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1、4第一篇水处理第5章第五章 冷却水处理在火力发电厂的生产过程中，大都以水作为汽轮机排汽的冷却介质，而且用水量很大，几乎占全厂总用水量的97%以上。冷却水质量对火电厂的安全经济运行有十分重要意义，因此应根据冷却方式和冷却水水质特点，对冷却水进行处理。第一节 冷却水系统及水的冷却原理一、冷却水系统用水来冷却汽轮机排汽的系统称为冷却水系统。冷却水系统通常有三种：直流式冷却水系统、密闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统。1直流式冷却水系统直流式冷却水系统通常是以江河作为水源，在江河的上游取水，经凝汽器出来的温度升高后的水排入江河的下游，冷却水只一次使用。以海水作冷却水的海滨电厂，采用的是直流式冷却

2、水系统。直流式冷却水系统必须有充足的水源，可供直流式冷却水系统的水源有海水、江河水、湖水和水库水等。2密闭式循环冷却水系统在此系统中冷却水在密闭系统中循环流动，不与大气接触，所以冷却水损失很少，水质一般没有明显变化。这种系统对冷却水水质要求高，一般是用凝结水作为冷却介质。在火力发电厂中，它一般仅适用于冷却水量较小的发电机内冷水、大型水泵的轴承冷却或特殊要求的场合。3敞开式循环冷却水系统在敞开式循环冷却水系统中，冷却水循环使用。冷却水每次流入冷却设备的过程中都必须与空气接触。冷却设备敞开于大气，在与大气接触的过程中，水不断蒸发，在散热的同时也损失掉部分水，因而水中盐类不断浓缩。此外，冷却水在这里

3、还会混入和溶解大气中的灰尘并有CO2的散失。由于冷却水反复流过冷却设备，水质不断变差，往往会导至系统结垢、腐蚀和微生物滋长。为了阻止水质无限制地恶化下去，必须排放一部分浓的水，补充一部分新鲜水。二、凝汽器在火力发电厂的冷却水系统中，换热设备是凝汽器，它的作用是将汽轮机的排汽冷却成为凝结水，再送回热力系统继续循环使用。按蒸汽凝结的方式分为混合式凝汽器和表面式凝汽器。表面式凝汽器由外壳、冷却水管、管板和水室组成。本期600MW机组的凝汽器为对分式双路单流程，凝汽器管材为鈦管，管径为25mm，壁厚为0.5mm，长度为了2410mm，面积358002，清洁系数为0.85，设计冷却水平圴进水温度为23.

4、4。冷却水在凝汽器中经管壁与汽轮机的排汽进行热交换。在此过程中，蒸汽凝结成水时放出的热量被冷却水带走，冷却水的温度上升。热的冷却水排放或进入冷却设备降温冷却后循环使用。三、冷却方式在敞开式循环冷却水系统中，用来降低循环水水温的设备称冷却设备。按其所使用的冷却设备的不同，可分为水面冷却、喷水池冷却和冷却塔冷却。1水面冷却水面冷却是通过水库、湖泊、河道、海域或人工水池等水体的水面向大气散发热量的冷却方式。2喷水池冷却为了增大水与空气的接触面积，在冷却水池上面加装喷水装置，即喷水冷却水池，在水的喷淋过程中向大气散发热量。3冷却塔冷却冷却塔是一种塔形构筑物，热水从上向下被喷散成水滴或水膜状，空气由下而

5、上在塔内流动进行热交换。目前火力发电厂的冷却塔多设计成双曲线型的自然通风冷却塔对循环水进行冷却处理。四、水的冷却原理循环水的冷却介质是湿空气，当热的循环水在冷却塔中以小水滴或水膜形式从上向下降落时，与从冷却塔下面由下而上的湿空气进行热量传递，其传热方式主要有蒸发散热和接触传热。1水的蒸发散热水的蒸发散热是由水分子的热运动引起的，当水体表面某些水分子的动能足以克服水体内部对它的内聚力时，这些水分子便逸出水面进入空气中。由于逸出水面的水分子的动能较大，使剩下的水分子的平均动能减小，则水温降低得到冷却。从水面逸出的水分子之间以及与空气中水分子之间相互碰撞中，又有一部分水分子回到水面，这称为凝结。若单

6、位时间内逸出的水分子多于返回水面的水分子，水就不断蒸发，水温也就不断下降。蒸发所消耗的热量总是由水向湿空气传递，水温降低水得到冷却。因此，为了加快蒸发散热，一方面增大热水与湿空气的接触面积，提供更多的水分子逸出的机会；另一方面提高水气界面上的空气流动速度，以保持恒定的蒸发推动力。2水的接触传热如果水的温度与空气的温度不同，那么在水气界面上会产生传热过程。根据热力学第二定律，热量总是自发地从高温传向低温，如果水温高于空气温度，水将热量传递给空气，空气温度上升，一直到水面温度与空气温度相等为止。反之，空气将热量传递给水，水的温度上升。接触传热的推动力是水气界面上水的温度与空气温度之差。冷却塔内两种

7、传热方式都存在，但随季节有变化。在冬季气温低、温差大，接触传热所散发的热量可占总散发热量的50%70%；夏季气温高、温差小，接触传热所散发的热量很少，蒸发散热可占总散发热量的80%90%。第二节 冷却水水质防城港电厂一期工程采用的是以海水作为凝汽器的冷却水。设计的单台机组的冷却水量：冬季为16.56 m3/s，相当于59629m3/h，冷却倍数为51；其他季节单台机组的冷却水量为19.26 m3/s，相当于69340m3/h，冷却倍数为60。本节介绍海水的水质概况。一、海水的水质特点海水由于长时间的蒸发浓缩作用，其含盐量较高，通常达35g/L左右，其中以氯化钠的含量最高，约占含盐量的89%，其

8、次是硫酸盐和硅酸盐，钙、镁离子总量一般为5060mmol/L，有时高达100200mmol/L。各地海水水质组成基本上是相似的，各主要离子之间的比例基本上是稳定的，只有HCO3-、CO32-含量的变化较大。常见离子含量的次序依次是（Na+ + K+）Mg2+ Ca2+，Cl- SO42- (HCO3-+CO32-)。(HCO3-+CO32-)在海水中含量最小的原因是因为在河水流入海洋中时参于碳酸盐平衡的各离子的比例关系发生了变化，一部分HCO3-转变成CO32-并与水中Ca2+反应生成CaCO3，CaCO3被水中有机生物吸收组成其骨骼而沉积下来。海水中有着大量的海洋生物，如鱼类、贝类及浮游生物

9、等。防城港电厂用作冷却水的海水的水质资料见表5-1。表5-1 防城港电厂海水水质分析报告表序号项 目单位2004年4月2004年8月1全固体mg/L3081019313.132悬浮固体mg/L340213.133溶解固体mg/L30470191004泥沙含量mg/L340213.135pH值7.96.576游离二氧化碳mg/L8溶解氧mg/L5.78.709全碱度 mmol/L2.381.6510总硬度 mmol/L116.39411碳酸盐硬度mmol/L12非碳酸盐硬度mmol/L13钙离子mg/L367.4320.6414镁离子mg/L1190.7947.715钠离子mg/L16钾离子mg

10、/L17铜离子（Cu+2）mg/L0.100.0918铁(Fe3+、Fe2+)mg/L19氨mg/L0.110.2120铬（Cd）mg/L0.470.4121锰（Mn）mg/L0.0220.01922重碳酸根mg/L145.35100.62续表序号项 目单位2004年4月2004年8月23氯根mg/L17379.111700024硫酸根mg/L25硫（S+2）mg/L0.040.0426溴（Br）mg/L60.5058.3027硝酸根mg/L28总磷（PO43-）mg/L2.670.0329氨氮mg/L0.122.5530油mg/L0.110.0731化学耗氧量mg/L4.988.1632全硅

11、mg/L6.232.1833活性硅CFU/100mL0.561.9134大肠杆菌4335电导率（25.0）(S/cm)4938045630二、海水的盐度和氯度海水的化学组分通常用盐度和氯度表示。（1）盐度。是表示海水含盐量的指标，它是指在1000g海水中，将所有碳酸盐转变成氧化物，所有的溴和碘用氯代替以及有机物已完全氧化后所含全部固体物质的总克数，用S表示。（2）氯度。是表示海水中氯化物含量的指标，它是指在1000g海水中，若将溴和碘以氯代替时所含氯、溴、碘的总克数，用Cl表示。 盐度和氯度的关系是 S 1.80655 Cl （5-1）表5-2给出了某电厂1993年110月的海水（表层）盐度、

12、氯度资料。由于海水的含盐量很高，所以海水必须经过处理后才能应用，未经过处理的海水主要限于用来冷却热交换设备。位于海滨的发电厂，主要用海水作为凝汽器的冷却水。表5-2 某电厂海水的盐度和氯度的月平均值（1993年110月）项目月份盐度氯度1月32.92 18.232月33.4118.493月33.4018.494月34.3919.045月33.3018.436月29.9916.607月31.5817.488月32.5718.039月32.9718.2510月32.2817.87110月平均32.6818.09第三节 冷却水系统中附着物的防止防城港电厂汽轮机排汽的冷却采用直流式冷却系统，冷却水为海

13、水。由于冷却水一次性通过凝汽器换热后就排放到大海中，水中含盐量没有明显变化，所以不需要对冷却水进行防垢处理。海水中存在着大量的海洋生物，尤其贝类和藻类，它们在冷却水系统中附着和滋长，影响冷却系统的通流面积，降低了凝汽器的传热效率并产生生物腐蚀。为此，必须对冷却水进行杀生处理，以阻止生物附着物的生长。杀生处理所用的药剂称杀生剂，添加杀生剂是目前控制冷却水系统中贝类和藻类生长的最有效和最常见的方法之一。一、杀生剂杀生剂的品种较多，主要有：（1）氧化型杀生剂。如：液氯、氯胺、二氧化氯、次氯酸钠、次氯酸钙和臭氧等。（2）非氧化型杀生剂。如：氯酚类、季胺盐类、有机硫化合物、二硫氰基甲烷、丙烯醛等。下面介

14、绍几种常见的杀生处理。1液氯（Cl2）处理（1）氯的性能。氯在常温常压下为黄绿色气体，有剌激性、有毒。常温时将氯加压到0.60.8MPa，它会转变成液态。氯的工业用品是装在钢瓶中的液态氯，使用时要减压使之成为气态氯，再与水混合制成含氯的水后再加以应用。（2）作用机理。氯是一种强氧化型杀生剂，在水中水解生成次氯酸（HClO），其化学反应为： Cl2 + H2O HClO + H+ + Cl- （5-2）次氯酸是杀生的主要成分，它能透过生物的细胞壁，迅速与原生质化合，与细胞的蛋白质作用生成稳定的氮氯键。虽然它不损害细胞壁，但可以引起细胞内部的严重损伤。HClO是一种弱酸，在水中发生电离： HClO

15、 H+ + ClO- （5-3）次氯酸根（ClO-）的杀生能力比HClO弱得多，（5-3）式表明，降低水的pH值，平衡向左移动，HClO相对含量增加，所以液氯处理效果随水的pH值下降而上升。但pH值太低易引起冷却水系统的酸性腐蚀，所以一般认为pH值在6.57.5的范围内最合适。2次氯酸钠（NaClO）处理次氯酸钠是一种强氧化剂，外观为淡黄色的透明液体，有类似氯气的剌激气味。（1）作用机理。次氯酸钠在水溶液中生成次氯酸根，再经过水解生成次氯酸起杀生作用，其反应为： NaClO Na+ + ClO- ClO- + H2O HClO + OH- （5-4）因为NaClO含的有效氯易受阳光、温度的影响

16、而分解，故一般利用次氯酸钠发生器在现场制取，就地投加。（2）次氯酸钠的制取。次氯酸钠是以低浓度的食盐溶液（3%的NaCl溶液）或海水作电解液采用电解法直接制取的，这种装置称次氯酸钠发生器。在NaCl溶液中通过直流电后，Na+、Cl-发生定向迁移，直接产生NaClO，其反应为在电解液中： NaCl Na+ + Cl- H2O H+ + OH- 阳极反应： 2Cl- 2e Cl2 阴极反应： 2H+ + 2e H2 电解槽中Cl2的水解反应： Cl2 + H2O HClO + HCl 阴极上的H2逸出后，发生下述反应，生成NaClO： OH- + Na NaOH NaOH + HClO NaClO

17、 + H2O （5-5）3季胺盐处理：季胺盐是一类非氧化型杀生剂，主要有十二烷基二甲基苄基氯化铵（洁尔灭）、十二烷基二甲基苄基溴化铵（新洁尔灭）等，以及美国GESPECTROS公司开发的CT1300杀生剂。据资料介绍，CT1300杀生剂是非氧化型工业成品药剂，具有剌激性气味，可自然降解。其作用机理为：通过药剂中的阳离子季胺盐活性组分与海洋生物的阴离子有机生物体相结合，切断细胞内营养物质的传送，达到杀死生物的效果。而活性组分在环境中存在时间断，易被中性或阴离子型基质物和沉积物所吸收而得到降解，不影响环境。该杀生剂主要是控制贝类和藻类生物的生长，对在冷却水系统中附着能力强，危害大的贝类生物，如绿贝

18、、藤壶（海蛎子）等具有接近100%的杀灭能力。而且在一定剂量范围内，对流动性生物（如鱼类）生长的危害不大。二、杀生剂投加方法有连续投加和间歇投加两种。连续投加可经常保持冷却水中一定的杀生剂浓度，将水中生物总量持续控制在一个较低的水平之下，但药剂消耗量大，费用高。间歇投加与连续投加不一样，在停止加药期间允许生物总量有所提高，不过，当它们的总量还末达到危害程度时，一次冲击式大剂量投药，有利于迅速将其集中杀灭。采用间歇投药时，一般每天或每隔数日投药一次，每次持续加药时间一般为13小时，这种方式比效经济。循环冷却水系统目前普遍采用的是间歇式投药，对于直流冷却水系统，因对排水药剂浓度的限制，所以多采用连

19、续式投药。三、防城港电厂冷却水处理为了防止海洋生物在循环冷却水系统中滋长和附着，减少冷却水系统通流面积，降低凝汽器的传热效率及产生生物腐蚀，因此必须对循环冷却水进行投加杀生剂处理。本工程选用冷却水投加次氯酸钠的处理工艺。防城港海域的海水含氯度在1718，其含氯度条件适合于采用电解海水制备次氯酸钠。电解海水制备次氯酸钠的系统包括海水输送单元、次氯酸钠制备单元、贮存单元、反洗单元和自控单元。本期工程设2套出力为90kg/h电解海水制氢装置。采用连续加药的运行方式，加药量约1.0mg/L，控制冷却水排水口余氯在0.10.3mg/L，加药点在冷却水取水头附近。由于次氯酸钠由海水转化而来，排水余氯经一定

20、时间后可还原成NaCl，因此，在控制好冷却水排水口余氯的前题下，可降低次氯酸钠对海域环境的影响。次氯酸钠制备和投加系统见图5-1，主要设备及规范见表5-3，图中设备编号与表中序号相同。图5-1 次氯酸钠制备及投加系统 表5-2 次氯酸钠制备及投加系统主要设备及规范序号名 称规格及规范数量1海水过滤器SSE100-50 Q=120 m3/h 22海水泵IH100-80-160 H=30 m Q=75 m3/h 33自动冲洗海水过滤器ZHG120-LA Q=120 m3/h 24次氯酸钠发生器90kg/h25次氯酸钠贮存罐V=50 m3 26排氢风机4-72-4A Q=7419 m3/h2续表序号

21、名 称规格及规范数量7加药泵IH100-80-160 H=30 m Q=75 m3/h 38浓酸箱V=1.5 m3 19浓酸泵25FSB-18 H=10 m Q=3.6 m3/h 110酸洗箱V=1.5 m3111酸洗泵40FSB-25 H=25 m Q=10 m3/h 112酸雾吸收器SHQ-300 1第四节 碳酸钙垢的形成和防止直流式冷却水系统中一般不会形成水垢，但在敞开式循环冷却水系统中，各个部位都可能有水垢的析出。在凝汽器中，最常见的水垢是CaCO3。水垢形成的主要原因有：（1）循环水的浓缩作用使水中碳酸盐硬度增加；（2）循环水中CO2散失，促使了HCO3-向CO32-的转移；（3）循

22、环水的温度上升，降低了钙镁碳酸盐的溶解度，促使水垢从水中析出。在循环冷却水系统中，生成CaCO3垢的条件是HTXHTB （5-6）式中，HTX为极限碳酸盐硬度；HTB为补充水碳酸盐硬度；为浓缩倍率。因此，降低、HTB或提高HTX都可以达到防止CaCO3垢的生成。降低循环水的浓缩倍率，意味着增大排污量，对节水不利。降低补充水的碳酸盐硬度HTB或增大循环水的极限碳酸盐硬度HTX是通常采用的方法。具体方法有，循环水加酸处理、补充水石灰沉淀处理、弱酸树脂的离子交换处理以及阻垢处理等。一、加酸处理此法为向循环水中加酸，降低水的碳酸盐硬度，从而减少了水中参于结垢的CO32-浓度。常用于循环水处理的酸是硫酸

23、，至于盐酸，因氯离子有促进金属腐蚀问题，所以不常用。硫酸与水中碳酸氢盐的反应如式（5-7）所示。 Ca (HCO3)2 + H2SO4 CaSO4 + 2CO2 + 2H2O （5-7）生成的CaSO4有一定的溶解度，在循环水中一般达不到过饱和状态，故不会析出。加酸的量并不需要使循环水中的碳酸氢根全部中和，只要留下的碳酸氢钙在运行中不结垢就可以。所以此量是维持循环水中的碳酸盐硬度不超过极限碳酸盐硬度为准。在确定了极限碳酸盐硬度后，硫酸的加药量可按式（5-8）估算， （5-8）式中，D 为硫酸加药量，g/h；49为H2SO4的摩尔质量，g/mol；为硫酸的纯度；其它符号同前。加酸地点没有严格限制

24、，从防垢的目的说，将酸加在循环水泵前的补充水水流中是有利的，因为这样可以保留加酸时析出的CO2，使循环水的极限碳酸盐硬度提高；从减轻金属腐蚀方面考虑，宜将酸加在进入冷却塔的循环水中。加酸处理应控制循环水碳酸盐硬度低于极限碳酸盐硬度，因为碱度与pH值有一定关系，所以也可控制pH值，一般控制pH值在7.47.8之间。当酸加在补充水中时，一般控制水的残留碱度在0.30.5mmol/L，以避免出现酸性。二、石灰沉淀处理石灰沉淀处理是向补充水中投加石灰，使碳酸盐沉淀并从水中分离出去，减少随补充水进入循环水系统的碳酸盐含量。生石灰（CaO）加水的反应CaO+H2OCa(OH)2称消化反应，生成的Ca(OH

25、)2称熟石灰、消石灰或石灰乳。在水中投加石灰乳后的主要反应为： CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O （5-9） Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 +2H2O （5-10） Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O （5-11）上述反应视石灰的加入量依次进行。至于水中的非碳酸盐硬度和过剩碱度，用石灰处理是不能消除的。经石灰处理后的水，由于碳酸盐硬度降低，故可以减轻它在循环水系统中的结垢倾向。但经此处理的水是碳酸钙的饱和溶液，当它在循环水系统中受热、蒸发和停留的过程中仍有可能出现CaCO3沉淀。所以运行中，还要结合

26、循环水系统排污，控制循环水的浓缩倍率。三、弱酸树脂的离子交换在循环冷却水处理中，采用的离子交换剂一般为弱酸性阳树脂。这里，采用弱酸性阳树脂而不宜用强酸性阳树脂的原因是：前者的交换容量大和容易再生，尽管它只能交换水中的碳酸盐硬度，但这正是循环冷却水处理所需要的。弱酸阳树脂的活性基团是羧酸基（-COOH），参与交换的是H+。该树脂对水中常见离子的选择性顺序为：H+Ca2+Mg2+K+Na+，树脂之所以特别容易吸着H+，是由于(-COO)-与H+ 结合所生成的羧酸基电离度很小的缘故。弱酸性阳树脂的-COOH基团对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力，其交换反应为： 2RCOOH + Ca(HCO3)2 (

27、RCOO)2Ca + 2H2O + 2CO2 （5-12） 2RCOOH + Mg(HCO3)2 (RCOO)2Mg + 2H2O + 2CO2 （5-13）反应中产生了H2O 并伴有CO2 逸出，从而促使了树脂上可交换的H+ 继续解离，并和水中Ca2+、Mg2+ 进行交换。反应的结果，不仅除去了水中的碳酸盐硬度，也同时除去了水中的碱度，降低了水中的含盐量。弱酸H交换器主要用于除去水中的碳酸盐硬度，所以可以用出水碱度或硬度的变化作为运行终点的控制指标。树脂失效后必须用酸进行再生，以恢复其交换能力。由于弱酸树脂很容易再生，所以再生剂可以是HCl、H2SO4甚至是H2CO3。四、阻垢处理为了防止循

28、环冷却水系统结垢和维持循环冷却水设计的浓缩倍率，提高循环冷却水极限碳酸盐硬度，本期工程采用的是循环冷却水加阻垢剂处理。向循环水中添加少量化学药剂，就可以起到阻止生成水垢的作用，这称为阻垢处理或稳定处理，所用的药剂称阻垢剂或水质稳定剂。1阻垢剂的阻垢性能各种阻垢剂虽然具有不同的性能，但它们在阻垢方面有许多共性，这就是阻垢剂在其加药量很低时就可以稳定水中大量的Ca2+，当它们的剂量增至很大时，其稳定作用不再明显的改进。阻垢剂的这种性能称为阈限效应。阻垢剂的阻垢效果除与其用量有关外，还与水温和水质有关，随水温、碳酸盐硬度以及pH值的增加其阻垢效果下降。任何阻垢剂都受到阻垢能力的限制，当循环水浓缩倍率

29、过大，以至水中碳酸盐硬度超过它的允许值时，仍然会有CaCO3垢生成。所以通常要结合循环水的排污控制循环水的浓缩倍率，以达到防止CaCO3垢的目的。2阻垢原理用以解释阻垢原理的有晶格畸变理论、分散理论和络合理论等。（1）晶格畸变理论。该理论认为阻垢剂干扰了成垢物质的结晶过程，从而抑制了水垢的形成。现以成垢物质CaCO3为例加以说明。碳酸钙是结晶体，它的成长是严格按顺序由Ca2+和CO32-碰撞后彼此结合，从微小晶体按一定方向逐渐长大成大晶体。若水中存在阻垢剂，则Ca2+和CO32-形成微晶时，在它的表面会吸取水中阻垢剂，晶格成长方向被扭偏，甚至被阻挡。这样，微晶CaCO3长不大，呈微小颗粒分散在水中。微晶吸收阻垢剂的反应主要发生在其成长的活性点上。只要这些活性点被复盖，结晶过程便被抑制。所以阻垢剂的用量不需很多，而且阻垢剂与成垢物质之间没有化学计量关系。（2）分散理论。有些阻垢剂在水中会电离，当它们吸附在某些小晶体的表面时，其表面形成新的双电层，从而它们象胶体那样稳定地分散在水体中。起这种作用的阻垢剂又称为分散剂。分散剂不仅能吸附于颗粒上，而且也能吸附于换热设备的壁面上，因而阻止了颗粒在壁面上沉积；而且，即使发生沉积，沉积物与接触面附着力比较小，沉积物比较疏松。