石灰處理后濾池結(jié)垢原因分析及預(yù)防措施

張春波，孫 曄，徐笑丹，劉士玲

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

水處理系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的重要組成部分，其處理效果直接影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，某熱電廠在1號(hào)機(jī)組試運(yùn)階段，石灰處理后的3臺(tái)變空隙砂濾池均出現(xiàn)偏流、壓差增長快等現(xiàn)象，濾池經(jīng)過氣水反洗后，初始?jí)翰钤?.12 MPa以上，高于控制值0.08 MPa，過濾器上部覆蓋一層白色物質(zhì)，部分濾料結(jié)塊，影響水處理系統(tǒng)及機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。針對(duì)此問題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并取水樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，在此基礎(chǔ)上為現(xiàn)場(chǎng)提供防結(jié)垢措施。

1 系統(tǒng)流程、設(shè)計(jì)水質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

1.1 系統(tǒng)流程、設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)

循環(huán)水系統(tǒng)排水經(jīng)過循環(huán)水旁路流入原水池（以下稱原水池水），進(jìn)入石灰處理站，處理后一部分作為鍋爐補(bǔ)給水水源，另一部分回到循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)濃縮倍率分別為4倍（夏季抽汽工況）和2倍（冬季供熱工況）。原水池水通過原水提升泵送至機(jī)械加速澄清池內(nèi)進(jìn)行混凝、石灰處理，正常運(yùn)行時(shí)，出水懸浮物質(zhì)量濃度不大于10mg／L、pH 值為10.2～10.4、碳酸鹽硬度不大于2mmol／L，石灰劑量根據(jù)澄清池中第二反應(yīng)室水的pH 值自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用硫酸、次氯酸鈉處理后進(jìn)入變空隙砂濾池，pH 值控制在7.5～8.3，砂濾池出水保證懸浮物不大于2mg／L。絮凝劑、助凝劑均投加在澄清池的進(jìn)水管道上，石灰計(jì)量系統(tǒng)采用干法計(jì)量系統(tǒng)，石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.3%，石灰乳投加在澄清池進(jìn)水管的出口處。循環(huán)水排水石灰處理系統(tǒng)流程見圖1。

循環(huán)水補(bǔ)充水設(shè)計(jì)水源為來自污水處理廠的再生水，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

1號(hào)澄清池運(yùn)行補(bǔ)充水（非設(shè)計(jì)水種）為松花江水和原水池水，水質(zhì)主要指標(biāo)見表2。原水池水，水溫為8.9～9.8℃，混凝劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%液態(tài)聚合硫酸鐵，加藥量為20～25mg／L，助凝劑為陽離子型聚丙烯酰胺，加藥量為0.3mg／L。石灰、硫酸采用自動(dòng)加藥方式，澄清池中第二反應(yīng)室pH 設(shè)定值為10.3，加酸后pH 設(shè)定值為8.0，第一反應(yīng)室水pH 值為10.51，5min沉降比為9.3%，第二反應(yīng)室水pH 值為10.43，5min沉降比為6.7%。澄清池出水（加酸前）中碳酸鹽硬度為2.42mmol／L、殘留堿度為1.51mmol／L，均高于處理前原水池水質(zhì)指標(biāo)。

表1 再生水水質(zhì)主要指標(biāo) mg／L

表2 松花江水、循環(huán)水排水主要指標(biāo)

2 試驗(yàn)分析

石灰水處理系統(tǒng)分為氫氧根堿度和重碳酸鹽堿度工況。采用氫氧根堿度工況時(shí)，控制出水中氫氧根堿度為0.05～0.3mmol／L，其余堿度為碳酸鹽堿度，HCO3－為0，出水pH 值在10.0～10.5，采用重碳酸鹽堿度工況時(shí)，出水中重碳酸鹽堿度為0.05～0.15mmol／L，其余堿度為碳酸鹽堿度，出水pH 值為9.5左右，電廠運(yùn)行采用氫氧根堿度工況［1］。影響石灰處理出水殘留堿度、硬度因素較多，主要包括水溫、處理工況、混凝劑劑量等，同時(shí)出水水質(zhì)極不穩(wěn)定，不能按理論推算，為了較好地反映石灰處理過程，必須進(jìn)行一系列試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)澄清池設(shè)計(jì)參數(shù)確定攪拌速度200r／min 保持5min、160r／min 保持15.2min、40r／min保持8.7min，沉降時(shí)間為49min。

2.1 水溫試驗(yàn)

水溫試驗(yàn)取原水池水樣4 份各1L，分別按照表3 進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：混凝劑加藥量30 mg／L、助凝劑0.3mg／L，CaO（純度72.3%）加藥量200mg／L。取上清液分別測(cè)定殘留堿度、硬度、沉降效果，結(jié)果見表3。

表3 水溫對(duì)石灰處理影響燒杯試驗(yàn)

從表3看出，水溫對(duì)出水的殘留堿度和硬度影響較大，提高水溫可以減少出水的殘留堿度和硬度，并可以降低沉降速度和時(shí)間，當(dāng)循環(huán)水排水溫度在8.9～9.8℃，使得石灰處理出水的碳酸鹽過飽和度較高，此時(shí)的殘留堿度和硬度不滿足水溫在20～40℃時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系［1］。

2.2 混凝劑劑量試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)水溫度8.9～9.5℃，加入助凝劑0.3mg／L、CaO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.3%）200mg／L，按表4對(duì)混凝劑用量進(jìn)行試驗(yàn)，其礬花數(shù)量、大小及沉降效果（49min后上清液微小絮凝體數(shù)量）見表4。

從表4可以看出，運(yùn)行中混凝劑20～25mg／L劑量明顯偏低，應(yīng)控制在35～40mg／L，這是因?yàn)槭乙囊欢康幕炷齽?，混凝劑劑量低不利于膠體、有機(jī)物的去除，同時(shí)形成的絮凝體不能有效吸附石灰處理形成的膠體，因此碳酸鈣微晶體受到阻垢劑、膠體、有機(jī)物、微生物等干擾，自由沉降受阻，會(huì)有大量碳酸鈣微晶體以膠體形態(tài)存在于水中，使得殘留硬度、堿度高于碳酸鈣的溶解度［1］，因此在進(jìn)行石灰處理時(shí)，增大混凝劑劑量對(duì)混凝沉降效果提升有促進(jìn)作用，即適當(dāng)提高硫酸亞鐵劑量會(huì)減少出水碳酸鹽堿度、硬度。

2.3 石灰劑量試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)水溫8.8～9.6℃，取7個(gè)1 000 mL循環(huán)水排水水樣，分別加入0.3mg／L助凝劑及40mg／L聚合硫酸鐵進(jìn)行CaO（CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.3%）劑量燒杯試驗(yàn)，取上清液測(cè)定pH 值、殘留堿度、硬度、總磷試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5看出，隨著石灰劑量增加，出水殘留堿度和硬度均快速上升，總磷含量均小于0.5mg／L，當(dāng)石灰劑量在40mg／L時(shí)，出水的殘留堿度和硬度均超過進(jìn)水值，且石灰處理系統(tǒng)進(jìn)水殘留堿度和硬度小于出水控制值（小于2mmol／L），1號(hào)澄清池實(shí)際運(yùn)行時(shí)，CaO（純度72.3%）劑量在100mg／L 左右，因此采用循環(huán)水排水，作循環(huán)水補(bǔ)充水時(shí)，可以不用石灰直接采用混凝澄清處理，為了提高總磷、鐵的除去效果［3］，應(yīng)控制CaO（純度72.3%）劑量在40mg／L左右，即采用重碳酸鹽堿度工況，控制出水pH值在9.5左右，以提高鈣化合物的分離效果，減少出水殘留堿度、硬度。

當(dāng)采用再生水作為循環(huán)水補(bǔ)充水時(shí)，為有效降低循環(huán)水中的暫時(shí)硬度、無機(jī)物、膠體和有機(jī)物、氨氮、總磷、硅酸鹽、細(xì)菌等物質(zhì)，應(yīng)采用氫氧根堿度工況，隨著石灰劑量的增加，出水的殘余硬度、堿度會(huì)先逐漸降低，漸漸平穩(wěn)，然后緩慢上升，在pH 值小于10的范圍內(nèi)，隨石灰劑量的增大，pH 值會(huì)線性升高，當(dāng)pH 值大于10 后，繼續(xù)增加石灰劑量，pH值不再以線性方式升高，上升方式逐漸平穩(wěn)［1－2］。當(dāng)pH 值大于10.4時(shí)，OH－濃度較高且對(duì)碳酸鹽硬度去除率提高不明顯，同時(shí)因石灰劑量過剩量增大，使殘留硬度、堿度反而上升。

2.4 出水穩(wěn)定性試驗(yàn)

正常情況下，穩(wěn)定的水樣在環(huán)境變化不大時(shí)，放置一段時(shí)間后，其pH 值、全堿度變化值很小，通常認(rèn)為pH 值、全堿度變化值在±0.02范圍時(shí)，水質(zhì)是穩(wěn)定的，即不會(huì)發(fā)生物質(zhì)析出現(xiàn)象。為了分析石灰處理出水和其加酸調(diào)節(jié)后水樣的穩(wěn)定性，取2份200mL石灰處理系統(tǒng)出水水樣于2個(gè)磨口錐形瓶中，其中一份加硫酸調(diào)節(jié)至pH 值8.15，分別加入3 g碳酸鈣粉末，搖晃5min，然后采用定量濾紙進(jìn)行過濾，分析濾液的全堿度、鈣硬度，pH 值等項(xiàng)目，并將過濾前后的堿度、鈣硬度、pH 值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6 可以看出，石灰處理出水（pH 值為10.51）過濾前、后的全堿度、鈣硬度、pH 值差值較大，說明出水碳酸鈣晶體呈過飽和狀態(tài)，水樣很不穩(wěn)定，碳酸鈣極容易析出；而出水加酸調(diào)節(jié)后水樣（pH 值為8.15）過濾前、后的全堿度、鈣硬度、pH 值差值小，說明碳酸鈣晶體的過飽和度小。繼續(xù)將pH 值為8.15的水樣放置1天后，pH值降至8.06，4天后，pH 值降至7.89。另取若干200mL 水樣分別加酸調(diào)節(jié)其pH 值在7.0～7.8，放置4 天后，pH 值7.0～7.5的水溶液pH 值基本無變化，pH 值7.5以上的水溶液pH 值均有不同程度降低。因此，為確保石灰處理出水水質(zhì)穩(wěn)定，應(yīng)加酸調(diào)節(jié)其pH 值7.0～7.5時(shí)，此時(shí)碳酸鈣等晶體物質(zhì)基本與酸反應(yīng)，水中的全堿度、鈣硬度、pH 值指標(biāo)不會(huì)隨放置時(shí)間而變化，水質(zhì)呈穩(wěn)定型。

表4 混凝劑劑量燒杯試驗(yàn)

表5 CaO 劑量燒杯試驗(yàn)

表6 水樣的穩(wěn)定性試驗(yàn)

3 原因分析

循環(huán)水采用堿度、硬度很低的江水作為臨時(shí)水源且循環(huán)水濃縮倍率極低時(shí)，石灰處理系統(tǒng)進(jìn)水甲基橙堿度、重碳酸鹽硬度、重金屬、氨氮、總磷等含量均較低，水中沒有足夠的堿度、碳酸鹽硬度來消耗石灰。根據(jù)石灰加藥量計(jì)算公式［4－5］和試驗(yàn)證明石灰劑量（CaO 純度72.3%）應(yīng)在30mg／L 左右（pH 值9.5），而實(shí)際運(yùn)行時(shí)卻仍以設(shè)計(jì)水源投加石灰劑量100mg／L，最終導(dǎo)致出水的堿度和殘余硬度反而超過進(jìn)水堿度和殘余硬度。

由于石灰處理過程中水溫較低、混凝劑劑量低，阻垢劑、有機(jī)物、微生物干擾碳酸鈣微晶體自由沉降，使碳酸鈣量微晶體以膠體形態(tài)存在于水中，出水pH 值、硬度、堿度均較高，水質(zhì)極不穩(wěn)定。加酸調(diào)節(jié)時(shí)硫酸消耗堿度的順序是先氫氧根堿度后碳酸鹽堿度，當(dāng)出水pH 值控制在8.0～8.5時(shí)，水中的堿度基本上都是碳酸鹽堿度，此時(shí)水質(zhì)仍然不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致水中碳酸鈣甚至少量碳酸氫鈣在流速低的濾池中析出并包裹在濾料顆粒表面，使濾料粒徑變大、結(jié)塊，反洗困難，通水能力下降。

采用松花江水作為循環(huán)水補(bǔ)充水時(shí)，仍采用氫氧根堿度工況控制石灰劑量，人為增加了水中的堿度、硬度，引起出水水質(zhì)極其不穩(wěn)定，同時(shí)受水溫較低、混凝劑劑量過低、加酸后pH 控制值較高等因素影響，使得大量微小碳酸鈣晶體在后續(xù)系統(tǒng)中生長、沉積，導(dǎo)致在濾池上部濾料發(fā)生沉積。

現(xiàn)場(chǎng)通過將循環(huán)水排水，水源取水點(diǎn)由循環(huán)水池改至循環(huán)水回水母管上，消除了溫度對(duì)澄清池混凝沉降處理的不利影響。并通過提高混凝劑劑量、采用重碳酸鹽堿度處理工況，調(diào)整超濾裝置運(yùn)行、反洗參數(shù)，控制加酸后pH 值在6.0～6.5，使得濾池中沉積的碳酸鈣垢逐漸溶解，在系統(tǒng)運(yùn)行約6天后，3臺(tái)濾池進(jìn)出水pH 值接近，濾池上部垢類基本清除。

4 結(jié)束語

為了保證石灰處理工藝的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，建議：水中的甲基橙堿度、重碳酸鹽硬度大小作為石灰處理工況選擇的重要依據(jù)［4］，混凝劑劑量、石灰劑量應(yīng)根據(jù)小型試驗(yàn)或燒杯試驗(yàn)確認(rèn)，尤其是水源更改時(shí)，當(dāng)重金屬、氨氮、總磷、硬度、甲基橙堿度較高且為保證這些雜質(zhì)的去除效果時(shí)，采用氫氧根堿度工況（pH 值10.0～10.4），當(dāng)對(duì)硬度、甲基橙堿度較低的水源處理時(shí)，為了提升混凝沉降效果，可采用重碳酸氫根堿度工況（pH 值9.5左右）。

石灰處理工藝包含復(fù)雜的反應(yīng)過程，對(duì)水溫要求較高，應(yīng)采取措施確保水溫達(dá)到20～25℃。為了降低石灰處理后水中碳酸鈣的過飽和度，避免碳酸鈣在后續(xù)系統(tǒng)沉積，提高水質(zhì)穩(wěn)定性，同時(shí)避免出現(xiàn)酸性腐蝕，應(yīng)當(dāng)調(diào)整水的pH 值7.0～7.5［1］。原水中的硬度、堿度都很小，為了提高除碳效果，可采用混凝處理并加入適量的石灰，當(dāng)水中的懸浮物含量、耗氧量較小時(shí)，混凝劑可采用間斷加入方式［6］。

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［2］楊寶紅，汪德良，王芷江，等.火力發(fā)電廠廢水處理與回用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：44，212－216.

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