作者：刘  伟 1 ，黄文平 1 ，齐  冰 1 ，刘  宇 1 ，解  芳 1 ，赵贵龙 1 ，王卫东 2 （1. 华能碳资产经营有限公司，北京  100031；2. 华夏大地控股有限公司，北京  100000）

摘要：本文对火电厂循环水排污减量新技术进行研究。结果表明，采用新型水处理药剂，辅以数字化管理技术， 可提高循环水浓缩倍率，实现循环水排污水节水减量处理及自动化管理的目的。系统在浓缩倍率 6.5 倍左 右运行时，SS 腐蚀率、污垢热阻值和黏附速率最大值分别为 0.002 522 mm/a、0.706×10-4 m2 ·K/W 和 0.072 338 mg/（cm2 ·月），最小值都为 0，均远低于《工业循环冷却水处理设计规范》（GB/T 50050—2017） 的限值要求，表明系统无腐蚀、结垢发生，可安全稳定运行。该研究成果为后续实现火电厂废水经济性零 排放打下坚实的基础。

关键词：火电厂；循环水；排污减量；新型水处理药剂；数字化管理技术

循环冷却水系统是火电厂用水量、排水量最大 的系统，也是节水减排的重点和难点。在《水污染防 治行动计划》、排污许可制度等新的环保要求下，循 环水排污水减量处理已成为当今的研究热点 [1-2]，而 提高循环水浓缩倍率是火电厂节水的重要措施 [3-6]。 目前常用的循环水排污水减量处置方案是采用反渗 透膜脱盐工艺进行处理和回用 [7-9]，但随着浓缩倍率 的增加，循环水排污水中的含盐量、致垢性离子、有机物等含量均较高，易导致结垢、污堵及腐蚀问 题。为保证系统安全稳定运行，循环水浓缩倍率普遍 控制在 3 ～ 5 倍。但是，在循环水系统中，腐蚀与结 垢往往是并存的，采用单品种药剂难以获得满意的 效果。因此，有必要根据火电厂循环水特点，探寻新 的循环水排污水减量技术路线。本文采用新型水处理 药剂，辅以数字化管理技术，旨在提高循环水浓缩倍 率，实现循环水排污水节水减量处理及自动化管理的 目的。

1  试验部分

1.1 试验装置 循环水动态模拟中试设备装置是根据新型水处 理药剂的特点和数字信息化要求开发的，如图 1 所示。 该装置通过数字化控制判定结垢、腐蚀速率趋势和微 生物抑制能力，在确保系统不发生结垢和腐蚀超标的 情况下，控制药剂加入量，提高循环水浓缩倍率，达 到节水减量及自动化管理的目的。

该装置循环流量为 2 500 L/h，单台循环水泵功 率为 0.55 kW（共 2 台），保有水量为 1 000 L，补水 箱容积为 1 000 L，冷却塔高度为 1 750 mm。循环水 动态试验采用 0.09 ～ 0.10 MPa 常压饱和蒸汽模拟现 场的流速、流态、水质、金属材质、换热强度和冷却 水进出口温度等主要参数，评定新型水质稳定剂的阻 垢、缓蚀和抑菌效果。中试期间开通了动态模拟试验 平台 APP 移动端，所有水质参数指标和在线检测数 据可通过 APP 显示。 1.2 试验运行工况及新型药剂

1.2.1 试验运行工况及参数 试验运行工况及参数如表 1 所示。

1.2.2 新型药剂 新型水处理药剂是针对冷却水系统研发的无磷 环保专用水处理剂。该药剂由防垢去垢、缓蚀保护和 微生物控制等三个功能助剂模块组成，可根据具体水 质情况和运行工况条件，依据浓缩倍率、在线腐蚀速 率和污垢热阻等监测值精确调整功能助剂配比，实时 优化产品配方及应用方案。 一是清洁运行机理。新型水处理药剂根据泥垢 的主要成分，可通过复配实现自清洗能力。首先，可 通过系统不停车在线除垢。其次，系统具备清洁污垢 的内环境后，通过连续低浓度在线除垢与阻垢缓蚀协 同组合，处理换热器、冷却塔及输水管网中的沉积物， 达到彻底防止污垢出现的目的。 二是除垢机理。新型水处理药剂分子官能团的 能量远远大于水垢分子之间的分子间力（范德华力）， 其具有超强的渗透性，当新型水处理药剂分子官能团 与水垢分子接触时，其会克服分子之间的引力，逐渐 渗透至水垢内部，迫使水垢分子向官能团迁移，达到 除垢目的。 三是防垢机理。采用新型水处理药剂时，随着 循环冷却水系统浓缩倍率的提高，水中成垢离子（碳 酸盐、硫酸盐等）浓度不断升高，当离子浓度达到饱 和形成晶核时，其立即被新型水处理药剂分子所吸附， 并在晶核表面形成一层带有正电荷的电位离子层。由 于同性相斥，晶核微粒不能凝聚而分散在水中保持稳 定，最终，晶核微粒被水流带入静水区沉降，达到防 垢的目的。 四是防腐蚀机理。新型水处理药剂可以在碳钢、铜、 不锈钢、冷却塔水泥柱等表面快速被膜形成一层屏蔽层， 隔绝氯离子、硫酸根与金属表面接触，达到防腐目的。 五是微生物控制机理。新型水处理药剂通过线 性高分子链与微生物细胞壁上带负电的基团结合并产 生应力，导致溶菌作用和细胞活性的丧失，同时系统 长期在清洁的环境下运行，使微生物维持生命的养分 摄入量大大降低，达到了抑制微生物生长的目的。 六是浊度控制机理。冷却水在循环系统中不 断循环使用，室外阳光照射、灰尘杂物的进入、设 备结构和材料等多种因素的综合作用会导致系统浊 度不断升高。新型水处理药剂运用清洁运行机理， 通过分子官能团吸附杂质微粒并实现静水沉降，在 智能精细在线控制的配合下，能有效降低系统浊度 （＜ 10 NTU），使系统长期稳定在低浊度下清洁运行。 2  结果与讨论

2.1 补充水和循环水水质的分析 与结垢有关的水质参数主要有碱度、硬度和 pH，与腐蚀性阴离子浓度及腐蚀趋势有关的水质参 数主要有氯离子、硫酸根离子等，与微生物存活发展 和微生物腐蚀影响相关的水质参数有细菌总数、浊 度等 [10]。本试验通过在线方式监测循环水的水质指 标，如图 2 至图 6 所示，根据循环水的水质指标实时 监测结果，可及时发现异常，从而调整药剂用量，防 止结垢、腐蚀和微生物滋生。循环水钙碱和最大值为 918 mg/L，满足国标要求（≤ 1 100 mg/L）；氯硫和 最大值为 2 278 mg/L，满足国标要求（≤ 2 500 mg/L）。 补充水浊度波动较大，对循环水浊度指标影响较大。 在试验过程中，应特别关注补充水拉森指数，其介于 3.61 ～ 17.56，表明补充水属严重腐蚀性水质；循环 水 pH 均值应为 8.50，而实测均值偏低，仅为 8.07； 循环水总磷明显降低，磷的去除率高达 81.85%。
2.2 浓缩倍率 循环水浓缩倍率是指以某种不受外界影响而变 化的离子为代表，循环水中的离子浓度与补充水中离 子浓度之比。通常可以选择总硬度、电导率、氯离子 或者体积倍率等。循环水的浓缩倍率差等于氯离子的 浓缩倍率减去硬度的浓缩倍率，理论上，如果水质正 常，氯离子倍率与钙硬倍率是相等的，若氯离子浓缩 倍率大于钙硬浓缩倍率，则表明存在结垢。从图 7 可 知，浓缩倍率约为 6.5 倍时，氯离子浓缩倍率小于钙 硬浓缩倍率，表明循环水钙离子无析出现象，无结垢 产生。当倍率高于 7.2 时，氯离子倍率大于钙硬倍率， 表明循环水钙离子有析出现象。

2.3 腐蚀速率 从图 8 可知，腐蚀速率最大值为 0.002 522 mm/a， 最小值为 0，其远低于《工业循环冷却水处理设计规 范》（GB/T 50050—2017）的限值要求（≤ 0.005 mm/a）。 从图 9 可以看出，无论是在进水侧还是在出水侧，不 锈钢挂片上无明显垢层，无腐蚀，表明新型水处理药 剂对不锈钢具有良好的防腐蚀效果。

2.4污垢热阻 污垢热阻表示换热设备传热面上沉积物导致传 热效率下降的程度数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力。它又被称为污垢系数，换热器换热表 面上积有某种污垢（水垢、污泥、油污和烟灰等） 后，污垢热阻的逐步形成必将导致换热器传热系数 减小，促使换热器的传热性能日益恶化。从图 10 可 知，污垢热阻值最大值为 0.706×10-4 m2 ·K/W，最 小值为 0，符合《工业循环冷却水处理设计规范》 （GB/T 50050—2017）的限值要求（≤3.44×10-4 m2 ·K/W）。 这表明新型水处理药剂可以阻止换热表面结成硬垢， 清除系统表面黏附或沉积的泥沙、黏泥和软垢等物质， 提高换热表面清洁度和换热效果。

2.5黏附速率 黏附速率是指循环水中的杂质及其悬浮物对周 围设备及管道的附着速度。从图 11 可知，黏附速率 最大值为 0.072 338 mg/（cm2 ·月），最小值为 0， 远 低 于《 工 业 循 环 冷 却 水 处 理 设 计 规 范》（GB/T 50050—2017）的限值要求，即≤ 15 mg/（cm2 ·月）。 这表明新型水处理药剂可有效控制循环水中的杂质及 其悬浮物对周围设备及管道的附着速度。 3  结论 数字化监测技术可以有效监测循环水性能及水 质指标，根据运行指标变化发出调整参数指令，同时 可实现手机实时巡查，具有创新性和实用性。该技术 可根据具体水质情况和运行工况条件，结合新型水处 理药剂的防垢去垢、缓蚀保护和微生物控制等三个功 能助剂模块，依据浓缩倍率、在线腐蚀速率和污垢热 阻等监测值精确调整功能助剂配比，实时优化产品配 方及应用方案。采用新型水处理药剂，辅以数字化管 理技术，在线监测运行水质、污垢热阻和腐蚀速率来 调节新型水处理药剂投加浓度，可有效提高循环水浓 缩倍率，实现循环水排污水节水减量处理及自动化管 理的目的。此技术也可为后续实现火电厂废水经济性 零排放打下坚实的基础。