全康環(huán)保:摘要:針對臭氧技術(shù)在電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統的工程應用，對其阻垢、緩蝕效果進(jìn)行了研究。通過(guò)氣水高效傳質(zhì)、DO₃控制等關(guān)鍵工藝設計，成功在電廠(chǎng)循環(huán)水系統應用，項目運行結果表明:采用臭氧技術(shù)改造后，實(shí)際運行數據顯示，660MW超超臨界機組的夏季運行真空和端差數據穩定，且趨勢穩中趨優(yōu):真空處于－(89～95)kPa范圍內，95%以上的端差處于0．5～3．5℃范圍內;運行53天后進(jìn)行凝汽器性能試驗，結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提高29．51%、高壓凝汽器清潔系數提高29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠(chǎng)節能降耗;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＜3000CFU/mL，降低生物污垢存在風(fēng)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，實(shí)現良好的緩蝕效果。臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水，綠色環(huán)保的同時(shí)具有顯著(zhù)的環(huán)境社會(huì )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(chǎng)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?jì)H占世界人均水平的1/4，水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為限制經(jīng)濟和社會(huì )可持續發(fā)展的重要因素［1］。國家頒布的《節約能源法》、《環(huán)境保護法》、“水十條”等法規，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(wù)管理水平，再生水回用于循環(huán)冷卻水系統作為補充水、提高循環(huán)水濃縮倍數，是水資源短缺地區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(yíng)養物質(zhì)含量高，且濃縮倍數的提高，會(huì )提高換熱器結垢、腐蝕、微生物滋生的風(fēng)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(zhù)水處理研究工作的深入開(kāi)展，大量的實(shí)踐和研究結果表明，化學(xué)藥劑處理循環(huán)冷卻水的效果受到人為因素影響，濃縮倍數的提升亦受到限制，且會(huì )給環(huán)境帶來(lái)二次污染［5］。因此，能在運行中長(cháng)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(shí)現節能減排、環(huán)保增效的技術(shù)是循環(huán)冷卻水處理的重點(diǎn)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(kāi)式循環(huán)水系統，水溫常在25～40℃，此條件下環(huán)境空氣和補水引入的營(yíng)養物質(zhì)及充足太陽(yáng)光照，有利于微生物的繁殖。由于微生物的參與，間冷開(kāi)式循環(huán)水系統中垢的形成原因難以用單純的化學(xué)理論解釋。水垢與污垢在形成過(guò)程中彼此混雜，且存在互相促進(jìn)的黏聚作用或催化作用［6］。

臭氧在間冷開(kāi)式循環(huán)水系統中的投加，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(jìn)而使碳酸鈣等無(wú)機析出物無(wú)法附著(zhù)。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(zhù);臭氧還能破壞水中的氫鍵使成垢的陰陽(yáng)離子難以結合形成沉淀;臭氧可致碳酸鈣晶格畸變，結構疏松，阻止成垢物質(zhì)生長(cháng)、附著(zhù)［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，主要表現為冷卻水中活潑的氧原子(O)與亞鐵離子反應后，在陽(yáng)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(xué)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(diǎn)蝕［8－9］。

將臭氧用于循環(huán)冷卻水系統處理以起到阻垢緩蝕作用，在國內外已有大量研究。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)水系統在較高濃縮倍數下安全運行，有效改善換熱器清潔狀態(tài)［10－11］。

1970年美國學(xué)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(huì )議上，Pryor．A首次做了《臭氧冷卻水處理的特點(diǎn)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，并得出的結論:以臭氧作單一的水處理藥劑技術(shù)，能夠取代傳統處理技術(shù)，同時(shí)還可以進(jìn)行阻垢緩蝕和殺菌滅藻［13］。20世紀90年代開(kāi)始，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究院校對臭氧處理循環(huán)冷卻水開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗研究［10，14］。

本文結合實(shí)際運行案例數據，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(lái)的經(jīng)濟、社會(huì )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(shí)提高電廠(chǎng)水務(wù)管理水平，河南2個(gè)發(fā)電廠(chǎng)采用臭氧技術(shù)對循環(huán)水系統進(jìn)行了改造(改造概況見(jiàn)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(gè)電廠(chǎng)采用臭氧技術(shù)改造后的循環(huán)水系統處理效果進(jìn)行分析研究。

項目A為某2×3000kW自備電廠(chǎng)，該電廠(chǎng)雙機組配置3座機械風(fēng)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(yáng)離子交換法降低硬度，但勞動(dòng)強度大且運行費用高，系統存在污堵和點(diǎn)蝕問(wèn)題。采用臭氧技術(shù)改造后，補充水直補循環(huán)水系統，提升濃縮倍數，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(chǎng)，為實(shí)現節水、節能、減排，按分步實(shí)施的原則實(shí)現廢水零排放。該電廠(chǎng)每臺機組配置一座淋水面積為9000m²的逆流式自然通風(fēng)冷卻塔和2臺循環(huán)水泵，滿(mǎn)負荷時(shí)，設計總循環(huán)水量為140257m³/h，實(shí)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，補充水預處理系統采用石灰軟化工藝。在采用臭氧改造前，循環(huán)水濃縮倍數設計值為4．85，臭氧改造后，設計循環(huán)水濃縮倍數提高至8．5，實(shí)現了循環(huán)水排水供脫硫和消防系統利用，不外排。

1.2 研究方法及工藝設計

1.2.1 試驗依據及檢測方法

本研究中凝汽器性能測試遵循以下規范:Standardsforsteamsurfacecondensers，tenthedition，HeatExchangeInstitute(HEI)，2006(美國傳熱學(xué)會(huì )標準);《汽輪機熱力性能驗收試驗規程》(GB/T8117．1－2008);《凝汽器與真空系統運行維護導則》(DL/T932－2005);《表面式凝汽器運行性能試驗規程》(DL/T1078－2007);水和水蒸汽性質(zhì)表:國際公式化委員會(huì )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(guò)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:節水效益依據《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規范》(GB/T50050－2017)進(jìn)行計算，結合電廠(chǎng)實(shí)際用水價(jià)格計算;節能效益計算基于凝汽器性能測試的真空改善數值，結合電廠(chǎng)所用汽輪機的背壓對熱耗修正曲線(xiàn)，計算熱耗改變數值，進(jìn)而計算標煤節約量，核算節煤效益。節省化學(xué)藥劑效益來(lái)自項目改造前的廠(chǎng)內統計數據。臭氧系統電耗增加根據系統設備運行功率進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)“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

根據建設項目循環(huán)冷卻水補充水水質(zhì)，依據《臭氧處理循環(huán)水冷卻水設計規范》(GB/T32107－2015)，進(jìn)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，根據試驗結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)水冷卻水設計規范》(GB/T32107－2015)的同時(shí)，還要對濃度進(jìn)行精確控制。循環(huán)水中臭氧濃度不足，會(huì )影響處理效果;濃度過(guò)高，則會(huì )增加設備系統(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(guò)自控系統，實(shí)時(shí)、連續、自動(dòng)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(shí)防止臭氧逸散環(huán)境造成危害，采用以下措施:一是臭氧現制現用，不存儲，并在臭氧制備車(chē)間設置臭氧濃度監測儀表，根據《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(gè)設備系統自動(dòng)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(guò)水中臭氧濃度精準控制，經(jīng)過(guò)換熱器和冷卻塔后無(wú)多余臭氧逸散環(huán)境。

2 結果與討論

為分析2個(gè)項目的實(shí)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(jìn)行數據分析。

2.1 水質(zhì)分析

以項目B為例，對循環(huán)水系統的補充水和2個(gè)機組的循環(huán)水進(jìn)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)數據范圍如表3所示。

由表3數據可見(jiàn)，項目B在運行期間，循環(huán)水的補充水水質(zhì)較為穩定，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、總堿度和細菌總數相對較高，循環(huán)水系統具有相對較高的污堵風(fēng)險，因此需要對循環(huán)水系統進(jìn)行高效處理。從循環(huán)水水質(zhì)可見(jiàn)，各項指標均優(yōu)于國標要求，同時(shí)細菌總數含量較低，生物污垢存在風(fēng)險低。

2.2 阻垢效果分析

2.2.1 換熱效率提升

為評價(jià)臭氧處理循環(huán)水的阻垢效果，對項目B開(kāi)展了改造前后凝汽器性能對比測試，并以清潔系數、端差(熱值差，下同)、真空等指標的變化進(jìn)行了評價(jià)。

第三方機構對項目B的2號機組進(jìn)行凝汽器本底性能試驗和臭氧系統運行53天后凝汽器性能試驗，兩次試驗結果修正到相同凝汽器熱負荷、相同冷卻水進(jìn)口溫度和相同冷卻水流量條件下進(jìn)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(jìn)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%。臭氧系統運行53天后，低壓凝汽器運行清潔系數由0．61提高至0．79，提高29．51%;高壓凝汽器運行清潔系數由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，運行清潔系數明顯提高，體現了該技術(shù)的阻垢效果。

2.2.2 凝汽器真空、端差運行趨勢

2個(gè)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(shí)段凝汽器真空和端差實(shí)際運行值，數據繪圖，并進(jìn)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(diǎn)選取結垢風(fēng)險最高的5～9月數據進(jìn)行分析，如圖1～6所示。

從圖1～6中可見(jiàn)，夏季運行期間，2個(gè)項目機組負荷均較平穩，真空與端差波動(dòng)主要隨負荷波動(dòng)，且數據相對穩定，整體趨勢保持向優(yōu)。此期間，項目A真空運行數據處于－(81～91)kPa范圍內，端差運行數據處于6．5～13．5℃范圍內。項目B的1號和2號機組真空運行數據均處于－(89～95)kPa范圍內，1號機組端差運行數據處于0．5～3．5℃范圍內，2號機組除因負荷突變導致的個(gè)別數據達到4～5℃外，95%以上端差處于1～2．5℃范圍內。2個(gè)項目凝汽器真空和端差運行數據良好，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，在臭氧系統正式運行的一年內，由第三方水質(zhì)檢測機構每1～2月取循環(huán)冷卻水水樣檢測分析pH、總鐵、總銅，數據如表5、表6所示。

結果顯示循環(huán)水pH保持弱堿性，有利于緩蝕;兩個(gè)項目的循環(huán)水中總鐵滿(mǎn)足標準DL/T300－2011規定:(≤0．5mg/L)及標準GB/T50050－2017規定:(≤2．0mg/L)的要求;項目A的循環(huán)水中總銅未檢出。以上檢測結果表明采用臭氧處理后的循環(huán)水系統緩蝕效果良好。

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期間，分別在2個(gè)機組的凝汽器入口處安裝模擬監控裝置。第三方檢測機構懸掛TP316、TP317不銹鋼腐蝕試片進(jìn)行腐蝕速率檢測，此期間試片表面流速約為1．04m/s，結果如表7所示。測試結果顯示，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(mǎn)足標準GB/T50050－2017的規定(≤0．005mm/a)要求。

2.4 效益分析

2個(gè)火電廠(chǎng)的循環(huán)冷卻水系統采用臭氧協(xié)同技術(shù)改造后，既節水減排，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，還節約了化學(xué)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(shí)5500h計算，則:

節水效益:依據《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規范》中5.0.6的公式計算。循環(huán)水量按照滿(mǎn)負荷130000m3/h計，循環(huán)冷卻水進(jìn)出水溫差平均10℃計，根據氣溫對應k值取全年均值0．001268。濃縮倍數從4．85提升至8．50，年節水量116萬(wàn)t，補充水單價(jià)為1．3元/m3，則節約水費151萬(wàn)元/a。

節煤效益:根據凝汽器性能測試結果，凝汽器壓力降低0．39kPa;依據汽輪機廠(chǎng)家提供的背壓與熱耗曲線(xiàn)圖，凝汽器壓力在4．9～12kPa區間時(shí)，凝汽器壓力每降低1kPa，熱耗率降低1．3%，則節煤量=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，則節煤量為9293t標煤/a。

按照平均入爐含稅標煤價(jià)764元/t計算，年節約費用:9293×764≈710萬(wàn)元。

節省化學(xué)藥劑效益:根據項目改造前電廠(chǎng)統計數據，每年平均使用阻垢緩蝕劑及殺菌劑260t，費用為130萬(wàn)元。

臭氧系統電耗:臭氧系統設備運行功率為498kW，年耗電量為498×5500≈274萬(wàn)(kW?h)，廠(chǎng)用電成本價(jià)0．385元/(kW?h)，則年用電費用約105萬(wàn)元。

采用臭氧技術(shù)改造后，項目B取得的經(jīng)濟效益顯著(zhù)，數據匯總如表8所示。

3 結論

(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(gè)項目的夏季運行真空和端差均穩定且趨勢向優(yōu)。對于660MW的超超臨界機組，真空運行數據均處于－(89～95)kPa范圍內，95%以上端差處于0．5～3．5℃范圍內。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(guò)凝汽器性能測試，結果顯示，經(jīng)過(guò)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提高29．51%、高壓凝汽器清潔系數提高29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠(chǎng)節能降耗。

(4)采用臭氧技術(shù)處理的循環(huán)冷卻水系統，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，實(shí)現了良好的緩蝕效果。

(5)經(jīng)臭氧技術(shù)處理的循環(huán)冷卻水系統，濁度、COD、氨氮、細菌總數等各項水質(zhì)指標均優(yōu)于國標要求，優(yōu)化了水質(zhì)。同時(shí)循環(huán)水濃縮倍數提升，在夏季達到甚至超出設計值，具有顯著(zhù)的節水減排作用。