多水源补水循环水系统污染分析及应对策略

某火电厂循环水系统有多种补水水源，其中之一为铝冶炼厂蒸汽凝结水。由于在生产过程中发生液碱漏入凝结水系统，受污染的凝结水又回用补入循环水系统，导致该火电厂循环水受到污染。通过采取科学合理的应对处理措施，循环水水质恢复正常，未造成设备腐蚀、结垢等不良后果。

工业企业是用水大户且绝大部分都为工艺冷却用水。以火电厂为例，循环冷却水系统用水量几乎占整个火电厂用水量的90%以上。目前，越来越多的湿冷火电机组循环水系统使用再生水等多种水源作为补充水，由此循环水受到污染的风险也同时增大。

循环水发生污染后，若处理不当会导致凝汽器和各种换热器发生腐蚀和结垢。凝汽器发生腐蚀会引起冷却水管穿孔、开裂，从而增加了设备的检修次数，使设备的使用寿命缩短并使发电成本增加。而凝汽器结垢会导致换热器的热交换效率降低，发电能耗增加，如果需要停机清洗换热器则经济损失更大。因此，采用快速有效的应对策略处理循环水系统的污染非常重要。

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机组及循环水系统概况

某火电厂2台300 MW亚临界燃煤自备湿冷发电机组为铝冶炼厂提供电力和工艺用蒸汽，其循环水系统以处理后的制药废水回用水、地表水以及铝冶炼厂蒸汽凝结水（以下简称凝结水）作为补充水水源，每台机组补充水量约为500 t/h，其中凝结水水量约80 t/h，其余为处理后的废水回用水和地表水。循环水各补充水水质见表1。

表1   循环水系统补充水水质

从表1可以看出，凝结水的水质好于其他2种水源水质，但凝结水易受铝冶炼厂某些工艺过程的污染。根据各换热器材质（见表2），对循环冷却水采用加硫酸、水质稳定剂和加杀菌剂的方法进行处理。

表2   凝汽器和主要换热器形式及材质

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循环水污染情况

2018年3月6日发现2号水塔循环水外观异常，混浊且呈灰白色，而1号水塔水质正常。根据循环水外观及补充水水源分析认为，最大的可能是铝冶炼厂受污染的凝结水补入了2号水塔，造成整个2号水塔循环水的污染，铝冶炼厂反馈信息也验证了上述分析。

取2号水塔循环水和凝结水水样进行分析，发现凝结水酚酞碱度超过30 mmol/L，循环水水质主要控制指标也有多项异常（见表3），表明2号水塔循环水受到了较强碱性物质的污染。循环水中的COD和氨氮并未超过《污水综合排放标准》（GB 8978— 1996）要求，分别为36.8、0.1 mg/L。

表3   2号水塔循环水污染前后水质分析结果

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循环水污染应对及处理

在切断污染源的同时，根据碱性污染源和循环水的水质采取了相应措施。（1）加大硫酸和缓释阻垢剂加入量，降低循环水结垢风险；（2）加大2号水塔排污量和补水量，将受污染的水尽快置换排出；（3）为避免循环水中的悬浮物沉积在凝汽器管内，造成凝汽器结垢和垢下腐蚀，连续运行2号水塔凝汽器胶球清洗系统。

3月7日，对2号水塔循环水主要水质指标进行了分析（见表4），全碱度降至6.7 mmol/L，水质基本正常，2号水塔循环水外观也逐渐恢复正常。

表4   2号水塔循环水正常后的水质分析结果

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循环水污染分析

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凝结水污染原因分析

铝冶炼厂部分原材料（氧化铝）是由粉煤灰提炼而得到。在提炼过程中，粉煤灰和液体氢氧化钠混合，通过蒸汽加热发生反应，可将粉煤灰中的硅脱除，然后进行后续工艺过程。在脱硅过程中，发生碱液泄漏到蒸汽凝结水中。将其用作循环水补水，导致循环水发生污染。

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循环水污染机理分析

循环水受到强碱性物质污染后，其碱度和pH大幅升高，悬浮物质量浓度达到500 mg/L（水质正常时悬浮物质量浓度仅为12~20 mg/L）。因悬浮物含量高，导致循环水外观呈灰白色。将水中的悬浮物采用X-射线荧光能谱仪进行成分分析，结果见表5。

表5   水中悬浮物主要成分检测结果（%）

注：各项目数值均以质量分数计。

从表5可以看出，悬浮物中存在铝的化合物，但悬浮物主要成分为钙、镁的化合物。常温下，MgO和H₂O的水化反应进行得很缓慢，这是因为MgO和H₂O反应生成的Mg(OH)₂难溶于水，它包裹在MgO的表面，抑制了MgO和H₂O的进一步反应。而CaO的水化反应现象比较剧烈，CaO和H₂O反应放出大量的热，生成白色的沉淀物Ca(OH)₂，使溶液变浑浊。

本次泄漏到凝结水中的液体NaOH在水中电离后生成OH^-，其与Ca²⁺结合形成微溶的Ca(OH)₂，因此造成了污染后的循环水外观呈灰白色。

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循环水污染处理策略分析

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降低碱度

污染后由于循环水的碱度和pH均升高，水中的Ca(HCO₃)₂容易转化成CaCO₃沉积在换热器上。因此必须尽快降低循环水碱度，以避免凝汽器和其他换热器结垢。向循环水系统加硫酸是降低循环水碱度的主要方法，其可将水中的碳酸盐硬度转变成非碳酸盐硬度（CaSO₄）。

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胶球清洗

连续运行胶球清洗装置，对凝汽器管内壁进行撞击和磨擦，从而达到将凝汽器管内壁泥垢清洗干净的目的。循环水水质正常条件下，胶球清洗投运6 h/d即可满足要求。但在循环水发生污染后，悬浮物含量升高、结垢趋势增大的情况下，连续运行胶球清洗装置，可以有效降低悬浮物在凝汽器不锈钢管沉积的几率。

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循环水污染处理效果评价

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凝汽器结垢情况

凝汽器真空是表征凝汽器工作正常与否的主要指标，对汽轮机运行的经济性具有重大影响。影响凝汽器传热端差的因素比较复杂，主要包括凝汽器传热特性、热负荷、清洁系数、空气量及冷却水系统特性等。在本系统中其他参数均没有变化，因此凝汽器的清洁程度（结垢）是影响凝汽器端差的唯一因素。通过循环水系统污染前后的负荷、真空及凝汽器端差参数变化（见表6）基本可以确认凝汽器是否结垢。

表6   2号机组负荷、真空及凝汽器端差日均参数

从表6可以看出，在负荷基本相同情况下，凝汽器真空、凝汽器端差等参数变化不明显，因此可以确认，循环水污染后经处理未造成凝汽器结垢。

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循环水系统腐蚀情况

循环水系统采用加硫酸降低碱度的同时，增加了水中SO₄^2-含量，经检测循环水中的SO₄^2-为1 340 mg/L。因为发生污染时未带入Cl^-，而日常循环水中的Cl-在400~500 mg/L，因此，（SO₄^2-+Cl^-）在1 740~ 1 840 mg/L。由于SO₄^2-质量浓度未超过1 500 mg/L，（SO₄^2-+Cl^-）质量浓度小于2 500 mg/L，满足《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2017）中间冷开式系统循环冷却水水质标准，故腐蚀在可承受范围之内。

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阻垢效果分析

根据《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2017），对于间冷开式系统循环冷却水，要求（钙硬度+总碱度）≤1 100 mg/L。2号水塔循环水日常钙硬度+总碱度为900~1 000 mg/L，阻垢效果在合格范围之内。污染发生后，采取加酸降低循环水碱度，使钙硬度+总碱度下降，由表3可知，钙硬度+总碱度下降到了915 mg/L，可以降低循环水结垢的倾向。

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污染防范措施

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防止凝结水污染

多水源补水循环水系统污染源控制是保证循环水系统安全运行的重中之重，一旦循环水发生污染，由于其系统庞大，处理需要较长过程，且处理效果也存在不确定性。铝冶炼厂粉煤灰提取氧化铝工艺过程复杂，全工艺过程都需要液碱和蒸汽，因此凝结水受碱污染风险较大。为防止受污染的凝结水影响循环水，需要铝冶炼厂加强对凝结水水质的监测，凝结水水质不合格时，禁止回用于火电厂循环水并自动切出。

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防止循环水污染

循环水系统庞大，一旦发生水质污染，处理难度较大。因此，防止循环水污染更为重要。可以采取以下措施：

①在各补充水管道上加装在线监测仪表，并设置水质超标报警，联锁关闭循环水补充水阀门；

②水质异常时及时通知相关企业协助查找水质异常原因，废水处理和凝结水回用企业也要加强对系统设备的维护，采取技术措施避免类似污染事件的发生。

（来源：《工业水处理》2019年第12期，作者：韩志远，参考文献略。其他网站或公号转载，请先取得本号授权）