未投運電化學裝置的循環冷卻水系統阻垢劑加藥量減少了 30% 。

2.5.2 能耗

當循環冷卻水系統濃縮倍率為4倍時，電化學裝置處理噸水能耗約為 0.029kW?h ；當循環冷卻水系統濃縮倍率為6倍時，電化學裝置處理噸水能耗約為 0.020kW?h ，說明系統濃縮倍率越高，運行能耗越低。

2.5.3 綜合經濟分析

該電廠#2機組循環冷卻水電化學除垢項目總投資約為800萬元，該工程實施后，循環冷卻水系統濃縮倍率可以由4倍提高至6倍，年總成本為139.94萬元、年新增收益171.15萬元，年總收益約為31.21萬元，經濟效益明顯，#2機組綜合經濟效益分析見表3（折舊年限取 15a ）。

表3#2機組綜合經濟效益分析

2.6 其他

該電廠循環冷卻水系統電化學裝置已經投運2年半，可穩定保證循環冷卻水系統濃縮倍率由4倍提高至6倍，但是在電化學裝置倒極脫垢時，脫垢速度較慢且不徹底，定期需要人工清垢。

3 結束語

1）當進水水質、循環冷卻水系統濃縮倍率保持一致時，使用電化學裝置的循環冷卻水系統總硬度、鈣硬度、總堿度和濁度明顯低于僅使用傳統化學法處理的循環冷卻水系統。實驗期間，平均去除率分別為13.8%.10.5%.18.2% 和 66.1% ，阻垢劑投加量可減少50% ，噸水能耗為 0.029kW?h 。

2當進水水質一致時，使用電化學裝置的循環冷卻水系統濃縮倍率可以由4倍提高至6倍，循環水水質可以滿足系統運行要求，阻垢劑投加量可減少30% ，噸水能耗為 0.020kW?h ，年總收益約為31.21萬元，經濟效益、環保效益明顯。

3）倒極法電化學裝置脫垢速度較慢、脫垢不徹底，定期需要人工清垢。

參考文獻：

[1]汪嵐，孫灝，張利權，等.火電廠循環水零排放工藝路線及可行性分析[J].水處理技術，2015，41（6）：125-128.

[2]張愛軍，晉銀佳，喻江，等.電化學技術處理火電廠循環水的試驗研究[J].華電技術，2019，41（56）：53-56.

[3] XU H，XU Z C，GUO Y F，et al.Research and applicationprogress of electrochemical water quality stabilization tech-nology for recirculating cooling water in China：A short re-view [J].Journal of Water Process Engineering，2O20，37：101433.

[4] HASSON D，SIDORENKO G，SEMIATR.Calcium carbonatehardness removal by a novel electrochemical seeds system[J].Desalination，2010，263（1/2/3） ：285-289.

[5]朱暉，張國輝，李芬芬.電化學除垢設備的應用技術研究[J].應用化工，2022，51（3）：2630-2633.

[6]徐浩，喬丹，許志成，等.電催化氧化技術在有機廢水處理中的應用[J].工業水處理，2021，41（3）：1-9.

[7] GUO Y F，XU Z C，GUO S Y，et al.Practical optimizationof scale removal in circulating cooling water：Electrochemi-cal descaling-filtration crystallization coupled system[J].Sepa-ration and Purification Technology，2022，284：120268.

[8]蘇艷，楊陽，古亞妮，等.循環冷卻水系統的電化學除垢技術研究進展[J].工業水處理，2022，43（8）：30-37.

[9]李鑫浩，王立達，孫文，等.高效復合網狀陰極電化學除垢機理研究[J].工業水處理，2020，40（12）：30-33.

[10]李佳賓.電化學除垢設備的影響因素及中試研究[D].邯鄲：河北工程大學，2020.

[11]安慧鳳，劉智安，趙巨東，等.高壓靜電場對火電廠循環冷卻水阻垢效果及機理[J].環境工程學報，2013，7（11）：4295-4299.

[12] ZASLAVSCHI I，SHEMER H，HASSON D，et al.Elec-trochemical CaCO₃ scale removal with a bipolar membranesystem[J].Journal of Membrane Science，2013，445：88-95.

[13]欒謹鑫，李鑫浩，王立達，等.復合網狀陰極增強電化學水軟化系統性能研究[J].工業水處理，2020，40（2）：67-70.

[14] JIN H C，YUY，ZHANG L，et al.Polarity reversalelectrochemical process for water softening [J]. Separationand Purification Technology，2019，210：943-949.

[15]周福偉，周小燕，王蛟平，等.循環冷卻水DSA電極電化學除垢中試試驗[J].凈水技術，2022，41（1）：90-95.

[16]錢凱凱，胡將軍.電解參數對循環冷卻水處理及倒極除垢效果的影響[J].工業水處理，2021，40（1）：83-86.