关于热电厂冷却水电化学处理的试点规模研究：碱度去除、腐蚀抑制及杀菌效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pilot-scale study on electrochemical treatment for cooling water in thermal power plants: Alkalinity removal, corrosion inhibition, and bactericidal effects

集成电化学系统（LVEDS+HVEOPS）在内蒙古某电厂实现45天连续运行，处理量2m3/h，碱度去除率达72.38%-77.49%，腐蚀率<0.001mm/a，浓缩倍数提升至6.0，综合能耗0.2kWh/t，验证了无化学药剂的高效环保工业应用潜力。

　　

刘淑丽|李琪|侯鹏成|赵宝华|胡彦云|赵斌|陈婷婷|陈黎明|陈玉茹

华北水利水电大学生态与环境学院，中国郑州450000

摘要

循环冷却水（CCW）系统中的结垢、腐蚀和微生物生长会阻碍工业生产率。尽管电化学方法因其环保高效和低能耗而受到青睐，但其实际应用仍受到水质不稳定和效果不佳的挑战。本文开发了一种新型集成电化学系统，该系统结合了低压电解除垢系统（LVEDS）和高压静电氧化极化系统（HVEOPS），实现了同时高效去除碱度（以控制结垢）、抑制腐蚀和杀菌。该系统在内蒙古自治区的一家热电厂连续运行了45天，处理能力为2立方米/小时。该试点系统实现了完全无化学药剂的操作，保持了高达6.0的浓度比，综合能耗约为0.2千瓦时/吨。具体而言，LVEDS和HVEOPS的平均碱度去除率分别为72.38%和77.49%，平均电导率降低率分别为13.85%和14.10%。不锈钢的腐蚀率控制在约0.001毫米/年，运行过程中未观察到生物膜的形成。这些结果表明，这种集成电化学工艺作为CCW处理的替代方案具有潜力。

引言

热力发电仍然是中国主要的电力生产方式。根据国家能源管理局2024年发布的全国电力行业统计数据，热力发电占全国总装机容量的43.14%[1]。热电厂在发电过程中需要大量淡水，其中循环冷却水（CCW）系统是最大的用水大户，占总工业用水量的60%以上[2][3]。为了应对新的环境法规，包括“水污染防治计划”和“热电厂污染防治技术指南”，减少CCW的消耗对于实现热电厂零排放的国家政策至关重要[4]。浓度比是指CCW中的总溶解固体与补充水中的总溶解固体的比例，是评估水回用效率和系统稳定性的关键指标[5]。提高CCW浓度比对于节约用水至关重要[6]。Rahmani的研究表明，将CCW浓度比从6.5提高到9可以减少热电厂每年1.1×10^6立方米的用水量[5]。由于中国普遍使用再生水作为CCW[7][8]，浓度比的提高会导致结垢离子、盐度和有机物的增加，从而引发结垢、腐蚀、污染和堵塞。污染会降低系统的热交换效率，阻塞管道，加快设备腐蚀和磨损，甚至可能增加管道爆炸的风险，而腐蚀还会进一步导致管道堵塞和泄漏，造成严重的经济损失[9][10][11][12]。由结垢和细菌或藻类生长引起的污染和堵塞会降低CCW系统的热传递效率并增加能耗[13]。因此，为了确保系统的安全稳定运行，中国热电厂的CCW浓度比通常保持在2到3之间[6]。

为了提高浓度比，通常使用化学药剂来抑制腐蚀、结垢和有害微生物的繁殖[12]。有机磷酸盐是最常用的结垢抑制剂；然而，它们主要是延缓沉淀过程，而不是从水中去除硬度离子[14]。此外，使用结垢抑制剂会向系统中引入磷，导致二次水污染[15]。如果添加大量的结垢和腐蚀抑制剂来提高浓度比，可能会因为它们在系统中的过度积累而阻碍CCW的两阶段软化过程[16]。此外，大量的化学药剂投入无疑也会增加热电厂的经济负担。另外，离子交换和反渗透也被广泛用于减轻CCW结垢[17]。然而，离子交换树脂在处理CCW后需要频繁再生，排放大量高盐度废水会加剧环境负担[18]。反渗透处理的效果依赖于膜，膜会随着时间的推移积累大量结垢，导致膜再生和更换的成本很高[19]。因此，开发新技术对于解决再生水处理中的挑战至关重要[20]。

近年来，电化学处理技术作为一种新兴方法，因其高效、环保、经济实惠和操作简便而受到学者们的广泛关注[21][22][23]。尽管这一领域取得了显著进展，但仍存在一个关键限制：现有的电化学工艺主要集中在缓解结垢上，未能充分解决腐蚀问题，从而限制了在实际运行条件下进一步提高CCW浓度比。具体来说，随着浓度比的增加，腐蚀性离子的积累加剧，对系统稳定性构成重大威胁。SO4^2-和Cl^-会加速钢筋混凝土的腐蚀，降低其耐久性和承载能力[24][25][26][27]。此外，Cl^-还会增加点蚀的风险[29]。而且，大多数现有研究都是在实验室条件下进行的，这导致在大规模应用方面存在很大不确定性。缺乏全面有效的策略来应对实际应用中的CCW结垢和腐蚀问题，阻碍了CCW浓度比的显著提高。

为了解决现有工艺的局限性，研究团队开发了一种新型电化学处理系统。该系统能够同时实现电化学碱度去除（以抑制结垢）、氧化极化（以抑制腐蚀）和电解杀菌。此外，它还能提高CCW浓度比并实现无化学药剂处理。冷却塔池中的CCW被泵入低压电解除垢系统（LVEDS），通过低压电解去除碱度以抑制结垢。电解过程中产生的Cl2可以对CCW进行杀菌，处理后的水再返回冷却塔。高压静电氧化极化系统（HVEOPS）安装在冷却塔池附近，通过高压增加水分子的偶极矩来增强防腐和抗结垢效果。在内蒙古自治区的一家热电厂进行了该过程的试点规模现场研究。本文旨在根据实验数据评估该集成系统的性能。

测试地点

试点规模现场研究在内蒙古自治区的一家2×660兆瓦的热电厂进行。该大型热电厂采用了电化学方法处理CCW。进水的水质参数按照第2.4节描述的标准方法进行了分析，结果总结在表1中。

试点规模系统

试点系统包括LVEDS和HVEOPS两个单元，两者的设计处理能力均为2立方米/小时。

试点规模系统对CCW质量的影响

CCW系统通常是开放式的，其水质会随着季节和气候变化而显著波动。尽管电化学技术已广泛应用于CCW质量控制[13]，但在实际应用中仍存在水质不稳定和效果不佳等问题[42]。为了评估试点规模系统在CCW处理中的性能，研究团队在45天的运行期间持续监测了水质。

结论

本研究开发并连续运行了一个试点规模系统（处理能力为2立方米/小时），该系统集成了电化学脱碱、氧化极化（用于腐蚀控制）和电解消毒。在内蒙古自治区的一家热电厂进行了45天的连续运行，系统表现出优异的污染物去除和综合处理效果。具体而言，LVEDS和HVEOPS的平均碱度去除率分别为

CRediT作者贡献声明

胡彦云：数据验证。 陈婷婷：软件开发。 赵斌：数据验证。 陈玉茹：监督和资金获取。 陈黎明：数据可视化与监督。 赵宝华：资源协调。 侯鹏成：撰写、审稿与编辑。 李琪：初稿撰写。 刘淑丽：方法论设计与概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了高端外国专家引进计划（编号S20240110、HZGD2024024、G2022026015L）、河南省高等学校青年教师培训计划（编号2024GGJS064）、国家自然科学基金（编号51708214）和河南省重点推广项目（编号232102321060）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。