循环水电化学阻垢技术研究与展望

前言：在电厂敞开式循环冷却水系统中，冷却水不断循环和蒸发，水中盐类及有机物质浓缩，如果采取的措施不当，系统易出现积垢、腐蚀及微生物滋生等问题，影响设备正常运行及安全生产。长久以来，电厂广泛采用化学药剂阻垢法，发挥了积极的作用，但同时存在化学药剂排放对环境污染、运行费用高、不易管理等问题。随着国家节水、环保要求越来越严格，传统化学药剂处理法存在的问题也越来越突出。为此，多年来水处理行业一直致力于探索绿色环保的方法，电化学阻垢是一种新的水处理技术，近年来获得了国内广泛关注。

1 国内外研究情况

电化学阻垢技术是20世纪70年代发展起来的新型水处理技术，目前较多运用于民用循环冷却水系统的供水处理中，如中央空调系统冷媒水系统、民用建筑热水系统等。随着电力技术的迅速发展，为满足环保、节水等现实要求，循环水电化学处理技术被日益重视，已成为世界范围的研究与开发热点。

李明建等人用快速阻垢测试方法和热水系统小型模拟试验法，表明电化学水处理器具有显著的阻垢效果，能一定程度地降低水的硬度，其阻垢率与电压、水质、温度等因素有关。

孙津鸿采用电解法对模拟循环冷却水进行处理，表明电化学可以在一定程度上降低水中的硬度。同时考察了不同电解条件对硬度去除效果和能耗的影响，在该试验体系中，最佳电压为10V，最佳温度为30℃，阴极沉积速率为20g/（h·m²），能耗为17kW·h/kg。

徐浩等人通过电化学阻垢试验研究，表明对于硬度大于300 mg/L（以CaCO₃计）水样，用7 V电压进行阻垢处理，阻垢效果最好；对于硬度小于130 mg/L的水样，改为5 V的低电压进行除垢处理效果较好。

以色列理工学院拉宾海水淡化实验室David Hasson等人[4]研究认为，在直流电场作用下，Ca²⁺和HCO₃^-从主体溶液到阴极区的传质速率是影响电化学沉积速率的主要因素，影响电化学阻垢技术经济性的主要参数是能源消耗。常规电化学阻垢处理工艺所能获得的最大沉积率为100g/（h·m²），典型能耗为5 kW·h/kg（CaCO₃）。

2 技术原理

电化学阻垢技术是指将两块金属板插入水中分别作为阴极和阳极，在两极板间施加一定的直流电压，形成低压电场，这时极板间的水溶液中的正、负离子向极性相反的极板迁移，发生电子得失。

阴极表面发生还原反应：

2H₂O+2e→2OH-+H₂↑ （式1）

由于阴极OH-的增多，在阴极附近形成了一个碱性区域，从而促进了CO₃^2-的形成，反应如式2-2和2-3所示。

CO₂+OH-→HCO₃^- （式2）

HCO₃^-+OH-→CO₃^2-+H ₂O （式3）

另一方面，循环水中的成垢离子Ca²⁺、Mg²⁺会在电场的作用下被吸引到阴极附近，与CO₃^2-、OH^-生成沉淀析出，并沉积于电解槽的阴极表面，反应如式4、式5所示。

Ca²⁺+CO₃^2-→CaCO₃↓ （式4）

Mg²⁺+2OH^-→Mg（OH）₂↓ （式5）

由此可见，原水经过电化学处理后，水中部分Ca²⁺、Mg²⁺会形成沉淀析出，原水硬度和碱度在一定程度上有所降低，达到主动防垢的目的。

3 国内电厂应用实例

1、安徽某电厂一期2×630MW超临界机组，于2008年8月和9月正式投产运行，冷却水系统采用敞开式循环冷却方式，循环冷却水的补充水源为地表水，原水在沉淀池中经混凝、澄清处理后，补入冷却塔塔池。凝汽器换热管选用TP316不锈钢，循环水系统原采用加硫酸、加阻垢缓蚀剂和杀菌灭藻剂联合处理方式。2015年上半年，每台机组安装一套以色列某公司生产的电化学处理装置（见图1），单台机组处理量500m3/h，分为5个模块，每个模块设计流量100m³/h，每个模块运行电压15V左右，运行电流450A左右。

图1 安徽某电厂循环水系统的电化学水处理器

经过电化学装置后，循环水的碱度、硬度去除率在3%～10%之间。据了解，该机组原循环水采用加硫酸和6mg/L阻垢剂进行处理，电化学处理装置安装并投运后，随即停止加阻垢剂处理，但运行一段时间后，检查发现凝汽器有较明显的结垢。电厂不得不恢复加药处理，只是阻垢剂加药量降低为2mg/L，在此条件下，目前系统基本能维持稳定运行。

2、山西某电厂2×300MW空冷机组，其辅机工业水系统采用开式循环冷却系统，系统水容积500m3，循环水量4800m3/h。电厂于2011年安装了一套武汉某公司研制的EST-25-40K电化学阻垢装置（如图2），单台设备处理流量设计10t/h，工作电流7～25mA，设计功率2500W。由于电化学阻垢技术在国内尚缺乏应用经验，电厂为确保运行安全，在安装电化学阻垢装置后，还始终加入少量阻垢剂辅助处理。根据电厂运行数据显示，该系统循环水的碱度、硬度均小于补给水，说明EST电化学阻垢装置确实起到一定的除垢作用。但该电厂本着节水的原则，对水资源阶梯使用，即用部分循环水冲锅炉的灰渣，造成该系统的循环水浓缩倍率一直较低，基本不超过1.2倍，加上电厂仍辅助药剂处理，因此电化学阻垢装置实际运行效果尚难以评估。

图2 山西某电厂辅机冷却系统的电化学水处理器

3、浙江某电厂装有6台125MW机组，辅机冷却水采用敞开式循环冷系统，冷却水量1800 m3/h，水源为溪口水库水。2014年安装一套以色列C.Q.M.公司生产的SR-CT电化学处理装置（图3），单台机组处理量100m³/h，运行电压7～16V左右，运行电流300～450A左右。为了提高电极的除垢效率及降低能耗，系统设置有加盐（NaCl）装置。调研结果显示，安装电化学装置后，该辅机循环水系统已停止化学加阻垢剂，系统未发现明显结垢现象。需要指出的是，该辅机冷却水系统补水电导率小于80μS/cm，硬度、碱度均小于0.5mmol/L，水质很好，且浓缩倍率一直控制较低，小于1.5倍，因此电化学装置的实际阻垢效果实际并不好评价。

图3 浙江台州电厂辅机冷却系统的电化学水处理器

4 结论及技术展望

从电化学阻垢处理技术在电厂应用上可以看出，单独依靠电化学设备处理电厂循环冷却水效果并不理想，但是电化学处理装置确实可以减少化学药剂的使用量，这是新技术发展应用必然经历的一个阶段，建议电厂采用电化学技术和化学药剂相结合处理工艺。

随着电化学技术的不断发展，高效、稳定和经济的电极材料的开发与应用，电化学设备结构的优化，电化学阻垢技术在大型循环水系统的独立应用也将成为可能，因此电化学技术具有非常广阔的应用前景。