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<4.0kgkg)。3台发生器的盐耗排序为F2#>F1#>C1#,由于盐耗为盐水浓度与有效氯浓度的比值，3台发生器的盐水浓度相同，而产出的有效氯浓度存在差异(F2*F1#<C1#),导致F2#盐耗稍高于其他2台发生器，比F1#平均高约3.84%,比C1#平均高约7.51%o从夏季、正常和冬季模式下的运行情况来看，国产次氯酸钠发生器的盐耗低于进口次氯酸钠发生器。图4次氯酸钠发生器盐耗Fig.4Saltconsumptionofsodiumhypochloritegenerator3.3.3运行成本分析发生器的运行成本主要包括盐耗成本和电耗成本。经统计，F1#在夏季、正常和冬季3种模式下的运行成本分别为6.93、6.57、6.83元kg,F2#的为6.87、6.43、6.84元kg,元#的为6.05、5.47、5.59元kg（见图5）。可见，C1#在3种模式下的运行成本均小于F1#和F2#。对比单一发生器在不同运行模式下的运行成本，正常模式的耗电量低于夏季和冬季模式，因夏季和冬季模式需要启动压缩机对进液温度进行调控，导致电耗成本有一定的增加。(mFlt F2f Clt Flw F2f Clf FIf F2f Clf图5次氯酸钠发生器运行成本占比情况Fig.5Proportionofsodiumhypochloritegeneratoroperatingcosts从图5还可知道3台发生器运行成本中盐耗成本与电耗成本的占比情况。3台发生器的盐耗成本基本一致，而C1#的电耗成本低于F1#和F2#,表明Cl#的低运行成本主要缘于电耗成本的降低。在正常运行模式下，3台发生器的压缩机均不工作，C1#的盐耗成本和电耗成本均小于F1#和F2#,说明C1#电解系统在节能上有优势；在冬季模式下，C1#因采用电解槽余热利用的方式提高进液的温度代替压缩机加热，电耗成本相对更低。3.3.4其他从设备运行维护方面考虑，进口次氯酸钠发生器F1#和F2#的保修期为1年，国产发生器C1#的质保为5年。次氯酸钠发生器作为饮用水厂高频使用的设备，较长的保修期可极大地降低设备的运行维护成本，国产设备在该方面有较大的竞争优势。除此以外，由于涉及到商务问题以及购买年限的不同，本文没有评价3台反应器的价格以及由于使用年限造成的设备损耗等问题。4、结论3台次氯酸钠发生器的有效氯浓度和产量达到了设备的设计规格,副产物氯酸盐的含量满足欧盟标准化委员会人类消耗水处理用化学品次氯酸钠(BSEN901-2013)要求，运行电耗和盐耗满足国家标准GB12176-90中次氯酸钠发生器质量等级A的标准。但相比于进口发生器F1#和F2#,国产次氯酸钠发生器C1#的有效氯浓度更高，在提高有效氯产量和降低盐耗上更占优势。在安全性和运行成本方面，C1#发生器氯酸盐与有效氯的比值、盐耗和电耗成本低于其他2台发生器。进口次氯酸钠发生器由于采购时间比国产设备更早，使用时间更长，可能会影响其性能。结合国产/进口次氯酸钠发生器保修年限的差异，进口发生器保修年限为1年,国产发生器的保修年限为5年，因此国产发生器具有较强的竞争力。