中国轻工业广州工程有限公司 广东省广州市511447
摘要：垃圾焚烧发电项目循环冷却水系统是垃圾焚烧发电厂水量最大、水质最为复杂的用水系统，系统运行的稳定性对电厂安全经济运行具有重要影响。本文分析循环冷却水系统浓缩倍率与节水的关系，分析循环冷却水处理技术等。有效提高循环冷却水利用率，减少对水资源的消耗。让循环冷却水系统发挥经济性和节水、节能效果，进而为垃圾焚烧发电厂创造更多的经济效益和社会效益。
关键词：垃圾焚烧发电；循环冷却水；节水；浓缩倍率;优化处理
1.水源
1）项目的生产、生活及消防用水水源可采用市政自来水、地表水和市政中水。一般情况下不考虑使用地下水，当采用地下水时，必须进行水量及水质论证工作，且需获得当地相关部门的许可。地表水源主要包括：江、河、湖泊、水库等。
2）项目开展前期，需进行水资源论证工作，获取取水许可证。
3）采用市政自来水与其他水源时，市政自来水管道不得与其他水源管道连接。
4）据水源水质报告，合理选择原水的处理工艺。
5）生产给水系统水质应满足《城市污水再生利用-工业用水水质》GB/T 19923-2005的敞开式循环冷却水补充水的水质要求。
6) 生活垃圾焚烧发电项目冷却水用水是一个较大耗水单元，通过废水综合利用、零排放的项目相比更节水，且垃圾焚烧发电项目耗水指标有减少。当前在电厂生产中主要通过提高浓缩倍数的方式来节水，但是随着浓缩倍数的升高，容易增大循环水系统结垢、腐蚀的概率。循环冷却水的零排污具体操作为：提高浓缩倍数到4~5，循环水系统可减少污水的排放；若浓缩倍数达到4~5依然有少量污水进行排放，则将污水通过处理达标后作为补充水送回循环水系统中，处理系统产水的浓水可用于厂内的部分生产用水点（用水水质要求不高），保证循环水系统的零排放。
1.1水中杂质及其分类：
1.1.1水中杂质：
悬浮物：悬浮物是构成水中混浊度的主要因素，一般粒径在100nm 以上。
胶体物质：是由许多分子或离子组成的集合体，其颗粒直径一般为1nm~100nm之间。
溶解物质：天然水中溶解物质大都以离子或溶解气体的形式存在。
溶解离子： Na+、K+、Ca2+、Mg2+ 、HCO3－、CI－、SO42－等。
溶解气体：主要有O2、CO2 等。
1.1.2水的分类：
按含盐量分类
类别 | 低含盐量水 | 中等含盐量水 | 较高含盐量水 | 高含盐量水 |
含盐量（mg/L） | <200 | 200~500 | 500~1000 | >1000 |
按硬度分类
类别 | 极软水 | 软水 | 中等硬度水 | 硬水 | 极硬水 |
含盐量（mmol/L） | <1.0 | 1.0~3.0 | 3.0~6.0 | 6.0~9.0 | >9.0 |
1.2原水水质分析
根据垃圾焚烧发电项目实际情况，每个项目采用的水源条件不一样。本文举例钟山县垃圾焚烧发电项目（以下称钟山项目）与全州县垃圾焚烧发电项目（以下称全州项目），这两个项目生产水水源水质分析报告见下表。根据水质分析报告可知，钟山项目市政自来水与全州项目江水各项指标均满足电厂生产用水水质要求。
表1.2-1项目生产水水源水质检测结果
水样名称 | 项目生产水水源 | ||||
序号 | 分析项目 | 单位 | 钟山/自来水 | 全州/江水 | |
1 | 亚铁 | mg/L | ND | ND | |
2 | 游离二氧化碳 | mg/L | 2.2 | 7.2 | |
3 | 总硬度（CaCO3计） | mg/L | 150 | 98.5 | |
4 | 总碱度（甲基橙碱度，以CaCO3计） | mg/L | 157 | 102 | |
5 | 氢氧根（以CaCO3计） | mg/L | ND | ND | |
6 | 酚酞碱度（以CaCO3 计） | mg/L | ND | ND | |
7 | 非碳酸盐硬度（以CaCO3计） | mg/L | ND | ND | |
8 | 碳酸盐硬度（以CaCO3 计） | mg/L | 150 | 98.5 | |
9 | 负硬度（以CaCO3计） | mg/L | 7 | ND | |
10 | 硅（全硅）（以SiO2计） | mg/L | 9.78 | 2.06 | |
11 | 硅（活性硅）（以SiO2计） | mg/L | 6.76 | 1.38 | |
12 | 硅（非活性硅）（以SiO2计） | mg/L | 3.02 | 0.68 | |
13 | 总有机碳 | mg/L | 1.2 | 2.37 | |
2.循环水浓缩倍率的确定与节水分析
2.1循环水浓缩倍率的确定
2.1.1计算依据
已知项目生产生活水源自来水水质检测结果（详表1.2）。根据《工业循环冷却水处理设计规范》GB/T50050-2017的表3.1.7间冷开式系统循环冷却水以“钙硬度+碱度≤1100 mg/L”为控制指标，可得到循环水理论上浓缩倍率。
根据实际垃圾焚烧发电项目运营经验，为了让循环冷却水系统发挥经济性和节水、节能效果，进而为垃圾焚烧发电厂创造更多的经济效益和社会效益，采取加酸、加药等冷却水处理措施，科学合理提高循环冷却水浓缩倍率，同时减弱对冷却水系统管道、设备腐蚀及结垢的影响，综合考虑给出建议浓缩倍率。
朗格利尔饱和指数LSI=pH-pHs。
雷兹纳稳定指数RSI=2pHs-pH。
pHs为水的饱和pH值。
pHS=(9.70+A+B)-(C+D)
式中A-总溶解固体指数
B-温度指数
C-该硬度指数
D-碱度指数
表2.1-1 A、B、C、D系数换算表
总溶解固体 Mg/L | A | 温度 ℃ | B | 钙硬度或 M-碱度以 （CaCO3计） mg/L | C或D | 钙硬度或 M-碱度以 N-（CaCO3计）mg/L | C或D |
45 60 80 105 140 175 220 275 340 420 520 640 800 1000 1250 1650 2200 3100 ≥4000 ≥13000 | 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 | 0 2 4 6 8 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 | 2.60 2.54 2.49 2.44 2.39 2.34 2.21 2.09 1.98 1.88 1.79 1.71 1.63 1.55 1.48 1.40 1.33 1.27 1.16 | 10 12 14 16 18 20 25 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 120 | 1.00 1.08 1.15 1.20 1.26 1.30 1.40 1.48 1.54 1.60 1.65 1.70 1.74 1.78 1.81 1.85 1.88 1.90 1.93 1.95 1.98 2.00 2.02 2.04 2.08 | 130 140 150 160 170 180 190 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 | 2.11 2.15 2.18 2.20 2.23 2.26 2.28 2.30 2.40 2.48 2.54 2.60 2.65 2.70 2.74 2.78 2.81 2.85 2.88 2.90 2.93 2.95 |
2.1.2循环水不同浓缩倍率下水质稳定控制指标分析
以钟山项目为例，根据本项目生产生活水源自来水水质检测结果（详表1.2-1），计算循环水不同浓缩倍率下水质稳定控制指标如下：
冷却水浓缩倍率 | 朗格利尔饱和指数LSI | 雷兹纳稳定指数RSI |
3.5 | 1.615 | 5.62 |
4 | 1.815 | 5.42 |
4.5 | 1.885 | 5.35 |
4.7 | 1.935 | 5.3 |
5 | 1.975 | 5.26 |
LSI判断指标：
LSI>0：水中溶解的CaCO3量超过饱和值，产生CaCO3沉淀，产生结垢；
LSI<0：水中溶解的CaCO3量低于饱和值，溶解固相CaCO33，产生腐蚀；
LSI=0：水中溶解的CaCO3量与固相CaCO3处于平衡状态，不腐蚀不结垢。
RSI判断指标：RSI<6 结垢：RSI=6 不腐蚀不结垢；RSI>6 腐蚀。
2.1.3循环水浓缩倍率确定
表2.1-2循环水浓缩倍率确定
名称 | 钙硬度(mg/L) | 碱度(mg/L) | 氯化物(mg/L) | GB/T50050-2017理论上浓缩倍率 | 循环水加药剂处理水质腐蚀性和结垢性稳定控制下的浓缩倍率 | ||
以CaCO3计 | 以CaCO3计 | 钙硬度+碱度≤1100 mg/L | LS I指数 | RSI | 建议浓缩倍率 | ||
钟山项目市政自来水 | 150 | 157 | 26 | 3.58 | 1.935 | 5.3 | 4.7 |
全州项目湘江水 | 98.5 | 102 | 26 | 5 | 2.43 | 3.94 | 5 |
结合本规范的第3.1.10条说明“间冷开式系统与直冷系统的钙硬度与全碱度之和大于1100mg/L(以CaC03计)或稳定指数RSI小于3.3 时，应加硫酸或进行软化处理。”，本项目的RSI值大于3.3,可不设置加酸系统。由于RSI值小于6，有结垢倾向，因此需要采取投加缓蚀阻垢剂的方式来防止循环水系统结垢。
根据盐平衡分析，当浓缩倍率取3~5时，按朗格利尔饱和指数LSI和雷兹纳稳定指数RSI判断指标，理论上水质存在轻微结垢倾向；采取循环水加酸及投加缓蚀阻垢剂的方式来保证循环水不结垢。通过计算冷却水不同浓缩倍率3~5时，对比表3-2各项经济性指标，得知浓缩倍率越高，用水量与冷却水排水量均更少。GB/T50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》针对工业领域循环冷却水处理设计，重点突出了节水、节能和保护环境。规范要求间冷开式系统的设计浓缩倍率不宜＜5.0，且不应＜3.0。
结合垃圾焚烧发电项目运营实际经验及经济性，综合考虑建议钟山项目冷却水浓缩倍率取4.7，全州项目冷却水浓缩倍率取5。钟山及全州项目均采取循环水加酸及投加缓蚀阻垢剂的方式来保证循环水不结垢。年平均及夏季均有少量循环水外排市政污水管网。
2.2不同浓缩倍率耗水指标对比
2.2.1不同浓缩倍率经济性分析
根据本项目规模及条件，以钟山项目为例，计算冷却水不同浓缩倍率下对应的各项经济性指标如下：
表2.2-1钟山项目不同浓缩倍率全厂水务各项经济性指标对比
项目 | 方案一 | 方案二 | 方案三 | 方案四 | 方案五 | ||||||
名称 | 单位 | 年平均日 | 夏季最大日 | 年平均日 | 夏季最大日 | 年平均日 | 夏季最大日 | 年平均日 | 夏季最大日 | 年平均日 | 夏季最大日 |
冷却水浓缩倍率N | 3.5 | 3.5 | 4.0 | 3.9 | 4.6 | 4.5 | 4.68 | 4.7 | 5.1 | 5.0 | |
冷却塔蒸发水损失 | m3/d | 597.1 | 679.5 | 597.1 | 679.5 | 597.1 | 679.5 | 597.1 | 679.5 | 597.1 | 679.5 |
冷却塔风吹水损失 | m3/d | 50.6 | 58.1 | 50.6 | 58.1 | 50.6 | 58.1 | 50.6 | 58.1 | 50.6 | 58.1 |
循环冷却水二次利用 | m3/d | 61.8 | 57.8 | 61.8 | 57.8 | 61.8 | 57.8 | 61.8 | 57.8 | 61.8 | 57.8 |
冷却塔排污水 | m3/d | 130 | 160 | 85 | 115 | 55 | 80 | 50 | 70 | 35 | 55 |
厂内回用水量 | m3/d | 123.6 | 139. | 123.6 | 139.6 | 123.6 | 139.6 | 123.6 | 139.6 | 123.6 | 139.6 |
冷却塔补水量 | m3/d | 715.9 | 815.8 | 670.9 | 770.8 | 640.9 | 735.8 | 635.9 | 725.8 | 620.9 | 710.8 |
除盐水/渗沥液系统用水 | m3/d | 113 | 115 | 113 | 115 | 113 | 115 | 113 | 115 | 113 | 115 |
未预见水量 | m3/d | 84 | 94 | 80 | 90 | 77 | 86 | 76 | 85 | 75 | 84 |
生产用水量 | m3/d | 913 | 1025 | 863 | 976 | 830 | 937 | 825 | 926 | 808 | 910 |
生活用水 | m3/d | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
汽机 | MW | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
垃圾处理量 | T/d | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
生产生活用水量 | m3/d | 925 | 1037 | 875 | 988 | 842 | 949 | 837 | 938 | 820 | 922 |
处理每吨垃圾耗水量 | m3/吨 | 1.85 | 2.07 | 1.75 | 1.98 | 1.68 | 1.90 | 1.67 | 1.88 | 1.64 | 1.84 |
单位发电量取水量 | m3/(MW.h) | 3.21 | 3.60 | 3.04 | 3.43 | 2.93 | 3.30 | 2.91 | 3.26 | 2.85 | 3.20 |
发电装机耗水指标 | m3/s.GW | 0.89 | 1.00 | 0.84 | 0.95 | 0.81 | 0.92 | 0.81 | 0.90 | 0.79 | 0.89 |
年总用水量 | m3/a | 308330.0 | 291830.0 | 280830.0 | 278996.7 | 273496.7 | |||||
年总冷却水排水量 | m3/a | 43333.3 | 28333.3 | 18333.3 | 16666.7 | 11666.7 | |||||
2.3冷却塔补水水质和水量比较分析
钟山项目冷却水浓缩倍率4.7时，全州项目冷却水浓缩倍率5时，冷却塔补水最终水质指标见下表3-3（水量按夏季最大日设计工况，入厂垃圾渗沥液产生率为22%条件下）：
表3-3冷却塔补水水质和水量比较分析
项目 | 名称 | 钙硬度(mg/L) | 碱度(mg/L) | 氯化物(mg/L) | 水量（m3/d） | 备注 |
以CaCO3计 | 以CaCO3计 | |||||
钟山项目 | 市政自来水 | 150 | 157 | 26 | 751.2 | |
化水浓水及定连排污水 | 428.5 | 448.6 | 78 | 50.6 | ||
渗沥液处理系统产水 | 50 | 50 | 250 | 89 | 采用化软工艺 | |
平均浓度 | 136.75 | 153.25 | 50.41 | 924.2 | ||
全州项目 | 市政自来水 | 98.5 | 102 | 26 | 824.14 | |
化水浓水及定连排污水 | 257.2 | 229.8 | 8.87 | 59 | ||
渗沥液处理系统产水 | 50 | 50 | 250 | 100.84 | 采用化软工艺 | |
平均浓度 | 103.05 | 104.33 | 47.16 | 983.98 |
注：渗沥液处理工艺采用化软，渗沥液RO出水碱度硬度相比传统纳滤工艺有显著降低，根据经验实际运行数据，化软出水中碱度和硬度均在200mg/L（以碳酸钙计）以下，本设计RO出水碱度和硬度暂按50mg/L（以碳酸钙计）取值。
2.4循环水系统耗水比较损失
循环冷却水浓缩倍率为4.7时，循环水系统耗水计算如下：
表2-5循环冷却水排污水量表
序号 | 项目 | 夏季最大日 | 年平均最大日 |
钟山项目 | 循环水量（m3/d） | 58134 | 50550 |
风吹损失（m3/d） | 58.1 | 50.6 | |
排污损失（m3/d） | 70 | 50 | |
蒸发损失（m3/d） | 679.5 | 597.1 | |
循环冷却水直接二次利用消耗量（m3/d） | 57.8 | 61.8 | |
回用水补水量（m3/d） | 139.6 | 123.6 | |
冷却塔补水总量（m3/d） | 725.8 | 635.9 | |
浓缩倍率 | 4.7 | 4.7 | |
排污损失率（%） （含消耗量） | 0.23 | 0.22 | |
风吹损失（%） | 0.1 | 0.1 | |
蒸发损失率（%） | 1.17 | 1.18 | |
全州项目 | 循环水量（m3/d） | 67884 | 60588 |
风吹损失（m3/d） | 67.9 | 60.6 | |
排污损失（m3/d） | 57.5 | 75 | |
蒸发损失（m3/d） | 762 | 787 | |
循环冷却水直接二次利用消耗量（m3/d） | 65.1 | 61.38 | |
回用水补水量（m3/d） | 172.7 | 159.94 | |
冷却塔补水总量（m3/d） | 952.5 | 983.98 | |
浓缩倍率 | 5.00 | 5.00 | |
排污损失率（%） （含消耗量） | 0.181 | 0.225 | |
风吹损失（%） | 0.1 | 0.1 | |
蒸发损失率（%） | 1.123 | 1.299 |
3.结语
从以上论述来看，在垃圾焚烧发电项目循环水加酸加药处理起着极大的作用，这是因为直接使用自然水的话（即便是自来水，也会存在水质硬度偏大情况），其中包含的有害物质就会使电厂内的设备受损，不利于电厂生产安全，所以，引进循环水处理系统不但可以提升生产水质，对于水质硬度大的原水，采取化学处理后，提高冷却水浓缩倍率，节水效果明显，而且能够提高垃圾焚烧发电厂的经济效益。垃圾焚烧发电项目运营中，定时检测循环水水质根据PH,电导率，碱度，硬度等指标，科学指导加酸、加药等水处理措施以及循环水排污量，对垃圾焚烧发电项目运营节水、增加经济效益有重要作用。
参考文献
[1]机械通风冷却塔工艺设计规范 GBT 50392-2016
[2]周岚. 浅谈火力发电厂密闭式循环冷却水系统的应用和设计[J]. 山东工业技术,2015(2):212-212.
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