臭氧處理電廠循環(huán)冷卻水的研究與應用
摘要:針對臭氧技術(shù)在電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工程應用，對其阻垢、緩蝕效果進行了研究。通過氣水高效傳質(zhì)、DO3控制等關(guān)鍵工藝設計，成功在電廠循環(huán)水系統(tǒng)應用，項目運行結(jié)果表明:采用臭氧技術(shù)改造后，實際運行數(shù)據(jù)顯示，660MW超超臨界機組的夏季運行真空和端差數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且趨勢穩(wěn)中趨優(yōu):真空處于－(89～95)kPa范圍內(nèi)，95%以上的端差處于0．5～3．5℃范圍內(nèi);運行53天后進行凝汽器性能試驗，結(jié)果顯示凝汽器端差改善28．27%、凝汽器壓力改善8．21%、低壓凝汽器清潔系數(shù)提高29．51%、高壓凝汽器清潔系數(shù)提高29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠節(jié)能降耗;臭氧技術(shù)處理后的循環(huán)水濁度、COD、氨氮等各項指標均優(yōu)于國標要求，且細菌總數(shù)＜3000CFU/mL，降低生物污垢存在風險;不銹鋼腐蝕速率遠小于0．005mm/a、總鐵遠小于0．5mg/L、總銅未檢出、pH在7～9范圍內(nèi)，實現(xiàn)良好的緩蝕效果。臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水，綠色環(huán)保的同時具有顯著的環(huán)境社會效益和一定的經(jīng)濟效益。該技術(shù)應用研究成果可為電廠循環(huán)冷卻水處理提供高效、低成本的“零”外排新思路。
0 引言
我國是缺水嚴重國家，人均水資源占有量僅占世界人均水平的1/4，水資源短缺問題已經(jīng)成為限制經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素［1］。國家頒布的《節(jié)約能源法》、《環(huán)境保護法》、“水十條”等法規(guī)，對工業(yè)企業(yè)用水量、排水量和排水水質(zhì)要求日益嚴格。
循環(huán)冷卻水用量占工業(yè)用水總量的50%～90%［2］，占比巨大。為提高水務管理水平，再生水回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為補充水、提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，是水資源短缺地區(qū)提高水資源利用率的主要手段。但由于再生水水質(zhì)較差、水中氮、磷和COD等營養(yǎng)物質(zhì)含量高，且濃縮倍數(shù)的提高，會提高換熱器結(jié)垢、腐蝕、微生物滋生的風險，以致影響換熱設備傳熱效率，降低設備使用壽命［3－4］。
隨著水處理研究工作的深入開展，大量的實踐和研究結(jié)果表明，化學藥劑處理循環(huán)冷卻水的效果受到人為因素影響，濃縮倍數(shù)的提升亦受到限制，且會給環(huán)境帶來二次污染［5］。因此，能在運行中長期有效保持換熱器清潔并提高循環(huán)水利用率，避免藥劑產(chǎn)生的環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)保增效的技術(shù)是循環(huán)冷卻水處理的重點研究方向。臭氧處理作為一項綠色、高效的循環(huán)水處理技術(shù)，受到廣泛重視。
臭氧氧化性極強，氧化還原電位為2．07V，僅次于氟，常被用于殺菌消毒、除味脫色、分解有機物等，在水處理行業(yè)應用廣泛。
在間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)，水溫常在25～40℃，此條件下環(huán)境空氣和補水引入的營養(yǎng)物質(zhì)及充足太陽光照，有利于微生物的繁殖。由于微生物的參與，間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)中垢的形成原因難以用單純的化學理論解釋。水垢與污垢在形成過程中彼此混雜，且存在互相促進的黏聚作用或催化作用［6］。
臭氧在間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)中的投加，可使水中有機物、微生物發(fā)生分解、斷裂，生物膜破壞、生物黏泥大大減少，進而使碳酸鈣等無機析出物無法附著。此外，有研究表明臭氧氧化垢層基質(zhì)中的有機成分，使垢層變松脫落;臭氧在水中釋放的單原子氧，容易吸附在金屬表面，阻止成垢物在金屬表面的附著;臭氧還能破壞水中的氫鍵使成垢的陰陽離子難以結(jié)合形成沉淀;臭氧可致碳酸鈣晶格畸變，結(jié)構(gòu)疏松，阻止成垢物質(zhì)生長、附著［6－7］。
臭氧作為強氧化劑，其緩蝕機理和鉻酸鹽緩蝕劑作用相似，主要表現(xiàn)為冷卻水中活潑的氧原子(O)與亞鐵離子反應后，在陽極表面形成一層含γ－Fe2O3的氧化物鈍化膜。這種膜薄而致密，與金屬結(jié)合牢固，阻礙水中溶解氧擴散到金屬表面，達到緩蝕作用。其次，含低濃度臭氧的水，pH值為8～9，不利于化學腐蝕發(fā)生。再次，臭氧能有效殺滅噬硫菌、噬鐵菌等微生物，防止微生物點蝕［8－9］。
將臭氧用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處理以起到阻垢緩蝕作用，在國內(nèi)外已有大量研究。相關(guān)文獻研究表明，臭氧作為兼具阻垢－緩蝕－殺菌多項功能的單一水處理劑，使循環(huán)水系統(tǒng)在較高濃縮倍數(shù)下安全運行，有效改善換熱器清潔狀態(tài)［10－11］。
1970年美國學者Odgen應用臭氧處理循環(huán)冷卻水，證明使用臭氧法具備獨特的優(yōu)勢［12］，第五十一屆國際水會議上，Pryor．A首次做了《臭氧冷卻水處理的特點與經(jīng)濟性》的報告，介紹了全美水處理公司利用該技術(shù)處理130多座冷卻塔的處理效果，并得出的結(jié)論:以臭氧作單一的水處理藥劑技術(shù)，能夠取代傳統(tǒng)處理技術(shù)，同時還可以進行阻垢緩蝕和殺菌滅藻［13］。20世紀90年代開始，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等研究院校對臭氧處理循環(huán)冷卻水開展相關(guān)實驗研究［10，14］。
本文結(jié)合實際運行案例數(shù)據(jù)，詳細分析臭氧處理循環(huán)冷卻水的阻垢緩蝕效果，以及臭氧技術(shù)改造帶來的經(jīng)濟、社會效益。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象
為積極響應國家環(huán)保政策，切實提高電廠水務管理水平，河南2個發(fā)電廠采用臭氧技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)進行了改造(改造概況見表1)，替代原有殺菌劑和阻垢緩蝕劑，優(yōu)化處理效果。本文對2個電廠采用臭氧技術(shù)改造后的循環(huán)水系統(tǒng)處理效果進行分析研究。
項目A為某2×3000kW自備電廠，該電廠雙機組配置3座機械風冷冷卻塔和2臺循環(huán)水泵，最大循環(huán)水量為2400m3/h，保有水量2000m3。凝汽器和相關(guān)輔機材質(zhì)為HSn70－1黃銅。循環(huán)水補充水為地表水，改造前采用陽離子交換法降低硬度，但勞動強度大且運行費用高，系統(tǒng)存在污堵和點蝕問題。采用臭氧技術(shù)改造后，補充水直補循環(huán)水系統(tǒng)，提升濃縮倍數(shù)，改善凝汽管換熱效果并有效緩蝕。
項目B為某2×660MW超超臨界火電廠，為實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、減排，按分步實施的原則實現(xiàn)廢水零排放。該電廠每臺機組配置一座淋水面積為9000m2的逆流式自然通風冷卻塔和2臺循環(huán)水泵，滿負荷時，設計總循環(huán)水量為140257m3/h，實際總循環(huán)水量為129090m3/h，保有水量50000m3。凝汽器和輔機材質(zhì)均為317L，循環(huán)冷卻水補充水以城市中水為主要水源，補充水預處理系統(tǒng)采用石灰軟化工藝。在采用臭氧改造前，循環(huán)水濃縮倍數(shù)設計值為4．85，臭氧改造后，設計循環(huán)水濃縮倍數(shù)提高至8．5，實現(xiàn)了循環(huán)水排水供脫硫和消防系統(tǒng)利用，不外排。
1.2 研究方法及工藝設計
1.2.1 試驗依據(jù)及檢測方法
本研究中凝汽器性能測試遵循以下規(guī)范:Standardsforsteamsurfacecondensers，tenthedition，HeatExchangeInstitute(HEI)，2006(美國傳熱學會標準);《汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程》(GB/T8117．1－2008);《凝汽器與真空系統(tǒng)運行維護導則》(DL/T932－2005);《表面式凝汽器運行性能試驗規(guī)程》(DL/T1078－2007);水和水蒸汽性質(zhì)表:國際公式化委員會IFC－1967公式。項目運行效果評估中的指標檢測方法列于表2。
1.2.2 臭氧氣體制備及經(jīng)濟效益核算方法
環(huán)境空氣經(jīng)空壓機壓縮成為高壓空氣，再經(jīng)冷干機冷卻干燥后儲存在空氣儲罐，空氣儲罐的空氣輸送至制氧機制備為高純度的氧氣儲存在氧氣儲罐，氧氣經(jīng)過臭氧發(fā)生器高壓放電制備成高濃度、高壓力的臭氧氣體。
項目的經(jīng)濟效益核算:節(jié)水效益依據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》(GB/T50050－2017)進行計算，結(jié)合電廠實際用水價格計算;節(jié)能效益計算基于凝汽器性能測試的真空改善數(shù)值，結(jié)合電廠所用汽輪機的背壓對熱耗修正曲線，計算熱耗改變數(shù)值，進而計算標煤節(jié)約量，核算節(jié)煤效益。節(jié)省化學藥劑效益來自項目改造前的廠內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。臭氧系統(tǒng)電耗增加根據(jù)系統(tǒng)設備運行功率進行核算。
1.2.3 高效傳質(zhì)設計
為取得臭氧技術(shù)的工藝效果，須保證臭氧充分溶解于水中并保持一定的濃度，所以需要設計高效率的氣水傳質(zhì)裝置，將臭氧氣體混合溶解于水。傳質(zhì)效率(即氣體溶解于水中的效率，以下簡稱“MTE”—MassTransferEfficiency)越高，達到工藝所需水中臭氧濃度所需的臭氧量越少，臭氧發(fā)生器及其配套設備的選型可越小，投資和運行成本也越低。
1.2.4 臭氧投加量確定
根據(jù)建設項目循環(huán)冷卻水補充水水質(zhì)，依據(jù)《臭氧處理循環(huán)水冷卻水設計規(guī)范》(GB/T32107－2015)，進行臭氧投加量的設計。由于不同項目水質(zhì)不同，水體中消耗臭氧的成分不同，對臭氧的消耗量不定，不同水體、不同水質(zhì)、不同工況下的臭氧消耗量，均先行小試試驗，根據(jù)試驗結(jié)果指導工程臭氧投加量設計。
1.2.5 DO3控制設計
注入循環(huán)冷卻水中臭氧濃度(DO3)，在符合《臭氧處理循環(huán)水冷卻水設計規(guī)范》(GB/T32107－2015)的同時，還要對濃度進行精確控制。循環(huán)水中臭氧濃度不足，會影響處理效果;濃度過高，則會增加設備系統(tǒng)(包括空壓機、制氧機、冷干機、臭氧發(fā)生器和冷凍機)生產(chǎn)臭氧的能耗，造成浪費。因此，通過自控系統(tǒng)，實時、連續(xù)、自動地將循環(huán)水中臭氧濃度控制于合適水平。
1.2.6 防臭氧逸散設計
為充分利用臭氧，同時防止臭氧逸散環(huán)境造成危害，采用以下措施:一是臭氧現(xiàn)制現(xiàn)用，不存儲，并在臭氧制備車間設置臭氧濃度監(jiān)測儀表，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》設置報警限值，一旦發(fā)生臭氧泄漏報警，整個設備系統(tǒng)自動斷電，不再生產(chǎn)臭氧;二是臭氧氣體在帶壓密閉管道注入，防止臭氧逸散;三是通過水中臭氧濃度精準控制，經(jīng)過換熱器和冷卻塔后無多余臭氧逸散環(huán)境。
2 結(jié)果與討論
為分析2個項目的實際運行效果，對項目的補充水及循環(huán)水水質(zhì)、凝汽器阻垢緩蝕效果進行數(shù)據(jù)分析。
2.1 水質(zhì)分析
以項目B為例，對循環(huán)水系統(tǒng)的補充水和2個機組的循環(huán)水進行水質(zhì)分析。采用臭氧技術(shù)改造后，2018年10月至2019年10月水質(zhì)數(shù)據(jù)范圍如表3所示。
由表3數(shù)據(jù)可見，項目B在運行期間，循環(huán)水的補充水水質(zhì)較為穩(wěn)定，基本符合再生水用于循環(huán)水補充水的水質(zhì)要求。補充水的總硬度、總堿度和細菌總數(shù)相對較高，循環(huán)水系統(tǒng)具有相對較高的污堵風險，因此需要對循環(huán)水系統(tǒng)進行高效處理。從循環(huán)水水質(zhì)可見，各項指標均優(yōu)于國標要求，同時細菌總數(shù)含量較低，生物污垢存在風險低。
2.2 阻垢效果分析
2.2.1 換熱效率提升
為評價臭氧處理循環(huán)水的阻垢效果，對項目B開展了改造前后凝汽器性能對比測試，并以清潔系數(shù)、端差(熱值差，下同)、真空等指標的變化進行了評價。
第三方機構(gòu)對項目B的2號機組進行凝汽器本底性能試驗和臭氧系統(tǒng)運行53天后凝汽器性能試驗，兩次試驗結(jié)果修正到相同凝汽器熱負荷、相同冷卻水進口溫度和相同冷卻水流量條件下進行對比分析，相同熱負荷工況(以凝汽器本底性能試驗熱負荷為基準)下凝汽器性能對比結(jié)果如表4所示。
從表4可知，以2號機組凝汽器熱負荷2425875MJ/h(對應于本底600MW工況熱負荷)為基準，在設計冷卻水進口溫度為20℃、設計冷卻水流量為64350m3/h條件下，凝汽器本底試驗傳熱端差為5．20℃，凝汽器壓力為4．75kPa，臭氧系統(tǒng)運行53天后，凝汽器傳熱端差為3．73℃，凝汽器壓力為4．36kPa。與凝汽器本底試驗對比，凝汽器傳熱端差降低約1．47℃，壓力降低約0．39kPa;凝汽器傳熱端差降低約28．27%，壓力降低約8．21%。臭氧系統(tǒng)運行53天后，低壓凝汽器運行清潔系數(shù)由0．61提高至0．79，提高29．51%;高壓凝汽器運行清潔系數(shù)由0．73提高至0．89，提高21．92%。應用臭氧技術(shù)后，凝汽器真空和端差改善，運行清潔系數(shù)明顯提高，體現(xiàn)了該技術(shù)的阻垢效果。
2.2.2 凝汽器真空、端差運行趨勢
2個采用臭氧技術(shù)改造的項目均自2018年運行至今，項目運行人員采集了部分時段凝汽器真空和端差實際運行值，數(shù)據(jù)繪圖，并進行運行趨勢定性分析，以評估臭氧處理循環(huán)冷卻水的阻垢效果。重點選取結(jié)垢風險最高的5～9月數(shù)據(jù)進行分析，如圖1～6所示。
從圖1～6中可見，夏季運行期間，2個項目機組負荷均較平穩(wěn)，真空與端差波動主要隨負荷波動，且數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，整體趨勢保持向優(yōu)。此期間，項目A真空運行數(shù)據(jù)處于－(81～91)kPa范圍內(nèi)，端差運行數(shù)據(jù)處于6．5～13．5℃范圍內(nèi)。項目B的1號和2號機組真空運行數(shù)據(jù)均處于－(89～95)kPa范圍內(nèi)，1號機組端差運行數(shù)據(jù)處于0．5～3．5℃范圍內(nèi)，2號機組除因負荷突變導致的個別數(shù)據(jù)達到4～5℃外，95%以上端差處于1～2．5℃范圍內(nèi)。2個項目凝汽器真空和端差運行數(shù)據(jù)良好，反映了采用臭氧技術(shù)改造的阻垢、脫垢效果。
2.3 緩蝕效果分析
2.3.1 pH、總鐵、總銅
為分析臭氧技術(shù)改造后的緩蝕效果，在臭氧系統(tǒng)正式運行的一年內(nèi)，由第三方水質(zhì)檢測機構(gòu)每1～2月取循環(huán)冷卻水水樣檢測分析pH、總鐵、總銅，數(shù)據(jù)如表5、表6所示。
結(jié)果顯示循環(huán)水pH保持弱堿性，有利于緩蝕;兩個項目的循環(huán)水中總鐵滿足標準DL/T300－2011規(guī)定:(≤0．5mg/L)及標準GB/T50050－2017規(guī)定:(≤2．0mg/L)的要求;項目A的循環(huán)水中總銅未檢出。以上檢測結(jié)果表明采用臭氧處理后的循環(huán)水系統(tǒng)緩蝕效果良好。
2.3.2 腐蝕速率
項目B在循環(huán)水采用臭氧高效水處理系統(tǒng)期間，分別在2個機組的凝汽器入口處安裝模擬監(jiān)控裝置。第三方檢測機構(gòu)懸掛TP316、TP317不銹鋼腐蝕試片進行腐蝕速率檢測，此期間試片表面流速約為1．04m/s，結(jié)果如表7所示。測試結(jié)果顯示，在凝汽器入口循環(huán)水水溫條件下，TP316和TP317不銹鋼材料的均勻腐蝕速率均滿足標準GB/T50050－2017的規(guī)定(≤0．005mm/a)要求。
2.4 效益分析
2個火電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用臭氧協(xié)同技術(shù)改造后，既節(jié)水減排，減少水資源費和廢水深度處理費用，又降本增效，提高了資源利用率，還節(jié)約了化學藥劑費用。
以項目B為例，改造后取得的經(jīng)濟效益按設計年利用小時5500h計算，則:
節(jié)水效益:依據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》中5.0.6的公式計算。循環(huán)水量按照滿負荷130000m3/h計，循環(huán)冷卻水進出水溫差平均10℃計，根據(jù)氣溫對應k值取全年均值0．001268。濃縮倍數(shù)從4．85提升至8．50，年節(jié)水量116萬t，補充水單價為1．3元/m3，則節(jié)約水費151萬元/a。
節(jié)煤效益:根據(jù)凝汽器性能測試結(jié)果，凝汽器壓力降低0．39kPa;依據(jù)汽輪機廠家提供的背壓與熱耗曲線圖，凝汽器壓力在4．9～12kPa區(qū)間時，凝汽器壓力每降低1kPa，熱耗率降低1．3%，則節(jié)煤量=額定熱耗×1．3%×0．39÷標煤熱值×660×103×2×5500×10－6，其中額定熱耗為7426kJ/(kW·h)，標煤熱值29307kJ/kg，則節(jié)煤量為9293t標煤/a。
按照平均入爐含稅標煤價764元/t計算，年節(jié)約費用:9293×764≈710萬元。
節(jié)省化學藥劑效益:根據(jù)項目改造前電廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年平均使用阻垢緩蝕劑及殺菌劑260t，費用為130萬元。
臭氧系統(tǒng)電耗:臭氧系統(tǒng)設備運行功率為498kW，年耗電量為498×5500≈274萬(kW·h)，廠用電成本價0．385元/(kW·h)，則年用電費用約105萬元。
采用臭氧技術(shù)改造后，項目B取得的經(jīng)濟效益顯著，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。
3 結(jié)論
(1)采用臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水，省卻了阻垢緩蝕劑和殺菌劑等藥劑投加，綠色環(huán)保。
(2)采用臭氧技術(shù)改造后，兩個項目的夏季運行真空和端差均穩(wěn)定且趨勢向優(yōu)。對于660MW的超超臨界機組，真空運行數(shù)據(jù)均處于－(89～95)kPa范圍內(nèi)，95%以上端差處于0．5～3．5℃范圍內(nèi)。反映了采用臭氧技術(shù)改造的阻垢、脫垢效果。
(3)采用臭氧技術(shù)改造后，項目B經(jīng)過凝汽器性能測試，結(jié)果顯示，經(jīng)過53天的運行，凝汽器端差改善28．27%、凝汽器壓力改善8．21%、低壓凝汽器清潔系數(shù)提高29．51%、高壓凝汽器清潔系數(shù)提高29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠節(jié)能降耗。
(4)采用臭氧技術(shù)處理的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，不銹鋼腐蝕速率遠小于0．005mm/a、總銅未檢出、總鐵遠小于0．5mg/L、pH在7～9范圍內(nèi)，實現(xiàn)了良好的緩蝕效果。
(5)經(jīng)臭氧技術(shù)處理的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，濁度、COD、氨氮、細菌總數(shù)等各項水質(zhì)指標均優(yōu)于國標要求，優(yōu)化了水質(zhì)。同時循環(huán)水濃縮倍數(shù)提升，在夏季達到甚至超出設計值，具有顯著的節(jié)水減排作用。
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