火電廠循環(huán)水排污減量技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用研究

趙貴龍，黃文平，劉 偉，齊 冰，劉 宇，解 芳，王衛(wèi)東

（1.華能碳資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司，北京 100031；2.華夏大地控股有限公司，北京 100039）

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是火電廠用水量、排水量最大的系統(tǒng)，也是節(jié)水減排的重點(diǎn)與難點(diǎn)。在排污許可制度等環(huán)保要求下，循環(huán)水排污減量技術(shù)已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)[1-2]，而提高循環(huán)水濃縮倍率是火電廠節(jié)水的重要措施[3-6]。目前，常用的循環(huán)水排污減量方案是采用反滲透膜脫鹽工藝處理后回用[6-9]，但隨著濃縮倍率的增加，循環(huán)水排污水的鹽分、致垢性離子、有機(jī)物等含量均較高，易導(dǎo)致結(jié)垢、污堵及腐蝕問題[10-11]，故循環(huán)水濃縮倍率普遍控制在3～5 倍，且排污水量較大[12]?；痣姀S有必要根據(jù)循環(huán)水特點(diǎn)，尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效的新型循環(huán)水排污減量技術(shù)路線。本文采用新型水處理藥劑，輔以數(shù)字化管理技術(shù)，提高循環(huán)水濃縮倍率，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水排污大幅減量。

1 火電廠簡(jiǎn)介

某火電廠配備裝機(jī)容量2×350 MW 的超臨界燃煤供熱發(fā)電機(jī)組，2 臺(tái)機(jī)組凝汽器管材均為TP316L不銹鋼管，輔機(jī)冷卻設(shè)備過流部件材質(zhì)為TP316L 不銹鋼。冷卻方式采用帶自然通風(fēng)冷卻塔的濕式再循環(huán)系統(tǒng)，兩機(jī)一塔。主要通過添加硫酸和緩蝕阻垢劑等化學(xué)藥品來(lái)改善循環(huán)冷卻水的品質(zhì)，控制循環(huán)冷卻水中微生物的繁殖，防止冷卻設(shè)備結(jié)垢和腐蝕，確保冷卻設(shè)備的傳熱效率。循環(huán)水補(bǔ)充水源為市政中水，設(shè)計(jì)濃縮倍率不大于3.5 倍，實(shí)際以3.0 倍的濃縮倍率運(yùn)行，經(jīng)理論計(jì)算，夏季滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)補(bǔ)水量為1 429 m3/h，排污量為416 m3/h。部分排污水用作脫硫、除渣系統(tǒng)補(bǔ)水及綠化景觀用水，其余大部分排污水通過雨水井外排。為符合國(guó)家環(huán)保相關(guān)要求，降低循環(huán)水排污水深度處理投資規(guī)模，減少后續(xù)全廠廢水處理費(fèi)用，必須采取有效措施，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水排污水大幅減排。

2 循環(huán)水系統(tǒng)排污減量技術(shù)

2.1 循環(huán)水系統(tǒng)數(shù)字化管理技術(shù)

循環(huán)水在線監(jiān)測(cè)體系和系統(tǒng)管理平臺(tái)是工業(yè)水系統(tǒng)數(shù)字化管理技術(shù)的重要組成部分。主要通過補(bǔ)充水（pH、電導(dǎo)率、濁度和氯離子）和循環(huán)水（pH、電導(dǎo)率、濁度、氯離子、總硬度、鈣硬度、鎂硬度和總堿度）水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)單元、補(bǔ)排水在線計(jì)量單元（工業(yè)補(bǔ)充水、工業(yè)廢水回用、循環(huán)水排污）、運(yùn)行工況在線監(jiān)測(cè)單元（大氣溫度、濕球溫度、空氣濕度、大氣壓力、水池液位、儲(chǔ)罐液位、取樣水溫度、儲(chǔ)罐溫度、換熱器水側(cè)進(jìn)出口溫度、換熱器料側(cè)進(jìn)出口溫度、取樣水壓力）以及循環(huán)水處理效果監(jiān)測(cè)單元（污垢熱阻、黏附速率和腐蝕速率），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加藥，提高濃縮倍率節(jié)水，智能自控減少外排水量，預(yù)判聯(lián)控降低設(shè)備腐蝕。

2.2 新型水處理藥劑技術(shù)

新型水處理藥劑是針對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)研發(fā)的無(wú)磷環(huán)保專用水處理劑，主要理化指標(biāo)如表1 所示。

表1 新型藥劑的主要理化指標(biāo)

該藥劑由防垢去垢、緩蝕保護(hù)和微生物控制等三個(gè)功能助劑模塊組成。根據(jù)具體水質(zhì)情況和運(yùn)行工況條件，結(jié)合在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，精確調(diào)整功能助劑配比，實(shí)時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品配方及應(yīng)用方案，在循環(huán)水高濃縮倍數(shù)的運(yùn)行條件下，機(jī)組不發(fā)生結(jié)垢和腐蝕。

3 應(yīng)用效果

為考察采用新型水處理藥劑，輔以數(shù)字化管理技術(shù)后的循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕情況，試驗(yàn)分了3 個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是2019 年10 月28 日至12 月18 日（51 d），主要采用新型水處理藥劑；第二階段為2020年3 月3 日至3 月23 日，（20 d），采用原有常規(guī)阻垢緩蝕劑；第三階段為2020 年4 月1 日至5 月17 日（47 d），繼續(xù)采用新型水處理藥劑。通過在線監(jiān)測(cè)污垢熱阻、黏附速率和腐蝕速率，考察機(jī)組的循環(huán)水濃縮倍率變化趨勢(shì)及機(jī)組在高濃縮倍率下的運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 高濃縮倍率防垢效果

試驗(yàn)期間，濃縮倍率和氯離子濃度變化趨勢(shì)如圖1 和圖2 所示。

圖1 濃縮倍率的變化趨勢(shì)

圖2 氯離子濃度的變化趨勢(shì)

試驗(yàn)第一階段關(guān)閉排污閥，采用新型水處理藥劑，連續(xù)運(yùn)行20 d，濃縮倍率最高為10.2 倍，平均濃縮倍率為8.63 倍。循環(huán)水氯離子最高值為1 085 mg/L，平均值為990 mg/L，試驗(yàn)期間，循環(huán)水系統(tǒng)沒有進(jìn)行強(qiáng)制排污，排污流量顯示為零。第二階段主要通過投加原有阻垢緩蝕劑，對(duì)比研判新型多功能環(huán)保藥劑的實(shí)際水處理能力。投加常規(guī)阻垢緩蝕劑運(yùn)行20 d，試驗(yàn)期間，濃縮倍率最高值為4.38 倍，平均濃縮倍率為3.64 倍，循環(huán)水氯離子最高值為630 mg/L，平均值為541 mg/L。第三階段采用新型多功能環(huán)保藥劑提高濃縮倍率，在此期間，濃縮倍率最高值為9.0 倍，平均濃縮倍率為5.73 倍，循環(huán)水氯離子最高值為970 mg/L，平均值為846 mg/L。整個(gè)試驗(yàn)過程中，補(bǔ)充水的氯離子很不穩(wěn)定，最高為290 mg/L，最低為95 mg/L，平均值為151 mg/L。其中高于180 mg/L 的占總運(yùn)行天數(shù)的4.69%，低于150 mg/L 的占總運(yùn)行天數(shù)的41.78%。補(bǔ)水氯離子波動(dòng)大對(duì)日常人工循環(huán)水濃縮倍率精確計(jì)算造成較大困難，試驗(yàn)期間已將原有人工計(jì)算改為氯離子在線監(jiān)測(cè)，并采用補(bǔ)水氯離子移動(dòng)平均計(jì)算法自動(dòng)計(jì)算濃縮倍率，應(yīng)用試驗(yàn)?zāi)茌^好反映機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用新型水處理藥劑的循環(huán)水濃縮倍率明顯高于采用常規(guī)藥劑的濃縮倍率。

3.1.1 循環(huán)水硬度與堿度

在不改變?cè)醒a(bǔ)水預(yù)處理工藝的情況下，循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率保持在6.5 倍以上，其防垢效果如圖3、圖4 所示。由此可見，循環(huán)水的總硬度、鈣硬度、總堿度等結(jié)垢性指標(biāo)與濃縮倍率呈同步增減趨勢(shì)。隨著濃縮倍率的升高，水中成垢離子不再增加，析出的水垢分子被新型藥劑吸附或與新型藥劑中的高分子聚合物官能團(tuán)絡(luò)合，最終生成游離水垢分子，實(shí)現(xiàn)防垢功能。

圖3 循環(huán)水硬度的變化趨勢(shì)

圖4 循環(huán)水總堿度的變化趨勢(shì)

3.1.2 在線污垢熱阻和黏附速率

污垢熱阻可以反映換熱設(shè)備傳熱面上沉積物導(dǎo)致傳熱效率下降的程度，限值為3.44×10-4m2·℃/W，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5 所示，負(fù)值越大越清潔，正值越大污堵越嚴(yán)重。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在原有換熱器上，當(dāng)沉積物在原有基礎(chǔ)上增加時(shí)，污垢熱阻升高；當(dāng)原有沉積物被剝離后，污垢熱阻會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，說明換熱效率向好的方面轉(zhuǎn)變。這種在線監(jiān)測(cè)方式適用于因安裝位置、流速較低和水溫較高易導(dǎo)致結(jié)垢或者污堵的換熱器。

圖5 污垢熱阻和黏附速率的變化趨勢(shì)

3.1.3 凝汽器內(nèi)部污垢

2020 年6 月1 日停機(jī)檢修時(shí)，拍攝的凝汽器內(nèi)部污垢狀態(tài)如圖6 所示。由此可以看出，在高濃縮倍率條件下運(yùn)行時(shí)，凝汽器內(nèi)部比較清潔，未發(fā)現(xiàn)沉積碳酸鈣垢，僅有少量泥沙附著于設(shè)備表面，清水沖洗后即可去除，阻垢效果比較明顯。

圖6 凝汽器內(nèi)部污垢狀態(tài)

3.1.4 冷卻塔填料污垢

冷卻塔填料污垢狀態(tài)的變化如圖7 所示。試驗(yàn)前（2019 年10 月27 日），填料上有明顯的污垢附著。機(jī)組工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)一周后，填料上附著的污泥開始逐漸脫落。機(jī)組工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行60 d，冷卻塔填料表面明顯清潔。2020 年3 月使用常規(guī)藥劑后，填料內(nèi)部污垢增多。第三階段重新采用新型藥劑后，填料污垢又開始減少。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型水處理藥劑可以有效去除附著在填料上的陳年污垢。經(jīng)分析，新型水處理藥劑分子官能團(tuán)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水垢分子間的范德華力，并具有超強(qiáng)的滲透性，新型水處理藥劑分子官能團(tuán)與水垢分子接觸時(shí)會(huì)克服分子之間的引力，逐漸滲透水垢內(nèi)部，迫使水垢分子向官能團(tuán)遷移，達(dá)到除垢目的。

圖7 填料污垢狀態(tài)的變化

3.2 高濃縮倍率腐蝕效果

3.2.1 在線腐蝕監(jiān)測(cè)

從圖8 和圖9 可知，經(jīng)均勻腐蝕速率在線監(jiān)測(cè)，銅最高值為0.002 8 mm/a，平均值為0.000 63 mm/a，不銹鋼最高值為0.000 379 mm/a，平均值為0.000 037 mm/a，均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)限值0.005 mm/a。從金屬材質(zhì)均勻腐蝕速率整體趨勢(shì)來(lái)看，銅均勻腐蝕速率大于不銹鋼。2019年11 月25 日至12 月18 日開展高濃縮倍率試驗(yàn)，其間，銅與不銹鋼腐蝕速率均有所上升，說明濃縮倍率的提高對(duì)腐蝕速率存在一定影響。但是，銅最大腐蝕速率僅為0.001 mm/a，不銹鋼最大腐蝕速率僅為0.000 5 mm/a，高濃縮倍率運(yùn)行的防腐效果非常理想。新型水處理藥劑可以在碳鋼、銅、不銹鋼、冷卻塔水泥柱等表面快速被膜，形成一層屏蔽層，隔絕氯離子、硫酸根與金屬表面接觸，達(dá)到防腐目的。

圖8 銅均勻腐蝕的變化趨勢(shì)

圖9 不銹鋼均勻腐蝕的變化趨勢(shì)

3.2.2 掛片腐蝕測(cè)試

選擇與凝汽器管道和換熱設(shè)備材質(zhì)相同的316L不銹鋼和黃銅測(cè)試片，將試片懸掛在冷卻塔水池中。經(jīng)過一定的掛片周期，對(duì)掛片進(jìn)行烘干、稱重，對(duì)比計(jì)算出的均勻腐蝕速率與國(guó)標(biāo)均勻腐蝕速率（0.005 mm/a），判斷不銹鋼和銅腐蝕速率是否達(dá)標(biāo)，以達(dá)到保護(hù)凝汽器和銅材質(zhì)換熱設(shè)備的防腐效果，如表2 所示。

從表2 可知，不銹鋼和黃銅采用常規(guī)藥劑時(shí)，第一次均勻腐蝕速率測(cè)試結(jié)果不合格，第二次合格，兩次平均值分別為0.011 95 mm/a 和0.008 9 mm/a，判定不合格；不銹鋼和黃銅采用新型藥劑時(shí)，3 次均勻腐蝕速率測(cè)試結(jié)果均合格，三次平均值分別為0.000 77 mm/a 和0.000 37 mm/a。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，新型藥劑的防腐蝕效果明顯優(yōu)于常規(guī)藥劑。在本次機(jī)組工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)中，與常規(guī)藥劑處理不同，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)新型藥劑對(duì)不銹鋼和黃銅的腐蝕速率，然后調(diào)整加藥濃度。

表2 316L 不銹鋼和黃銅掛片腐蝕速率測(cè)試結(jié)果

3.3 高濃縮倍率異養(yǎng)菌數(shù)量抑制效果

在沒有投加氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑的情況下，驗(yàn)證新型藥劑在不同季節(jié)對(duì)循環(huán)水異養(yǎng)菌的抑制效果。測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 異養(yǎng)菌總數(shù)定期檢測(cè)結(jié)果

從異養(yǎng)菌測(cè)試片的定期檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，雖然補(bǔ)充水水源多數(shù)是市政中水，但異養(yǎng)菌總數(shù)較低，僅有100 個(gè)/mL。經(jīng)檢測(cè)，2019 年，循環(huán)水異養(yǎng)菌總數(shù)為300～5 000 個(gè)/mL，系統(tǒng)微生物控制較好。試驗(yàn)結(jié)果說明，在未投加氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑的情況下，循環(huán)水系統(tǒng)僅靠正常投加新型多功能藥劑，在冬季就能夠很好地抑制微生物生長(zhǎng)。從2020 年7 次異養(yǎng)菌測(cè)試結(jié)果來(lái)看，補(bǔ)充水異養(yǎng)菌總數(shù)較冬季明顯增加，循環(huán)水異養(yǎng)菌總數(shù)也隨補(bǔ)充水菌落總數(shù)的增加和大氣溫度的升高而出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，4 月30 日和5月26 日均出現(xiàn)異養(yǎng)菌總數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值的情況。雖然增加了新型藥劑的投加量，但抑制效果有限，特別是5 月29 日投加了非氧化殺菌劑，但從跟蹤測(cè)試結(jié)果來(lái)看，效果仍不理想，主要原因是補(bǔ)充水異養(yǎng)菌總數(shù)較高，夏季微生物繁殖速度較快。

3.4 節(jié)水減排效果

該火電廠采用新型水處理藥劑，輔以數(shù)字化管理技術(shù)，節(jié)水減排量可達(dá)69.75 m3/h，實(shí)現(xiàn)減排40%的目標(biāo)，大大降低了后續(xù)廢水處理費(fèi)用，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

在循環(huán)水高濃縮倍率的條件下，新型藥劑可有效防止循環(huán)水系統(tǒng)和凝汽器發(fā)生結(jié)垢，并對(duì)陳年污垢有顯著的去除效果。新型藥劑對(duì)不銹鋼和銅的防腐效果都特別明顯，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，金屬平均腐蝕速率均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)限值要求。在冬季，循環(huán)水異養(yǎng)菌總數(shù)較小，新型藥劑對(duì)系統(tǒng)微生物的控制效果較好。采用新型水處理藥劑，輔以數(shù)字化管理技術(shù)，可提高循環(huán)水濃縮倍率，大幅度減少循環(huán)水排污量，為后續(xù)火電廠實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的廢水零排放奠定基礎(chǔ)。