古克亚
华能应城热电有限责任公司 432406
摘 要：本文综述了循环冷却水系统的特点及存在问题，介绍了循环冷却水处理的各种化学加药方法，展望了循环冷却水处理技术的发展方向，分析了电法循环水处理技术的经济效益和社会效益。
关键词： 循环冷却水、去药剂化、电法、节水、减排
一、循环冷却水系统概述
在化工、冶金、制药、煤化、石化、热电等工业生产过程中，多数用水作冷却介质，循环使用，该系统称为循环冷却水系统。根据不同设备对冷却水水质的要求不同，将循环冷却水分为净环和浊环两大类。净环系统对水质要求较高，以净化后的水作为循环水，通常为间接冷却水。净环系统一般需要控制循环水的进出口水温、浊度、pH值、微生物、硬度、氯离子等多项指标，保证被冷却设备和管道不被腐蚀破坏。浊环系统对水质要求相对较低，一般只需要控制满足设备需求的悬浮物和温度等指标，对水源和循环水的处理要求也较低。
根据循环水系统是否与大气接触，将循环冷却水系统分为开式循环系统和密闭循环系统。开式循环系统一般使用蒸发冷却塔作为循环水的散热设备，水与大气接触，利用循环水和空气的接触散热和以及循环水的蒸发散热将系统的热量释放到空气中，进而带出塔外，达到冷却的目的。而在闭式循环系统中，循环水不与大气直接接触，而是通过间壁式换热盘管进行间接换热，由空气和部分冷却喷淋水作为冷源，将循环系统的热量带出，达到冷却的目的。
一般情况下，净环系统可采用开式或者密闭，而浊环系统循环水水质较差，一般采用开式冷却系统，因此，冷却水系统一般有净环开式系统、净环密闭系统和浊环开式系统三种。
随着国家环保政策和节水政策的收紧，电厂一般都用开式循环冷却水系统：冷却水经循环水泵送入凝汽器，进行热交换，被加热的冷却水经冷却塔冷却后，流入冷却塔底部水池，再由循环水泵送入凝汽器循环使用。
二、循环冷却水来源及水质
1、地表水：包括天然的江河水、湖泊水、水库水。在我国长江以南的江河水、湖泊水等水质较好，含盐量及硬度等均较低。在长江以北、黄河以南地区的河水和水库水中含盐量及硬度均为中等。
2、地下水（井水）：我国黄河以北地区的火电厂，大部分采用开式循环冷却水系统，水源为地下水（深井水），地下水含盐量及硬度为中等或较高。
3、再生水：如城市中水等。随着国家节水政策的逐步推行和循环水处理技术的不断提高，越来越多的火电厂开始采用城市中水等作为循环冷却水的水源。中水水质比较复杂，除与当地饮用水水质有关外，还与当地工业发展水平有关。一般而言，在工业发达地区，有工业废水混入到生活污水处理系统，导致城市中水水质较难处理。
4、其他水源：如矿井疏干水、海水淡化水等。电厂生产过程中产生的一些工业废水，有的水质较好，如锅炉排污水、定排冷却水等，经过处理后也可以补充到循环水系统。
三、循环冷却水系统的特点
1、有二氧化碳散失和盐类浓缩，易产生结垢问题。
循环冷却水系统的无机质杂质由于温差、浓缩等因素，会出现盐析现象，可使凝汽器铜管结垢,导致凝结水温度升高，从而使凝汽器真空度下降，降低换热效率，影响机组的安全经济运行。无机盐类垢的主要成分有碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、磷酸锌、二氧化硅及硅酸镁等。
2、由于循环冷却水系统中有充足的溶解氧和适宜的温度，其中的有机质杂质可使微生物滋生很快。微生物的大量繁殖会使冷却水系统的传热效率降低，还会导致凝汽器管及循环水过流部件等金属设备的腐蚀，可能造成泄漏事故。腐蚀产物的主要成分有氧化铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铜等。
3、由于冷却水在冷却塔内洗涤空气，会增加粘泥的生成及附着。粘泥是以细菌、霉菌、藻类等微生物群和其黏在一起的多糖类、蛋白质等粘质物为主体，混有泥砂、无机物、软垢等形成的软泥性污物。粘泥易在系统低位沉积，造成局部腐蚀，还会堵塞换热管，恶化循环水水质，增加处理难度。
四、循环冷却水处理技术
在循环冷却水系统中，由于水的不断蒸发，各种无机物和有机物逐渐浓缩，同时由于日光照射，菌、藻类等微生物滋生繁殖，风吹、雨淋和灰尘杂物的飘落等多种因素的影响，系统中会出现结垢、腐蚀和生物粘泥。循环冷却水处理技术的关键就是解决系统中存在的结垢问题、腐蚀问题和微生物滋生问题。
1、循环冷却水的防垢处理主要是防止重碳酸盐分解，或者分散其分解产物使之不在系统内沉积。具体方法有排污法、酸化法、阻垢处理法和复合处理法等。
2、对于循环水补充水的处理，如使用中水，因其硬度、碱度和氨氮较高，一般采用石灰软化处理技术；若使用地表水，则采用混凝澄清、慢速脱碳和弱酸处理等技术。
3、循环冷却水的旁流处理（旁流软化和旁流过滤），就是引取部分循环水按要求进行处理后，再返送回系统的方法。不仅可以降低水中悬浮物和有机物的含量，使循环水保持清洁，减轻凝汽器管道的腐蚀，而且还可以除去碳酸钙的过饱和微晶粒，降低循环水的碱度。这样，可保持循环水水质，使循环水系统在较高的浓缩倍率条件下有效和经济地运行。
4、循环冷却水中最常见并有危害作用的微生物，大致有藻类、细菌和真菌三大类。
杀菌灭藻处理最常用的方法是投加氧化性杀菌剂（如固体氯锭、氯气、二氧化氯、臭氧、过氧化物、溴类杀菌剂等）和非氧化性杀菌剂（如异噻唑啉酮、戊二醛、季铵盐、季磷盐、氯代酚、有机锡化合物、铜盐等）。
5、循环冷却水系统是湿式循环冷却火电厂的最大用水单元，是全厂节水的重点和关键。提高循环水运行的浓缩倍率可以大幅降低循环水系统的补充水量及排污水量。目前，国内电厂提高循环水浓缩倍率的技术措施主要有：加水稳剂、加酸、石灰软化、弱酸离子软化、膜处理技术等。单纯采用一种处理工艺，很难达到较高的浓缩倍率。一般采用两种或两种以上的工艺进行联合处理，使处理后的水质满足循环水系统安全运行的要求。
五、循环冷却水处理面临的挑战
1．环保要求节水减排及废水零排放
国家《水污染防治行动计划》和《国家节水行动方案》要求火电厂开展深度节水与废水治理工作，到2035年水资源节约和循环利用达到世界先进水平。循环冷却水占到火电厂用排水量的50%~80%，解决好循环水处理问题，对火电厂的节水减排及废水零排放具有重要意义。
2．循环水处理及减排存在的问题
当前，国内火电厂湿冷机组循环水处理普遍采用化学方法，即通过向循环水中投加阻垢剂缓蚀剂、杀菌剂的方式处理循环水。然而，化学处理方法运行成本高、二次污染严重，浓缩倍率提高非常有限，难以完全满足新环保要求下电厂节水、节能的需求。同时，由于电厂化学药剂采购基本低价中标的因素，品质难以保证，循环水时有结垢、腐蚀现象发生，增加能耗，甚至发生非计划停机等事故，影响生产安全。
由于循环水需要重复使用，其中的残留药剂对后续水处理系统有较大影响，且药剂性能越好，影响越大。如循环水排污水回用处理通常采用“预处理-反渗透膜脱盐”工艺，不仅工艺流程复杂、系统回收率低、运行稳定性差，还存在污堵膜严重、运行维护工作量大、运行费用很高等问题，实际工程案例运行均不理想，应用受到限制；循环水回用到脱硫系统，影响硫酸钙晶体的长大及脱硫效率，造成石膏脱水困难等问题。因此，随着废水综合治理环保改造的推进，循环水化学药剂处理工艺的危害日益凸显。
六、循环冷却水处理前沿技术
实际上，早期的循环水是不加任何药剂的。随着循环水系统中结垢、腐蚀问题的增多，各种化学加药方法不断地实施、改进，虽然取得了较好的效果，但也存在诸多问题，迫使从业者不断探索新技术，如将电解水处理技术应用于循环水处理系统，既减少了化学加药量，也取得了良好的防腐、防垢和杀菌效果。
近年来，国内外同行都在研究去药剂化循环水处理技术，各种电法（包括电化学、氧化极化、电解吸附等）高效协同处理技术方法创新性地应用于循环冷却水处理领域。
电化学水处理技术原理是利用水中所含离子的电化学特性，调节水中各离子之间的平衡，从而实现去除结垢物质、防腐和防治微生物的目的。在水体系中，通过直流电流的作用，在反应室阴极附近形成一个碱性环境(pH值达到12-13的范围)，促使结垢物质结晶析出；在阳极附近，电极电化学反应将氯离子转变成游离氯或次氯酸，同时阳极区电化学过程还生成羟基自由基、氧自由基、臭氧和双氧水等强氧化性物质，对包括军团菌在内的各种菌类及微生物产生杀灭作用。
电化学处理能够通过电化学反应连续原位生成活性物质，实现水中钙、镁等硬度离子的沉淀和微生物的高效去除，由于其去除污染物能力较强，对补充水水质要求不高，可作为电解吸附的预处理工艺。
电解吸附技术是通过电场的作用，使溶液中带相反电荷的离子移动到界面补偿电极，从而实现对水溶液中离子的去除，以达到除盐和净化的目的。浓水排放量少，可实现机组循环水的浓缩减量；同时电解产生的高浓度氯气（或次氯酸、次氯酸钠）可用于循环水杀菌。
相比于常规化学加药处理和膜处理技术，电法处理技术是一项绿色环保、成熟的水处理技术，是未来水处理行业的主流发展趋势。电法循环水处理技术通过电化学反应连续生成活性物质，实现循环水中钙、镁等硬度离子的沉淀和微生物的高效去除，可彻底实现去药剂化运行，无二次污染，并可大幅提高浓缩倍率，实现循环水深度减排或不外排。同时提高了循环水系统清洁度，降低机组煤耗，符合国家节能环保政策。
据不完全统计，目前全国约有850台循环冷却机组，装机容量约25.8万MW，循环水系统用水量约17.9亿吨/年，循环水排污水量约4.2亿吨/年，按排污水减排40%计，可减少循环水排污水1.7亿吨/年，节约取水量1.7亿吨/年。按平均取排水（取水费和排污费）1.5元/吨计算，节约水费2.6亿元/年。当前湿冷机组单位发电量取水量平均约2.85m3/(MW·h)，远高于先进值1.73m3/(MW·h)的要求，循环水系统节水潜力巨大。同时，这些湿冷机组阻垢缓蚀剂年用量约6.2万吨，杀菌剂年用量约14.6万吨，年药剂费用约6.5亿元。去药剂化运行，可大幅减少运行费用和化学药剂对环境的二次污染，环保及社会效益明显。
参考文献：
[1]殷世忠，循环冷却水应用电解水处理技术的研究，电厂化学2016学术年会论文集，2016。
[2]王珏，电厂循环水电解处理效果分析，第七届电力行业化学专业技术交流会论文集，2016。
[3]姜琪，火电厂循环水高浓缩倍率运行技术，发电企业化学水处理技术高级研讨班培训教材，2013。
（作者简历：古克亚，从事电厂化学专业30余年。）