发电厂冷却水处理
发电厂冷却水处理第一节 发电厂冷却水系统1 冷却水系统及设备1.1 冷却水系统用水作冷却介质的系统称为冷却水系统冷却水系统可分为直流冷却水系统、开式循环冷却水系统、闭式循环冷却水系统三种，如表4-1所示表4-1 冷却水系统的分类冷却水系统类 型特 点备 注直流冷却水系统湿式冷却冷却水只利用一次采用人工和天然冷却池时，如冷却池容积与循环水量比大于100，可按直流系统对待开式循环冷却水系统湿式冷却冷却水经冷却设备冷却后重复利用闭式循环冷却水系统干式冷却利用空气冷却1.1.1 直流式冷却水系统直流式冷却水系统如图4-1所示此系统的冷却水直接从河、湖、海洋中抽取，一次通过凝汽器后，即排回天然水体，不循环使用此系统的特点是：用水量大；水质没有明显的变化由于此系统必需具备充足的水源，因此在我国长江以南地区及海滨电厂采用较多1.1.2 开式循环冷却水系统开式循环冷却水系统如图4-2所示该系统中、冷却水经循环水泵送入凝汽器，进行热交换，被加热的冷却水经冷却塔冷却后，流入冷却塔底部水池，再由循环水泵送入凝汽器循环使用此循环利用的冷却水则称循环冷却水此系统的特点是：有CO2散失和盐类浓缩，易产生结垢和腐蚀问题；水中有充足的溶解氧，有光照，再加上温度适宜，有利于微生物的孽生；由于冷却水在冷却塔内洗涤空气，会增加粘泥的生成。
图4-1 直流式冷却水系统1—凝汽器；2—河流；3—循环水泵 图4-2 开式循环冷却水系统1—凝汽器；2—冷却塔；3—循环水泵；PB—补充水；PZ—蒸发损失；PF—吹散及泄漏损失；PP—排污损失此系统较直流式系统的主要优点是节水，对一台 300MW的机组，循环水量按3.2×104t/h计，如果补充水量为2.5%，则每小时的耗水量仅800t，因此该系统在水资源短缺的我国北方地区被广泛采用随着今后水资源短缺现象越来越严重，我国将有更多的火电厂采用开式循环冷却水系统1.1.3 闭式循环冷却水系统闭式循环冷却水系统在火电厂有三种应用场合一是空冷系统冷却汽轮机的乏汽，如在严重缺水地区建设的空冷机组，多采用此系统，目前，我国大同第二电厂、丰镇电厂的海勒式间接空冷系统已投入运行，如图4-3所示哈蒙式间接空冷系统也已在太原第二热电厂投入运行如图4-4所示二是有些电厂将轴瓦冷却水等组成一个专门的闭式循环冷却系统 （亦称二次冷却系统）三是装有水内冷发电机的电厂，将内冷水也组成一个闭式循环冷却系统此系统的特点是：没有蒸发而引起的浓缩，补充水量少，一般都使用除盐水作为补充水图4-3 闭式循环冷却水系统（海勒间接空冷系统）1—汽轮机；2—混合式凝汽器；3—冷却塔；4—空冷元件；5—循环水泵图4-4 闭式循环冷却水系统（哈蒙间接空冷系统）1—汽轮机；2—凝汽器；3—冷却塔；4—空冷元件；5—循环水泵；6—凝结水泵1.2 凝汽器在火电厂循环冷却水系统中，其换热设备为凝汽器。
凝汽器是用水冷却汽轮机排汽的设备，在火电厂使用的主要是管式表面式凝汽器，如图4-5所示图4-5 管式表面式凝汽器结构简图1—蒸汽入口；2—冷却水管；3—管板；4—冷却水进水管；5—冷却水回流水室；6—冷却水出水管；7—凝结水集水箱（热井），8—空气冷却区；9—气气冷却区挡板；10—主凝结区；11—空气抽出口凝汽器由壳体、管板、管子等组成，冷却水在管内流动，蒸汽在管外被凝结成水凝汽器的壳体和管板一般为碳钢，管子为黄铜，不锈钢或钛管等材质管与管板的连接为胀接或焊接凝汽器传热性能的好坏，可由凝汽器的真空度和端差来判断1.2.1 凝汽器的真空度在正常运行时，凝汽器内会形成一定的真空度，其值一般为0.005MPa1.2.2 凝汽器的端差 汽轮机的排汽温度tp与凝汽器冷却水的出口温度t2之差，称为端差，用δt表示它与汽轮机排汽温度和冷却水温度之间有以下关系：tp= t1+Δt +δt （1-1）Δt = t2－t1式中t1——冷却水的进口温度，℃；t2——冷却水的出口温度，℃；正常运行条件下，端差一般为3～5℃如铜管内结垢或附着粘泥，端差甚至可上长升到20℃以上。
此外，汽轮机排汽量的增加和凝汽器中抽汽量的减小，冷却水流量的减少，都会使凝结水温度升高、端差上升或凝汽器内压力升高、真空度降低，影响机组的热经济性1.2.3 凝汽器的传热设凝汽器的排汽温度为tp，冷却水温度为tw，S为传热面积，K为总传热系数，则可用以下的基本方程式来表示凝汽器的传热过程： Q = KS（tp－tw）=KSΔtm （1-2）式中 Q——传热量，J/h；S——传热面积，m2；K——总传热系数，W/(m2·K)；Δtm——流体间温差的平均值，℃在上式中，传热量越大，冷却水的热负荷越高，也越容易发生水垢故障总传热系数K值愈高，则导热愈佳总传热系数可按下式求出 （1-3）式中 α1——蒸汽侧界膜传热系数，W/（m2·K）；α2——冷却水侧界膜传热系数，W/（m2·K）； λ1——管材的热导率，W/（m2·K）；λ2——附着物的热导率，W/（m2·K）；δ1——管壁厚度，m；δ2——附着物厚度，m在凝汽器的运行中，K值随结垢、腐蚀产物和粘泥附着的增长而减小。
总传热系数K的倒数称之为总污垢热阻，表示某换热器的污垢程度，亦称污垢系数，可由1-4式计算： （1-4）式中 γ——污垢系数，（m2·K）/W；KS——运行一定时间后的总传热系数，（m2·K）/W；K0——运行初期的设计总传热系数，（m2·K）/W；污垢系数还可根据污垢的热导率和厚度，按下式计算：式中 δ2 ——污垢厚度，m；λ2——附着物的热导率，W/（m·K）对开式循环冷却系统的年污垢热阻值，我国目前的控制标准是小于3.44×10-4（m2· K）/W，约相当于现场监测的3mg/（cm2·月）垢附着速度1.3 冷却设备冷却设备有喷淋冷却水池、机力通风冷却塔、自然通风冷却塔三种第一种多用于小容量的火力发电机组，第二种多在占地面积小的火电厂中使用目前应用最多的是自然通风冷却塔1.3.1 喷淋冷却水池喷淋冷却水池由水池和在冷却水池上面加装的喷水设备（喷水管道和喷嘴）组成，增加喷水设备的目的是为了增加水与空气的接触面积，便于散热喷淋冷却水池的缺点是占地面积大，冷却效果差，水损失大，且增加了水中悬浮物的含量此外由于良好的日照，会促进苗、藻类的繁殖。
1.3.2 机力通风冷却塔机力通风冷却塔，由于在塔内加装了风扇，进行强力通风，因而可以降低冷却塔的面积和高度，但由于要另外消耗动力，且风扇的维护工作量较大，所以限制了它的使用1.3.3 自然通风冷却塔自然通风冷却塔一般为双曲线型它是由通风筒、配水系统、填料，捕水器、集水池组成自然通风冷却塔是依靠塔内外的空气温度差所形成的压差来抽风的，因此通风筒的外型和高度对气流的影响很大，风筒高度可达100m以上，直径可达60～80m热的循环水送至冷却塔腰部，通过配水系统将水均匀的分布在塔的横截面上，然后进入填料层，以增加水与空气的接触面积和延长接触时间，从而增加水与空气的热交换以往的填料多为水泥网格板（50×50×50，mm），目前多为PVC制造的点波、斜波等膜式填料被冷却的水，收集在冷却水池中，经沟道，重新引至循环水泵吸水井为了降低吹散损失，目前多数冷却塔都装有捕水器，捕水器设置在配水系统上面，它是由弧形除水片组成，当塔内气流夹带细小水滴上升时，撞击到捕水器的弧形片上，在惯性力和重力作用下，水滴从气流中分离出来而被回收1.3.4 水的冷却原理在冷却塔中，循环水的冷却是通过水和空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用的结果。
借传导和对流散热，称为接触散热，较高温度的水与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中去，水温得到降低因水的蒸发而消耗的热量，称为蒸发散热，进入冷却塔的空气，湿分含量一般均低于饱和状态，而在水汽界面上的空气已达饱和状态，这种含湿量的差别，使水、汽不断扩散到空气中去，随着水汽的扩散，界面上的水分就不断蒸发，把热量传给空气所以水的蒸发冷却，可使水温低于空气的温度假如冷却塔进水温度为35℃，则蒸发1kg水大约要吸收24094J的热量，带走的这些热量大约可以使576kg的水降低1℃除冷却池外，辐射散热对其他各型冷却构筑物的影响不大，一般可忽略不计这三种散热过程在水冷却中所起的作用，随空气的物理性质不同而异，春、夏、秋三季，室外气温较高，表面蒸发起主要作用，以蒸发散热为主夏季的蒸发散热量占总散热量的90%以上，冬季、由于气温低，接触散热为主，可以从夏季的10% ～20%增加至 50%，严寒天气甚至可增至70%2 循环冷却系统的运行参数循环冷却系统的运行操作参数包括：循环水量；系统水容积；水滞留时间；凝汽器出水最高水温；冷却塔进、出水温差；蒸发损失；吹散及泄漏损失；排污损失；补充水量、凝汽器管中水的流速等。
2.1 循环水量一般冷却1kg蒸汽用50～80kg水是经济的通常用50kg水冷却1kg蒸汽来估算循环水量如果气温偏冷，循环水量的设计值还可以再降低如北方某电厂2×600MW机组，锅炉额定蒸发量为 2008t/h，凝结水流量1548 t/h，设计循环水量仅为72000t/h，即冷却1kg蒸汽用46.5kg冷却水2.2 系统水容积火电厂冷却系统的水容积一般选择的比其他工业大GB50050《工业企业循环冷却水处理设计规范》中规定，循环冷却系统的水容积（V）与循环水量（q）的比，一般选用 ，而我国火电厂由于多数采用大直径的自然通风塔，塔底集水池的容积较大，所以多数电厂的此比值在之间V/q比值越小，系统浓缩得越快，即达到某一浓缩倍率的时间就比较短，可参见表4-2此外，冷却系统的水容积对冷却系统中水的滞留时间（算术平均时间）及药剂在冷却系统中的停留时间（药龄）有影响表4-2 V/q对达到某一浓缩倍率φ时所需时间浓缩倍率φ时间（h）V/q11/21/31/51.111.95.953.972.381.223.811.97.934.761.559.529.819.811.92.011959.539.723.82.517989.359.535.73.023811979.347.64.035717911971.45.047623815995.4注：计算条件为PZ=0.84%，PF+PP=0.2%，冷却塔温差Δt=7℃。
2.3 水滞留时间水的滞留时间表示水在冷却系统中的停留时间，也可表示冷却水系统中水的轮换程度，滞留时间可用下式计算： （1-6）式中 tR——滞留时间，h；V——系统水容积，m3；PF——吹散及泄漏损失，m3/h；PP——排污损失，m3/h显然，系统水容积大，水的滞留时间长，排污量少，滞留时间长2.4 凝汽器出口最高水温当冷却塔和凝汽器正常工作时，凝汽器出口最高水温一般均小于45℃以往只有一些采用机力塔的电厂，凝汽器出口最高水温曾达到50℃2.5 冷却塔进出水温度差此温度差一般为6～12℃，多数为8～10℃2.6 蒸发损失蒸发损失是指因蒸发而损失的水量蒸发损失量以每小时损失的水量表示（m3/h）蒸发损失率用蒸发损失量占循环水量的百分数表示此值一般为1.0%～1.5%左右蒸发损失率PZ可根据以下经验公式估算： （1-7）式中 k——系数，夏季采用0.16，春、秋季采用0.12，冬季采用0.08；Δt——冷却塔进出口水的温差，℃PZ还可参见表4-3表4-3 冷却设备的蒸发损失率PZ冷却设备名称每5℃温差的蒸发损失（%）夏 季春、秋季冬 季喷水池1.30.90.6机力通风冷却塔0.80.60.4自然通风冷却塔0.80.60.42.7 吹散及泄漏损失吹散及泄漏损失是指以水滴的形式由冷却塔吹散出去和系统泄漏而损失的水量，吹散及泄漏损失率PF因冷却设备的不同而异，参见表4-4。
表4-4 冷却设备的吹散和泄漏损失率PF冷却设备名称PF（%）冷却设备名称PF（%）小型喷水池（<400m3）1.5～3.5自然通风冷却塔（有捕水器）0.1大型和中型喷水池1～2.5自然通风冷却塔（无捕水器）0.3～0.5机力通风冷却塔（有辅水器）0.2～0.32.8 排污损失排污损失是指从防止结垢和腐蚀的角度出发，控制系统的浓缩倍率而强制排污的水量浓缩倍率是指循环冷却水中某种不结垢离子的浓度与其补充水的浓度比值，由于水中Cl-不会与阳离子生成难溶性化合物，所以通常用下式表示： （1-8）式中 φ——冷却系统的浓缩倍率；CCl-，x——循环水中Cl-的质量浓度，mg/L；CCl-，B——补充水中Cl-的质量浓度，mg/L；如果知道PZ、PF和φ值，就可求出排污损失率PP2.9 补充水量补充水量是指补入循环冷却系统中的水量当冷却系统中的总水量保持一定时，补充水量相当于单位时间内，因蒸发、吹散、排污损失的总和对于一定的冷却系统，蒸发、吹散损失是一定的，也就是说排污损失的大小决定了补充水量的多少2.10 凝汽器管中水的流速从粘泥及微生物的附着的角度和循环水泵的经济性考虑，凝汽器管中水的流速一般设计在2m/s左右，但有些电厂，为了节省厂用电，在冬季少开循环水泵，此时铜管中实际水流速可能小于lm/s ，应注意粘泥的沉积。
3 开式循杯冷却系统中水和盐的平衡3.1 水量平衡开式循环冷却系统中，水的损失包括蒸发损失、吹散和泄漏损失、排污损失要使冷却系统维持正常运行，对这些损失量必须进行补充，因此，水的平衡方程式如下： PB = PZ+PF+PP （1-9）式中 PB——补充水率，%；PZ——蒸发损失率，%；PF——吹散及泄漏损失率，%；PP——排污损失率，%3.2 浓缩倍率由于蒸发损失不带走水中盐分，而吹散、泄漏、排污损失带走水中盐分，假如补充水中的盐分在循环冷却系统中不析出，则循环冷却系统将建立如下的盐类平衡： （1-10）式中 CB——补充水中的含盐量，mg/L；CX——环水中的含盐量，mg/L将上式移项得： （1-11）式中 φ——开式循环冷却系统的浓缩倍率如果冷却水系统的运行条件一定，那么蒸发损失量和吹散损失量就是定值，通过调整排污量可以控制循环冷却系统的浓缩倍率 （1-12）由公式计算出的补充水量、排污水量和浓缩倍率的关系，如图4-6所示。
从图4-6中可看出，提高冷却水的浓缩倍率，可大幅度减少排污量（也意味着减少药剂用量）和补充水量从图1-6中还可看出，随着浓缩倍率的提高，补充水量明显降低，但当浓缩倍率超过5时，补充水量的减少已不显著此外，过高的浓缩倍率，严重恶化了循环水质，容易发生各种类型的腐蚀故障各种水质稳定药剂的效果与持续时间有关，过高的浓缩倍率，使药剂在冷却系统中的停留时间超过其药龄，将降低处理效果上述情况说明，需要选定合适的浓缩倍率一般开式循环冷却系统的浓缩倍率应控制在4～6图4-6 开式循环冷却系统中浓缩倍率与补给量的关系减少循环冷却系统排污，提高浓缩倍率，可取得良好的节水效果现举一实例来分析：某火电厂总装机容量为1000MW，设PZ =1.4%，PF =0.1%（PF =0.5%，加捕水器后可节水80%），循环水量12.6×104t/h由式1-11可以得出：，浓缩倍率与节水关系的计算结果列于表4-5中从表中可看出，浓缩倍率为5时比浓缩倍率为1.5时节水3087t/h，而浓缩倍率为 6只比浓缩倍率为5节水88t/h表 4-5 浓缩倍率与节水量的关系浓缩倍率φ1.522.5345610排污率PP（%）2.71.30.830.60.370.250.180.056排污量（m3/h）34021638104675646631522771以φ=1.5为基数的节水量（m3/h）01764235626462936308731753331由1-11式可以推导出补充水率PB与浓缩倍率φ的关系为：；药剂耗量，，不同的浓缩倍率影响见表4-6。
从表中可看出，随着浓缩倍率的提高，药剂的耗量也显著降低表4-6 浓缩倍率（φ）对PB，PF+PP，D的影响φPBPF+PPDφPBPF+PPD1.111 PZ10PZ10PZd2.51.67 PZ0.67PZ0.67PZd1.26PZ5PZ5PZd3.01.5PZ0.5PZ0.5PZd1.53PZ2PZ2PZd4.01.33PZ0.33PZ0.33PZd2.02PZPZPZd5.01.25PZ0.25PZ0.25PZd注 D——药剂耗量，g/h；d——循环水中药剂浓度，mg/L第二节 水垢和粘泥的沉积1 循环水中主要水垢成分及形态1.1 碳酸钙在开式循环冷却系统中，水中的重碳酸钙由于受热分解及二氧化碳在冷却塔中的散失，使下列平衡破坏，而析出碳酸钙Ca(HCO3)2 CaCO3↓+CO2↑+H 2O （2-1）水在冷却塔中冷却时，由于水是以水滴及水膜的形式与大量空气接触，水中二氧化碳散失，造成碳酸钙析出水温决定于水中残留二氧化碳，如图4-7所示碳酸钙为难溶盐类，它在蒸馏水中的溶解度如图4-8所示图4-7 水中残留CO2与水温的关系 图4-8 蒸馏水中碳酸钙的溶解度 1—大气压下；2—完全除去CO2后随着水在开式循环冷却系统中的浓缩，各种离子浓度不断升高，碳酸钙因达到其溶度积而成为过饱和溶液。
不同温度下，碳酸钙的溶度积列于表4-7表4-7 不同温度下，碳酸钙的溶度积温度（℃）碳酸钙的溶度积Ksp温度（℃）碳酸钙的溶度积Ksp09.55×10-9254.57×10-958.13×10-9303.98×10-9107.08×10-9403.02×10-9156.03×10-9502.34×10-9205.25×10-91.2 硫酸钙当温度升高，pH降低时，硫酸钙的溶解度降低，硫酸钙在普通水中的溶解度如图4-9所示从图4-9中可见，它的溶解度约为碳酸钙的40倍以上这也就是凝汽器很少发生硫酸钙水垢的原因只有在高浓缩倍率下运行的换热设备，硫酸钙才可能在水温高部位析出图4-9 硫酸钙和碳酸钙的溶解度1.3 磷酸钙和磷酸锌为了缓蚀、阻垢，往往向冷却水系统中加入聚磷酸盐和有机膦，随着温度的升高及药剂在冷却传统中停留时间的增长，它们会部分水解为正磷酸盐，正磷酸盐与钙离子反应，生成非晶体的磷酸钙目前在很多复合配方中，为了缓蚀，都添加了锌，而一般复合配方中都含有机磷，因此有可能形成磷酸锌的沉积1.4 二氧化硅水中所含硅酸浓度，与地质环境有关，如火山地区，水中硅酸浓度就高硅酸的离解按下式进行：H2SiO3 HSiO+H+ （2-2）HSiO SiO+H+ （2-3）图4-10 不同pH值与偏硅酸存在比率的关系硅酸的第一电离常数K1=7.9×10-10；硅酸的第二电离常数K2=1.7×10-2。
在不同pH值时，偏硅酸的存在比率如图4-10所示从图4-10可看出，当pH值小于8.0时，硅酸几乎处于非离解状态，此时几乎无HSiO-3存在当pH值大于9时，由于HSiO-3量明显增加，因而硅酸的溶解度也明显上升当硅酸的含量超过其溶解度时，硅酸缩聚，以聚合体存在随着聚合体分子量的增加，就会析出成为坚硬的硅垢当循环冷却水中二氧化硅含量小于150mg/L时，一般不会析出沉淀如循环水的pH值大于8.5，二氧化硅含量达到200mg/L，也不会析出沉淀1.5 硅酸镁硅酸镁有橄榄石（Mg2SiO4）、蛇纹石[Mg3Si2O5(OH)4]和滑石[Mg3Si4O10(OH)2]等冷却水系统中，一般常见的硅酸镁垢是滑石温度对硅酸镁的沉淀影响很大，例如在20℃时，放置一个月，硅酸镁也不会产生沉淀，而70℃在时，则很快会产生关于硅酸镁指数，《工业循环冷却水处理设计规范》的规定如下： （2-4）硅酸镁的形成可分为两步，镁硬先以氢氧化镁沉淀，而后氢氧化物与溶硅和胶硅反应形成硅酸镁2 水质稳定性的判断当水中碳酸钙含量超过饱和值时，就会引起结垢现象当低于饱和值时，原先析出的 CaCO3又会溶于水中，水对金属管壁产生腐蚀。
当水中碳酸钙含量正好处于饱和状态时，无结垢也无腐蚀现象，称为稳定型水下面介绍一些常用的判断水质稳定性的方法2.1 极限碳酸盐硬度开式循环冷却系统运行时，过一段时间，就会达到盐类平衡，即循环水中的盐量在某个数值上稳定下来，不再继续上升，此值即为循环水盐类浓度的最大值实际上，往往没有达到此最大值前，碳酸盐硬度便开始下降，此开始下降的碳酸盐硬度值，叫作水的极限碳酸盐硬度，也可以说，极限碳酸盐硬度是开式循环冷却系统中不结碳酸盐垢时，循环水的最大碳酸盐硬度值用此值的判断方法为：φHB，T
表4-8 计算极限碳酸盐硬度的 k，b值水温（℃）k值b值循环水的耗氧量（mg/L）5102030300.263.23.84.34.6400.172.53.03.43.8500.102.12.63.03.32.1.2 西安热工研究所经验公式西安热工所经试验归纳整理，提出了如下计算极限碳酸盐硬度的经验公式：HTJ=fHB，T(A+B-C-D) （2-6）式中 HTJ——极限碳酸盐硬度，mmol/L；f——用于工业冷却系统控制时的系数，取0.8～0.85；HB，T——补充水的碳酸盐硬度，mmol/L；A——与水中碳酸盐硬度有关的系数；B——与水中镁硬有关的系数；C——与水中重碳酸要有关的系数；D——与水中钙硬有关的系数处理循环冷却水，采用的药剂不同，其计算系数也不同详见《热工技术手册》电厂化学篇2.2 饱和指数IB（Langelier指数）饱和指数是根据碳酸钙的溶度积的各种碳酸化合物之间的平衡关系指导出来的一种指数概念，用以判断某种水质在一定的运行条件下是否有CaCO3水垢析出IB=pHY-pHB （2-7）式中 IB——碳酸钙饱和指数；pHY——水的实测pH值；pHB——碳酸钙饱和pH值。
IB=0时，水质是稳定的IB>0时，水中CaCO3呈过饱和状态，有CaCO3析出的倾向IB<0时，水中CaCO3呈未饱和状态，有溶解CaCO3固体的倾向，对钢材有腐蚀性一般情况下，IB值在±（0.25～0.30）范围内，可以认为水质是稳定的2.3 稳定指数IW（Ryznar指数）在朗格里尔（Langelier）所做工作的基础上，雷兹纳（Ryznar）进行了一些实验室试验和现场校正试验，提出了雷兹纳稳定指数IW：IW=2pHB－pHY （2-8）pHY=1.465lgA+7.03 （2-9）式中 A——水的全碱度，mmol/L稳定指数（IW）和饱和指数（IB）与结垢程度的关系见表4-9表4-9 IB 、IW与结垢程度的关系IBIW结 垢 程 度IBIW结 垢 程 度3.03.0非常严重-0.26.5无 垢2.04.0很严重-0.57.0无垢，垢稍有溶解倾向1.05.0严 重-1.08.0无垢，垢有中等溶解倾向0.55.5中 等-2.09.0无垢，垢有明显溶解倾向0.25.8稍 许-3.010.0无垢，垢有非常明显的溶解倾向06.0稳定水对于稳定剂处理的开式循环冷却系统，由于腐蚀和结垢问题不能只由碳酸钙的溶解平衡来决定，加之出现了一个很宽的介质稳定区，同时冷却水的腐蚀和结垢倾向已被其中的缓蚀剂和阻垢剂所抑制，因此难以用单一的饱和指数来判定。
实际应用结果说明，在火电厂，对于不处理的直流式冷却系统及用酸和炉烟处理的开式循环冷却系统，一般可用饱和指数来判定水的结垢性3 粘泥附着以微生物（细菌、霉菌、藻类等微生物群）和其粘在一起的粘质物（多糖类、蛋白质等）为主体，混有泥砂、无机物等，形成软泥性的污物，称为粘泥粘泥可分为附着型粘泥和堆积型淤泥两种一般地说，附着型粘泥，其灼烧减量超过25%，含有大量的有机物（以微生物为主体）堆积型淤泥，其灼烧减量在25%以下，相对微生物含量较低，泥砂等无机成分较多当然，在灼烧减量中，还包括微生物以外的有机物量，因此要准确判别，还应测定蛋白质量（仅微生物含有）粘泥附着型污垢和淤泥堆积型污垢的发生部位见表4-10表4-10 冷却系统各部位粘泥的类型发生部位粘泥类型热交换器管内粘泥附着型冷却塔水池底部淤泥堆积型池 壁粘泥附着型填 料粘泥附着型在决定粘泥的处理方法时，必须了解构成粘泥的微生物种类、性质和特点见表 4-11在开式循环冷却系统中，由菌胶团状细菌引起的故障最多，其次是丝状真菌、丝状细菌、藻类引起的故障表4-11 开式循环冷却系统中组成粘泥成分的微生物微生物种类特 点藻类蓝藻类细胞内含有叶绿素，利用光能进行碳酸同化作用，在冷却塔下部接触光的场所常见绿藻类硅藻类细菌类菌胶团状细菌是块状琼脂，细菌分用于其中，在有机物污染的水系中常见丝状细菌稍做水棉，在有机物污染的水系中呈棉絮状集聚铁细菌氧化水中的亚铁离子，使高铁化合物沉积在细胞周围硫细菌污水中常见，一般在体内含有硫磺颗粒，使水中的硫化氢等氧化硝化细菌将氨氧化成亚硝酸盐的细菌和使亚硝酸盐氧化成硝酸盐的细菌，在循环水系统中有氨的地区繁殖硫酸盐还原菌使硫酸盐还原生成硫化氢真菌类藻菌类（水霉菌）在菌丝中没有隔膜，全部菌丝成为一个细胞不完全菌类（绿菌类）在菌丝中有隔膜3.1 影响粘泥生成的因素微生物的营养源内流速小于0.3m/h时，淤泥容易堆积。
3.2 粘泥附着和淤泥堆积的机理3.2.1 粘泥附着机理一般认为，水中的微生物附着在某个固体表面上，对利用营养成分是有利的，所以微生物有附着固体表面生长的倾向热交换器上附着粘泥的模式如图4-11所示这种附着形态也在水中的悬浮物表面进行，生成微生物絮凝物，这种絮凝物附着在金属表面，并使粘泥附着加速进行粘泥附着过程分为三个时期，即附着初期、对数附着期和稳定附着期稳定附着期是指粘泥附着速度与水流引起的粘泥剥离速度处于平衡状态图4-11 粘泥附着模式图（a）微生物在固体表面附着；（b）微生物周围生成粘着性质；（c）粘着性物质发生粘结作用，附着无机悬浊物质；（d）随着又重新进行3.2.2 淤泥堆积机理冷却水中的悬浮物，由于微生物生成的粘质物的作用，而使其絮凝化，生成絮疑物，在低流速部位，它会沉降而形成淤泥人们把有微生物参与的絮凝现象称为生物絮凝此外无机物相互间的絮凝作用也是淤泥堆积的原因但在冷却水系统中，通常以生物絮凝为主3.3 影响污垢沉积的因素（1）水质水质是影响污垢沉积的最主要因素之一循环水水质的各项控制指标，绝大部分是根据污垢控制的要求而制订的除了成垢离子和浊度等外，水的pH值对污垢沉积也有较大影响。
因为钙、镁垢和铁的氧化物在pH大于8时几乎完全不溶解有机胶体在碱性溶液中比在酸性溶液中更易混凝析出微生物粘泥在碱性溶液中也更难以清除，氯的杀菌作用在碱性溶液中会明显下降2）流动状态流动状态包括流体的流速、流体的湍流或层流程度和水流分布等几个方面流动状态对污垢的沉积与剥离有重要作用在流动体系中，如有高流速突变为低流速的突变区域，容易产生污垢的沉积3）水温各种微生物都有一个最佳的繁殖温度，此温度为30～40℃对于冷却系统，除考虑水温外，还要考虑传热管的表面温度4）pH值一般来说，细菌宜在中性或碱性环境中繁殖丝状菌（霉菌类）宜在酸性环境中繁殖多数细菌群最佳繁殖的pH值在6～9之间一般循环水的pH值就在此范围内5）溶解氧图4-12 细菌数和粘泥故障发生频率的关系好气性细菌和丝状菌（霉菌类）利用溶解氧，氧化分解有机物，吸收细菌繁殖所需的能量在开式循环冷却系统中，冷却塔为微生物增值提供了充分的溶解氧6）光在冷却水系统中，藻类的繁殖需利用光能，而其它微生物的繁殖无需光能7）细菌数粘泥故障和冷却水中细菌数的关系，见图4-12由图可知，细菌数在在10000个/mL以上，容易发生粘泥故障8）浊度为防止粘泥附着，淤泥堆积，浊度应尽量控制低，但不能说浊度低，粘泥故障就一定不会发生。
9）粘泥体积粘泥体积指1m3的冷却水通过浮游生物网所得到的取样量（ml）粘泥体积在 10ml/m3以上的冷却水系统中，粘泥故障的发生率高工业循环冷却水处理设计规范”规定：粘泥量<4ml/m3（生物过滤网法）10）粘泥附着度粘泥附着度是衡量冷却水中粘泥附着性的有效指标把玻璃片浸渍在冷却水中一定时间，然后干燥，附着在玻璃表面上的粘泥，然后进行微生物染色，测定玻璃片的吸光度，通过换算可得出粘泥附着度11）流速流速对淤泥堆积有影响，当管内流速大于0.5m/s时，几乎不发生淤泥堆积，但当管子污堵后或流速极慢，此区域内污垢最易沉积例如热交换器冷却水进口端花扳，淤泥等污垢最容易积聚再如热交换器管内流动的水往往是处于湍流状态的，但在管壁附近总有一层滞流层，在滞流层内水的流速较低，而水的温度将高于水的总体温度，因此，水垢将易于在管壁上生成12）温度在冷却水系统中，有两种温度影响，即主体水温和热交换管的壁温火电厂冷却水的主体水温为30～40℃时，最适宜于微生物繁殖，它的影响主要是促进微生物生长热交换器管壁温度高，会明显加快污垢的沉积这是因为：①温度高会使微溶盐类的溶解度下降，导致水垢析出；②温度高有利于解析过程，促使胶体脱稳如絮凝；③温度高加快了传质速度和粒子的碰撞，使沉降作用增加。
13）表面状态粗糙表面比光滑表面更容易造成污垢沉积这是因为粗糙表面比原来光滑表面的面积要大很多倍，表面积的增大，增加了金属表面和污垢接触的机会和粘着力此外，一个粗糙的表面好比有许多空腔，表面越粗糙，空腔的密度也越大在这些空腔内的溶液是处在滞流区，如果这个表面是传热面，则还是高温滞流区浓缩、结晶、沉降、聚合等各种作用都在这里发生，促进了污垢的沉积第三节 循环冷却水的防垢处理方法1 循环冷却水防垢处理方法的选择循环冷却水防垢处理方法，按处理场合，可分类为：也可按处理方法的作用分类为：循环冷却水防垢处理方法有很多种，选用时应根据水质条件、循环冷却系统的水工况、环境保护的要求、水资源短缺情况及水价、药品供应情况等因素，因地制宜地选择有效、安全、经济、简单的方法在选择处理方法时，应注意节约用水，同时要十分重视凝汽器钢管的腐蚀和防护各种循环水处理方法的适用条件及优缺点列于表4-12表4-12 各种循环水处理方法的适用条件及优缺点处 理 方 法适 用 条 件优 点缺 点1.排污法①补充水碳酸盐硬度与浓缩倍率的乘积小于循环水的极限碳酸盐硬度；②水源水量充足①方法简单，不需任何处理设备和药品；②运行维护工作量小。
①适用水质范围窄；②受水资源限制；③排污水量大时，将造成受给水体的热污染2.酸化法①可处理碳酸盐硬度较高的补充水；②使用硫酸时，应注意防止硫酸钙沉淀及高含量对普通硅酸盐水泥的侵蚀①设备简单；②运行维护工作量小①酸消耗量大，浓缩倍率低时，处理费用较高；②硫酸是一种危险性较大的药剂，需采取完善的安全措施3.炉烟处理法炭化法①适用于低浓缩倍率运行；②燃煤中含硫量<2%；③循环水中所需的平衡CO2，必须小于一定条件下水中所能溶解CO2量；④不适于高负硬水①综合利用烟气，有利于环保；②适用于水质不稳定的直流式冷却系统的防垢①基建投资高；②目前的处理系统，易造成水塔严重结垢；③维护工作量大SO2法①燃煤可燃硫量>2%；②适用于中、小容量电厂；③其他同酸化法①综合利用炉烟，有利于环保；②运行费用较低①适用范围受煤质含硫量限制；②处理系统和设备要防腐；③维护工作量大；④铜管腐蚀问题较严重4.阻垢剂处理法（1）三聚磷酸钠①适用于低浓缩倍率，通常φ<1.6；②循环水温度<50℃①设备简单，运行维护方便；②基建投资小；③处理费用较低①稳定的极限浓缩倍率较低；②有利于循环冷却系统中菌、藻类的繁殖（2）有机磷酸盐在通常水质条件下，适用于较高浓缩倍率（φ～2.5）①运行维护方便；②加药设备简单①在未加缓蚀剂时凝汽器铜管易腐蚀；②药剂价格贵；③需加强杀菌灭藻处理（3）全有机复合药剂在通常水质条件下，可在较高浓缩倍率（φ<3）下运行①加药设备简单；②运行维护方便；③兼有阻垢分散作用；④可减缓铜管腐蚀①药剂价格较高；②药剂中含膦，仍需加强杀菌灭藻处理，如无磷、氮、有利于环保；③目前有的药剂质量不稳定5.联合处理法（硫酸+水质稳定剂）①适用于原水碳酸盐硬度较高的水；②可在高浓缩倍率下运行。
①设备简单，基建设资小；②处理费用较低；③循环水中的低于单一酸化处理①运行控制较单一稳定处理复杂；②需加强杀菌、灭藻处理；③采用H2SO4+水质稳定剂时，缓蚀剂量不足时，铜管易腐蚀6.石灰处理法①原水碳酸盐硬度高；②需在高浓缩倍率（φ=4～6）下运行①适用的水质范围广；②运行费用较低①基建投资大；②需进行辅助处理，以确保处理效果7.离子交换法适用于水源非常紧张条件下的高浓缩倍率（φ>5）运行浓缩倍率高①基建投资大；②运行费用较高8.反渗透处理法适用于水源紧缺，含盐量高，高浓缩率下运行浓缩倍率很高基建投资大2 排污法2.1 原理当补充水的碳酸盐硬度小于循环水的极限碳酸盐硬度时，可通过排污来控制循环冷却系统的浓缩倍率，以满足循环水极限碳酸盐硬度（HTJ）小于浓缩倍率和补充水碳酸盐硬度的乘积（HTJ≤φHB），以达到防垢的目的用排污法防垢时，必需的排污率可按下式计算：图4-13 排污率、补充水率和浓缩倍率的关系还可以从图4-13查得排污率和补给水率2.2 应用排污法的条件采用此法时，首先要有足够的补充水量来满足排污的要求，然后还要考虑其经济性只有当排污增加的补充水费小于化学处理费用时，采用排污法才是经济的。
目前，由于机组容量的增大，水资源严重短缺，循环水防垢技术的发展，目前采用此种处理方法的电厂已经很少3 酸化法3.１ 原理酸化法的原理，是通过加酸，降低水的碳酸盐硬度，使碳酸盐硬度转变为溶解度较大的非碳酸盐硬度，其反应如下：Ca(HCO3)2+H2SO4 —→ CaSO4+2CO2+2H2OMg(HCO3)2+H2SO4 —→ MgSO4+2CO2+2H2O同时保持循环水的碳酸盐硬度在极限碳酸盐硬度之下，从而达到防止结垢的目的3.2 中和酸的选择应用酸化法时，一般可使用硫酸或盐酸，但在实际处理中多使用硫酸硫酸和盐酸处理性能的比较列于表4-13表4-13 硫酸、盐酸处理性能的比较项目H2SO4HCl处理费用低高运输、储存不要求设备防腐要求设备防腐对黄铜的侵蚀性一般腐蚀性强反应生成物有形成CaSO4可能溶解度很大对普通硅酸盐水泥的侵蚀性达到一定浓度时，有无氯离子的含量不同，对黄铜腐蚀的影响也不同，如表4-14所示表4-14 硫酸、盐酸处理性能的比较铜管型号腐蚀形态H68H68AHSn70-1HSn70-1A均匀腐蚀NaCl含量的最大值（mg/L）300200002000020000由均匀腐蚀变为选择性腐蚀NaCl含量（mg/L）≤500>500为均匀复盖>500500～10000>10000出现均匀“脱锌”500～10000>10000出现轻微“脱锌”腐蚀产物CuO、CuCuCl，Cu2O出现脱锌时CuOCuCl，Cu2O出现胶锌时CuOCuCl，Cu2O出现脱锌时CuO第四节 水质稳定剂处理1 水质稳定剂 国内火电厂常用的水质稳定剂见表4-15。
表4-15 火电厂常用的水质稳定剂序 号水 稳 剂 名 称工业产品含量（%）1三聚磷酸钠固体含三聚磷酸钠85%2氨基三亚甲基磷酸（ATMP）固体85%～90%，液体50%3羟基亚乙基二膦酸（HEDP）液体≥50%4乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）液体18%～20%5聚丙烯酸（PAA）液体20%～25%6聚丙烯酸钠（PAAS）液体25%～30%7聚马来酸（PMA）液体50%8膦羧酸（PMA）液体50%9膦羧酸（PBTCA）液体≥40%10磺酸共聚物（含羧基、磺酸基、磷酸基的共聚物）液体≥30%11马来酸—丙烯酸类共聚物液体48%12丙烯酸—丙烯酸酸共聚物液体≥25%13丙烯酸—丙烯酸羟丙酯共聚物液体30%14有机膦磺酸液体≥40%应当指出的是：有机类水质稳定剂不同厂家和不同批号生产的产品，稳定效果有较大的差别，甚至放置时间的长短都会影响稳定效果，所以使用时应加以注意发生上述现象的原因，主要是生产工艺存在某些差别，再就是工艺过程控制的好坏存在差异即有些厂生产工艺不稳定以ATMP为例，由于上述原因，不同生产厂生产的ATMP产品中三业甲基的含量不同，二亚甲基的量也不一样，因而影响到处理效果。
水稳剂均具有协同效应，即在药剂的总量保持不变的情况下，复配药剂的缓蚀阻垢效果高于单一药剂的缓蚀阻垢效果所以，目前火电厂添加的水稳剂，绝大部分是复配药剂另外，有些药剂对黄铜管有侵蚀使用，采用复合配方来减缓药剂对黄铜的侵蚀性2 水稳剂的阻垢机理为了防止生成水垢，可以采取以下的措施：①防止生成晶核或临界晶核；②防止晶体生长；③分散晶体作为水稳剂，其作用是防止晶体生长和分散晶体目前常用的水稳剂有聚磷酸盐、有机膦酸盐、聚羧酸类等，它们的阻垢机理，目前还不成熟，下面的叙述只是一些初步的解释2.1 聚磷酸盐聚磷酸盐可以吸附在晶核表面，改变了成垢物质的界面电位，少量六偏磷酸钠吸附于碳酸钙晶核表面，使其界面电位下降，碳酸钙晶核之间的斥力增强，因而抑止了碳酸钙晶体的生长另一种解释为少量聚合磷酸盐，主要是干扰了碳酸钙晶体的正常生长，使晶格受到歪曲，使碳酸钙不成为坚硬的方解石，而成为疏松的软垢一般认为，聚合磷酸盐的防垢作用是以上多种作用的结果2.2 有机膦酸盐2.2.1 结晶过程去活化如前所述，晶体从过饱和溶液中析出，实际上有两个过程—微晶核形成和晶格生长对于微溶或难溶盐类，这两个过程的速度差异很明显，晶核形成较快而晶格生长较慢，只有在晶核的某些活化区域上吸附沉淀离子后，晶格才能生长。
水稳剂能优先吸附并复盖住这一活化中心，晶格就不再生长了有机膦酸盐还能和已形成的CaCO3晶体中的Ca2+作用这种作用，使得CaCO3小晶体在与其他CaCO3微晶体碰撞过程中，难于按晶格排列次序排列，故不易生成CaCO3的大晶体由于CaCO3晶体保持在小颗粒范围之内，因而提高了CaCO3晶体在水中的溶解性能例如在lmg/L的ATMP的水溶液中，可使95mg/L的碳酸钙在20℃温度下保持24小时不析出图4-14表示在少量HEDP存在下，方解石晶体生长速度与时间的关系图4-14中曲线说明，只要加入少量有机膦酸（盐），就可产生一个CaCO3结晶的诱导期，且随加药量的增加，诱导期在不断延长，阻垢作用也愈明显图4-14 在少量HEDP存在下，方解石晶体生长速度与时间的关系曲线2.2.2 晶格歪曲因为CaCO3具有离子晶格，当CaCO3晶体带正电荷的Ca2+和另一个CaCO3晶体带负电荷的碰撞，才能彼此结合因此CaCO3垢是按一定的方向，具有严格次序排列的硬垢当水溶液中加入有机瞵酸盐时，它在晶格生长的过程中被吸附，使晶格定向生长受到干扰，即按严格次序排列的CaCO3结晶不能再按正常规则增长了，或者说晶体的晶格被歪曲了。
此时形成的晶格是肿胀的，疏松的，在溶液扰动时，很容易被分散成小晶体，使CaCO3硬垢转变成软垢，而不再粘附于管壁上2.3 聚羧酸类聚羧酸类的水稳剂有阳离子型（如聚马来酸与乙醇胺反应物），中性型（聚丙烯酸胺）和阴离子型三种目前主要应用的是阴离子型，属于这一类的药剂有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、水解聚马来酸酐等阴离子型水稳剂的阻垢机理有以下几种说法2.3.1 分散作用阴离子型水稳剂在水溶液中可以分解成负离子例如聚丙烯酸可按下式解离图4-15 双电层示意图聚丙烯酸负离子与水溶液中的CaCO3微晶体碰撞时，发生了物理吸附和化学吸附过程，吸附的结果使微晶体表面形成了一个双电层，如图4-15所示如果碳酸钙微晶体均吸附了聚丙烯酸负离子时，这些微晶体的表面就会带上相同的负电荷，这样，它们之间就会产生同性相斥的静电斥力，从而阻碍了它们之间的碰撞和形成大晶体，也就是说，聚丙烯酸起了分散作用此外，这种静电斥力也阻碍了碳酸钙和金属传热面之间的碰撞和形成垢层2.3.2 晶格歪曲聚羧酸型水稳剂的晶格歪曲作用主要是聚羧酸的羧基官能团具有对金属离子的络合能力，因而对结晶过程产生干扰，使结晶不能严格按晶格排列正常生长，形成不规则的晶体，即所谓的晶格歪曲。
在稳定剂作用下，碳酸钙形态的变化见图4-16图4-16 在加药和不加药时，CaCO3晶体的形状（放大450倍）（a）CaCO3；（b）加入有机膦酸盐；（c）加入有机膦酸盐及聚合物2.3.3 自脱膜有文献报导，聚丙烯酸等水稳剂能在金属传热面上形成一种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜，当这种膜增加到一定厚度后，会在传热面上破裂，并带着一定大小的垢层离开传热面由于这种膜的不断形成和不断破裂，使垢层的生长受到抑制，这种假说称为自脱膜假说用这种假说可以解释为什么聚丙烯酸等对已经结垢的热交换器有较好的清洗效果2.4 磺化聚合物当加入磺化聚合物，如磺化聚苯乙烯，可使晶格严重歪曲，而造成晶体变形，如图4-17所示从图中可看出，碳酸钙从立方晶格变成球状软渣采用此处理方法时，可使生成的软渣保持悬浮状态，随排污而排出，或通过旁流过滤除去图4-17 磺化聚合物对结晶作用示意图有资料指出，磺化聚合物比聚丙烯酸盐更能增加碳酸钙的硫酸钙的溶解度，如表4-16所示采用此药处理时，被处理的循环水会呈现浑浊状态，可以使冷却系统的极限浓缩倍率更高此类药剂在冷却水中使用的一般剂量为0.5～2mg/L表4-16 聚合物对碳酸钙和硫酸钙溶解度的影响聚合物名称（剂量5mg/L）溶液中碳酸酸钙量（mg/L）溶液中硫酸钙量（mg/L）聚丙烯酸酯41005032磺化聚合物42005168综合试验结果可以认为，聚羧酸类药剂的阻垢机理主要是分散作。
