电化学技术在余热发电循环水系统的应用

电化学技术在余热发电循环水系统的应用

李延军

洛浦天山水泥有限责任公司   新疆和田地区洛浦县   848200

摘要：本文通过结合某水泥厂的余热发电循环冷却水的设计实例，对水泥厂的余热发电循环冷却水系统的电化学技术方案的确定、设备选型进行较为详细的设计，以满足水泥厂对余热发电循环冷却水系统的除垢、减排、节约药剂的要求。

关键词：电化学技术；循环水系统；余热发电

引言：

随着国内淡水资源日益紧张及严峻的环保排放要求，工业企业节水的任务越来越重。水泥厂用水量最大的是水泥熟料生产线配套余热发电的循环冷却水系统，占总用水量的90%以上，所以如何提高循环冷却水的浓缩倍数实现节水也就成了一个相当紧迫的课题。但是在传统的药剂法下，冷却循环系统高浓缩倍率运营带来了许多复杂的技术和管理问题，循环冷却水高浓缩循环极易导致管路系统产生结垢、腐蚀现象，且会滋生菌藻类。因此，新型智能全自动电化学循环水处理技术应运而生，解决了传统药剂法给企业带来的负担，成为余热发电冷却水趋零排放的未来趋势。

1循环水系统

循环水在制氧机组的运行中起着非常重要的作用，水系统的正常与否直接制约着整个机组的连续性、稳定性和安全性。济源杭氧万洋气体有限公司根据当地水质情况，对来水进行“离子交换树脂”软化预处理，在生产系统以“节能减排、实现无忧排放”为宗旨，结合杭氧兄弟单位加药型循环水对设备的腐蚀情况，公司循环水水处理选用了新型的电化学水处理设施，主要解决冷却设备的结垢、腐蚀，延长设备检修周期和冷却器的使用周期。

2电化学设备工作原理

2.1除垢、阻垢原理

阴极的强还原反应：在电场的作用下，在电化学设备阴极附近发生还原反应，使钙离子、镁离子等以固体的形式析出，降低水质硬度、碱度，起到除垢效果。电场极化作用：水分子在电场作用下，发生极化现象，由大分子簇（分子团）打散变为小分子还原水，使水体溶解性、渗透性增强，起到阻垢、溶垢的作用。晶格畸变：在电场作用下，改变CaCO3的结晶过程，使其生成松散泡沫状的文石结构软垢，抑制了致密的方解石结构硬垢的生成。具有良好的阻垢作用。

2.2杀菌原理

次氯酸杀菌：阳极的强氧化作用将水中氯离子转化为氯气，氯气极容易溶于水，转化为次氯酸，次氯酸是水处理杀菌常用药剂。阳极强氧化反应：在电场的作用下，电化学设备阳极附近发生强氧化反应，产生羟自由基（OH·）、氧自由基（O·）、氯自由基（Cl·）、双氧水（H202）、臭氧（03）等强氧化物质，具有非常好的杀菌效果。强酸、强碱杀菌：在电化学设备工作时，阳极区域为强酸区域（pH<4），阴极区域为强碱区域（pH＞10），强酸、强碱具有很强的杀菌效果。

2.3缓蚀防腐原理

形成致密保护膜：在电场作用下，加速红锈与游离电子反应生成Fe3O4磁性氧化铁，附着在管壁形成致密保护膜，阻止其他物质与管壁的接触。降低氯离子腐蚀：电化学设备去除部分氯离子，降低氯离子腐蚀概率。氯离子穿透性强，是循环水系统腐蚀的主要离子。

3水泥厂应用案例

3.1方案设计及设备选型特点

本方案专为大型循环冷却系统或趋零排放设计，具有处理能力大、自动化程度高、配置智能管理系统、处理能力可调节、配置三相分离系统、可露天使用等独到设计优势。

特点1：处理能力大，一体化设计，占地面积小。选用设备处理能力大（600m3/h），相当于市场现有产品6台设备的处理能力；独到的一体化设计，高效利用空间，使占地面积大幅度下降。设备外观和集装箱相似，整体撬装。设备内部分为电化学处理室和智能控制室。

特点2：自动化程度高。设备运行全过程均采用自动控制。配置了一键启动、一键除垢、一键复位功能。还可以根据客户需求，做到全过程定时自动运行。

特点3：智能化程度高。设备配合循环水智能管理系统，将在线监测系统、数据传输系统、软件系统等集成在控制室内。有水质时时检测、异常指标预警等功能；同时还拥有软件系统，时时计算水质状态；具备控制功能，可以根据软件计算结果智能控制系统补排水，确保循环水安全运行。

特点4：处理能力可调节。设备配置多组工作电源，每组电源可以独立启停。所以该设备可以根据季节不同和循环水负荷不同时，调节处理能力，找到最适合状态。

特点5：具备固液分离功能。配置了三相分离器，三相分离器可以有效实现气、液、固三相分离，防止水垢渣进入循环水系统。

特点6：安装简单便捷。以旁路形式安装在余热发电循环水池系统附近，无须对水泥厂循环系统进行任何形式的改变，安装过程不影响熟料生产线、余热发电系统的正常运行。可借助水泥厂循环水回水压力以旁路循环3.3运行效果及经济效益分析该项目实施后的经济效益体现在直接效益和间接效益两部分。直接效益包括：节水效益、节药剂效益、节排污处理效益三部分，减去设备的运行费用为项目效益。

3.2直接经济效益

电化学设备可以提前将呈垢离子吸附在设备内，改善了运行水质，确保系统不结垢，循环冷却水的浓缩倍数从2倍提升到8倍，基本实现趋零排放（不含风吹损失量）。以年运行330d计算，每年节水237600m3，年节约水费47.5万元，药剂费15万元，清洗换热器费用5万元，减去运行电费12万元，总节约费用55.5万元。

3.3间接经济效益

（1）减少热损耗、节约电费，根据循环水GB50050—2017国标内容，1mm结垢厚度相当于8%的能源损失，垢层越厚，换热效率越低，能源消耗越大，同时也使水系统管道的阻力增大，直接造成动力的浪费。

（2）降低冷却塔填料更换及清洗费用，同时延长填料使用寿命。

（3）去除细菌腐蚀给管路及设备带来的危害，消除或缓解管路垢下腐蚀。

（4）减少冷却塔、换热器、管道以及阀门维护保养成本。

（5）提高冷却塔、换热器换热效率（电化学处理可溶解循环水管路已成固体的垢、降低盐类离子浓度、降解有机物质和节约蒸发置换水），延长设备使用寿命。

（6）实现在线监测自动控制，可降低人工成本。

4电化学设备的运行注意事项

（1）应根据补水水质合理控制浓缩倍数，避免循环水水质超过控制指标要求，否则极易导致结垢腐蚀等问题。

（2）循环冷却水长期pH≥8.6，需通过加酸方式调节。

（3）电化学设备运行后，提高了浓缩倍数，系统浊度长期≥20NTU，应加强旁滤处理。如换热设备为板式、翅片管式、螺旋板式控制系统浊度≤10NTU。

（4）电化学设备的阳极板在运行过程中存在电极损耗问题，阳极板设计使用寿命为3~5年，达到使用寿命后需要更换阳极板。

结语：

目前，部分水泥厂采用反渗透膜处理余热发电循环冷却水，该类技术是分离污水回用部分清水，存在分离后浓水处理与污泥处理难题，且投资和运行成本“双高”的问题。实践证明，使用电化学设备后，有效降低循环水中有害离子、取代了药剂添加工艺中加入的磷系药剂，可在确保系统不结垢的前提下，既能提升循环水系统的浓缩倍数，又能节约系统运行费用。笔者认为，电化学技术从源头上解决了循环水的污染源头，大幅减少了循环水排水，也减少了循环水排污的主要污染成分，进一步减少循环水补充水量，在节水减排方面起到很大作用。

参考文献：

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[2]李森，王海峰.电化学法处理冷却循环水技术的应用[J].化工进展，2013，32（10）：2514-2517.

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[4]汪晓明,李昌友.电化学技术在余热发电循环水系统的应用[J].水泥,2021(12):32-35.