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0 引言

我國是缺水嚴(yán)重國度，人均水資源占有量僅占世界人均程度的1/4，水資源短缺問題曾經(jīng)成為限制經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)開展的重要要素。國度公布的《節(jié)約能源法》、《環(huán)境維護(hù)法》、“水十條”等法規(guī)，對工業(yè)企業(yè)用水量、排水量和排水水質(zhì)請求日益嚴(yán)厲。

循環(huán)冷卻水用量占工業(yè)用水總量的50%～90%，占比宏大。為進(jìn)步水務(wù)管理程度，再生水回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水、進(jìn)步循環(huán)水濃縮倍數(shù)，是水資源短缺地域進(jìn)步水資源應(yīng)用率的主要手腕。但由于再生水水質(zhì)較差、水中氮、磷和COD等營養(yǎng)物質(zhì)含量高，且濃縮倍數(shù)的進(jìn)步，會進(jìn)步換熱器結(jié)垢、腐蝕、微生物滋生的風(fēng)險，致使影響換熱設(shè)備傳熱效率，降低設(shè)備運(yùn)用壽命。

隨著電廠工業(yè)污水處理研討工作的深化展開，大量的理論和研討結(jié)果標(biāo)明，化學(xué)藥劑處置循環(huán)冷卻水的效果遭到人為要素影響，濃縮倍數(shù)的提升亦遭到限制，且會給環(huán)境帶來二次污染［5］。因而，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中長期有效堅持換熱器清潔并進(jìn)步循環(huán)水應(yīng)用率，防止藥劑產(chǎn)生的環(huán)境污染，完成節(jié)能減排、環(huán)保增效的技術(shù)是循環(huán)冷卻水處置的重點(diǎn)研討方向。臭氧處置作為一項綠色、高效的循環(huán)水處置技術(shù)，遭到普遍注重。

臭氧氧化性極強(qiáng)，氧化復(fù)原電位為2．07V，僅次于氟，常被用于殺菌消毒、除味脫色、合成有機(jī)物等，在水處置行業(yè)應(yīng)用普遍。

在間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)，水溫常在25～40℃，此條件下環(huán)境空氣和補(bǔ)水引入的營養(yǎng)物質(zhì)及充足太陽光照，有利于微生物的繁衍。由于微生物的參與，間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)中垢的構(gòu)成緣由難以用單純的化學(xué)理論解釋。水垢與污垢在構(gòu)成過程中彼此混雜，且存在相互促進(jìn)的黏聚作用或催化作用。

臭氧在間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)中的投加，可使水中有機(jī)物、微生物發(fā)作合成、斷裂，生物膜毀壞、生物黏泥大大減少，進(jìn)而使碳酸鈣等無機(jī)析出物無法附著。此外，有研討標(biāo)明臭氧氧化垢層基質(zhì)中的有機(jī)成分，使垢層變松零落;臭氧在水中釋放的單原子氧，容易吸附在金屬外表，阻止成垢物在金屬外表的附著;臭氧還能毀壞水中的氫鍵使成垢的陰陽離子難以分離構(gòu)成沉淀;臭氧可致碳酸鈣晶格畸變，構(gòu)造疏松，阻止成垢物質(zhì)生長、附著。

臭氧作為強(qiáng)氧化劑，其緩蝕機(jī)理和鉻酸鹽緩蝕劑作用類似，主要表現(xiàn)為冷卻水中生動的氧原子(O)與亞鐵離子反響后，在陽極外表構(gòu)成一層含γ－Fe2O3的氧化物鈍化膜。這種膜薄而致密，與金屬分離結(jié)實(shí)，障礙水中溶解氧擴(kuò)散到金屬外表，到達(dá)緩蝕作用。其次，含低濃度臭氧的水，pH值為8～9，不利于化學(xué)腐蝕發(fā)作。再次，臭氧能有效殺滅噬硫菌、噬鐵菌等微生物，避免微生物點(diǎn)蝕。

將臭氧用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處置以起到阻垢緩蝕作用，在國內(nèi)外已有大量研討。相關(guān)文獻(xiàn)研討標(biāo)明，臭氧作為兼具阻垢－緩蝕－殺菌多項功用的單一水處置劑，使循環(huán)水系統(tǒng)在較高濃縮倍數(shù)下平安運(yùn)轉(zhuǎn)，有效改善換熱器清潔狀態(tài)。

1970年美國學(xué)者Odgen應(yīng)用臭氧處置循環(huán)冷卻水，證明運(yùn)用臭氧法具備共同的優(yōu)勢，第五十一屆國際水會議上，Pryor．A初次做了《臭氧冷卻水處置的特性與經(jīng)濟(jì)性》的報告，引見了全美水處置公司應(yīng)用該技術(shù)處置130多座冷卻塔的處置效果，并得出的結(jié)論:以臭氧作單一的水處置藥劑技術(shù)，可以取代傳統(tǒng)處置技術(shù)，同時還能夠停止阻垢緩蝕和殺菌滅藻。20世紀(jì)90年代開端，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研討院校正臭氧處置循環(huán)冷卻水展開相關(guān)實(shí)驗研討。

本文分離實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)案例數(shù)據(jù)，細(xì)致剖析臭氧處置循環(huán)冷卻水的阻垢緩蝕效果，以及臭氧技術(shù)改造帶來的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

1 研討對象與辦法

1.1 研討對象

為積極響應(yīng)國度環(huán)保政策，實(shí)在進(jìn)步電廠水務(wù)管理程度，河南2個發(fā)電廠采用臭氧技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)停止了改造(改造概略見表1)，替代原有殺菌劑和阻垢緩蝕劑，優(yōu)化處置效果。本文對2個電廠采用臭氧技術(shù)改造后的循環(huán)水系統(tǒng)處置效果停止剖析研討。

項目A為某2×3000kW自備電廠，該電廠雙機(jī)組配置3座機(jī)械風(fēng)冷冷卻塔和2臺循環(huán)水泵，最大循環(huán)水量為2400m3/h，保有水量2000m3。凝汽器和相關(guān)輔機(jī)材質(zhì)為HSn70－1黃銅。循環(huán)水補(bǔ)充水為地表水，改造前采用陽離子交流法降低硬度，但勞動強(qiáng)度大且運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，系統(tǒng)存在污堵和點(diǎn)蝕問題。采用臭氧技術(shù)改造后，補(bǔ)充水直補(bǔ)循環(huán)水系統(tǒng)，提升濃縮倍數(shù)，改善凝汽管換熱效果并有效緩蝕。

項目B為某2×660MW超超臨界火電廠，為完成節(jié)水、節(jié)能、減排，按分步施行的準(zhǔn)繩完成廢水零排放。該電廠每臺機(jī)組配置一座淋水面積為9000m2的逆流式自然通風(fēng)冷卻塔和2臺循環(huán)水泵，滿負(fù)荷時，設(shè)計總循環(huán)水量為140257m3/h，實(shí)踐總循環(huán)水量為129090m3/h，保有水量50000m3。凝汽器和輔機(jī)材質(zhì)均為317L，循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水以城市中水為主要水源，補(bǔ)充水預(yù)處置系統(tǒng)采用石灰軟化工藝。在采用臭氧改造前，循環(huán)水濃縮倍數(shù)設(shè)計值為4．85，臭氧改造后，設(shè)計循環(huán)水濃縮倍數(shù)進(jìn)步至8．5，完成了循環(huán)水排水供脫硫和消防系統(tǒng)應(yīng)用，不外排。

1.2 研討辦法及工藝設(shè)計

1.2.1 實(shí)驗根據(jù)及檢測辦法

本研討中凝汽器性能測試遵照以下標(biāo)準(zhǔn):Standardsforsteamsurfacecondensers，tenthedition，HeatExchangeInstitute(HEI)，2006(美國傳熱學(xué)會規(guī)范);《汽輪機(jī)熱力性能驗收實(shí)驗規(guī)程》(GB/T8117．1－2008);《凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)導(dǎo)則》(DL/T932－2005);《外表式凝汽器運(yùn)轉(zhuǎn)性能實(shí)驗規(guī)程》(DL/T1078－2007);水和水蒸汽性質(zhì)表:國際公式化委員會IFC－1967公式。項目運(yùn)轉(zhuǎn)效果評價中的指標(biāo)檢測辦法列于表2。

1.2.2 臭氧氣體制備及經(jīng)濟(jì)效益核算辦法

環(huán)境空氣經(jīng)空壓機(jī)緊縮成為高壓空氣，再經(jīng)冷干機(jī)冷卻枯燥后貯存在空氣儲罐，空氣儲罐的空氣保送至制氧機(jī)制備為高純度的氧氣貯存在氧氣儲罐，氧氣經(jīng)過臭氧發(fā)作器高壓放電制備成高濃度、高壓力的臭氧氣體。

項目的經(jīng)濟(jì)效益核算:節(jié)水效益根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處置設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50050－2017)停止計算，分離電廠實(shí)踐用水價錢計算;節(jié)能效益計算基于凝汽器性能測試的真空改善數(shù)值，分離電廠所用汽輪機(jī)的背壓對熱耗修正曲線，計算熱耗改動數(shù)值，進(jìn)而計算標(biāo)煤節(jié)約量，核算節(jié)煤效益。儉省化學(xué)藥劑效益來自項目改造前的廠內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。臭氧系統(tǒng)電耗增加依據(jù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)功率停止核算。

1.2.3 高效傳質(zhì)設(shè)計

為獲得臭氧技術(shù)的工藝效果，須保證臭氧充沛溶解于水中并堅持一定的濃度，所以需求設(shè)計高效率的氣水傳質(zhì)安裝，將臭氧氣體混合溶解于水。傳質(zhì)效率(即氣體溶解于水中的效率，以下簡稱“MTE”—MassTransferEfficiency)越高，到達(dá)工藝所需水中臭氧濃度所需的臭氧量越少，臭氧發(fā)作器及其配套設(shè)備的選型可越小，投資和運(yùn)轉(zhuǎn)本錢也越低。

1.2.4 臭氧投加量肯定

依據(jù)建立項目循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水水質(zhì)，根據(jù)《臭氧處置循環(huán)水冷卻水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T32107－2015)，停止臭氧投加量的設(shè)計。由于不同項目水質(zhì)不同，水體中耗費(fèi)臭氧的成分不同，對臭氧的耗費(fèi)量不定，不同水體、不同水質(zhì)、不同工況下的臭氧耗費(fèi)量，均先行小試實(shí)驗，依據(jù)實(shí)驗結(jié)果指導(dǎo)工程臭氧投加量設(shè)計。

1.2.5 DO3控制設(shè)計

注入循環(huán)冷卻水中臭氧濃度(DO3)，在契合《臭氧處置循環(huán)水冷卻水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T32107－2015)的同時，還要對濃度停止準(zhǔn)確控制。循環(huán)水中臭氧濃度缺乏，會影響處置效果;濃渡過高，則會增加設(shè)備系統(tǒng)(包括空壓機(jī)、制氧機(jī)、冷干機(jī)、臭氧發(fā)作器和冷凍機(jī))消費(fèi)臭氧的能耗，形成糜費(fèi)。因而，經(jīng)過自控系統(tǒng)，實(shí)時、連續(xù)、自動地將循環(huán)水中臭氧濃度控制于適宜程度。

1.2.6 防臭氧逸散設(shè)計

為充沛應(yīng)用臭氧，同時避免臭氧逸散環(huán)境形成危害，采用以下措施:一是臭氧現(xiàn)制現(xiàn)用，不存儲，并在臭氧制備車間設(shè)置臭氧濃度監(jiān)測儀表，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量規(guī)范》設(shè)置報警限值，一旦發(fā)作臭氧走漏報警，整個設(shè)備系統(tǒng)自動斷電，不再消費(fèi)臭氧;二是臭氧氣體在帶壓密閉管道注入，避免臭氧逸散;三是經(jīng)過水中臭氧濃度精準(zhǔn)控制，經(jīng)過換熱器和冷卻塔后無多余臭氧逸散環(huán)境。

2 結(jié)果與討論

為剖析2個項目的實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)效果，對項目的補(bǔ)充水及循環(huán)水水質(zhì)、凝汽器阻垢緩蝕效果停止數(shù)據(jù)剖析。

2.1 水質(zhì)剖析

以項目B為例，對循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充水和2個機(jī)組的循環(huán)水停止水質(zhì)剖析。采用臭氧技術(shù)改造后，2018年10月至2019年10月水質(zhì)數(shù)據(jù)范圍如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可見，項目B在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，循環(huán)水的補(bǔ)充水水質(zhì)較為穩(wěn)定，根本契合再生水用于循環(huán)水補(bǔ)充水的水質(zhì)請求。補(bǔ)充水的總硬度、總堿度和細(xì)菌總數(shù)相對較高，循環(huán)水系統(tǒng)具有相對較高的污堵風(fēng)險，因而需求對循環(huán)水系統(tǒng)停止高效處置。從循環(huán)水水質(zhì)可見，各項指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)請求，同時細(xì)菌總數(shù)含量較低，生物污垢存在風(fēng)險低。

2.2 阻垢效果剖析

2.2.1 換熱效率提升

為評價臭氧處置循環(huán)水的阻垢效果，對項目B展開了改造前后凝汽器性能比照測試，并以清潔系數(shù)、端差(熱值差，下同)、真空等指標(biāo)的變化停止了評價。

第三方機(jī)構(gòu)對項目B的2號機(jī)組停止凝汽器本底性能實(shí)驗和臭氧系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)53天后凝汽器性能實(shí)驗，兩次實(shí)驗結(jié)果修正到相同凝汽器熱負(fù)荷、相同冷卻水進(jìn)口溫度和相同冷卻水流量條件下停止比照剖析，相同熱負(fù)荷工況(以凝汽器本底性能實(shí)驗熱負(fù)荷為基準(zhǔn))下凝汽器性能比照結(jié)果如表4所示。

從表4可知，以2號機(jī)組凝汽器熱負(fù)荷2425875MJ/h(對應(yīng)于本底600MW工況熱負(fù)荷)為基準(zhǔn)，在設(shè)計冷卻水進(jìn)口溫度為20℃、設(shè)計冷卻水流量為64350m3/h條件下，凝汽器本底實(shí)驗傳熱端差為5．20℃，凝汽器壓力為4．75kPa，臭氧系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)53天后，凝汽器傳熱端差為3．73℃，凝汽器壓力為4．36kPa。與凝汽器本底實(shí)驗比照，凝汽器傳熱端差降低約1．47℃，壓力降低約0．39kPa;凝汽器傳熱端差降低約28．27%，壓力降低約8．21%。臭氧系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)53天后，低壓凝汽器運(yùn)轉(zhuǎn)清潔系數(shù)由0．61進(jìn)步至0．79，進(jìn)步29．51%;高壓凝汽器運(yùn)轉(zhuǎn)清潔系數(shù)由0．73進(jìn)步至0．89，進(jìn)步21．92%。應(yīng)用臭氧技術(shù)后，凝汽器真空和端差改善，運(yùn)轉(zhuǎn)清潔系數(shù)明顯進(jìn)步，表現(xiàn)了該技術(shù)的阻垢效果。

2.2.2 凝汽器真空、端差運(yùn)轉(zhuǎn)趨向

2個采用臭氧技術(shù)改造的項目均自2018年運(yùn)轉(zhuǎn)至今，項目運(yùn)轉(zhuǎn)人員采集了局部時段凝汽器真空和端差實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)值，數(shù)據(jù)繪圖，并停止運(yùn)轉(zhuǎn)趨向定性剖析，以評價臭氧處置循環(huán)冷卻水的阻垢效果。重點(diǎn)選取結(jié)垢風(fēng)險最高的5～9月數(shù)據(jù)停止剖析，如圖1～6所示。

從圖1～6中可見，夏季運(yùn)轉(zhuǎn)期間，2個項目機(jī)組負(fù)荷均較平穩(wěn)，真空與端差動搖主要隨負(fù)荷動搖，且數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，整體趨向堅持向優(yōu)。此期間，項目A真空運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處于－(81～91)kPa范圍內(nèi)，端差運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處于6．5～13．5℃范圍內(nèi)。項目B的1號和2號機(jī)組真空運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均處于－(89～95)kPa范圍內(nèi)，1號機(jī)組端差運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處于0．5～3．5℃范圍內(nèi)，2號機(jī)組除因負(fù)荷突變招致的個別數(shù)據(jù)到達(dá)4～5℃外，95%以上端差處于1～2．5℃范圍內(nèi)。2個項目凝汽器真空和端差運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)良好，反映了采用臭氧技術(shù)改造的阻垢、脫垢效果。

2.3 緩蝕效果剖析

2.3.1 pH、總鐵、總銅

為剖析臭氧技術(shù)改造后的緩蝕效果，在臭氧系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)的一年內(nèi)，由第三方水質(zhì)檢測機(jī)構(gòu)每1～2月取循環(huán)冷卻水水樣檢測剖析pH、總鐵、總銅，數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

結(jié)果顯現(xiàn)循環(huán)水pH堅持弱堿性，有利于緩蝕;兩個項目的循環(huán)水中總鐵滿足規(guī)范DL/T300－2011規(guī)則:(≤0．5mg/L)及規(guī)范GB/T50050－2017規(guī)則:(≤2．0mg/L)的請求;項目A的循環(huán)水中總銅未檢出。以上檢測結(jié)果標(biāo)明采用臭氧處置后的循環(huán)水系統(tǒng)緩蝕效果良好。

2.3.2 腐蝕速率

項目B在循環(huán)水采用臭氧高效水處置系統(tǒng)期間，分別在2個機(jī)組的凝汽器入口處裝置模仿監(jiān)控安裝。第三方檢測機(jī)構(gòu)懸掛TP316、TP317不銹鋼腐蝕試片停止腐蝕速率檢測，此期間試片外表流速約為1．04m/s，結(jié)果如表7所示。測試結(jié)果顯現(xiàn)，在凝汽器入口循環(huán)水水溫條件下，TP316和TP317不銹鋼資料的平均腐蝕速率均滿足規(guī)范GB/T50050－2017的規(guī)則(≤0．005mm/a)請求。

2.4 效益剖析

2個火電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用臭氧協(xié)同技術(shù)改造后，既節(jié)水減排，減少水資源費(fèi)和廢水深度處置費(fèi)用，又降本增效，進(jìn)步了資源應(yīng)用率，還節(jié)約了化學(xué)藥劑費(fèi)用。

以項目B為例，改造后獲得的經(jīng)濟(jì)效益按設(shè)計年應(yīng)用小時5500h計算，則:

節(jié)水效益:根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處置設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中5.0.6的公式計算。循環(huán)水量依照滿負(fù)荷130000m3/h計，循環(huán)冷卻水進(jìn)出水溫差均勻10℃計，依據(jù)氣溫對應(yīng)k值取全年均值0．001268。濃縮倍數(shù)從4．85提升至8．50，年節(jié)水量116萬t，補(bǔ)充水單價為1．3元/m3，則節(jié)約水費(fèi)151萬元/a。

節(jié)煤效益:依據(jù)凝汽器性能測試結(jié)果，凝汽器壓力降低0．39kPa;根據(jù)汽輪機(jī)廠家提供的背壓與熱耗曲線圖，凝汽器壓力在4．9～12kPa區(qū)間時，凝汽器壓力每降低1kPa，熱耗率降低1．3%，則節(jié)煤量=額定熱耗×1．3%×0．39÷標(biāo)煤熱值×660×103×2×5500×10－6，其中額定熱耗為7426kJ/(kW·h)，標(biāo)煤熱值29307kJ/kg，則節(jié)煤量為9293t標(biāo)煤/a。

依照均勻入爐含稅標(biāo)煤價764元/t計算，年節(jié)約費(fèi)用:9293×764≈710萬元。

儉省化學(xué)藥劑效益:依據(jù)項目改造前電廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年均勻運(yùn)用阻垢緩蝕劑及殺菌劑260t，費(fèi)用為130萬元。

臭氧系統(tǒng)電耗:臭氧系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)功率為498kW，年耗電量為498×5500≈274萬(kW·h)，廠用電本錢價0．385元/(kW·h)，則年用電費(fèi)用約105萬元。

采用臭氧技術(shù)改造后，項目B獲得的經(jīng)濟(jì)效益顯著，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?/span>8所示。

3 結(jié)論

(1)采用臭氧技術(shù)處置循環(huán)冷卻水，省卻了阻垢緩蝕劑和殺菌劑等藥劑投加，綠色環(huán)保。

(2)采用臭氧技術(shù)改造后，兩個項目的夏季運(yùn)轉(zhuǎn)真空和端差均穩(wěn)定且趨向向優(yōu)。關(guān)于660MW的超超臨界機(jī)組，真空運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均處于－(89～95)kPa范圍內(nèi)，95%以上端差處于0．5～3．5℃范圍內(nèi)。反映了采用臭氧技術(shù)改造的阻垢、脫垢效果。

(3)采用臭氧技術(shù)改造后，項目B經(jīng)過凝汽器性能測試，結(jié)果顯現(xiàn)，經(jīng)過53天的運(yùn)轉(zhuǎn)，凝汽器端差改善28．27%、凝汽器壓力改善8．21%、低壓凝汽器清潔系數(shù)進(jìn)步29．51%、高壓凝汽器清潔系數(shù)進(jìn)步29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠節(jié)能降耗。

(4)采用臭氧技術(shù)處置的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，不銹鋼腐蝕速率遠(yuǎn)小于0．005mm/a、總銅未檢出、總鐵遠(yuǎn)小于0．5mg/L、pH在7～9范圍內(nèi)，完成了良好的緩蝕效果。

(5)經(jīng)臭氧技術(shù)處置的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，濁度、COD、氨氮、細(xì)菌總數(shù)等各項水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)請求，優(yōu)化了水質(zhì)。同時循環(huán)水濃縮倍數(shù)提升，在夏季到達(dá)以至超出設(shè)計值，具有顯著的節(jié)水減排作用。