火電廠循環冷卻水處理方案的選擇
在循環水水質較差的大容量火電廠中，循環冷卻水排污量大；當除灰系統為干式除灰時，大量的循環冷卻水排污水就無法重復利用。為了減少循環冷卻水系統的排污量，節約用水，就需適當提高循環水的濃縮倍率。但如果補充水水質較差，又要求循環水高濃縮倍數運行，就必須對循環水的補充水進行處理。目前，處理方法多種多樣，各有利弊。根據詳細的技術經濟比較結論看，在循環水水質較差，即HCO32-、Ca2+、SO42-都較高的大容量火電廠中，循環水補充水宜選用“部分弱酸樹脂和穩定劑聯合處理系統”。
現以一個2×2023t/h 鍋爐和2×600MW 凝汽式汽輪發電機組（正壓氣力除灰）的設計水量和水質為例，通過計算和經濟技術比較予以說明。
1 循環水設計水量及其給水水質
1.1 循環水設計水量
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表1 循環水設計水量和各項損失量 |
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項目 |
水量/（t.h-1) |
損失率（%） |
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循環水總量 |
140000 |
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循環水補充量 |
2559 |
1.75 |
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蒸發損失量（平均） |
2069 |
1.478 |
|
風吹損失量 |
140 |
0.10 |
|
排污量（平均） |
350 |
0.25 |
|
濃縮倍率 |
5 |
|
1.2 循環水補給水設計水質
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表2 循環水補給水設計水質 |
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分析項目 |
質量濃度/（mg.L-1) |
濃度/（mmol.L-1) |
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陽離子 |
Na+ |
12.2 |
0.53 |
|
K+ |
3.0 |
0.08 |
|
|
Ca2+ |
90.2 |
4.51 |
|
|
Mg2+ |
20.7 |
1.73 |
|
|
陰離子 |
OH- |
0 |
0 |
|
CO32- |
0 |
0 |
|
|
HCO3- |
237.3 |
3.89 |
|
|
Cl- |
13.6 |
0.38 |
|
|
SO42- |
108.0 |
2.25 |
|
|
NO3- |
20.0 |
0.32 |
|
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硬度 |
總硬度 |
|
5.20 |
|
非碳酸鹽硬度（永久硬度） |
|
2.31 |
|
|
碳酸鹽硬度（暫時硬度） |
|
3.89 |
|
|
酸堿度 |
總堿度 |
|
3.89 |
|
pH |
|
7.79 |
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|
其它 |
總固體 |
456.0 |
|
|
溶解固體 |
413.4 |
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|
懸浮物 |
42.6 |
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|
灼燒減少固體 |
136.8 |
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|
全硅（SiO2) |
8.0 |
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活性硅（SiO2) |
6.5 |
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|
膠硅（SiO2) |
1.5 |
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|
化學耗氧量CODMn |
0.9 |
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|
電導率（25℃）μS/cm |
|
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|
游離CO2 |
6.6 |
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2 設計方案的選擇
該系統除灰采用干式除灰，循環水排污水的重復利用率很低，為了節水節能，要求循環水在高濃縮倍率下運行。
當濃縮倍率為5倍時，計算的循環水的郎格利爾飽和指數為3.74、雷茲納穩定指數為1.58。可以判斷出循環水處于嚴重的結垢狀態。因此，必須對循環水補充水進行適當的處理，才能使凝汽器處于良好的運行狀態。
2.1 常用防垢方法
① 單純加硫酸處理：在循環水補充水中加入H2SO4，利用H2SO4中和水中堿度的方法來保證循環水的穩定運行。
② 加硫酸和穩定劑處理：先在循環水補充水中加入一定量的H2SO4，使補充水的堿度降到一定程度，再利用加水質穩定劑來保證循環水穩定運行。
③ 石灰處理：向澄清池中投加石灰乳，使水中的堿度和碳酸鹽硬度降低，不產生CaCO3結垢。
④ 全部弱酸樹脂處理：利用弱酸陽離子交換樹脂除去水中碳酸鹽硬度和部分堿度。使循環水中的硬度和堿度降低。再用緩蝕劑來防止循環水系統的腐蝕。
⑤部分弱酸樹脂處理：將一部分補充水采用弱酸樹脂處理，加入穩定劑進行穩定處理，以保證循環水中的碳酸鹽不結垢。該方法也叫“部分弱酸樹脂和穩定劑聯合處理系統”。
2.2 常用防垢方法的比較
對于方法①②，由于大多數工程的冷卻塔環境類別屬于Ⅰ類，允許循環水中的SO42-含量到500mg/L，超過時就會對其混凝土產生中等腐蝕。該系統一般宜控制循環水中SO42-含量小于1500mg/L。補給水中SO42-含量為108.0mg/L，經計算，如果采用方法①和②，循環水中SO42-含量將大于1500mg/L，補給水SO42-含量高的系統不適合采用“加酸處理”方案。
對于方案③，由于系統復雜，運行環境差，管道容易堵塞，計量系統自動化較難實現。因此，明顯不適合運行人員少、自動化水平高的大容量機組采用。
因此，經濟可行的處理方案只有④全部弱酸樹脂處理系統，⑤部分弱酸樹脂處理系統。
3 弱酸樹脂處理方案的確定
3.1 全部弱酸樹脂處理系統
3.1.1 對水質的適用性
根據有關資料[2]詳細計算后知，控制弱酸樹脂交換器平均出水鈣離子含量為0.670mmo歟疞時，平均堿度為0.17mmol/L。如以這樣的出水水質做循環水補充水，當循環水濃縮倍率為5時，循環水朗格利爾指數為0，雷茲納指數為7.7。這說明循環水的碳酸鹽是處于穩定狀態。
當弱酸離子交換器平均出水堿度為0.17 mmol/L，據有關資料計算后知，雙流弱酸床如上層樹脂裝填高度為1000，下層樹脂裝填高度為1300，上層樹脂工作交換容量就為2000 mol/m3（D113樹脂）。
關鍵的問題是，在實際運行中，要想使循環水處于既不結垢、又不腐蝕的狀態是比較困難的。這可以從郎格利爾指數和雷茲納飽和指數的控制上看出這一點。理論上郎格利爾指數為0，雷茲納指數為6.0時，循環水處于既不結垢也不腐蝕的狀態，但是兩指數很難同時達到上述條件。另外，全部弱酸處理水中[HCO3-]/｛[Cl-]＋[SO42-]｝（以mg/L計）的比值變得遠遠小于1，這很不利于點蝕的控制。因此，如果采用全部弱酸處理水作為循環水補給水，就應輔以加緩蝕劑處理，以控制腐蝕。特別是在機組啟動初期，循環水濃縮倍率較低時，加緩蝕劑至關重要。
綜上所述，循環水補充水采用全部弱酸樹脂處理水，技術上是可行的，只要控制系統在合適的出水水質范圍內，再輔以普遍采用的緩蝕劑處理來消除腐蝕問題，就能保證循環水處于穩定的運行狀態。
3.1.2 優缺點比較
采用全軟化處理的優點是在除去水中堿度的同時也除去了水中部分硬度，從根本上解決了結垢問題。系統簡單、運行條件好、易于實現自動化操作和控制。缺點是基建投資大、運行費用高、占地面積大。控制不好易發生腐蝕。廢水排放量大，約為172t/h，使廢水處理系統負擔增加、費用增大。
3.2 部分弱酸樹脂處理系統
3.2.1 對水質的適用性
依據水質資料及其它有關資料。經詳細計算后得知，如將60%的弱酸樹脂處理水與40%的生水混合，其混合后的水質見表3。如以此水作循環水補充水，循環水的郎格利爾指數為2.37，雷茲納指數為3.81，pH值為8.5，碳酸鹽硬度為8.3mmol/L。從指數上看，該水結垢較嚴重，但目前電站循環水中應用的穩定劑能夠將循環水中的碳酸鹽硬度穩定9mmol/L以上。因此，只要加入合適的穩定劑，就能使循環水既不結垢、也不腐蝕，處于良好的運行狀態。
另外，該處理方案對循環水的結垢和腐蝕平衡的要求，不象全部弱酸處理時那么苛刻——必須控制循環水的郎格利爾指數為0。一般設計控制郎格利爾指數為2.5，實際上不結垢的條件要比2.5高一些，因而水質允許在一定范圍內波動。另外，點蝕指標[HCO3-]/｛[Cl-]＋[SO42-]｝（比全部弱酸處理時大很多，這對控制點蝕很有利。
3.2.2 優缺點比較
采用部分軟化處理的優點是系統運行條件好，易于實現自動化。投資和占地面積較之全部弱酸處理系統減少了近20%，運行費用也減少34%左右運行時水質容易控制，安全可靠，廢水排放量小，缺點是較之全部弱酸處理來說，運行操作復雜一點。
3.3 兩種方案的經濟比較
兩種方案的主要經濟指標見表4。
|
表3 生水及各系統平均出水、循環水水質對照 |
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|
項目 |
生水水質 |
全部弱酸樹脂處理 |
60%弱酸樹脂處理 |
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|
系統出水水質 |
預計循環水水質 |
系統出水水質 |
預計循環水水質 |
|
|||
|
Na+/(mg.L-1) |
12.2 |
12.0 |
61 |
12.2 |
61 |
|
|
|
K+/(mg.L-1) |
3.0 |
3.0 |
15 |
3.0 |
15 |
|
|
|
Ca2+/(mg.L-1) |
90.2 |
13.4 |
67 |
44.2 |
221 |
|
|
|
Mg2+/(mg.L-1) |
20.7 |
20.7 |
103.5 |
20.7 |
103.05 |
|
|
|
Cl-/(mg.L-1) |
13.6 |
13.6 |
68 |
13.6 |
68 |
|
|
|
SO42-/(mg.L-1) |
108.0 |
108.0 |
540 |
108.0 |
540 |
|
|
|
NO3-/(mg.L-1) |
20.0 |
20.0 |
100 |
20.0 |
100 |
|
|
|
HCO3-/(mg.L-1) |
237.3 |
10.37 |
51.85 |
101.26 |
506.3 |
|
|
|
CO32-/(mg.L-1) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
OH-/(mg.L-1) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
CO2/(mg.L-1) |
6.6 |
163.68 |
1.5 |
98.12 |
1.5 |
|
|
|
SiO2/(mg.L-1) |
8.0 |
8.0 |
40 |
8.0 |
40 |
|
|
|
全固形物/（mg.L-1) |
456.0 |
372.95 |
1047.85 |
429.08 |
1656.3 |
|
|
|
pH |
7.79 |
|
7.7 |
|
8.5 |
|
|
|
循環水穩定性判斷 |
飽和pH值pHs |
5.32 |
|
7.7 |
|
6.18 |
|
|
郎格利爾指數 |
3.74 |
|
0 |
|
2.37 |
|
|
|
雷茲納指數 |
1.58 |
|
7.0 |
|
3.81 |
|
|
|
穩定性 |
嚴重結垢 |
|
稍有波動就腐蝕（加緩蝕劑防腐） |
|
結垢（加穩定劑穩定） |
|
|
|
表4 兩種處理方案的主要荊棘指標 |
|||
|
項目 |
全部弱酸樹脂處理系統 |
60%弱酸樹指處理系統 |
|
|
占地面積/m3 |
1875 |
1500 |
|
|
軟化水設備總動力/（t.h-1) |
2738 |
1643 |
|
|
系統總投資/萬元 |
1500 |
1200 |
|
|
設備年折舊費/萬元 |
30 |
24 |
|
|
年藥品消耗量 |
98%硫酸/t、萬元 |
3220t、193.2萬元 |
1932t、115、92萬元 |
|
水穩劑/t、萬元 |
|
45t、62.1萬元 |
|
|
緩蝕劑/t、萬元 |
30t、70.8萬元 |
|
|
|
藥品年消耗費/萬元 |
264 |
178.02 |
|
|
系統年耗電量/kWh |
728000 |
436800 |
|
|
年電費/萬元 |
15.29 |
9.17 |
|
|
樹脂年填補量/t |
4.3 |
2.58 |
|
|
樹脂年消耗費/萬元 |
12.9 |
7.74 |
|
|
系統年增加水耗/t |
879000 |
52740 |
|
|
系統年增加水耗及處理費/（萬元.a-1) |
70.32 |
42.19 |
|
|
年總年運行費/萬元 |
392.51 |
261.12 |
|
|
廢物排放 |
廢水排放量/（m3.d-1) |
4116 |
2470 |
|
廢渣排放量/（t.d-1) |
14.87(廢水中含CaSO4) |
8.92(廢水中含CaSO4) |
|
|
濃縮倍率 |
5 |
5 |
|
4 結束語
綜合前面的分析、技術及經濟比較，可以看出，在補充水的HCO32- 、Ca2+ 、SO42-都較高的大容量火電廠中的循環冷卻水處理設計中，補充水處理方法宜選用“部分弱酸樹脂和穩定劑聯合處理系統”。該處理方法具有運行濃縮倍率高，排污量小，運行容易控制，安全可靠；廢水排放量小，投資和運行費用都低的特點。
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