電化學(xué)技術(shù)處理火電廠循環(huán)水的試驗(yàn)研究

張愛軍，晉銀佳，喻江，唐國瑞，王豐吉，姬海宏

(1.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261000； 2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程中的取水量和耗水量巨大。對(duì)于采用循環(huán)冷卻方式的火電廠，循環(huán)水系統(tǒng)是全廠的用水和耗水大戶，其耗水量通常占到全廠廢水排放量的80%以上[1- 2]。隨著國家和地方政府對(duì)火電廠在內(nèi)的工業(yè)企業(yè)取用水和排水要求的日益嚴(yán)格，循環(huán)水系統(tǒng)高濃縮倍率運(yùn)行成為全廠用水優(yōu)化和減少廢水排放的有效手段和必然要求。

目前，循環(huán)水系統(tǒng)主要采用投加阻垢劑等藥劑維持循環(huán)水的濃縮倍率，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。循環(huán)水的濃縮倍率根據(jù)補(bǔ)水水質(zhì)、凝汽器材質(zhì)的不同而有所差別，通常在2.5～4.0倍之間，系統(tǒng)運(yùn)行的耗水量大、排水量大的問題難以得到有效解決[3]。此外，循環(huán)水系統(tǒng)添加的藥劑通常含有磷元素，由此導(dǎo)致循環(huán)水排污水中磷質(zhì)量濃度較高而難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。另一方面，在新的環(huán)保形勢(shì)下，部分電廠面臨廢水“零排放”處理的環(huán)保壓力。在此形勢(shì)下，提高循環(huán)水濃縮倍率、實(shí)現(xiàn)循環(huán)水排污水的減量對(duì)全廠廢水“零排放”改造投資和系統(tǒng)運(yùn)行成本的降低具有十分重要的意義[5]。

電化學(xué)技術(shù)在循環(huán)水處理中已有一些應(yīng)用，如有研究人員利用量子水處理器在循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)水運(yùn)行中取得良好的效果[6]，利用電化學(xué)技術(shù)可將循環(huán)水中Ca2+和Mg2+以固態(tài)化的形式提取出來，在維持系統(tǒng)離子平衡的前提下，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的高濃縮倍率運(yùn)行[7]。

目前，電化學(xué)技術(shù)在電力系統(tǒng)循環(huán)水軟化處理中的應(yīng)用較少，處于起步階段[8-10]。本文以某電廠循環(huán)水系統(tǒng)為例，研究了電化學(xué)技術(shù)在循環(huán)水處理中的應(yīng)用，分析了電化學(xué)技術(shù)的處理效果和運(yùn)行成本，為電化學(xué)技術(shù)在循環(huán)水處理中的應(yīng)用提供參考。

1 循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀介紹

循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量為13 500 m3/h，補(bǔ)水水源為城市中水和化學(xué)車間反滲透濃水，水量總計(jì)約為215 m3/h。城市中水和化學(xué)車間反滲透濃水混合后水質(zhì)情況見表1，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表2。

表1 循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)行控制水質(zhì)情況Tab.1 Make-up water quality and system controling water quality in circulating water system

表2 循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)控制情況Tab.2 Control of operating parameters of circulating water system

通過對(duì)冷卻循環(huán)水及補(bǔ)水的水質(zhì)對(duì)比，目前循環(huán)水的濃縮倍率(以補(bǔ)排水量及電導(dǎo)率、總硬度等指標(biāo)綜合分析對(duì)比)為2.5～3.0，基本滿足GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中第3.1.11條中“間冷開式系統(tǒng)設(shè)計(jì)濃縮倍率不宜小于5.0，且不應(yīng)小于3.0”的規(guī)定[11]。該循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)具有北方水質(zhì)共性的高硬度、高堿度的特點(diǎn)，屬結(jié)垢性水質(zhì)，同時(shí)又因采用城市中水和化學(xué)車間反滲透濃水，腐蝕性Cl-富集，因而具腐蝕性特征。

低濃縮倍率非常不利于循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)水減排，在低濃縮倍率情況下，采用化學(xué)藥劑方式水處理，緩蝕阻垢以及殺菌滅藻的功效不能有效得到發(fā)揮，藥劑在循環(huán)水系統(tǒng)里沒有足夠的停留和反應(yīng)時(shí)間，造成藥劑的浪費(fèi)。另外，化學(xué)藥劑的特性(緩蝕阻垢劑)只能延緩腐蝕及結(jié)垢，自身并不能改善水質(zhì)，投加藥劑循環(huán)水的排放還會(huì)污染水體，導(dǎo)致循環(huán)水中的化學(xué)需氧量(COD)、濁度等指標(biāo)偏高。

2 電化學(xué)處理系統(tǒng)

2.1 技術(shù)原理

電化學(xué)水處理技術(shù)的原理是充分發(fā)揮陰、陽極的氧化、還原反應(yīng)，并通過直流電源掃頻和混頻的交叉作用，使陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生OH，H2O2，O3，HClO等氧化性物質(zhì)，發(fā)揮防腐除銹、殺菌滅藻的作用；陰極發(fā)生還原作用。

(1)成垢鹽類直接從陰極板析出。循環(huán)水中Ca2+，Mg2+一般以Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2的形態(tài)存在。在直流電場(chǎng)作用下，Ca2+，Mg2+等陽離子會(huì)在陰極板上析出，生成CaCO3等固體，循環(huán)水硬度的下降，起到防結(jié)垢的作用，代替阻垢劑的使用[12-13]。CaCO3等固體其物質(zhì)的量同硬度值、電量、通電時(shí)間成正比。

(2)強(qiáng)氧化性基團(tuán)的殺菌滅藻作用。水在直流電場(chǎng)作用下可電離成H+和OH-，即

在電場(chǎng)力的作用下，OH-向陽極移動(dòng)并在陽極放電，陽極附近出現(xiàn)密度較大的電子，發(fā)生如下反應(yīng)

活性氧原子可氧化成臭氧

臭氧極不穩(wěn)定又氧化成氧分子

同時(shí)氧分子還可氧化成

(3)去除水中的Cl-。Cl-在電場(chǎng)作用下會(huì)在極板處生成Cl2，HOCl，OCl-，既可減少水中的Cl-，又能充分利用Cl-的形態(tài)變化發(fā)揮殺菌滅藻的作用[17-21]。

(4)防銹蝕。

通過上述反應(yīng)生成紅銹(Fe2O3·nH2O)，對(duì)鋼有腐蝕作用。在電場(chǎng)作用下，紅銹與電子發(fā)生如下反應(yīng)

Fe3O4為磁性氧化鐵，可隔開鋼管壁和水，起到防腐作用。

(5)改變碳酸鈣結(jié)晶形態(tài)，去除老垢。在直流電場(chǎng)作用下，CaCO3垢從有規(guī)則的、成片延伸的、以方解石為主形態(tài)的硬垢變成無規(guī)則的、以文石為主形態(tài)的疏松的顆粒堆集的軟垢。

2.2 電化學(xué)處理系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)水量、水質(zhì)分析結(jié)果，循環(huán)水電化學(xué)處理系統(tǒng)設(shè)置6臺(tái)內(nèi)置式8極組電化學(xué)水處理器(單臺(tái)電化學(xué)處理器處理水量在2 400～2 600 m3/h，可根據(jù)水質(zhì)情況確定)，將極組通過專用吊具安置在循環(huán)冷卻水池內(nèi)，智能主機(jī)就近安裝在循環(huán)水水池附近。

電化學(xué)處理系統(tǒng)供電電源為交流AC 220 V電源，單臺(tái)處理器最大用電功率為7 kW(裝機(jī)容量)，由就近電氣室接至智能主機(jī)。交流電經(jīng)智能主機(jī)轉(zhuǎn)換為直流電源后，經(jīng)電纜接到電化學(xué)水處理器的8個(gè)電極組，智能主機(jī)設(shè)置顯示屏，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水水質(zhì)數(shù)據(jù)并能傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。通過智能主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器每個(gè)極組的電壓、電流分別調(diào)控。電控柜內(nèi)電氣元件模塊化布置，便于故障查找和更換。

每臺(tái)內(nèi)置式電化學(xué)水處理器由1臺(tái)智能主機(jī)和8個(gè)電極組組成；每個(gè)電極組由2片陽極和3片陰極組成，其樣式如圖1所示。每片電極長60 cm，寬40 cm，每臺(tái)處理器控制8組電極，總共40片。雙面電極，電極面積為19.2 m2，電極厚度為1.5～2.0 mm。

圖1 電極組樣式實(shí)物Fig.1 Example of electrode group

3 電化學(xué)處理系統(tǒng)運(yùn)行效果

電化學(xué)水處理設(shè)備運(yùn)行后，循環(huán)水中的鹽類物質(zhì)以固態(tài)或氣態(tài)的形式從循環(huán)水中析出，從而維持系統(tǒng)內(nèi)鹽類物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到了較好的循環(huán)水處理效果。

集垢器中帶有負(fù)電荷的集垢外網(wǎng)，將帶有正電荷的鈣鎂鐵等導(dǎo)致生垢(銹)的金屬離子吸附到集垢外網(wǎng)上，3～5 d即可形成明顯的水垢，循環(huán)水中鈣鎂離子含量出現(xiàn)明顯降低。電化學(xué)處理裝置運(yùn)行過程中，能夠?qū)⒆匀粻顟B(tài)下的水分子團(tuán)打散成單個(gè)的水分子，并產(chǎn)生適量的H+，這種單個(gè)的水分子包圍Ca2+/Mg2+離子、CO32-離子，能夠有效阻止Ca2+/Mg2+離子等析出結(jié)晶，防止生成水垢。此外，單個(gè)的水分子具有較強(qiáng)的滲透力和溶解力，而氫離子的還原性很強(qiáng)，能夠清除已經(jīng)結(jié)晶的CaCO3和MgCO3以及Fe2O3水垢。

電極通過電化學(xué)反應(yīng)生成的磁性Fe2O3附著在管壁上，能夠起到很好的防腐效果；電極通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的[O]，H2O2，HClO等，具有極強(qiáng)的氧化能力，可以降解循環(huán)水中的有機(jī)物，有效降低循環(huán)水中的COD。另外，Cl-在電化學(xué)反應(yīng)中通過形成Cl2，HClO，OCl-，可降低水中的Cl-質(zhì)量濃度[21]。

為驗(yàn)證電化學(xué)水處理設(shè)備在改善循環(huán)水水質(zhì)的作用，建議評(píng)估周期為3個(gè)月，分為兩個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段為1.5個(gè)月；第1階段，在現(xiàn)有補(bǔ)充水水質(zhì)及濃縮倍率不變的情況下，觀察循環(huán)水水質(zhì)變化情況下的改善數(shù)據(jù)；第2階段，將濃縮倍率由現(xiàn)在的2.5～3.0提到5.0或更高，觀察水質(zhì)改善情況及當(dāng)時(shí)情況下的節(jié)約水量、減少的排污量。

在循環(huán)水電化學(xué)處理應(yīng)用研究中，將循環(huán)水濃縮倍率控制在3.0時(shí)，循環(huán)水水質(zhì)明顯改善，并試驗(yàn)了將循環(huán)水濃縮倍率控制在5.0時(shí)的水質(zhì)分析結(jié)果。具體水質(zhì)指標(biāo)見表3。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，電化學(xué)處理裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，按照原有循環(huán)水濃縮倍率不變情況下，循環(huán)水水質(zhì)明顯改善；循環(huán)水濃縮倍率控制在5.0時(shí)，循環(huán)水水質(zhì)依然能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。此外，電化學(xué)處理裝置的運(yùn)行能夠大大減少殺菌劑的用量，阻垢劑和緩蝕劑不再添加，每年減少循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行的藥劑成本超過48萬元。由于循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率提高，循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水量減少，每年節(jié)約取水費(fèi)134萬元。因此，循環(huán)水系統(tǒng)采用電化學(xué)處理裝置實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的在線處理，能夠顯著改善循環(huán)水水質(zhì)，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

表3 電化學(xué)處理前后循環(huán)水水質(zhì)情況Tab.3 Circulating water quality before and after electrochemical treatment

4 結(jié)束語

研究了電化學(xué)處理技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行中的應(yīng)用效果，電化學(xué)裝置能夠有效降低循環(huán)水的硬度和COD，并具有較好的殺菌滅藻效果，能夠使Cl-形成Cl2，適度降低Cl-含量，從而能夠使循環(huán)水濃縮倍率得到提升，節(jié)水效果明顯。此外，電化學(xué)處理裝置的運(yùn)行可以減少循環(huán)水系統(tǒng)殺菌劑以及阻垢劑、緩蝕劑的用量，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行的藥劑成本。