火电厂循环冷却水加酸与缓蚀阻垢剂耦合处理试验研究

余一凡，张佳宁，鲁卫哲，冯向东，张 弛，张 贺，徐浩然，黄斐鹏

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江浙能长兴发电有限责任公司，浙江 湖州 313100；3.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 311121；4.中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，杭州 311200；5.工业新水源浙江省工程研究中心，杭州 311121）

0 引言

某火力发电厂（以下简称“火电厂”）装有4 台300 MW 燃煤机组，4 台机组的冷却水系统均采用敞开式二次循环冷却方式，循环冷却水取自附近城市中水。系统主要是通过添加循环水阻垢缓蚀剂和杀菌剂等化学药品联合处理来改善循环冷却水的品质，在防止水体结垢的同时，有效地控制循环冷却水中微生物的繁殖，防止凝汽器内部管路堵塞和腐蚀，确保凝汽器的传热效率和真空度[1-3]。循环水加酸处理能有效控制循环水的碱度，提高循环水的极限浓缩倍率，在之前的研究中，有不少学者对循环水加酸的理论及可行性进行了研究[4-5]。

为确保循环冷却水系统安全稳定运行[6-8]、节约水资源[9-10]、减少污染物排放[11-13]，火电厂开展了循环冷却水缓蚀阻垢剂性能评估，并通过加酸处理对循环冷却水系统运行工况进行优化。试验人员针对该厂循环冷却水的实际水质情况，通过动态模拟试验分析不同缓蚀阻垢剂投加量和控制碱度条件下的循环冷却水水质，研究循环冷却水极限浓缩倍率变化规律，为该厂循环冷却水系统的安全环保运行控制提供参考依据[14-15]。

1 试验原理和方法

1.1 试剂和仪器

缓蚀阻垢剂型号为TRL-004L，该药剂符合DL/T 806—2013《火力发电厂循环水用阻垢缓蚀剂》中的规定，实际使用缓蚀阻垢剂投加量为5.0～8.0 mg/L，缓蚀阻垢剂密度为1.14 g/cm3。试验所用循环冷却水取自城市中水。用于碱度、硬度、氯离子浓度等化学分析所使用的试剂均为分析纯试剂。

本试验采用实验室循环水智能动态模拟装置（见图1），对试验循环水进行动态浓缩试验。该装置利用常压饱和蒸汽加热热交换器（即换热管），模拟生产现场的循环水水质、流速、流态、换热强度和冷却水进、出口温度等主要参数，以评定特定药剂的缓蚀阻垢性能。

图1 循环水智能动态模拟装置

1.2 试验方法

1.2.1 动态模拟试验

循环水动态模拟试验方法采用HG/T 2160—2008《冷却水动态模拟实验方法》，试验过程中保持循环总水量150 L 不变，保持加热器内的水沸腾，通过调整风机冷却效率控制换热管进水温度在（42±1）℃范围内。换热管材质为316 不锈钢和黄铜，试验期间每隔2～4 h 取浓缩循环水水样并进行水质分析，每次取样体积为200 mL。试验过程中满足以下条件之一时终止试验：

（1）钙硬度下降。

（2）氯离子浓缩倍率KCl-与钙离子浓缩倍率KCa2+的差值ΔK≥0.2。

（3）试验装置换热管有结垢现象。

单次试验结束后，对进出口挂片及换热管进行差重分析，计算结垢速率。

首次用药时，若循环冷却水碱度大于125 mg/L（以CaCO3计），则需加入硫酸溶液。运行前首次加酸量计算公式为：

式中：m0为首次一次性硫酸（纯度为98%）加入量；k 为实际试验加酸系数，取k=0.6；VSR为单机循环水系统保有水量（水容积）；Mo为循环水调pH 值前的碱度；Mr为循环冷却水控制碱度。

运行中每小时加酸量计算公式为：

式中：m 为系统运行时硫酸（纯度为98%）加入量；Mm为补充水碱度；Qm为补充水量。

1.2.2 腐蚀速率测定

在烧杯中（静态模拟试验）或换热管前后（动态模拟试验）放置黄铜、碳钢和316 不锈钢腐蚀挂片，试验结束时利用失重法测定腐蚀速率。

挂片腐蚀速率计算公式为：

式中：Vc为均匀腐蚀速率；m1为试验前试片质量量；m2为试验后试片质量；S 为试片表面积；ρ为试片密度；t 为试验时间。

2 结果与讨论

2.1 水质分析

2020 年10 月12 日对火电厂循环水冷却补水取样并进行水质分析，结果见表1。

表1 火电厂循环冷却水补水水质

2.2 动态模拟试验

缓蚀阻垢剂投加量对阻垢效果的影响如图2所示，控制碱度条件下缓蚀阻垢剂投加量对阻垢效果的影响如图3 所示，不同试验条件下循环水的极限水质数据汇总见表2。

表2 不同试验条件下循环水的极限水质

图2 阻垢剂投加量对阻垢效果的影响

图3 控制碱度条件下阻垢剂投加量对阻垢效果的影响

试验结果表明，阻垢剂投加量与循环水浓缩倍率大体上呈现正相关趋势，通过控制碱度能够有效提升循环水的极限浓缩倍率。当阻垢缓蚀剂投加量为6 mg/L，加酸调整补充水碱度至1.25mmol/L 时，能将浓缩倍率从3.98 提升至5.52；当阻垢缓蚀剂投加量为8 mg/L，加酸调整补充水碱度至1.25 mmol/L 时，能将浓缩倍率从6.38 提升至7.15。在目前某火电厂阻垢剂投加量（8 mg/L）下，极限浓缩倍率（7.15）远超目前实际运行控制浓缩倍率，仍有较大的调整余量。

动态模拟试验换热管垢量分析结果见表3。

表3 动态模拟试验换热管垢量分析

由表3 可以看出：未投加阻垢剂的空白组换热管结垢最严重，平均每根换热管垢量为4.7 g，用稀硝酸酸洗时有剧烈的起泡现象，判断结垢的主要成分为碳酸盐垢；4 mg/L 组、6 mg/L 组出现了少量的结垢情况，6 mg/L（加酸）组、8 mg/L 组、8 mg/L（加酸）组的换热管均无明显结垢现象，说明阻垢剂起到了很好的阻垢效果，并且控制碱度的方法也有一定的阻垢作用。

2.3 缓蚀性能评估

本试验采用旋转挂片腐蚀试验方法，对阻垢剂的缓蚀性能进行评价。316 不锈钢、黄铜、20号碳钢挂片的试验数据分别见表4、表5、表6，图4 为不同材质挂片腐蚀情况实物对比。

图4 不同材质挂片腐蚀情况对比

表4 腐蚀速率测试（316 不锈钢）

表5 腐蚀速率测试（黄铜）

表6 腐蚀速率测试（20 号碳钢）

在动态模拟试验条件下，316 不锈钢材质挂片在试验水质下的平均腐蚀速率小于GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》规定的腐蚀速率限值（0.005 mm/a），挂片表面整体光亮，未发现明显的腐蚀现象。在同样阻垢剂投加量下，加酸控制碱度对不锈钢材质挂片的平均腐蚀速率影响不大。

在不添加阻垢剂的情况下，黄铜挂片的平均腐蚀速率明显高于比316 不锈钢挂片，腐蚀情况较为严重。在添加阻垢剂后，黄铜挂片的平均腐蚀速率明显下降，说明添加阻垢剂能很大程度上减缓黄铜挂片的腐蚀。在同样阻垢剂投加量下，加酸控制碱度微小地提升了腐蚀速率（平均提升了0.001 5 mm/a），说明加酸控制碱度对黄铜材质挂片腐蚀情况的影响较小。

在动态模拟试验中，碳钢挂片的平均腐蚀速率明显高于不锈钢挂片和黄铜挂片。观察挂片表面情况，碳钢挂片腐蚀程度严重，并且加酸控制碱度会增加碳钢挂片的腐蚀程度。其中出口挂片腐蚀速率明显高于进口挂片腐蚀速率，这是因为出口平均水温高于进口平均水温，出口处相对较高的水温加速了挂片的腐蚀。

3 结论与建议

（1）通过动态模拟试验，对火电厂在循环冷却水中投加缓蚀阻垢剂与控制碱度的方法进行了性能评估，结果表明：TRL-004L 缓蚀阻垢剂对抑制循环水结垢具有良好的效果，并有效降低了金属的腐蚀速率；缓蚀阻垢剂的投加量与循环冷却水极限浓缩倍率正相关。

（2）控制碱度的方法能在添加缓蚀阻垢剂的基础上再次提升循环水的浓缩倍率，并且对循环水换热系统的腐蚀速率影响极小。

（3）目前火电厂循环冷却水系统缓蚀阻垢剂实际投加量（5.0～8.0 mg/L）、实际浓缩倍率（3～5）与实验数据相比，仍有较大的优化空间。控制碱度有利于降低缓蚀阻垢剂的投加和减少循环水废水的排放量，降低了系统的运行成本。适当加酸控制碱度不会对循环水系统造成额外的腐蚀现象。以现有循环水补水量和控制碱度为1.25 mmol/L 的全碱度计算，单台机组每小时加硫酸量约为10 L，建议在维持现有缓蚀阻垢剂投加量的情况下加酸用以提高循环水的浓缩倍率。