高濃縮倍數(shù)條件下的循環(huán)冷卻水處理分析與對策

董恩氚，肖蘭芳，唐支林，楊 偉，曾祥華

（1.湖北海力環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?；2.寶武水務(wù)科技有限公司武漢分公司，湖北武漢 430083）

前言

工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水減排已成為工業(yè)企業(yè)的內(nèi)在要求，其中循環(huán)水濃縮倍數(shù)直接關(guān)系冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水水平和水資源重復(fù)利用效率，提高濃縮倍數(shù)是目前公認的工業(yè)冷卻水系統(tǒng)有效的節(jié)水減排措施。循環(huán)水濃縮倍數(shù)的提高勢必會引起冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢，腐蝕因子也隨之上升，特別是結(jié)垢趨勢尤為顯著。隨著濃縮倍數(shù)的提高，排污量減少，循環(huán)水中黏泥、有機質(zhì)等懸浮物濃度上升，易形成污垢沉積及垢下腐蝕，也勢必導(dǎo)致微生物的控制愈加困難［1］。因此，高濃縮倍數(shù)條件下，循環(huán)水的水質(zhì)穩(wěn)定處理難度也大大增加。

1 問題與分析

以湖北省武漢地區(qū)某2×100 MW 亞臨界燃氣熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為例，該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為敞開式間接冷卻方式，主要供發(fā)電機組凝汽器、油冷器、輔機等設(shè)備冷卻用水。在冷凝器、油冷器等用戶熱交換過程中，冷卻水帶走熱量而升溫，水分不斷蒸發(fā)濃縮，水中離子溶解平衡被打破，水質(zhì)易出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕、生物黏泥滋生等問題。為了保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)設(shè)有水處理旁濾設(shè)施和水質(zhì)穩(wěn)定劑投加裝置。

該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水為經(jīng)絮凝、沉淀和過濾處理后的工業(yè)凈化水，其主要水質(zhì)指標見表1。

表1 補充水主要水質(zhì)指標

為響應(yīng)節(jié)水減排的要求，該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污受限，日常運行過程中很少排污，且排污量較小，導(dǎo)致循環(huán)水濃縮倍數(shù)（以電導(dǎo)率計）高達5.5～6.5，循環(huán)水含鹽量大幅度增加，鈣、鎂離子及堿度等結(jié)垢性因子濃度上升，水中鈣硬度和總堿度之和接近1 100 mg∕L（以CaCO3計），循環(huán)水屬于嚴重結(jié)垢型水質(zhì)［2］。并且隨著不斷蒸發(fā)濃縮，循環(huán)水腐蝕性離子如氯離子、鐵離子也相應(yīng)上升，存在金屬換熱器材質(zhì)點蝕的風(fēng)險。同時，因循環(huán)水濃縮倍數(shù)過高，水在系統(tǒng)中停留時間延長，循環(huán)水中懸浮物、膠體及CODcr隨之濃縮，不僅易形成污垢沉積，造成垢下腐蝕，也為微生物繁殖提供更豐富的營養(yǎng)源，極易滋生成生物黏泥，微生物的控制難度進一步加大［3］。

該循環(huán)冷卻水采用磷系阻垢緩蝕劑配方進行水質(zhì)穩(wěn)定處理，結(jié)合次氯酸鈉與異噻唑啉酮交替投加的殺菌滅藻處理方式。系統(tǒng)投運半年后，凝汽器的端差呈明顯上升趨勢，并伴有真空度下降現(xiàn)象，凝汽器換熱管存在結(jié)垢傾向。在水處理效果日常監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，包括碳鋼腐蝕速率、試管粘附速率、異養(yǎng)菌總數(shù)和生物黏泥量等控制指標均偏高，甚至出現(xiàn)超標情況。并且，監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)，試管粘附速率偏高時，碳鋼腐蝕速率也呈偏高趨勢。其水處理效果各項控制指標見表2。

表2 水處理效果控制指標

同時，水質(zhì)化驗結(jié)果還表明，循環(huán)水濁度偏高，水體長時間出現(xiàn)泛白現(xiàn)象。取水樣進行加硫酸燒杯試驗，調(diào)節(jié)pH 值，并分析水中pH 值、濁度、鈣離子、鋅離子和總磷等指標的變化。其酸化指標變化結(jié)果見表3。

表3 循環(huán)水加酸試驗前、后水質(zhì)指標變化

經(jīng)酸化處理后，循環(huán)水中鈣離子、鋅離子含量大幅度上升；濁度隨著酸性增強，明顯下降；總磷含量上升幅度不大。該加酸試驗結(jié)果表明，在高pH值條件下，循環(huán)水中鈣離子和藥劑引入的鋅離子易與水中堿性陰離子形成不溶物膠體，導(dǎo)致循環(huán)水濁度指標升高，水體泛白［4］。同時也說明該阻垢緩蝕劑在高pH 值條件下的阻垢分散、穩(wěn)鋅性能方面有待加強。

深入現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔壁附著有大面積的灰白色硬質(zhì)沉積物。經(jīng)化驗分析，其主要成分為CaCO3，并含有少量Zn（OH）2，這與上述循環(huán)水加酸試驗結(jié)果一致，進一步說明在高濃縮倍數(shù)條件下，循環(huán)水系統(tǒng)存在碳酸鈣結(jié)垢和鋅沉積的問題。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)填料縫隙處滋生有大量泥狀黏稠污染物，帶有濃烈的魚腥味。取樣采用450 ℃灼燒失重法進行檢測，確定有機物質(zhì)量分數(shù)為68%，并且在光學(xué)顯微鏡下分析確定樣品中存在革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和膠體微粒，初步判斷為微生物滋生形成的生物黏泥。

2 解決措施

目前，對于高濃縮倍數(shù)條件下的循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定處理主要采取加酸調(diào)節(jié)pH 值、優(yōu)化藥劑配方、改善補水水質(zhì)等方法［5］，在實際應(yīng)用中取得了一定成效。但加酸處理除了需增設(shè)硫酸儲罐、自動加酸控制設(shè)備、安全防護措施外，也帶來了加酸過量或局部不均造成氫去極化腐蝕的風(fēng)險，從而引入新的水質(zhì)不穩(wěn)定因素。改善補水水質(zhì)可能需要新增較高的水處理設(shè)施投資或取水成本，與提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)節(jié)約水資源效益相比，其性價比并不高。

針對該亞臨界燃氣熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處于高濃縮倍數(shù)條件下運行產(chǎn)生的結(jié)垢沉積、垢下腐蝕、黏泥滋生等水質(zhì)問題，通過對循環(huán)水化學(xué)水質(zhì)穩(wěn)定處理的原理分析，結(jié)合水處理現(xiàn)場實際情況，提出了下述解決措施。

2.1 優(yōu)化藥劑配方

模擬現(xiàn)場循環(huán)水水質(zhì)條件，進行阻垢緩蝕劑配方優(yōu)化系列性能試驗，包括采用極限碳酸鹽法測定藥劑阻垢性能、采用旋轉(zhuǎn)掛片法測定藥劑緩蝕性能。優(yōu)化后的新型阻垢緩蝕劑具有良好的緩蝕與阻垢效果，適合高硬度、高堿度、高鹽分的循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定處理。

新型阻垢緩蝕劑配方具有以下特點。

（1）新阻垢緩蝕劑為低磷配方，引入具有很高的鈣容忍度和優(yōu)異的螯合分散性能的PAPEMP 有機膦單體［6］，舍去了其它磷含量高的有機膦單體，提高了藥劑對鈣、鋅金屬離子的螯合值，防止水中生成鈣凝膠等難溶物。

（2）新配方對聚羧酸與AA∕AMPS多元共聚物的含量比例進行了調(diào)整，并添加氨基磺酸（NH2SO3H），增強酸性，調(diào)節(jié)藥劑中強酸基團與弱酸基團的配比，協(xié)同增效，強化藥劑的阻垢分散性能。

新型阻垢緩蝕劑理化質(zhì)量指標見表4。

表4 新型阻垢緩蝕劑質(zhì)量指標

2.2 調(diào)整加藥方案

該循環(huán)水處理采用低磷配方，循環(huán)水總磷含量控制指標由3.5～4.5 mg∕L 變更為2.5～3.5 mg∕L。采用自動加藥裝置實時在線檢測藥劑濃度、電導(dǎo)率、pH 值、濁度、ORP、腐蝕速率等數(shù)據(jù)，并根據(jù)藥劑濃度變化自動加藥，維持循環(huán)水中藥劑濃度穩(wěn)定。

同時，在現(xiàn)有非氧化性殺菌劑的基礎(chǔ)上，增加以聚季銨鹽為主要成分的非氧化性殺菌剝離劑，兩種非氧化性殺菌劑每月交替投加1次?，F(xiàn)有氧化性殺菌劑改為每周1 次沖擊性投加，并根據(jù)循環(huán)水細菌總數(shù)、余氯值等指標及時調(diào)整加藥量和投加頻次。調(diào)整后的循環(huán)水水質(zhì)控制指標見表5。

表5 循環(huán)水水質(zhì)控制指標

2.3 加強旁濾處理能力

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)采用自清洗淺層砂過濾器，以高效截留水中懸浮物等雜質(zhì)，降低循環(huán)水濁度。過濾器反洗水經(jīng)過一體化凈化器處理后再進入該循環(huán)水系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有外排污管，當出水水質(zhì)濁度超標時，可外排進入全廠污水管網(wǎng)。

旁濾器日常運行采用6 用4 備，旁濾處理水量約為循環(huán)水量的3%，出水濁度要求小于5.0 NTU。為提升循環(huán)水濁度指標，防止懸浮物沉積，加強了旁濾處理能力，將旁濾器運行調(diào)整為8 用2 備，要求循環(huán)水濁度不高于15 NTU。

2.4 控制合理的濃縮倍數(shù)

根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》（GB∕T50050—2017）相關(guān)條款，間冷開式循環(huán)水濃縮倍數(shù)不宜小于5.0。結(jié)合全廠降低新水耗量的要求，為保障循環(huán)水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，應(yīng)控制循環(huán)水濃縮倍數(shù)在5.0～6.0之間，維持循環(huán)水鈣硬度和總堿度之和不高于1 100 mg∕L（以CaCO3計）。一旦監(jiān)測發(fā)現(xiàn)循環(huán)水濃縮倍數(shù)超過6.0，則需人工適量排污或旁濾器反洗水外排，并加大補水量，維持系統(tǒng)水量平衡。

3 應(yīng)用效果

該亞臨界燃氣熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通過優(yōu)化藥劑配方、調(diào)整加藥方案、加強旁濾處理能力、控制合理濃縮倍數(shù)等整改措施，經(jīng)過5個月的運行，實際循環(huán)水濃縮倍數(shù)在5.2～6.0范圍內(nèi)波動，凝汽器端差較此前下降了1.2 ℃，真空度略有上升，有效控制了真空度下降的趨勢，循環(huán)水濁度下降，水質(zhì)泛白現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。再次取水樣進行加酸試驗，調(diào)節(jié)pH值，并分析水中pH 值、濁度、鈣離子、鋅離子和總磷等指標的變化。其酸化試驗前、后水質(zhì)指標變化見表6。

表6 循環(huán)水加酸試驗前、后水質(zhì)指標變化

上述加酸試驗結(jié)果表明，經(jīng)酸化處理后，循環(huán)水中濁度、鈣離子、鋅離子及總磷含量變化幅度小，說明循環(huán)水中結(jié)垢性離子形成不溶物鈣凝膠的量少，鋅沉積問題得到明顯改善，藥劑螯合與分散能力顯著提高，在高硬度、高pH 值條件下，藥劑的阻垢與分散效果較好。

同時，在日常水處理效果監(jiān)測中，各項指標符合控制要求，達到了水處理預(yù)期的目標值。水處理效果各項控制指標見表7。

表7 水處理效果控制指標

4 結(jié)語

（1）提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)是工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)水減排的有效措施，但高濃縮倍數(shù)條件下，循環(huán)水CO2溶解平衡被打破，結(jié)垢和腐蝕因子上升，特別是結(jié)垢趨勢。同時隨著濃縮倍數(shù)的提高，排污量減少，循環(huán)水中懸浮物濃度增加，易出現(xiàn)污垢沉積及垢下腐蝕問題，并導(dǎo)致微生物及生物黏泥的控制愈加困難。因此，高濃縮倍數(shù)條件下，循環(huán)水的水質(zhì)穩(wěn)定處理難度大。

（2）以某廠亞臨界熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為研究對象，進行了高濃縮倍數(shù)條件下的水質(zhì)穩(wěn)定性分析，提出了包括優(yōu)化藥劑配方、調(diào)整加藥方案、加強旁濾處理能力、控制合理濃縮倍數(shù)等解決措施。

（3）實施上述系列解決措施后，亞臨界熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在高濃縮倍數(shù)條件下運行穩(wěn)定，循環(huán)水水質(zhì)控制指標符合要求，凝汽器端差上升、真空度下降的趨勢得到控制與改善，水處理效果達到預(yù)期目標值。