一種采用物理極化方式的循環冷卻水節水技術

高廣清，楊 珊，費紹棟

(1.安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234000；2.山東朗坤節能環保技術有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

水是人類賴以生存的基本條件，是人類工業生產和社會進步最重要的資源。隨著現代工業的發展，工業用水量的比重在總用水量中逐年增高。我國的水資源總量居世界第6位，但人均占水量只排在世界第84位，為2 300 m3，相當于世界人均占水量的1/4。因此，需要工業系統做到無污染排放，對取水、排放嚴格限制，以恢復天然水的自凈能力。隨著環境保護的日益嚴格和水資源的日益緊張，水處理技術得到了愈來愈廣泛的重視。

1 火電廠循環水處理的重要性

火電廠是工業用水大戶，據統計，在工業用水中，火電廠的用水量與耗水量居各工業部門之首。當前，火電廠用水的主要構成為：循環冷卻系統補給水50 %—80 %，水力輸灰用水20 %—40 %，鍋爐補給水2 %—8 %，生活用水0.5 %—4 %。火電廠節水的重點是減少循環冷卻系統補給水和水力輸灰用水。對于采用開式循環冷卻系統的火電廠而言，減少冷卻系統排污、提高循環水冷卻系統的濃縮倍率，可取得良好的節水效果。

目前，我國火電廠循環冷卻水處理面臨的主要問題有以下幾個。

(1) 淡水資源日益緊張。我國淡水資源日益緊張，特別是北方地區，水資源嚴重短缺，使火電廠的運行和建設規劃受到限制。

(2) 環境保護要求更為嚴格。目前國家已對某些物質的排放標準提出了新要求，今后環境保護要求更加嚴格。

(3) 源水水質不斷惡化。由于干早、開采過量、污染等原因，我國地下水的水質逐年變壞，給循環冷卻水的處理帶來了更多的困難。

目前，對于采用開式循環水冷卻系統的火電廠而言，采取提高冷卻水濃縮倍率的方法可以節約用水；但濃縮倍率提高到一定數值后，其節水幅度明顯下降，而處理成本顯著提高。綜合技術經濟分析認為，將濃縮倍率提高到6左右是適宜的。

2 我國循環水處理方式存在的弊端

目前，主要采用化學法處理循環水，即依靠添加一定量的化學藥劑來解決循環冷卻水的水質問題。但在實際應用中，這種方法暴露出自身的缺點，主要表現在以下幾方面：

(1) 循環水中含有大量化學藥劑，提高了污水處理的成本；

(2) 化學法費用高，對水質的適應性較差，且容易造成二次污染；

(3) 化學法需要定期投加化學藥品，運行操作程序較為復雜。

3 循環冷卻水節水技術的研究

火電廠開式循環冷卻水系統主要由冷卻塔、凝汽器、循環水泵組成。循環水在系統內完成換熱和冷卻過程。在循環過程中，循環水在冷卻塔內蒸發冷卻而形成循環水量和水質平衡。循環水系統需進行連續補水和排污，在這2種水量損失中，只有排污是可以減少的。因此，只有設法減少排污量，才能達到節水目的。

3.1 傳統加藥方式節水技術

采用開式循環冷卻水系統的火電廠，其節水的主要方法是采用高濃縮倍率運行(合理的濃縮倍率可根據水質、處理技術、處理成本等因素綜合考慮)。通過對高硬度、高堿度、含鹽量進行預處理，采用甲酸運行等技術手段，可實現高濃縮倍率運行。但是，采用傳統加藥處理方式來提高濃縮倍率，會使藥劑在循環冷卻水系統內停留時間增長，造成水解失效。此外，濃縮倍率過高會使循環水中的硬度、堿度、濁度升得太高，易造成冷卻水結垢，從而難以控制結垢程度，導致藥劑使用量大增。

對于直流循環供水的火電廠，循環水的排污水量大而且水質較好，充分利用循環水是實現節約用水的重要途徑。

(1) 早期建設的火電廠采用水力除灰渣系統，循環水的排污常用于水力除灰渣系統，雖然做到了廢水綜合利用，但電廠耗水指標并沒有明顯減少。

(2) 為了節約水資源，近些年設計的火電廠多采用干式除灰渣系統；雖然減少了除灰渣系統用水量，但為了進一步減少外排水，大量的循環水排污水需要另尋利用途徑。

3.2 物理極化技術

用水系統設備內壁的水垢主要是由水中的硫酸鹽和碳酸鹽導致的。當鹽類溶于水中時，電離分解成Ca2+、Mg2+等陽離子或CO、SO等陰離子。輸水管道或用水設備外殼一般與大地連接，為陰極，可吸引陽離子趨向器壁，在受熱條件下聚集在器壁的陽離子與相應的陰離子結合，將生成結晶沉淀附著于器壁，從而形成水垢。

物理極化技術是將循環水快速通過一個特殊的電磁場，改變循環水中水分子的電子云排布和Ca2+、Mg2+離子和CO、SO離子的某些特性，使得Ca2+、Mg2+離子在水分子的包圍下無法形成鹽類沉淀，從而具有阻垢、減緩藻類生長、減緩腐蝕等功效。因此，采用物理極化技術進行處理的循環水系統，無需添加化學藥劑即可滿足機組運行要求，高濃縮倍率運行時也不存在藥費成倍增加的問題，這是循環水高濃縮倍率運行技術的革命性突破。

4 濃縮倍率與節水

4.1 循環冷卻水濃縮倍率

由于開式循環冷卻系統存在蒸發和風吹損失，而蒸發和風吹的水分并不能帶走鹽類，這就使水中各種離子的濃度升高，由此產生濃縮。根據GB 50050—2007《工業循環冷卻水處理設計規范》，濃縮倍率可采用循環冷卻水與補充水含鹽量的比值來表示。

循環水的濃縮倍率是十分重要的指標。只有大大提高運行濃縮倍率，才能達到節水的目的；但濃縮倍率的提高，同時就意味著循環水中的溶解鹽類的濃縮，成垢物質濃度的增大，必將增大防垢、防腐的技術難度。為此，循環水運行應結合具體的情況選擇合理的濃縮倍率，GB 50050—2007對此也有相關的規定。

4.2 濃縮倍率與節水的關系

在循環冷卻水系統中，首先要了解補充水量M占循環水量R的百分比M/R與濃縮倍率K的關系。為了有一個定量的概念，下面舉例說明。

設循環冷卻水系統循環水量R為20 000 m3/h，冷卻塔進口和出口的水溫分別為42 ℃和32 ℃，試求濃縮倍率K分別為1.5—10.0時的補充水量M、排污水量B以及補充水量占循環水量的百分比。現以K=2時為例進行計算。

蒸發損失水量：E=RCPΔt/r=20 000×4.187×(42-32)/2401=348.8 m3/h；

風吹損失水量(按0.05%R計)：D=20 000×0.05 %=10.0 m3/h；

總排污水量：BT=E/(K-1)=348.8/(2-1)=348.8 m3/h；

排污水量：B=BT-D=348.8-10.0=338.8 m3/h；

補充水：M=E+BT=348.8+348.8=697.6 m3/h；

式中：CP——水的熱容量（比熱），kJ/（kg·℃）；

Δt——水的進出口溫度差，℃；

r——水的蒸發潛熱，取2 401 kJ/kg；

K——循環水的濃縮倍率。

現把K為1.5，2.0，3.0……10.0時運行參數的計算結果列入表1中。

由上述例子可以看出，隨著循環冷卻水濃縮倍率K的增加，冷卻水系統的補水量M和排污量B都不斷減少，因此提高冷卻水的濃縮倍率可以節約水資源，但同時補充水量占比將隨濃縮倍率的增加而降低。因此，考慮到多方面因素，循環水濃縮倍率并不是越高越好。

4.3 傳統加藥處理方式循環水濃縮倍率受限因素

(1) 阻垢劑加藥量一般為5—20 mg/L，當阻垢劑加藥量超過15 mg/L后，在實際生產運行中的經濟性將下降。即加藥量較大時，阻垢性能較好;加藥量過大時，經濟性較差，可能掩蓋了阻垢性能的優勢，影響在實際生產中的使用。因此，從阻垢性能、使用經濟和環保等各方面考慮，傳統加藥方式限制了循環水濃縮倍率的提高。

(2) 對阻垢劑進行各種加藥量下的濃縮倍率試驗，并通過比較各種加藥量下的極限濃縮倍率，可以得到該阻垢劑的臨界濃度。所謂阻垢劑的臨界濃度，即當阻垢劑加藥量小于此濃度時，阻垢性能差別較大；當阻垢劑加藥量超過此濃度后，阻垢性能增加不再明顯，而是趨于平緩。因此，藥劑本身的屬性也對循環水濃縮倍率的提高產生了制約。

4.4 物理極化技術的濃縮倍率優勢

傳統的循環水化學處理方法的基點是防止循環水硬度增大。按照傳統觀點，Ca2+濃度越高，越容易形成CaCO3水垢，所以化學處理法就是要盡量降低Ca2+濃度，這樣就可限制循環水濃縮倍率的提高。

在目前的化學法處理循環水方案中，電廠循環水的濃縮倍率一般控制在4以下。但根據物理極化技術抗垢機理分析，CaCO3水垢的形成就是微溶性鹽從溶液中結晶沉淀的過程，在結晶過程中，小晶體不斷變成大晶體，形成覆蓋傳熱面的垢層。因此，如能破壞其結晶過程，就可以達到控制水垢的形成。

物理極化技術抗垢的機理之一就是改變循環水中水分子的電子云排布和Ca2+、酸根離子的某些特性，使得Ca2+在水分子的包圍下無法形成鹽類沉淀，破壞了CaCO3的結晶過程。從這個意義上講，Ca2+濃度的提高并不一定導致CaCO3水垢的形成。因此，利用物理極化技術處理循環水，可以在Ca2+濃度較高的情況下，仍然阻止CaCO3水垢的形成，這樣就可以有效提高循環水的濃縮倍率。

有關實驗資料表明，使用電、磁水處理器處理循環水，可以把循環水的濃縮倍率提高到6左右，而不導致水垢的形成。

4.5 物理極化技術節水效益分析

以600 MW機組為例，假定循環水量為60 000 m3/h，水資源費為0.7元/m3，污水處理費為0.5元/m3，傳統加藥處理方式濃縮于倍率為4，年有效發電時間6 000 h。則有:

當濃縮倍率K=4時，排污水量B4=348.8 m3/h；

當濃縮倍率K=6時，排污水量B6=209.3 m3/h。

當濃縮倍率由4提高到6時，可減少排污量139.5 m3/h，獲得經濟效益為139.5×6 000×(0.7+0.5)=100.44萬元。

此外，由于摒棄了添加化學水處理藥劑，既節約了費用，又節省了加藥的人工，從此循環水系統所排污水不再含有化學水處理藥劑，只是單純的濃縮水，這樣可以獲取巨大的環境和經濟效益。

表1 不同濃縮倍率下循環水運行參數的計算值

5 結論

物理極化水處理裝置具有較好的阻垢、除垢和殺菌滅藻效果，體積小、結構簡單、安裝方便，適用于新建和現有循環水的處理系統改造。該裝置使用靈活，由于存在松弛時間，短期內發生故障不會影響系統運行，如有其他問題可立即恢復原來處理方法。該裝置功率小，節約能源；運行可靠、使用壽命長、操作簡單、管理方便，不用安排專門人員維護。相對于循環水加藥，可有效節約人力、物力和財力，且屬于物理處理方法，不會對環境造成污染。物理極化水處理裝置可有效提高循環水系統的濃縮倍率，節水效果顯著，經濟效益明顯，可以滿足火電廠循環水處理的要求，保證汽輪機的安全、穩定、經濟運行。

參考文獻：

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