吳來貴,姜琪,范紅照 (.深圳能源集團(tuán)股份有限公司,廣東深圳 5803;.西安熱工研究院有限公司,陜西西安 7003)

廣東河源電廠循環(huán)水高濃縮倍率試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用

吳來貴1,姜琪2,范紅照1(1.深圳能源集團(tuán)股份有限公司,廣東深圳 518031;2.西安熱工研究院有限公司,陜西西安 710032)

循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮排污水是電廠最大的排污水,是節(jié)水減排和廢水零排放的關(guān)鍵問題之一。以河源電廠為例,分析了電廠進(jìn)水水質(zhì)條件;選用了 5種水穩(wěn)劑,采取極限碳酸鹽硬度計(jì)算濃縮倍率的方法,通過靜動(dòng)態(tài)阻垢、防腐與殺菌試驗(yàn),探明了各種藥劑的極限濃縮倍率,論證了河源電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng) 10倍以上的濃縮倍率運(yùn)行方式的可行性。按試驗(yàn)所確定的原則,河源電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)按 10倍的濃縮倍率運(yùn)行,一年來未出現(xiàn)腐蝕與結(jié)垢現(xiàn)象。分析了實(shí)際運(yùn)行期間的運(yùn)行數(shù)據(jù),對我國循環(huán)冷卻水處理、節(jié)約用水、減少排污具有一定的示范意義。

高濃縮倍率;水穩(wěn)劑;阻垢;節(jié)水

1 研究背景

廣東河源電廠地理位置較為敏感,距離東江約500m。東江是深圳和香港等城市的供水水源地,根據(jù)環(huán)評要求,河源電廠不能設(shè)置廢水排放口,需實(shí)現(xiàn)廢水零排放。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是全廠最大的用、排水系統(tǒng),是實(shí)施節(jié)水減排、廢水零排放的關(guān)鍵之一[1]。河源電廠 2×600MW機(jī)組的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)夏季最大日補(bǔ)水量 53000m3。若按國內(nèi)電廠常規(guī) 3～4倍濃縮倍率的運(yùn)行方式,日濃縮排污水量14000余 t,無法滿足全廠廢水零排放的水量平衡要求。根據(jù)全廠的水量平衡,當(dāng)濃縮倍率約為 9.5～10倍及以上時(shí),日排污量可降至 3500 t,日節(jié)約用水量 10000余 t。但該濃縮倍率的實(shí)施在國內(nèi)尚屬首例,為確保高濃縮倍率運(yùn)行條件下循環(huán)水系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,特進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行情況表明,河源電廠循環(huán)水高濃縮倍率的運(yùn)行方式是可行的,節(jié)水效果顯著。

2 循環(huán)水處理模擬試驗(yàn)

2.1 循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)

河源電廠水源為地表水,取自東江。經(jīng)電廠凈化系統(tǒng)處理后用作工業(yè)水。電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水主要有工業(yè)水、設(shè)備冷卻水與處理后的生活廢水。東江水質(zhì)情況見表 1。經(jīng)測試,東江水硬度為 0.63mmol/L,堿度 0.70mmol/L,pH為 7.54,濁度 3.26NTU,電導(dǎo)率 90.62μs/cm。由表 1可知,東江水含鹽量、硬度、電導(dǎo)率等指標(biāo)均較低。

2.2 靜態(tài)阻垢試驗(yàn)

目前,在水穩(wěn)劑阻垢性能測定方法中使用的評價(jià)指標(biāo)主要有:阻垢率;鼓泡法中使用的鈣離子穩(wěn)定濃度,即在水的自然 pH條件下,水中鈣離子的穩(wěn)定濃度;極限碳酸鹽硬度法中使用的極限濃縮倍率。本試驗(yàn)方法采用極限濃縮倍率作為評價(jià)指標(biāo) ,即在一定條件下,加入水穩(wěn)劑維持運(yùn)行中不結(jié)垢所能達(dá)到的最大碳酸鹽硬度值即極限碳酸鹽硬度值,與之對應(yīng)的濃縮倍率即為極限濃縮倍率。在一定條件下,便于用各種水穩(wěn)劑的極限濃縮倍率彼此進(jìn)行直接的定量比較,電廠選擇水穩(wěn)劑時(shí)有著重要的參考價(jià)值,更加貼近實(shí)際運(yùn)行情況。

表1 東江水水質(zhì)全分析 mg/L

2.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由玻璃缸、攪拌器、加熱管、控溫儀等組成。試驗(yàn)裝置見圖 1。

圖1 極限碳酸鹽硬度試驗(yàn)裝置

2.2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水樣為經(jīng)凈化處理的東江水;試驗(yàn)溫度45℃±1℃;攪拌器轉(zhuǎn)速 200 r/min～300 r/min。補(bǔ)充水氯離子為 14.50mg/L,堿度為 0.49mmol/L

2.2.3 試驗(yàn)方法

取配制好的水樣 5L,加入一定量水穩(wěn)劑,置于玻璃缸中,攪拌、升溫至 45℃,并保持水溫在 45℃±1℃,在蒸發(fā)濃縮的同時(shí),下口瓶連續(xù)補(bǔ)加水樣(水樣中加入同樣劑量的水穩(wěn)劑),以保證玻璃缸內(nèi)水位不變。試驗(yàn)過程中,不定期從玻璃缸中取樣,測定總堿度和氯離子含量,當(dāng)△A≥0.2時(shí) (△A為氯離子濃縮倍率與總堿度濃縮倍率的差值),玻璃缸中水的碳酸鹽硬度值即為極限碳酸鹽硬度。采取硬度比計(jì)算出極限濃縮倍率。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

不同劑量下各種水穩(wěn)劑試驗(yàn)結(jié)果見表 2,表中A、B、C、D、E為 5種水穩(wěn)劑。

表 2結(jié)果表明,在水穩(wěn)劑量 2.0mg/L條件下,A水穩(wěn)劑阻垢性能最佳,其理論濃縮倍率接近 13倍。

表2 不同水穩(wěn)劑量下的極限濃縮倍率

表 2的結(jié)果表明,在水穩(wěn)劑劑量 2.0mg/L的基礎(chǔ)上繼續(xù)大幅增加劑量,效果不明顯。合理的水穩(wěn)劑劑量為 2.0mg/L。

2.3 腐蝕試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方法

采用旋轉(zhuǎn)掛片法。試驗(yàn)水樣相當(dāng)于濃縮倍率為9的水質(zhì),堿度 4.20mmol/L,氯離子濃度 128mg/L, pH為 8.92。試驗(yàn)中選取河源電廠循環(huán)水系統(tǒng)相同的材料 TP304不銹鋼、HSn70-1銅合金、A3碳鋼進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為 45℃±1℃。試片線速度選取0.35m/s±0.02m/s;試液體積與試片表面積比選取30mL/cm2,試驗(yàn)時(shí)間為 72 h。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

電鏡試驗(yàn)結(jié)果表明:所有 TP304不銹試片均無明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象,包括加 5種水穩(wěn)劑及未加水穩(wěn)劑的;加水穩(wěn)劑 A、B、D的 HSn70-1銅合金試片均無明顯局部腐蝕現(xiàn)象,加水穩(wěn)劑 C的銅合金試片有輕微局部腐蝕,加水穩(wěn)劑 E和未加水穩(wěn)劑的銅合金試片有局部腐蝕現(xiàn)象;未加水穩(wěn)劑的 A3碳鋼試片表面有嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象;加水穩(wěn)劑A、B、D的A3碳鋼試片表面有沖刷部分的腐蝕嚴(yán)重,別的部位有輕微腐蝕現(xiàn)象;加水穩(wěn)劑 C、E的A3碳鋼試片表面有沖刷部分的腐蝕嚴(yán)重,別的部位也有腐蝕現(xiàn)象。

2.4 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為進(jìn)一步考察水穩(wěn)劑在工業(yè)中使用的可行性,對水穩(wěn)劑A和 B進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)的管樣選用電廠相同的 TP304不銹鋼、HSn70-1銅合金、A3碳鋼的腐蝕試片各 2片。

模擬系統(tǒng)工藝參數(shù)見表 3。模擬試驗(yàn)的循環(huán)水量與系統(tǒng)容積之比選同電廠冷卻系統(tǒng)參數(shù)。

表3 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)工藝參數(shù)

2.4.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)用水中按照 2.0mg/L的劑量加入水穩(wěn)劑,然后將水加入試驗(yàn)系統(tǒng),至水容積符合要求,啟動(dòng)主循環(huán)泵,在要求的循環(huán)流量下進(jìn)行循環(huán);啟動(dòng)加熱器和熱水循環(huán)泵,控制換熱器出口水溫,并定期補(bǔ)水以保持系統(tǒng)水容積不變。當(dāng)濃縮倍率達(dá)到要求后,系統(tǒng)開始排污,并調(diào)節(jié)排污量,保持濃縮倍率穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi),試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定工況運(yùn)行階段。在該工況下連續(xù)運(yùn)行 15 d以上。試驗(yàn)期間,每天取循環(huán)水分析一次,分析項(xiàng)目為氯離子、酚酞堿度、甲基橙堿度、硬度、鈣硬度、電導(dǎo)率、pH等。試驗(yàn)結(jié)束后,剖管檢查換熱管結(jié)垢和粘泥附著情況。并對腐蝕試片稱重,計(jì)算均勻腐蝕速率。

2.4.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.4.1 試驗(yàn)期間的水質(zhì)變化情況

試驗(yàn)期間循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見圖 2、3。

圖2 水穩(wěn)劑A動(dòng)態(tài)模擬濃縮倍率

圖3 水穩(wěn)劑B動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果

A水穩(wěn)劑:從圖 2可以看出,在穩(wěn)定運(yùn)行工況試驗(yàn)中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為 8.54和 8.39,最高濃縮倍率分別為 8.61和 8.45,△A值的平均值為 0.15,最高為 0.16,均小于 0.20。在濃縮倍率提高到 9倍后的運(yùn)行中,Kcl、Ka平均濃縮倍率為 9.15和 8.97,最高濃縮倍率分別為 9.20和 9.02,△A值的平均值為 0.17,最高為 0.18,均小于 0.20。說明循環(huán)水水質(zhì)是穩(wěn)定的,無結(jié)垢傾向。

B水穩(wěn)劑:從圖 3可以看出,在穩(wěn)定運(yùn)行工況試驗(yàn)中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為 8.57和 8.41,最高濃縮倍率分別為 8.65和 8.49,△A值的平均值為 0.15,最高為 0.16,均小于 0.20。在濃縮倍率提高到 9倍后的運(yùn)行中,Kcl、Ka平均濃縮倍率分別為9.19和 9.03,最高濃縮倍率分別為 9.26和 9.08,△A值的平均值為 0.17,最高為 0.18,均小于0.20。說明循環(huán)水水質(zhì)是穩(wěn)定的,無結(jié)垢傾向。

2.4.4.2 試驗(yàn)期間系統(tǒng)粘泥生成情況

在A、B水穩(wěn)劑的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)運(yùn)行至 25天左右時(shí),均發(fā)現(xiàn)水池底部、管道外壁有少量淤泥沉積,顏色呈深墨綠色,手摸有滑膩感。為此,對循環(huán)水進(jìn)行了沖擊式殺菌。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí),水池底部的淤泥顏色呈灰黃色,說明試驗(yàn)過程中對循環(huán)水的殺菌滅藻是有效的,殺菌方式是合理的。

試驗(yàn)結(jié)束后,在管道接口處有少量污泥沉積。由于冷卻塔的洗滌作用,模擬冷卻塔水池底部也有污泥沉積,厚度 0.5mm,出口處污泥沉積較少,這些污泥較易清除。在換熱管封頭處也有少量污泥沉積,厚度小于 0.5mm,用自來水即可沖洗干凈。模擬冷卻塔填料上未見有污泥沉積。經(jīng)剖管檢查后,發(fā)現(xiàn) 4根換熱管內(nèi)表面均清潔無垢。

2.4.4.3 腐蝕掛片電鏡檢測結(jié)果

在兩種水穩(wěn)劑的試驗(yàn)過程中,腐蝕試片 A3碳鋼表面均在 2周左右開始有少量沉積物附,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加,沉積物也逐漸增加;A水穩(wěn)劑的HSn70-1銅合金試片表面由亮黃色變?yōu)榻瘘S色。B水穩(wěn)劑的 HSn70-1銅合金試片表面由亮黃色變?yōu)槁詭帱S色;兩種水穩(wěn)劑的 TP304不銹鋼試片在整個(gè)試驗(yàn)過程中均沒有明顯變化。

試驗(yàn)結(jié)束后取出腐蝕試片,從外表看,A、B兩種水穩(wěn)劑的試片均呈現(xiàn)相似的外觀,A3碳鋼表面有棕褐色腐蝕產(chǎn)物附著其上,用手可以清除。用 5%鹽酸加緩蝕劑清洗后發(fā)現(xiàn),有沉積物附著的試片表面部分腐蝕嚴(yán)重,而未有沉積物附著的試片表面部分則沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象。電鏡檢測結(jié)果表明前者以點(diǎn)狀腐蝕坑為主,腐蝕坑較多,成串;后者無明顯的局部腐蝕現(xiàn)象,為均勻腐蝕;對于 HSn70-1銅合金試片,A水穩(wěn)劑中的試片呈金黃色,B水穩(wěn)劑的試片為略帶青黃色,均無明顯腐蝕現(xiàn)象,電鏡檢查結(jié)果顯示也無局部腐蝕現(xiàn)象;TP304不銹鋼試片整個(gè)試驗(yàn)過程中均呈光亮色,無明顯變化,電鏡檢查結(jié)果表明無局部腐蝕現(xiàn)象。

2.4.4.4 試片的均勻腐蝕速率

3種試片的均勻腐蝕速率見表 4。

表 4 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)掛片的均勻腐蝕速率

由表 4可見,A、B水穩(wěn)劑的 TP304不銹鋼和HSn70-1銅合金試片的均勻腐蝕速率均達(dá)到了《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50050-1995)中規(guī)定要求(≤0.005mm/a)。而A3碳鋼的均勻腐蝕速率則均未達(dá)到 GB 50050-1995規(guī)定的碳鋼均勻腐蝕速率≤0.125mm/a的要求。其中,試片表面形成了附著物而造成沉積物下的局部腐蝕是A3碳鋼未達(dá)標(biāo)的原因之一。

2.4.4.5 試驗(yàn)期間循環(huán)水的 COD及濁度

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)期間,檢測了循環(huán)水的 COD及濁度。結(jié)果表明,循環(huán)水中 CODCr值與補(bǔ)充水中CODCr的比值遠(yuǎn)大于濃縮倍率,說明系統(tǒng)存在一定的微生物和細(xì)菌繁殖現(xiàn)象。在進(jìn)行殺菌處理后,循環(huán)水的 CODCr有所下降,說明殺菌起到了一定效果。

2.5 協(xié)同試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是考察殺菌劑對水穩(wěn)劑性能影響。殺菌劑選用次氯酸鈉作為氧化性殺菌劑代表,異噻唑啉酮 (2.0%)作為非氧化性殺菌劑的代表。采用前面的阻垢率試驗(yàn)方法,試驗(yàn)時(shí)加入一定量殺菌劑,測定阻垢率(見表 5)。

表5 協(xié)同試驗(yàn)下的阻垢率

表 5的試驗(yàn)結(jié)果表明,對于氧化性殺菌劑,在水中余氯量 0.5mg/L左右時(shí),對水穩(wěn)劑的阻垢率基本沒有影響。在水中余氯量 1.7mg/L左右時(shí),對水穩(wěn)劑的阻垢率有一定的影響,各水穩(wěn)劑的阻垢率分別下降了 8%、7.9%、8.6%、8.4%、12.2%;對異噻唑啉酮,在加藥量 100mg/L時(shí),對水穩(wěn)劑的阻垢率基本沒有影響。在加藥量 200mg/L時(shí),各水穩(wěn)劑的阻垢率還有所上升,可能原因是異噻唑啉酮含量的增加起到了類似分散劑的效果。

因此,非氧化性殺菌劑對水穩(wěn)劑的阻垢性能基本沒有影響。氧化性殺菌劑在常規(guī)使用條件下對水穩(wěn)劑的阻垢性能影響較小。

3 河源電廠循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

3.1 藥品選用與管道防腐

為了確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,參照試驗(yàn)結(jié)果,選用了無磷環(huán)保性非復(fù)合型藥劑,主要藥品有阻垢劑、緩蝕劑、氧化性殺菌劑與非氧化性殺菌劑。為充分發(fā)揮藥劑效能,同時(shí)降低藥劑間的相互影響,阻垢劑與緩蝕劑加入在冷卻塔循環(huán)水泵取水口處,相距約 5m;氧化性殺菌劑選用次氯酸鈉,殺菌劑加入點(diǎn)為阻垢劑加入點(diǎn)的冷卻塔對面。鑒于試驗(yàn)期間碳鋼管道在高濃縮倍率的運(yùn)行環(huán)境中,存在一定的腐蝕現(xiàn)象,冷卻系統(tǒng)主要管道內(nèi)部均進(jìn)行了防腐處理。同時(shí)為減少運(yùn)行期間的腐蝕,系統(tǒng)運(yùn)行前期進(jìn)行了預(yù)膜處理。

3.2 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與分析

河源電廠水質(zhì)控制指標(biāo)與實(shí)際典型運(yùn)行參數(shù)見表 6。河源電廠 1號機(jī)組負(fù)荷 600MW,1號循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水量 30000m3/d,排水量 1700m3/d,濃縮倍率 10.3。因藥品采用外國配方,藥劑量同試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大;冷卻塔設(shè)置有旁流過濾裝置控制濁度。

表 6 1號循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測值

表 6可知,河源電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實(shí)際濃縮倍率可達(dá)試驗(yàn)值。從掛片來看,表面無附著物,無明顯腐蝕。連續(xù)運(yùn)行 1年后,檢查循環(huán)水系統(tǒng),無結(jié)垢、腐蝕現(xiàn)象,表明高濃縮運(yùn)行模式取得成功。同時(shí)補(bǔ)水量與濃縮排水量降低,每天節(jié)水 10000余 t,節(jié)水減排效果明顯。

4 結(jié)語

(1)從整個(gè)循環(huán)水藥劑選用與濃縮倍率確定過程來看,采取靜態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法是有效的。

(2)從試驗(yàn)結(jié)果來看,不同藥品性能差異較大;加藥量存有合理值,在合理值上增加加藥量,效果提高不明顯。

(3)在高濃縮倍率的運(yùn)行環(huán)境中,盡管添加緩蝕劑,碳鋼材質(zhì)還存有一定的腐蝕趨向。機(jī)組建設(shè)期間進(jìn)行防腐和運(yùn)行前期進(jìn)行預(yù)膜處理是必要的。

(4)采取高濃縮倍率的運(yùn)行方式,循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水量及排污量大幅減少,藥劑加入量也相應(yīng)減少,節(jié)水減排與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯。

(5)采取高濃縮倍率運(yùn)行方式,藥劑性能衰減情況需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

[1]楊寶紅,汪德良,王正江,等.火力發(fā)電廠廢水處理與回用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]高秀山,楊東方.火電廠循環(huán)冷卻水處理[M].北京:中國電力出版社,2002.

[3]祝歡,陳穎敏,寇利卿,等.循環(huán)冷卻水濃縮倍率對凝汽器管路的腐蝕和結(jié)垢趨勢[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(4):52-54.

[4]孔一江.不同混凝劑在水廠原水處理中的混凝效果比較[J].電力科技與環(huán)保,2010,26(1):32-35.

[5]馬玉,黃娟,王世和,等.綜合印染廢水混凝試驗(yàn)研究[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(6):1-3.

[6]張廣文.循環(huán)冷卻水濃縮倍率計(jì)算方法的試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電,2008,37(12):90-93.

[7]GB/T 16632-1996,水處理阻垢劑性能的測定 碳酸鈣沉積法[S].

[8]樊志勝,鄭亞鵬.深度處理設(shè)施在太原第二熱電廠廢水回用中的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù),2008,24(5):51-53.

[9]GB/T 50102-2003,工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on high concentration rate for the cycle cooling system and its application at HeYuan Power Station

The discharging water quantity from the cycle cooling system was the m ax imum waste water at power station,and was one of the key problem s forwater saving and ZLD system,so a higher concentration rate and little discharging waterwere expected.As an example,the inletwater quality at HeYuan power station was analyzed.And choosing five chem ical medicaments,the anti-scaling,antico rrosion and sterilizat ion exper iments were taken w ith the l im it carbonate hardness m ethod for the concentrating rate,the l im it concentrating rates were found for different chem icalmedicam ent.The feasibility for the cooling system to run under the concentrating rate 10 or above was proofed.The actualoperation data were analyzed,inletwater saving and waste water discharge reducing were achieved w ith large scale,which are favorable to ZLD system.

high concentrating rate;water chem icalm edicament;anti-scaling;water save

X703.1

B

1674-8069(2011)03-043-05

2010-10-21;

2011-04-28

吳來貴 (1969-),男,江西九江人,研究生,高級工程師,主要從事電力環(huán)保研究工作。E-mail:laigui@163.com