電化學技術在某電廠循環水上的應用研究

高 磊 疏吟梅 朱偉光 王芊倩 肖丙雁

（1.皖能銅陵發電有限公司 2.上海洗霸科技股份有限公司）

0 引言

十四五期間，國家支持有條件的地方和重點行業、重點企業率先達到碳排放峰值，鼓勵工業加強節水減排和再生水利用工作。電廠作為大體量工業，其資源消耗量和污染生產量不容小覷，尤其在生產過程中水資源的消耗量和污水的排放量都是非常龐大的。在國家政策推動下，電廠企業積極開發自身的節水減排潛力，優化自身的資源綜合利用能力。90年代以來，隨著干除灰技術的發展和推廣，電廠節水減排工作逐漸從沖灰水系統轉向以改進循環水處理技術、提高循環水濃縮倍數為重點的區域［1］。

1 電廠循環水系統現狀

隨著干除灰技術的發展，電廠循環水的用水量和排污量往往會占到全廠總用水量和總廢水量的75%左右［2］。在環境保護政策不斷收緊，雙碳目標時間不斷接近的前提下，提高循環水的濃縮倍數，改善循環水的水質，優化全廠用水的效率是新時代的必然發展趨勢。

電廠循環水系統因循環水量大，換熱需求量大等原因，基本采用開式循環冷卻水系統。開式系統容易出現結垢、腐蝕、菌藻三大危害［3］，通常會導致循環冷卻水系統出現換熱效率下降，泄漏情況加重，使用壽命折減，安全隱患增加等問題。

電廠大多采用傳統藥劑法作為循環冷卻水的阻垢緩蝕處理手段，只采用傳統藥劑法時，循環水濃縮倍數較低，用水量和排污量很大。目前，電廠常采用反滲透膜脫鹽的方法作為循環水排污減量的方案，但隨著濃縮倍數的增加，循環水的鹽分、致垢性離子、有機物等含量均大幅增加，易造成結垢、污堵及腐蝕問題，故普遍將濃縮倍數控制在3～5倍左右，排污量較大［4］。

為了滿足國家相關的環保要求，急需安全可靠有效的技術對循環水系統的處理技術進行改善，提高濃縮倍數，減少或避免結垢腐蝕和菌藻產生的危害。而電化學技術經過不斷的發展，已經逐步在循環水系統中投入運用，成為了一種優良的環境友好型循環水處理技術。

2 電化學技術現狀

電化學技術是一項不同于傳統化學藥劑法的水處理技術，在一定運行條件下，其使用過程中可不投加化學藥劑，不產生二次污染，是一種清潔工藝。

電化學技術在各類民用循環水系統中應用范圍十分的廣泛，如中央空調系統中的冷媒水系統、冷卻循環水、民用建筑的熱水系統、冷卻水循環系統、冷媒水系統等［5］。國內冶金行業領域，寶鋼、武鋼等鋼鐵企業已經陸續投入使用該項技術，并且取得良好的應用效果。國內某硫酸企業循環水系統利用電化學技術將濃縮倍數提高到了5倍［6］。

3 某電廠電化學技術應用

該電廠新建兩套電化學裝置用于電廠循環水系統時，通過優化水質，起到節水減排的作用；其具體作用機理有如下三點：阻垢脫垢、殺菌滅藻、防腐緩蝕。

3.1 電化學技術作用原理

電化學技術的主要作用原理是在直流電源的作用下，使陽極和陰極充分發揮氧化、還原反應，生成各種組成成分，起到阻垢脫垢、殺菌滅藻、防腐緩蝕的作用。

（1）吸垢阻垢。陰極發生還原反應，如下式所示，生成OH－，OH－部分與HCO3－發生反應生成CO32－。循環水中的Ca2＋、Mg2＋，分別與陰極產生的CO32－和OH－發生反應，生成CaCO3和Mg（OH）2難溶性物質，直接從陰極極板析出，水中Ca2＋、Mg2＋、HCO3－濃度下降，所以循環水硬度和堿度降低。電極處通過掃頻及混頻技術的交叉作用，能夠有效阻止鈣鎂離子析出飽和結晶，防止水垢的生成。受電磁場的影響，垢的形態會發生改變，CaCO3垢從有規則的、成片延伸的、以方解石為主形態的硬垢變成無規則的、以文石為主形態的疏松的顆粒堆集的軟垢［7］。

除陰陽極板外，該組裝置還配備電絮凝極板（可溶性金屬極板），在直流電的作用下會被溶蝕，產生Fe2＋、Fe3＋、Al3＋，在經一系列水解、聚合過程，發展成為各種羥基絡合物、多核羥基絡合物以至氫氧化物。使水中的膠質體、懸浮物凝聚沉淀，同時，帶電的污染物顆粒在電場中泳動，其部分電荷被電極中和而促使其脫穩聚沉，主要起到絮凝作用，強化去除效果，最終沉淀在裝置底部或者收集器處。

（2）殺菌滅藻。在電流作用下，陽極發生氧化反應，如下式所示，水中發生氧化還原反應和Haber-Weiss反應等，根據氧化反應程度的不同，生成含量不同的?OH、O3、H2O2、ClO－等強氧化性物質，強氧化性物質會與有機物發生氧化還原反應，能直接破壞微生物的細胞膜，從而導致微生物死亡或滅活，起到有效的殺菌滅藻的作用。

（3）防腐緩蝕。陰極和陽極產生不同的離子，離子通過傳質作用和電場遷移作用導致不同電極區域的離子濃度不同，局部的pH值會大于10，為Fe3O4的形成創造了條件。鐵在直流電的作用下，產生的Fe2＋、Fe3＋與OH－反應可生成超微磁性Fe3O4粒子，如式（13），逐漸在管壁上形成一層鈍保護膜，起到較好的防腐緩蝕的效果［8-9］。

3.2 某電廠現狀

某電廠擁有5號和6號兩套1000MW 發電機組，各配置一座10×105m3／h的雙曲線冷卻塔，并配置了旁路處理裝置。循環水補充水水源為長江水，補水同時投加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑用于水質穩定處理，系統中設有旁濾處理裝置去除懸浮物。電化學裝置投入使用前循環水濃縮倍數為3.5倍左右，各水質水量參數可見下表1和表2（濃縮倍數N在一定范圍內波動，該處以其均值3.5為依據，該循環水系統泄露水量忽略不計）。

表1 補水水質分析

表2 總循環水系統部分參數（溫差10～15℃）

上表冷卻塔補水量和排水量均為計算值，根據GB／T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》第3.1.11條：濃縮倍數為補水量與排水量和風吹損失和的比值。

3.3 工藝流程

電化學裝置利用旁濾處理系統1600m3／h出水量作為進水水源及水量，處理后部分出水至鍋爐補給水系統，部分出水回流至循環水塔池處。電化學裝置產垢定期回收，干渣可用作脫硫系統的脫硫藥劑。循環水技術路線如圖所示。

圖 循環水技術路線

該項目帶有一定的試驗研究性質，將原本5號和6號循環水系統各新增兩組電化學裝置分兩個階段實施，第一階段實施效果達到預期目標再實施第二階段。第一階段在5號機循環水系統安設一組電化學裝置（處理旁濾水量400m3／h），并于2022年2月1日正式投入使用，實現藥劑逐步減量運行，驗證系統運行可靠性、成熟性；第二階段在安設剩余三組電化學裝置（處理旁濾水量1200m3／h），并于2022年8月1日正式投入使用，實現藥劑減量運行。

4 電化學技術的應用效果

4.1 水質控制效果

循環水水質主要受到補水量、排水量和電化學裝置的處理效果影響，而電化學裝置的處理效果主要受到電流大小等因素的影響。項目第一階段即5號機組循環水系統新增電化學裝置一組，通過在循環水系統排污閥不同的開啟狀態下運行并檢測循環水水質的變化情況，見表3。

表3 第一階段循環水水質分析

根據表3可知，電化學裝置對電導率、硬度等指標均有不錯的控制效果；在排污閥不同開啟狀態下，循環水質沒有大幅上升；如果沒有電化學的作用下，由于排污量減少，濃縮倍數提高，則相應的電導率、硬度等指標會大幅度上升；可見電化學裝置可有效去除相關離子，經測算對于電導率、總硬度、鈣硬度等水質指標的去除率在20%以上。

由此可見電化學裝置在節水減排工作上還有一定的提升空間。

4.2 節水減排效果

該廠現在循環水濃縮倍數以鎂離子計，為3.5倍左右，電化學裝置投入使用后以鎂離子計的循環水濃縮倍數為4.9倍。電化學裝置對鎂離子的去除率在15%以上，以鎂離子去除率15%為計算依據，可得以水量計的濃縮倍數為5.7倍，以鎂離子去除率20%為計算依據，可得以水量計的濃縮倍數為6.1倍，計算得實際以水量計的濃縮倍數在6倍左右。根據濃縮倍數為補水量與總排水量（排水量＋風吹損失）的比值，計算得到電化學技術節水減排效果見表4。

表4 循環水節水減排分析（溫差10～15℃）

由表4數據經計算可知，電化學技術本次為循環水系統所帶來的節水率為14%左右，預計減排率為54%～59%。電化學技術將濃縮倍數從3.5倍提高至6倍左右，并且較大程度地減少了傳統化學藥劑的用量。同時，根據第一階段的水質分析結果進行測算，預期該循環水系統的濃縮倍數可進一步提升至8倍左右，節水減排效果和藥劑減量效果也會進一步提高。

4.3 裝置捕垢效果

第一階段從2月1日運行滿一個月后，3月1日至3月3日對該組電化學裝置進行清垢處理，垢樣外觀呈現灰白色，現場清理垢裝袋靜置三天后稱重，稱得總重量830kg達到第一階段預期目標（捕集垢量800kg），裝置運行穩定，且運行效率高。垢樣經第三方檢測結果見表5。

表5 垢樣檢測分析

檢測報告顯示垢樣的主要成分為CaO，含量高達94%，滿足設計作為脫硫劑的要求（項目目標為鈣所形成的垢成分為80%左右）。

5 結束語

本文研究了電化學技術在該電廠循環水系統中的實際應用效果，電化學裝置對于循環水中部分離子組成成分有著較好的去除效果，即使在濃縮倍數大幅度增加的前提下，也不會出現電導率、硬度等指標大幅度上升。該電化學裝置將循環水濃縮倍數從3.5倍提高至6倍左右；對于電導率、總硬度、鈣硬度等水質指標的去除率在20%以上；為循環水系統所帶來的節水率為14%左右，減排率為55%左右；緩蝕阻垢劑的投加量平均減少了33%，殺菌滅藻劑的投加量平均減少了60%。

電化學技術在該電廠表現出了良好的節水減排效果和循環水水質優化效果，極大程度上適應了電廠循環水系統的工作環境。隨著電化學技術理論研究的不斷深入，實際應用的不斷拓展，會使該項技術能夠進一步地發展和優化，向著更加高效、更加經濟的方向發展，具有廣闊的發展前景，有望在工業大型循環水系統中實現大規模應用。