海边电厂的海生物污染治理

2022-03-26林新源

电器工业 2022年3期

林新源

（中国机械设备工程股份有限公司）

0 引言

大型火力发电厂需要大量的水作为冷却媒介对各种设备，如凝汽器、换热器等，进行冷却，对于水资源的消耗量巨大，例如对一台60万机组来说，需要的循环冷却水量达到近100000m3/小时。而地球上2/3的面积都是大海。因此拥有广袤海岸线的沿海国家将大量的火力发电厂建于海边，利用海水作为冷却媒介。利用海水作为冷却介质，除了需要注意海水的强腐蚀性，考虑与海水接触设备材料的防海水腐蚀性能，还需要考虑海水中存在的大量微生物、藻类、贝类等海洋生物。这些海洋生物对于海边电厂的冷却系统有很大的影响，轻则堵塞管路，影响冷却效果，重则造成设备损坏，对电厂的生产造成巨大破坏性的影响。为此，需要在海水进入冷却系统前进行海生物的污染治理，即杀灭海水中的微生物、藻类、贝类等。

进行海生物污染治理的方法一般是投放杀生剂。由于环保的要求，其前提条件是杀生剂可在大海中降解，不会造成海洋污染，并且不会对鱼虾类生物造成大的影响。在此前提下，投放的药剂可分为氧化性和非氧化性两大类。

1 投放次氯酸钠方案

对于海边电厂来说，投放的氧化性药剂基本都是次氯酸钠NaClO，一种最常见的强氧化剂。其杀灭海生物的原理为：次氯酸钠在水中分解形成了次氯酸，次氯酸再进一步分解形成新生的氧[O]，因为新生氧具有极强氧化性，使海生物的蛋白质等物质变性，从而被杀灭。根据化学测定，PPM级浓度的次氯酸钠在水里几乎可完全水解成次氯酸，效率高于99.99%。其化学方程式可以简单地表示如下：

在杀灭海生物过程中，因为次氯酸分子小，不带电荷，所以次氯酸还可以作用于海生物细胞壁，并且渗透入细胞内，与蛋白、核酸、以及酶等有机高分子发生氧化反应，从而杀死其细胞。其反应如下：

同时，次氯酸产生出的氯离子还能大大改变细胞渗透压，使细胞丧失活性而死亡。如本文开始提到，发电厂所需的冷却水量非常巨大，因此所需的药剂量也非常大。而次氯酸钠的优点是可以通过电解海水得到，所以海边电厂基本都建造电解海水制氯设备，制造次氯酸钠作为投放的氧化性药剂。这样通过一次性投资，降低了电厂的运营成本。至于外购次氯酸钠成品溶液，虽然大大降低了一次性投资成本，但除了日后长期的购买成本问题外，还因为次氯酸钠属于危险品（危险货物编号：83501），运输方面存在需要专用车辆、运输许可等一系列问题，加上安全隐患，因此并不常见。

电解海水制次氯酸钠的原理如下：一定压力的海水经过过滤后进入电解海水制氯设备的次氯酸钠发生器——电解槽内，在这里海水被直流电电解，分别在阴阳极上发生如下反应。

生成的次氯酸钠随着海水依次通过串联的一定数量的电解槽，因在每个电解槽上都发生着电解反应，因此次氯酸钠的浓度逐渐升高。

从上面的反应可看出，氯气在阳极处生成，阳极的表面积对氯气的产量，乃至次氯酸钠的产量有决定性的影响。因此为了增加产量，阳极一般设计成网状，比平板阳极的有效面积大大增加，提高了产氯量，而且网状增加了海水在电解槽中的湍流，提高了电解效率。而因为电解反应，海水中的阳离子向阴极处移动，容易在阴极处生成盐，因此阴极设计成平板状，加以抛光工艺，以减少钙、镁等盐的堆积造成不利的影响。根据阴阳极的反应面积，并设定电解电流，来控制每个电解槽上生成次氯酸钠的量，并串联一定数量的电解槽，来达到设计所需的出口次氯酸钠溶液的浓度。次氯酸钠溶液可贮存在储罐中，也可直接投放到电厂循环水入口的海水中。

电解海水制氯设备与海水直接接触的部分需防海水腐蚀，特别是电解槽的阴阳极，因为电解槽内含有强腐蚀性的海水和生成的次氯酸钠，温度也比较高，而且阴阳极需要良好的导电性能，因此必须选用具有很好耐腐蚀性能的金属材料，如阴极板可采用镍基材料哈氏合金。否则，因为材料的腐蚀，容易导致阴极板表面产生孔坑，相比光滑的表面，电解产生的钙镁盐附着在孔坑上，不易通过海水流动被带走，导致结垢严重，影响设备的正常运行。图1是某海边电厂因阴极板材料耐海水腐蚀性能较差，导致原本光滑的阴极表面产生微小孔坑，图2为阴极板产生孔坑，在运行一段时间后，电解槽结垢严重的图片，图3则是因结垢严重，且未能及时进行电解槽酸洗，阴阳极之间的结垢导致短路，局部温度过高致使阳极网烧穿的图片。可见材料的耐腐蚀性能对电解海水制氯设备长期可靠运行的重要性。

图1 阴极板表面腐蚀

图2 电解槽结垢

图3 阳极网烧穿

在次氯酸钠投放上，原则上间断投加即可，但是实际运行中，电厂为了简易操作及加强效果，一般都是连续投放，制造后直接投放。投放量、即生产量需要根据循环冷却海水用量以及有效杀灭海生物的浓度（一般有效氯浓度为0.4～1mg/L）来计算得出。并且需要注意排出海水的余氯浓度，以免杀死鱼虾等海洋生物，造成海洋环境破坏。某海边电厂的循环冷却水量为110000m3/h，设计有效氯浓度为1mg/L，则：设计制氯量要求为110000 m3/h×1mg/L=110kg/h。

2 投放二氧化氯方案

除了次氯酸钠，火电厂还可以采用二氧化氯ClO2作为氧化剂药物来杀灭循环冷却水中的微生物。二氧化氯是一种黄绿色到橙黄色的气体，国际上公认的高效消毒剂。其优点是杀菌快，能力强，持久性长，而且杀菌能力受水的PH值影响小。但二氧化氯和很多物质都能发生剧烈反应，因此腐蚀性很强。而且对热、震动、撞击和摩擦很敏感，极易分解产生爆炸，非常危险。因此二氧化氯是不能运输和贮存的，也就不能外购，必须在循环冷却水加药处制造并马上使用。二氧化氯的生产方法常见有盐酸法、硫酸法等。盐酸法制作原理如下：

由以上反应可看出，二氧化氯的生产并不复杂，所需要的设备、系统比较简单，因此一次性投入并不是很大。但是由于二氧化氯的危险性，生产设备及连接管道的密封性必须非常好，不允许有泄露的情况发生，生产过程也必须严格监控。正是由于二氧化氯的生产、使用存在着比较大的安全隐患，即便其灭菌优点突出，但是使用的火电厂并不多。对于海边电厂来说，由于次氯酸钠比较容易自备、安全性高，因此基本不会使用二氧化氯作为杀灭海生物的方案。

3 投放杀贝剂方案

次氯酸钠属于氧化性药剂，不需要很高的浓度即可对杀灭水螅虫等无壳类海生物具有很好的效果，但是氧化性药剂具有强烈的刺激性，像褐贝、牡蛎等贝类及藤壶等甲壳动物，在受到氧化性药剂的刺激后，会闭壳不进行呼吸和进食，且可以持续两周的时间。特别是在热带、亚热带海域，海水温度常年较高，贝类生长繁殖较快，是影响海边电厂海水冷却系统的重要因素。在这种情况下，一味地增加氧化性药剂的浓度，效果并不会很好，且容易加剧接触海水设备的腐蚀并破坏周边海域的生态。解决该问题的办法是定期投放杀贝剂。杀贝剂属于非氧化性药剂，通常有效成分是多种季铵盐，如烷基二甲基苄基氯化铵。

由于贝类海生物对季胺盐不敏感，不会因此闭合贝壳，因此季胺盐很容易进入贝类体内，与细胞膜的蛋白质结合，从而破坏其细胞结构，切断细胞内营养物质的传送并杀灭之。此外，杀贝剂不受海水PH值的影响，不像氧化性药剂那样对接触设备产生腐蚀，并且可对附着的贝类及甲壳类有剥离作用。

虽然杀贝剂也有杀灭其他海生物的作用，但是其杀灭速度及效率不如氧化性药剂那样高效，例如次氯酸钠，能在海水中迅速反应，作用时间快。且电厂无法自制杀贝剂，外购及运输成本较高。因此，海边电厂应采用两者相结合的办法：通过电解海水制氯设备连续投放次氯酸钠，并定期投放杀贝剂。既保证了杀灭各类海生物的效果，又节省了费用。按照上文提到的循环冷却水量为110000m3/h，可设计加药方案如下表所示。

表加药方案

以上仅为投放方案的示例，实际杀贝剂的投放药量、频率、时间需要根据实际产品的效果来评定，一般由生产单位来制定。并且需要根据电厂实际运营后的情况，进行药量、频率及时间的增减，以便达到杀灭效果和使用成本的最优化。

杀贝剂的投放比较简单，只需要用耐酸碱的计量泵投放即可，只是因为杀贝剂投放后一般会产生泡沫，因此还需要间隔投放消泡剂。

4 停机检修前注意事项

还有一点需要注意的是：在电厂停机大修时，需要在停机后，继续生产并投放次氯酸钠和杀贝剂一段时间，令机组各管道内海水中次氯酸钠和杀贝剂达到一定的浓度。保证在停机期间，可以抑制管道内存留海水中海生物的生长。这是因为海生物的生长速度非常快，加上停机期间，管道内海水不流动，海生物更容易附着在管道内壁，阀门、滤网、换热器等设备上，如图4和图5所示。在检修后，这些设备上就会被海生物堵塞，给电厂的运行带来巨大的伤害。如图所示是某电厂因停机期间，没有在管道内投放足够浓度的次氯酸钠及杀贝剂，导致海生物大量繁殖带来的堵塞问题。