凝汽器循环冷却水系统污垢去除实验研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 3.31MB 58 页 15积分

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摘要

凝汽器是汽轮发电机组的重要设备之一。为了节约用水，目前我国电厂凝汽

器冷却方式常采用循环冷却。冷却水浓缩蒸发，水中杂质浓度变高，易导致凝汽

器循环冷却水系统结垢。结垢导致凝汽器整体传热性能下降，汽轮机排汽压力偏

高，降低机组发电效率。因此，凝汽器循环冷却水系统除垢对提高凝汽器传热性

能，节约发电能耗，减少废气排放，保护环境具有重要意义。

凝汽器冷却水系统常见污垢为无机污垢，例如，碳酸钙垢、金属氧化物等，

此种污垢一旦形成，很难将其去除，危害性较大。目前，常用除垢技术有胶球连

续清洗、高压水射流清洗、超声波除垢和化学清洗等。化学清洗以其清洗较彻底、

设备损害较小、成本低、易操作的优点常用于凝汽器的除垢。化学清洗废水需处

理合格后才能排放，目前对清洗废水处理的研究还不足。近年来，化学清洗越来

越多使用有机酸，特别是对锅炉、凝汽器等大型换热设备的除垢。有机酸清洗废

水中含有大量的残留有机酸和反应产物，更增大了清洗废水的处理难度。

本文研究内容分三个部分：第一部分是针对凝汽器中常见的无机污垢选择腐

蚀性较弱的有机酸清洗剂作为研究对象，并通过静态除垢实验对三种有机酸类清

洗剂的除垢性能对比分析，筛选出性能较好的清洗剂并优化其清洗工艺参数，结

果表明 GY 清洗剂与水的容积比为 1:20，清洗温度 20~40℃，清洗时间 1 h，除垢

率达 97%，对碳钢和不锈钢的腐蚀率为三种清洗剂中最低，且满足化学清洗对腐

蚀率的要求。第二部分是建立动态模拟除垢实验装置考察实际清洗效果，结果表

明实际清洗效果较好，除垢后清洗试件在其它工况固定不变，管程流速为 0.5 m/s、

0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s 时，传热系数分别提高 6.01%、6.98%、6.93%、9.04%。

第三部分是研究有机酸清洗废水中有机物的预处理方法，通过实验研究确定 Fenton

法和铁炭微电解法去除清洗废水中有机物的最佳工艺条件，并初步考察两种方法

组合对废水中有机物的去除效果。实验结果表明：Fenton 氧化法在 pH 值为 3，

m(H2O2):m(Fe2+)为16.6:1，H2O2的添加量 13.3 g/L，反应时间 80 min 时TOC 去除

率可达 72%；铁炭微电解法在初始 pH 为2，铁炭质量比 3:1，铁炭总添加量 50 g/L，

反应时间 90 min 时，其 TOC 去除率达 42.2%；铁炭微电解/H2O2联合处理废水初

始pH 为2，添加铁炭总量为 50 g/L，质量比为 3:1，反应 90 min 后添加 9 g/L 的双

氧水，反应 80 min，经絮凝沉淀后 TOC 去除率可达 87%。

关键词：凝汽器污垢除垢化学清洗有机酸清洗废水

ABSTRACT

Turbine Condenser is the important equipment of the units operation. To save water,

China condenser often uses circulating cooling. Cooling water evaporation, the impurity

concentration becomes high, easily lead to fouling of condenser cooling water

circulation system. Condenser fouling lead to reducing heat transfer performance,

increasing pressure of steam turbine exhaust, reducing the efficiency of power

generation units. Thus，descaling is important to improve the heat transfer performance

of the condenser, save power consumption, reduce emissions and protect the

environment.

Condenser common soils are inorganic fouling, such as calcium carbonate scale,

metal oxides, once formed, is difficult to be removed, harmfulness. At present, the

common cleaning techniques include rubber ball continuous cleaning, high pressure

water jet cleaning, ultrasonic cleaning and chemical cleaning. The advantages of

chemical cleaning is more thorough cleaning, the smaller equipment damage, low cost,

easy to operate. Chemical cleaning waste water should be treated before discharge

eligibility and the research in this area is still inadequate. In recent years, more and more

organic acids are used in the chemical cleaning, especially for boiler, condenser and

other large heat transfer equipment cleaning.

The study consists of four parts: The first part is to change the organic cleaning

agent for the inorganic fouling, and to select better cleaning agent, then to optimize the

process parameters. The results show that GY cleaning agents and water volume ratio of

1:20, in the range of 20~40℃, in one hour, cleaning rate of 97%. The corrosion rate of

carbon steel and stainless steel accord the requirements of chemical cleaning. The

second part is establishing a simulation system to verify the cleaning effect. The results

show that the heat transfer coefficient is up to 6.01%, 6.98%, 6.93%, 9.04% when the

flow rate of the inner tube is 0.5 m/s, 0.7 m/s, 0.9 m/s, 1.1 m/s, and other working

conditions is fixed. The third part is the study of wastewater pretreatment method about

the organic cleaning waste. To find the optimum conditions to remove the organics of

washing wastewater by Fenton oxidation and Fe-C micro-electrolysis, And to study the

removal condition about the combination of the two methods. The results show that the

TOC in wastewater remove 72% when the reaction conditions are pH=3, m (H2O2): m

(Fe2+) of 16.6: 1, the amount of H2O2 of 13.3 g/L, reaction time of 80 min; The TOC in

wastewater remove 42.2% when the reaction conditions are pH=2, m (Fe): m (C) of 3: 1,

the amount of (Fe+C) of 50 g/L, reaction time of 90 min; When the reaction conditions

are pH=2, m (Fe): m (C) of 3: 1, the amount of (Fe+C) of 50 g/L, reaction time of 90

min, the amount of H2O2 of 9 g/L, reaction time of 80 min, TOC in wastewater remove

87%.

Key Words: condenser, fouling, scale removal, chemical cleaning,

organic acids, washing wastewater

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 课题背景和意义 .................................................................................................... 1

1.2 凝汽器循环冷却水系统污垢及除垢现状 ............................................................ 3

1.2.1 污垢类型及形成 ............................................................................................ 3

1.2.2 污垢对凝汽器运行的影响 ............................................................................ 5

1.2.3 除垢技术应用现状 ........................................................................................ 6

1.3 化学清洗废水处理工艺及现状 ............................................................................ 9

1.3.1 清洗废水特征及危害 .................................................................................... 9

1.3.2 清洗废水处理工艺 ...................................................................................... 10

1.4 课题研究内容 ...................................................................................................... 12

第二章材料和方法 ...................................................................................................... 13

2.1 实验材料和设备 .................................................................................................. 13

2.1.1 清洗剂 .......................................................................................................... 13

2.1.2 材料和试剂 .................................................................................................. 13

2.1.3 仪器设备 ...................................................................................................... 14

2.2 实验方法 .............................................................................................................. 14

2.2.1 静态除垢实验 .............................................................................................. 14

2.2.2 动态除垢实验 .............................................................................................. 16

2.2.3 清洗废水预处理实验 .................................................................................. 20

第三章清洗剂筛选和清洗工艺优化 .......................................................................... 22

3.1 清洗剂筛选 .......................................................................................................... 22

3.1.1 清洗剂初步选择 .......................................................................................... 22

3.1.2 清洗方式选择 .............................................................................................. 23

3.2 清洗工艺优化 ...................................................................................................... 23

3.2.1 清洗浓度的确定 .......................................................................................... 24

3.2.2 清洗温度的确定 .......................................................................................... 26

3.2.3 清洗流速的确定 .......................................................................................... 28

3.3 本章小结 .............................................................................................................. 29

第四章化学清洗影响因素分析与除垢效果评价 ...................................................... 30

4.1 化学清洗影响因素分析 ...................................................................................... 30

4.1.1 清洗过程中除垢速率的变化规律 .............................................................. 30

4.1.2 清洗剂浓度对除垢速率的影响 .................................................................. 31

4.1.3 清洗温度对除垢速率的影响 ...................................................................... 33

4.2 除垢效果评价 ...................................................................................................... 34

4.2.1 工况设计 ...................................................................................................... 34

4.2.2 除垢前后传热量对比 .................................................................................. 34

4.2.3 除垢前后传热系数对比 .............................................................................. 35

4.3 清洗过程监测 ...................................................................................................... 36

4.4 本章小结 .............................................................................................................. 36

第五章清洗废水预处理方法筛选与优化 .................................................................. 37

5.1 清洗废水预处理方法筛选 .................................................................................. 37

5.2 Fenton 试剂处理清洗废水中有机物方法优化 .................................................. 38

5.2.1 Fe2+浓度对氧化效果的影响 ........................................................................ 38

5.2.2 H2O2浓度对氧化效果的影响 ...................................................................... 39

5.2.3 H2O2和Fe2+投加量对氧化效果的影响 ...................................................... 40

5.2.4 初始 pH 值对氧化效果的影响 ................................................................... 40

5.2.5 反应时间对氧化效果的影响 ...................................................................... 41

5.3 铁炭微电解处理清洗废水中有机物方法优化 .................................................. 42

5.3.1 铁炭质量比对微电解处理效果的影响 ...................................................... 42

5.3.2 初始 pH 对微电解处理效果的影响 ........................................................... 43

5.3.3 铁炭总投加量对微电解处理效果的影响 .................................................. 44

5.3.4 反应时间对微电解处理效果的影响 .......................................................... 44

5.4 铁炭微电解/Fenton 协同去除废水中有机物 .................................................... 45

5.5 本章小结 .............................................................................................................. 46

第六章结论和展望 ...................................................................................................... 47

6.1 结论 ...................................................................................................................... 47

6.2 展望 ...................................................................................................................... 48

第一章绪论

1.1 课题背景和意义

污垢存在于我国大部分电厂凝汽器循环冷却水系统中。中国的电力系统 2000

年在锅炉和冷凝器污垢的总损失约 128 亿元，占国内生产总值的 0.15%，其中仅凝

汽器结垢造成的损失就高达 28.7 亿元[1]。目前，随着我国经济的发展，对能源的

消耗日益增大，电力行业成为节能环保产业重点关注行业。据报道，2012 年火电

厂全国平均供电煤耗为 325 g/(m2·h ) ，相比发达国家高出 20~30 g/(m2·h ) [2]。尤其

冷凝压力偏高 1~3 kPa，使发电煤耗增加 2.5~7.5 g/(kw·h)，严重影响机组的经济运

行[3]。

污垢的导热性极差，导致凝汽器的传热效率降低，真空下降，汽轮机排汽温

度上升，发电减少，发电能耗增加。潘逸琼[4]的研究表明，碳酸钙垢厚度在 0.015 mm

以上污垢热阻占总热阻的 50%，总传热系数约降低一半，可见污垢对凝汽器性能

的影响是不容忽视的。当污垢厚度增加到一定程度时还会缩小管内水流通面积，

增加流动阻力，使凝汽器蒸汽侧余热无法及时排出，从而抬高汽轮机排汽压力，

使凝汽器传热效率降低。张莉等[5]对某台 600 MW 发电机组的凝汽器污垢进行研究，

污垢厚度对凝汽器传热影响进行了定量分析，结果表明：凝汽器内污垢每增加 0.05

mm，清洁系数将减少 0.1，凝汽器压力升高 210 Pa，出口端差上升约 0.9℃。结垢

严重时还容易发生沉积物下腐蚀，给机组的安全经济运行带来很大的威胁。

根据凝汽器冷却水水源和冷却管材质，我国凝汽器结垢表现出以下特点：

(1)凝汽器冷却水水源一般取自地表水、地下水和海水[6,7]。研究表明，由于近

年来地表水受人为污染严重，水中浊度、有机物和细菌含量较高，导致近年来凝

汽器冷却水侧结垢现象时常发生；地下水中矿物质特别是钙镁离子含量高，采用

循环冷却方式的凝汽器系统水侧更易产生无机盐类结晶污垢；滨海电厂常用海水

冷却方式，海水含盐量高，平均为 35000 mg/L，对设备腐蚀性特别强，用作凝汽

器冷却水源时易腐蚀设备并产生微生物引起的黏泥污垢。

(2)凝汽器常用铜合金管、不锈钢管和钛管[8~10]。铜离子对微生物具有毒性，

铜合金管一般很少发生生物污垢，铜管抗污染能力较弱，当水质超过限制时会加

速对铜管的腐蚀，在换热面上形成铜锈；不锈钢管易发生化学腐蚀和微生物腐蚀，

金属表面的腐蚀，往往促使换热面污垢的沉积；钛管具有较好的耐蚀性能和抗污

染能力，钛管成本高，滨海电厂采用钛管较多，我国电厂凝汽器并未广泛采用。

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