一种采用物理极化方式的循环冷却水节水技术

高广清，杨 珊，费绍栋

(1.安徽华电宿州发电有限公司，安徽 宿州 234000；2.山东朗坤节能环保技术有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

水是人类赖以生存的基本条件，是人类工业生产和社会进步最重要的资源。随着现代工业的发展，工业用水量的比重在总用水量中逐年增高。我国的水资源总量居世界第6位，但人均占水量只排在世界第84位，为2 300 m3，相当于世界人均占水量的1/4。因此，需要工业系统做到无污染排放，对取水、排放严格限制，以恢复天然水的自净能力。随着环境保护的日益严格和水资源的日益紧张，水处理技术得到了愈来愈广泛的重视。

1 火电厂循环水处理的重要性

火电厂是工业用水大户，据统计，在工业用水中，火电厂的用水量与耗水量居各工业部门之首。当前，火电厂用水的主要构成为：循环冷却系统补给水50 %—80 %，水力输灰用水20 %—40 %，锅炉补给水2 %—8 %，生活用水0.5 %—4 %。火电厂节水的重点是减少循环冷却系统补给水和水力输灰用水。对于采用开式循环冷却系统的火电厂而言，减少冷却系统排污、提高循环水冷却系统的浓缩倍率，可取得良好的节水效果。

目前，我国火电厂循环冷却水处理面临的主要问题有以下几个。

(1) 淡水资源日益紧张。我国淡水资源日益紧张，特别是北方地区，水资源严重短缺，使火电厂的运行和建设规划受到限制。

(2) 环境保护要求更为严格。目前国家已对某些物质的排放标准提出了新要求，今后环境保护要求更加严格。

(3) 源水水质不断恶化。由于干早、开采过量、污染等原因，我国地下水的水质逐年变坏，给循环冷却水的处理带来了更多的困难。

目前，对于采用开式循环水冷却系统的火电厂而言，采取提高冷却水浓缩倍率的方法可以节约用水；但浓缩倍率提高到一定数值后，其节水幅度明显下降，而处理成本显著提高。综合技术经济分析认为，将浓缩倍率提高到6左右是适宜的。

2 我国循环水处理方式存在的弊端

目前，主要采用化学法处理循环水，即依靠添加一定量的化学药剂来解决循环冷却水的水质问题。但在实际应用中，这种方法暴露出自身的缺点，主要表现在以下几方面：

(1) 循环水中含有大量化学药剂，提高了污水处理的成本；

(2) 化学法费用高，对水质的适应性较差，且容易造成二次污染；

(3) 化学法需要定期投加化学药品，运行操作程序较为复杂。

3 循环冷却水节水技术的研究

火电厂开式循环冷却水系统主要由冷却塔、凝汽器、循环水泵组成。循环水在系统内完成换热和冷却过程。在循环过程中，循环水在冷却塔内蒸发冷却而形成循环水量和水质平衡。循环水系统需进行连续补水和排污，在这2种水量损失中，只有排污是可以减少的。因此，只有设法减少排污量，才能达到节水目的。

3.1 传统加药方式节水技术

采用开式循环冷却水系统的火电厂，其节水的主要方法是采用高浓缩倍率运行(合理的浓缩倍率可根据水质、处理技术、处理成本等因素综合考虑)。通过对高硬度、高碱度、含盐量进行预处理，采用甲酸运行等技术手段，可实现高浓缩倍率运行。但是，采用传统加药处理方式来提高浓缩倍率，会使药剂在循环冷却水系统内停留时间增长，造成水解失效。此外，浓缩倍率过高会使循环水中的硬度、碱度、浊度升得太高，易造成冷却水结垢，从而难以控制结垢程度，导致药剂使用量大增。

对于直流循环供水的火电厂，循环水的排污水量大而且水质较好，充分利用循环水是实现节约用水的重要途径。

(1) 早期建设的火电厂采用水力除灰渣系统，循环水的排污常用于水力除灰渣系统，虽然做到了废水综合利用，但电厂耗水指标并没有明显减少。

(2) 为了节约水资源，近些年设计的火电厂多采用干式除灰渣系统；虽然减少了除灰渣系统用水量，但为了进一步减少外排水，大量的循环水排污水需要另寻利用途径。

3.2 物理极化技术

用水系统设备内壁的水垢主要是由水中的硫酸盐和碳酸盐导致的。当盐类溶于水中时，电离分解成Ca2+、Mg2+等阳离子或CO、SO等阴离子。输水管道或用水设备外壳一般与大地连接，为阴极，可吸引阳离子趋向器壁，在受热条件下聚集在器壁的阳离子与相应的阴离子结合，将生成结晶沉淀附着于器壁，从而形成水垢。

物理极化技术是将循环水快速通过一个特殊的电磁场，改变循环水中水分子的电子云排布和Ca2+、Mg2+离子和CO、SO离子的某些特性，使得Ca2+、Mg2+离子在水分子的包围下无法形成盐类沉淀，从而具有阻垢、减缓藻类生长、减缓腐蚀等功效。因此，采用物理极化技术进行处理的循环水系统，无需添加化学药剂即可满足机组运行要求，高浓缩倍率运行时也不存在药费成倍增加的问题，这是循环水高浓缩倍率运行技术的革命性突破。

4 浓缩倍率与节水

4.1 循环冷却水浓缩倍率

由于开式循环冷却系统存在蒸发和风吹损失，而蒸发和风吹的水分并不能带走盐类，这就使水中各种离子的浓度升高，由此产生浓缩。根据GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》，浓缩倍率可采用循环冷却水与补充水含盐量的比值来表示。

循环水的浓缩倍率是十分重要的指标。只有大大提高运行浓缩倍率，才能达到节水的目的；但浓缩倍率的提高，同时就意味着循环水中的溶解盐类的浓缩，成垢物质浓度的增大，必将增大防垢、防腐的技术难度。为此，循环水运行应结合具体的情况选择合理的浓缩倍率，GB 50050—2007对此也有相关的规定。

4.2 浓缩倍率与节水的关系

在循环冷却水系统中，首先要了解补充水量M占循环水量R的百分比M/R与浓缩倍率K的关系。为了有一个定量的概念，下面举例说明。

设循环冷却水系统循环水量R为20 000 m3/h，冷却塔进口和出口的水温分别为42 ℃和32 ℃，试求浓缩倍率K分别为1.5—10.0时的补充水量M、排污水量B以及补充水量占循环水量的百分比。现以K=2时为例进行计算。

蒸发损失水量：E=RCPΔt/r=20 000×4.187×(42-32)/2401=348.8 m3/h；

风吹损失水量(按0.05%R计)：D=20 000×0.05 %=10.0 m3/h；

总排污水量：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；

补充水：M=E+BT=348.8+348.8=697.6 m3/h；

式中：CP——水的热容量（比热），kJ/（kg·℃）；

Δt——水的进出口温度差，℃；

r——水的蒸发潜热，取2 401 kJ/kg；

K——循环水的浓缩倍率。

现把K为1.5，2.0，3.0……10.0时运行参数的计算结果列入表1中。

由上述例子可以看出，随着循环冷却水浓缩倍率K的增加，冷却水系统的补水量M和排污量B都不断减少，因此提高冷却水的浓缩倍率可以节约水资源，但同时补充水量占比将随浓缩倍率的增加而降低。因此，考虑到多方面因素，循环水浓缩倍率并不是越高越好。

4.3 传统加药处理方式循环水浓缩倍率受限因素

(1) 阻垢剂加药量一般为5—20 mg/L，当阻垢剂加药量超过15 mg/L后，在实际生产运行中的经济性将下降。即加药量较大时，阻垢性能较好;加药量过大时，经济性较差，可能掩盖了阻垢性能的优势，影响在实际生产中的使用。因此，从阻垢性能、使用经济和环保等各方面考虑，传统加药方式限制了循环水浓缩倍率的提高。

(2) 对阻垢剂进行各种加药量下的浓缩倍率试验，并通过比较各种加药量下的极限浓缩倍率，可以得到该阻垢剂的临界浓度。所谓阻垢剂的临界浓度，即当阻垢剂加药量小于此浓度时，阻垢性能差别较大；当阻垢剂加药量超过此浓度后，阻垢性能增加不再明显，而是趋于平缓。因此，药剂本身的属性也对循环水浓缩倍率的提高产生了制约。

4.4 物理极化技术的浓缩倍率优势

传统的循环水化学处理方法的基点是防止循环水硬度增大。按照传统观点，Ca2+浓度越高，越容易形成CaCO3水垢，所以化学处理法就是要尽量降低Ca2+浓度，这样就可限制循环水浓缩倍率的提高。

在目前的化学法处理循环水方案中，电厂循环水的浓缩倍率一般控制在4以下。但根据物理极化技术抗垢机理分析，CaCO3水垢的形成就是微溶性盐从溶液中结晶沉淀的过程，在结晶过程中，小晶体不断变成大晶体，形成覆盖传热面的垢层。因此，如能破坏其结晶过程，就可以达到控制水垢的形成。

物理极化技术抗垢的机理之一就是改变循环水中水分子的电子云排布和Ca2+、酸根离子的某些特性，使得Ca2+在水分子的包围下无法形成盐类沉淀，破坏了CaCO3的结晶过程。从这个意义上讲，Ca2+浓度的提高并不一定导致CaCO3水垢的形成。因此，利用物理极化技术处理循环水，可以在Ca2+浓度较高的情况下，仍然阻止CaCO3水垢的形成，这样就可以有效提高循环水的浓缩倍率。

有关实验资料表明，使用电、磁水处理器处理循环水，可以把循环水的浓缩倍率提高到6左右，而不导致水垢的形成。

4.5 物理极化技术节水效益分析

以600 MW机组为例，假定循环水量为60 000 m3/h，水资源费为0.7元/m3，污水处理费为0.5元/m3，传统加药处理方式浓缩于倍率为4，年有效发电时间6 000 h。则有:

当浓缩倍率K=4时，排污水量B4=348.8 m3/h；

当浓缩倍率K=6时，排污水量B6=209.3 m3/h。

当浓缩倍率由4提高到6时，可减少排污量139.5 m3/h，获得经济效益为139.5×6 000×(0.7+0.5)=100.44万元。

此外，由于摒弃了添加化学水处理药剂，既节约了费用，又节省了加药的人工，从此循环水系统所排污水不再含有化学水处理药剂，只是单纯的浓缩水，这样可以获取巨大的环境和经济效益。

表1 不同浓缩倍率下循环水运行参数的计算值

5 结论

物理极化水处理装置具有较好的阻垢、除垢和杀菌灭藻效果，体积小、结构简单、安装方便，适用于新建和现有循环水的处理系统改造。该装置使用灵活，由于存在松弛时间，短期内发生故障不会影响系统运行，如有其他问题可立即恢复原来处理方法。该装置功率小，节约能源；运行可靠、使用寿命长、操作简单、管理方便，不用安排专门人员维护。相对于循环水加药，可有效节约人力、物力和财力，且属于物理处理方法，不会对环境造成污染。物理极化水处理装置可有效提高循环水系统的浓缩倍率，节水效果显著，经济效益明显，可以满足火电厂循环水处理的要求，保证汽轮机的安全、稳定、经济运行。

参考文献：

1 钱达中.发电厂水处理工程[M].北京：中国电力出版社，1998.

2 周本省.工业冷却水处理的物理方法及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2008.

3 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50050—2007工业循环冷却水处理设计规范[S].北京：中国计划出版社，2017.

4 江亭桂.火力发电厂水处理[M].北京：中国水利水电出版社，2011.