目前，能源工業(yè)發(fā)展迅速，火電廠大容量、高參數(shù)機(jī)組逐漸成為主力機(jī)組。眾所周知，火電廠是工業(yè)中用水最大用戶之一，因此，建設(shè)一個(gè)新電廠，優(yōu)先考慮節(jié)水措施，努力實(shí)現(xiàn)對(duì)外零排放已勢(shì)在必行。而在電廠工業(yè)用水中，循環(huán)水補(bǔ)充水占較大比例，這樣，優(yōu)化選擇循環(huán)水處理方案，提高循環(huán)水濃度倍率，具有十分重要的意義。

1概況

在我國(guó)，水質(zhì)特點(diǎn)呈地域分布，重碳酸鹽類水約占河水的78%，華北地區(qū)為高硬水區(qū)域，西北地區(qū)為極高硬水區(qū)域。某電廠位于較為缺水的華北地區(qū)，單機(jī)容量為600 MW等級(jí)的進(jìn)口燃煤機(jī)組，冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用帶有自然冷卻通風(fēng)塔的敞開(kāi)式冷卻系統(tǒng)。循環(huán)水補(bǔ)水源于某水庫(kù)，水質(zhì)如表1。

由水庫(kù)月化驗(yàn)報(bào)告可知，7～8月水質(zhì)較好，3～4月水質(zhì)最差。

2常用循環(huán)水處理方法簡(jiǎn)述

目前，敞開(kāi)式循環(huán)水處理方法較多，大致可分為保持水質(zhì)穩(wěn)定的阻垢處理、補(bǔ)充水軟化和循環(huán)水質(zhì)調(diào)整三大類。即：

水質(zhì)穩(wěn)定處理。在循環(huán)水中加入水質(zhì)穩(wěn)定阻垢劑，通過(guò)螯合反應(yīng)和表面吸附，可有效抑制或減緩循環(huán)水在傳熱面的成垢過(guò)程。目前，常用的一些阻垢劑有聚磷酸鹽、多元膦酸、磷酸酯、聚羧酸及復(fù)合阻垢劑等。

補(bǔ)充水軟化。該法是將循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)充水中的碳酸鹽硬度(暫硬)除去，即軟化處理，從而防止循環(huán)水系統(tǒng)形成水垢。常用方法有石灰處理法和離子交換法，其中石灰處理法是將生石灰加入水中生成消石灰，再與水中的碳酸鹽硬度發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，降低了水中的硬度和堿度，從而進(jìn)行了軟化;離子交換法是利用弱酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有工作交換容量大、再生比耗接近于1以及易于與碳酸鹽硬度發(fā)生反應(yīng)的特性，通過(guò)設(shè)備系統(tǒng)對(duì)循環(huán)補(bǔ)充水進(jìn)行軟化的。

水質(zhì)調(diào)整。所謂水質(zhì)調(diào)整是指向循環(huán)水中加入化學(xué)藥品，改變或調(diào)整水質(zhì)鹽分組成，使之不易形成水垢。常用方法有加酸法和爐煙處理法。加酸法是通過(guò)向水中加入酸(通常為硫酸)，降低循環(huán)水中的碳酸鹽硬度，使其低于極限碳酸鹽硬度，從而減緩了結(jié)垢傾向，達(dá)到防垢目的。目前，加酸法常和阻垢處理復(fù)合使用，以增加效果。爐煙處理法是利用爐煙中含有CO2酸性物質(zhì)，加入循環(huán)水中，可有效抑制Ca(HCO3)2的分解反應(yīng)，使循環(huán)水中鈣鹽保持碳酸氫鹽狀態(tài)，防止了結(jié)垢。

3方案論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏、排污等損失，造成水量損失，需補(bǔ)充水，以達(dá)到水平衡。蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏損失與氣候影響和設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成有關(guān)，電廠建成以后，一般是不變的。而排污損失是隨循環(huán)水處理方式的不同而不同，節(jié)水潛力最大。循環(huán)水濃縮倍率的高低，直接影響著排污率的大小。表2為某電廠2×600 MW夏季額定工況不同濃縮倍率下的水平衡。

由此可見(jiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)采用高濃縮倍率處理方式運(yùn)行，可有效地減少排污損失，對(duì)全廠節(jié)水起主導(dǎo)作用。有利于對(duì)外實(shí)現(xiàn)零排放。據(jù)此，提供三個(gè)常用的循環(huán)水處理方案，即石灰處理法、阻垢處理法和弱酸離子交換法，以進(jìn)行比較優(yōu)選。

石灰處理法目前在我國(guó)火電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中運(yùn)用的有兩大類，一為石灰消化處理系統(tǒng)(山西神頭發(fā)電廠)，另一為石灰排渣重復(fù)利用系統(tǒng)(山東鄒縣電廠)，此二系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備均須進(jìn)口。第一種系統(tǒng)由于高純度消石灰國(guó)內(nèi)供貨達(dá)不到要求，且系統(tǒng)不穩(wěn)定，濃縮倍率低，最高僅為2.5倍左右，并伴有后沉淀問(wèn)題。后一種系統(tǒng)須自備煤氣站，投資較大，且該系統(tǒng)對(duì)Ca2+、Mg2+含量有嚴(yán)格要求，Mg2+含量不宜超過(guò)總硬度的20%，而某電廠源水Mg2+占總硬度的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此值，達(dá)43%左右。故此，石灰處理法不宜采納。

3.1技術(shù)比較

3.1.1濃縮倍率

3.1.1.1阻垢穩(wěn)定處理

在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中，補(bǔ)充水碳酸鹽硬度是形成結(jié)垢的主要因素。如圖1、2所示，原水碳酸鹽硬度越低，穩(wěn)定的極限碳酸鹽硬度也較低，但相應(yīng)的濃縮倍率較高;當(dāng)原水碳酸鹽硬度越高，穩(wěn)定的極限碳酸鹽硬度也較高，但相應(yīng)的濃縮倍率較低。某電廠原水碳酸鹽硬度在2.2～3.5 mmol/L之間，由圖1、2可知，用阻垢劑處理循環(huán)水，其極限碳酸鹽硬度大約在5.5～8.5 mmol/L左右，濃縮倍率在2.3～2.5倍之間。

目前，由于有機(jī)膦具有阻垢和緩蝕性能，其工業(yè)應(yīng)用較為廣泛。常用有機(jī)膦藥劑為ATMP、HEDP、DETMP等。運(yùn)用阻垢劑穩(wěn)定處理循環(huán)水，其濃縮倍率可達(dá)較高水平的有“有機(jī)膦+三聚”及“有機(jī)膦+硫酸”等配方。前者是利用有機(jī)膦的閾限效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)，一般采用低劑量(2～3 mg/L)處理，其最高濃縮倍率亦僅在2.5倍左右。“有機(jī)膦+硫酸”復(fù)合處理是對(duì)水質(zhì)進(jìn)行降堿度和阻垢協(xié)同處理，濃縮倍率可達(dá)3倍。

3.1.1.2弱酸離子交換法

氫型弱酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂能有效地除去水中碳酸鹽硬度，適用于水質(zhì)碳酸鹽硬度2～10 mmol/L，而某電廠水質(zhì)碳酸鹽硬度為2.2～3.5 mmol/L，硬堿比在1.33左右，系永硬水，pH在8.49～9.23之間，符合弱酸樹(shù)脂適用條件。弱酸樹(shù)脂對(duì)永硬水有較高失效度，工作交換容量較大。原水pH值越大，水中游離CO2量越小，對(duì)離子交換反應(yīng)的抑制作用越小，平衡時(shí)樹(shù)脂失效度就越大。以漏硬度10%為失效點(diǎn)，平均出水堿度約在0.2 mmol/L左右，作為循環(huán)水補(bǔ)水，濃縮倍率可達(dá)4倍及以上。

根據(jù)全廠水平衡圖可知，除灰、輸煤及主廠房工業(yè)用水均源自冷卻塔排污水，以重復(fù)利用。這部分必需的用水量約為502.4 t/h，這樣，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)外零排放，冷卻塔最多僅能排放502.4 t/h，排污率為0.38%，濃縮倍率要求在4.04倍以上。當(dāng)遠(yuǎn)期采用干除灰時(shí)，勢(shì)必造成除灰用水大幅度減少，為避免對(duì)外排放，必然進(jìn)一步提高循環(huán)水濃縮倍率，由此可見(jiàn)，只有弱酸離子交換法能滿足高濃縮倍率的要求。

另外，由于水庫(kù)來(lái)水量和放水量均不大，枯水期尤甚，而且，該水庫(kù)還是另一大型火電廠的冷卻水源，廣義上講，好象是一個(gè)面積較大的冷卻水池，屬于半敞開(kāi)式循環(huán)半直流式冷卻系統(tǒng)，該庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)已呈濃縮趨勢(shì)，如采用阻垢處理，勢(shì)必造成濃縮倍率逐漸下降的現(xiàn)象。而采取弱酸離子交換法軟化處理，無(wú)此憂慮。

3.1.2防垢及阻垢效果比較

弱酸樹(shù)脂軟化法是目前發(fā)展較快的一種新型處理方法，運(yùn)行較為成熟的有大同二電廠。另外，已安裝并逐步投入運(yùn)行的有大同一熱、陽(yáng)泉二電廠和鄒縣電廠。該法適用于缺水地區(qū)，隨著社會(huì)的發(fā)展，從節(jié)約水資源、保護(hù)環(huán)境來(lái)看，此法大有推廣前途。

弱酸樹(shù)脂軟化系統(tǒng)出水硬度以Mg2+為主，Ca2+所占比例比進(jìn)水小得多，而在循環(huán)水系統(tǒng)中形成水垢的主要成分為CaCO3，這樣就可以有效地防止生成CaCO3垢。同時(shí)，由于除去補(bǔ)充水中的懸浮物，減少了成垢晶核，更有利于防止結(jié)垢。從大同二電廠運(yùn)行情況來(lái)看，銅管結(jié)垢現(xiàn)象甚微，給電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了有利條件。

此外，全廠水平衡中，循環(huán)水補(bǔ)充水有大部分(該廠為77.6%)水量先經(jīng)過(guò)輔機(jī)和空調(diào)作一次冷卻用水。這樣，如采用阻垢處理，這部分水源就不能處理，隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷推移，勢(shì)必造成輔機(jī)及空調(diào)冷卻系統(tǒng)結(jié)垢，導(dǎo)致冷卻效率下降。而如采用弱酸樹(shù)脂法，補(bǔ)充水先進(jìn)行了軟化處理，輔機(jī)及空調(diào)冷卻系統(tǒng)結(jié)垢問(wèn)題就不易發(fā)生。

3.1.3防腐效果比較

用水質(zhì)阻垢劑處理循環(huán)水，普遍發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，如銅管的脫鋅腐蝕。由于處理控制不穩(wěn)定，結(jié)垢和腐蝕交替或同時(shí)進(jìn)行，致使大多數(shù)電廠發(fā)生經(jīng)常性微漏，凝結(jié)器管安全可靠性大大降低。再加上酸洗凝結(jié)器，腐蝕程度進(jìn)一步加劇。

為了提高濃縮倍率，阻垢劑加酸處理廣為應(yīng)用。在水體中加入硫酸，增加水的腐蝕性。硫酸根和硫酸鹽還原菌發(fā)生反應(yīng)形成硫化氫，降低了pH，同時(shí)硫化氫還會(huì)導(dǎo)致金屬的電偶腐蝕。冷卻塔為混凝土構(gòu)筑物，而硫酸根又對(duì)混凝土侵蝕性極強(qiáng)，從而造成了冷卻塔及水溝等構(gòu)筑物的腐蝕。

由于有機(jī)膦是水生物的營(yíng)養(yǎng)物，這樣用有機(jī)膦處理循環(huán)水，勢(shì)必加強(qiáng)水生物繁殖，而微生物可直接參與腐蝕反應(yīng)，加重了腐蝕程度。雖加一些殺菌劑進(jìn)行殺菌，如加氯處理，但卻增加了極具侵蝕性的氯離子，又會(huì)促進(jìn)腐蝕。

采用弱酸樹(shù)脂處理循環(huán)水補(bǔ)水，防腐效果較為顯著。大同二電廠采用此法后，凝結(jié)器銅管運(yùn)行十多年相當(dāng)完好。由于采用軟化水作循環(huán)補(bǔ)充水，改變了循環(huán)水水體結(jié)構(gòu)，微生物滋生現(xiàn)象幾乎消失，防止了循環(huán)水的微生物腐蝕。

目前，循環(huán)水系統(tǒng)的防腐措施通常采用向循環(huán)水中添加防腐抑制劑進(jìn)行腐蝕控制，其中鉻酸鹽+鋅鹽為最常用的一種行之有效的防腐方案。然而鉻酸鹽是有毒的，可存在于水生物的組織器官中。受環(huán)境保護(hù)限制，排污水不易向外排放。弱酸樹(shù)脂處理循環(huán)補(bǔ)水系統(tǒng)，是目前考慮無(wú)鉻酸鹽循環(huán)水處理的取代方案。

某電廠源水水質(zhì)為永硬水，采用弱酸樹(shù)脂軟化處理后，循環(huán)水補(bǔ)充水總硬度可達(dá)1.1 mmol/L以上，從而也防止了極軟水對(duì)混凝土的腐蝕。而源水Cl-含量最高為25 mg/L，濃縮倍率即使提高至5倍，Cl-也僅為125 mg/L，未超出150 mg/L限值。

3.1.4自動(dòng)化水平比較

目前，循環(huán)水采用阻垢處理，大多采用計(jì)量泵加藥，無(wú)自動(dòng)控制裝置。在美國(guó)亞利桑納州電廠曾使用自動(dòng)加酸裝置，加酸處理按循環(huán)水水泵出口pH反饋信號(hào)調(diào)節(jié)加酸量，但由于循環(huán)水系統(tǒng)龐大，流量太大，利用循環(huán)水pH值控制加酸量，滯后較大，致使加酸量不能及時(shí)調(diào)整。

采用弱酸樹(shù)脂軟化處理循環(huán)補(bǔ)充水，出水穩(wěn)定，易于控制。離子交換設(shè)備系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)程控，并有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)如采用雙流弱酸離子交換器，與單流固定床相比，出力進(jìn)一步提高，設(shè)備臺(tái)數(shù)和占地面積減少。雙流床系新型的且較為先進(jìn)的水處理設(shè)備，目前投入運(yùn)行的不多，陽(yáng)泉二電廠的雙流床有程控再生方式，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，較大同第一熱電廠手動(dòng)操作的雙流床前進(jìn)了一大步。

3.1.5國(guó)內(nèi)部分電廠循環(huán)水處理工藝及效果比較

筆者近期對(duì)一些有代表性的電廠循環(huán)水處理工藝及效果進(jìn)行了調(diào)研，取得了一些實(shí)際情況，如表3所示。

由調(diào)研結(jié)果可知，凡采用阻垢處理工藝的電廠，濃縮倍率最高僅為2.5倍，且凝結(jié)器管均不同程度地發(fā)生了結(jié)垢腐蝕，有的較為嚴(yán)重。這些電廠雖幾經(jīng)更換阻垢劑品種，但效果均不盡人意。特別是加酸處理，由于循環(huán)水量大，不易調(diào)整控制，且加藥不均勻，出現(xiàn)的問(wèn)題較多。弱酸樹(shù)脂軟化處理可靠性高，濃縮倍數(shù)在4倍以上，有時(shí)甚至達(dá)到了11倍，而銅管基本無(wú)結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象，給電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了前所未有的好勢(shì)頭。目前，一 些大型電廠在循環(huán)水處理設(shè)計(jì)中采用弱酸樹(shù)脂軟化處理的方案越來(lái)越多，如鄒縣電廠三期2×600 MW建設(shè)中已采用此法。

3.2投資及效益比較

采用阻垢劑穩(wěn)定處理循環(huán)水，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占地面積小，一次性投資省，約需100萬(wàn)元。弱酸樹(shù)脂軟化處理則占地面積大，投資高，約需1400萬(wàn)元。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用二者比相差不多，雖弱酸樹(shù)脂處理投資大，但在節(jié)水和保護(hù)環(huán)境方面，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益比阻垢處理更具優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)某電廠工程，阻垢處理濃縮倍率按2.5倍計(jì)，循環(huán)水總補(bǔ)充水量為3 189 t/h，排污量1 142 t/h，排污水除電廠本身重復(fù)利用消耗外，尚有640 t/h向外排污。而如選用弱酸處理，濃縮倍率可提高到4倍以上，計(jì)算其總補(bǔ)水量不超過(guò)2 559 t/h，排污量512 t/h，排污水量既可保證電廠消耗，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)外零排放。弱酸處理自用水率按5%計(jì)，消耗約130 t/h左右，這樣，二者相比，弱酸處理可節(jié)省水量500 t/h左右，少向外排污640 t/h左右。目前，水費(fèi)按0.15 元/t計(jì)，弱酸處理年可節(jié)省45萬(wàn)元左右。排污費(fèi)用按0.05 元/t計(jì)，弱酸處理可節(jié)約32萬(wàn)元左右。另外，根據(jù)目前阻垢處理循環(huán)水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總磷通?？刂圃?.0 mg/L左右，而GB8978—88二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1.0 mg/L，這樣，排污水總磷超標(biāo)，加倍收取排污費(fèi)用，弱酸處理在排污費(fèi)用方面可節(jié)約64萬(wàn)元左右。由此可知，從節(jié)水和排污兩方面，弱酸處理軟化法就可節(jié)約110萬(wàn)元(在華北大部分地區(qū)，水費(fèi)大約均在1元以上，故節(jié)水費(fèi)用可大幅度增加)，隨著社會(huì)的發(fā)展，取水及排污費(fèi)用會(huì)越來(lái)越高，采用弱酸處理，效益將會(huì)愈加顯著。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大型火力發(fā)電廠循環(huán)水處理方案選用弱酸樹(shù)脂軟化處理，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面具有一定的優(yōu)越性，可保證電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)水效益明顯，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)外零排放。

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