孫愛華

(江蘇常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市新型紡織材料重點實驗室，江蘇 常州 213164)

電廠敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)里，循環(huán)冷卻水長時間反復(fù)使用，經(jīng)過冷水塔的循環(huán)水與含低濃度CO2的空氣接觸，水中的CO2被空氣抽提而溢出，使水中的重碳酸鹽類幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}類，使生產(chǎn)碳酸鹽垢的趨勢增強(qiáng)。隨著濃縮倍數(shù)提高[1]，水中溶解固體及雜質(zhì)不斷濃縮集聚，改變水中pH值、濁度、硬度等，結(jié)垢現(xiàn)象日趨嚴(yán)重?？諝庵谢覊m帶有大量微生物和孢子，在循環(huán)水適宜的溫度(25～42℃)，冷卻塔內(nèi)的光照，充足的氧和養(yǎng)分利于菌藻滋生，微生物粘泥增加，由于循環(huán)水排污比率很小，導(dǎo)致污垢不斷濃縮，附著在設(shè)備上，降低換熱效率[2]，加劇腐蝕，危害較大。

1 企業(yè)概況

某電廠，現(xiàn)有#1(一期，210MW)、#2(一期，200MW)、#5(三期，600MW)、#6(三期，600MW)機(jī)組，運(yùn)行系統(tǒng)中包含循環(huán)水系統(tǒng)，補(bǔ)充水為中水，來源于煤礦廢水處理出水，由疏干水和除鐵水組成。#1、#2系統(tǒng)冷卻塔換熱管的材質(zhì)為銅合金，系統(tǒng)濃縮倍率2～2.5左右； #5、#6系統(tǒng)冷卻塔換熱管材質(zhì)已改造為不銹鋼材質(zhì)，系統(tǒng)濃縮倍率相對于一期系統(tǒng)高。這兩期都由于補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢和腐蝕。

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，存在問題主要有：

(1)循環(huán)水濃縮倍率相對較低，一般在2左右，水資源利用率較低。

(2)整個系統(tǒng)存在一定結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象，其中一期主要原因為銅特效緩蝕劑投加量不足，三期為總磷控制在低水平運(yùn)行。

(3)水處理劑采用人工沖擊投加方式，存在一定隨意性和不定量型。

因此，對于循環(huán)水系統(tǒng)，主要需解決的問題是：結(jié)垢、腐蝕[3]。通過自配藥劑CS-5130和535，對循環(huán)水系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理，兩種藥劑性能評價試驗和實際應(yīng)用效果如下。

2 藥劑性能評價試驗

2.1 阻垢測試(鼓泡法)

2.1.1 試驗方法

冷卻水中的結(jié)垢，主要成因是溶解于水中的碳酸氫鈣在受熱和曝氣條件下分解，生成難溶的碳酸鈣垢引起，其主要反應(yīng)式為：

Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2↑+H2O

試驗時以含Ca(HCO3)2的配制水和水質(zhì)穩(wěn)定劑制備成試液(模擬冷卻水)。為模擬冷卻水在換熱器中的受熱和在冷卻塔中的曝氣兩個過程，試驗在一定溫度下，向試液中鼓入一定流量空氣，以帶走試液中生成的CO2，使上述反應(yīng)平衡向右側(cè)移動，促使Ca(HCO3)2加速分解為CaCO3，試液迅速達(dá)到其自然平衡pH。測定試液中鈣離子穩(wěn)定濃度，其穩(wěn)定濃度越大，阻垢性能越好。

2.1.2 試驗用水

濃縮倍率設(shè)計：根據(jù)要求，參照GB 50050-2007《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，循環(huán)水運(yùn)行濃縮倍率設(shè)計為K=5。

模擬水質(zhì)：根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)分析結(jié)果配制試驗水，表1為濃縮3.0倍和4.0倍時配水?dāng)?shù)據(jù)。

表1 配水?dāng)?shù)據(jù)

2.1.3 試驗儀器及試驗條件

(1)KZC--Ⅰ快速阻垢性能測試儀。

(2)水溫：55℃。

(3)運(yùn)行時間：20h。

(4)阻垢緩蝕劑：CS-5130、535。

2.1.4 試驗步驟

兩種阻垢緩蝕劑試驗，各取500mL水樣于8支500mL燒瓶，分別加入阻垢緩蝕劑，K=3.0時加入12×10-6、18×10-6、24×10-6及一只空白，K=4.0時加入16×10-6、24×10-6、32×10-6及一只空白。

將燒瓶浸入55±0.5℃恒溫水浴，同時以80L/h流量鼓入空氣，20h后，停止鼓入空氣，取出燒瓶，冷卻至室溫，測水中Ca2+濃度。

阻垢率按下式計算：

阻垢率(%)=(A-B)/(C-B)×100%

式中：A為試驗后水中Ca2+濃度，mg/L； B為空白試驗水中Ca2+濃度，mg/L； C為試驗前配水中Ca2+濃度，mg/L。

2.1.5 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果見表2～表5。

表2 循環(huán)水系統(tǒng)投加CS-5130，K=3.0倍時阻垢結(jié)果

表3 循環(huán)水系統(tǒng)投加CS-5130，K=4.0倍時阻垢結(jié)果

表4 循環(huán)水系統(tǒng)投加535，K=3.0倍時阻垢結(jié)果

表5 循環(huán)水系統(tǒng)投加535，K=4.0倍時阻垢結(jié)果

由實驗可知，CS-5130和535(阻垢緩蝕劑)在強(qiáng)化條件(N=3.0、4.0)時，其阻垢效果均十分顯著,投加濃度按照補(bǔ)水濃度6×10-6以上時，阻垢率可達(dá)90%以上。因此，根據(jù)阻垢效果，選擇藥劑濃度要求投加到6×10-6以上，可達(dá)到較好阻垢效果。濃縮倍數(shù)控制在2.0～3.0之間，總磷控制在1.5～2.0×10-6；濃縮倍數(shù)控制在3.0～3.5之間，總磷控制在2.0～2.5×10-6；濃縮倍數(shù)控制在>3.5，總磷控制在2.5～3.0×10-6。

2.2 腐蝕試驗

腐蝕試驗采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗法[4]，它是在一定條件下，用旋轉(zhuǎn)掛片來評定腐蝕速度的方法，同時檢測同種藥劑在不同濃度和不同材質(zhì)下試片腐蝕大小。

2.2.1 試驗方法

旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗是在給定條件下，通過不同試片、藥劑投加量、水溫、旋轉(zhuǎn)速度來綜合評定水處理劑緩蝕性能。

2.2.2 腐蝕原因

2.2.3 試驗條件

(1)試驗前準(zhǔn)備：根據(jù)系統(tǒng)水質(zhì)配制20升模擬水，考慮到補(bǔ)充水腐蝕傾向較大，采用補(bǔ)水做腐蝕試驗，投加濃度定為10×10-6、15×10-6，水中總磷為1.5×10-6、2.25×10-6(模擬現(xiàn)場水中總磷濃度)，另投加高效銅緩蝕劑保證水中唑類含量為0.3×10-6、0.4×10-6兩個計量。試驗材質(zhì)CS-5130選用銅材質(zhì)，535選用不銹鋼材質(zhì)。

(2)時間：(各)96h。

(3)轉(zhuǎn)速：70r/min。

(4)線速度：0.35m/s。

(5)溫度：45±1℃。

2.2.4 試驗步驟

將模擬水分別倒入2000mL燒杯，各加入CS-5130、535各10×10-6、15×10-6。

將清洗干凈的兩種不同材質(zhì)掛片固定在同一旋轉(zhuǎn)架上，放入燒杯中旋轉(zhuǎn)。每36h更換一次試驗液。試驗結(jié)束后取出掛片，清除表面污物，根據(jù)失重計算各材質(zhì)的腐蝕率。

腐蝕率K=[8.76×(W1-W2)/f·t·r]×10000

式中：K為腐蝕率，mm/a；8.76為常數(shù)；W1為試驗前重，g；W2為試驗后重，g；t為試驗時間，h；f為試片表面積，cm2；r為金屬密度，g/cm3；其中：銅：8.94，不銹鋼：7.92。

2.2.5 試驗結(jié)果(平行試驗)及分析

表6 旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗結(jié)果

由試驗表6可知，兩種藥劑對銅和不銹鋼都具有較好的緩蝕效果(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：腐蝕率≤0.005mm/a[6])。另外，藥劑對銅腐蝕控制，主要通過水中唑類進(jìn)行控制，唑類控制>0.4×10-6時，對銅的腐蝕具有較好控制作用。不銹鋼通過投加有機(jī)磷進(jìn)行防腐控制，總磷>1.5×10-6時，控制效果較好。

2.3 總結(jié)

綜上所述，試驗結(jié)果建議該電廠循環(huán)冷卻水投加CS-5130和535藥劑，投加濃度為6×10-6都可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，能夠起到較好的阻垢性能和緩蝕效果。

3 實際投加運(yùn)行狀況分析

根據(jù)試驗在#2、#5、#6系統(tǒng)循環(huán)冷卻水投加兩種藥劑混合物，其中，#2系統(tǒng)中同時加入BTA(苯駢三氮唑)，#5、#6系統(tǒng)未加BTA。系統(tǒng)經(jīng)一個月運(yùn)行，其水質(zhì)情況如下。

3.1 循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定性分析

三系統(tǒng)pH值控制較穩(wěn)定，在9±0.2之間，通過對前后各一個月循環(huán)水加藥水質(zhì)穩(wěn)定性分析以判斷其結(jié)垢腐蝕的可能性及其加藥效果。循環(huán)水的水質(zhì)L.S.I(水質(zhì)飽和指數(shù))和R.S.I(水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù))[7](以45℃時計算)見表7。可看出，在加藥前后，水質(zhì)發(fā)生明顯好轉(zhuǎn)，原存在較高結(jié)垢可能性(R.S.I<3.7)，現(xiàn)水質(zhì)趨于穩(wěn)定，結(jié)垢問題得到改善。

表7 加藥前后水質(zhì)飽和與穩(wěn)定指數(shù)比對

3.2 堿度、硬度情況分析

堿度指水中能接收H+物質(zhì)的量，是循環(huán)水質(zhì)量指標(biāo)之一，其高低決定循環(huán)水結(jié)垢及腐蝕傾向[8]，新國標(biāo)把堿度+硬度不大于1100mg/L作為循環(huán)水控制指標(biāo)。加藥后，#2、#5、#6系統(tǒng)堿度和硬度檢測結(jié)果如圖1、圖2，堿度和硬度趨于穩(wěn)定。在對測量值單位換算后與加藥前一個月數(shù)值比較，見表8，堿度+硬度逐漸減小，仍屬超高硬度水，水質(zhì)結(jié)垢趨勢仍很強(qiáng)，但結(jié)垢風(fēng)險已降低，藥劑有一定作用。

圖1 #2、#5、#6系統(tǒng)堿度

圖2 #2、#5、#6系統(tǒng)硬度

項目堿度(mg/L)硬度(mg/L)堿度+硬度(mg/L)#2#5#6#2#5#6#2#5#6加藥前471515486397411392868926878加藥后455412401402354348857766749

3.3 正磷情況分析

圖3顯示，加藥后正磷主要控制在0.35～0.5mg/L之間，平均值為0.4mg/L。相比于加藥前一個月數(shù)據(jù)，正磷控制在0.3～0.9mg/L之間，平均值為0.55mg/L。說明加藥后正磷波動范圍小，水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到工藝要求。

圖3 #2、#5、#6系統(tǒng)正磷

3.4 濃縮倍率情況分析

濃縮倍率是循環(huán)水水質(zhì)控制的綜合指標(biāo)[8]，指系統(tǒng)運(yùn)行過程的蒸發(fā)、排污損失等導(dǎo)致循環(huán)水中含鹽量不斷濃縮積累，用循環(huán)水中某鹽類組分濃度與補(bǔ)充水中同一鹽類組分濃度比來計算。

K=C循/C補(bǔ)

式中：K為濃縮倍率；C循為循環(huán)水中鹽類組分濃度，mg/L；C補(bǔ)為補(bǔ)充水中鹽類組分濃度，mg/L。

鹽類組分選擇SiO2，加藥后，系統(tǒng)濃縮倍率見圖4，率介于2.50～4.00之間，平均值為3.22，而加藥前一個月的濃縮倍率介于2.50～3.50之間，平均值為3.00，加藥后濃縮倍率有一定提高。

圖4 #2、#5、#6系統(tǒng)濃縮倍率

4 結(jié)語

針對電廠敞開式循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕問題，通過現(xiàn)場水質(zhì)分析結(jié)果配制試驗水，用自配藥劑CS-5130和535進(jìn)行阻垢測試(鼓泡法)，在銅材質(zhì)和不銹鋼材質(zhì)裝置中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗。模擬試驗發(fā)現(xiàn)，兩種藥劑在強(qiáng)化條件下，濃度投加到6×10-6以上，阻垢率可達(dá)90%以上；藥劑CS-5130對銅材質(zhì)、藥劑535對不銹鋼材質(zhì)都具有較好的緩蝕效果，腐蝕率≤0.005mm/a。

根據(jù)試驗，在#2、#5、#6系統(tǒng)循環(huán)水投加兩種藥劑混合物，檢測數(shù)據(jù)顯示：水質(zhì)趨于穩(wěn)定，結(jié)垢問題得到改善；堿度+硬度逐漸減小，水質(zhì)結(jié)垢風(fēng)險有所降低；正磷控制在0.35～0.5mg/L之間，波動范圍變?。粷饪s倍率達(dá)3.22，有提高，水資源利用率得到提高。