火电厂循环水无药剂化处理技术应用研究

黄倩 姜琪 苏艳 冉琼 降晓艳 胡大龙 陈力铭

(1.西安西热水务环保有限公司 西安 710054； 2.西安热工研究院有限公司 西安 710054；3.郑州华兴电力设备有限公司 郑州 450000)

0 引言

火电厂为维持循环水系统在较高浓缩倍率下的稳定运行，普遍采用投加阻垢缓蚀剂的方法，但这种方法的药剂成本高、药量难以把握、且对水体存在二次污染，极大地增加了循环水排污水的处理及回用难度[1]。为了避免循环水系统添加阻垢缓蚀剂带来的上述问题，近些年出现了电场法、磁场法、超声波法等环境友好的物理阻垢除垢技术[2]。目前研究多为采用单一的物理除垢法如低压电解除垢、高压静电水处理、电磁阻垢等技术作为循环水水质稳定处理技术[3-5]，但由于湿冷机组循环水系统水质复杂，实际生产中采用单一的物理阻垢技术处理循环水时，因各技术本身的局限性导致其阻垢、防腐及杀菌效果均不理想，实际运行中，单独采用上述任一工艺时仍需要加酸、阻垢缓蚀剂(减量)维持循环水系统的安全稳定运行。另外，由于单个技术的处理效率较低，导致其处理量大、设备投资费用较高。

为了解决单一物理阻垢技术处理循环水时存在的各种问题，本文提出了一种复合的循环水水质稳定处理技术——电解吸附融合技术(简称EAFT)，该技术将低压电解除垢、电解、电吸附、高压静电水处理技术进行了合理融合，是国内外上述单一技术的技术融合和工艺系统化集成。

1 电解吸附融合技术原理介绍

电解吸附融合技术作为一种完全无药剂化的经济环保水处理技术，主要是从处理循环水和循环水排污水两个方面来确保火电厂循环水系统的稳定运行。其中，处理循环水采用的是低压电解除垢和高压静电水处理技术，并将上述两个单一技术各自进行升级后，又进行了工艺融合，其除垢、防腐和杀菌效果较单一技术均有了明显提高。处理循环水排污水采用的是电解吸附技术，它既能起到缓蚀、杀菌作用，又能用于循环水排污水的脱盐处理。

1.1 低压电解除垢

低压电解除垢即通常所说的电化学除垢，主要是利用电化学的氧化还原反应产生除垢及杀菌作用，但它对暂时硬度较低有结垢倾向的循环水处理效果不佳。

国内目前采用低压电解除垢技术处理火电厂循环水的案例也有一些，但实际运行中的处理效果均不理想，均未完全停止化学加药，这主要是因为这些低压电解除垢设备的电解效率较差，对循环水碱度的去除率很低，仅5%左右。实际运行过程中，低压电解除垢设备能够去除的碱度的量远远小于循环水补水中代入的碱度总量，循环水中的碱度、硬度会不断富集浓缩，因此，循环水系统必须同时加入阻垢缓蚀剂等化学药剂才能避免结垢。

1.2 高压静电水处理

高压静电水处理技术主要利用的是静电场效应，即循环水流经由正负极构成的高压静电场时水分子的偶极矩会增大，形成极性水分子，并与水中的钙镁、碳酸根、硫酸根、Cl-等正负离子相互吸引产生水合作用，使其不能自由运动，从而阻止水垢的形成，并减缓Cl-对阴极器壁的腐蚀。

高压静电水处理技术只阻垢不除垢，单独使用时仅适用于水质特别好的循环水系统，若循环水的碱度、硬度较高，则单独的高压静电水处理技术不能稳定循环水水质。

1.3 电解吸附

电解吸附不同于一般的电吸附，它是将电解和电吸附进行了技术融合，并通过优化电极和控制合适的工作电压、电流使其阳极具有电解能力，阴极具有吸附能力。工作状态下，循环水排污水流经电解吸附装置时，氯离子在阳极附近被大量电解生成次氯酸和游离氯等起防腐和杀菌作用，同时钙、镁等阳离子逐渐聚集、吸附于阴极板上，起除垢和脱盐作用。当电极吸附饱和时，将直流电源切断，施加反向电压并持续一段时间使正负极再生，脱附水中钙镁离子含量较高，可作为脱硫系统补水。

电解吸附融合技术是根据以上3种技术的自身特点进行了升级改造、技术融合、工艺组合，从而形成一种阻垢、防腐及杀菌效果全面提升的无药剂化循环水水质稳定处理技术。

2 电解吸附融合技术处理流程及特点

2.1 处理流程介绍

采用电解吸附融合技术处理循环水时，一般分为旁路处理和浸没式处理两种，具体的处理流程如图1所示。冷却塔内的循环水首先经低压电解除垢装置进行降碱度处理，出水经过滤后大部分直接回至冷却塔，剩余的少量循环水排污水送至电解吸附装置进行电解及脱盐处理，同时高压静电水处理装置对循环水进行全流量的阻垢缓蚀处理，3种技术相互补充和促进，保证循环水系统的安全稳定运行。

(a)旁路处理 (b)浸没式处理

2.2 处理循环水的特点

电解吸附融合技术中低压电解除垢装置的工作原理和国内同类设备相似，但对碱度的去除率可达到90%以上，比国内外同类设备的去除效率高出10～20倍，这一方面是因为低压电解除垢装置的电极经过升级改造，本身的电解效率得到大幅提高，另一方面是高压静电水处理技术的高阻垢率为其提供了一个碱度较高的循环水水质，促进了低压电解除垢装置上碳酸盐垢的形成。

电解吸附融合技术中的高压静电水处理装置之所以具有高阻垢率，最高可维持循环水碱度在14 mmol/L左右不结垢，是因为其工作电压高达26 000 V，比一般高压静电水处理装置的工作电压高出8 000 V，对水分子的偶极作用更明显。

当暂时硬度形成的碳酸盐垢在阴极板上富集饱和时(通常为8～12 h)，切换正负极可使垢脱落，产生的脱垢水经沉淀之后，上清液作为脱硫系统补水或经后续的电解吸附装置除盐后回至冷却塔。和传统的低压电解除垢装置采用机械法脱垢相比，本技术通过切换正负极使垢脱落的方法简化了电化学设备结构，对电极涂层损害小，且能提高电解效率并实现自动化控制[6]。

2.3 处理循环水排污水的特点

电解吸附可适应不同水量、水质要求的水处理系统，尤其适用于离子浓度高、水量大的循环水系统。它在处理循环水排污水时，一般对氯离子和其他盐类的单级去除率均在30%～50%，此时产水中的杀菌剂含量较高，回用至冷却塔可进一步增强杀菌效果，产水中的钙镁等离子含量降低，起除垢和脱盐作用。

电解吸附弥补了一般电吸附处理水量有限、对来水流速要求高的不足，单级脱盐率比国内一般电吸附高出2～3倍，为循环水排污水的脱盐处理提供了新的方法和思路。相比传统的膜脱盐技术，电解吸附在处理循环水排污水时对进水的硬度、COD等含量几乎没有限制，不需要复杂的预处理工艺即可实现较高的脱盐率。因此，采用电解吸附技术单独处理循环水排污水时，可完全避免循环水排污水因含有大量阻垢缓蚀剂而难以进行两级软化的技术难点，且投资及运行费用低于膜法脱盐，设备维护简单。

3 电解吸附融合技术处理循环水的中试试验

某电厂2×350 MW亚临界燃煤凝汽式汽轮发电机组的凝汽器管材为TP316L，每台机组配1座逆流式的自然通风冷却塔，补水水源为城市中水。电厂循环水系统一直采用投加阻垢缓蚀剂、杀菌剂的方式控制其浓缩倍率在4倍左右，具体循环水水质如表1所示。

表1 某电厂循环水部分水质

由表1可见，循环水系统浓缩倍率控制在4倍时，循环水中Cl-质量浓度最高不超过500 mg/L，由此说明限制循环水系统浓缩倍率的不是腐蚀而是结垢问题。在此背景下，该电厂2×350 MW机组进行了电解吸附融合技术处理循环水的中试试验。

3.1 中试装置流程图

中试采用旁路处理方式，低压电解除垢、高压静电水处理、电解吸附装置的处理量分别为20、2、2 t/h，具体的中试装置流程如图2所示。电解吸附设备出水pH值较高，后接二级低压电解除垢装置主要起降低pH值作用。

图2 电解吸附融合技术处理循环水的中试装置流程

3.2 中试结果及讨论

现场采用手动间断的运行方式，连续运行10 d，每天同时取循环水、低压电解除垢出水、电解吸附出水(经二级低压电解除垢装置处理过的水样)各1次水质分析，以考察电解吸附融合技术的除垢、脱盐及氯离子去除情况。

中试过程中，各试验水样的pH值、总碱度、钙硬度、电导率、Cl-的变化情况分别如图3—图7所示(1为原水、2为低压电解除垢出水、3为电解吸附出水、4为低压电解除垢出水、5为电解吸附出水)。

图3 低压电解除垢出水pH变化

图4 低压电解除垢出水总碱度变化

图5 低压电解除垢、电解吸附出水钙硬度变化

图6 低压电解除垢、电解吸附出水Cl-变化

图7 低压电解除垢、电解吸附出水电导率变化

根据水质分析结果可知：

(1)循环水经低压电解除垢装置处理后，出水pH值降低率平均为29.10%，总碱度去除率平均为91.89%，钙硬度去除率平均为18.57%，去除效果远高于国内外同类型除垢设备(对碱度、钙硬度的去除率通常在3%～8%、1.5%～3%)，完全可代替循环水的加阻垢剂及加酸处理。

(2)低压电解除垢出水经电解吸附装置处理后，钙硬度去除率平均为32.44%，Cl-去除率平均为32.57%，电导率降低率平均为31.48%，单级脱盐率明显高于一般的电吸附脱盐设备(通常单级脱盐率不超过20%)，可代替循环水加杀菌剂及循环水排污水膜脱盐处理。

(3)高压静电水处理技术作为一种阻垢缓蚀的辅助处理技术，为低压电解除垢装置的高除垢率提供了保障。

(4)电解吸附融合技术的直接运行成本主要是电耗，其中处理循环水的电耗约0.2(kW·h)/t，处理循环水排污水的电耗约2(kW·h)/t，远低于传统的化学加药阻垢及膜法脱盐的运行成本。

(5)针对该厂两台350 MW机组的凝汽器材质和循环水水质，目前单独采用国内低压电解除垢技术的设备投资约3 000万，而采用电解吸附融合技术(包括低压电解除垢、电解吸附、高压静电水处理)进行处理的投资费用约3 200万元。因此与国内同类产品相比，电解吸附融合技术的设备投资也具有一定优势。

4 结语

本文提出的电解吸附融合技术应用于循环水系统时，工艺可靠、运行稳定、设备组装灵活、处理效果明显、运行及投资费用较低。

该技术突破了传统的“化学阻垢法+循环水排污水膜法脱盐”的局限性，互补了低压电解除垢、高压静电水处理、电解吸附三项单一技术的独特优势，可实现循环水及循环水排污水完全无药剂化处理，大幅降低循环水排污水的回用难度，提高循环水回用处理的经济性，为火电厂循环水处理及回用提供了一条新的工艺技术路线。