用于循环冷却水系统的化学药剂耦合电化学处理装置的制作方法

1.本发明涉及循环冷却水处理领域，特别涉及一种适用于大型循环冷却水系统的化学药剂耦合电化学处理装置及方法。


背景技术：

2.循环冷却水是工业用水大项，在电力、钢铁、石油化工、冶金等行业，其用量约占企业总用水量的70％以上。循环冷却水在运行中不断地蒸发浓缩，水质也随之恶化，从而造成结垢、腐蚀、微生物滋生等一系列问题。因此，要保障冷却设备和系统的安全稳定运行，就必须对循环冷却水的品质进行合理控制。
3.目前，循环冷却水的防垢处理工艺，主要有阻垢分散处理、加酸处理、石灰处理、电化学处理等。阻垢分散处理成本低，但控制循环冷却水结垢的能力有限，一般的阻垢缓蚀剂仅能将8～10mmol/l的碳酸盐硬度处于稳定状态，而以城市中水为代表的补充水，碳酸盐硬度普遍在3mmol/l以上，循环水的浓缩倍率仅能维持在3.0。加酸处理可以降低循环水的碱度，但无法降低循环水中的钙硬，且受循环水腐蚀性阴离子浓度条件制约，如gb/t 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》规定循环水氯离子含量应低于700mg/l，硫酸根与氯离子之和应低于2500mg/l，若循环冷却水采用氯系杀菌剂，则制约更大。石灰处理可以降低循环水碱度，但对钙硬的去除率较低，且软化效果不稳定，容易造成出水浊度升高。电化学处理普遍依赖于结垢物质在电极上的沉积量，未加阻垢缓蚀剂时，电化学处理对循环水结垢因子的去除量普遍在25g
·
m-2
·
h-1
(以caco3计)，若存在阻垢缓蚀剂，去除量会更低，以2
×
600mw机组为例，循环水的浓缩倍率为6.0，循环水系统的补水量约为1200吨/小时，补充水的碳酸盐硬度为3mmol/l，循环水控制碳酸盐硬度为4.8mmol/l，那么补充水的结垢因子的带入量约为360kg/h，则电化学处理的阴极电极面积至少在10000m2以上，又因阴极的再生方法普遍采用机械刮除法，进一步限制了单套设备所能容纳的电极面积，投资巨大，因此适用于小型循环冷却水系统。微生物控制采用投加氧化型或非氧化性杀菌灭藻剂，易出现杀菌效果不佳或投加量过量。在废水零排放及水源水质恶化的背景下，以火电机组为代表的大型循环冷却水系统需要超高浓缩倍率(6倍以上)下运行，上述技术缺陷愈发突出。
4.因此，亟需一种适用于大型循环冷却水系统的水处理装置及方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供用于循环冷却水系统的化学药剂耦合电化学处理装置，可有效解决大型循环冷却水系统循环冷却水软化的问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种用于循环冷却水系统的化学药剂耦合电化学处理装置，包括塔池、冷却塔、凝汽器和澄清池，该化学药剂耦合电化学处理装置还包括电化学处理装置和阻垢缓蚀剂加药装置；
8.所述电化学处理装置包括电解缸体和缓冲水池，电解缸体的下部设置有与其内腔
相连的进水管，电解缸体内设置有多个由泡沫钛制成的析氯电极，分别作为电化学处理装置的阳极和阴极，阳极通过导线与电源的正极相连，阴极通过导线与电源的负极相连，电解缸体的顶部设置有与其内腔相连通的大颗粒晶体破碎管，大颗粒晶体破碎管的出口位于缓冲水池(8)的正上方，缓冲水池的下部设置有出水管；
9.所述阻垢缓蚀剂加药装置包括四个药箱，分别放置有机膦类阻垢剂单体氨基三亚甲基膦酸(atmp)、分散类阻垢剂单体马来酸-丙烯酸共聚物(ma/aa)、分散类阻垢剂单体丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物(aa/amps)、分散类阻垢剂单体聚天冬氨酸钠(pasp)；四个药箱分别经四个加药管路与管道混合器的进口相连，四个加药管路上均设置有加药泵，管道混合器的出口与塔池的进水口相连，塔池上方分别设置有出水口位于其正上方的补充水管路，补充水管路上依次设置有用于监测循环水补充水碱度的碱度在线监测仪和用于监测循环水补充水钙硬的钙硬在线监测仪，从而可以得到补充水的钙碱比。
10.优选的，所述塔池设置在冷却塔的底端，冷却塔上部的出水口与凝汽器的进水口相连，凝汽器的出水口接循环水泵的出水口，循环水泵的进水口分别接旁路处理水泵的进水口和塔池的出水口，旁路处理水泵的出水口与所述电解缸体的进水管相连，所述缓冲水池的出水管与澄清池的进水口相连，澄清池的出水口与塔池的进水口相连。
11.优选的，所述进水管出口与析氯电极之间的电解缸体内腔设置有覆盖其整个断面的布水板，布水板上设置有均布的多个上下管体的布水孔。
12.优选的，所述析氯电极呈柱状，各个析氯电极呈竖向相间平行布置在电解缸体内。
13.优选的，所述电源由两个，均为直流电源，分别为第一电源和第二电源，一半析氯电极通过导线与第一电源的正极和第二电源的负极端相连作为第一电极，另一半析氯电极通过导线与第一电源的负极和第二电源的正极端相连作为第二电极，第一电极和第二电极的析氯电极成交替相邻设置
14.优选的，所述析氯电极正下方的电解缸体内设置有出气口朝向析氯电极的第一曝气管，缓冲水池底部设置有出气口朝上的第二曝气管，缓冲水池的侧壁上设置有出气口朝向缓冲水池中心的第三曝气管，第一曝气管、第二曝气管和第三曝气管的进气口均与压缩空气气源相连。
15.优选的，所述澄清池为机械搅拌澄清池，即澄清池内设置有搅拌机构，机械搅拌澄清池利用机械搅拌机的提升作用来完成泥渣回流和接触絮凝，将颗粒状沉淀物吸附、拦截，实现对循环水的软化。
16.优选的，所述补充水管路有2条，分别为第一补充水管路和第二补充水管路，第一补充水管路和第二补充水管路上分别依次设置有碱度在线监测仪、钙硬在线监测仪和流量计。
17.本发明利用阻垢缓蚀剂对成垢离子的吸附分散和晶格畸变作用，显著提升循环冷却水碳酸盐硬度上限控制值，再通过循环水旁流电化学处理对成垢离子进行脱稳，使其形成微晶，悬浮于水中，由于不依赖于结垢物质在电极上的沉积量，使单位面积电极对成垢离子的去除率明显提高，最终通过机械搅拌澄清池的泥渣回流和接触絮凝，将微晶或颗粒状沉淀物吸附、拦截，实现对循环冷却水的软化，与现有技术相比，本法具有以下优点：
18.(1)采用阻垢缓蚀剂显著提升循环冷却水系统的碳酸盐硬度控制上限，同时兼容循环水电化学处理。
19.(2)不依赖于结垢物质在电极上的沉积量，使单位面积电极对成垢离子的去除率明显提高。
20.(3)电化学处理装置的电极采用三维网格结构的钌系涂层钛电极，相较于二维平板电极，在电极体积接近的条件下，极大的增加了电解面积，同时降低了电极表面实际电流密度，缓解了阴极极化。
21.(4)电化学处理装置的电极再生方式采用周期性的倒极，相较于常规的刮除式的方式，极大的扩展了单套电化学处理装置所能容纳的电极面积。
22.(5)克服了传统阻垢缓蚀剂处理、电化学处理的技术缺陷，在以火电机组为代表的大型循环冷却水系统超高浓缩倍率运行中，技术优势明显，经济效益显著。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图。
24.图2为本发明电化学处理装置的结构示意图。
具体实施方式
25.以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
26.由图1-2给出，本发明一种用于循环冷却水系统的化学药剂耦合电化学处理装置，包括塔池、冷却塔、凝汽器和澄清池，该化学药剂耦合电化学处理装置还包括电化学处理装置和阻垢缓蚀剂加药装置；
27.所述电化学处理装置包括电解缸体1和缓冲水池8，电解缸体1的下部设置有与其内腔相连的进水管2，电解缸体1内设置有多个由泡沫钛制成的析氯电极5，分别作为电化学处理装置的阳极和阴极，阳极通过导线与电源的正极相连，阴极通过导线与电源的负极相连，电解缸体1的顶部设置有与其内腔相连通的大颗粒晶体破碎管7，大颗粒晶体破碎管7的出口位于缓冲水池8的正上方，缓冲水池8的下部设置有出水管9；
28.所述阻垢缓蚀剂加药装置包括四个药箱，分别放置有机膦类阻垢剂单体氨基三亚甲基膦酸(atmp)、分散类阻垢剂单体马来酸-丙烯酸共聚物(ma/aa)、分散类阻垢剂单体丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物(aa/amps)、分散类阻垢剂单体聚天冬氨酸钠(pasp)；四个药箱分别经四个加药管路与管道混合器的进口相连，四个加药管路上均设置有加药泵，管道混合器的出口与塔池的进水口相连，塔池上方分别设置有出水口位于其正上方的补充水管路，补充水管路上依次设置有用于监测循环水补充水碱度的碱度在线监测仪和用于监测循环水补充水钙硬的钙硬在线监测仪，从而可以得到补充水的钙碱比。
29.所述钙碱比为碱度与钙离子的摩尔浓度的比值、用jd/ca
2+
表示，通过钙碱比可以确定阻垢剂单体atmp、ma/aa、aa/amps、pasp在阻垢缓蚀剂中的组分含量，确定方法采用申请人在先申请的申请号为202110588957.2的一种以补充水钙碱比为基础调整循环水阻垢缓蚀剂配方的方法，所述钙碱比为碱度与钙离子的摩尔浓度的比值、用jd/ca
2+
表示；jd/ca
2+
与a、b、c、d的组分含量关系如下：
30.a＝0.128+0.264(jd/ca
2+
)-0.032(jd/ca
2+
)2；
31.b＝0.702-0.284(jd/ca
2+
)+0.043(jd/ca
2+
)
2-0.025/(jd/ca
2+
)-0.05/(jd/ca
2+
)2；
32.c＝0.337-0.257(jd/ca
2+
)+0.09(jd/ca
2+
)
2-0.011(jd/ca
2+
)3；
33.d＝0.483-0.168(jd/ca
2+
)+0.022(jd/ca
2+
)
2-0.35/(jd/ca
2+
)+0.121/(jd/ca
2+
)234.阻垢缓蚀剂由阻垢剂单体atmp、ma/aa、aa/amps、pasp组成，对应的组分含量记为a、b、c、d。上述药剂单体阻垢缓蚀效果优良，且在负硬水、暂硬水、永硬水中优良次序不同，因此复配出的阻垢缓蚀剂可适应多种水质类型。根据a、b、c、d的组分含量调整阻垢缓蚀剂加药装置中4个药箱的加药量，保证了水质与药剂高度匹配，使成垢离子反应形成难溶物微晶后，在吸附分散和晶格畸变的原理下结晶生长过程受到抑制，即便形成垢层，也极易破碎。
35.为保证使用效果，所述塔池设置在冷却塔的底端，冷却塔上部的出水口与凝汽器的进水口相连，凝汽器的出水口接循环水泵的出水口，循环水泵的进水口分别接旁路处理水泵的进水口和塔池的出水口，旁路处理水泵的出水口与所述电解缸体1的进水管2相连，所述缓冲水池8的出水管与澄清池的进水口相连，澄清池的出水口与塔池的进水口相连。
36.所述进水管2出口与析氯电极之间的电解缸体内腔设置有覆盖其整个断面的布水板3，布水板3上设置有均布的多个上下管体的布水孔31，布水孔也可通过在布水板上设置均布的布水帽来实现，布水帽中心开有上下贯通的布水孔；循环冷却水由进水管进入电化学处理装置，随后经过布水板上的布水孔，可以均匀进入平行布置的泡沫钛板。
37.所述析氯电极呈柱状，各个析氯电极呈竖向相间平行布置在电解缸体1内。
38.所述析氯电极采用泡沫钛制成，即钌系涂层钛电极，其物理结构为多孔的三维网格结构；采用三维网格结构的钌系涂层钛电极相较于二维平板电极，在电极体积接近的条件下，极大的增加了电解面积，同时降低了电极表面实际电流密度，缓解了阴极极化。
39.阳极反应：
40.cl-‑
2e-→
cl2↑
41.阴极反应：
42.2h2o+2e-→
h2↑
+2oh-43.阴极表面的水还原反应即析氢反应产生大量oh-，在其表面附近创造出一个高ph值的碱性区域，
44.ca
2+
、hco
3-等成垢离子传递到高ph区域内发生化学沉淀反应，生成沉淀物并在阴极表面结晶生长，进而形成沉积层。
[0045][0046][0047]
所述电源由两个，均为直流电源，分别为第一电源6a和第二电源6b，一半析氯电极通过导线与第一电源6a的正极和第二电源6b的负极端相连作为第一电极5a，另一半析氯电极通过导线与第一电源6a的负极和第二电源6b的正极端相连作为第二电极5b，第一电极5a和第二电极5b的析氯电极成交替相邻设置(一个第一电极、一个第二电极，交替设置)。
[0048]
电极的接电方式为单级式，运行中可切换直流电源，实现对析氯电极的倒极。析氯电极倒极时不会存在阳极溶解问题，因此周期性的倒极，可实现析氯电极上交替发生阴极、阳极反应。由于与水质高度匹配的阻垢缓蚀剂存在，成垢离子在阴极表面形成难溶物微晶后，难以长大，易于脱落。控制周期阴极反应时间，利用倒极后，阳极反应在电极表面形成的酸性区域及氯气，实现难溶物的脱离。
[0049]
所述析氯电极5正下方的电解缸体内设置有出气口朝向析氯电极的第一曝气管41，缓冲水池8底部设置有出气口朝上的第二曝气管42，缓冲水池8的侧壁上设置有出气口朝向缓冲水池中心的第三曝气管43，第一曝气管41、第二曝气管42和第三曝气管43的进气口均与压缩空气气源相连。
[0050]
压缩空气通过曝气管的出气口4a喷出大量气泡。
[0051]
第一曝气管41将大量气泡送入到析氯电极之间，加快其中离子的对流传质，并有效削弱扩散传质的影响。
[0052]
电解缸体内脱落的颗粒状沉淀物在水流及气流的推动下，进入大颗粒晶体破碎管，由于水流和气流的强烈扰动，颗粒状沉淀物中大颗粒得到破碎，普遍以悬浮态的小颗粒存在于水中，随后进入缓冲水池。缓冲水池的侧壁和底部设有曝气管，避免颗粒状沉淀物的沉降，最后颗粒状沉淀物随水流进入出水管。
[0053]
所述澄清池为机械搅拌澄清池，即澄清池内设置有搅拌机构(电机和叶片即可实现)，机械搅拌澄清池利用机械搅拌机的提升作用来完成泥渣回流和接触絮凝，将颗粒状沉淀物吸附、拦截，实现对循环水的软化。
[0054]
所述补充水管路有2条，分别为第一补充水管路10a和第二补充水管路10b，第一补充水管路10a补充补充水1，第二补充水管路10b补充补充水2，第一补充水管路10a和第二补充水管路10b上分别依次设置有碱度在线监测仪、钙硬在线监测仪和流量计。
[0055]
使用时，包括以下步骤：
[0056]
(1)第一补充水管路10a和第二补充水管路10b上分别依次设置有碱度在线监测仪、钙硬在线监测仪和流量计，监测补充水1、补充水2的碱度、钙硬、流量，补充水1全碱度c
1,jd
、钙硬c
1,ca
、补水量q1；补充水2全碱度c
2,jd
、钙硬c
2,ca
、补水量q2。
[0057]
(2)计算混合水水质：
[0058]
混合水全碱度：
[0059]
钙硬：
[0060]
计算混合水的钙碱比(jd/ca
2+
)：
[0061]
确定阻垢剂单体atmp(组分a)、ma/aa(组分b)、aa/amps(组分c)、pasp(组分d)在阻垢缓蚀剂中的组分含量，jd/ca
2+
与a、b、c、d的组分含量关系如下：
[0062]
a＝0.128+0.264(jd/ca
2+
)-0.032(jd/ca
2+
)2；
[0063]
b＝0.702-0.284(jd/ca
2+
)+0.043(jd/ca
2+
)
2-0.025/(jd/ca
2+
)-0.05/(jd/ca
2+
)2；
[0064]
c＝0.337-0.257(jd/ca
2+
)+0.09(jd/ca
2+
)
2-0.011(jd/ca
2+
)3；
[0065]
d＝0.483-0.168(jd/ca
2+
)+0.022(jd/ca
2+
)
2-0.35/(jd/ca
2+
)+0.121/(jd/ca
2+
)2[0066]
若阻垢缓蚀剂的加药量为αmg/l，那么阻垢剂单体atmp加药量为aαmg/l，ma/aa加药量为bαmg/l，aa/amps加药量为cαmg/l，pasp加药量为dαmg/l，进而调整阻垢缓蚀剂加药装置中4个药箱的加药量，保证了水质与药剂高度匹配。
[0067]
(3)参照hg/t 2160-2008《冷却水动态模拟试验方法》，进行循环冷却水动态模拟
试验，得到循环水系统碱度控制上限c
循,jd
，钙硬控制值上限c
循,ca
。
[0068]
(4)根据循环水浓缩倍率控制值、离子守恒及电化学处理装置的去除效率，确定旁流处理水量。循环水的浓缩倍率控制值为k，循环水系统的补水量约为q
补
，电化学处理装置对碱度的脱稳效率为η1，对钙硬的脱稳效率为η2，旁流处理水量q
旁
为
[0069]
或取两者最大值。
[0070]
(5)部分循环水旁流由进水管进入电化学处理装置，随后经过布水板，均匀进入平行布置的析氯电极；
[0071]
析氯电极通过导线与第一电源的正极端和第二电源负极端相连，或与第一电源的的负极段和第二电源的正极端相连。第一电源为电极供电后，阴极表面将会发生水还原反应即析氢反应产生大量oh-，在其表面附近创造出一个高ph值的碱性区域。ca
2+
、hco
3-等成垢离子传递到高ph区域内发生化学沉淀反应，生成沉淀物并在阴极表面结晶生长，进而形成沉积层。阳极表面将会出现析氯反应，生成活性氯，抑制循环水中微生物滋生。
[0072]
第一电源运行1h后，阴极电极表面布满了碎颗粒状沉淀物，随后切换至第二电源运行，此时阴极、阳极置换，电极表面碎颗粒状沉淀物瞬间脱落。第二电源运行1h后，再切换至第一电源，电化学处理装置完成一个运行周期。ca
2+
、hco
3-等成垢离子反应生成颗粒状沉淀物，后随水流进入机械加速搅拌澄清池。
[0073]
(6)机械加速搅拌澄清池利用机械搅拌机的提升作用来完成泥渣回流和接触絮凝，将颗粒状沉淀物吸附、拦截，实现对循环水的软化。
[0074]
(7)软化、澄清后的循环水返回循环冷却水系统(塔池)。
[0075]
下面结合一个具体应用例对本发明做进一步说明。
[0076]
某电厂2
×
600mw机组，一套循环水系统的水容积约为2.0～2.3万吨，循环水量约为5.5万吨/小时，蒸发量约为循环水量的1.8％，循环水的浓缩倍率为6.0，循环水系统的补水量约为1200吨/小时，循环水系统有两路补充水源，分别为补充水1、补充水2。
[0077]
(1)补充水1、补充水2管路上设有碱度在线监测仪、钙硬在线监测仪、流量计，监测补充水1、补充水2的碱度、钙硬、流量。补充水1全碱度c
1,jd
为2.76mmol/l、钙硬c
1,ca
为0.98mmol/l，补水量q1为600吨/小时。补充水2全碱度c
2,jd
为2.15mmol/l、钙硬c
2,ca
为3.50mmol/l，补水量q2为600吨/小时。
[0078]
(2)计算可得补充水混合后，全碱度c
0,jd
为
[0079][0080]
钙硬c
0,ca
为
[0081][0082]
计算混合水的钙碱比(jd/ca
2+
)
[0083]
[0084]
确定阻垢剂单体atmp(组分a)、ma/aa(组分b)、aa/amps(组分c)、pasp(组分d)在阻垢缓蚀剂中的组分含量，jd/ca
2+
与a、b、c、d的组分含量关系如下：
[0085]
a＝0.128+0.264(jd/ca
2+
)-0.032(jd/ca
2+
)2＝0.38；
[0086]
b＝0.702-0.284(jd/ca
2+
)+0.043(jd/ca
2+
)
2-0.025/(jd/ca
2+
)-0.05/(jd/ca
2+
)2＝0.38；
[0087]
c＝0.337-0.257(jd/ca
2+
)+0.09(jd/ca
2+
)
2-0.011(jd/ca
2+
)3＝0.15；
[0088]
d＝0.483-0.168(jd/ca
2+
)+0.022(jd/ca
2+
)
2-0.35/(jd/ca
2+
)+0.121/(jd/ca
2+
)2＝0.11
[0089]
进而得到阻垢缓蚀剂中组分a、b、c、d含量分别为0.38、0.38、0.15、0.11。
[0090]
(3)参照hg/t 2160-2008《冷却水动态模拟试验方法》，进行循环冷却水动态模拟试验，得到循环水系统碱度控制上限c
循,jd
为9.5mmol/l，钙硬控制值上限c
循,ca
为8.2mmol/l。
[0091]
(4)计算旁流处理水量q
旁
。循环水的浓缩倍率k控制值为6.0，循环水系统的补水量q
补
为1200吨/小时，电化学处理装置对碱度的脱稳效率η1为75％，对钙硬的脱稳效率η2为70％，旁流处理水量q
旁
为：
[0092][0093]
或
[0094][0095]q旁
取两者最大值182吨/小时。
[0096]
(5)部分循环水旁流进入电化学处理装置，ca
2+
、hco
3-等成垢离子反应生成颗粒状沉淀物，后随水流进入机械加速搅拌澄清池。
[0097]
(6)机械加速搅拌澄清池利用机械搅拌机的提升作用来完成泥渣回流和接触絮凝，将颗粒状沉淀物吸附、拦截，实现对循环水的软化。
[0098]
(7)软化、澄清后的循环水返回循环冷却水系统。
[0099]
结合本应用例，通过与传统方法比较，对本发明的效果进行进一步说明，结果如下表所示：
[0100]