高压静电离子棒处理火电厂循环冷却水的 动态模拟阻垢实验
高压静电离子棒处理火电厂循环冷却水的
动态模拟阻垢实验
王雨萌，刘智安，邵晓珏，杨星，高雪桐
（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051）
CWTC-16-042
[摘要] 以火电厂循环冷却水为研究对象，以实验室自制的“双通道工业循环冷却水动态模拟实验台”为实验平台，利用高压静电离子棒对火电厂循环冷却水进行了动态模拟阻垢实验。通过对循环冷却水的极限碳酸盐硬度分析发现，实验组达到极限碳酸盐硬度的时间比对照组延迟 30min,表明高压静电离子棒对火电厂循环冷却水确有阻垢效果。
[关键词] 循环冷却水；限碳酸盐硬度；浓缩倍率；高压静电离子棒
概述
我国北方工业用水是地下水和地表水，这两种水都是重碳酸盐型转变为硫酸盐-氯化物型为主的水。这种水中主要的阳离子是 Ca2+，Mg2+，Na+ 等，主要的阴离子是 HCO-，Cl-、CO3-、 SO3 2-等[1]。当这样的循环冷却水流经换热器表面受热时，其中的 Ca2+，Mg2+与重碳酸根 HCO3- 发生反应，产生难溶的 CaCO3 和 MgCO3 沉积在换热壁上形成水垢。其中 CaCO3 的溶度积最 小，是受热面上的主要污垢，它坚硬，致密，附着力强、热阻值大，机械办法难以去除。所 以，工业循环水的阻垢处理主要考虑 CaCO3 型水垢的防范与消除。火电厂的敞开式循环冷却水系统具有循环水量大、处理困难、运行温度低等特点[2-4]，自20 世纪 90 年代引入离子棒水处理器后，采用化学阻垢药剂辅助以离子棒水处理器对循环冷却水进行处理[5]，有效地缓解了循环冷却水在凝汽器铜管结垢问题，降低了处理成本，提高了处理效率[6-10]。本实验通过运用实验室自制“双通道工业冷却循环水动态模拟实验台”和 “高压静电离子棒水处理器”，对采集自某火电厂的循环冷却水进行了动态模拟阻垢实验研究，利用极限碳酸盐硬度分析方法，对阻垢效果进行了分析。
1 实验设备
1.1 双通道工业循环冷却水动态模拟实验台
“双通道工业循环冷却水动态模拟实验台”为实验室依据国家《冷却水动态模拟试验方法》（HG/T2160-2008）标准设计制作的实验设备，主要用于工业循环冷却水的动态模拟阻垢研究。
图 1 双通道工业循环冷却水动态模拟实验台流程图
实验台设计成实验组和空白对照组两组通道，便于进行阻垢效果对比实验。两组通道中，循环冷却水由循环水泵 12 泵出集水池 4，经高压静电离子棒水处理器 13 后到达换热器 7 中进行热量交换，再经冷却塔 2 中的喷头 5、填料层 3 冷却后，回到集水池 4 中形成循环。
1.2 高压静电离子棒水处理器
高压静电离子棒水处理器由三部分组成：离子棒、金属管道和高压发生器。高压静电离 子棒水处理器构造如图 2。其中，离子棒：Ф32mm，长度 330mm，耐压值 45kV，功耗<10W，绝缘外层为聚四氟乙烯。金属管道：Ф100mm 不锈钢焊接制成，循环冷却水由金属管道下端进水从上端出水。高压发生器：输出电压：0～30000V；输出电流：1mA；满载时纹波≤0.01%；负载调整率精
度：≤0.1%。
图 2 高压静电水处理器结构图
高压静电水离子棒水处理器主要参数如表 1。
表 1 高压静电离子棒水处理器主要参数
2 实验部分
2.1 实验水质
实验初始水质如下：钙硬度 1.65mmol/L；总硬度 2.99mmol/L；全碱度 1.80mmol/L；氯离子 3.81mmol/L；pH 值 7.47；电导率 1163μS/cm。
2.2 实验方法
利用实验室内自制设备的“高压静电水离子棒水处理器”和“双通道工业循环冷却水动态模拟实验台”进行阻垢效果实验，其中实验台的实验组通道施加高压静电场，空白对照组通道，不采用任何阻垢措施。双通道工业循环冷却水动态模拟实验台的实验参数为：加热水温度 Th＝91±0.5℃；循环冷却水温度 Tc＝30±0.5℃；数据采集间隔 Δt＝30min；实验通过补水箱补充循环冷却水蒸发损失；高压静电水离子棒水处理器施加电压为 4KV；循环冷却水流量设定为 1000L/h。实验中定期测定循环冷却水中的钙硬度、碱度、氯离子、pH 值和电导率等指标的变化，以随时掌握水质变化。实验中以极限碳酸盐硬度为指标，每隔 30min 记录一次极限碳酸盐硬度，观察极限碳酸盐硬度的变化。
2.3 水质指标及其分析方法
实验中所用水质指标分析方法如表 2。
其中电导率仪：DDS-307 型，1.0 级；0～1×105μS/cm；基本误差±1％，上海精密科学有限公司生产。pH 计：pHS-2F 型，0.02 级；0.00～14.00pH，上海精密科学有限公司生产。
3 实验结果分析
3.1 循环冷却水的浓缩倍率
敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发现象，系统中的水量会越来越少，而水中各种盐类
的浓度就会越来越浓，就必须补充新鲜水，排出浓缩水。循环水盐类的浓度与补充水中盐类
浓度之比称为循环水的浓缩倍率。但是，若以含盐量表示浓缩倍率的盐类浓度时，因循环水
在浓缩过程中有盐类析出，不能代表实际的浓缩情况，通常是按不易沉淀的 Cl－ 估算浓缩倍
率，即： 
（1）
（1） 式中：φ 为浓缩倍率；［CIX－ ］为循环水中的 CI- 浓度，mg/L；［CIB－ ］为补充水中的 CI- 浓度，mg/L。浓缩倍率反映出水资源的复用率情况，是用来衡量循环冷却水系统的运行情况的一项重要指标。
3.2 极限碳酸盐硬度
极限碳酸盐硬度是指冷却水中不产生碳酸盐沉积所允许的最大碳酸盐硬度值。运用极限碳酸盐硬度实验，实验中循环水不断蒸发，水质逐渐浓缩，氯离子浓缩倍率 φ 与碱度浓缩倍率 φJ 的差值计算公式如式 2：
（2）
式中：ΔA 为氯离子浓缩倍率与碱度浓缩倍率的差值；AX 为循环水的总碱度；AB 为补充水的总碱度；［CIX－ ］为循环水中的浓度；［CIB－ ］为补充水中的浓度；φJ＝AX/AB 表示碱度浓缩倍率，φ＝［CIX－］/［CIB－ ］表示氯离子浓缩倍率。
图 3 为理想状态下的循环冷却水的浓缩曲线，可看出在理想状态下两种浓缩倍率应当同步增长，ΔA＝φ－φJ＝0。实际浓缩的过程中，ΔA≈0 只有在晶核形成以前符合，随着循环冷却水的浓缩，水中的 CO2 不断逸出，导致溶解于水中的碳酸盐平衡关系被破坏，当达到过饱和时碳酸钙开始成核析出，φ 继续增大，此时已经不满足 ΔA＝φ－φJ＝0。有碳酸钙析出的浓缩曲线已经开始偏离图 3 中的浓缩曲线。当 ΔA＝φ－φJ＞a（在实际评定中，a 常定为 0.2）表明已经生成污垢[11]。当 ΔA＝φ－φJ＝0.2 时，所对应的硬度称为极限碳酸盐硬度。从图 3 中可以看出原水的浓缩曲线在 D 点开始偏离，即开始结垢。为防止碳酸钙的成核，经过处理的循环冷却水阻碍了水中成垢离子的结合。经处理后的浓缩曲线由D点增加到E点，此时碳酸钙达到临界过饱和度，晶核开始形成，晶体高速生长，大量消耗成垢离子 Ca2+和CO32－ ，因此水中的碳酸盐平衡关系被破坏，浓缩曲线偏离理想状态下的 A 线。显然，经过处理后的循环冷却水的极限碳酸盐硬度越高，说明该处理方式对于循环冷却水的阻垢性能越
好。定期测定全碱度、氯离子，计算 ΔA 值，当 ΔA＞0.2 后作为实验终点，停止实验。
3.3 实验数据分析
每间隔 30min 采集一次数据，实验中测得的各项水质指标数据如表 3。
对实验测得水质指标进行极限碳酸盐硬度计算，极限碳酸盐硬度曲线如图 4。
由图 4 可以看出，实验组在达到△A＝0.2 的时间比对照组推迟了 30min，并达到极限碳酸盐硬度时 Ca2+浓度也高于对照组，说明了实验组中的循环冷却水所能含的 Ca2+浓度更高，析出的垢量更少，验证了高压静电处理循环冷却水是有效果的。
4. 结论
通过动态模拟阻垢实验，研究了高压静电水离子棒水处理器对火电厂循环冷却水的阻垢效果。研究发现，经过处理后的循环冷却水，达到极限碳酸盐硬度的时间延迟了 30min。结果表明，高压静电离子棒水处理器对循环冷却水具有阻垢效果。
创建时间：2022-07-08 08:35
