大型火力發電廠循環水處理方案
目前，能源工業發展迅速，火電廠大容量、高參數機組逐漸成為主力機組。眾所周知，火電廠是工業中用水最大用戶之一，因此，建設一個新電廠，優先考慮節水措施，努力實現對外零排放已勢在必行。而在電廠工業用水中，循環水補充水占較大比例，這樣，優化選擇循環水處理方案，提高循環水濃度倍率，具有十分重要的意義。
1概況
在我國，水質特點呈地域分布，重碳酸鹽類水約占河水的78%，華北地區為高硬水區域，西北地區為極高硬水區域。某電廠位于較為缺水的華北地區，單機容量為600 MW等級的進口燃煤機組，冷卻水系統設計采用帶有自然冷卻通風塔的敞開式冷卻系統。循環水補水源于某水庫，水質如表1。
由水庫月化驗報告可知，7～8月水質較好，3～4月水質最差。
2常用循環水處理方法簡述
目前，敞開式循環水處理方法較多，大致可分為保持水質穩定的阻垢處理、補充水軟化和循環水質調整三大類。即：
水質穩定處理。在循環水中加入水質穩定阻垢劑，通過螯合反應和表面吸附，可有效抑制或減緩循環水在傳熱面的成垢過程。目前，常用的一些阻垢劑有聚磷酸鹽、多元膦酸、磷酸酯、聚羧酸及復合阻垢劑等。
補充水軟化。該法是將循環冷卻系統補充水中的碳酸鹽硬度(暫硬)除去，即軟化處理，從而防止循環水系統形成水垢。常用方法有石灰處理法和離子交換法，其中石灰處理法是將生石灰加入水中生成消石灰，再與水中的碳酸鹽硬度發生反應，生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，降低了水中的硬度和堿度，從而進行了軟化;離子交換法是利用弱酸陽離子交換樹脂具有工作交換容量大、再生比耗接近于1以及易于與碳酸鹽硬度發生反應的特性，通過設備系統對循環補充水進行軟化的。
水質調整。所謂水質調整是指向循環水中加入化學藥品，改變或調整水質鹽分組成，使之不易形成水垢。常用方法有加酸法和爐煙處理法。加酸法是通過向水中加入酸(通常為硫酸)，降低循環水中的碳酸鹽硬度，使其低于極限碳酸鹽硬度，從而減緩了結垢傾向，達到防垢目的。目前，加酸法常和阻垢處理復合使用，以增加效果。爐煙處理法是利用爐煙中含有CO2酸性物質，加入循環水中，可有效抑制Ca(HCO3)2的分解反應，使循環水中鈣鹽保持碳酸氫鹽狀態，防止了結垢。
3方案論證及技術經濟比較
在循環水冷卻系統中，由于蒸發、風吹、滲漏、排污等損失，造成水量損失，需補充水，以達到水平衡。蒸發、風吹、滲漏損失與氣候影響和設備系統構成有關，電廠建成以后，一般是不變的。而排污損失是隨循環水處理方式的不同而不同，節水潛力最大。循環水濃縮倍率的高低，直接影響著排污率的大小。表2為某電廠2×600 MW夏季額定工況不同濃縮倍率下的水平衡。
由此可見，循環水系統采用高濃縮倍率處理方式運行，可有效地減少排污損失，對全廠節水起主導作用。有利于對外實現零排放。據此，提供三個常用的循環水處理方案，即石灰處理法、阻垢處理法和弱酸離子交換法，以進行比較優選。
石灰處理法目前在我國火電廠循環水冷卻系統中運用的有兩大類，一為石灰消化處理系統(山西神頭發電廠)，另一為石灰排渣重復利用系統(山東鄒縣電廠)，此二系統關鍵設備均須進口。第一種系統由于高純度消石灰國內供貨達不到要求，且系統不穩定，濃縮倍率低，最高僅為2.5倍左右，并伴有后沉淀問題。后一種系統須自備煤氣站，投資較大，且該系統對Ca2+、Mg2+含量有嚴格要求，Mg2+含量不宜超過總硬度的20%，而某電廠源水Mg2+占總硬度的比例遠遠大于此值，達43%左右。故此，石灰處理法不宜采納。
3.1技術比較
3.1.1濃縮倍率
3.1.1.1阻垢穩定處理
在循環水冷卻系統中，補充水碳酸鹽硬度是形成結垢的主要因素。如圖1、2所示，原水碳酸鹽硬度越低，穩定的極限碳酸鹽硬度也較低，但相應的濃縮倍率較高;當原水碳酸鹽硬度越高，穩定的極限碳酸鹽硬度也較高，但相應的濃縮倍率較低。某電廠原水碳酸鹽硬度在2.2～3.5 mmol/L之間，由圖1、2可知，用阻垢劑處理循環水，其極限碳酸鹽硬度大約在5.5～8.5 mmol/L左右，濃縮倍率在2.3～2.5倍之間。
目前，由于有機膦具有阻垢和緩蝕性能，其工業應用較為廣泛。常用有機膦藥劑為ATMP、HEDP、DETMP等。運用阻垢劑穩定處理循環水，其濃縮倍率可達較高水平的有“有機膦+三聚”及“有機膦+硫酸”等配方。前者是利用有機膦的閾限效應和協同效應，一般采用低劑量(2～3 mg/L)處理，其最高濃縮倍率亦僅在2.5倍左右。“有機膦+硫酸”復合處理是對水質進行降堿度和阻垢協同處理，濃縮倍率可達3倍。
3.1.1.2弱酸離子交換法
氫型弱酸陽離子交換樹脂能有效地除去水中碳酸鹽硬度，適用于水質碳酸鹽硬度2～10 mmol/L，而某電廠水質碳酸鹽硬度為2.2～3.5 mmol/L，硬堿比在1.33左右，系永硬水，pH在8.49～9.23之間，符合弱酸樹脂適用條件。弱酸樹脂對永硬水有較高失效度，工作交換容量較大。原水pH值越大，水中游離CO2量越小，對離子交換反應的抑制作用越小，平衡時樹脂失效度就越大。以漏硬度10%為失效點，平均出水堿度約在0.2 mmol/L左右，作為循環水補水，濃縮倍率可達4倍及以上。
根據全廠水平衡圖可知，除灰、輸煤及主廠房工業用水均源自冷卻塔排污水，以重復利用。這部分必需的用水量約為502.4 t/h，這樣，要想實現對外零排放，冷卻塔最多僅能排放502.4 t/h，排污率為0.38%，濃縮倍率要求在4.04倍以上。當遠期采用干除灰時，勢必造成除灰用水大幅度減少，為避免對外排放，必然進一步提高循環水濃縮倍率，由此可見，只有弱酸離子交換法能滿足高濃縮倍率的要求。
另外，由于水庫來水量和放水量均不大，枯水期尤甚，而且，該水庫還是另一大型火電廠的冷卻水源，廣義上講，好象是一個面積較大的冷卻水池，屬于半敞開式循環半直流式冷卻系統，該庫水質現已呈濃縮趨勢，如采用阻垢處理，勢必造成濃縮倍率逐漸下降的現象。而采取弱酸離子交換法軟化處理，無此憂慮。
3.1.2防垢及阻垢效果比較
弱酸樹脂軟化法是目前發展較快的一種新型處理方法，運行較為成熟的有大同二電廠。另外，已安裝并逐步投入運行的有大同一熱、陽泉二電廠和鄒縣電廠。該法適用于缺水地區，隨著社會的發展，從節約水資源、保護環境來看，此法大有推廣前途。
弱酸樹脂軟化系統出水硬度以Mg2+為主，Ca2+所占比例比進水小得多，而在循環水系統中形成水垢的主要成分為CaCO3，這樣就可以有效地防止生成CaCO3垢。同時，由于除去補充水中的懸浮物，減少了成垢晶核，更有利于防止結垢。從大同二電廠運行情況來看，銅管結垢現象甚微，給電廠安全經濟運行帶來了有利條件。
此外，全廠水平衡中，循環水補充水有大部分(該廠為77.6%)水量先經過輔機和空調作一次冷卻用水。這樣，如采用阻垢處理，這部分水源就不能處理，隨著運行時間的不斷推移，勢必造成輔機及空調冷卻系統結垢，導致冷卻效率下降。而如采用弱酸樹脂法，補充水先進行了軟化處理，輔機及空調冷卻系統結垢問題就不易發生。
3.1.3防腐效果比較
用水質阻垢劑處理循環水，普遍發生腐蝕現象，如銅管的脫鋅腐蝕。由于處理控制不穩定，結垢和腐蝕交替或同時進行，致使大多數電廠發生經常性微漏，凝結器管安全可靠性大大降低。再加上酸洗凝結器，腐蝕程度進一步加劇。
為了提高濃縮倍率，阻垢劑加酸處理廣為應用。在水體中加入硫酸，增加水的腐蝕性。硫酸根和硫酸鹽還原菌發生反應形成硫化氫，降低了pH，同時硫化氫還會導致金屬的電偶腐蝕。冷卻塔為混凝土構筑物，而硫酸根又對混凝土侵蝕性極強，從而造成了冷卻塔及水溝等構筑物的腐蝕。
由于有機膦是水生物的營養物，這樣用有機膦處理循環水，勢必加強水生物繁殖，而微生物可直接參與腐蝕反應，加重了腐蝕程度。雖加一些殺菌劑進行殺菌，如加氯處理，但卻增加了極具侵蝕性的氯離子，又會促進腐蝕。
采用弱酸樹脂處理循環水補水，防腐效果較為顯著。大同二電廠采用此法后，凝結器銅管運行十多年相當完好。由于采用軟化水作循環補充水，改變了循環水水體結構，微生物滋生現象幾乎消失，防止了循環水的微生物腐蝕。
目前，循環水系統的防腐措施通常采用向循環水中添加防腐抑制劑進行腐蝕控制，其中鉻酸鹽+鋅鹽為最常用的一種行之有效的防腐方案。然而鉻酸鹽是有毒的，可存在于水生物的組織器官中。受環境保護限制，排污水不易向外排放。弱酸樹脂處理循環補水系統，是目前考慮無鉻酸鹽循環水處理的取代方案。
某電廠源水水質為永硬水，采用弱酸樹脂軟化處理后，循環水補充水總硬度可達1.1 mmol/L以上，從而也防止了極軟水對混凝土的腐蝕。而源水Cl-含量最高為25 mg/L，濃縮倍率即使提高至5倍，Cl-也僅為125 mg/L，未超出150 mg/L限值。
3.1.4自動化水平比較
目前，循環水采用阻垢處理，大多采用計量泵加藥，無自動控制裝置。在美國亞利桑納州電廠曾使用自動加酸裝置，加酸處理按循環水水泵出口pH反饋信號調節加酸量，但由于循環水系統龐大，流量太大，利用循環水pH值控制加酸量，滯后較大，致使加酸量不能及時調整。
采用弱酸樹脂軟化處理循環補充水，出水穩定，易于控制。離子交換設備系統可實現程控，并有成熟的運行經驗。系統如采用雙流弱酸離子交換器，與單流固定床相比，出力進一步提高，設備臺數和占地面積減少。雙流床系新型的且較為先進的水處理設備，目前投入運行的不多，陽泉二電廠的雙流床有程控再生方式，積累了一些經驗，較大同第一熱電廠手動操作的雙流床前進了一大步。
3.1.5國內部分電廠循環水處理工藝及效果比較
筆者近期對一些有代表性的電廠循環水處理工藝及效果進行了調研，取得了一些實際情況，如表3所示。
由調研結果可知，凡采用阻垢處理工藝的電廠，濃縮倍率最高僅為2.5倍，且凝結器管均不同程度地發生了結垢腐蝕，有的較為嚴重。這些電廠雖幾經更換阻垢劑品種，但效果均不盡人意。特別是加酸處理，由于循環水量大，不易調整控制，且加藥不均勻，出現的問題較多。弱酸樹脂軟化處理可靠性高，濃縮倍數在4倍以上，有時甚至達到了11倍，而銅管基本無結垢腐蝕現象，給電廠安全經濟運行帶來了前所未有的好勢頭。目前，一 些大型電廠在循環水處理設計中采用弱酸樹脂軟化處理的方案越來越多，如鄒縣電廠三期2×600 MW建設中已采用此法。
3.2投資及效益比較
采用阻垢劑穩定處理循環水，系統簡單，占地面積小，一次性投資省，約需100萬元。弱酸樹脂軟化處理則占地面積大，投資高，約需1400萬元。運行維護費用二者比相差不多，雖弱酸樹脂處理投資大，但在節水和保護環境方面，其經濟效益和社會效益比阻垢處理更具優勢。
針對某電廠工程，阻垢處理濃縮倍率按2.5倍計，循環水總補充水量為3 189 t/h，排污量1 142 t/h，排污水除電廠本身重復利用消耗外，尚有640 t/h向外排污。而如選用弱酸處理，濃縮倍率可提高到4倍以上，計算其總補水量不超過2 559 t/h，排污量512 t/h，排污水量既可保證電廠消耗，又可實現對外零排放。弱酸處理自用水率按5%計，消耗約130 t/h左右，這樣，二者相比，弱酸處理可節省水量500 t/h左右，少向外排污640 t/h左右。目前，水費按0.15 元/t計，弱酸處理年可節省45萬元左右。排污費用按0.05 元/t計，弱酸處理可節約32萬元左右。另外，根據目前阻垢處理循環水的運行經驗，總磷通常控制在2.0 mg/L左右，而GB8978—88二級排放標準規定為1.0 mg/L，這樣，排污水總磷超標，加倍收取排污費用，弱酸處理在排污費用方面可節約64萬元左右。由此可知，從節水和排污兩方面，弱酸處理軟化法就可節約110萬元(在華北大部分地區，水費大約均在1元以上，故節水費用可大幅度增加)，隨著社會的發展，取水及排污費用會越來越高，采用弱酸處理，效益將會愈加顯著。
4結束語
綜上所述，大型火力發電廠循環水處理方案選用弱酸樹脂軟化處理，在技術經濟方面具有一定的優越性，可保證電廠安全經濟運行，節水效益明顯，并可實現對外零排放。
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