Водоподготовка

Для водоснабжения энергетических объектов в большинстве случаев используются природные воды, как поверхностные (воды рек, озер, прудов), так и подземные – из артезианских скважин. Все воды содержат разнообразные примеси, попадающие в воду как в процессе естественного круговорота, так и в результате загрязнения промышленными и бытовыми стоками.

Все примеси можно разделить на три группы – истинно растворенные примеси, коллоидно-растворенные примеси и грубодисперсные примеси [4].

Истинно растворенные примеси находятся в воде в виде ионов, отдельных молекул, комплексов или состоят из нескольких молекул. Размер этих частиц менее 10^-6 мм. В истинно растворенном состоянии находятся газы – О₂, СО₂, Н₂S, N₂, а также катионы и анионы различных солей – , , , .

Коллоидно-растворенные примеси имеют размер 10^-6 – 10^-4 мм. Такие частицы состоят из нескольких тысяч молекул. Они могут быть органического и минерального происхождения – вымываемые из почвы кремниевые кислоты, соединения железа.

Грубодисперсные примеси имеют размер частиц более 10^-4 мм. Это растительные частицы, частицы песка и глины.

Надежность работы поверхностей нагрева котельных агрегатов и систем теплоснабжения зависит от качества питательной и подпиточной воды. Показателями качества воды являются прозрачность, т.е. содержание взвешенных веществ, удаляемых при механическом фильтровании; сухой остаток – содержание минеральных и органических примесей после выпаривания; жесткость – содержание солей кальция и магния; щелочность – содержание в воде анионов (бикарбонатов), (карбонатов), (гидратов); содержание агрессивных газов (О₂ и СО₂).

Основной задачей подготовки воды является борьба с коррозией и накипью. Требования к качеству воды в паровых и водогрейных котельных различные, т.к. в паровых котельных вода испаряется, а в водогрейных – только нагревается.

Наиболее важным показателем качества воды является ее жесткость. Различают жесткость постоянную (некарбонатную), обусловленную наличием в воде хлоридов, сульфатов и других некарбонатных солей кальция и магния, и временную (карбонатную), обусловленную присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния .

Общая жесткость равна сумме концентраций катионов кальция и магния Ж _о= Ж _Са + Ж _Mg мг-экв/кг. Для пересчета концентраций кальция и магния, выраженных в мг/кг, в мг-экв/кг их делят на эквивалентные массы этих катионов

, .

Общей щелочностью воды Щ_о называется выраженная в мг-экв/кг суммарная концентрация содержащихся в воде анионов , , .

Сухим остатком, или солесодержанием называют количество солей, оставшееся после выпаривания воды, мг/кг.

Нормы качества питательной воды для паровых котлов зависит от типа котла и вида топлива. Общая щелочность и сухой остаток питательной воды не нормируются, а обуславливаются выбранными методами обработки воды. Щелочность питательной воды определяется по формуле , где –доля химически обработанной воды; Щ _о.в. – щелочность очищенной воды; Щ _к – щелочность конденсата. При отсутствии сведений о качестве конденсата можно принимать 0.05 мг-экв/кг.

Сухой остаток питательной воды определяется по формуле . Для конденсата можно принимать S _к=5 мг/кг.

Поверхностные воды требуют предварительной обработки (предочистки), в результате которой вода освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей. Для решения этой задачи применяется коагуляция. В качестве реагентов для коагуляции применяются сернокислый алюминий (глинозем), сернокислое железо (железный купорос), хлорное железо и др.

Выбор схемы предочистки производится согласно таблицы 5.1. Остаточное содержание бикарбонатов в обработанной воде желательно иметь около 0.5, но не менее 0.3 мг-экв/л. Если в исходной воде бикарбонатов недостаточно, то производится подщелачивание воды добавлением или

При коагуляции температура воды в осветлителе должна находиться в пределах 25…30 ⁰С. Колебания температуры не должны превышать 1 ⁰С. Непостоянство температуры приводит к повышению мутности воды. Ориентировочно дозу сернокислого алюминия принимают 0.12 мг-экв на 1 мг О₂ удаляемой окисляемости. Коагуляция может совмещаться с известкованием. Известкование воды применяется для снижения щелочности, декарбонизации, частичного умягчения и снижения солесодержания. При совмещении известкования и коагуляции полнее удаляются взвешенные и органические

Таблица 5.1

Качество исходной воды	Метод обработки	Основное оборудование
Взвешенных веществ до 50 мг/кг, окисляемость менее 15 мг/кг О2	Фильтрование (удаление взвешенных веществ)	Механические фильтры с загрузкой антрацитом или кварцем. Высота слоя <=1 м, d=0.5…1.2 мм
Взвешенных веществ до 100 мг/кг, окисляемость менее 15 мг/кг О2	Фильтрование (удаление взвешенных веществ)	Механические фильтры с двухслойной загрузкой. Первый слой – кварцевый песок d=0.5…1.2 мм, высота слоя 0.7…0.8 м. Второй слой – дробленый антрацит d=0.8…1.8 мм, высота слоя 0.7…0.5 м
Взвешенных веществ более 100 мг/кг, окисляемость больше 15 мг/кг О2, жесткость > 2 мг-экв/кг	Коагуляция в осветлительном фильтре и фильтрование в механических фильтрах. Уменьшается количество взвешенных веществ и снижается окисляемость	Осветление с последующим фильтрованием на однослойных осветлительных фильтрах
Взвешенных веществ более 100 мг/кг, окисляемость более 15 мг/кг О2, жесткость более 2 мг-экв/кг	Известкование с коагуляцией с последующим фильтрованием, снижается окисляемость, частично снижается щелочность	Осветление с последующим фильтрованием на однослойных осветлительных фильтрах

вещества, соединения кремния и железа. Известкование основано на связывании ионов в малорастворимые соединения. Они осаждаются в виде шлама. Перед известкованием воду нужно нагревать до 40 ⁰С.

Осветленная исходная вода или вода из хозяйственно-питьевого трубопровода обрабатывается в ионно-обменных фильтрах, что позволяет уменьшить щелочность и жесткость. При этом возможны следующие методы обработки: Na-катионирование, Na-NH₄-катионирование, Н-катионирование с последующим удалением углекислоты (декарбонизацией), NaCl-ионирование.

Обработка воды методами ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионнообменного материала, который взаимодействует с содержащимися в воде ионами катиониты и аниониты. Катиониты обменивают ионы Ca ²⁺ и Mg ²⁺ на ионы Na⁺, H⁺, NH₄⁺. Этот процесс называется катионированием. Аниониты содержат соединение, имеющую условную формулу ROH. Если через него пропускать раствор кислоты, например HCl, произойдет реакция обмена анионов

ROH + HCl = RCl + H₂O; H⁺ + OH^- ->H₂O.

Для восстановления свойств катиониты и аниониты проходят регенерацию. Катиониты обрабатываются растворами NaCl, H₂SO₄, NH₄Cl. При этом поглощенные ионы кальция и магния заменяются на ионы натрия, водорода или аммиака. Аниониты обрабатываются щелочью – NaOH.

Na-катионирование

Рис.5.1. Схема Na-катионирования

Паровые котлы требуют воду с Ж_о не более 0.01 мг-экв/кг, поэтому Na-катионирование как правило двухступенчатое. Для ГВС достаточно одной ступени катионирования.

Н-катионирование с "голодной" регенерацией фильтров применяется для снижения щелочности, углекислоты, умягчения, частичного снижения содержания железа. Он основан на пропускании воды через катионит отрегенерированный кислотой. В процессе обработки ионы Са и Mg обмениваются на ионы водорода.

Рис.5.2. Схема H-катионирования

Параллельное Н-Na – катионирование, декарбонизация.

Рис.5.3. Схема H-Na – катионирования

По этой схеме вода двумя параллельными потоками направляется на Н- и Na – катионитовые фильтры. Затем оба потока направляются на декарбонизацию для удаления свободной углекислоты и на Na-катионитовый фильтр второй ступени. Такая схема применяется для получения умягченной воды с щелочностью не более 0.35 мг-экв/кг и когда суммарное содержание сульфатных и хлоридных ионов в исходной воде не превышает 5…7 мг-экв/кг, карбонатная жесткость исходной воды составляет более 50 % общей жесткости.

Параллельное или совместное NH_{4 –} Na – катионирование. Уменьшается жесткость, щелочность и солесодержание котловой воды.

Na-Cl – катионирование. Одновременно с умягчением снижается щелочность воды. Вода после 1-й ступени Na-катионирования проходит через фильтр с анионитом и катионитом. Этим методом можно получить жесткость до 0.01 мг-экв/кг и щелочность до 0.2…0.6 мг-экв/кг.

В случае высокоминерализованной исходной воды и больших потерях конденсата можно пользоваться не химической, а термической обработкой воды в испарителях. При использовании артезианских вод перед ионнообменными фильтрами воду нужно очищать от железа. Окисление до Fe³⁺ производится путем подачи сжатого воздуха в трубопровод исходной воды. Затем воду фильтруют в напорных фильтрах. Если больше 10 мг/кг, то для подачи сжатого воздуха используются специальные устройства.

Правильность выбора схемы водоподготовки проверяется по трем параметрам – величина продувки котла, относительная щелочность котловой воды, содержание углекислоты в паре. Несмотря на подготовку питательной воды, для поддержания концентрации солей на нужном уровне воду нужно частично или постоянно обновлять. Эта операция называется непрерывной или периодической продувкой. Непрерывная продувка производится из участков котла, где ожидается максимальная концентрация растворенных веществ. Периодическая продувка – из мест скопления шлама. Продувка котла по сухому остатку определяется по формуле

, где

П _к – суммарные потери пара и конденсата в долях паропроизводительности котельной; S _x – сухой остаток химически очищенной воды, мг/кг; S _к.в. – сухой остаток котловой воды, мг/кг принимают по паспортным или эксплуатационным данным. Для котлов с давлением меньше 14 ата, допустимая продувка не более 10 % паропроизводительности, солесодержание не более 500 мг/кг. При давлении в 40 ата продувка не более 5 % паропроизводительности, солесодержание чистой воды не более 250 мг/кг.

Солесодержание насыщенного пара для котлов с пароперегревателями для давлений 0.8–1.3 МПа должно быть не более 1 мг/кг, для более высоких давлений – не более 0.3 мг/кг.

Допустимое содержание углекислоты в паре не более 20 мг/кг. Концентрация СО₂ рассчитывается для безбарботажных деаэраторов или при отсутствии деаэрации воды по формуле

,

для барботажных деаэраторов по формуле

,

где - доля химически очищенной воды в питательной воде; – доля разложения Na₂CO₂ в котле (при давлении до 1.4 МПа – 0.72, при давлении выше 1.4 МПа – 0.83); ₁ – доля разложения NaHCO₃ в котле, равная 0.4.

Относительная щелочность воды во избежание межкристаллитной коррозии должна быть не более 20 % при наличии заклепочных соединений и не более 50 % при наличии вальцовочных соединений.

, Щ _от для паровых котлов не более 20 %. При отклонении одного из указанных параметров от допустимого, схему водоподготовки следует пересмотреть с целью снижения данного параметра.

Дата добавления: 2014-12-07