矿井疏干水在火电厂的应用问题分析及处理

方媛媛，杨 希

（古交西山发电有限公司， 山西古交 030206）

0 引言

古交西山发电有限公司（以下简称古交西山电厂）紧邻西山煤电集团的四大煤矿：马兰矿、屯兰矿、东曲矿、西曲矿，这些煤矿在开采煤炭的过程中产生了大量的矿井疏干水， 除了一部分用于矿区生产、道路绿化外，大部分都作为废水外排。古交西山电厂就近利用这些矿井疏干水经处理后作为全厂工业用水， 不仅解决了地区水资源缺乏的问题，还缓解了煤矿外排水的环保难题，具有明显的经济、环保和社会效益[1-2]。 本文就矿井疏干水在古交西山电厂应用中遇到的管路腐蚀问题，做了针对性的实验研究， 分析了四大矿区疏干水的水质特性及对管路腐蚀的影响， 调整了水处理过程中的药品投加量，提高了产水碱度，使得管路腐蚀速率大幅下降， 有效提高了全厂用水的安全性与经济性。

1 原水处理系统工艺概述

四大煤矿马兰矿、屯兰矿、东曲矿、西曲矿的矿井疏干水各自经过一条供水管路进入古交西山电厂，在古交西山电厂内经过原水预处理系统“石灰混凝+澄清+加酸+过滤” 的工艺处理后， 作为锅炉补给水系统的水源和辅机循环水的补充水以及其他工业用水。原水预处理系统的工艺流程如图1 所示。 锅炉补给水处理系统工艺流程为：生水管道→（杀菌剂）→生水箱→生水泵→纤维过滤器→自清洗过滤器→超滤装置→超滤水箱→超滤水泵→（还原剂）→（阻垢剂）→一级保安过滤器→一级高压泵→一级反渗透装置→一级淡水箱→一级淡水泵→（碱加药）→二级保安过滤器→二级高压泵→二级反渗透装置→二级淡水箱→二级淡水泵→保安过滤器→EDI 装置→除盐水箱→除盐水泵→去用户。

图1 原水预处理系统工艺流程图

2 原水处理系统运行后期出现的问题

古交西山电厂原水管道为碳钢材料，在系统投产运行2 年后，原水产水至各个系统管路的管道陆续出现穿孔泄漏现象。经过工作人员对管道壁厚监督测量发现，原水处理系统出水管路的管道壁厚有不同程度的减薄现象，d 478×6 mm 管道最薄处仅4.17 mm，平均每年减薄约1 mm，减薄速度较明显，且产水至锅炉补给水系统的生水箱在检查时也发现有大量的锈蚀铁皮，基本判断原水水质对管道有较强的腐蚀作用。

3 腐蚀原因及处理方法

3.1 腐蚀原因分析

被腐蚀的供水Q235B 碳钢管内接触的介质主要是石灰混凝澄清处理后的清水（澄清池出水）。通过取水样实验室化验结果（见表1）显示，原水硬度、碱度较高，且硫酸根离子含量较高。经石灰混凝澄清工艺处理后，原水全碱度下降90%以上，硬度下降约20%， 因加硫酸调节pH 值， 清水不仅碱度进一步下降，而且含量有所增加。

表1 水样水质检测结果

为了掌握原水和清水的腐蚀、 结垢倾向性，先通过Larson 指数和Langelier 指数进行初步分析。根据Larson 指数， 水对金属的腐蚀性主要是由Cl-和引起， 而提高碱度则会降低水的腐蚀性，Larson 指数定义如式（1）所示。

其中，[Cl-]为水中 Cl-的浓度，以 1/2CaCO3计，mmol/L；为水中的浓度，以 1/2CaCO3计，mmol/L；[A]为全碱度，以 1/2CaCO3计，mmol/L。

随着Larson 指数的增加，水对金属的腐蚀性增加，一般认为当Larson 指数大于0.5 时，水的腐蚀性比较明显。当水中Cl-和含量稳定的情况下，碱度对水的腐蚀性会产生较大影响， 碱度越低，水的腐蚀性越强。

根据表1 的水质分析结果，对现场原水和清水Larson 指数进行计算，结果如表2 所示。表2 显示，原水、清水Larson 指数均大于0.5，都具有一定的腐蚀性；尤其是石灰处理并加硫酸后清水的碱度大幅度降低有所升高，因此，水样腐蚀性也大幅度上升。

表2 Larson 指数计算结果

Langelier 指数一般用作水中碳酸盐结垢的定性指标。 水中CaCO3呈饱和状态时对应的pH 值称为饱和 pH 值，以 pHs表示。 Langelier 指数（简写为L.I.）就是以pHs与水体实际pH 值之差来判断水的结垢倾向性，其计算方法如式（2）所示。

其中，TDS 为水样中的总溶解固体，mg/L；T 为温度，K；Alk 为溶液碱度，以 CaCO3计，mg/L。

当 L.I.＞0 时，有 CaCO3沉积的倾向；当 L.I.＜0时，CaCO3可被溶解，金属钝化膜被破坏，有产生腐蚀的倾向[3]。根据现场原水的水质全分析结果，计算原水的 pHs值为 6.86， 而实测 pH 值为 7.89， 因此L.I.指数为 7.89-6.86=1.03，即 L.I.＞0，说明原水具有一定的结垢倾向。

综合以上分析结果，原水具有较强腐蚀性和结垢倾向性， 而混凝澄清处理后的清水碱度越低，Q235B 碳钢的腐蚀速率越高。

3.2 处理方法

以上研究结果表明，原水本身具有一定腐蚀性，经过石灰混凝澄清处理后，由于碱度大幅度下降，碳钢供水管道腐蚀加剧。

减缓碳钢管道腐蚀方法一般有以下几种： 第一种是添加碳钢缓蚀剂； 第二种是采用阴极保护或防腐涂层； 第三种是对水质进行调控， 降低水的腐蚀性。 根据现场预处理系统的实际情况，第一种方法理论上具有一定可行性，但缓蚀剂用量很大，运行成本很高；第二种方法基本不具备可行性。 从试验结果可知， 提高碱度可以明显减缓碳钢腐蚀速率，而通过减少石灰加药量即可提高澄清池产水碱度。

但是改变预处理方式可能会影响后续锅炉补给水系统及辅机循环冷却水系统的正常运行。 因此，通过对预处理系统的优化调整，改变介质腐蚀性，达到减缓碳钢腐蚀的同时，还要考虑水质调控是否会影响辅机循环冷却水系统及锅炉补给水系统的安全稳定运行。

原水处理系统根据上述理论调整了加药系统的药品投加量，熟石灰下降了45%，聚合硫酸铁下降了40%，不再加硫酸调整pH 值，出水碱度由原先的 0.4～0.6 mmol/L 提高到 2.0~3.0 mmol/L， 出水pH 值控制在7.8~8.2 之间。通过一个阶段的运行试验，管路腐蚀速率下降效果明显。

通过对比，可以明显看出水质调整前后管道腐蚀情况的变化。 根据GB/T 16545—1996 金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除[4]，计算得到其腐蚀速率为：水质调整前原水管道年平均腐蚀速率为0.990 7 mm/a，水质调整后原水管道年平均腐蚀速率下降到了0.190 2 mm/a，下降幅度达80%以上，腐蚀情况得到了大为有效的缓解，且锅炉补给水系统超滤、反渗透压差没有上升趋势，未发现有结垢倾向，如表3 所示。

表3 水质调整前后超滤、反渗透压差对比

因辅机循环冷却水系统的补水为清水池出水，系统排污水大部分用于脱硫系统补水，因此循环水运行浓缩倍率较低，实际控制在1.2～1.5 倍。辅机循环水采用投加阻垢剂和杀菌剂处理，目前阻垢剂加药量约为20 mg/L。 根据极限碳酸盐硬度试验结果（如表4 所示），原水未经过处理碱度的试验结果都满足现有浓缩倍率结垢倾向，即水质调整后辅机循环冷却水系统基本不存在结垢倾向性。

表4 极限碳酸盐硬度试验水质条件与极限浓缩倍率试验结果

3.3 经济性分析

原水预处理系统通过提高碱度的处理方法调整水质后，化学药品消耗较之前大幅下降，原水以处理1 万t 矿井水消耗药量为比较，锅炉补给水以制1 万t 除盐水消耗药量为比较，具体下降幅度如表 5 所示。 由表 5 可知，全年处理水量 280 万 t 时，通过采用提高碱度的处理方法平均每年可节约运行成本65.64 万元，有明显的经济效益。

表5 原水水质调整前后药品消耗量比较

4 结束语

古交西山发电有限公司处理后的矿井水因为低碱度、高硬度的特点，导致了碳钢的快速腐蚀。通过提高产水碱度， 有效缓解了管道的腐蚀问题，并且综合考虑了后续反渗透系统和循环水系统的结垢风险，药品费用也大幅降低。 电厂在综合利用矿井疏干水的过程中，要根据各个地区的地质因素不同、水质差别大的特点，在处理工艺上综合考虑，既不能对系统有腐蚀也不能产生严重结垢的风险，保证综合利用矿井疏干水的安全性和经济性。