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0 引言

我国是缺水严重国度，人均水资源占有量仅占世界人均程度的1/4，水资源短缺问题曾经成为限制经济和社会可持续开展的重要要素。国度公布的《节约能源法》、《环境维护法》、“水十条”等法规，对工业企业用水量、排水量和排水水质请求日益严厉。

循环冷却水用量占工业用水总量的50%～90%，占比宏大。为进步水务管理程度，再生水回用于循环冷却水系统作为补充水、进步循环水浓缩倍数，是水资源短缺地域进步水资源应用率的主要手腕。但由于再生水水质较差、水中氮、磷和COD等营养物质含量高，且浓缩倍数的进步，会进步换热器结垢、腐蚀、微生物滋生的风险，致使影响换热设备传热效率，降低设备运用寿命。

随着电厂工业污水处理研讨工作的深化展开，大量的理论和研讨结果标明，化学药剂处置循环冷却水的效果遭到人为要素影响，浓缩倍数的提升亦遭到限制，且会给环境带来二次污染［5］。因而，能在运转中长期有效坚持换热器清洁并进步循环水应用率，防止药剂产生的环境污染，完成节能减排、环保增效的技术是循环冷却水处置的重点研讨方向。臭氧处置作为一项绿色、高效的循环水处置技术，遭到普遍注重。

臭氧氧化性极强，氧化复原电位为2．07V，仅次于氟，常被用于杀菌消毒、除味脱色、合成有机物等，在水处置行业应用普遍。

在间冷开式循环水系统，水温常在25～40℃，此条件下环境空气和补水引入的营养物质及充足太阳光照，有利于微生物的繁衍。由于微生物的参与，间冷开式循环水系统中垢的构成缘由难以用单纯的化学理论解释。水垢与污垢在构成过程中彼此混杂，且存在相互促进的黏聚作用或催化作用。

臭氧在间冷开式循环水系统中的投加，可使水中有机物、微生物发作合成、断裂，生物膜毁坏、生物黏泥大大减少，进而使碳酸钙等无机析出物无法附着。此外，有研讨标明臭氧氧化垢层基质中的有机成分，使垢层变松零落;臭氧在水中释放的单原子氧，容易吸附在金属外表，阻止成垢物在金属外表的附着;臭氧还能毁坏水中的氢键使成垢的阴阳离子难以分离构成沉淀;臭氧可致碳酸钙晶格畸变，构造疏松，阻止成垢物质生长、附着。

臭氧作为强氧化剂，其缓蚀机理和铬酸盐缓蚀剂作用类似，主要表现为冷却水中生动的氧原子(O)与亚铁离子反响后，在阳极外表构成一层含γ－Fe2O3的氧化物钝化膜。这种膜薄而致密，与金属分离结实，障碍水中溶解氧扩散到金属外表，到达缓蚀作用。其次，含低浓度臭氧的水，pH值为8～9，不利于化学腐蚀发作。再次，臭氧能有效杀灭噬硫菌、噬铁菌等微生物，避免微生物点蚀。

将臭氧用于循环冷却水系统处置以起到阻垢缓蚀作用，在国内外已有大量研讨。相关文献研讨标明，臭氧作为兼具阻垢－缓蚀－杀菌多项功用的单一水处置剂，使循环水系统在较高浓缩倍数下平安运转，有效改善换热器清洁状态。

1970年美国学者Odgen应用臭氧处置循环冷却水，证明运用臭氧法具备共同的优势，第五十一届国际水会议上，Pryor．A初次做了《臭氧冷却水处置的特性与经济性》的报告，引见了全美水处置公司应用该技术处置130多座冷却塔的处置效果，并得出的结论:以臭氧作单一的水处置药剂技术，可以取代传统处置技术，同时还能够停止阻垢缓蚀和杀菌灭藻。20世纪90年代开端，清华大学、哈尔滨工业大学等研讨院校正臭氧处置循环冷却水展开相关实验研讨。

本文分离实践运转案例数据，细致剖析臭氧处置循环冷却水的阻垢缓蚀效果，以及臭氧技术改造带来的经济、社会效益。

1 研讨对象与办法

1.1 研讨对象

为积极响应国度环保政策，实在进步电厂水务管理程度，河南2个发电厂采用臭氧技术对循环水系统停止了改造(改造概略见表1)，替代原有杀菌剂和阻垢缓蚀剂，优化处置效果。本文对2个电厂采用臭氧技术改造后的循环水系统处置效果停止剖析研讨。

项目A为某2×3000kW自备电厂，该电厂双机组配置3座机械风冷冷却塔和2台循环水泵，最大循环水量为2400m3/h，保有水量2000m3。凝汽器和相关辅机材质为HSn70－1黄铜。循环水补充水为地表水，改造前采用阳离子交流法降低硬度，但劳动强度大且运转费用高，系统存在污堵和点蚀问题。采用臭氧技术改造后，补充水直补循环水系统，提升浓缩倍数，改善凝汽管换热效果并有效缓蚀。

项目B为某2×660MW超超临界火电厂，为完成节水、节能、减排，按分步施行的准绳完成废水零排放。该电厂每台机组配置一座淋水面积为9000m2的逆流式自然通风冷却塔和2台循环水泵，满负荷时，设计总循环水量为140257m3/h，实践总循环水量为129090m3/h，保有水量50000m3。凝汽器和辅机材质均为317L，循环冷却水补充水以城市中水为主要水源，补充水预处置系统采用石灰软化工艺。在采用臭氧改造前，循环水浓缩倍数设计值为4．85，臭氧改造后，设计循环水浓缩倍数进步至8．5，完成了循环水排水供脱硫和消防系统应用，不外排。

1.2 研讨办法及工艺设计

1.2.1 实验根据及检测办法

本研讨中凝汽器性能测试遵照以下标准:Standardsforsteamsurfacecondensers，tenthedition，HeatExchangeInstitute(HEI)，2006(美国传热学会规范);《汽轮机热力性能验收实验规程》(GB/T8117．1－2008);《凝汽器与真空系统运转维护导则》(DL/T932－2005);《外表式凝汽器运转性能实验规程》(DL/T1078－2007);水和水蒸汽性质表:国际公式化委员会IFC－1967公式。项目运转效果评价中的指标检测办法列于表2。

1.2.2 臭氧气体制备及经济效益核算办法

环境空气经空压机紧缩成为高压空气，再经冷干机冷却枯燥后贮存在空气储罐，空气储罐的空气保送至制氧机制备为高纯度的氧气贮存在氧气储罐，氧气经过臭氧发作器高压放电制备成高浓度、高压力的臭氧气体。

项目的经济效益核算:节水效益根据《工业循环冷却水处置设计标准》(GB/T50050－2017)停止计算，分离电厂实践用水价钱计算;节能效益计算基于凝汽器性能测试的真空改善数值，分离电厂所用汽轮机的背压对热耗修正曲线，计算热耗改动数值，进而计算标煤节约量，核算节煤效益。俭省化学药剂效益来自项目改造前的厂内统计数据。臭氧系统电耗增加依据系统设备运转功率停止核算。

1.2.3 高效传质设计

为获得臭氧技术的工艺效果，须保证臭氧充沛溶解于水中并坚持一定的浓度，所以需求设计高效率的气水传质安装，将臭氧气体混合溶解于水。传质效率(即气体溶解于水中的效率，以下简称“MTE”—MassTransferEfficiency)越高，到达工艺所需水中臭氧浓度所需的臭氧量越少，臭氧发作器及其配套设备的选型可越小，投资和运转本钱也越低。

1.2.4 臭氧投加量肯定

依据建立项目循环冷却水补充水水质，根据《臭氧处置循环水冷却水设计标准》(GB/T32107－2015)，停止臭氧投加量的设计。由于不同项目水质不同，水体中耗费臭氧的成分不同，对臭氧的耗费量不定，不同水体、不同水质、不同工况下的臭氧耗费量，均先行小试实验，依据实验结果指导工程臭氧投加量设计。

1.2.5 DO3控制设计

注入循环冷却水中臭氧浓度(DO3)，在契合《臭氧处置循环水冷却水设计标准》(GB/T32107－2015)的同时，还要对浓度停止准确控制。循环水中臭氧浓度缺乏，会影响处置效果;浓渡过高，则会增加设备系统(包括空压机、制氧机、冷干机、臭氧发作器和冷冻机)消费臭氧的能耗，形成糜费。因而，经过自控系统，实时、连续、自动地将循环水中臭氧浓度控制于适宜程度。

1.2.6 防臭氧逸散设计

为充沛应用臭氧，同时避免臭氧逸散环境形成危害，采用以下措施:一是臭氧现制现用，不存储，并在臭氧制备车间设置臭氧浓度监测仪表，依据《环境空气质量规范》设置报警限值，一旦发作臭氧走漏报警，整个设备系统自动断电，不再消费臭氧;二是臭氧气体在带压密闭管道注入，避免臭氧逸散;三是经过水中臭氧浓度精准控制，经过换热器和冷却塔后无多余臭氧逸散环境。

2 结果与讨论

为剖析2个项目的实践运转效果，对项目的补充水及循环水水质、凝汽器阻垢缓蚀效果停止数据剖析。

2.1 水质剖析

以项目B为例，对循环水系统的补充水和2个机组的循环水停止水质剖析。采用臭氧技术改造后，2018年10月至2019年10月水质数据范围如表3所示。

由表3数据可见，项目B在运转期间，循环水的补充水水质较为稳定，根本契合再生水用于循环水补充水的水质请求。补充水的总硬度、总碱度和细菌总数相对较高，循环水系统具有相对较高的污堵风险，因而需求对循环水系统停止高效处置。从循环水水质可见，各项指标均优于国标请求，同时细菌总数含量较低，生物污垢存在风险低。

2.2 阻垢效果剖析

2.2.1 换热效率提升

为评价臭氧处置循环水的阻垢效果，对项目B展开了改造前后凝汽器性能比照测试，并以清洁系数、端差(热值差，下同)、真空等指标的变化停止了评价。

第三方机构对项目B的2号机组停止凝汽器本底性能实验和臭氧系统运转53天后凝汽器性能实验，两次实验结果修正到相同凝汽器热负荷、相同冷却水进口温度和相同冷却水流量条件下停止比照剖析，相同热负荷工况(以凝汽器本底性能实验热负荷为基准)下凝汽器性能比照结果如表4所示。

从表4可知，以2号机组凝汽器热负荷2425875MJ/h(对应于本底600MW工况热负荷)为基准，在设计冷却水进口温度为20℃、设计冷却水流量为64350m3/h条件下，凝汽器本底实验传热端差为5．20℃，凝汽器压力为4．75kPa，臭氧系统运转53天后，凝汽器传热端差为3．73℃，凝汽器压力为4．36kPa。与凝汽器本底实验比照，凝汽器传热端差降低约1．47℃，压力降低约0．39kPa;凝汽器传热端差降低约28．27%，压力降低约8．21%。臭氧系统运转53天后，低压凝汽器运转清洁系数由0．61进步至0．79，进步29．51%;高压凝汽器运转清洁系数由0．73进步至0．89，进步21．92%。应用臭氧技术后，凝汽器真空和端差改善，运转清洁系数明显进步，表现了该技术的阻垢效果。

2.2.2 凝汽器真空、端差运转趋向

2个采用臭氧技术改造的项目均自2018年运转至今，项目运转人员采集了局部时段凝汽器真空和端差实践运转值，数据绘图，并停止运转趋向定性剖析，以评价臭氧处置循环冷却水的阻垢效果。重点选取结垢风险最高的5～9月数据停止剖析，如图1～6所示。

从图1～6中可见，夏季运转期间，2个项目机组负荷均较平稳，真空与端差动摇主要随负荷动摇，且数据相对稳定，整体趋向坚持向优。此期间，项目A真空运转数据处于－(81～91)kPa范围内，端差运转数据处于6．5～13．5℃范围内。项目B的1号和2号机组真空运转数据均处于－(89～95)kPa范围内，1号机组端差运转数据处于0．5～3．5℃范围内，2号机组除因负荷突变招致的个别数据到达4～5℃外，95%以上端差处于1～2．5℃范围内。2个项目凝汽器真空和端差运转数据良好，反映了采用臭氧技术改造的阻垢、脱垢效果。

2.3 缓蚀效果剖析

2.3.1 pH、总铁、总铜

为剖析臭氧技术改造后的缓蚀效果，在臭氧系统正式运转的一年内，由第三方水质检测机构每1～2月取循环冷却水水样检测剖析pH、总铁、总铜，数据如表5、表6所示。

结果显现循环水pH坚持弱碱性，有利于缓蚀;两个项目的循环水中总铁满足规范DL/T300－2011规则:(≤0．5mg/L)及规范GB/T50050－2017规则:(≤2．0mg/L)的请求;项目A的循环水中总铜未检出。以上检测结果标明采用臭氧处置后的循环水系统缓蚀效果良好。

2.3.2 腐蚀速率

项目B在循环水采用臭氧高效水处置系统期间，分别在2个机组的凝汽器入口处装置模仿监控安装。第三方检测机构悬挂TP316、TP317不锈钢腐蚀试片停止腐蚀速率检测，此期间试片外表流速约为1．04m/s，结果如表7所示。测试结果显现，在凝汽器入口循环水水温条件下，TP316和TP317不锈钢资料的平均腐蚀速率均满足规范GB/T50050－2017的规则(≤0．005mm/a)请求。

2.4 效益剖析

2个火电厂的循环冷却水系统采用臭氧协同技术改造后，既节水减排，减少水资源费和废水深度处置费用，又降本增效，进步了资源应用率，还节约了化学药剂费用。

以项目B为例，改造后获得的经济效益按设计年应用小时5500h计算，则:

节水效益:根据《工业循环冷却水处置设计标准》中5.0.6的公式计算。循环水量依照满负荷130000m3/h计，循环冷却水进出水温差均匀10℃计，依据气温对应k值取全年均值0．001268。浓缩倍数从4．85提升至8．50，年节水量116万t，补充水单价为1．3元/m3，则节约水费151万元/a。

节煤效益:依据凝汽器性能测试结果，凝汽器压力降低0．39kPa;根据汽轮机厂家提供的背压与热耗曲线图，凝汽器压力在4．9～12kPa区间时，凝汽器压力每降低1kPa，热耗率降低1．3%，则节煤量=额定热耗×1．3%×0．39÷标煤热值×660×103×2×5500×10－6，其中额定热耗为7426kJ/(kW·h)，标煤热值29307kJ/kg，则节煤量为9293t标煤/a。

依照均匀入炉含税标煤价764元/t计算，年节约费用:9293×764≈710万元。

俭省化学药剂效益:依据项目改造前电厂统计数据，每年均匀运用阻垢缓蚀剂及杀菌剂260t，费用为130万元。

臭氧系统电耗:臭氧系统设备运转功率为498kW，年耗电量为498×5500≈274万(kW·h)，厂用电本钱价0．385元/(kW·h)，则年用电费用约105万元。

采用臭氧技术改造后，项目B获得的经济效益显著，数据汇总如表8所示。

3 结论

(1)采用臭氧技术处置循环冷却水，省却了阻垢缓蚀剂和杀菌剂等药剂投加，绿色环保。

(2)采用臭氧技术改造后，两个项目的夏季运转真空和端差均稳定且趋向向优。关于660MW的超超临界机组，真空运转数据均处于－(89～95)kPa范围内，95%以上端差处于0．5～3．5℃范围内。反映了采用臭氧技术改造的阻垢、脱垢效果。

(3)采用臭氧技术改造后，项目B经过凝汽器性能测试，结果显现，经过53天的运转，凝汽器端差改善28．27%、凝汽器压力改善8．21%、低压凝汽器清洁系数进步29．51%、高压凝汽器清洁系数进步29．92%，阻垢效果良好，有助于全厂节能降耗。

(4)采用臭氧技术处置的循环冷却水系统，不锈钢腐蚀速率远小于0．005mm/a、总铜未检出、总铁远小于0．5mg/L、pH在7～9范围内，完成了良好的缓蚀效果。

(5)经臭氧技术处置的循环冷却水系统，浊度、COD、氨氮、细菌总数等各项水质指标均优于国标请求，优化了水质。同时循环水浓缩倍数提升，在夏季到达以至超出设计值，具有显著的节水减排作用。