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活性炭在電廠(chǎng)原水凈化中的應(yīng)用詳解

作者:天源活性炭 時(shí)間:2025-09-13 09:54:14 點(diǎn)擊:6 次

在電力生產(chǎn)過(guò)程中,水是不可或缺的核心介質(zhì),無(wú)論是鍋爐補(bǔ)水、冷卻系統(tǒng)用水還是循環(huán)水,都對(duì)水質(zhì)有著極高的要求。電廠(chǎng)原水(如地表水、地下水、水庫(kù)水等)往往含有懸浮物、有機(jī)物、膠體顆粒、余氯、重金屬離子及異味物質(zhì)等雜質(zhì),若不經(jīng)過(guò)有效凈化直接使用,會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)垢、腐蝕設(shè)備、影響熱交換效率,甚至引發(fā)安全事故。活性炭憑借其優(yōu)異的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),成為電廠(chǎng)原水凈化系統(tǒng)中的關(guān)鍵處理單元,在提升水質(zhì)、保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。
一、電廠(chǎng)原水的水質(zhì)特點(diǎn)及凈化需求
電廠(chǎng)原水的來(lái)源不同,水質(zhì)特點(diǎn)存在顯著差異,但核心凈化需求均圍繞 “去除有害雜質(zhì),滿(mǎn)足后續(xù)水處理工藝進(jìn)水要求” 展開(kāi),具體水質(zhì)特點(diǎn)及危害如下:
  1. 有機(jī)物污染:原水中的有機(jī)物(如腐殖酸、富里酸、藻類(lèi)代謝產(chǎn)物等)不僅會(huì)增加后續(xù)離子交換樹(shù)脂的污染風(fēng)險(xiǎn)(導(dǎo)致樹(shù)脂吸附容量下降、再生頻率增加),還會(huì)在消毒過(guò)程中與氯反應(yīng)生成三氯甲烷、四氯化碳等致癌性消毒副產(chǎn)物,威脅水質(zhì)安全;同時(shí),部分有機(jī)物會(huì)附著在鍋爐受熱面形成有機(jī)垢,降低熱傳導(dǎo)效率。

  1. 懸浮物與膠體顆粒:原水中的泥沙、黏土顆粒、藻類(lèi)殘骸等懸浮物,以及帶負(fù)電的膠體顆粒(如硅酸膠體、鐵錳膠體),若不去除會(huì)堵塞后續(xù)過(guò)濾設(shè)備(如精密過(guò)濾器、反滲透膜),導(dǎo)致膜元件污堵、使用壽命縮短,同時(shí)增加水處理系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

  1. 余氯與異味:若原水采用氯消毒(如自來(lái)水作為原水時(shí)),殘留的余氯會(huì)氧化反滲透膜、離子交換樹(shù)脂的活性基團(tuán),破壞其結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膜通量下降、樹(shù)脂交換能力喪失;此外,原水中的藻類(lèi)、微生物代謝或工業(yè)污染物會(huì)產(chǎn)生異味(如土腥味、霉味),影響水質(zhì)感官指標(biāo),若進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)還可能滋生微生物黏泥。

  1. 重金屬離子:部分地下水或受工業(yè)污染的地表水可能含有汞、鉛、鎘、砷等重金屬離子,這些離子會(huì)在鍋爐內(nèi)富集,導(dǎo)致金屬材料發(fā)生晶間腐蝕,降低設(shè)備強(qiáng)度,甚至引發(fā)鍋爐爆管等嚴(yán)重安全事故。

基于上述水質(zhì)問(wèn)題,電廠(chǎng)原水凈化的核心需求是:去除水中有機(jī)物、懸浮物、膠體、余氯、異味及部分重金屬,將水質(zhì)提升至后續(xù)工藝(如反滲透、離子交換)的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn),為鍋爐補(bǔ)給水、循環(huán)水等提供合格水源。
二、活性炭在電廠(chǎng)原水凈化中的作用原理
活性炭在電廠(chǎng)原水凈化中主要依靠物理吸附化學(xué)吸附雙重作用去除雜質(zhì),其核心原理與垃圾焚燒尾氣處理中的吸附機(jī)制相通,但針對(duì)水中污染物的特性,作用重點(diǎn)有所不同:
  1. 物理吸附:去除有機(jī)物、異味與部分懸浮物

活性炭的多孔結(jié)構(gòu)(微孔、中孔、大孔)使其擁有巨大的比表面積(通常為 800-1500m2/g),水中的有機(jī)物(如腐殖酸)、異味分子(如藻類(lèi)代謝產(chǎn)生的土臭素)會(huì)因范德華力被捕獲在活性炭的孔隙內(nèi),實(shí)現(xiàn)與水的分離。同時(shí),活性炭顆粒表面具有一定的吸附能力,可吸附部分細(xì)小懸浮物和膠體顆粒,輔助后續(xù)過(guò)濾工藝降低水體濁度。
  1. 化學(xué)吸附:去除余氯與重金屬離子

  • 除余氯:活性炭中的碳元素可與水中的余氯(Cl?、HClO)發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成無(wú)害的氯離子(Cl?)和二氧化碳(CO?),反應(yīng)式為:C + 2Cl? + 2H?O = CO? + 4HCl,從而徹底消除余氯對(duì)后續(xù)反滲透膜、離子交換樹(shù)脂的氧化破壞。

  • 除重金屬:部分活性炭(如載硫活性炭、負(fù)載納米金屬氧化物的改性活性炭)可通過(guò)表面的功能基團(tuán)(如羥基、羧基、硫基)與重金屬離子(如 Hg2?、Pb2?、Cd2?)發(fā)生化學(xué)配位反應(yīng)或離子交換,形成穩(wěn)定的螯合物或沉淀物,將重金屬離子固定在活性炭表面,實(shí)現(xiàn)高效去除。例如,載硫活性炭可與 Hg2?反應(yīng)生成難溶于水的硫化汞(HgS),吸附效率可達(dá) 99% 以上。

  1. 協(xié)同作用:改善后續(xù)工藝處理效果

活性炭吸附去除有機(jī)物后,可減少后續(xù)反滲透膜的有機(jī)污堵,延長(zhǎng)膜的清洗周期和使用壽命;同時(shí),降低水中有機(jī)物含量也能減少離子交換樹(shù)脂的 “有機(jī)污染”,提高樹(shù)脂對(duì)硬度離子(Ca2?、Mg2?)的交換容量,降低再生藥劑消耗。
三、活性炭在電廠(chǎng)原水凈化中的應(yīng)用工藝
電廠(chǎng)原水凈化系統(tǒng)通常采用 “預(yù)處理 + 深度處理” 的組合工藝,活性炭單元一般位于預(yù)處理階段的中后端,與混凝、沉淀、過(guò)濾等工藝協(xié)同運(yùn)行,具體應(yīng)用流程如下:
  1. 前置預(yù)處理:降低活性炭負(fù)荷

原水首先進(jìn)入混凝池,投加聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝劑,使水中的懸浮物、膠體顆粒形成較大的絮體;隨后進(jìn)入沉淀池,通過(guò)重力沉降將大部分絮體去除,此時(shí)水體濁度可從幾十 NTU 降至 5NTU 以下。這一環(huán)節(jié)可減少后續(xù)活性炭的吸附負(fù)荷,避免懸浮物堵塞活性炭孔隙,延長(zhǎng)其使用壽命。
  1. 活性炭吸附單元:核心凈化環(huán)節(jié)

經(jīng)過(guò)沉淀處理的原水進(jìn)入活性炭過(guò)濾器(分為固定床、移動(dòng)床、流化床三種類(lèi)型,電廠(chǎng)中以固定床過(guò)濾器最為常用)。固定床過(guò)濾器內(nèi)填充顆粒狀活性炭(GAC,粒徑通常為 0.8-2.0mm),水流自上而下通過(guò)活性炭層,在濾速為 8-15m/h、接觸時(shí)間為 15-30 分鐘的條件下,水中的有機(jī)物、余氯、異味及部分重金屬被高效吸附。
為保證吸附效果,活性炭過(guò)濾器需定期進(jìn)行 “反洗”:通過(guò)反向進(jìn)水(從過(guò)濾器底部進(jìn)水,頂部排水)和壓縮空氣擦洗,將活性炭孔隙內(nèi)截留的懸浮物、膠體顆粒沖洗排出,恢復(fù)活性炭的吸附能力。一般當(dāng)活性炭吸附達(dá)到飽和(通過(guò)出水有機(jī)物濃度、余氯含量監(jiān)測(cè)判斷)后,需更換新的活性炭,更換周期通常為 1-3 年,具體取決于原水水質(zhì)和運(yùn)行負(fù)荷。
  1. 后續(xù)深度處理:銜接達(dá)標(biāo)水質(zhì)

經(jīng)過(guò)活性炭?jī)艋蟮脑?,濁度可降?1NTU 以下,余氯含量≤0.05mg/L,有機(jī)物(以 COD??表示)可降至 3mg/L 以下,滿(mǎn)足后續(xù)深度處理工藝的進(jìn)水要求:
  • 若用于鍋爐補(bǔ)給水,原水需進(jìn)入反滲透系統(tǒng),去除水中的鹽類(lèi)離子(如 Na?、Cl?、SO?2?),再經(jīng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行深度除鹽,最終獲得電導(dǎo)率≤0.2μS/cm 的超純水;

  • 若用于循環(huán)冷卻水,活性炭?jī)艋蟮乃芍苯舆M(jìn)入冷卻塔,通過(guò)加藥(如緩蝕劑、阻垢劑)處理后循環(huán)使用。

四、電廠(chǎng)原水凈化用活性炭的選型要點(diǎn)
活性炭的性能直接影響原水凈化效果和運(yùn)行成本,電廠(chǎng)在選型時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下指標(biāo),確保活性炭適配原水水質(zhì)和工藝需求:
  1. 比表面積與孔隙結(jié)構(gòu)

  • 處理以小分子有機(jī)物(如三氯甲烷)、余氯為主的原水時(shí),應(yīng)選擇微孔發(fā)達(dá)(微孔體積占總孔體積的 70% 以上)、比表面積較大(1000-1500m2/g)的活性炭,如椰殼活性炭(微孔豐富,吸附效率高);

  • 處理以大分子有機(jī)物(如腐殖酸)、膠體顆粒為主的原水時(shí),應(yīng)選擇中孔比例較高(中孔體積占總孔體積的 30%-50%)的活性炭,如煤質(zhì)柱狀活性炭(中孔發(fā)達(dá),不易堵塞,適合長(zhǎng)期運(yùn)行)。

  1. 碘值與亞甲藍(lán)吸附值

  • 碘值:反映活性炭對(duì)小分子物質(zhì)(如余氯、小分子有機(jī)物)的吸附能力,電廠(chǎng)原水凈化用活性炭的碘值通常要求≥800mg/g(煤質(zhì)炭)或≥1000mg/g(椰殼炭),碘值越高,除余氯、小分子有機(jī)物的效率越高;

  • 亞甲藍(lán)吸附值:反映活性炭對(duì)大分子有機(jī)物(如腐殖酸)的吸附能力,一般要求≥100mg/g,亞甲藍(lán)吸附值越高,去除原水中大分子有機(jī)物的效果越好。

  1. 強(qiáng)度與粒徑

  • 強(qiáng)度:活性炭在過(guò)濾器中需承受水流沖擊和反洗摩擦,強(qiáng)度不足易破碎產(chǎn)生粉末,導(dǎo)致出水濁度升高、堵塞后續(xù)設(shè)備。電廠(chǎng)用活性炭的強(qiáng)度應(yīng)≥90%(煤質(zhì)炭)或≥95%(椰殼炭);

  • 粒徑:粒徑過(guò)小會(huì)增加水流阻力,導(dǎo)致過(guò)濾器壓差升高;粒徑過(guò)大則會(huì)減少活性炭與水的接觸面積,降低吸附效率。通常選擇 0.8-2.0mm 的顆粒狀活性炭,兼顧吸附效率和水流阻力。

  1. pH 值與灰分

  • pH 值:普通活性炭的 pH 值為 6-8(中性),若原水 pH 值偏低(酸性),可選擇堿性活性炭(pH 值 8-10),避免活性炭溶解出酸性物質(zhì)影響后續(xù)工藝;

  • 灰分:灰分過(guò)高的活性炭在使用過(guò)程中易溶出雜質(zhì)(如鐵、硅),導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化,電廠(chǎng)用活性炭的灰分應(yīng)≤10%(煤質(zhì)炭)或≤5%(椰殼炭)。

五、活性炭應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決策略
在電廠(chǎng)原水凈化的實(shí)際運(yùn)行中,活性炭單元可能面臨吸附飽和快、反洗效果差、出水水質(zhì)波動(dòng)等問(wèn)題,需針對(duì)性采取解決措施:
  1. 吸附飽和周期短,更換成本高

  • 問(wèn)題原因:原水有機(jī)物濃度高(如雨季地表水腐殖酸含量增加)、運(yùn)行濾速過(guò)快(超過(guò) 15m/h)、活性炭選型不當(dāng)(如微孔不足,無(wú)法吸附小分子有機(jī)物);

  • 解決策略:① 前置增加 “臭氧氧化” 單元,將大分子有機(jī)物分解為小分子,提高活性炭的吸附效率;② 優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),將濾速控制在 8-12m/h,延長(zhǎng)水與活性炭的接觸時(shí)間;③ 采用 “活性炭再生技術(shù)”(如熱再生:在 800-900℃惰性氣體氛圍下,將活性炭孔隙內(nèi)的有機(jī)物燃燒分解,恢復(fù)吸附性能),再生后的活性炭吸附效率可達(dá)新炭的 80% 以上,大幅降低更換成本。

  1. 活性炭過(guò)濾器壓差升高,反洗效果差

  • 問(wèn)題原因:前置沉淀效果差,懸浮物進(jìn)入活性炭過(guò)濾器堵塞孔隙;反洗強(qiáng)度不足(反洗流速<15m/h)或反洗時(shí)間過(guò)短(<10 分鐘);

  • 解決策略:① 優(yōu)化混凝劑投加量,確保沉淀池出水濁度≤5NTU;② 提高反洗強(qiáng)度至 15-20m/h,延長(zhǎng)反洗時(shí)間至 15-20 分鐘,同時(shí)配合壓縮空氣擦洗(氣壓 0.2-0.3MPa),徹底清除活性炭表面的懸浮物;③ 若活性炭已嚴(yán)重板結(jié),需部分更換活性炭,避免過(guò)濾器失效。

  1. 出水余氯超標(biāo),影響后續(xù)膜設(shè)備

  • 問(wèn)題原因:活性炭吸附飽和(未及時(shí)更換或再生)、原水余氯濃度突然升高(如自來(lái)水廠(chǎng)加氯量增加)、水流短路(活性炭過(guò)濾器內(nèi)出現(xiàn)死區(qū),水未與活性炭充分接觸);

  • 解決策略:① 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出水余氯含量,當(dāng)余氯>0.05mg/L 時(shí),及時(shí)再生或更換活性炭;② 在活性炭過(guò)濾器進(jìn)水端增設(shè)余氯在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀,若余氯濃度超標(biāo),自動(dòng)啟動(dòng)旁通系統(tǒng),避免不合格水進(jìn)入后續(xù)工藝;③ 檢查活性炭過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu),修復(fù)濾板、濾帽破損處,防止水流短路。

六、總結(jié)與展望
活性炭作為電廠(chǎng)原水凈化的核心材料,能夠高效去除水中的有機(jī)物、余氯、異味及部分重金屬,為后續(xù)深度處理工藝提供合格進(jìn)水,是保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低水處理成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前,電廠(chǎng)原水凈化用活性炭已從 “單一吸附” 向 “功能化、高效化、可持續(xù)化” 方向發(fā)展:
未來(lái),一方面需進(jìn)一步研發(fā)改性活性炭材料(如負(fù)載納米 TiO?的光催化活性炭,可同步實(shí)現(xiàn)吸附與降解有機(jī)物,延長(zhǎng)使用壽命);另一方面應(yīng)推廣活性炭再生技術(shù)(如微波再生、化學(xué)再生)的工業(yè)化應(yīng)用,減少固廢產(chǎn)生,降低運(yùn)行成本;同時(shí),結(jié)合智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如在線(xiàn)吸附容量監(jiān)測(cè)、反洗自動(dòng)控制),實(shí)現(xiàn)活性炭單元的精準(zhǔn)運(yùn)行,推動(dòng)電廠(chǎng)水處理系統(tǒng)向 “綠色、高效、智能” 轉(zhuǎn)型,為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。


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