电厂工业循环冷却水联合处理方案讨论

苏玉凤，岳春妹，金 浩，田文志，程 军

(1. 淮沪煤电有限公司田集发电厂，安徽 淮南 232082; 2. 上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

1 开式循环冷却水系统概述

火力发电厂中的很多设备都需要用水冷却，其中汽机凝汽器冷却水量最大[1]。冷却水系统主要分直流冷却和循环冷却。对于直流冷却水系统，冷却水直接从河、湖、海洋中抽取，一次通过凝汽器后就排回天然水体，不循环使用。此系统的特点是用水量大、水质没有明显的变化。此系统必需具备充足的水源，在我国长江以南地区及滨海电厂采用较多。随着环保要求的提高，目前除了滨海电厂，新建或扩建电厂均需采用循环冷却水系统[2]。

循环冷却水系统分为敞开式和封闭式，在严重缺水地区，通常采用封闭式，如空冷塔，即冷却水不与空气接触，在管内进行密闭循环，因此水量损失很少，主要用于发电机转子和定子的冷却。电厂凝汽器冷却广泛采用的是开式循环冷却水系统，流程如图1所示。在图1中，PB为补充水；PZ为蒸发损失；PF为吹散及泄漏损失；PP为排污损失。

图1 开式循环冷却水系统流程图

在开式循环冷却水系统中：冷却水经循环水泵送入凝汽器，进行热交换，被加热的冷却水经冷却塔冷却后，流入冷却塔底部水池，再由循环水泵送入凝汽器循环使用。开式循环冷却水系统的特点是：蒸发过程不带走水中盐分导致盐类浓缩，因此易产生结垢和腐蚀问题；水中有充足的溶解氧，有光照，再加上温度适宜，有利于微生物的滋生；由于冷却水在冷却塔内洗涤空气，会增加粘泥的生成。

因此，循环水在使用过程中，面临水垢、微生物粘泥垢和腐蚀等问题，需要定期排污。循环冷却塔排污水是电厂连续排放水量最大的废水，减少循环水排污量对电厂节水工作意义重大。

2 排污量与浓缩倍率

在开式循环冷却系统中，水的损失包括蒸发损失、风吹损失和排污损失。蒸发损失不带走水中盐分，循环水中盐分不断浓缩，总盐量随着新鲜补给水的加入而不断增加，循环水中某离子的浓度与其在补给水中浓度的比值，即为浓缩倍率(用N表示)。循环冷却水的浓缩倍率十分重要，只有提高浓缩倍率，才能减少排污，达到节水的目的[3]。

以某2×600 MW机组为例，设蒸发损失率为1.29%(夏季)或1.13%(冬季)， 风吹损失率为0.1%，循环水量29.22×104t/h(夏季)或16.72×104t/h(冬季)，则排污水量和浓缩倍率的关系如图2所示。

不同浓缩倍率下，以N=3为基数的节水量如表1所示。

图2 浓缩倍率与排污量关系

表1 浓缩倍率与节水量的关系

从图2可以看出，随着浓缩倍率的提高，排污水量明显降低。但当浓缩倍率超过5时，排污水量的减少已不显著。从表1可知，N=5时比N=3时节水323 t/h(夏季)或276 t/h(冬季)，而N= 6只比N=5节水97 t/h(夏季)或46 t/h(冬季)。

过高的浓缩倍率，会严重恶化循环水质，导致发生各种类型的结垢、腐蚀故障，也会导致水质稳定剂在冷却系统中的停留时间超过其药龄，降低处理效果。因此，应根据水源地取水水质及阻垢剂特点确定合适的浓缩倍率，而不是一味追求高浓缩倍率。

3 常见处理方法

随着循环水的浓缩，各种离子浓度不断升高，会产生严重的结垢、腐蚀和微生物大量滋生问题。如冷却水中的Ca(HCO3)2受热分解，生成难溶的CaCO3。CaCO3沉积会导致凝汽器、冷却塔或管路结垢。因此，需要对循环水进行处理，以降低水垢、粘泥沉积及腐蚀等风险。

循环冷却水处理方法有很多种，选用时一般根据水质条件、循环冷却系统的水工况、环境保护的要求、水资源短缺情况及水价、药品供应情况等因素，因地制宜地选择有效、安全、经济、简单的方法。在选择处理方法时，既要兼顾节约用水，同时也要十分重视系统的结垢、腐蚀和防护等。

常见循环水处理方法的适用条件及优缺点见表2。

表2 各种循环水处理方法的适用条件及优缺点

因为节水需求，大多数电厂要求浓缩倍率达到3～4倍以上，因此阻垢剂处理法应用最为广泛。

4 循环水联合处理探讨

阻垢剂处理法一般可控制循环水“钙硬+碱度”在800～1 000 mg/L CaCO3浓度区间运行，对应的浓缩倍率为3.5～4.5(假设补充水钙硬+碱度为228 mg/L CaCO3)。若需进一步提升浓缩倍率，则需要采取阻垢剂—石灰或阻垢剂—硫酸联合处理。

阻垢剂—石灰联合处理可在高浓缩倍率(4～6)下运行，运行费用较低，但基建投资大，系统运行复杂，容易污堵，而且需进行辅助处理，以确保处理效果。阻垢剂—硫酸联合处理设备简单，基建设资小，处理费用较低，但应注意缓蚀剂量，以免发生腐蚀[5-6]。

下以某电厂2×600 MW机组为例，比较两种联合处理方式的优缺点。

4.1 阻垢剂—石灰联合处理原理

石灰处理可以除去水中的重碳酸钙Ca(HCO3)2，重碳酸镁Mg(HCO3)2和游离二氧化碳CO2，适用于碳酸盐硬度较高的原水[5]。

经石灰处理后水的残留碱度包括2个部分：一是CaCO3的溶解度，一般为0.6～0.8 mmol/L；二是石灰的过剩量，一般控制在0.2～0.4 mmol/L(以1/2CaO计)。因此，石灰处理后，水的残留碱度一般在0.8～1.2 mmol/L(1/2CO32-)。此值还与石灰处理时的水温有关，见表3。

表3 石灰处理时水温与残留碱度的关系

因为CaCO3的溶解度与原水中钙的非碳酸盐硬度(CaCl2、CaSO4)有关，它的含量越高，经石灰处理后，出水残留的钙含量也大，则其残留碱度越低，如表4所示。

表4 石灰处理后残留碱度(t=20～40℃)

用石灰处理时，水中硅化合物的含量会有所降低：当温度为40℃时，硅化合物可降至原水的30%～35%；采用石灰—混凝处理时，水中有机物可降低30%～40%。为了使石灰处理水更为稳定，在补入循环冷却系统时，一般要进行辅助处理，如加酸调节pH值。

4.2 阻垢剂—硫酸联合处理原理

循环水在浓缩过程中，大多是由于补充水中的碱度和Ca2+浓度限制了浓缩倍率的提高，因此加酸调节循环冷却水pH值以提高浓缩倍率，不失为简便而有效的一种方法。

酸化法原理是通过加酸来降低水的碳酸盐硬度，使碳酸盐硬度转变为溶解度较大的非碳酸盐硬度，从而可达到防止结垢的目的。目前很多运行装置都采取了这一措施，以达到节水目的。

根据酸碱中和原理，理论上加酸量等于碱度降低量。一般工业硫酸纯度为95%～98%，如用98%硫酸调pH值，则硫酸投加量为

A=49×(Mm-Mr/N)×Qm/(98%×1 000)

(1)

式中A——循环水硫酸投加量，kg/h；Mm——补充水碱度，mmol/L；Mr——循环水运行碱度，mmol/L；N——循环水浓缩倍率；Qm——补充水量，m3/h；49——(1/2)mol/L H2SO4质量浓度，g/mol。

采取硫酸联合处理，硫酸贮存容积应根据硫酸的来源和运输方式确定。由于硫酸用量较大，因此一般考虑槽车进酸，贮酸槽的容积按10天消耗量计算。

在加酸时，一般采用直接投加法，即将酸加入补充水中，也可将酸加入循环水中。加入补充水中易保持加酸均匀，避免加酸过量；若加入循环水中，则加酸点与循环水泵应保持一定距离，以免腐蚀循环水泵，或者将酸加在送入冷水塔的循环水中。

4.3 两种方法对比

在同等加药量下(均为100 mg/L)，石灰处理与硫酸处理效果对照见表5。

表5 石灰处理与硫酸处理对比

(1)从处理效果来看，石灰处理法在去除碳酸盐碱度的同时也去除了暂硬，而硫酸处理法主要是去除碱度，因此同等加药量下石灰去除成垢离子的效果约是硫酸的1.9倍；石灰处理过程中可去除水中硅化合物、有机物等，对水质有澄清作用，可以降低循环水浊度。

(2)从直接运行成本来看，同等加药量下石灰处理需辅助投加混凝剂、硫酸调pH值，药耗较高，约是硫酸处理法的2.8倍。

(3)从运行管理看，石灰系统设备庞杂、故障较多、维修工程大[7]；硫酸酸化运行控制较单一。

本例中，若采取阻垢剂—硫酸联合处理：N=5时需投加硫酸57～182 kg/h(水质随季节变化)，加酸后循环水中硫酸根上升至372～515 mg/L；N=6时需投加硫酸121～240 kg/h，硫酸根上升至610～703 mg/L，此时具有很大的硫酸钙结垢风险[7-8]。

因此，采取硫酸联合处理，浓缩倍率不建议超过5，而石灰联合处理可以提高浓缩倍率至5～6。

5 结语

(1)最佳浓缩倍率应根据新鲜补充水的水质、阻垢剂性能、药龄、投加量等综合确定，不能一概而论。如某厂循环水补水“钙硬+碱度”年平均值228 mg/L CaCO3，采用阻垢法平均浓缩倍率为4；若继续提升浓缩倍率，则需大幅增加阻垢剂投加量，或采取联合处理法。

(2)联合处理法可提升浓缩倍率至5，本工程水质情况下不建议将浓缩倍率提升至6，更不具备提升至7的条件。从处理效果看，同等加药量下，石灰去除成垢离子的效果约是硫酸的1.9倍；从直接运行成本来看，同等加药量下石灰处理每吨水药耗约是硫酸的2.8倍。

(3)阻垢剂联合石灰处理或硫酸处理都需消耗化学药剂，易产生二次污染，可进一步探索绿色环保的循环冷却水阻垢处理方法。