大型火力发电厂循环水处理方案
目前，能源工业发展迅速，火电厂大容量、高参数机组逐渐成为主力机组。众所周知，火电厂是工业中用水最大用户之一，因此，建设一个新电厂，优先考虑节水措施，努力实现对外零排放已势在必行。而在电厂工业用水中，循环水补充水占较大比例，这样，优化选择循环水处理方案，提高循环水浓度倍率，具有十分重要的意义。
1概况
在我国，水质特点呈地域分布，重碳酸盐类水约占河水的78%，华北地区为高硬水区域，西北地区为极高硬水区域。某电厂位于较为缺水的华北地区，单机容量为600 MW等级的进口燃煤机组，冷却水系统设计采用带有自然冷却通风塔的敞开式冷却系统。循环水补水源于某水库，水质如表1。
由水库月化验报告可知，7～8月水质较好，3～4月水质最差。
2常用循环水处理方法简述
目前，敞开式循环水处理方法较多，大致可分为保持水质稳定的阻垢处理、补充水软化和循环水质调整三大类。即：
水质稳定处理。在循环水中加入水质稳定阻垢剂，通过螯合反应和表面吸附，可有效抑制或减缓循环水在传热面的成垢过程。目前，常用的一些阻垢剂有聚磷酸盐、多元膦酸、磷酸酯、聚羧酸及复合阻垢剂等。
补充水软化。该法是将循环冷却系统补充水中的碳酸盐硬度(暂硬)除去，即软化处理，从而防止循环水系统形成水垢。常用方法有石灰处理法和离子交换法，其中石灰处理法是将生石灰加入水中生成消石灰，再与水中的碳酸盐硬度发生反应，生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，降低了水中的硬度和碱度，从而进行了软化;离子交换法是利用弱酸阳离子交换树脂具有工作交换容量大、再生比耗接近于1以及易于与碳酸盐硬度发生反应的特性，通过设备系统对循环补充水进行软化的。
水质调整。所谓水质调整是指向循环水中加入化学药品，改变或调整水质盐分组成，使之不易形成水垢。常用方法有加酸法和炉烟处理法。加酸法是通过向水中加入酸(通常为硫酸)，降低循环水中的碳酸盐硬度，使其低于极限碳酸盐硬度，从而减缓了结垢倾向，达到防垢目的。目前，加酸法常和阻垢处理复合使用，以增加效果。炉烟处理法是利用炉烟中含有CO2酸性物质，加入循环水中，可有效抑制Ca(HCO3)2的分解反应，使循环水中钙盐保持碳酸氢盐状态，防止了结垢。
3方案论证及技术经济比较
在循环水冷却系统中，由于蒸发、风吹、渗漏、排污等损失，造成水量损失，需补充水，以达到水平衡。蒸发、风吹、渗漏损失与气候影响和设备系统构成有关，电厂建成以后，一般是不变的。而排污损失是随循环水处理方式的不同而不同，节水潜力最大。循环水浓缩倍率的高低，直接影响着排污率的大小。表2为某电厂2×600 MW夏季额定工况不同浓缩倍率下的水平衡。
由此可见，循环水系统采用高浓缩倍率处理方式运行，可有效地减少排污损失，对全厂节水起主导作用。有利于对外实现零排放。据此，提供三个常用的循环水处理方案，即石灰处理法、阻垢处理法和弱酸离子交换法，以进行比较优选。
石灰处理法目前在我国火电厂循环水冷却系统中运用的有两大类，一为石灰消化处理系统(山西神头发电厂)，另一为石灰排渣重复利用系统(山东邹县电厂)，此二系统关键设备均须进口。第一种系统由于高纯度消石灰国内供货达不到要求，且系统不稳定，浓缩倍率低，最高仅为2.5倍左右，并伴有后沉淀问题。后一种系统须自备煤气站，投资较大，且该系统对Ca2+、Mg2+含量有严格要求，Mg2+含量不宜超过总硬度的20%，而某电厂源水Mg2+占总硬度的比例远远大于此值，达43%左右。故此，石灰处理法不宜采纳。
3.1技术比较
3.1.1浓缩倍率
3.1.1.1阻垢稳定处理
在循环水冷却系统中，补充水碳酸盐硬度是形成结垢的主要因素。如图1、2所示，原水碳酸盐硬度越低，稳定的极限碳酸盐硬度也较低，但相应的浓缩倍率较高;当原水碳酸盐硬度越高，稳定的极限碳酸盐硬度也较高，但相应的浓缩倍率较低。某电厂原水碳酸盐硬度在2.2～3.5 mmol/L之间，由图1、2可知，用阻垢剂处理循环水，其极限碳酸盐硬度大约在5.5～8.5 mmol/L左右，浓缩倍率在2.3～2.5倍之间。
目前，由于有机膦具有阻垢和缓蚀性能，其工业应用较为广泛。常用有机膦药剂为ATMP、HEDP、DETMP等。运用阻垢剂稳定处理循环水，其浓缩倍率可达较高水平的有“有机膦+三聚”及“有机膦+硫酸”等配方。前者是利用有机膦的阈限效应和协同效应，一般采用低剂量(2～3 mg/L)处理，其最高浓缩倍率亦仅在2.5倍左右。“有机膦+硫酸”复合处理是对水质进行降碱度和阻垢协同处理，浓缩倍率可达3倍。
3.1.1.2弱酸离子交换法
氢型弱酸阳离子交换树脂能有效地除去水中碳酸盐硬度，适用于水质碳酸盐硬度2～10 mmol/L，而某电厂水质碳酸盐硬度为2.2～3.5 mmol/L，硬碱比在1.33左右，系永硬水，pH在8.49～9.23之间，符合弱酸树脂适用条件。弱酸树脂对永硬水有较高失效度，工作交换容量较大。原水pH值越大，水中游离CO2量越小，对离子交换反应的抑制作用越小，平衡时树脂失效度就越大。以漏硬度10%为失效点，平均出水碱度约在0.2 mmol/L左右，作为循环水补水，浓缩倍率可达4倍及以上。
根据全厂水平衡图可知，除灰、输煤及主厂房工业用水均源自冷却塔排污水，以重复利用。这部分必需的用水量约为502.4 t/h，这样，要想实现对外零排放，冷却塔最多仅能排放502.4 t/h，排污率为0.38%，浓缩倍率要求在4.04倍以上。当远期采用干除灰时，势必造成除灰用水大幅度减少，为避免对外排放，必然进一步提高循环水浓缩倍率，由此可见，只有弱酸离子交换法能满足高浓缩倍率的要求。
另外，由于水库来水量和放水量均不大，枯水期尤甚，而且，该水库还是另一大型火电厂的冷却水源，广义上讲，好象是一个面积较大的冷却水池，属于半敞开式循环半直流式冷却系统，该库水质现已呈浓缩趋势，如采用阻垢处理，势必造成浓缩倍率逐渐下降的现象。而采取弱酸离子交换法软化处理，无此忧虑。
3.1.2防垢及阻垢效果比较
弱酸树脂软化法是目前发展较快的一种新型处理方法，运行较为成熟的有大同二电厂。另外，已安装并逐步投入运行的有大同一热、阳泉二电厂和邹县电厂。该法适用于缺水地区，随着社会的发展，从节约水资源、保护环境来看，此法大有推广前途。
弱酸树脂软化系统出水硬度以Mg2+为主，Ca2+所占比例比进水小得多，而在循环水系统中形成水垢的主要成分为CaCO3，这样就可以有效地防止生成CaCO3垢。同时，由于除去补充水中的悬浮物，减少了成垢晶核，更有利于防止结垢。从大同二电厂运行情况来看，铜管结垢现象甚微，给电厂安全经济运行带来了有利条件。
此外，全厂水平衡中，循环水补充水有大部分(该厂为77.6%)水量先经过辅机和空调作一次冷却用水。这样，如采用阻垢处理，这部分水源就不能处理，随着运行时间的不断推移，势必造成辅机及空调冷却系统结垢，导致冷却效率下降。而如采用弱酸树脂法，补充水先进行了软化处理，辅机及空调冷却系统结垢问题就不易发生。
3.1.3防腐效果比较
用水质阻垢剂处理循环水，普遍发生腐蚀现象，如铜管的脱锌腐蚀。由于处理控制不稳定，结垢和腐蚀交替或同时进行，致使大多数电厂发生经常性微漏，凝结器管安全可靠性大大降低。再加上酸洗凝结器，腐蚀程度进一步加剧。
为了提高浓缩倍率，阻垢剂加酸处理广为应用。在水体中加入硫酸，增加水的腐蚀性。硫酸根和硫酸盐还原菌发生反应形成硫化氢，降低了pH，同时硫化氢还会导致金属的电偶腐蚀。冷却塔为混凝土构筑物，而硫酸根又对混凝土侵蚀性极强，从而造成了冷却塔及水沟等构筑物的腐蚀。
由于有机膦是水生物的营养物，这样用有机膦处理循环水，势必加强水生物繁殖，而微生物可直接参与腐蚀反应，加重了腐蚀程度。虽加一些杀菌剂进行杀菌，如加氯处理，但却增加了极具侵蚀性的氯离子，又会促进腐蚀。
采用弱酸树脂处理循环水补水，防腐效果较为显著。大同二电厂采用此法后，凝结器铜管运行十多年相当完好。由于采用软化水作循环补充水，改变了循环水水体结构，微生物滋生现象几乎消失，防止了循环水的微生物腐蚀。
目前，循环水系统的防腐措施通常采用向循环水中添加防腐抑制剂进行腐蚀控制，其中铬酸盐+锌盐为最常用的一种行之有效的防腐方案。然而铬酸盐是有毒的，可存在于水生物的组织器官中。受环境保护限制，排污水不易向外排放。弱酸树脂处理循环补水系统，是目前考虑无铬酸盐循环水处理的取代方案。
某电厂源水水质为永硬水，采用弱酸树脂软化处理后，循环水补充水总硬度可达1.1 mmol/L以上，从而也防止了极软水对混凝土的腐蚀。而源水Cl-含量最高为25 mg/L，浓缩倍率即使提高至5倍，Cl-也仅为125 mg/L，未超出150 mg/L限值。
3.1.4自动化水平比较
目前，循环水采用阻垢处理，大多采用计量泵加药，无自动控制装置。在美国亚利桑纳州电厂曾使用自动加酸装置，加酸处理按循环水水泵出口pH反馈信号调节加酸量，但由于循环水系统庞大，流量太大，利用循环水pH值控制加酸量，滞后较大，致使加酸量不能及时调整。
采用弱酸树脂软化处理循环补充水，出水稳定，易于控制。离子交换设备系统可实现程控，并有成熟的运行经验。系统如采用双流弱酸离子交换器，与单流固定床相比，出力进一步提高，设备台数和占地面积减少。双流床系新型的且较为先进的水处理设备，目前投入运行的不多，阳泉二电厂的双流床有程控再生方式，积累了一些经验，较大同第一热电厂手动操作的双流床前进了一大步。
3.1.5国内部分电厂循环水处理工艺及效果比较
笔者近期对一些有代表性的电厂循环水处理工艺及效果进行了调研，取得了一些实际情况，如表3所示。
由调研结果可知，凡采用阻垢处理工艺的电厂，浓缩倍率最高仅为2.5倍，且凝结器管均不同程度地发生了结垢腐蚀，有的较为严重。这些电厂虽几经更换阻垢剂品种，但效果均不尽人意。特别是加酸处理，由于循环水量大，不易调整控制，且加药不均匀，出现的问题较多。弱酸树脂软化处理可靠性高，浓缩倍数在4倍以上，有时甚至达到了11倍，而铜管基本无结垢腐蚀现象，给电厂安全经济运行带来了前所未有的好势头。目前，一 些大型电厂在循环水处理设计中采用弱酸树脂软化处理的方案越来越多，如邹县电厂三期2×600 MW建设中已采用此法。
3.2投资及效益比较
采用阻垢剂稳定处理循环水，系统简单，占地面积小，一次性投资省，约需100万元。弱酸树脂软化处理则占地面积大，投资高，约需1400万元。运行维护费用二者比相差不多，虽弱酸树脂处理投资大，但在节水和保护环境方面，其经济效益和社会效益比阻垢处理更具优势。
针对某电厂工程，阻垢处理浓缩倍率按2.5倍计，循环水总补充水量为3 189 t/h，排污量1 142 t/h，排污水除电厂本身重复利用消耗外，尚有640 t/h向外排污。而如选用弱酸处理，浓缩倍率可提高到4倍以上，计算其总补水量不超过2 559 t/h，排污量512 t/h，排污水量既可保证电厂消耗，又可实现对外零排放。弱酸处理自用水率按5%计，消耗约130 t/h左右，这样，二者相比，弱酸处理可节省水量500 t/h左右，少向外排污640 t/h左右。目前，水费按0.15 元/t计，弱酸处理年可节省45万元左右。排污费用按0.05 元/t计，弱酸处理可节约32万元左右。另外，根据目前阻垢处理循环水的运行经验，总磷通常控制在2.0 mg/L左右，而GB8978—88二级排放标准规定为1.0 mg/L，这样，排污水总磷超标，加倍收取排污费用，弱酸处理在排污费用方面可节约64万元左右。由此可知，从节水和排污两方面，弱酸处理软化法就可节约110万元(在华北大部分地区，水费大约均在1元以上，故节水费用可大幅度增加)，随着社会的发展，取水及排污费用会越来越高，采用弱酸处理，效益将会愈加显著。
4结束语
综上所述，大型火力发电厂循环水处理方案选用弱酸树脂软化处理，在技术经济方面具有一定的优越性，可保证电厂安全经济运行，节水效益明显，并可实现对外零排放。
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