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0 引言

我國是缺水嚴重國度，人均水資源占有量僅占世界人均程度的1/4，水資源短缺問題曾經成為限制經濟和社會可持續開展的重要要素。國度公布的《節約能源法》、《環境維護法》、“水十條”等法規，對工業企業用水量、排水量和排水水質請求日益嚴厲。

循環冷卻水用量占工業用水總量的50%～90%，占比宏大。為進步水務管理程度，再生水回用于循環冷卻水系統作為補充水、進步循環水濃縮倍數，是水資源短缺地域進步水資源應用率的主要手腕。但由于再生水水質較差、水中氮、磷和COD等營養物質含量高，且濃縮倍數的進步，會進步換熱器結垢、腐蝕、微生物滋生的風險，致使影響換熱設備傳熱效率，降低設備運用壽命。

隨著電廠工業污水處理研討工作的深化展開，大量的理論和研討結果標明，化學藥劑處置循環冷卻水的效果遭到人為要素影響，濃縮倍數的提升亦遭到限制，且會給環境帶來二次污染［5］。因而，能在運轉中長期有效堅持換熱器清潔并進步循環水應用率，防止藥劑產生的環境污染，完成節能減排、環保增效的技術是循環冷卻水處置的重點研討方向。臭氧處置作為一項綠色、高效的循環水處置技術，遭到普遍注重。

臭氧氧化性極強，氧化復原電位為2．07V，僅次于氟，常被用于殺菌消毒、除味脫色、合成有機物等，在水處置行業應用普遍。

在間冷開式循環水系統，水溫常在25～40℃，此條件下環境空氣和補水引入的營養物質及充足太陽光照，有利于微生物的繁衍。由于微生物的參與，間冷開式循環水系統中垢的構成緣由難以用單純的化學理論解釋。水垢與污垢在構成過程中彼此混雜，且存在相互促進的黏聚作用或催化作用。

臭氧在間冷開式循環水系統中的投加，可使水中有機物、微生物發作合成、斷裂，生物膜毀壞、生物黏泥大大減少，進而使碳酸鈣等無機析出物無法附著。此外，有研討標明臭氧氧化垢層基質中的有機成分，使垢層變松零落;臭氧在水中釋放的單原子氧，容易吸附在金屬外表，阻止成垢物在金屬外表的附著;臭氧還能毀壞水中的氫鍵使成垢的陰陽離子難以分離構成沉淀;臭氧可致碳酸鈣晶格畸變，構造疏松，阻止成垢物質生長、附著。

臭氧作為強氧化劑，其緩蝕機理和鉻酸鹽緩蝕劑作用類似，主要表現為冷卻水中生動的氧原子(O)與亞鐵離子反響后，在陽極外表構成一層含γ－Fe2O3的氧化物鈍化膜。這種膜薄而致密，與金屬分離結實，障礙水中溶解氧擴散到金屬外表，到達緩蝕作用。其次，含低濃度臭氧的水，pH值為8～9，不利于化學腐蝕發作。再次，臭氧能有效殺滅噬硫菌、噬鐵菌等微生物，避免微生物點蝕。

將臭氧用于循環冷卻水系統處置以起到阻垢緩蝕作用，在國內外已有大量研討。相關文獻研討標明，臭氧作為兼具阻垢－緩蝕－殺菌多項功用的單一水處置劑，使循環水系統在較高濃縮倍數下平安運轉，有效改善換熱器清潔狀態。

1970年美國學者Odgen應用臭氧處置循環冷卻水，證明運用臭氧法具備共同的優勢，第五十一屆國際水會議上，Pryor．A初次做了《臭氧冷卻水處置的特性與經濟性》的報告，引見了全美水處置公司應用該技術處置130多座冷卻塔的處置效果，并得出的結論:以臭氧作單一的水處置藥劑技術，可以取代傳統處置技術，同時還能夠停止阻垢緩蝕和殺菌滅藻。20世紀90年代開端，清華大學、哈爾濱工業大學等研討院校正臭氧處置循環冷卻水展開相關實驗研討。

本文分離實踐運轉案例數據，細致剖析臭氧處置循環冷卻水的阻垢緩蝕效果，以及臭氧技術改造帶來的經濟、社會效益。

1 研討對象與辦法

1.1 研討對象

為積極響應國度環保政策，實在進步電廠水務管理程度，河南2個發電廠采用臭氧技術對循環水系統停止了改造(改造概略見表1)，替代原有殺菌劑和阻垢緩蝕劑，優化處置效果。本文對2個電廠采用臭氧技術改造后的循環水系統處置效果停止剖析研討。

項目A為某2×3000kW自備電廠，該電廠雙機組配置3座機械風冷冷卻塔和2臺循環水泵，最大循環水量為2400m3/h，保有水量2000m3。凝汽器和相關輔機材質為HSn70－1黃銅。循環水補充水為地表水，改造前采用陽離子交流法降低硬度，但勞動強度大且運轉費用高，系統存在污堵和點蝕問題。采用臭氧技術改造后，補充水直補循環水系統，提升濃縮倍數，改善凝汽管換熱效果并有效緩蝕。

項目B為某2×660MW超超臨界火電廠，為完成節水、節能、減排，按分步施行的準繩完成廢水零排放。該電廠每臺機組配置一座淋水面積為9000m2的逆流式自然通風冷卻塔和2臺循環水泵，滿負荷時，設計總循環水量為140257m3/h，實踐總循環水量為129090m3/h，保有水量50000m3。凝汽器和輔機材質均為317L，循環冷卻水補充水以城市中水為主要水源，補充水預處置系統采用石灰軟化工藝。在采用臭氧改造前，循環水濃縮倍數設計值為4．85，臭氧改造后，設計循環水濃縮倍數進步至8．5，完成了循環水排水供脫硫和消防系統應用，不外排。

1.2 研討辦法及工藝設計

1.2.1 實驗根據及檢測辦法

本研討中凝汽器性能測試遵照以下標準:Standardsforsteamsurfacecondensers，tenthedition，HeatExchangeInstitute(HEI)，2006(美國傳熱學會規范);《汽輪機熱力性能驗收實驗規程》(GB/T8117．1－2008);《凝汽器與真空系統運轉維護導則》(DL/T932－2005);《外表式凝汽器運轉性能實驗規程》(DL/T1078－2007);水和水蒸汽性質表:國際公式化委員會IFC－1967公式。項目運轉效果評價中的指標檢測辦法列于表2。

1.2.2 臭氧氣體制備及經濟效益核算辦法

環境空氣經空壓機緊縮成為高壓空氣，再經冷干機冷卻枯燥后貯存在空氣儲罐，空氣儲罐的空氣保送至制氧機制備為高純度的氧氣貯存在氧氣儲罐，氧氣經過臭氧發作器高壓放電制備成高濃度、高壓力的臭氧氣體。

項目的經濟效益核算:節水效益根據《工業循環冷卻水處置設計標準》(GB/T50050－2017)停止計算，分離電廠實踐用水價錢計算;節能效益計算基于凝汽器性能測試的真空改善數值，分離電廠所用汽輪機的背壓對熱耗修正曲線，計算熱耗改動數值，進而計算標煤節約量，核算節煤效益。儉省化學藥劑效益來自項目改造前的廠內統計數據。臭氧系統電耗增加依據系統設備運轉功率停止核算。

1.2.3 高效傳質設計

為獲得臭氧技術的工藝效果，須保證臭氧充沛溶解于水中并堅持一定的濃度，所以需求設計高效率的氣水傳質安裝，將臭氧氣體混合溶解于水。傳質效率(即氣體溶解于水中的效率，以下簡稱“MTE”—MassTransferEfficiency)越高，到達工藝所需水中臭氧濃度所需的臭氧量越少，臭氧發作器及其配套設備的選型可越小，投資和運轉本錢也越低。

1.2.4 臭氧投加量肯定

依據建立項目循環冷卻水補充水水質，根據《臭氧處置循環水冷卻水設計標準》(GB/T32107－2015)，停止臭氧投加量的設計。由于不同項目水質不同，水體中耗費臭氧的成分不同，對臭氧的耗費量不定，不同水體、不同水質、不同工況下的臭氧耗費量，均先行小試實驗，依據實驗結果指導工程臭氧投加量設計。

1.2.5 DO3控制設計

注入循環冷卻水中臭氧濃度(DO3)，在契合《臭氧處置循環水冷卻水設計標準》(GB/T32107－2015)的同時，還要對濃度停止準確控制。循環水中臭氧濃度缺乏，會影響處置效果;濃渡過高，則會增加設備系統(包括空壓機、制氧機、冷干機、臭氧發作器和冷凍機)消費臭氧的能耗，形成糜費。因而，經過自控系統，實時、連續、自動地將循環水中臭氧濃度控制于適宜程度。

1.2.6 防臭氧逸散設計

為充沛應用臭氧，同時避免臭氧逸散環境形成危害，采用以下措施:一是臭氧現制現用，不存儲，并在臭氧制備車間設置臭氧濃度監測儀表，依據《環境空氣質量規范》設置報警限值，一旦發作臭氧走漏報警，整個設備系統自動斷電，不再消費臭氧;二是臭氧氣體在帶壓密閉管道注入，避免臭氧逸散;三是經過水中臭氧濃度精準控制，經過換熱器和冷卻塔后無多余臭氧逸散環境。

2 結果與討論

為剖析2個項目的實踐運轉效果，對項目的補充水及循環水水質、凝汽器阻垢緩蝕效果停止數據剖析。

2.1 水質剖析

以項目B為例，對循環水系統的補充水和2個機組的循環水停止水質剖析。采用臭氧技術改造后，2018年10月至2019年10月水質數據范圍如表3所示。

由表3數據可見，項目B在運轉期間，循環水的補充水水質較為穩定，根本契合再生水用于循環水補充水的水質請求。補充水的總硬度、總堿度和細菌總數相對較高，循環水系統具有相對較高的污堵風險，因而需求對循環水系統停止高效處置。從循環水水質可見，各項指標均優于國標請求，同時細菌總數含量較低，生物污垢存在風險低。

2.2 阻垢效果剖析

2.2.1 換熱效率提升

為評價臭氧處置循環水的阻垢效果，對項目B展開了改造前后凝汽器性能比照測試，并以清潔系數、端差(熱值差，下同)、真空等指標的變化停止了評價。

第三方機構對項目B的2號機組停止凝汽器本底性能實驗和臭氧系統運轉53天后凝汽器性能實驗，兩次實驗結果修正到相同凝汽器熱負荷、相同冷卻水進口溫度和相同冷卻水流量條件下停止比照剖析，相同熱負荷工況(以凝汽器本底性能實驗熱負荷為基準)下凝汽器性能比照結果如表4所示。

從表4可知，以2號機組凝汽器熱負荷2425875MJ/h(對應于本底600MW工況熱負荷)為基準，在設計冷卻水進口溫度為20℃、設計冷卻水流量為64350m3/h條件下，凝汽器本底實驗傳熱端差為5．20℃，凝汽器壓力為4．75kPa，臭氧系統運轉53天后，凝汽器傳熱端差為3．73℃，凝汽器壓力為4．36kPa。與凝汽器本底實驗比照，凝汽器傳熱端差降低約1．47℃，壓力降低約0．39kPa;凝汽器傳熱端差降低約28．27%，壓力降低約8．21%。臭氧系統運轉53天后，低壓凝汽器運轉清潔系數由0．61進步至0．79，進步29．51%;高壓凝汽器運轉清潔系數由0．73進步至0．89，進步21．92%。應用臭氧技術后，凝汽器真空和端差改善，運轉清潔系數明顯進步，表現了該技術的阻垢效果。

2.2.2 凝汽器真空、端差運轉趨向

2個采用臭氧技術改造的項目均自2018年運轉至今，項目運轉人員采集了局部時段凝汽器真空和端差實踐運轉值，數據繪圖，并停止運轉趨向定性剖析，以評價臭氧處置循環冷卻水的阻垢效果。重點選取結垢風險最高的5～9月數據停止剖析，如圖1～6所示。

從圖1～6中可見，夏季運轉期間，2個項目機組負荷均較平穩，真空與端差動搖主要隨負荷動搖，且數據相對穩定，整體趨向堅持向優。此期間，項目A真空運轉數據處于－(81～91)kPa范圍內，端差運轉數據處于6．5～13．5℃范圍內。項目B的1號和2號機組真空運轉數據均處于－(89～95)kPa范圍內，1號機組端差運轉數據處于0．5～3．5℃范圍內，2號機組除因負荷突變招致的個別數據到達4～5℃外，95%以上端差處于1～2．5℃范圍內。2個項目凝汽器真空和端差運轉數據良好，反映了采用臭氧技術改造的阻垢、脫垢效果。

2.3 緩蝕效果剖析

2.3.1 pH、總鐵、總銅

為剖析臭氧技術改造后的緩蝕效果，在臭氧系統正式運轉的一年內，由第三方水質檢測機構每1～2月取循環冷卻水水樣檢測剖析pH、總鐵、總銅，數據如表5、表6所示。

結果顯現循環水pH堅持弱堿性，有利于緩蝕;兩個項目的循環水中總鐵滿足規范DL/T300－2011規則:(≤0．5mg/L)及規范GB/T50050－2017規則:(≤2．0mg/L)的請求;項目A的循環水中總銅未檢出。以上檢測結果標明采用臭氧處置后的循環水系統緩蝕效果良好。

2.3.2 腐蝕速率

項目B在循環水采用臭氧高效水處置系統期間，分別在2個機組的凝汽器入口處裝置模仿監控安裝。第三方檢測機構懸掛TP316、TP317不銹鋼腐蝕試片停止腐蝕速率檢測，此期間試片外表流速約為1．04m/s，結果如表7所示。測試結果顯現，在凝汽器入口循環水水溫條件下，TP316和TP317不銹鋼資料的平均腐蝕速率均滿足規范GB/T50050－2017的規則(≤0．005mm/a)請求。

2.4 效益剖析

2個火電廠的循環冷卻水系統采用臭氧協同技術改造后，既節水減排，減少水資源費和廢水深度處置費用，又降本增效，進步了資源應用率，還節約了化學藥劑費用。

以項目B為例，改造后獲得的經濟效益按設計年應用小時5500h計算，則:

節水效益:根據《工業循環冷卻水處置設計標準》中5.0.6的公式計算。循環水量依照滿負荷130000m3/h計，循環冷卻水進出水溫差均勻10℃計，依據氣溫對應k值取全年均值0．001268。濃縮倍數從4．85提升至8．50，年節水量116萬t，補充水單價為1．3元/m3，則節約水費151萬元/a。

節煤效益:依據凝汽器性能測試結果，凝汽器壓力降低0．39kPa;根據汽輪機廠家提供的背壓與熱耗曲線圖，凝汽器壓力在4．9～12kPa區間時，凝汽器壓力每降低1kPa，熱耗率降低1．3%，則節煤量=額定熱耗×1．3%×0．39÷標煤熱值×660×103×2×5500×10－6，其中額定熱耗為7426kJ/(kW·h)，標煤熱值29307kJ/kg，則節煤量為9293t標煤/a。

依照均勻入爐含稅標煤價764元/t計算，年節約費用:9293×764≈710萬元。

儉省化學藥劑效益:依據項目改造前電廠統計數據，每年均勻運用阻垢緩蝕劑及殺菌劑260t，費用為130萬元。

臭氧系統電耗:臭氧系統設備運轉功率為498kW，年耗電量為498×5500≈274萬(kW·h)，廠用電本錢價0．385元/(kW·h)，則年用電費用約105萬元。

采用臭氧技術改造后，項目B獲得的經濟效益顯著，數據匯總如表8所示。

3 結論

(1)采用臭氧技術處置循環冷卻水，省卻了阻垢緩蝕劑和殺菌劑等藥劑投加，綠色環保。

(2)采用臭氧技術改造后，兩個項目的夏季運轉真空和端差均穩定且趨向向優。關于660MW的超超臨界機組，真空運轉數據均處于－(89～95)kPa范圍內，95%以上端差處于0．5～3．5℃范圍內。反映了采用臭氧技術改造的阻垢、脫垢效果。

(3)采用臭氧技術改造后，項目B經過凝汽器性能測試，結果顯現，經過53天的運轉，凝汽器端差改善28．27%、凝汽器壓力改善8．21%、低壓凝汽器清潔系數進步29．51%、高壓凝汽器清潔系數進步29．92%，阻垢效果良好，有助于全廠節能降耗。

(4)采用臭氧技術處置的循環冷卻水系統，不銹鋼腐蝕速率遠小于0．005mm/a、總銅未檢出、總鐵遠小于0．5mg/L、pH在7～9范圍內，完成了良好的緩蝕效果。

(5)經臭氧技術處置的循環冷卻水系統，濁度、COD、氨氮、細菌總數等各項水質指標均優于國標請求，優化了水質。同時循環水濃縮倍數提升，在夏季到達以至超出設計值，具有顯著的節水減排作用。