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        采用城市中水作為火電廠循環(huán)水水源的影響

        2014-07-24 21:20:01

        采用城市中水作為火電廠循環(huán)水水源的影響
         

         

         

        隨著社會(huì)發(fā)展和人類生活需求不斷提高,嚴(yán)重的水污染和淡水資源的日益匱乏,已經(jīng)成為世界性亟待解決的難題,也是制約中國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。資料顯示:中國(guó)人均占有水資源2 700 m3,僅相當(dāng)于世界平均值的1/4,是世界上最為缺水的國(guó)家之一。近年來(lái),隨著人口迅速增加和工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,生活和生產(chǎn)用水量不斷增加,淡水資源顯得尤為缺乏。特別是在中國(guó)北方,氣候干旱,雨水常年偏少,淡水資源更為緊缺。
         
        火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶,開(kāi)式循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水占全廠用水總量的50%~80%,所占比例為全廠用水總量最高。按照國(guó)家近年規(guī)定工業(yè)用水要求,火力發(fā)電廠應(yīng)使用可再生水源(如:經(jīng)生化處理的城市中水)作為生產(chǎn)用水,特別是占生產(chǎn)用水比例最高的循環(huán)冷卻水。同時(shí),火力發(fā)電廠原有的生產(chǎn)用水水源還受到人們?nèi)粘I罴肮I(yè)排放所造成的污染。被污染的天然水和城市中水共同特點(diǎn)是CODCr、氨氮、P、細(xì)菌、微生物、懸浮物等含量及BOD5較高,這些成分和物質(zhì)的存在及物質(zhì)之間的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化,特別是硝化反應(yīng)將對(duì)火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響和危害。
         
        對(duì)于越來(lái)越多采用城市中水和受污染的天然水作為開(kāi)式循環(huán)水水源的新建和在役的開(kāi)式循環(huán)冷卻火力發(fā)電廠,影響循環(huán)冷卻水水質(zhì)的最大因素是氨氮在微生物參與下的硝化反應(yīng),其帶來(lái)的主要問(wèn)題是循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕,危及機(jī)組的正常運(yùn)行,嚴(yán)重的甚至造成了循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備大量泄露,機(jī)組被迫停運(yùn)檢修。因此,探究硝化過(guò)程和反應(yīng)如何影響火力發(fā)電廠循環(huán)水的水質(zhì)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行,進(jìn)而找到殺菌處理、緩蝕、阻垢的相應(yīng)辦法,以保證火力發(fā)電廠機(jī)組穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
         
        1氨氮的硝化反應(yīng)過(guò)程
         
        N存在于水中的形式為:氨氮(NH3-N及NH4 -N)、有機(jī)氮(N-有機(jī))、亞硝酸氮(NO2--N)、硝酸氮(NO3--N),四者之和稱總氮(TN)。
         
        一般來(lái)說(shuō),氨氮的硝化過(guò)程為:水中所含的有機(jī)氮經(jīng)活性污泥法等好氧處理時(shí),會(huì)被好氧微生物(氨化細(xì)菌)降解氧化,轉(zhuǎn)化為氨氮。在硝化菌群的作用下水中的氨氮會(huì)轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽,而亞硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化成為硝酸鹽。
         
        當(dāng)環(huán)境適宜及存在硝化菌群的條件下,硝化過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行:第一階段為亞硝化單胞菌將氨氮氧化成為亞硝酸鹽;第二階段亞硝酸鹽被硝化桿菌轉(zhuǎn)化成硝酸鹽,上述兩個(gè)階段的反應(yīng)式為:
         
        第一階段的亞硝化反應(yīng):
         
        NH4 2O2 HCO3-→NO2- 2H2O H2CO3 亞硝酸菌
         
        第二階段的硝化反應(yīng):
         
        NH4 NO2- O2 H2CO3 HCO3- →NO3- H2O 硝酸菌
         
        上述當(dāng)量反應(yīng)關(guān)系表明:氧化1 g氨氮成為硝酸鹽時(shí),第一階段的亞硝化反應(yīng)要消耗3.43 gO2,第二階段的硝化反應(yīng)還要消耗1.14 gO2;總共要消耗4.57 gO2;在反應(yīng)中還要消耗重碳酸鹽堿度7.07 g(以CaCO3計(jì))。亞硝酸菌增值0.019 g,硝酸菌增值0.146 g。
         
        在硝化反應(yīng)過(guò)程中,當(dāng)循環(huán)冷卻水中HCO3-的質(zhì)量濃度小于硝化反應(yīng)過(guò)程中生成的H 質(zhì)量濃度時(shí),循環(huán)冷卻水pH值<7.0。將造成NO3-在循環(huán)冷卻水中的質(zhì)量濃度比原水源大幅提高。
         
        2氨氮的硝化反應(yīng)過(guò)程對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理
         
        采用城市中水(城市中水水質(zhì)見(jiàn)表1)作為大型火力發(fā)電廠循環(huán)水補(bǔ)充水時(shí),循環(huán)水系統(tǒng)具備以下條件:a) 原水氨氮、BOD5高;b) 溫度適宜(30 ℃~35 ℃);c) 曝氣運(yùn)行的涼水塔十分適合硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖;d) 涼水塔的配水裝置也會(huì)為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供有利環(huán)境;e) pH范圍為8~9;f) 水循環(huán)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富;g) BOD5/CODcr在0.5左右(可生化性強(qiáng));h) 水在系統(tǒng)中有較長(zhǎng)停留時(shí)間。
         
        表1 一般城市中水的水質(zhì) 毫克每升
         
        檢測(cè)項(xiàng)目BOD5CODcrTN總P
         
        檢測(cè)結(jié)果20~3040~10020~506~10
         
        當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)具備以上條件時(shí),氨氮受硝化菌群作用,在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的含量隨濃縮倍率的升高反而將降低。但硝化細(xì)菌(屬化能自養(yǎng)菌)和亞硝化菌的數(shù)量則因反應(yīng)的進(jìn)行而獲得能量而增加;循環(huán)水中NO2- 、NO3-含量增加。
         
        當(dāng)作為補(bǔ)水進(jìn)入電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)的城市中水,正常情況下補(bǔ)水中的氨氮將使電廠循環(huán)冷卻水的pH值升高,堿度升高,并在某值時(shí)達(dá)到平衡;但因?yàn)橄趸磻?yīng),釋放出H ,造成冷卻水的pH值降低,硝化作用在循環(huán)冷卻水中越劇烈,其值降低得越大,堿度也就降低得越多。國(guó)電榆次熱電有限公司采用城市中水作為循環(huán)水補(bǔ)水,通過(guò)硝化反應(yīng),循環(huán)水氨氮降低約80%;NO3-含量增加6倍~10倍。
         
        當(dāng)電廠循環(huán)冷卻水補(bǔ)水中總堿度較低,而氨氮含量高時(shí),循環(huán)冷卻水的pH值因硝化反應(yīng)會(huì)異常降低。此工況下運(yùn)行循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí),將不同程度腐蝕循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中凝汽器和其它換熱設(shè)備的銅管、水泥構(gòu)筑物等;凝汽器銅管的腐蝕速率與循環(huán)冷卻水pH值有關(guān),pH值<7時(shí),隨著pH值降低,腐蝕速率將急劇升高。
         
        按照Larson指數(shù)的定義,當(dāng)循環(huán)水的([CI-] [SO42-])/[HCO3-]值大于0.5時(shí),水的腐蝕性則較明顯;而當(dāng)循環(huán)水的[HCO3-]/([CI-] [SO42-])值大于1時(shí),凝汽器銅管幾乎不發(fā)生點(diǎn)蝕;當(dāng)發(fā)生硝化反應(yīng)時(shí),循環(huán)水中的HCO3-因硝化過(guò)程將被消耗,將增大凝汽器銅管發(fā)生腐蝕及點(diǎn)蝕的幾率;循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的NO3-和CO2會(huì)因硝化過(guò)程而增大,使Riddick指數(shù)增大,加大了電廠循環(huán)冷卻水的腐蝕傾向。
         
        當(dāng)硝化反應(yīng)一段時(shí)間后,循環(huán)冷卻水的pH值持續(xù)小于7.0,會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)部件的酸性腐蝕。尤其是在循環(huán)冷卻系統(tǒng)直接接觸硝化細(xì)菌的局部地方,冷卻水pH值更小,酸性更強(qiáng),酸性腐蝕嚴(yán)重。
         
        3氨氮對(duì)殺菌劑的影響
         
        火力電廠循環(huán)冷卻水常用的氧化性殺菌劑通常為次氯酸。而HClO易與氨氮發(fā)生反應(yīng),生出氯胺類化合物,據(jù)資料顯示:反應(yīng)可在1 min內(nèi)完成,其反應(yīng)式為:
         
        NaClO H2O→HClO Na OH-
         
        NH4 HClO→NH2Cl H2O H (一氯胺)
         
        NH2Cl HClO→NHCl2 H2O (二氯胺)
         
        NH2Cl 2HClO→NCl 2H2 (三氯胺)
         
        NH4 4HClO→HNO3 H2O- 5H 4Cl
         
        2NH2Cl HClO→N3 H2O 3H 3Cl-
         
        氯胺類化合物的殺菌效力和速度遠(yuǎn)不如氯,據(jù)相關(guān)資料顯示:氯胺殺菌能力為氯的60%;而NH2CI的殺菌能力才為氯的22%;國(guó)際證明氯胺類化合物為致癌物。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的硝化反應(yīng)過(guò)程中,冷卻水中的硝化桿菌不能完全轉(zhuǎn)化成NO2-,由于其是還原性物質(zhì),會(huì)大量消耗氧化性殺菌劑,降低殺菌效果。上述兩種情況將使細(xì)菌和其它微生物在電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中大量繁殖,因此加重了微生物腐蝕。當(dāng)測(cè)定水中余氯量采用鄰聯(lián)甲苯胺法,NO2-會(huì)嚴(yán)重干擾測(cè)量值,造成余氯量測(cè)定值偏高的假象。
         
        在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中當(dāng)氨氮含量高時(shí),為了更有效地殺菌,應(yīng)加大加氯量;缺點(diǎn)是會(huì)降低循環(huán)冷卻水中的阻垢緩蝕劑ATMP  HEDP PBTCA)的效能;還可能加速冷卻塔填料等塑料物品的老化。
         
        4減輕氨氮硝化反應(yīng)過(guò)程對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)影響的措施
         
        4.1降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水的氨氮含量
         
        當(dāng)循環(huán)水補(bǔ)水為城市中水時(shí),要采取有效措施去除氨氮和細(xì)菌。一般來(lái)說(shuō),城市中水的深度處理和預(yù)處理均采用加混凝劑和石灰混凝澄清、過(guò)濾的處理工藝,此法對(duì)去除水中的微生物、氨氮的效率低下,因此有必要先增加針對(duì)去除微生物和氨氮的工藝(如:改良的提高pH值曝氣吹脫法;預(yù)先利用硝化過(guò)程的生物法),然后再進(jìn)行混凝澄清過(guò)濾處理。
         
        4.2合理選用凝汽器管材
         
        實(shí)踐表明,用城市中水作補(bǔ)充水的循環(huán)水中均會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕,因此宜選用能良好耐微生物腐蝕的鈦不銹鋼管作為凝汽器管材。
         
        4.3有效地進(jìn)行殺菌滅藻
         
        氨氮含量高和它在循環(huán)水系統(tǒng)中發(fā)生的硝化反應(yīng)會(huì)不斷消耗加入水中的氧化性殺菌劑,降低殺菌效果,引起菌藻大量繁殖,產(chǎn)生微生物腐蝕。為殺菌滅藻,除了要維持循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中殺菌劑的含量,還要定期采用非氧化殺菌劑殺菌;在冷卻水中氨氮含量異常升高期間內(nèi),為有效控制菌藻爆發(fā),應(yīng)加大氧化性殺菌劑的劑量和進(jìn)行非氧化殺菌劑殺菌,以避免冷卻水質(zhì)惡化;在此期間,為加強(qiáng)凝汽器銅管的防腐保護(hù)和控制水的濁度,還應(yīng)添加銅緩蝕劑和降低濃縮倍率。
         
        某公司的循環(huán)冷卻水補(bǔ)水使用了經(jīng)過(guò)深度處理的城市中水,應(yīng)用合理的技術(shù)管理方法,在采用NaClO作為氧化性殺菌劑時(shí)(從技術(shù)角度出發(fā),最好選用不與氨氮起反應(yīng)的氧化性殺菌劑),還定期進(jìn)行非氧化殺菌劑殺菌,有很好的殺菌滅藻劑效果。
         
        4.4增設(shè)旁流過(guò)濾設(shè)備
         
        開(kāi)式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中,在適宜的水溫、冷卻塔充分地曝氣、一定的停留時(shí)間下,雖然生化處理過(guò)程進(jìn)行得很充分,但同時(shí)伴隨著黑色粘泥的大量產(chǎn)生。粘泥可能堵塞涼水塔填料,附著凝汽器的銅管降低凝汽器的熱交換,造成粘泥下的腐蝕。從這些廠設(shè)備檢查及冷卻塔清淤情況看,有必要增設(shè)旁流設(shè)備。
         
        4.5冬季減少或停止石灰投加量。
         
        如在冬季的預(yù)處理工藝中,只采用混凝處理,減少或停止石灰投加量,將會(huì)使循環(huán)水補(bǔ)水的堿度提高,在減輕和緩沖硝化反應(yīng)過(guò)程對(duì)冷卻水pH值影響的同時(shí),也減少循環(huán)冷卻水的濃縮倍率。在冬季,由于涼水塔水的蒸發(fā)損失減少,大幅減少了冷卻水的補(bǔ)水量,為降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)的濃縮倍率創(chuàng)造了條件。
         
        5結(jié)語(yǔ)
         
        隨著城市中水取代地下水、地表水等天然水源,逐步成為火電廠生產(chǎn)用水水源特別是循環(huán)冷卻水水源,在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,由城市中水中的氨氮發(fā)生硝化反應(yīng)引發(fā)了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、殺菌效果差和殺菌劑投加量增加等一系列問(wèn)題。本文通過(guò)分析城市中水氨氮硝化反應(yīng)的腐蝕機(jī)理和對(duì)殺菌劑的影響,提出必須采取合理有效的控制措施,控制循環(huán)水系統(tǒng)中的硝化反應(yīng),從而保證循環(huán)水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。www.5ign5.com

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