【水处理】电化学技术在火电厂循环水系统中的应用研究- 大数跨境

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【水处理】电化学技术在火电厂循环水系统中的应用研究

全电技术协作服务中心

2026-03-11

导读：本文以火电厂循环冷却水系统为研究对象，分别研究了循环冷却水系统浓缩倍率不变、浓缩倍率提高两种工况下，电化学装置在循环冷却水系统中的处理效果及运行成本。

推荐单位及作者

国能神华九江发电有限责任公司

张丽新、毛秀虎、逯钰、徐佳奇、毛亮亮、边泽楠

西安热工研究院有限公司

秦静静

摘要:本文以火电厂循环冷却水系统为研究对象，分别研究了循环冷却水系统浓缩倍率不变、浓缩倍率提高两种工况下，电化学装置在循环冷却水系统中的处理效果及运行成本。研究结果表明，当循环冷却水系统浓缩倍率为4倍，使用电化学装置的循环冷却水系统总硬度、钙硬度、总碱度、浊度明显低于仅使用传统化学法处理的循环冷却水系统，阻垢剂投加量可减少50%，吨水能耗为0.029 kW·h；使用了电化学装置的循环冷却水系统浓缩倍率可以由4倍提高至6倍，循环水系统水质可以满足运行要求，阻垢剂投加量可减少30%，吨水能耗为0.020kW·h。

关键词:循环冷却水；除垢；电化学

引言

循环冷却水系统是火电厂的用水大户，其水量一般占全厂用水量的80%以上，很多电厂受制于补水水质、循环冷却水系统浓缩倍率较低，导致循环排污水水量较大，循环排污无法在厂内全部消纳，致使部分排污水外排，存在较大的环保风险。在确保循环冷却水系统安全稳定运行的前提下，尽可能提高循环冷却水系统浓缩倍率是火电厂实现深度节水、消除环保风险的关键所在。传统加药处理工艺提高循环冷却水系统浓缩倍率有限，近年来，越来越多的火电厂，将电化学技术应用在循环冷却水系统中用于提高浓缩倍率、缓解循环冷却水系统结垢风险。

电化学技术是向水中的电极板通入低压直流电，利用水和水中离子在低压电场中的化学和物理特性，引导水中成垢离子（Ca2+、Mg2+、HCO3-）“主动”在阴极附近结晶析出，从而去除水中的成垢离子，降低水中硬度，是一种主动阻垢技术。与传统的工艺相比，无使用化学药剂造成二次污染的问题、占地面积小、运行操作相对简单，因其具有绿色、环保等优势，电化学技术具有良好的发展前景。电化学技术作为一种新兴水处理技术，由于其除垢效率有限、稳定性较低、投资及运行成本较高，导致电化学技术在传统火力发电厂尚未大规模推广。本文通过理论分析和现场工业实验，对比了循环冷却水电化学技术与传统药剂处理的利弊，为电化学技术在火电厂循环冷却水系统中的推广应用提供了借鉴和参考。

电化学技术工作原理

目前关于电化学技术在循环冷却水系统中的研究主要集中在防垢、除垢、杀菌灭藻以及碳酸钙晶体形成过程的控制机理等几个部分。其中，关于电化学除垢机理主要是以“电解及伴随反应”理论为主，具体反应过程为：在低压直流电场的作用下，正负极板间水溶液的电解反应，在阴极表面产生OH-，OH-在阴极附近会形成一个碱性区域，可以增大水中CO2的溶解度，同时也会促进原溶液中的HCO3-生成CO32-，水中的Ca2+、Mg2+在电场作用下向阴极迁移富集，与阴极附近大量的CO32-、OH-反应结晶析出沉淀，反应如式（1）、（2）所示；与此同时，阳极区发生一系列氧化反应，反应如式（3）、（4）、（5）所示。由于水中一部分Cl-转化成氯气，同时产生过氧化氢等具有杀生效应的产物，因此电化学处理技术在理论上也同时具有杀菌灭藻的功能。

CO32-+Ca2+→CaCO3 （1）

2OH-+Mg2+→Mg(OH)2↓ （2）

2H2O-4e-→4H++O2↑ （3）

2Cl-→Cl2↑+2e- （4）

2H2O→2H++H2O2+2e- （5）

电化学技术在循环冷却水中一般采用旁流处理的安装方式，水中成垢离子在电化学处理装置阴极表面结晶析出，可通过机械刮垢法或倒电极等方法去除阴极表面的结垢物质，达到循环冷却水系统防垢的目的。倒极法脱垢的原理是将阳、阴极板接通反向电流，使原来的阳极变阴极、阴极变为阳极，倒极后的阳极（原阴极）发生氧化反应产生的气体可将极板上的积垢剥离下来，从而恢复极板电化学反应效率。

电化学技术在循环冷却水系统中的应用研究

2.1 循环冷却水系统基本概况

某电厂机组凝汽器换热管材质为TP304，循环冷却水系统补充水主要为地表水（经混凝澄清过滤处理后补充至循环冷却水系统），地表水水质年度变化较小，主要水质指标见表1。循环冷却水系统主要设计参数见表2。

2.2 循环冷却水系统电化学装置概况

某电厂#1机组循环冷却水系统未设置电化学处理装置，#2机组循环冷却水系统设置处理能力为2×400m3/h的电化学装置（处理水量占循环水量的比例约为1%，停留时间约为10min），电化学装置进水来自于淋水收集装置，来水自流进入电化学装置，电化学装置出水返回塔池。电化学装置阳极、阴极均采用板式极板，材料为钛板镀贵金属。采用倒极法去除阴极板上的积垢，倒极后极板上的积垢被剥离下来，沉积在电化学装置底部后排入滤渣槽，定期通过人工方式将滤渣槽内的渣垢送至脱硫制浆系统进行综合利用，#2机组电化学处理工艺流程见图1。

2.3 浓缩倍率不变工况下电化学装置去除效果分析

当机组运行负荷、循环冷却水系统补水水质、浓缩倍率（约为4倍）保持一致的情况下，分别对投运电化学装置（#1机组）与未投运电化学装置（#2机组）的循环冷却水系统总硬度、钙硬度、碱度、浊度等指标进行取样分析，两种工况下循环水系统水质变化趋势分别见图2～图3。从图2、图3（a）可以看出，当#1、#2机组循环冷却水系统浓缩倍率保持一致的情况下，#2机组循环冷却水系统总硬度、钙硬度、碱度明显低于#1机组。#1机组循环冷却水系统平均总硬度、钙硬度、碱度约为8.99mmol/L、6.79mmol/L、4.51mmol/L，#2机组循环冷却水系统平均总硬度、钙硬度、碱度约为8.05mmol/L、5.85mmol/L、3.69mmol/L。当循环冷却水系统浓缩倍率为4倍且保持一致时，电化学装置对循环冷却水系统总硬度、钙硬度、碱度的平均去除率分别为13.8%、10.5%、18.2%。

从图3（b）可以看出，投运电化学装置的循环冷却水系统浊度较低，#1机组循环冷却水浊度平均值约为12.4NTU，#2机组循环冷却水浊度平均值约为4.2NTU，平均去除率约为66.1%，可能是由于电化学除垢设备中的结垢物质对循环冷却水中的浊度有一定的拦截、过滤作用。

综合以上分析，当保持循环冷却水系统浓缩倍率不变的情况下，使用电化学装置可有效改善循环冷却水系统水质、降低结垢风险。

2.4 浓缩倍率提高工况下电化学装置去除效果分析

当机组运行负荷、循环冷却水系统补水水质保持一致的情况下，#1机组循环冷却水系统浓缩倍率控制在4倍左右、未设置电化学装置，#2机组循环冷却水系统浓缩倍率控制在6倍左右、设置电化学装置，对#1、#2机组循环冷却水系统总硬度、钙硬度、碱度、浊度等指标进行取样分析，两种工况下循环冷却水系统水质变化趋势分别见图4～图5。

从图4可以看出，当循环冷却水系统浓缩倍率提高时，投运电化学装置且浓缩倍率较高的#2机组循环冷却水系统总硬度、钙硬度均比未投运电化学装置且浓缩倍率较低的#1机组循环水系统略高。#1机组循环冷却水系统平均总硬度、钙硬度分别为8.93mmol/L、6.64mmol/L，#2机组循环冷却水平均总硬度、钙硬度分别为9.61mmol/L、6.90mmol/L；从图5（a）可以看出，#2机组循环冷却水系统碱度比 #1机组略高，但是均低于系统极限碳酸盐硬度7.0mmol/L，表明使用电化学装置可以使循环冷却水系统浓缩倍率提高，循环冷却水系统水质依然能够满足系统运行要求；从图5（b）可以看出，提高循环水系统浓缩倍率时，投运电化学除装置的循环水系统浊度均较低。

2.5 经济效益分析

1、药耗

当保持循环冷却水系统浓缩倍率（约为4倍）不变的情况下，其他参数都保持一致时，使用了电化学装置的循环冷却水系统阻垢剂投加量相比未使用电化学装置的循环冷却水系统阻垢剂加药量可以减少50%；当机组运行负荷、循环冷却水系统补水水质保持一致的情况下，循环冷却水浓缩倍率为6倍时且投运电化学装置的循环冷却水系统相比浓缩倍率为4倍且未投运电化学装置的循环冷却水系统阻垢剂加药量减少了30%。

2、能耗

当循环冷却水系统浓缩倍率为4倍时，电化学装置处理1吨水的耗电量约为0.029 kW·h；当循环冷却水系统浓缩倍率为6倍时，电化学装置处理1吨水的耗电量约为0.020kW·h，说明系统浓缩倍率越高，运行能耗越低。

3、综合经济分析

该电厂#2机组循环冷却水电化学除垢项目总投资约为800万元，该工程实施后，循环冷却水系统浓缩倍率可以由4倍提高至6倍，年总成本增加139.94万元、年新增收益171.15万元，年总收益约为31.21万元，经济效益明显，#2机组综合经济效益分析见表3（折旧年限取15年）。

2.6 其他

该电厂循环冷却水系统电化学装置已经投运2年半，可稳定保证循环冷却水系统浓缩倍率由4倍提高至6倍，但是在电化学装置倒极脱垢时，脱垢速度较慢且不彻底，定期需要人工清垢。

结束语

1、当进水水质、循环冷却水系统浓缩倍率保持一致时，使用电化学装置的循环冷却水系统总硬度、钙硬度、总碱度、浊度明显低于仅使用传统化学法处理的循环冷却水系统，实验期间，平均去除率分别为13.8%、10.5%、18.2%、66.1%，阻垢剂投加量可减少50%，吨水能耗为0.029 kW·h。

2、当进水水质一致时，使用电化学装置的循环冷却水系统浓缩倍率可以由4倍提高至6倍，循环水水质可以满足系统运行要求，阻垢剂投加量可减少30%，吨水能耗为0.020 kW·h，年总收益约为31.21万元，经济效益、环保效益明显。

3、倒极法电化学装置脱垢速度较慢、脱垢不彻底，定期需要人工清垢。

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文章来源：

2025年（第九届）

发电行业水处理技术研讨会