两种大型饮用水厂次氯酸钠发生器运行评价分析.docx

摘要次氯酸钠消毒工艺在饮用水厂已经得到了广泛应用，对某水厂3台有效氯产量为20kgh的次氯酸钠发生器在有效氯浓度、氯酸盐浓度、盐耗、电耗等方面进行了对比研究。结果表明，3台发生器(进口F1#和F2#,国产C1#)产出有效氯的平均浓度分别为0.81%、0.79%和0.85%,基本达到0.8%的设计有效氯浓度要求；产液中氯酸盐与有效氯的比值分别为4.8%、4.9%、1.2%,也均低于人类消耗水处理用化学品次氯酸钠(BSEN9012013)中5.4%的要求，C1#副产物氯酸盐的含量仅为F2#的24%左右。C1#发生器在夏季、正常、冬季3种模式下的电耗均低于F1#和F2#,其中，在冬季模式下C1#采用电解槽换热方式代替压缩机加热，进一步降低了发生器的电耗。Fl#、F2#、C1#的平均运行成本分别为6.8、6.7、5.6元kg,C1#由于低电耗的优势，运行成本低于F1#和F2#。同时，相比进口次氯酸钠发生器1年的保修年限，国产发生器的保修年限为5年，具有较强的竞争力。氯消毒经济有效，在饮用水厂已有100多年的应用历史。液氯具有氧化性强、灭菌能力高、持续消毒效果较好等优点，是使用最广泛的消毒方式，但液氯具有强刺激作用，在运输和使用中存在诸多安全隐患，存在安全风险等问题。朱海涛等对比分析了次氯酸钠和液氯的消毒效果、运行成本及安全性等，结果表明，采用次氯酸钠代替液氯能够满足饮用水厂对消毒的要求。次氯酸钠溶液的获取一般有两种方式：购买商品次氯酸钠和现场制备次氯酸钠。商品次氯酸钠的浓度一般在10%,储运过程中仍然是危险品，而且容易分解；采用现场制备次氯酸钠既可以保证产品质量，也有利于实时检测有效浓度的变化，是饮用水厂获取消毒剂的一种安全、高效的方式。次氯酸钠可由次氯酸钠发生器现场制备，浙江省某水厂分两批购买了3台有效氯产量为20kgh的次氯酸钠发生器，其中2台为进口设备、1台为国产设备。笔者对该水厂两种不同型号的3台次氯酸钠发生器的有效氯浓度、产量、副产物氯酸盐及运行成本(盐耗和电耗)等进行了评价，期望为其他水厂选购次氯酸钠发生器提供参考。1、次氯酸钠发生器原理和设备组成1.1次氯酸钠发生器工作原理次氯酸钠发生器是以食盐水作为原材料，通过电解反应产生次氯酸钠溶液，其阳极反应、阴极反应、溶液反应及总反应分别如式(1)(4)所示。2C-2e>C12(1)2Na+2H2O+2e>H2÷2NaOH(2)Cl2+2NaOH>NaCl÷NaClO+H2O(3)NaCl+H2O>NaC10+H2(4)此外，次氯酸钠在制备与储存的过程中，还会发生分解与歧化反应，生成副产物氯酸盐，导致有效氯浓度不断降低，其反应见式(5)。3NaC10>2NaCl+NaClO3(5)1.2次氯酸钠发生器组成次氯酸钠发生器的工艺流程见图K依照次氯酸钠发生器卫生要求(GB282332020),发生器原水应符合生活饮用水卫生标准(GB57492006)中总硬度200mg/L的要求，如不满足则需进行软化处理，使用未加碘盐于溶盐池配制饱和食盐水，通过盐水泵调配软水与饱和食盐水的比例，稀释为3%的盐水溶液作为电解槽的进液，经电解后产出08%的次氯酸钠溶液，储存在储液桶中，产生的氢气在排氢风机的作用下稀释至现以下并及时排出。其中，冷热机组用以调节电解槽的进液温度。图1次氯酸钠制备系统流程Fig.1Sodiumhypochloritepreparationsystem目前，国内外生产的次氯酸钠发生器的原理基本相同，但由于工艺设计、极板材料等不同，导致发生器的运行效能存在差异。2、设备和评价方法2.1发生器参数国外进口的次氯酸钠发生器共2台，型号均为SES-20000,分别记作F1#和F2#；国产发生器1台，型号为WL-20000A,记作C1#,其相关参数见表1。表1次氯酸钠发生器相关参数Tab.lParametersofsodiumhypochloritegenerator参数SES-2OOOO(F1F2*)WL-20000A(Clg)盐水浓度/%3.03.0有效氯产量/(kgh-)2020有效氯浓度/%0.80.8直流电压/V486865-80电流/A600800190-220电极材料钛/钛涂层钛/钛涂层投入生产时间2016年2021年保修年限/年153台次氯酸钠发生器均配备冷热机组以保证进液温度在要求范围。随盐水温度的变化，3台设备存在3种不同的运行方式：当盐水温度25。C时，启动压缩机制冷保证电解槽进液温度在要求范围内；当盐水温度在1025°C时，压缩机不工作；当盐水温度G(TC时，F1#和F2#启动压缩机加热保证电解槽进液温度在要求范围内，C1#采用电解槽热交换的方式，即通过管路设计使电解槽进液与电解槽进行热交换，提高盐水温度。2.2评价时段根据环境温度的变化，本次评价主要分三个阶段进行：夏季模式阶段，试验时间为2021年8月TO月，期间盐水温度25,对应运行方式；正常模式阶段，试验时间为2021年10月-12月，期间盐水温度为1(25°C,对应运行方式;冬季模式阶段,试验时间为2022年1月-2月，期间盐水温度GOC,对应运行方式。2.3评价方法次氯酸钠发生器的评价指标包括:有效氯产量、交流电耗、盐耗、运行成本等，其计算参照次氯酸钠发生器（GB12176-90）o其中，有效氯的计算参照消毒技术规范（2002年版）；氯酸盐的测定采用GB5750.10-2006中的离子色谱法。有效氯产量次氯酸钠发生器的产量采用有效氯产量表示，其数值等于设备每小时生产有效氯的质量，按式（6）计算。G=C×Q×p×KT，（6）式中：G为有效氯产量，kg/h；C为有效氯浓度，；P为有效氯密度，kgm3;Q为次氯酸钠流量，Lho交流电耗交流电耗为次氯酸钠发生器每生产1kg有效氯所消耗的电能，按式（7）计算。AC=UX%XCOSQ+A（7）式中：PAC为交流电耗，kWh/kg；U为电解电压，V；I为电解电流，A；G为有效氯产量，kg/h；CoSa为整流器功率因数，由厂家提供，CoSQ20.98；PC为冷干机电耗，kWhkgo盐耗次氯酸钠发生器每生产1kg有效氯所消耗的NaCl质量称为盐耗，按式（8）计算。Us=%(8)式中：US为盐耗，kg/kg；3为盐水浓度，%；C为有效氯浓度，%o运行成本次氯酸钠发生器生产1kg有效氯所需要的成本，按式(9)计算。运行成本=USXQXW3+PacXb(9)式中：a为盐的价格，按905元/t计(浙江省某水厂采购价)；b为电价，按0.69元/(kWh)计。3、结果与讨论3.1有效氯浓度及产量在不同运行模式下，3台发生器产液的有效氯浓度波动较小，运行稳定(见图2)；发生器Fl#、F2#和C1#产出液的平均有效氯浓度分别为0.81%、0.79%和0.85%,C1#有效氯浓度略高于F1#和F2#,F2#产出液有效氯浓度仅低于设备的设计值1.25%,均符合设备的设计值0.8%要求。1.0夏季模式匚二!正常模式 ,冬季模式图2不同运行模式下的有效氯浓度Fig.2Effectivechlorineconcentrationsunderdiferentoperatingmodes有效氯产量与次氯酸钠流量和有效氯浓度有关，试验期间，F1#、F2#和C1#次氯酸钠实测平均流量分别为2500、2500、2300Lh,由式（6）计算得到不同运行模式下3台次氯酸钠发生器的有效氯产量分别为21.89、20.57、20.40kg/h（见图3）,均与设备的设计有效氯产量（20kgh左右）相符。其中C1#在次氯酸钠流量低于F1#和F2#的情况下，由于其产出液的有效氯浓度较高，使得C1#与Fl#、F2#在3种模式下的平均有效氯产量相近。30夏季模式匚二!正常模式 冬季模式0 5 0 5 02 11 (-工£)？豆菱y图3不同运行模式下的有效氯产量Effectivechlorineproductionunderdifferentoperationmodes3.2氯酸盐运行模式对各发生器所产次氯酸钠的氯酸盐含量影响不大。Fl#、F2#和Cl#的氯酸盐/有效氯分别为4.8%、4.9%、1.2%,均符合欧盟标准化委员会人类消耗水处理用化学品一一次氯酸钠(BSEN9012013)中低于5.4%的要求8。此外，Fl#、F2#和C1#产液中氯酸盐平均浓度分别为386.5、390.3、94.7mgL,即C1#的氯酸盐与有效氯含量的比值更低，安全性相对更高。3.3运行能耗3.3.1运行电耗表2为3台次氯酸钠发生器在不同工作模式下的电流、电压等数据(进液的盐水浓度均为3%)oF1#和F2#在夏季、正常、冬季模式下的电耗分别为5.18、467、516kW4kg和4.84、4.33、5.OOkWhkg,C1#的为3.66、3.14.3.47kWhkg,即3台发生器在不同运行模式下的电耗均小于6.0kWhkg°次氯酸钠发生器的质量分类标准(GB12176-90)规定，质量等级A、B、C的交流电耗应分别低于6、7、10kWhkg,盐耗应分别在4.0、4.5、6.5kg/kg以下，可见3台发生器的质量等级均为A。对比分析不同运行模式下的电耗发现，3台发生器夏季和冬季模式的电耗较高，正常模式的电耗最低。这是因为在夏季模式和冬季模式下，F1#和F2#需要启动压缩机调控进液温度，导致这两种模式的电耗要高于正常模式。3台发生器在不同模式下的电耗情况为F1#>F2#>C1#,其中，F2#电耗为F1#的94%,C1#电耗为F1#的中,国产发生器C1#因发生器系统设计等原因，其电耗要低于进口发生器F1#和F2#,即国产次氯酸钠发生器C1#生产1kg有效氯的电耗更低。«2次敏心衲发生H运行，散Tab.2OpcnalinxpurHmcl<trofMxiiumhypochloritegenerator目良季模式IE常模式冬季模式Fl,FTcFPF2cFl,FTCl,单组电询ZA780.04780.0780.0/780.0210780.0/780.0780.1/779.8210778.9/780.47803/779.5210电压/V58.1/60.551.1/51.270.76l.56l.I53.7/53.372.7565/59.351.8/51.675.9直通功聿ZkW92.5179.7959.3995.6383.4561.0790.2980.6463.76交流功率ZkW99.4785.8063.86102.8389.7365.6797.0986.7168.56冷干机功率ZkVi11.2511.2511.2500018180总功率ZkW110.7297.0575.11102.8389.7365.6711$.09l(M.7l68.56注：CI的电双取4绢的平均侑。3.3.2盐耗在进液盐水浓度相同的条件下，3台次氯酸钠发生器在不同工作模式下的盐耗情况见图4。3台发生器在不同运行模式下的盐耗基本一致，符合次氯酸钠发生器标准(GB1217690)中A级的要求(盐耗<4.0kg