高 磊 疏吟梅 朱偉光 王芊倩 肖丙雁

（1.皖能銅陵發(fā)電有限公司 2.上海洗霸科技股份有限公司）

0 引言

十四五期間，國家支持有條件的地方和重點行業(yè)、重點企業(yè)率先達到碳排放峰值，鼓勵工業(yè)加強節(jié)水減排和再生水利用工作。電廠作為大體量工業(yè)，其資源消耗量和污染生產(chǎn)量不容小覷，尤其在生產(chǎn)過程中水資源的消耗量和污水的排放量都是非常龐大的。在國家政策推動下，電廠企業(yè)積極開發(fā)自身的節(jié)水減排潛力，優(yōu)化自身的資源綜合利用能力。90年代以來，隨著干除灰技術(shù)的發(fā)展和推廣，電廠節(jié)水減排工作逐漸從沖灰水系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以改進循環(huán)水處理技術(shù)、提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)為重點的區(qū)域［1］。

1 電廠循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著干除灰技術(shù)的發(fā)展，電廠循環(huán)水的用水量和排污量往往會占到全廠總用水量和總廢水量的75%左右［2］。在環(huán)境保護政策不斷收緊，雙碳目標時間不斷接近的前提下，提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，改善循環(huán)水的水質(zhì)，優(yōu)化全廠用水的效率是新時代的必然發(fā)展趨勢。

電廠循環(huán)水系統(tǒng)因循環(huán)水量大，換熱需求量大等原因，基本采用開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。開式系統(tǒng)容易出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕、菌藻三大危害［3］，通常會導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)換熱效率下降，泄漏情況加重，使用壽命折減，安全隱患增加等問題。

電廠大多采用傳統(tǒng)藥劑法作為循環(huán)冷卻水的阻垢緩蝕處理手段，只采用傳統(tǒng)藥劑法時，循環(huán)水濃縮倍數(shù)較低，用水量和排污量很大。目前，電廠常采用反滲透膜脫鹽的方法作為循環(huán)水排污減量的方案，但隨著濃縮倍數(shù)的增加，循環(huán)水的鹽分、致垢性離子、有機物等含量均大幅增加，易造成結(jié)垢、污堵及腐蝕問題，故普遍將濃縮倍數(shù)控制在3～5倍左右，排污量較大［4］。

為了滿足國家相關(guān)的環(huán)保要求，急需安全可靠有效的技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)的處理技術(shù)進行改善，提高濃縮倍數(shù)，減少或避免結(jié)垢腐蝕和菌藻產(chǎn)生的危害。而電化學技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)逐步在循環(huán)水系統(tǒng)中投入運用，成為了一種優(yōu)良的環(huán)境友好型循環(huán)水處理技術(shù)。

2 電化學技術(shù)現(xiàn)狀

電化學技術(shù)是一項不同于傳統(tǒng)化學藥劑法的水處理技術(shù)，在一定運行條件下，其使用過程中可不投加化學藥劑，不產(chǎn)生二次污染，是一種清潔工藝。

電化學技術(shù)在各類民用循環(huán)水系統(tǒng)中應用范圍十分的廣泛，如中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水、民用建筑的熱水系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷媒水系統(tǒng)等［5］。國內(nèi)冶金行業(yè)領域，寶鋼、武鋼等鋼鐵企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)投入使用該項技術(shù)，并且取得良好的應用效果。國內(nèi)某硫酸企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)利用電化學技術(shù)將濃縮倍數(shù)提高到了5倍［6］。

3 某電廠電化學技術(shù)應用

該電廠新建兩套電化學裝置用于電廠循環(huán)水系統(tǒng)時，通過優(yōu)化水質(zhì)，起到節(jié)水減排的作用；其具體作用機理有如下三點：阻垢脫垢、殺菌滅藻、防腐緩蝕。

3.1 電化學技術(shù)作用原理

電化學技術(shù)的主要作用原理是在直流電源的作用下，使陽極和陰極充分發(fā)揮氧化、還原反應，生成各種組成成分，起到阻垢脫垢、殺菌滅藻、防腐緩蝕的作用。

（1）吸垢阻垢。陰極發(fā)生還原反應，如下式所示，生成OH－，OH－部分與HCO3－發(fā)生反應生成CO32－。循環(huán)水中的Ca2＋、Mg2＋，分別與陰極產(chǎn)生的CO32－和OH－發(fā)生反應，生成CaCO3和Mg（OH）2難溶性物質(zhì)，直接從陰極極板析出，水中Ca2＋、Mg2＋、HCO3－濃度下降，所以循環(huán)水硬度和堿度降低。電極處通過掃頻及混頻技術(shù)的交叉作用，能夠有效阻止鈣鎂離子析出飽和結(jié)晶，防止水垢的生成。受電磁場的影響，垢的形態(tài)會發(fā)生改變，CaCO3垢從有規(guī)則的、成片延伸的、以方解石為主形態(tài)的硬垢變成無規(guī)則的、以文石為主形態(tài)的疏松的顆粒堆集的軟垢［7］。

除陰陽極板外，該組裝置還配備電絮凝極板（可溶性金屬極板），在直流電的作用下會被溶蝕，產(chǎn)生Fe2＋、Fe3＋、Al3＋，在經(jīng)一系列水解、聚合過程，發(fā)展成為各種羥基絡合物、多核羥基絡合物以至氫氧化物。使水中的膠質(zhì)體、懸浮物凝聚沉淀，同時，帶電的污染物顆粒在電場中泳動，其部分電荷被電極中和而促使其脫穩(wěn)聚沉，主要起到絮凝作用，強化去除效果，最終沉淀在裝置底部或者收集器處。

（2）殺菌滅藻。在電流作用下，陽極發(fā)生氧化反應，如下式所示，水中發(fā)生氧化還原反應和Haber-Weiss反應等，根據(jù)氧化反應程度的不同，生成含量不同的?OH、O3、H2O2、ClO－等強氧化性物質(zhì)，強氧化性物質(zhì)會與有機物發(fā)生氧化還原反應，能直接破壞微生物的細胞膜，從而導致微生物死亡或滅活，起到有效的殺菌滅藻的作用。

（3）防腐緩蝕。陰極和陽極產(chǎn)生不同的離子，離子通過傳質(zhì)作用和電場遷移作用導致不同電極區(qū)域的離子濃度不同，局部的pH值會大于10，為Fe3O4的形成創(chuàng)造了條件。鐵在直流電的作用下，產(chǎn)生的Fe2＋、Fe3＋與OH－反應可生成超微磁性Fe3O4粒子，如式（13），逐漸在管壁上形成一層鈍保護膜，起到較好的防腐緩蝕的效果［8-9］。

3.2 某電廠現(xiàn)狀

某電廠擁有5號和6號兩套1000MW 發(fā)電機組，各配置一座10×105m3／h的雙曲線冷卻塔，并配置了旁路處理裝置。循環(huán)水補充水水源為長江水，補水同時投加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑用于水質(zhì)穩(wěn)定處理，系統(tǒng)中設有旁濾處理裝置去除懸浮物。電化學裝置投入使用前循環(huán)水濃縮倍數(shù)為3.5倍左右，各水質(zhì)水量參數(shù)可見下表1和表2（濃縮倍數(shù)N在一定范圍內(nèi)波動，該處以其均值3.5為依據(jù)，該循環(huán)水系統(tǒng)泄露水量忽略不計）。

表1 補水水質(zhì)分析

表2 總循環(huán)水系統(tǒng)部分參數(shù)（溫差10～15℃）

上表冷卻塔補水量和排水量均為計算值，根據(jù)GB／T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》第3.1.11條：濃縮倍數(shù)為補水量與排水量和風吹損失和的比值。

3.3 工藝流程

電化學裝置利用旁濾處理系統(tǒng)1600m3／h出水量作為進水水源及水量，處理后部分出水至鍋爐補給水系統(tǒng)，部分出水回流至循環(huán)水塔池處。電化學裝置產(chǎn)垢定期回收，干渣可用作脫硫系統(tǒng)的脫硫藥劑。循環(huán)水技術(shù)路線如圖所示。

圖 循環(huán)水技術(shù)路線

該項目帶有一定的試驗研究性質(zhì)，將原本5號和6號循環(huán)水系統(tǒng)各新增兩組電化學裝置分兩個階段實施，第一階段實施效果達到預期目標再實施第二階段。第一階段在5號機循環(huán)水系統(tǒng)安設一組電化學裝置（處理旁濾水量400m3／h），并于2022年2月1日正式投入使用，實現(xiàn)藥劑逐步減量運行，驗證系統(tǒng)運行可靠性、成熟性；第二階段在安設剩余三組電化學裝置（處理旁濾水量1200m3／h），并于2022年8月1日正式投入使用，實現(xiàn)藥劑減量運行。

4 電化學技術(shù)的應用效果

4.1 水質(zhì)控制效果

循環(huán)水水質(zhì)主要受到補水量、排水量和電化學裝置的處理效果影響，而電化學裝置的處理效果主要受到電流大小等因素的影響。項目第一階段即5號機組循環(huán)水系統(tǒng)新增電化學裝置一組，通過在循環(huán)水系統(tǒng)排污閥不同的開啟狀態(tài)下運行并檢測循環(huán)水水質(zhì)的變化情況，見表3。

表3 第一階段循環(huán)水水質(zhì)分析

根據(jù)表3可知，電化學裝置對電導率、硬度等指標均有不錯的控制效果；在排污閥不同開啟狀態(tài)下，循環(huán)水質(zhì)沒有大幅上升；如果沒有電化學的作用下，由于排污量減少，濃縮倍數(shù)提高，則相應的電導率、硬度等指標會大幅度上升；可見電化學裝置可有效去除相關(guān)離子，經(jīng)測算對于電導率、總硬度、鈣硬度等水質(zhì)指標的去除率在20%以上。

由此可見電化學裝置在節(jié)水減排工作上還有一定的提升空間。

4.2 節(jié)水減排效果

該廠現(xiàn)在循環(huán)水濃縮倍數(shù)以鎂離子計，為3.5倍左右，電化學裝置投入使用后以鎂離子計的循環(huán)水濃縮倍數(shù)為4.9倍。電化學裝置對鎂離子的去除率在15%以上，以鎂離子去除率15%為計算依據(jù)，可得以水量計的濃縮倍數(shù)為5.7倍，以鎂離子去除率20%為計算依據(jù)，可得以水量計的濃縮倍數(shù)為6.1倍，計算得實際以水量計的濃縮倍數(shù)在6倍左右。根據(jù)濃縮倍數(shù)為補水量與總排水量（排水量＋風吹損失）的比值，計算得到電化學技術(shù)節(jié)水減排效果見表4。

表4 循環(huán)水節(jié)水減排分析（溫差10～15℃）

由表4數(shù)據(jù)經(jīng)計算可知，電化學技術(shù)本次為循環(huán)水系統(tǒng)所帶來的節(jié)水率為14%左右，預計減排率為54%～59%。電化學技術(shù)將濃縮倍數(shù)從3.5倍提高至6倍左右，并且較大程度地減少了傳統(tǒng)化學藥劑的用量。同時，根據(jù)第一階段的水質(zhì)分析結(jié)果進行測算，預期該循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)可進一步提升至8倍左右，節(jié)水減排效果和藥劑減量效果也會進一步提高。

4.3 裝置捕垢效果

第一階段從2月1日運行滿一個月后，3月1日至3月3日對該組電化學裝置進行清垢處理，垢樣外觀呈現(xiàn)灰白色，現(xiàn)場清理垢裝袋靜置三天后稱重，稱得總重量830kg達到第一階段預期目標（捕集垢量800kg），裝置運行穩(wěn)定，且運行效率高。垢樣經(jīng)第三方檢測結(jié)果見表5。

表5 垢樣檢測分析

檢測報告顯示垢樣的主要成分為CaO，含量高達94%，滿足設計作為脫硫劑的要求（項目目標為鈣所形成的垢成分為80%左右）。

5 結(jié)束語

本文研究了電化學技術(shù)在該電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的實際應用效果，電化學裝置對于循環(huán)水中部分離子組成成分有著較好的去除效果，即使在濃縮倍數(shù)大幅度增加的前提下，也不會出現(xiàn)電導率、硬度等指標大幅度上升。該電化學裝置將循環(huán)水濃縮倍數(shù)從3.5倍提高至6倍左右；對于電導率、總硬度、鈣硬度等水質(zhì)指標的去除率在20%以上；為循環(huán)水系統(tǒng)所帶來的節(jié)水率為14%左右，減排率為55%左右；緩蝕阻垢劑的投加量平均減少了33%，殺菌滅藻劑的投加量平均減少了60%。

電化學技術(shù)在該電廠表現(xiàn)出了良好的節(jié)水減排效果和循環(huán)水水質(zhì)優(yōu)化效果，極大程度上適應了電廠循環(huán)水系統(tǒng)的工作環(huán)境。隨著電化學技術(shù)理論研究的不斷深入，實際應用的不斷拓展，會使該項技術(shù)能夠進一步地發(fā)展和優(yōu)化，向著更加高效、更加經(jīng)濟的方向發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景，有望在工業(yè)大型循環(huán)水系統(tǒng)中實現(xiàn)大規(guī)模應用。