高壓靜電離子棒處理火電廠循環冷卻水的 動態模擬阻垢實驗
高壓靜電離子棒處理火電廠循環冷卻水的
動態模擬阻垢實驗
王雨萌,劉智安,邵曉玨,楊星,高雪桐
(內蒙古工業大學能源與動力工程學院,內蒙古呼和浩特 010051)
CWTC-16-042
[摘要] 以火電廠循環冷卻水為研究對象,以實驗室自制的“雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺”為實驗平臺,利用高壓靜電離子棒對火電廠循環冷卻水進行了動態模擬阻垢實驗。通過對循環冷卻水的極限碳酸鹽硬度分析發現,實驗組達到極限碳酸鹽硬度的時間比對照組延遲 30min,表明高壓靜電離子棒對火電廠循環冷卻水確有阻垢效果。
[關鍵詞] 循環冷卻水;限碳酸鹽硬度;濃縮倍率;高壓靜電離子棒
概述
我國北方工業用水是地下水和地表水,這兩種水都是重碳酸鹽型轉變為硫酸鹽-氯化物型為主的水。這種水中主要的陽離子是 Ca2+,Mg2+,Na+ 等,主要的陰離子是 HCO-,Cl-、CO3-、 SO3 2-等[1]。當這樣的循環冷卻水流經換熱器表面受熱時,其中的 Ca2+,Mg2+與重碳酸根 HCO3- 發生反應,產生難溶的 CaCO3 和 MgCO3 沉積在換熱壁上形成水垢。其中 CaCO3 的溶度積最 小,是受熱面上的主要污垢,它堅硬,致密,附著力強、熱阻值大,機械辦法難以去除。所 以,工業循環水的阻垢處理主要考慮 CaCO3 型水垢的防范與消除。火電廠的敞開式循環冷卻水系統具有循環水量大、處理困難、運行溫度低等特點[2-4],自20 世紀 90 年代引入離子棒水處理器后,采用化學阻垢藥劑輔助以離子棒水處理器對循環冷卻水進行處理[5],有效地緩解了循環冷卻水在凝汽器銅管結垢問題,降低了處理成本,提高了處理效率[6-10]。本實驗通過運用實驗室自制“雙通道工業冷卻循環水動態模擬實驗臺”和 “高壓靜電離子棒水處理器”,對采集自某火電廠的循環冷卻水進行了動態模擬阻垢實驗研究,利用極限碳酸鹽硬度分析方法,對阻垢效果進行了分析。
1 實驗設備
1.1 雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺
“雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺”為實驗室依據國家《冷卻水動態模擬試驗方法》(HG/T2160-2008)標準設計制作的實驗設備,主要用于工業循環冷卻水的動態模擬阻垢研究。
圖 1 雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺流程圖
實驗臺設計成實驗組和空白對照組兩組通道,便于進行阻垢效果對比實驗。兩組通道中,循環冷卻水由循環水泵 12 泵出集水池 4,經高壓靜電離子棒水處理器 13 后到達換熱器 7 中進行熱量交換,再經冷卻塔 2 中的噴頭 5、填料層 3 冷卻后,回到集水池 4 中形成循環。
1.2 高壓靜電離子棒水處理器
高壓靜電離子棒水處理器由三部分組成:離子棒、金屬管道和高壓發生器。高壓靜電離 子棒水處理器構造如圖 2。其中,離子棒:Ф32mm,長度 330mm,耐壓值 45kV,功耗<10W,絕緣外層為聚四氟乙烯。金屬管道:Ф100mm 不銹鋼焊接制成,循環冷卻水由金屬管道下端進水從上端出水。高壓發生器:輸出電壓:0~30000V;輸出電流:1mA;滿載時紋波≤0.01%;負載調整率精
度:≤0.1%。

圖 2 高壓靜電水處理器結構圖
高壓靜電水離子棒水處理器主要參數如表 1。
表 1 高壓靜電離子棒水處理器主要參數

2 實驗部分
2.1 實驗水質
實驗初始水質如下:鈣硬度 1.65mmol/L;總硬度 2.99mmol/L;全堿度 1.80mmol/L;氯離子 3.81mmol/L;pH 值 7.47;電導率 1163μS/cm。
2.2 實驗方法
利用實驗室內自制設備的“高壓靜電水離子棒水處理器”和“雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺”進行阻垢效果實驗,其中實驗臺的實驗組通道施加高壓靜電場,空白對照組通道,不采用任何阻垢措施。雙通道工業循環冷卻水動態模擬實驗臺的實驗參數為:加熱水溫度 Th=91±0.5℃;循環冷卻水溫度 Tc=30±0.5℃;數據采集間隔 Δt=30min;實驗通過補水箱補充循環冷卻水蒸發損失;高壓靜電水離子棒水處理器施加電壓為 4KV;循環冷卻水流量設定為 1000L/h。實驗中定期測定循環冷卻水中的鈣硬度、堿度、氯離子、pH 值和電導率等指標的變化,以隨時掌握水質變化。實驗中以極限碳酸鹽硬度為指標,每隔 30min 記錄一次極限碳酸鹽硬度,觀察極限碳酸鹽硬度的變化。
2.3 水質指標及其分析方法
實驗中所用水質指標分析方法如表 2。
其中電導率儀:DDS-307 型,1.0 級;0~1×105μS/cm;基本誤差±1%,上海精密科學有限公司生產。pH 計:pHS-2F 型,0.02 級;0.00~14.00pH,上海精密科學有限公司生產。
3 實驗結果分析
3.1 循環冷卻水的濃縮倍率
敞開式循環冷卻水系統中,由于蒸發現象,系統中的水量會越來越少,而水中各種鹽類
的濃度就會越來越濃,就必須補充新鮮水,排出濃縮水。循環水鹽類的濃度與補充水中鹽類
濃度之比稱為循環水的濃縮倍率。但是,若以含鹽量表示濃縮倍率的鹽類濃度時,因循環水
在濃縮過程中有鹽類析出,不能代表實際的濃縮情況,通常是按不易沉淀的 Cl- 估算濃縮倍
率,即:
(1)

式中:φ 為濃縮倍率;[CIX- ]為循環水中的 CI- 濃度,mg/L;[CIB- ]為補充水中的 CI- 濃度,mg/L。濃縮倍率反映出水資源的復用率情況,是用來衡量循環冷卻水系統的運行情況的一項重要指標。
3.2 極限碳酸鹽硬度
極限碳酸鹽硬度是指冷卻水中不產生碳酸鹽沉積所允許的最大碳酸鹽硬度值。運用極限碳酸鹽硬度實驗,實驗中循環水不斷蒸發,水質逐漸濃縮,氯離子濃縮倍率 φ 與堿度濃縮倍率 φJ 的差值計算公式如式 2:
(2)
式中:ΔA 為氯離子濃縮倍率與堿度濃縮倍率的差值;AX 為循環水的總堿度;AB 為補充水的總堿度;[CIX- ]為循環水中的濃度;[CIB- ]為補充水中的濃度;φJ=AX/AB 表示堿度濃縮倍率,φ=[CIX-]/[CIB- ]表示氯離子濃縮倍率。
圖 3 為理想狀態下的循環冷卻水的濃縮曲線,可看出在理想狀態下兩種濃縮倍率應當同步增長,ΔA=φ-φJ=0。實際濃縮的過程中,ΔA≈0 只有在晶核形成以前符合,隨著循環冷卻水的濃縮,水中的 CO2 不斷逸出,導致溶解于水中的碳酸鹽平衡關系被破壞,當達到過飽和時碳酸鈣開始成核析出,φ 繼續增大,此時已經不滿足 ΔA=φ-φJ=0。有碳酸鈣析出的濃縮曲線已經開始偏離圖 3 中的濃縮曲線。當 ΔA=φ-φJ>a(在實際評定中,a 常定為 0.2)表明已經生成污垢[11]。當 ΔA=φ-φJ=0.2 時,所對應的硬度稱為極限碳酸鹽硬度。從圖 3 中可以看出原水的濃縮曲線在 D 點開始偏離,即開始結垢。為防止碳酸鈣的成核,經過處理的循環冷卻水阻礙了水中成垢離子的結合。經處理后的濃縮曲線由D點增加到E點,此時碳酸鈣達到臨界過飽和度,晶核開始形成,晶體高速生長,大量消耗成垢離子 Ca2+和CO32- ,因此水中的碳酸鹽平衡關系被破壞,濃縮曲線偏離理想狀態下的 A 線。顯然,經過處理后的循環冷卻水的極限碳酸鹽硬度越高,說明該處理方式對于循環冷卻水的阻垢性能越
好。定期測定全堿度、氯離子,計算 ΔA 值,當 ΔA>0.2 后作為實驗終點,停止實驗。
3.3 實驗數據分析
每間隔 30min 采集一次數據,實驗中測得的各項水質指標數據如表 3。


對實驗測得水質指標進行極限碳酸鹽硬度計算,極限碳酸鹽硬度曲線如圖 4。
由圖 4 可以看出,實驗組在達到△A=0.2 的時間比對照組推遲了 30min,并達到極限碳酸鹽硬度時 Ca2+濃度也高于對照組,說明了實驗組中的循環冷卻水所能含的 Ca2+濃度更高,析出的垢量更少,驗證了高壓靜電處理循環冷卻水是有效果的。
4. 結論
通過動態模擬阻垢實驗,研究了高壓靜電水離子棒水處理器對火電廠循環冷卻水的阻垢效果。研究發現,經過處理后的循環冷卻水,達到極限碳酸鹽硬度的時間延遲了 30min。結果表明,高壓靜電離子棒水處理器對循環冷卻水具有阻垢效果。
創建時間:2022-07-08 08:35