林新源

（中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司）

0 引言

大型火力發(fā)電廠需要大量的水作為冷卻媒介對(duì)各種設(shè)備，如凝汽器、換熱器等，進(jìn)行冷卻，對(duì)于水資源的消耗量巨大，例如對(duì)一臺(tái)60萬(wàn)機(jī)組來(lái)說(shuō)，需要的循環(huán)冷卻水量達(dá)到近100000m3/小時(shí)。而地球上2/3的面積都是大海。因此擁有廣袤海岸線的沿海國(guó)家將大量的火力發(fā)電廠建于海邊，利用海水作為冷卻媒介。利用海水作為冷卻介質(zhì)，除了需要注意海水的強(qiáng)腐蝕性，考慮與海水接觸設(shè)備材料的防海水腐蝕性能，還需要考慮海水中存在的大量微生物、藻類、貝類等海洋生物。這些海洋生物對(duì)于海邊電廠的冷卻系統(tǒng)有很大的影響，輕則堵塞管路，影響冷卻效果，重則造成設(shè)備損壞，對(duì)電廠的生產(chǎn)造成巨大破壞性的影響。為此，需要在海水進(jìn)入冷卻系統(tǒng)前進(jìn)行海生物的污染治理，即殺滅海水中的微生物、藻類、貝類等。

進(jìn)行海生物污染治理的方法一般是投放殺生劑。由于環(huán)保的要求，其前提條件是殺生劑可在大海中降解，不會(huì)造成海洋污染，并且不會(huì)對(duì)魚蝦類生物造成大的影響。在此前提下，投放的藥劑可分為氧化性和非氧化性兩大類。

1 投放次氯酸鈉方案

對(duì)于海邊電廠來(lái)說(shuō)，投放的氧化性藥劑基本都是次氯酸鈉NaClO，一種最常見(jiàn)的強(qiáng)氧化劑。其殺滅海生物的原理為：次氯酸鈉在水中分解形成了次氯酸，次氯酸再進(jìn)一步分解形成新生的氧[O]，因?yàn)樾律蹙哂袠O強(qiáng)氧化性，使海生物的蛋白質(zhì)等物質(zhì)變性，從而被殺滅。根據(jù)化學(xué)測(cè)定，PPM級(jí)濃度的次氯酸鈉在水里幾乎可完全水解成次氯酸，效率高于99.99%。其化學(xué)方程式可以簡(jiǎn)單地表示如下：

在殺滅海生物過(guò)程中，因?yàn)榇温人岱肿有?，不帶電荷，所以次氯酸還可以作用于海生物細(xì)胞壁，并且滲透入細(xì)胞內(nèi)，與蛋白、核酸、以及酶等有機(jī)高分子發(fā)生氧化反應(yīng)，從而殺死其細(xì)胞。其反應(yīng)如下：

同時(shí)，次氯酸產(chǎn)生出的氯離子還能大大改變細(xì)胞滲透壓，使細(xì)胞喪失活性而死亡。如本文開始提到，發(fā)電廠所需的冷卻水量非常巨大，因此所需的藥劑量也非常大。而次氯酸鈉的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)電解海水得到，所以海邊電廠基本都建造電解海水制氯設(shè)備，制造次氯酸鈉作為投放的氧化性藥劑。這樣通過(guò)一次性投資，降低了電廠的運(yùn)營(yíng)成本。至于外購(gòu)次氯酸鈉成品溶液，雖然大大降低了一次性投資成本，但除了日后長(zhǎng)期的購(gòu)買成本問(wèn)題外，還因?yàn)榇温人徕c屬于危險(xiǎn)品（危險(xiǎn)貨物編號(hào)：83501），運(yùn)輸方面存在需要專用車輛、運(yùn)輸許可等一系列問(wèn)題，加上安全隱患，因此并不常見(jiàn)。

電解海水制次氯酸鈉的原理如下：一定壓力的海水經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入電解海水制氯設(shè)備的次氯酸鈉發(fā)生器——電解槽內(nèi)，在這里海水被直流電電解，分別在陰陽(yáng)極上發(fā)生如下反應(yīng)。

生成的次氯酸鈉隨著海水依次通過(guò)串聯(lián)的一定數(shù)量的電解槽，因在每個(gè)電解槽上都發(fā)生著電解反應(yīng)，因此次氯酸鈉的濃度逐漸升高。

從上面的反應(yīng)可看出，氯氣在陽(yáng)極處生成，陽(yáng)極的表面積對(duì)氯氣的產(chǎn)量，乃至次氯酸鈉的產(chǎn)量有決定性的影響。因此為了增加產(chǎn)量，陽(yáng)極一般設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀，比平板陽(yáng)極的有效面積大大增加，提高了產(chǎn)氯量，而且網(wǎng)狀增加了海水在電解槽中的湍流，提高了電解效率。而因?yàn)殡娊夥磻?yīng)，海水中的陽(yáng)離子向陰極處移動(dòng)，容易在陰極處生成鹽，因此陰極設(shè)計(jì)成平板狀，加以拋光工藝，以減少鈣、鎂等鹽的堆積造成不利的影響。根據(jù)陰陽(yáng)極的反應(yīng)面積，并設(shè)定電解電流，來(lái)控制每個(gè)電解槽上生成次氯酸鈉的量，并串聯(lián)一定數(shù)量的電解槽，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)所需的出口次氯酸鈉溶液的濃度。次氯酸鈉溶液可貯存在儲(chǔ)罐中，也可直接投放到電廠循環(huán)水入口的海水中。

電解海水制氯設(shè)備與海水直接接觸的部分需防海水腐蝕，特別是電解槽的陰陽(yáng)極，因?yàn)殡娊獠蹆?nèi)含有強(qiáng)腐蝕性的海水和生成的次氯酸鈉，溫度也比較高，而且陰陽(yáng)極需要良好的導(dǎo)電性能，因此必須選用具有很好耐腐蝕性能的金屬材料，如陰極板可采用鎳基材料哈氏合金。否則，因?yàn)椴牧系母g，容易導(dǎo)致陰極板表面產(chǎn)生孔坑，相比光滑的表面，電解產(chǎn)生的鈣鎂鹽附著在孔坑上，不易通過(guò)海水流動(dòng)被帶走，導(dǎo)致結(jié)垢嚴(yán)重，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。圖1是某海邊電廠因陰極板材料耐海水腐蝕性能較差，導(dǎo)致原本光滑的陰極表面產(chǎn)生微小孔坑，圖2為陰極板產(chǎn)生孔坑，在運(yùn)行一段時(shí)間后，電解槽結(jié)垢嚴(yán)重的圖片，圖3則是因結(jié)垢嚴(yán)重，且未能及時(shí)進(jìn)行電解槽酸洗，陰陽(yáng)極之間的結(jié)垢導(dǎo)致短路，局部溫度過(guò)高致使陽(yáng)極網(wǎng)燒穿的圖片?？梢?jiàn)材料的耐腐蝕性能對(duì)電解海水制氯設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的重要性。

圖1 陰極板表面腐蝕

圖2 電解槽結(jié)垢

圖3 陽(yáng)極網(wǎng)燒穿

在次氯酸鈉投放上，原則上間斷投加即可，但是實(shí)際運(yùn)行中，電廠為了簡(jiǎn)易操作及加強(qiáng)效果，一般都是連續(xù)投放，制造后直接投放。投放量、即生產(chǎn)量需要根據(jù)循環(huán)冷卻海水用量以及有效殺滅海生物的濃度（一般有效氯濃度為0.4～1mg/L）來(lái)計(jì)算得出。并且需要注意排出海水的余氯濃度，以免殺死魚蝦等海洋生物，造成海洋環(huán)境破壞。某海邊電廠的循環(huán)冷卻水量為110000m3/h，設(shè)計(jì)有效氯濃度為1mg/L，則：設(shè)計(jì)制氯量要求為110000 m3/h×1mg/L=110kg/h。

2 投放二氧化氯方案

除了次氯酸鈉，火電廠還可以采用二氧化氯ClO2作為氧化劑藥物來(lái)殺滅循環(huán)冷卻水中的微生物。二氧化氯是一種黃綠色到橙黃色的氣體，國(guó)際上公認(rèn)的高效消毒劑。其優(yōu)點(diǎn)是殺菌快，能力強(qiáng)，持久性長(zhǎng)，而且殺菌能力受水的PH值影響小。但二氧化氯和很多物質(zhì)都能發(fā)生劇烈反應(yīng)，因此腐蝕性很強(qiáng)。而且對(duì)熱、震動(dòng)、撞擊和摩擦很敏感，極易分解產(chǎn)生爆炸，非常危險(xiǎn)。因此二氧化氯是不能運(yùn)輸和貯存的，也就不能外購(gòu)，必須在循環(huán)冷卻水加藥處制造并馬上使用。二氧化氯的生產(chǎn)方法常見(jiàn)有鹽酸法、硫酸法等。鹽酸法制作原理如下：

由以上反應(yīng)可看出，二氧化氯的生產(chǎn)并不復(fù)雜，所需要的設(shè)備、系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此一次性投入并不是很大。但是由于二氧化氯的危險(xiǎn)性，生產(chǎn)設(shè)備及連接管道的密封性必須非常好，不允許有泄露的情況發(fā)生，生產(chǎn)過(guò)程也必須嚴(yán)格監(jiān)控。正是由于二氧化氯的生產(chǎn)、使用存在著比較大的安全隱患，即便其滅菌優(yōu)點(diǎn)突出，但是使用的火電廠并不多。對(duì)于海邊電廠來(lái)說(shuō)，由于次氯酸鈉比較容易自備、安全性高，因此基本不會(huì)使用二氧化氯作為殺滅海生物的方案。

3 投放殺貝劑方案

次氯酸鈉屬于氧化性藥劑，不需要很高的濃度即可對(duì)殺滅水螅蟲等無(wú)殼類海生物具有很好的效果，但是氧化性藥劑具有強(qiáng)烈的刺激性，像褐貝、牡蠣等貝類及藤壺等甲殼動(dòng)物，在受到氧化性藥劑的刺激后，會(huì)閉殼不進(jìn)行呼吸和進(jìn)食，且可以持續(xù)兩周的時(shí)間。特別是在熱帶、亞熱帶海域，海水溫度常年較高，貝類生長(zhǎng)繁殖較快，是影響海邊電廠海水冷卻系統(tǒng)的重要因素。在這種情況下，一味地增加氧化性藥劑的濃度，效果并不會(huì)很好，且容易加劇接觸海水設(shè)備的腐蝕并破壞周邊海域的生態(tài)。解決該問(wèn)題的辦法是定期投放殺貝劑。殺貝劑屬于非氧化性藥劑，通常有效成分是多種季銨鹽，如烷基二甲基芐基氯化銨。

由于貝類海生物對(duì)季胺鹽不敏感，不會(huì)因此閉合貝殼，因此季胺鹽很容易進(jìn)入貝類體內(nèi)，與細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)結(jié)合，從而破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)，切斷細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳送并殺滅之。此外，殺貝劑不受海水PH值的影響，不像氧化性藥劑那樣對(duì)接觸設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，并且可對(duì)附著的貝類及甲殼類有剝離作用。

雖然殺貝劑也有殺滅其他海生物的作用，但是其殺滅速度及效率不如氧化性藥劑那樣高效，例如次氯酸鈉，能在海水中迅速反應(yīng)，作用時(shí)間快。且電廠無(wú)法自制殺貝劑，外購(gòu)及運(yùn)輸成本較高。因此，海邊電廠應(yīng)采用兩者相結(jié)合的辦法：通過(guò)電解海水制氯設(shè)備連續(xù)投放次氯酸鈉，并定期投放殺貝劑。既保證了殺滅各類海生物的效果，又節(jié)省了費(fèi)用。按照上文提到的循環(huán)冷卻水量為110000m3/h，可設(shè)計(jì)加藥方案如下表所示。

表 加藥方案

以上僅為投放方案的示例，實(shí)際殺貝劑的投放藥量、頻率、時(shí)間需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的效果來(lái)評(píng)定，一般由生產(chǎn)單位來(lái)制定。并且需要根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)營(yíng)后的情況，進(jìn)行藥量、頻率及時(shí)間的增減，以便達(dá)到殺滅效果和使用成本的最優(yōu)化。

殺貝劑的投放比較簡(jiǎn)單，只需要用耐酸堿的計(jì)量泵投放即可，只是因?yàn)闅⒇悇┩斗藕笠话銜?huì)產(chǎn)生泡沫，因此還需要間隔投放消泡劑。

4 停機(jī)檢修前注意事項(xiàng)

還有一點(diǎn)需要注意的是：在電廠停機(jī)大修時(shí)，需要在停機(jī)后，繼續(xù)生產(chǎn)并投放次氯酸鈉和殺貝劑一段時(shí)間，令機(jī)組各管道內(nèi)海水中次氯酸鈉和殺貝劑達(dá)到一定的濃度。保證在停機(jī)期間，可以抑制管道內(nèi)存留海水中海生物的生長(zhǎng)。這是因?yàn)楹Ｉ锏纳L(zhǎng)速度非?？?，加上停機(jī)期間，管道內(nèi)海水不流動(dòng)，海生物更容易附著在管道內(nèi)壁，閥門、濾網(wǎng)、換熱器等設(shè)備上，如圖4和圖5所示。在檢修后，這些設(shè)備上就會(huì)被海生物堵塞，給電廠的運(yùn)行帶來(lái)巨大的傷害。如圖所示是某電廠因停機(jī)期間，沒(méi)有在管道內(nèi)投放足夠濃度的次氯酸鈉及殺貝劑，導(dǎo)致海生物大量繁殖帶來(lái)的堵塞問(wèn)題。

圖4 鋼格柵上海生物

圖5 電動(dòng)濾水器濾網(wǎng)上海生物

5 結(jié)束語(yǔ)

海邊電廠海水循環(huán)冷卻水的海生物污染防治方案：

1）海邊電廠一般使用投放次氯酸鈉的方案：有效，迅速，安全。至于是購(gòu)買還是一次性投資建設(shè)電解海水制氯設(shè)備，要從一次投資、藥品來(lái)源可靠性、運(yùn)輸及運(yùn)行費(fèi)用等方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，綜合考慮。

2）除了次氯酸鈉，為了有效殺滅褐貝、牡蠣等貝類及藤壺等甲殼動(dòng)物，應(yīng)該定期投放殺貝劑，這樣既不需要太高濃度的次氯酸鈉，又增加了效果。次氯酸鈉和殺貝劑的綜合投放系統(tǒng)，從電廠建設(shè)的初期設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮。

3）準(zhǔn)備檢修時(shí)，應(yīng)該在停機(jī)前，繼續(xù)投放一段時(shí)間次氯酸鈉和殺貝劑，抑制管道內(nèi)存留海水的海生物的生長(zhǎng)。