一種采用物理極化方式的循環(huán)冷卻水節(jié)水技術

高廣清，楊 珊，費紹棟

(1.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234000；2.山東朗坤節(jié)能環(huán)保技術有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

水是人類賴以生存的基本條件，是人類工業(yè)生產和社會進步最重要的資源。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)用水量的比重在總用水量中逐年增高。我國的水資源總量居世界第6位，但人均占水量只排在世界第84位，為2 300 m3，相當于世界人均占水量的1/4。因此，需要工業(yè)系統(tǒng)做到無污染排放，對取水、排放嚴格限制，以恢復天然水的自凈能力。隨著環(huán)境保護的日益嚴格和水資源的日益緊張，水處理技術得到了愈來愈廣泛的重視。

1 火電廠循環(huán)水處理的重要性

火電廠是工業(yè)用水大戶，據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)用水中，火電廠的用水量與耗水量居各工業(yè)部門之首。當前，火電廠用水的主要構成為：循環(huán)冷卻系統(tǒng)補給水50 %—80 %，水力輸灰用水20 %—40 %，鍋爐補給水2 %—8 %，生活用水0.5 %—4 %?；痣姀S節(jié)水的重點是減少循環(huán)冷卻系統(tǒng)補給水和水力輸灰用水。對于采用開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的火電廠而言，減少冷卻系統(tǒng)排污、提高循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的濃縮倍率，可取得良好的節(jié)水效果。

目前，我國火電廠循環(huán)冷卻水處理面臨的主要問題有以下幾個。

(1) 淡水資源日益緊張。我國淡水資源日益緊張，特別是北方地區(qū)，水資源嚴重短缺，使火電廠的運行和建設規(guī)劃受到限制。

(2) 環(huán)境保護要求更為嚴格。目前國家已對某些物質的排放標準提出了新要求，今后環(huán)境保護要求更加嚴格。

(3) 源水水質不斷惡化。由于干早、開采過量、污染等原因，我國地下水的水質逐年變壞，給循環(huán)冷卻水的處理帶來了更多的困難。

目前，對于采用開式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的火電廠而言，采取提高冷卻水濃縮倍率的方法可以節(jié)約用水；但濃縮倍率提高到一定數(shù)值后，其節(jié)水幅度明顯下降，而處理成本顯著提高。綜合技術經(jīng)濟分析認為，將濃縮倍率提高到6左右是適宜的。

2 我國循環(huán)水處理方式存在的弊端

目前，主要采用化學法處理循環(huán)水，即依靠添加一定量的化學藥劑來解決循環(huán)冷卻水的水質問題。但在實際應用中，這種方法暴露出自身的缺點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 循環(huán)水中含有大量化學藥劑，提高了污水處理的成本；

(2) 化學法費用高，對水質的適應性較差，且容易造成二次污染；

(3) 化學法需要定期投加化學藥品，運行操作程序較為復雜。

3 循環(huán)冷卻水節(jié)水技術的研究

火電廠開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻塔、凝汽器、循環(huán)水泵組成。循環(huán)水在系統(tǒng)內完成換熱和冷卻過程。在循環(huán)過程中，循環(huán)水在冷卻塔內蒸發(fā)冷卻而形成循環(huán)水量和水質平衡。循環(huán)水系統(tǒng)需進行連續(xù)補水和排污，在這2種水量損失中，只有排污是可以減少的。因此，只有設法減少排污量，才能達到節(jié)水目的。

3.1 傳統(tǒng)加藥方式節(jié)水技術

采用開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的火電廠，其節(jié)水的主要方法是采用高濃縮倍率運行(合理的濃縮倍率可根據(jù)水質、處理技術、處理成本等因素綜合考慮)。通過對高硬度、高堿度、含鹽量進行預處理，采用甲酸運行等技術手段，可實現(xiàn)高濃縮倍率運行。但是，采用傳統(tǒng)加藥處理方式來提高濃縮倍率，會使藥劑在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內停留時間增長，造成水解失效。此外，濃縮倍率過高會使循環(huán)水中的硬度、堿度、濁度升得太高，易造成冷卻水結垢，從而難以控制結垢程度，導致藥劑使用量大增。

對于直流循環(huán)供水的火電廠，循環(huán)水的排污水量大而且水質較好，充分利用循環(huán)水是實現(xiàn)節(jié)約用水的重要途徑。

(1) 早期建設的火電廠采用水力除灰渣系統(tǒng)，循環(huán)水的排污常用于水力除灰渣系統(tǒng)，雖然做到了廢水綜合利用，但電廠耗水指標并沒有明顯減少。

(2) 為了節(jié)約水資源，近些年設計的火電廠多采用干式除灰渣系統(tǒng)；雖然減少了除灰渣系統(tǒng)用水量，但為了進一步減少外排水，大量的循環(huán)水排污水需要另尋利用途徑。

3.2 物理極化技術

用水系統(tǒng)設備內壁的水垢主要是由水中的硫酸鹽和碳酸鹽導致的。當鹽類溶于水中時，電離分解成Ca2+、Mg2+等陽離子或CO、SO等陰離子。輸水管道或用水設備外殼一般與大地連接，為陰極，可吸引陽離子趨向器壁，在受熱條件下聚集在器壁的陽離子與相應的陰離子結合，將生成結晶沉淀附著于器壁，從而形成水垢。

物理極化技術是將循環(huán)水快速通過一個特殊的電磁場，改變循環(huán)水中水分子的電子云排布和Ca2+、Mg2+離子和CO、SO離子的某些特性，使得Ca2+、Mg2+離子在水分子的包圍下無法形成鹽類沉淀，從而具有阻垢、減緩藻類生長、減緩腐蝕等功效。因此，采用物理極化技術進行處理的循環(huán)水系統(tǒng)，無需添加化學藥劑即可滿足機組運行要求，高濃縮倍率運行時也不存在藥費成倍增加的問題，這是循環(huán)水高濃縮倍率運行技術的革命性突破。

4 濃縮倍率與節(jié)水

4.1 循環(huán)冷卻水濃縮倍率

由于開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)存在蒸發(fā)和風吹損失，而蒸發(fā)和風吹的水分并不能帶走鹽類，這就使水中各種離子的濃度升高，由此產生濃縮。根據(jù)GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》，濃縮倍率可采用循環(huán)冷卻水與補充水含鹽量的比值來表示。

循環(huán)水的濃縮倍率是十分重要的指標。只有大大提高運行濃縮倍率，才能達到節(jié)水的目的；但濃縮倍率的提高，同時就意味著循環(huán)水中的溶解鹽類的濃縮，成垢物質濃度的增大，必將增大防垢、防腐的技術難度。為此，循環(huán)水運行應結合具體的情況選擇合理的濃縮倍率，GB 50050—2007對此也有相關的規(guī)定。

4.2 濃縮倍率與節(jié)水的關系

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，首先要了解補充水量M占循環(huán)水量R的百分比M/R與濃縮倍率K的關系。為了有一個定量的概念，下面舉例說明。

設循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水量R為20 000 m3/h，冷卻塔進口和出口的水溫分別為42 ℃和32 ℃，試求濃縮倍率K分別為1.5—10.0時的補充水量M、排污水量B以及補充水量占循環(huán)水量的百分比?，F(xiàn)以K=2時為例進行計算。

蒸發(fā)損失水量：E=RCPΔt/r=20 000×4.187×(42-32)/2401=348.8 m3/h；

風吹損失水量(按0.05%R計)：D=20 000×0.05 %=10.0 m3/h；

總排污水量：BT=E/(K-1)=348.8/(2-1)=348.8 m3/h；

排污水量：B=BT-D=348.8-10.0=338.8 m3/h；

補充水：M=E+BT=348.8+348.8=697.6 m3/h；

式中：CP——水的熱容量（比熱），kJ/（kg·℃）；

Δt——水的進出口溫度差，℃；

r——水的蒸發(fā)潛熱，取2 401 kJ/kg；

K——循環(huán)水的濃縮倍率。

現(xiàn)把K為1.5，2.0，3.0……10.0時運行參數(shù)的計算結果列入表1中。

由上述例子可以看出，隨著循環(huán)冷卻水濃縮倍率K的增加，冷卻水系統(tǒng)的補水量M和排污量B都不斷減少，因此提高冷卻水的濃縮倍率可以節(jié)約水資源，但同時補充水量占比將隨濃縮倍率的增加而降低。因此，考慮到多方面因素，循環(huán)水濃縮倍率并不是越高越好。

4.3 傳統(tǒng)加藥處理方式循環(huán)水濃縮倍率受限因素

(1) 阻垢劑加藥量一般為5—20 mg/L，當阻垢劑加藥量超過15 mg/L后，在實際生產運行中的經(jīng)濟性將下降。即加藥量較大時，阻垢性能較好;加藥量過大時，經(jīng)濟性較差，可能掩蓋了阻垢性能的優(yōu)勢，影響在實際生產中的使用。因此，從阻垢性能、使用經(jīng)濟和環(huán)保等各方面考慮，傳統(tǒng)加藥方式限制了循環(huán)水濃縮倍率的提高。

(2) 對阻垢劑進行各種加藥量下的濃縮倍率試驗，并通過比較各種加藥量下的極限濃縮倍率，可以得到該阻垢劑的臨界濃度。所謂阻垢劑的臨界濃度，即當阻垢劑加藥量小于此濃度時，阻垢性能差別較大；當阻垢劑加藥量超過此濃度后，阻垢性能增加不再明顯，而是趨于平緩。因此，藥劑本身的屬性也對循環(huán)水濃縮倍率的提高產生了制約。

4.4 物理極化技術的濃縮倍率優(yōu)勢

傳統(tǒng)的循環(huán)水化學處理方法的基點是防止循環(huán)水硬度增大。按照傳統(tǒng)觀點，Ca2+濃度越高，越容易形成CaCO3水垢，所以化學處理法就是要盡量降低Ca2+濃度，這樣就可限制循環(huán)水濃縮倍率的提高。

在目前的化學法處理循環(huán)水方案中，電廠循環(huán)水的濃縮倍率一般控制在4以下。但根據(jù)物理極化技術抗垢機理分析，CaCO3水垢的形成就是微溶性鹽從溶液中結晶沉淀的過程，在結晶過程中，小晶體不斷變成大晶體，形成覆蓋傳熱面的垢層。因此，如能破壞其結晶過程，就可以達到控制水垢的形成。

物理極化技術抗垢的機理之一就是改變循環(huán)水中水分子的電子云排布和Ca2+、酸根離子的某些特性，使得Ca2+在水分子的包圍下無法形成鹽類沉淀，破壞了CaCO3的結晶過程。從這個意義上講，Ca2+濃度的提高并不一定導致CaCO3水垢的形成。因此，利用物理極化技術處理循環(huán)水，可以在Ca2+濃度較高的情況下，仍然阻止CaCO3水垢的形成，這樣就可以有效提高循環(huán)水的濃縮倍率。

有關實驗資料表明，使用電、磁水處理器處理循環(huán)水，可以把循環(huán)水的濃縮倍率提高到6左右，而不導致水垢的形成。

4.5 物理極化技術節(jié)水效益分析

以600 MW機組為例，假定循環(huán)水量為60 000 m3/h，水資源費為0.7元/m3，污水處理費為0.5元/m3，傳統(tǒng)加藥處理方式濃縮于倍率為4，年有效發(fā)電時間6 000 h。則有:

當濃縮倍率K=4時，排污水量B4=348.8 m3/h；

當濃縮倍率K=6時，排污水量B6=209.3 m3/h。

當濃縮倍率由4提高到6時，可減少排污量139.5 m3/h，獲得經(jīng)濟效益為139.5×6 000×(0.7+0.5)=100.44萬元。

此外，由于摒棄了添加化學水處理藥劑，既節(jié)約了費用，又節(jié)省了加藥的人工，從此循環(huán)水系統(tǒng)所排污水不再含有化學水處理藥劑，只是單純的濃縮水，這樣可以獲取巨大的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

表1 不同濃縮倍率下循環(huán)水運行參數(shù)的計算值

5 結論

物理極化水處理裝置具有較好的阻垢、除垢和殺菌滅藻效果，體積小、結構簡單、安裝方便，適用于新建和現(xiàn)有循環(huán)水的處理系統(tǒng)改造。該裝置使用靈活，由于存在松弛時間，短期內發(fā)生故障不會影響系統(tǒng)運行，如有其他問題可立即恢復原來處理方法。該裝置功率小，節(jié)約能源；運行可靠、使用壽命長、操作簡單、管理方便，不用安排專門人員維護。相對于循環(huán)水加藥，可有效節(jié)約人力、物力和財力，且屬于物理處理方法，不會對環(huán)境造成污染。物理極化水處理裝置可有效提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍率，節(jié)水效果顯著，經(jīng)濟效益明顯，可以滿足火電廠循環(huán)水處理的要求，保證汽輪機的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

參考文獻：

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