弱酸处理循环冷却水系统防垢试验研究

于萍1 罗运柏1 许光辉2
（1 武汉大学化学与环境工程系 湖北武汉 430072；2 河南省驻马店地区古城发电厂河南确山 463200）

　　摘 要：本文从调节循环冷却水的水化学工况入手，防止以弱酸处理水作为循环冷却水补充水系统的结垢与腐蚀。实验室及现场运行试验结果表明，该方法行之有效。
　　关键词：弱酸处理； 循环冷却水；防垢

　　河南省驻马店地区古城发电厂3#机装机容量为50MW，采用一机一塔。冷却水源取自深井地下水，含盐量较大，含有0.27mmol／L的负硬，经过处理后几乎除去了所有硬度。当地水资源较为短缺，故设计时采用弱酸床处理循环冷却水。该系统设有5台DN2800氢离子交换器，每台出力为154t/h。经过处理的水由水箱自流到吸水井，作为50MW×2机组的补充水水源。1999年6－8月期间，硬度及减度较大，最高达10mmol／L。同年9月份，硬度及碱度下降，在冷却塔填料上发现沉积物，并且凝汽器真空度下降，影响生产的正常运行。
　　为解决凝汽器铜管内及冷却塔填料上的结垢问题，我们通过试验室静态、动态腐蚀实验，最后经过现场调试，对该系统进行了综合评定。确定了当循环冷却水采用弱酸床处理时，在不添加任何药剂的情况下，保证古城发电厂循环冷却水系统不发生结垢与腐蚀的最佳运行工艺参数。

1 实验室模拟试验

1.1 生水及弱酸床出水水质
　　古城发电厂循环冷却水生水和弱酸床出水水质如表1所示。
　　由表1可见，古城发电厂循环冷却水生水水质是碱度大于硬度（即4.4＞1.75），属于碱性水。而碱度高的水在运行条件下易于结垢。
　　在水质分析结果可以看出，古城发电厂循环冷却水的补充水经弱酸床处理后属于极低硬度水，结垢可能性较小。在循环冷却水系统防垢时，可考虑采用不加药而仅仅调节水化学工况的方法。

表1 生水及弱酸床出水水质分析结果 取样地点 pH 碱度mmol/L 硬度mmol/L Cl^-mg/L Ca²⁺mg/L 弱酸床出水 6.4 1.36 0.14 5.97 3.72 生水 　 4.4 1.75 6.45 40.3

1.2 循环冷却水系统垢样分析
　　为了分析了解循环冷却水系统结垢的原因，对凝汽器铜管中的垢样进行了化学成分分析，分析结果如表2所示。

表2 凝汽器铜管中的垢样化学成分 H₂O% 450℃灼减量，% 900℃灼减量，% SO₄^2- Fe₂O₃,% CaO,% MgO,% 酸不溶物% 0.067 3.88 38.68 0.381 2.079 36.4 11.38 2.201

　　从垢样的分析结果可以看出，垢中有机物及钙、镁含量较高，有机物的消除可以采用在循环冷却水系统中添加杀菌剂的方法；解决高的钙、镁离子含量问题，可以通过调整循环冷却水的运行工艺参数，控制真不产生钙、镁沉积物。
1.3 实验室静态实验
1.3.1 浓缩倍率测定

　　△A=[Cl^-_循/Cl^-_补]-[Ca²⁺_循/Ca²⁺_补]≤0.2

　　本实验的浓缩倍率采用电力系统通用的经验公式进行计算。其中，K=Cl^-循/Cl^-_补定义为浓缩倍率：
　　当△A＝0时，K值为稳定浓缩倍率；
　　△A＝0.2时，K值为最高浓缩倍率。
　　最高浓缩倍率时，相应的碳酸盐硬度为极限碳狻盐硬度。
1.3.2 静态实验
　　1）实验方法和条件
　　试验水样放在恒温水浴中，在恒温条件下静态浓缩，测定不同浓缩状态时的Cl^-与Ca²⁺的浓度，计算其相应的K和△A值。
　　试验温度为45±1℃，试验水样为现场取自弱酸床处理后的循环冷却水水样。
　　2）试验结果
　　静态实验结果如表3所示。
　　静态实验结果表明，古城电厂循环冷却水的最高浓缩倍率可达10倍。这是由于经弱酸床处理后，补充水的硬度和碱度都较低的缘故。

表3 实验室静态实验结果 取样时间 Cl^-mg/L Ca²⁺ mg/L 碱度mmol/L pH K η △A 最高浓缩倍率 4.23 14.90 10.50 2.15 7.31 2.1 2.10 0.00 2.10 4.26 33.00 23.15 4.75 8.34 4.65 4.63 0.02 4.65 4.28 78.95 54.20 10.73 8.98 10.68 10.86 0.20 10.68

　　为了使上述实验结果用于生产实际，充分考虑各种因素对循环冷却水水质的影响，我们进行了实验室动态试验，以提出满足现场运行的工艺参数。
1.4 实验室动态试验
1.4.1 实验室动态试验装置
1.4.2 试验方法与条件
　　试验水样放人恒温热水箱，利用加热器作为热源，采用控温器控温其温度。用水泵打循环，使之在装有小球作为填料的实验室冷却塔模拟装置上喷淋、蒸发并浓缩。不断加入补充水，使循环水量维持一定范围，测定其不同浓缩状态时的K、η、△A值。实验中为了考虑凝汽器铜管的耐蚀性，我们在系统中加有铜管，利用铜管监测循环冷却水系统的运行情况，使之较为理想地反应现场运行状态。

　　试验温度为 45±1℃；循环水流量为 50L／min；试验体系中维持总水量为40－50L。
1.4.3 试验结果
　　试验结果如表4所示。
　　实验室动态试验结果表明，当循环冷却水系统处于流动状态时，循环冷却水的最高浓缩倍率与静态相比略有下降。这种变化趋势说明，在电厂循环冷却水实际运行的，真最高浓缩倍率要低于8.38，具体控制值由现场实验确定。
1.5 实验室缓蚀试验
1.5.1 试验方法与条件

表4 实验室动态实验结果 取样时间 Cl^-(mg/L) Ca²⁺(mg/L) JD(碱度mmol/L) pH K η △A 最高浓缩倍率 5.8 8.73 6.15 1.62 7.80 1.23 1.23 0.00 1.23 5.11 14.76 10.4 2.74 8.43 2.08 2.08 0.00 2.08 5.14 22.99 16.2 4.28 8.51 3.24 3.24 0.00 3.24 5.17 32.50 22.90 6.02 8.73 4.58 4.57 0.01 4.58 5.20 40.75 28.6 7.56 8.89 5.74 5.72 0.02 5.74 5.23 53.44 37.2 9.86 9.13 7.53 7.44 0.09 7.53 5.24 59.47 40.9 10.81 9.21 8.38 8.48 0.20 8.38

　　铜管管段用益相砂纸打磨光亮后用无水酒精清洗，烘干称重，用尼龙绳挂于浓缩至一定倍率的试验水样中，恒温放置。一段时间后取出，先用水和无水酒精浸洗，烘干后用万分之一的天平称量真重量变化。
　　试验温度为 45±℃；试验材质为HSn-70-1A。
1.5.2 腐蚀试验结果
　　试验结果如表5所示。

表5 实验室腐蚀试验结果 浓缩倍率 表面状态 腐蚀速度（mm/a) 0 全部表面发黑 0.0231 1 有40%的表面变暗 0.0103 5 表面有极少量暗点 0.0052 7 表面有少量暗点 0.0053 9 有10%左右的表面变暗 0.0095

　　从腐蚀试验结果可以看出，在任何浓缩倍率的循环冷却水中，凝汽器铜管都可发生腐蚀。为防止凝汽器铜管的腐蚀，建议对该系统采用硫酸亚铁预膜工艺，或投加铜管缓蚀剂的方法。

2 现场调整试验

　　为监测3#机循环冷却水实际运行工况，在现场利刚、型试验装置模拟循环冷却水实际运行工况，使小型试验装置中冷却水的水质变化超前于实际循环冷却水运行的水质变化，达到指导、监测3#机循环冷却水的目的。
2.1 循环冷却水运行指标监测
　　循环冷却水运行中的水质分析结果如表6所示，取样地点为凝汽器出口。
　　由表6可见，循环冷却水凝汽器出口处水质较为稳定，表明古城发电厂循环冷却水系统处于稳定的运行状态，在此其间对该系统进行调整试验，真实验结果能反应电厂循环冷却水实际运行情况。并且，在7月24日早上、中午及下午分别对该循环水系统的水质进行分析。结果表明：该系统在一天的实际运行中，循环冷却水的水质基本保持稳定。

表6 循环冷却水运行指标监测 取样时间 pH 碱度mmol/L 硬度mmol/L Cl^-mg/L Ca²⁺mg/L 7.21.8：30 8.90 3.99 0.77 19.6 20.0 7.22.8:30 8.89 2.50 0.75 23.2 21.7 7.23.8:30 8.83 5.05 0.75 21.2 22.5 7.24.8:30 8.70 4.8 0.75 21.2 22.5 7.24.11:30 8.76 5.0 0.77 21.2 20.9 7.24.11:30 8.83 4.9 0.73 21.2 20.9 7.25.8:30 8.76 4.9 0.73 21.8 20.9 7:26.8:30 8.81 5.3 0.79 22.5 22.5

2.2 现场小型动态试验结果与分析
　　现场小型动态试验装置的运行结果如表7所示。

表7 现场小型试验结果 取样时间 pH 碱度（mmol/L) 硬度（mmol/L) Cl^-(mg/L) Ca²⁺(mg/L) 7.24.17:00 8.83 4.9 0.73 21.2 20.9 7.25.8:00 8.75 5.5 0.83 22.2 24.0 7.25.11:25 8.73 6.0 0.87 26.6 25.6 7.25.17:00 8.80 6.6 1.00 29.4 29.5 7.26.8:00 8.74 6.6 0.99 29.4 28.7 7.26.10:00 8.75 6.9 0.99 31.4 29.5 7.26.11:30 8.76 7.3 1.03 32.1 29.5

　　从上述现场小型试验结果可知，保证该系统不结垢的最大浓缩倍率为5.0。浓缩倍率太小，排污量及补充水量会过大，不利于节水；而浓缩倍率太高，又会造成循环水系统结垢。该系统的极限碳酸盐硬度为1.0mmol／L。为保证古城发电厂循环冷却水系统不出现结垢现象，真实际运行硬度应控制小于1.0mmol／L。运行的控制的最大确度为7.0mmol／L。如果碱度过高，易产生碳酸钙沉淀。同时，控制碱度也能有效地控制系统的结垢问题。

3 结论

　　古城发电厂循环冷却水调整试验对该厂循环冷却水的经济运行是非常必要的。通过调整试验可以确定该系统的最佳运行工况，达到节约用水的目的。通过一系列的实验室及现场试验得出如下结论。
　　1）目前该厂循环冷却水系统运行时浓缩倍率控制在小于3.5，而通过实验室试验及现场调整试验结果可知：在浓缩倍率为≤5.0时可以保证该循环冷却水系统不发生结垢现象。因此，古城电厂可适当提高循环冷却水系统运行的浓缩倍率。这样，不但可以减少补充水量，而且还减少了弱酸树脂再生次数，节约弱酸树脂再生所需要的酸量，具有较高的经济效益。
　　2）由实验室腐蚀实验可知，在任何浓缩倍率下，凝汽器铜管都存在腐蚀现象。为了保障电厂凝汽器的安全运行，建议采用硫酸亚铁预膜工艺或投加铜缓蚀剂。
　　3）根据实验室小型试验及现场调试结果，可以得出如下现场运行控制标准：pH＜9；Cl^-＜30.0mg/L;Ca²⁺＜30.0mg/L;碱度＜7.0nmmol/L；硬度＜1.00mmol/L