водоподготовка

А. М. ПАРАМОНОВ















В О Д О П О Д Г О Т О В К А



(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)























Омск 2012
Лекция №1
Значение водного режима в обеспечении надежной и экономичной эксплуатации теплосиловых установок. Применение воды в теплоэнергетике

Рабочим телом теплосиловых установок является водяной пар, получаемый из воды. Вода широко используется в различных отраслях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствуют широкое распространение воды в природе и ее особые термодинамические свойства, связанные со строением молекул. Использование воды связано с рядом затруднений, возникающих главным образом потому, что она содержит вещества, способные нарушать нормальную работу оборудования.
Из воды или под ее воздействием на внутренних поверхностях нагрева котельных агрегатов возникают отложения, обладающие низкой теплопроводностью, и вызывают перегрев металла труб и уменьшают его прочность. Имеющаяся в распоряжении исходная вода не может без обработки (очистки) являться теплоносителем в теплоэнергетических установках, поскольку современные теплоэнергетические станции и атомные электрические станции в энергетическом цикле используют воду высокого качества. Теплоэнергетическое оборудование тепловых электрических станций и промышленных котельных эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла. Такие отложения образуются из примесей, поступающих с водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей теплоэнергетических станций является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и другое. Таким образом, качество обработки воды на теплоэнергетических станциях тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного теплоэнергетического оборудования и теплоэнергетических систем.
Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке тепловой и электрической энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки воды. Эта вода является исходным сырьем, которое после надлежащей обработки используется для следующих целей:
а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, испарителях, паропреобразователях;
б) для конденсации отработавшего пара;
в) для охлаждения различных аппаратов и агрегатов;
г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.
Типичная схема обращения воды в рабочем цикле тепловой электрической централи приведена на рисунке 1.

1
· котлоагрегат;
2
· пароперегреватель;
3
· турбина;
4
· конденсатор;
5
· насос;
6
· подогреватель низкого давления;
7
· деаэратор;
8
· питательный насос;
9
· подогреватель высокого давления; 10, 11, 12
· сетевые подогреватели;
13
· потребитель; 14
· сетевой насос; 15, 16
· конденсатные насосы; 17, 18
· внешние потребители; 19
· конденсатный насос; 20
· сборная емкость; 21
· расширитель; 22
· теплообменник; 23
· водоподготовка (ВПУ).

В схемах обращения воды в рабочем цикле теплоэнергетической станции различают:

· исходная природная вода (Дисх) используется в качестве исходного сырья на водоподготовительной установке, а также для других целей;

· добавочная вода (Дд.в) направляется в контур для восполнения потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки;

· турбинный конденсат (Дт.к), содержащий незначительное количество растворенных и взвешенных примесей,
· основная составляющая питательной воды;

· возвратный конденсат (Дв.к) от внешних потребителей пара используется после очистки от внесенных загрязнений. Он является составной частью питательной воды;

· питательная вода (Дп.в), подаваемая в котлы, пароперегреватели для замещения испарившейся воды в этих агрегатах. Представляет собой главным образом смесь турбинного агрегата, добавочной воды, возвратного конденсата и конденсата регенеративных подогревателей;

· котловая вода, вода парогенератора
· вода, находящаяся в элементах указанных агрегатов;

· продувочная вода (Дпр)
· вода, выводимая из котла, парогенератора на очистку или в дренаж для поддержания в котловой (испаряемой) воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах одинаковы;

· охлаждающая или циркуляционная вода (До.в) используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара;

· подпиточная вода (Дв.п) подается в тепловые сети для восполнения потерь циркулирующей в них воды.
При эксплуатации теплоэнергетических станций возникают внутристанционные потери пара и конденсата:
а) в котлах при непрерывной и периодической продувке, при открытии предохранительных клапанов, при обдувке водой или паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, на распыление топлива в форсунках;
б) в турбогенераторах через лабиринтовые уплотнения;
в) в пробоотборных точках;
г) в баках, насосах, трубопроводах, через сальники, при испарении.
Обычно внутристанционные потери пара и конденсата не превышают 2-3% в различные периоды эксплуатации.
На промышленных тепловых электрических централях, отпускающих пар на различные технологические нужды предприятий, существуют внешние потери пара и конденсата, поэтому количество добавочной воды для таких тепловых электрических централей может достигнуть 10-50% количества генерируемого пара.

Природные воды, поступление примесей в воду.

Природная вода, разделяемая условно на атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера, пруды, болота), подземную (артезианские скважины, шахтные колодцы) и морскую (моря, океаны), всегда содержит различные примеси. Характер и количество имеющихся в воде примесей определяет качество воды, то есть определяет возможность использования ее для различных целей в промышленности и в быту. Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей ее среды. Вода, занимающая примерно 70% поверхности Земли, испаряясь, поступает в атмосферу, а после конденсации водяных паров в верхних слоях атмосферы возвращается на поверхность Земли в виде океанов, образуя поверхностные и подземные стоки и водоемы. Подземные стоки создаются при просачивании атмосферной воды в более глубокие слои почвы, где вода собирается над водонепроницаемыми пластами, стекает по ним и выходит вновь на поверхность Земли в местах выхода этих пластов, сливаясь с поверхностными стоками. Далее вода в руслах рек перемещается к озерам, морям, завершая этим свой природный круговорот. Наряду с природным существует производственно-бытовой круговорот воды, создаваемый в результате потребления ее для различных целей (охлаждение, коммунальное водоснабжение и тому подобное).
Примеси поступают в воду на всех этапах отмеченных круговоротов. Атмосферная вода является наиболее чистой природной водой, но и она содержит, кроме газов (О2 , N2 СО2 ), поглощаемых из воздуха, органические и неорганические вещества, количество и состав которых зависят от характера атмосферы. В районе промышленных центров она содержит сероводород, серную и сернистую кислоты, соляную кислоту, частицы пыли и сажи. Общее содержание солей в атмосферной воде не превышает 50 мг/кг. Просачиваясь через грунт, вода встречается с различными минеральными солями (NaCl, Na2SO4 , MgSO4 , CaCO3 , силикатами и другими солями) и органическими веществами, растворяет или механически захватывает их. При одновременном присутствии в воде О2 , органических веществ и микроорганизмов (бактерий), создаются условия для перевода основных составляющих органических веществ в минеральные кислоты ( углерода
· в угольную кислоту, азота
· в азотную, серы
· в серную, фосфора
· в фосфорную кислоту и тому подобное). Эти кислоты взаимодействуют с широко распространенными в природе известняками- карбонатами Са, Fe, доломитами CaMg(CO3)2 и другими породами, что приводит к поступлению в воду хорошо растворимых карбонатов Ca, Mg, Fe, например:

CaCO3 + H2CO3 Са(НСО3)2 Са2+ + 13 EMBED Equation.3 1415
MgCO3 + H2CO3 Mg(HCO3)2 Mg2+ + 13 EMBED Equation.3 1415
FeCO3 + H2CO3 Fe(HCO3)2 Fe2+ + 13 EMBED Equation.3 1415

При прохождении воды через толщу почвы захваченные ею механически грубодисперсные примеси и большая часть коллоидно-дисперсных примесей отфильтровываются, в связи с чем грунтовые (лежащие более глубоко между двумя водонепроницаемыми пластами) воды характеризуются невысокой концентрацией взвешенных и органических примесей. В то же время десорбция углекислоты из таких вод затруднена в связи со слабым газообменом их с атмосферой, что приводит к интенсивному растворению карбонатных пород и большому насыщению подземных вод бикарбонатами.
Количественный и качественный составы примесей рек и водоемов зависят от метеорологических условий и подвержены сезонным колебаниям. Так в весенний паводковый период воды содержат минимальное количество растворенных солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его солесодержание доходит до максимума. В летнее время состав речной воды определяется соотношением в питании доли поверхностного и подземных стоков.
Отмеченные изменения состава природных вод необходимо учитывать при использовании показателя качества воды с тем, чтобы не определять пригодность водотока по результатам единичного наблюдения.
Существенно большим разнообразием примесей по сравнению с природными водами характеризуются производственно-бытовые стоки. По характеру загрязнений эти стоки подразделяют на три группы:

· бытовые сточные воды;

· производственные сточные воды;

· стоки, образующиеся при лесозащитных и растениеводческих работах.
Первый и третий виды стоков имеют более или менее однообразный состав: белковые вещества и продукты их распада, жиры, синтетические моющие средства, различные удобрения и тому подобное. Эти примеси относятся в основном к классу органических веществ и в воде окисляются под действием О2 и микроорганизмов.
Загрязнения производственных стоков определяются главным образом типом предприятия, на котором они образуются. Концентрация примесей (кисло, щелочей, солей, нефтепродуктов, органических соединений) в сточных водах, подлежащих переработке и повторному использованию, может достигать нескольких граммов на 1 килограмм воды, и оказывать резко отрицательное влияние на водно-химические и биологические режимы водотока при аварийных сбросах: снижение концентрации О2 , изменение pH и тому подобное.

Классификация природных вод и их примесей.

Природные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них
· солесодержание воды: пресная вода
· солесодержание до 1 г/кг;
солоноватая
· солесодержание 1-10 г/кг; соленая
· солесодержание более 10 г/кг
Воды различают по преобладающему в них аниону:

· гидрокарбонатный класс вод с преобладающим анионом 13 EMBED Equation.3 1415 и суммой анионов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 (С);
· сульфатные воды (S);
· хлоридные воды (Cl).
По преобладающему катиону классы делятся на три группы: кальциевую (Са), магниевую (Mg) и натриевую (Na). Реки средней полосы европейской части России в основном относятся к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе (ССа).
Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют на истинно-растворенные (ионно- или молекулярно-дисперсные), распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул; коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0,1 мкм). Данная классификация носит условный характер. Грубодисперсные взвеси называются также взвешенными веществами.
Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и обладают значительной удельной поверхностью. Они не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтровальной бумагой). В природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся различные производные кремниевой кислоты (H2SiO3) и железа (Fe), органические вещества
· продукты распада растительных и животных организмов.
Грубодисперсные примеси (так называемые взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие, и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц большей плотности воды).
Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обуславливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтровании.
По химическому составу примеси природных вод можно разделить на 2 типа: минеральные и органические. К минеральным примесям относятся растворенные в воде газы N2 , O2 , CO2 ; образующиеся в результате окислительных и биохимических процессов NH3 , CH4 , H2S, а также газы, вносимые сточными водами, различные соли, кислоты, основания, находящиеся в диссоциированной форме, то есть в виде образующих их катионов и анионов.
К органическим примесям относят гумусовые вещества, вымываемые из почв и торфяников, а также а также органические вещества различных типов, поступающие в воду с сельскохозяйственными стоками и другими неочищенными стоками.

Характеристика ионизированных примесей.

Механизм поступления примесей в природную воду формирует определенное постоянство типа важнейших ионов.

Важнейшие ионы природных вод
Группа
Катион
Анион
Концентрация, мг/кг

І
Na+, K+, Ca2+, Mg2+
13 EMBED Equation.3 1415, Cl-, 13 EMBED Equation.3 1415
от нескольких единиц до десятков тысяч

ІІ
13 EMBED Equation.3 1415, Fe2+, Mn2+
13 EMBED Equation.3 1415, F-, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
от десятых долей до единиц

ІІІ
Cu2+, Zn2+, Ni2+, Al3+
HS-, Y-, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
больше десятых долей


Ионы натрия и калия с анионами вод не образуют труднорастворимых простых солей, практически не подвергаются гидролизу, поэтому их относят к группе устойчивых примесей. Концентрацию Na+ и К+ при анализе воды выражают суммарно.
Ионы Са и Mg относят к числу важнейших примесей воды и во многом определяют возможность ее использования для различных непроизводственных целей, так как эти ионы образуют труднорастворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами. При использовании воды с такими соединениями при упаривании или с ростом температуры происходит выделение труднорастворимых солей Са и Mg на теплопередающих поверхностях в виде твердой фазы.
В технологических процессах подготовки воды для снижения концентрации Са и Mg часто используется образование их труднорастворимых соединений, выводимых из воды до поступления ее в водопаровой тракт.
Ионы железа характеризуются подвалентностью и могут находиться в различных формах: Fe2+ и Fe3+. В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде Fe2+, отвечающего соединению Fe(HCO3)2 , которое при условии удаления растворенной углекислоты (выдерживании в открытом сосуде), легко гидролизуется, а при наличии в воде растворенного О2 окисляется с образованием краснокоричневой твердой фазы гидроксида железа Fe(OH)3 :
13 EMBED Equation.3 1415
В водах поверхностных источников железо может входить также в состав органических соединении; присутствие в воде соединений железа в повышенных концентрациях создает условия для развития железобактерий, образующих бугристые колонии на стенках трубопроводов. Концентрация железа в исходной воде может увеличиваться в процессе транспонирования ее по стальным и чугунным трубам вследствие наличия продуктов коррозии.
Гидрокарбонат-ионы (13 EMBED Equation.3 1415)
· важнейшая составная часть солевых компонентов воды. В природных водах кроме «полусвязанной» углекислоты (бикарбонатов), а в некоторых случаях и «связанной» углекислоты (ионы 13 EMBED Equation.3 1415), содержится так называемая «свободная» углекислота, находящаяся в виде растворенного в воде газа СО2 и его гидрата-молекул Н2СО3.
Хлорид-ионы (Cl-) с катионами обычно находящимися в воде не образуют труднорастворимых солей и при темпе6ратуре примерно 280С не подвергаются гидролизу или окислению.
Сульфат-ионы (13 EMBED Equation.3 1415) в поверхностных водах, не загрязненных органическими веществами, достаточно устойчивы, как ионы сильной кислоты они не подвергаются гидролизу и образуют труднорастворимую соль только с одним катионом воды
· Са2+. Однако растворимость сульфата Са при обычной температуре достаточно высока и в воде, как правило, не происходит выделения твердой фазы CaSO4 .
В воде имеются различные соединения кремниевой кислоты (силикаты). Ангидрид кремниевой кислоты (SiO2) с водой может образовывать кислоты типа метакремниевой (H2SiO3 (SiO2
· H2O), ортокремниевой H2SiO4 (SiO2
· 2H2O) и различных поликремниевых. Все эти кислоты малорастворимы и способны образовывать в воде коллоидные растворы.
В воде содержатся органические вещества, которые попадают в открытые водоемы в результате вымывания из почв и торфяников. Их объединяют обычно под общим названием гумусовых. Особенно загрязнены гумусовыми веществами водотоки болотного происхождения. Кроме того, поверхностные воды обогащаются органическими веществами в результате отмирания водной флоры и фауны с последующими процессами их химического и биохимического распада.
Гумусовые вещества вод разделяют условно на 3 группы:
гумусовые кислоты [примерная формула С60Н52О24(СООН)4] обычно находятся в водоемах в виде коллоидов;
коллоидные соединения фульвокислот;
истинно растворенные соединения фульвокислот.
Соли гумусовых кислот называются гуматами. Гуматы щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде, а гуматы кальция и железа труднорастворимы. Известно, что органические вещества являются главной причиной появления запахов и привкусов.
Лекция №2
Примеси технологических вод.

Для поддержания заданного нормами качества питательной воды на ТЭС организуют очистку основной ее составляющей – турбинного конденсата. Поступление примесей в конденсат происходит различными путями: с добавочной водой, восполняющей потери в цикле воды и пара; с присосами охлаждающей воды через неплотности в конденсаторах; с вводом корректирующих водный режим добавок; за счет коррозии конструкционных материалов оборудования и трубопроводов. В находящуюся под вакуумом часть контура подсасывается воздух, в результате чего теплоноситель обогащается такими газами, как O2,N2,CO2. С добавочной водой (обессоленной) в циклы ТЭС могут поступать коллоидно-дисперстные частицы, состоящие из соединений Fe, Al, Si и других элементов, в т.ч. в комплекс с органическими веществами. На ТЭС присос охлаждающей воды в конденсаторах составляет 0,02-0,0004% количества пара, поступающего в конденсатор. Т.к. охлаждающая вода является природной водой, то с ее присосом в паровую часть конденсатора вносятся практически все примеси природных вод, исключая грубодисперсные частицы, которые не могут проникнуть через возникающие неплотности – микротрещины и щели в системе конденсатора. Охлаждающая вода является главным источником кремнесодержащих соединений и превышающей на порядок внешние примеси с добавочной водой.
Водный теплоноситель, крнтактируя с конструкционными материалами, обогащается их продуктами коррозии – главным образом, коллоидно-растворимыми оксидами Fe и Сu.
Количество загрязняющих примисей зависит также и от ряда режимных факторов. Так, содержание продуктов коррозии Fe в турбинном конденсата обычно составляет 15-20 мкг/кг в период эксплуатации энергоблока со стабильной электрической нагрузкой, а в пусковой период повышается до 250-500 мкг/кг за счет интенсивного смыва ранее образовавшихся отложений. Аналогично в 3-10 раз увеличивается в пусковой период общее солесодержание и кремнесодержание турбинного конденсата. Исходя из этого, при выборе технологических схем и оборудования для очистки конденсата необходимо учитывать, что примеси в них содержаться в различных формах по степени дисперсности.
Из конденсатов, циркулирующих в цикле ТЭЦ, наиболее загрязненным является возвратный конденсат технологических (промышленных) потребителей пара. Загрязнения, непереходящие в конденсат, представлены широкой гаммой различных веществ: нефтепродуктов, химических веществ различных типов, минеральных примесей воды и др. Из-за присосов воздуха возвратный конденсат загрязняется атмосферными газами, что, учитывая большую протяженность конденсатопроводов, соединяющих ТЭС с промышленными предприятиями, приводят к интенсивной коррозии металла трубопроводов и загрязнению конденсата продуктами коррозии металла. Таким образом, возможность очистки конденсата и его использования должна решаться в каждом конкретном случае на основе технико-экономического анализа.

Физико-химические показатели качества воды.
Показатели, необходимые для характеристики качества воды, определяются характером использования воды различными потребителями. Например, качество, воды хоз.-питьевого назначения характеризуют с помощью показателей, не принимаемых во внимание при использовании воды на ТЭС.
Рассмотрим основные показатели природных вод, применяемых в теплоэнергетике как исходное сырье.
Минеральные примеси различных природных вод по качественному составу примерно постоянны и отличаются лишь концентрациями, установление которых и входит в задачу анализа природных вод. Важнейшие показатели качества воды, определяющие применимость для теплоэнергетических установок и метод ее обработки – это концентрация грубодисперсных примесей, концентрация ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, рН воды, удельная проводимость, технологические показатели (сухой и прокаленный остаток, щелочность, жесткость, кремнесодержание, окисляемость), концентрация растворенных газов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Содержание грубодисперсных (взвешанных) веществ выражают в миллиграммах на килограмм (мг/кг) и определяют фильтрованием 1 л пробы воды через бумажный фильтр, который затем высушивают при температуре 105-110°С до постоянной массы.
Прозрачность воды определяют с помощью методов шрифта и креста. Для 1-го способа применяют градуированный на сантиметры стеклянный цилиндр высотой 30 см, на дно которого подложен определенный шрифт. Столб воды в см, через который еще можно прочесть текст, и определяют прозрачность воды. Прозрачность по кресту определяется по той же методике, используя трубку длинной 35,0 см, диаметром 3,0 см, на дно которой помещают бумажный круг с крестом, имеющим ширину линий в 1 мм.
Мутность воды пропорциональна содержанию в воде взвешанных частиц, определяют, сравнивая анализируемую пробу с определенным эталоном мутности.
Концентрацию основных ионов-примесей природных вод определяют методами химического анализа и выражают в единицах мг/кг или мг-экв/кг. Правильность определения концентраций катионов и анионов, т.е. солей, образованных эквивалентным количеством ионов, проверяют на основании закона электронейтральности по уравнению:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
или
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1)
где в числителе приведены массовые концентрации ионов, а в знаменателе – соответствующие эквивалентные массы. Если правая и левая части приведенного равенства меньше чем на 1%, анализ можно считать выполненным правильно. В уравнениях не следует включать анион 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т.к. в левой части отсутствует соответствующая концентрация иона Н, а также оксиды 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, не присутствующие, как правило, в ионной форме.
Показатель концентрации водородных ионов (рН) воды характеризует реакцию воды (кислая, щелочная, нейтральная) и учитывается при всех действующих масс для воды, частично диссоциирующей на ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, согласно уравнению:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 появляются также в результате диссоциации кислот 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и щелочей 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (2)
Константа 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или, как ее часто обозначают, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, называется ионным произведением воды. При диссоциации воды, не содержащей посторонних примесей, ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 образуются в равных молярных (грамм-ионных) концентрациях, в сыязи с этим активность каждого из них согласно уравнению (2):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (3)
и составит при 22°С 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 моль/кг (г-ион/кг)и характеризует нейтральную реакцию. В кислой среде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а в щелочной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Реакцию раствора удобнее выражать показателями рН и рОН, каждый из которых является отрицательным логарифмом концентрации соответствующего иона. В нейтральной среде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Кислая среда - 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а щелочная 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Значение рН водных растворов определяет интенсивность диссоциации содержащихся в ней слабых кислот или оснований. С понижением рН, т.е. с повышением активности (или концентрации ионов Н+, процентное содержание недиссоциированных молекул слабых кислот повышается, а содержание их анионов понижается, для катионов слабых оснований наблюдается обратное соотношение. рН природной воды обычно колеблется в пределах 6-8 и зависит в основном от соотношения в воде концентраций 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Удельная электрическая проводимость растворов, характеризуемая электрической проводимостью 1 см3 (1 м3) жидкости с размерами граней 1 см (1 м) и выражаемая в см/см (см/м), является важным показателем качества природной и обработанной воды, указывающим на суммарную концентрацию ионогенных примесей. Удельная проводимость водных растворов, зависит от температуры, концентрации и типа электролита, степени его диссоциации и скорости движения ионов.

Технологические показатели качества воды.
Сухой остаток определяется, упаривая 1 л. профильтрованной воды, подсушивая остаток при 105°С и взвешивая его. При этом необходимо учитывать, что в указанных условиях термический распад бикарбонатов протекает в соответствии с уравнением
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
с выделением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т.е. вместо каждых 122 м2 бикарбонат-ионов в составе сухого остатка остается 60 мг карбонат-ионов. В реальных условиях сухой остаток может оказаться больше расчетного значения солесодержания (т.е. концентрации отдельных ионов) из-за того, что некоторые соли при температуре 105°С удерживают часть кристаллизационной воды и в сухом остатке присутствуют коллоидные, в т.ч. и органические, примеси. Поэтому сухой остаток нужно рассматривать как показатель лишь приближенно характеризующий загрязненность воды и дающий порядок его величины.
Плотный остаток определяют, подсушивая при 105°С упаренный остаток нефильтрованной воды, содержащей также и грубодисперсные примеси, концентрацию которых можно найти по разности плотного и сухого остатков воды.
Общей щелочностью воды (Що), мг-экв/кг, называют сумму миллинормальных концентраций всех анионов слабых кислот и гидроксильных ионов за вычетом концентрации ионов водорода (13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и некоторых солей слабых органических кислот (гуматов)):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
В зависимости от типа анионов, обуславливающих щелочность, различают щелочность бикарбонатную – Щб (13 EMBED Equation.DSMT4 1415), (обусловленную концентрацией бикарбонатных ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415), карбонатную – Щк (13 EMBED Equation.DSMT4 1415), силикатную – Щс (13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415), гидратную – Щг (13 EMBED Equation.DSMT4 1415), фосфатную – Щф (13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
В большинстве природных вод концентрация бикарбонат-иона преобладает над концентрациями других анионов слабых кислот, поэтому общая щелочность обычно численно совпадает с концентрацией бикарбонатов, выраженной в единицах мг-экв/кг.
Так как аналитически достаточно надежно определенным значением щелочности можно считать 10-5Н (0,01 мг-экв/л), учет гидратной щелочности следует проводить при концентрации ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 т.е. при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Экспериментально щелочность определяют титрованием пробы воды кислотой в присутствии кислотно-щелочных индикаторов (фенолфталеин, метиловый оранжевый), меняющих свою окраску при различных значениях рН.
Жесткость воды – один из важнейших показателей ее качества. Общей жесткостью (Жо) называют суммарную концентрацию ионов Са и Mg, выраженную в эквивалентных единицах (мг-экв/кг, а при очень малых значениях – в мкг-экв/кг). Общую жесткость воды подразделяют на кальциевую и магниевую. Часть Жо (в предельном случае при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 вся жесткость), эквивалентная содержанию бикарбонатов, называется карбонатной жесткостью (Жк). Карбонатная жесткость обуславливается присутствием в воде бикарбонатов Са и Mg 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Разность между общей и карбонатной жесткостями называется некарбонатной жесткостью (Жнк), т.е. она обуславливается наличием в воде хлоридов, сульфатов и других некарбонатных солей Са и Mg: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Процесс выделения из воды ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 получил название умягчение воды. Воды с высокой жесткостью дают плотные отложения на теплопередающих поверхностях.
По значению Жо природных вод установлена следующая классификация:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Окисляемость воды – это показатель, имеющий условное значение и представляющий собой расход какого-либо сильного окислителя, необходимого для окисления в определенных условиях органических примесей, которые содержаться в 1 л воды. Обычно для этих целей применяют перманганат калия (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) или бихромат калия (13 EMBED Equation.DSMT4 1415), различая перманганатную и бихроматную окисляемость. Результаты определения перманганатной окисляемости воды выражают в кислородных или перманганатных единицах (13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, мг/кг), различающихся в 3,95 раза. Бихроматная окисляемость обычно превышает в 2-2,5 раза перманганатную, а разность между ними позврляет судить об устойчивости органических примесей к действию окислителя. При определении окисляемости обоих видов происходит окисление не только содержащихся в воде органических веществ, но и некоторых неорганических примесей, например закаленного железа, сероводорода, нитратов. Поэтому следует еще раз подчеркнуть, что окисляемость характеризует содержание в воде органических веществ лишь приближенно и условно.
Окисляемость чистых грунтовых вод составляет обычно 1-3 мг 13 EMBED Equation.DSMT4 1415/кг, в то время как в воде поверхностных источников окисляемость повышается до 10-12 мг 13 EMBED Equation.DSMT4 1415/кг. В период паводок и в реках болотного происхождения – более 30 мг 13 EMBED Equation.DSMT4 1415/кг.
Концентрация растворенных газов в воде зависит от их природы, температуры воды и парциального давления, типа и концентрации минеральных и органических примесей воды, рН воды и т.п.

Биологические показатели качества воды.
В некоторых случаях химикам-теплоэнергетикам приходится готовить воду так называемого питьевого качества для систем открытого горячего водоснабжения либо использовать для водоснабжения и сброса стоков ТЭС свои крытые водоемы, служащие и для питьевого водоснабжения, в связи с чем необходимо иметь представление и о некоторых биологических качествах воды. Вода – среда для развития многочисленных форм вирусов, болезнетворных бактерий, простейших и сложных организмов. К числу бактериальных и вирусных водных инфекций относится дизентерия, брюшной тиф, холера и др.
Для определения бактериальной чистоты воды в качестве критерия выбрана кишечная палочка. Кишечные палочки отмирают в воде мене многих болезнетворных бактерий, поэтому их уничтожение в процессе обеззараживания воды гарантирует в значительной степени отсутствие болезнетворных бактерий. Количество кишечных палочек в воде выражается коли-титром (к-т), т.е. тем объемом воды выраженным в см3, в котором содержится одна кишечная палочка, или коли-индексом (к-и) – количеством кишечных палочек в 1 кг воды. Согласно ГОСТ для питьевой воды коли-титр должен быть не менее 300 (или к-и не более 3).
В поверхностных водоемах находится также большое количество водорослей и микроорганизмов. Совокупность водорослей и микроорганизмов называется фито- и зоопланктоном, организмы, населяющие дно водоемов, называются бентосом. Питьевая вода не должна содержать живых и мертвых планктонных организмов, продуктов обмена веществ и распада клеток этих организмов. Применение воды, содержащей планктон, затрудняет нормальное протекание процесса ее обработки для целей промышленного использования.
Содержание в воде различных примесей вызывает необходимость ее обработки в несколько стадий. На 1-м этапе удаляются коллоидные и грубодисперсные примеси. На последующих – ионно-дисперсные вещества и растворенные газы. Такой системный подход к выбранной последовательности обработки воды связан с оптимизацией технико-экономических показателей различных стадий обработки, с повышением надежности работы ВПУ в целом. Например, коллоидные вещества могут вызвать ухудшение показателей анионообменной части ВПУ (старение анионитов, увеличение расхода реагентов). Неэффективная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей является одной из причин образования отложений на поверхностях нагрева и их коррозии, что характеризует важность 1-го этапа очистки воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, называемого предочисткой.
Предочистка осуществляется на основе методов, в результате реализации которых при дозировке специальных реагентов некоторые примеси выделяются из воды в виде хлопьев. Основными технологическими процессами предочистки являются коагуляция (укрупнение) коллоидных примесей и известкование, которые совмещаются в одном аппарате-осветлителе в целях улучшения технологического эффекта и снижения затрат.

Лекция №3

Удаление из воды грубодисперсных и коллоидных загрязнений.
Методы осветления воды.

Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для подпитки котлов организуется в несколько этапов на водоподготовительной установке (ВПУ). На первом этапе из воды выделяются грубодисперсные и коллоидные вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность. На дальнейших этапах производится очистка воды от истинно-растворимых примесей. Предварительной обработкой воды (предочисткой) называется ряд операций, при которых нежелательные примеси воды удаляются в твердом виде
· в виде осадка с содержащейся в нем водой. Первый этап очистки воды
· предочистка
· необходим для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды, а также потому, что при отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения. Так, наличие в воде органических веществ приводит к изменению технологических свойств анионитов, способствует их старению, а, следовательно, и снижению (в 4-6 раз) срока службы. Присутствие в воде ионов железа более 50 мкг/кг вызывает обрывание мембран при очистке воды электродиализом. Неудовлетворительная очистка воды от крупнодисперсных и коллоидных примесей является одной из причин образования накипей на поверхностях нагрева и ухудшения качества пара. Поэтому предочистке добавочной и подпиточной воды придается важное значение.
Удаление из воды грубодисперсных примесей достигается осветлением ее путем отстаивания и фильтрования. Отстаивание воды является естественным процессом, при котором взвешенные в воде грубодисперсные частицы с плотностью, большей плотности воды, осаждаются под действием силы тяжести. Осветление воды отстаиванием осуществляется в осветлителях. Осветление воды путем фильтрования заключается в пропускании ее через осветлительные фильтры, загруженные зернистым материалом, задерживающим грубодисперсные примеси воды. Осветление воды без введения реагентов применяется в тех случаях, когда она загрязнена только грубодисперсными веществами. Обычные же поверхностные воды содержат значительное количество коллоидно-дисперсных веществ с диаметром частиц менее 100 мкм, которые не осаждаются в осветлителях и не задерживаются осветлительными фильтрами.

Фильтрующие материалы и основные характеристики
структуры фильтровальных слоев.

Для очистки воды от механических примесей в промышленных условиях используются главным образом зернистые «сыпучие» материалы. Основным требованием, которое предъявляется к таким материалам, является их устойчивость к обрабатываемой воде. Материал не должен загрязнять воду, поскольку это ведет к увеличению стоимости ее очистки. Фильтрующий материал также должен быть дешев и легкодоступен.
Применение зернистых материалов для удаления механических примесей вызвано особенностью строения их слоя, в котором частицы материала чередуются с пустотами, называемыми порами слоя. Соединяясь между собой, поры слоя образуют поровые каналы, по которым протекает очищенная вода. От формы, размеров и количества таких каналов в единице объема слоя будет зависеть не только гидравлический режим течения воды, но и качество ее очистки.
Именно поэтому рассмотрение общих положений теории фильтрования в зернистых слоях удобнее всего начать с геометрической характеристики этих слоев. На практике зернистый слой рассматривают усреднено как однородную изотропную среду, характеризуемую следующими понятиями.
Пористость слоя, м3/м3
· доля свободного объема в зернистом слое:
13 EMBED Equation.3 1415, (1)
где Vпор
· объем пор в слое зернистого материала;
Vсл = Vпор + Vт.ф
· суммарный объем зернистого слоя;
Vт.ф
· объем твердой фазы.
Из уравнения (1) следует:
13 EMBED Equation.3 1415, (2)
где ат.ф и
·т.ф
· насыпная масса и плотность зернистого материала, определяемые соответственно как 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 (Gт.ф
· масса твердой фазы).
Живое сечение
· суммарная площадь пор в миделевом сечении (сечении, перпендикулярном вектору потока жидкости зернистого слоя):
Fж.с = Fап
·
· Fт.ф , (3)
где Fап и
· Fт.ф
· площадь сечения аппарата и суммарная площадь сечения всех частиц твердой фазы зернистого слоя.
Доля свободного сечения:
13 EMBED Equation.3 1415, (4)
При равномерной загрузке аппарата в зернистых слоях соблюдается равенство
· =
·s.
13 EMBED Equation.3 1415, (5)
где hсл
· высота зернистого слоя.
Поверхность зерен слоя
· произведение «смоченного» периметра, то есть суммы контуров всех омываемых частиц, на высоту зернистого слоя, м2:
Sз.сл = р
· hсл , (6)
Поверхность зерен слоя, м2/м3, принято относить либо к единице объема слоя:
13 EMBED Equation.3 1415, (7)
либо к единице объема зерен, м2/м3, в слое:
13 EMBED Equation.3 1415, (8)
Значения So и 13 EMBED Equation.3 1415 соответственно называются удельной поверхностью слоя и удельной поверхностью зерен в слое.
13 EMBED Equation.3 1415, (9)
Если слой состоит из микродисперсных частиц правильной шаровой формы, то:
13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415, (10)
где d
· диаметр шарообразных зерен слоя.
Для полидисперсных слоев, состоящих из шарообразных частиц с разными диаметрами в (10) используют средний поверхностный диаметр зерен d.
13 EMBED Equation.3 1415,
где gi
· массовая доля зерен с данным диаметром di .
Коэффициент формы (
·ф)
· им характеризуют отклонение формы зерна от сферической:
13 EMBED Equation.3 1415,
где dv
· диаметр шара, объем которого равен объему V рассматриваемого зерна неправильной формы (13 EMBED Equation.3 1415);
ds
· диаметр шара, поверхность которого равна поверхности S рассматриваемого зерна неправильной формы (13 EMBED Equation.3 1415);
dc
· средний диаметр сита, через которое данное зерно проходит, и диаметр сита, на котором оно задерживается.
Гидравлический радиус
· отношение площади «живого» сечения к «смоченному» периметру:
13 EMBED Equation.3 1415.
Эквивалентный диаметр каналов слоя dэ = 4rг . Для каналов круглого сечения соотношение между диаметром канала и гидравлическим радиусом в гидравлике определяется равенством:
13 EMBED Equation.3 1415; dэ = 4rг .
Извилистость каналов слоя:
13 EMBED Equation.3 1415,
где l
· высота элементарного участка; l0
· длина поры.
Коэффициент неоднородности
·
· характеризует широту диапазона диаметров полидисперсных загрузок:
13 EMBED Equation.3 1415,
где d80 и d10
· диаметры отверстий сит, через которые проходят 80 и 10% зерен образца.
Пример некоторых фильтрующих материалов: кварцевый песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит.
Дисперсный состав фильтрующих материалов, используемых в практике очистки воды на теплоэнергетических станциях, ограничивается, с одной стороны, гидравлическим сопротивлением фильтрующего слоя (нельзя применять слишком мелкие материалы), с другой
· качеством очищенной воды (на крупнозернистых материалах эффективность очистки невысока). Нижний предел дисперсного состава ограничивается также конструктивными (соображениями) особенностями механических фильтров
· размер зерен не должен быть меньше размера отверстий дренажных устройств, через которые отводится вода из фильтра. Это ограничение влечет за собой и требование повышенной механической прочности фильтрующих материалов, ограничивающей появление мелкой фракции, а, следовательно, увеличивающей срок его их эксплуатации.
Из всех упомянутых фильтрующих материалов наибольшее распространение в производстве добавочной воды на теплоэнергетических станциях получил антрацит. Он достаточно дешев, а главное, химически стоек. Механическая прочность антрацита такова, что годовые потери не превышают 2,5%. В технологических схемах очистки конденсата используют чаще всего отработанные сульфоуголь или катионит КУ-2. В последнее время широкое распространение получил новый фильтрующий материал – сополимер дивинилбензола и стирола, являющийся отходом производства ионитов. Этот материал обладает очень высокой химической стойкостью, практически не загрязняет очищенный конденсат, способен достаточно полно удалять механические примеси, слеживается значительно меньше сульфоугля и катионита КУ-2.

Механизм задержания взвесей слоем зернистого материала.

Различают две основные причины задержания взвесей фильтрующим слоем: механическое задержание частиц взвеси на входе в каналы слоя и адгезию (прилипание) частиц взвеси на поверхности зерен слоя. При любой технологической организации процесса очистки воды на зернистых слоях оба явления имеют место.
Механическое задержание частиц взвеси имеет место прежде всего тогда, когда диаметр частиц больше диаметра каналов фильтрующего слоя. Перекрывание поровых каналов слоя возможно также и меньшими частицами взвеси. Так, при больших концентрациях улавливаемых частиц перекрывать поры могут группы частиц взвеси, размер которых в 10 раз меньше размера порового канала. В этом случае принято говорить об образовании «сводиков» над входом в поровый канал. Перекрывание каналов внутри фильтрующего материала происходит вследствие локального концентрирования взвеси, протекающей внутри слоя. Если перекрывание лобовых каналов слоя ведет к накоплению частиц взвеси на поверхности фильтрующего слоя, то перекрывание внутренних каналов приводит к накоплению ее в объеме фильтрующего слоя. Отсюда различают два вида механического фильтрования: поверхностное и объемное. При поверхностном фильтровании мелкие частицы взвеси, обладающие огромными значениями удельной поверхности, образуют собственный фильтрующий слой. Хотя толщина такого слоя и незначительна, однако сопротивление его из-за высокой удельной поверхности частиц, образующих его, весьма велико.
При объемном фильтровании рост перепада давления на слое фильтрующего материала будет зависеть от всей омываемой поверхности слоя. При перекрывании отдельных каналов внутри слоя одновременно происходит увеличение поверхности фильтрующего слоя за счет появления поверхности «сводика» и уменьшения ее за счет исключения поверхности перекрытого канала (см. рисунок). Таким образом, общая омываемая поверхность фильтрующей загрузки практически не изменится. Увеличение перепада давления на слое фильтрующего материала в этом случае происходит главным образом за счет уменьшения его пористости. Из опыта работы насыпных механических фильтров известно, что при объемном фильтровании большая часть частиц взвеси локализуется в верхней части фильтрующего слоя высотой 0,1- 0,3 м.

Физическая модель работы механического фильтра.

Устойчивому накоплению взвеси внутри фильтрующего слоя путем перекрывания его внутренних каналов предшествует прежде всего взаимодействие частиц улавливаемой взвеси с поверхностью зерен фильтрующего материала.
При прохождении частицы взвеси внутри фильтрующего слоя материала траектория ее отклоняется в результате действия вандер-ваальсовых сил. Такое отклонение сопровождается потерей скорости движения частицей взвеси, поскольку с приближением к границе порового канала слоя скорость течения жидкости уменьшается и на границе равна нулю. Если между частицей взвеси и поверхностью фильтрующего материала вследствие одинаковых знаков электрических зарядов их поверхностей существует энергетический барьер , то движение частицы к поверхности заканчивается в том месте пространства, которое отвечает нулевой энергии взаимодействия. Чем больше энергетический барьер, тем дальше от поверхности прекращается перемещение к ней частицы и тем больше в этом месте пространства скорость частицы. Под действием последней частица взвеси, огибая по линии тока зерно фильтрующего материала, уходит в застойную зону, где скорость движения жидкости практически равна нулю. Обычно для каждого зерна это кормовые области или области, примыкающие к точкам контакта между зернами. Поэтому чем больше энергетический барьер, тем быстрее частица попадает в застойную зону и, как бы прилипнув к поверхности зерна фильтрующего материала, остается на ней.
При очень медленном движении частицы взвеси к ней из глубины канала может подойти другая частица. В результате подобного взаимодействия многих частиц на стенке порового канала фильтрующего слоя будет образовываться конгломерат частиц взвеси, в котором все частицы, слипшись, образуют единое целое. Разъединению частиц в таком конгломерате препятствуют действующие между ними вандер-ваальсовые силы, а более плотному слипанию – электрические силы.
С самого начала механического фильтрования процесс прилипания (адгезии) частиц взвеси начинается с лобового слоя зерен фильтрующего материала и распространяется вглубь фильтрующего слоя. Поскольку прилипание неизбежно ведет к уменьшению концентрации твердой фазы в движущейся жидкости, можно представить себе некоторую высоту слоя фильтрующего материала, ниже которой концентрация твердой фазы практически равна нулю. Эту высоту принято называть минимальной высотой фильтрующего слоя.
С течением времени накопившиеся на поверхности зерен лобового слоя конгломераты начинают срываться и проникать в глубокие слои фильтрующего материала. На их место откладываются новые частицы, на которых растут новые конгломераты. Если концентрация частиц в фильтруемой воде невелика, то процессы отложения и срыва происходят одновременно, а концентрация твердой фазы возрастает и становится равной концентрации их в исходной воде. Этот момент отвечает концу стадии формирования фронта фильтрования. Обладая большим размером, конгломераты, группируясь, способны участвовать в процессе перекрывания поровых каналов внутри фильтрующего слоя путем образования «сводиков». Если высота фильтрующей загрузки будет равна или меньше минимальной высоты фильтрующего слоя, то в фильтрате в первый момент появится некоторая концентрация улавливаемого вещества. Появление такой концентрации получило название проскока, а величину ее называют проскоковой концентрацией. Минимальная высота фильтрующего слоя определяется скоростью фильтрования, диаметром порового канала или средним диаметром зерен фильтрующего слоя, с уменьшением которого минимальная высота снижается.
В реальных условиях работы механических фильтров, диаметр зерен фильтрующей загрузки которых составляет примерно 0,5 мм и более (крупнозернистые загрузки), высота фильтрующего слоя близка к минимальной высоте фильтрующего слоя, хотя высота фильтрующего слоя составляет иногда примерно 2 мм. Эти фильтры получили название насыпных фильтров.
Таким образом, большинство фильтров работает в условиях проскока или близких к проскоку. При таких условиях работы фильтра массовый срыв конгломератов с поверхности зерен, расположенных в середине или внизу фильтрующей загрузки, приводит к периодическому увеличению концентрации взвеси в фильтрате. Это явление на практике получило название самоочищения механического фильтра.
При уменьшении диаметра поровых каналов (диаметра зерен фильтрующей загрузки) можно создать условия чисто поверхностного фильтрования. В этом случае не требуется высоких слоев фильтрующего материала. Тонкослойные фильтры с мелкозернистым фильтрующим слоем (dср
· 0,05 мм) называются намывными фильтрами. Поскольку реальные взвеси имеют определенный спектр дисперсности, нижняя граница которого меньше среднего диаметра поровых каналов загрузки намывных фильтров, рассмотренный выше механизм имеет место и при работе намывных фильтров. Разница между намывными и насыпными фильтрами заключается в том, что при работе последних задерживаемая взвесь скапливается выше верхней границы загрузки только к концу работы фильтра, а при работе первых – с самого начала, то есть насыпные фильтры работают в основном в режиме объемного фильтрования, постепенно переходящего в поверхностное, а намывные работают, главным образом, в режиме поверхностного фильтрования, сопровождающегося объемным.



















Особенности задержания взвесей мелкозернистым слоем.

Намывные механические фильтры получили свое название от процесса загрузки в них фильтрующего материала, который перед началом фильтрования подается на намывной фильтр в виде концентрированной суспензии. Твердые частицы этой суспензии отделяются от ее жидкой фазы на специальной фильтровальной перегородке. Накапливаясь на последней, частицы суспензии создают слой определенной высоты, зависящей от концентрации и времени прокачки исходной суспензии. Процесс этот принято называть намывным. По окончании намыва в фильтр подают очищаемую воду. Задержание взвешенных в воде частиц происходит уже не на фильтровальной перегородке, а на ранее намытом фильтрующем слое (рисунок).
Рисунок – Формирование вторичного фильтрующего слоя:
1 – фильтровальная перегородка; 2 – частицы намывной суспензии; 3 – частицы, задержанные при очистке воды.
Для намыва фильтрующего слоя используют суспензии фильтровальных порошков (например, фильтрперлит – это белый фильтровальный порошок, приготовленный путем измельчения правильных шарообразных частиц технического перлита, который получается путем термической обработки материала вулканического происхождения, известного под названием перлит и состоящего в основном из оксидов кремния и алюминия). Средний поверхностный диаметр частиц фильтровальных порошков, используемых в намывных фильтрах, составляет (15 – 60)
·10-6 м.
Задерживаемые мелкозернистым фильтрующим слоем частицы образуют на его поверхности собственный фильтрующий слой, называемый вторичным фильтрующим слоем, который сразу же становится основным источником гидравлического сопротивления. Темп роста сопротивления возрастает с ростом скорости фильтрования и концентрации взвешенных частиц в очищаемой воде. Поэтому при больших концентрациях частиц, характерных, например, для осветленной после коагуляции или известкования воды, применение намывных фильтров нецелесообразно из-за слишком быстрого роста перепада давления, сводящего к минимуму период работы фильтра, что является неэкономичным не только потому, что требует для непрерывной очистки потока воды большего количества резервных площадей фильтрования, подключаемых к работе в момент смыва и намыва материала на основные фильтры, но также и из-за увеличенного расхода фильтрующего материала, который на намывных фильтрах вследствие трудности отделения от уловленных частиц взвеси используется однократно. Поэтому намывные фильтры и применяются только для очистки конденсатов и вод, где концентрация твердых продуктов коррозии железа не превышает 100-50 мкг/кг.
Качество фильтрата после намывных фильтров обычно стабильно.
Лекция №4

Физико-химические основы коагуляции коллоидных примесей воды.
Характеристика коллоидных систем.

Если очистка воды от грубодисперсных примесей (ГДП) может быть принципиально осуществлена обычным отстаиванием и механическим фильтрованием, время которого определяется размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за счет их агрегативной устойчивости могут быть выделены из воды только методом коагуляции. Коагуляция – физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения. В практике водоподготовки под коагуляцией понимают очистку воды от коллоидных веществ с одновременной очисткой от ГДП и обесцвечиванием воды путем дозировки в обрабатываемую воду специального реагента – коагулянта.
Для коллоидных систем характерны 2 основных признака: гетерогенность и дисперсность. 1-й из признаков указывает на наличие межфазной поверхности (поверхностного слоя), определяющие самые существенные и характерные свойства коллоидных систем. 2-й признак – дисперсность (раздробленность) – либо определяется по 3-м измерениям тела, либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной дисперсностью, либо, наконец, используется 3-я характеристика раздробленности – удельная площадь поверхности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (отношение межфазной поверхности к объему тела).
Учитывая эти признаки, коллоидные системы можно охарактеризовать и определенным видом энергии, которым они обладают. Гетерогенность предопределяет наличие поверхностного натяжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, причем чем сильнее различаются фазы по своей природе, чем выше поверхностное натяжение.
Произведение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 равняется поверхностной энергии G, которая проявляется при таких явлениях, как адгезия, прилипание, смачивание, адсорбция и при электрических явлениях с изменением дисперсности.
Коллоидные системы, обладающие большим избытком поверхностной энергии, стремятся уменьшить ее за счет снижения поверхностного натяжения благодаря поверхностной адсорбции других веществ, что формирует структуру поверхностного слоя и наделяет этот слой свойствами отличными от свойств основной фазы. Избирательная адсорбция приводит к приобретению соприкасающими фазами зарядов противоположного знака, но различной величины, т.е. возникает двойной электрический слой, обуславливающий различные электрокинетические явления.

Основы теории двойного электрического слоя.

Возможны три механизма образования двойного электрического слоя (ДЭС): во-первых, за счет перехода ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация), во-вторых, благодаря адсорбции примесей водных сред и, в-третьих, за счет определенного ориентирования молекул сопряженных фаз в результате их взаимодействия. Для водных коллоидных систем характерны все возможные виды ДЭС, причем роль каждого из них в значительной мере связана со значением рН среды и химическими свойствами коллоидных соединений. Т.к. все явления на межфазных поверхностях коллоидных систем обусловлены наличием ДЭС и количественные связи между коллоидными частицами зависят от его строения, то представляется важным оценить строение ДЭС.
Двойной электрический слой впервые рассмотрен Гельмгольцем в виде плоского конденсатора с расстоянием между 2-мя рядами разноименно заряженных ионов, близким к размеру диаметра молекул. На этом участке потенциал линейно снижался от значения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 0. Однако такое строение не учитывает теплового движения ионов.
Современная теория строения ДЭС рассматривает слой в виде 2-х частей (рис.). Одна его часть находится у межфазной поверхности и образует адсорбционный слой (слой Гельмгольца) толщиной
·, соответствующая диаметру гидратированных ионов, находящихся в нем. Остальная часть противоионов находится в диффузной части толщиной
·, зависящей от свойств и состава раствора и коллоидной системы. Значение потенциала в слое Гельмгольца при удалении от потенциалообразующих ионов снижается линейно от
·о до потенциала диффузного слоя
·б, а затем изменяется по экспоненте. Толщина диффузного слоя
· соответствует, как было условно принято, расстоянию, на котором потенциал диффузного слоя снижается в е раз, т.е. в 2,718 раза.
Концентрация ионов в диффузном слое на расстоянии х от границ радела фаз пропорциональна распределению Больцмана:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1)
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 концентрация иона;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 валентности ионов в объеме раствора за пределами диффузного слоя;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 характеризцет работу по перемещению 1 моля ионов из объема раствора на расстояние х до границы раздела фаз;
F – число Фарадея;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 потенциал на расстоянии х, изменяющийся от 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Использовав (1), можно оценить объемную плотность заряда
· для сферического электрического поля в диффузном слое:
в присутствии 1-го электролита
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (2)
в присутствии же нескольких электролитов
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (3)
Уравнение выражающее закон изменения поверхностного потенциала от расстояния в диффузной части ДЭС и от свойств раствора:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (4)
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 абсолютная диэлектрическая проницаемость.
С помощью (4) можно численно оценить толщину диффузного слоя
· на границе раздела фаз.
Кроме свойств раствора на формирование ДЭС у поверхности твердой фазы оказывает влияние ее природа. В настоящее время сформировалось представление о том, что на поверхности оксидов, находящихся в водных растворах, потенциалообразующими ионами ДЭС являются ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в зависимости от рН среды и кислото-основных свойств оксидов. Например, гидроксид кремния обладает ярко выраженными кислотными свойствами, и поэтому при рН выше изоэлектрической точки [рН изоэлектрической точки (рНиэ) – это то значение рН, при котором данное вещество не диссоциирует: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415] его поверхность заряжена отрицательно. Гидроксид Fe имеет основные свойства, что определяет положительный заряд на его поверхности, так же как и органических оснований.
В коллоидных системах ДЭС возникает на поверхности частиц. Частицу дисперсной фазы вместе с ДЭС называют мицеллой. Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного вещества 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, на поверхности которого расположены потенциалообразующие ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Агрегат с потенциалообразующими ионами образуют ядро мицеллы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Ядро с противоионами плотной части ДЭС составляет границу 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (значение
· показывает долю диссоциированных молекул вещества). Заряженная гранула, окруженная противоионами диффузного слоя, представляется электронейтральной мицеллой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Электрокинетический потенциал.

При тепловом движении молекул коллоидные частицы вовлекаются в молекулярно-кинетическое движение среды. Это явление было обнаружено в 1927г. Р. Броуном. В настоящее время доказано, что молекулы среды сталкиваются с частицами дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон (более 1020 толчков/с). При больших размерах частиц результирующий импульс огромного числа ударов со всех сторон согласно соответствующему закону статически оказывается равным 0, и частица большой массы и инерционности не будет двигаться под действием теплового движения молекул. Очень малые частицы имеют значительно меньшую массу и поверхность, на которую будет приходиться гораздо меньше число ударов, поэтому увеличивается вероятность неравномерности распределения импульсов с разных сторон в результате чего частица приобретает колебательное и поступательное движение. Частицы перемещаются тем быстрее, чем меньше размер частицы, вязкость жидкой фазы и чем выше температура.
При движении коллоидных частиц в жидкости, т.е. при относительном перемещении фаз, происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Часть диффузного слоя захватывает частица, а часть ионов остаются в растворе, в результате чего устанавливается разность потенциалов между движущейся коллоидной частицей и окружающей ее средой на поверхности скольжения при отрыве части диффузного слоя. Потенциал на поверхности скольжения называется электрохимическим потенциалом или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (дзета) – потенциалом.
Значение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 – потенциала всегда меньше потенциала ДЭС и это различие тем больше, чем меньше толщина диффузной части слоя. Поэтому такие факторы, как понижение температуры, введение в раствор электролита, не взаимодействующего с поверхностью, а также увеличение заряда его ионов, снижая толщину диффузного слоя, уменьшают электрокинетический потенциал.
Коллоидные системы в природных водах имеют обычно одинаковы отрицательный заряд и характеризуется агрегативной устойчивостью, т.е. стабильностью дисперсности, распределением по объему и взаимодействием между частицами. Потеря агрегативной устойчивости дисперсной системой, заключающейся в слипании частиц, представляет собой, как отмечалось, коагуляцию, которая приводит, в конечном счете, к расслоению фаз.
Схема переходов дисперсных систем в различные состояния представлена на рисунке. Устойчивая дисперсная фаза, равномерно распределенная по всему объему, может образовываться в результате конденсации из истинного раствора. Потеря агрегативной устойчивости при воздействии на систему – 1-й этап коагуляции заключается в сближении коллоидных частиц и взаимной их фиксации на небольших расстояниях, разделенных прослойками среды, с образованием так называемых флоккул, в которых частицы обладают относительной подвижностью при воздействии относительно небольших сил. Обратный процесс разрушения флоккул называется пептизацией. Боде глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек жидкости и непосредственному контакту частиц с образованием жестких структур из твердых частиц (или слиянию жидких, например нефтепродуктов, называемому коалесцекцией). Разрушение образовавшихся структур можно достичь только принудительным диспергированием. Таким образом, в ходе коагуляции осуществляется ряд процессов структурообразования, протекающих с уменьшением удельной поверхности системы. Каждая промежуточная структура имеет свои свойства.
В практике водоподготовки осуществление коагуляционных процессов с использованием электролитов для уменьшения дзета-потенциала приводит к необходимости снижения рН при коагуляции природных вод и повышению их солесодержания, что недопустимо по технико-экономическим соображениям с учетом последующей стадии удаления ионизированных примесей из обрабатываемой воды.
При подготовке добавочной воды используют вариант коагуляции, связанный с взаимной коагуляцией разнородных дисперсных систем – гетерокоагуляцией. Она происходит тем эффективнее, чем полнее произойдет нейтрализация зарядов частиц в смешиваемых дисперсных системах с противоположными знаками заряда коллоидных частиц природных вод (обычно заряженных отрицательно) и искусственно созданной коллоидной системой с положительным зарядом. Предочистка природных вод от коллоидных примесей методом коагуляции производится добавлением минеральных солей с гидроизолирующими катионами (коагулянтов), анодным растворением металлов или изменением рН среды в тех случаях, когда в сточных водах содержаться в достаточном количестве катионы, способные при гидролизе обрабатывать труднорастворимые соединения. В качестве коагулянтов применяются обычно сульфат алюминия 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или сульфат железа 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, причем последний реагент используют при совмещении процессов коагуляции и известкования (содоизвесткования). Это связано с тем, что окисление 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 кислородом, растворенным в обрабатываемой воде, происходит медленно и скорость окисления достигает практически приемлемого значения лишь при рН>8.
Гидролиз сернокислого Al при введении его в определенном количестве в обрабатываемую воду, содержащую бикарбонат, можно представить комплексом реакций, выражаемых схемами
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Схема включает наряду с диссоциацией и собственно гидролизом 3 сопутствующих реакции: 1) нейтрализацию ионов Н, образующихся при гидролизе (13 EMBED Equation.DSMT4 1415); 2) формирование гидроксидбикарбонатных соединений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 из-за конкуренции ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 за координационные участки 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; 3) возникновение основных солей Al с другими анионами воды 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, например оксисульфатов типа 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
При щелочности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 мг-экв/кг не возникает затруднений в отводе из сферы реакции образующихся катионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, поэтому разность между щелочностями исходной и обрабатываемой воды близка к расчетной. В этом случае щелочность уменьшается на значение равное дозе коагулянта. В тех случаях, когда щелочность обрабатываемой воды недостаточна для связывания образующихся при гидролизе коагулянта ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 необходимо воду подщелачивать для достижения полноты гидролиза всего введенного коагулянта.
После ввода коагулянта в обрабатываемой воде через несколько минут появляются хлопья белого или желтого цвета, однако до образования видимых хлопьев частицы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 проходят коллоидную фазу дисперсности и характеризуются положительным знаком заряда. На этой скрытой стадии коагуляции происходит главным образом сложный комплекс процессов очистки воды от коллоидных примесей: взаимная коагуляция разноименно заряженных коллоидов при взаимодействии дестабилизированными участками поверхности (гетерокоагуляция), электролитная коагуляция под влиянием ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. В дальнейшем микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперсные примеси и воду и образуя коагуляционную структуру в виде хлопьев (флоккул) размером 0,5-3 мм. Макрофаза затем выделяется из воды в аппаратах для коагуляции – осветлителях или на поверхности фильтрующего материала механических фильтров.


















Физико-химические основы процессов осаждения.

Один из способов осаждения солей жесткости – процесс известкования. Он основан на том, что щелочность воды обусловлена в основном ионами 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, находящимися в химическом равновесии, зависящим от значения рН, с недиссоциированной угольной кислотой и карбонатионами. При вводе гашеной извести 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, получаемой гидратацией («гашением») СаО, снижение щелочности достигается повышением рН воды более 9,5 с выводом труднорастворимого вещества СаСО3 (карбонатионов). В общем случае процесс известкования состоит из следующих стадий диссоциации
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1)
приводящей к повышению рН;
гидратации свободной углекислоты и последующей диссоциации по схеме
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (2)
диссоциации бикарбонат-ионов, присутствующих в воде и определяющих ее щелочность,
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (3)
выделения в твердую фазу ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (содержащичся в исходной воде) и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (4)
При превышении дозы извести над ее количеством, необходимым для декарбонизации, в воде появляется избыточная концентрация гидроксильных ионов и может быть превышено произведение растворимости 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, который, в этом случае, выделится в твердую фазу:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (5)
При совмещении процессов известкования и коагуляции в качестве коагулянта используется закисное железо 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (железный купорос). При введении его в воду наряду с гидролизом происходит дальнейшее окисление железа кислородом с образованием гидроксида железа по реакции:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (6)
Из-за невысокой стоимости устройств коагуляции их целесообразно совмещать при проектировании с установками для.
Во всех случаях процессы, протекающие при известковании и выраженные химическими реакциями (1)-(6), позволяют определить требуемую дозу извести и проанализировать области технологической применимости известкования. Как следует из основ процесса известкования, снижение щелочности происходит в результате образования труднорастворимого 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, для чего эквивалентное содержание 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, содержащее в исходной воде и введенного с известью, должно быть не меньше, чем количество образующихся ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Передозировка извести вызовет выделение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, что, однако, не будет сопровождаться снижением щелочности и жесткости обработанной воды, а вызовет замену некарбонатной магниевой жесткости на кальциевую по реакции:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (7)
Следует учитывать, что присутствие гидроксида Mg в осадке способствует снижению кремнесодержания на 25-30% за счет адсорбции ионов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 на свежеосажденном гидроксиде Mg.
Лекция №5

Технология очистки воды.
Предварительная очистка воды.
Очистка воды методом коагуляции.

При организации процесса коагуляции с использованием гидролизующихся коагулянтов необходим учет основных факторов, определяющих оптимальное осуществление технологии. Оптимальная доза коагулянта, то есть его минимальное количество, которое обеспечивает максимальное снижение концентрации коллоидных и грубодисперсных примесей. В обрабатываемой воде определяется главным образом качественным и количественным составом коллоидных и растворенных примесей, их физическими и физико-химическими свойствами.
В настоящее время теоретические разработки не дают возможности точного расчета необходимой дозы коагулянта. Поэтому оптимальные дозы коагулянта устанавливаются опытным путем для каждого источника водоснабжения в характерные периоды года методом параллельного введения в термостатированные сосуды с определенным объемом воды различных количеств коагулянта с последующей оценкой интенсивности хлопьеобразования, скорости оседания хлопьев и определением остаточных концентраций органических веществ, железа и кремнесодержащих соединений, ионов алюминия.
Для большинства поверхностных вод доза коагулянта сернокислого алюминия колеблется в пределах 0,5 – 1,2 мг-экв/кг, железа – 0,1 – 0,5 мг-экв/кг.
Гидроксиды алюминия или железа, образующиеся за счет гидролиза вводимого коагулянта, могут быть получены в водных растворах путем электрохимического растворения соответствующих металлов. При подаче постоянного тока напряжением 3 – 4 В на две пластины из алюминия или железа будет протекать процесс анодного растворения металла с переходом в раствор ионов Al3+ и Fe2+. Одновременно на катоде произойдет восстановление ионов водорода:
2Н+ + 2е Н2 пузырек водорода.
Он вызовет дополнительную диссоциацию молекул Н2О с образованием ионов ОН-. При наличии в обрабатываемой воде растворенного О2 на катоде образуются ионы ОН- согласно реакции
2Н2О + О2 + 4е 4ОН-
с дальнейшим образованием гидроксидов соответствующих металлов.
Основными недостатками пластинчатых электрокоагулянтов является малая интенсивность процесса и большие затраты металла, что ограничивает применение метода электрокоагуляции для обработки вод на водоподготовительных установках.
Значение рН среды при коагуляции играет двоякую роль. Во-первых, концентрация гидроксильных, и, следовательно, водородных ионов определяет скорость и полноту гидролиза коагулянта. Для полного гидролиза Al2(SO4)3 достаточно рН = 5,5 ч 7,5. В этом интервале рН наряду с гидроксидом алюминия образуются также труднорастворимые оксисульфаты (рисунок 1).
Рисунок 1 – Процентное распределение р продуктов гидролиза Al2(SO4)3 в зависимости от рН воды.

При избытке ионов Н+ (рН < 5,5) оксисульфат диссоциирует как щелочь, то есть не происходит образования новой кинетически неустойчивой фазы и, соответственно, не наблюдается энергичной коагуляции. При увеличении рН > 7,5 гидроксид алюминия как амфотерное вещество начинает вести себя как кислота:

Al(OH)3 НAlO2 + H2O

HAlO2 H+ + 13 EMBED Equation.3 1415

В коагулированной воде возрастает концентрация алюминат-ионов 13 EMBED Equation.3 1415. Во-вторых, значение рН должно быть оптимальным для исключения повышенной растворимости исходных коллоидных примесей (гуминовых кислот, поликремниевых кислот и других соединений), а также для сохранения их отрицательного знака дзета-потенциала (рН среды > рНо.э). Так, для снижения окисляемости воды, определяемой гуминовыми веществами, их коагуляцию желательно проводить при рН = 5,5 ч 6,0, то есть у нижней границы по условиям гидролиза коагулянта, так как в этом случае гуматы переходят в труднорастворимые и хорошо коагулируемые гуминовые кислоты.
Температурный фактор в процессе коагуляции имеет большое значение. При низких температурах и слабом перемешивании происходит вялая коагуляция, причинами которой являются замедленное тепловое движение молекул и повышенная вязкость среды, уменьшение числа взаимных столкновений, адгезионных сил и прочности хлопьев. Поэтому различают физическую и химическую стороны воздействия температуры на процесс. Оптимальной при использовании Al2(SO4)3 для коагуляции является температура 25-30 0С.
Вспомогательные процессы и средства коагуляции обеспечивают интенсификацию и повышение технико-экономической эффективности процесса коагуляции. К их числу относят флокуляцию – процесс агрегации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. При этом ускоряются процессы образования хлопьев и их осаждение, повышается плотность агрегатов и осадков.
Флокулянты подразделяются на неорганические и органические, природные и синтетические, на ионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов используется активная кремниевая кислота; природными органическими флокулянтами являются крахмал, карбоксилметилцеллюлоза и другие. Синтетические флокулянты получили более широкое применение из-за лучших флокуляционных свойств, среди них в основном используется в настоящее время универсальный флокулянт полиакриламид (ПАА)
Полиакриламид выпускается промышленностью в виде восьмипроцентного геля, который растворяют в быстроходных мешалках на водоподготовительных установках до концентрации 0,1%. Дозировка флокулянта составляет 0,5 – 1,5 мг на 100 мг взвешенных веществ в исходной воде. Раствор полиакриламида вводится через 1,5 – 2 минуты после ввода коагулянта.

Очистка воды методами известкования и содоизвесткования.

Известкование воды, то есть обработка воды Са(ОН)2 , применяется для снижения щелочности (декарбонизации) исходной воды, при этом одновременно уменьшаются жесткость и сухой остаток, удаляются грубодисперсные примеси, соединения железа. Схема установки для известкования обрабатываемой воды приведена на рисунке 2. В подогретую до температуры около 30 0С обрабатываемую воду дозируют в виде суспензии (молока) гашенную известь Са(ОН)2.
Рисунок 2 – Схема процесса известкования и коагуляции.
1 – исходная вода; 2 – подогреватель; 3 – осветлитель; 4 – ввод извести; 5 – ввод коагулянта; 6 – бак осветленной воды; 7 – перекачивающий насос; 8 – осветлительный фильтр; 9 – ионитные фильтры; 10 – сброс осадка с продувочной водой; 11 – греющий пар; 12 – конденсат пара.

Растворяясь, ее компоненты обогащают воду ионами ОН- и Са2+ , сдвигая углекислотное равновесие в сторону образования ионов 13 EMBED Equation.3 1415. В результате повышения их концентрации достигается увеличение образования СаСО3 . В составе этого соединения в осадок выпадает ион Са2+ как содержащийся в исходной воде, так и введенный с известью.
Качество известкованной воды оценивают по следующим показателям: остаточной щелочности, содержанию взвешенных веществ или прозрачности, жесткости, сухому остатку и стабильности. Чем больше остаточная концентрация Са2+ в известкованной воде, тем меньше остаточная карбонатная и общая щелочность. Исходя из опыта эксплуатации водоподготовительных установок высказанное положение представлено следующими данными, мг-экв/кг:
Остаточное содержание Са2+
Более 3
1 – 3
0,5 – 1,0

Щелочность
0,5 – 0,6
0,6 – 0,7
0,7 – 0,8

Состав компонентов общей щелочности будет зависеть от избытка извести, то есть от рН известкованной воды. При титровании известкованной воды кислотой со стандартными индикаторами обнаруживаются только гидратная и карбонатная щелочности, что вносит противоречие в понимание получаемых результатов.
Содержание взвешенных веществ в известкованной воде при налаженном режиме обработки – не более 10 мг/кг. Предельно допустимое содержание их не должно быть больше 20 мг/кг. В эксплуатационной практике из-за трудоемкости и длительности определения концентрации взвешенных веществ используют косвенный показатель – прозрачность воды.
Малая нестабильность (меньше 0,1 мг-экв/кг) – обязательное и важное требование к воде, обрабатываемой методами осаждения, так как при последующей транспортировке и обработке стабильной воды происходит образование карбонатных отложений в трубопроводах, на зернах фильтрующей загрузки осветлительных, а иногда и ионообменных фильтров. В таких случаях необходимы: использование кислотных промывок и более частая смена фильтрующих материалов.
Эффективность процесса известкования воды зависит от целого ряда факторов, к основным из которых относятся: правильное дозирование извести удовлетворительного качества, использование в необходимых случаях коагуляции, подогрев воды до строго заданной температуры, выбор оптимальных режимов движения воды в осветлителях.
Технологический процесс известкования воды широко применяется на теплоэнергетических станциях для вод со щелочностью более 1,5 мг-экв/кг. Следует отметить, что при известковании примеси переходят в сбросные воды в виде твердой фазы, что упрощает их переработку при создании бессточных схем.
Процесс содоизвесткования как метод умягчения применим к водам практически любого состава в отличие от известкования, при котором жесткость воды снижается лишь на значение ее карбонатной составляющей. Для более глубокого умягчения воды необходимо ввести извне ионы 13 EMBED Equation.3 1415. Это достигается известково-содовой обработкой воды, при которой наряду с известью дозируют также кальционированную соду Na2CO3 , которая за счет диссоциации создает в воде избыток ионов 13 EMBED Equation.3 1415, способствующих переводу в твердую фазу ионов Са2+. Дозировку соответствующих реагентов при содоизвестковании выбирают так:

· извести – по уравнению, мг-экв/кг: 13 EMBED Equation.3 1415 , принимая избыток извести 0,2 – 0,35 мг-экв/кг;

· соды – с учетом остаточной концентрации ионов Са2+ при известковании по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415 ,
где Дк – концентрация ионов Са2+ , идущих на гидролиз коагулянта;
nс – избыток соды;
nи – избыток извести;
13 EMBED Equation.3 1415
· остаточная бикарбонатная щелочность известкованной воды при определенном рН.
Если нет необходимости удаления коллоидных примесей (например, при обработке регенерационных стоков), потребная доза соды и извести не включает расход этих реагентов на химические реакции с участием коагулянта FeSO4 .
Исходя из допустимой остаточной щелочности и экономических соображений, избыток соды принимают до 1 мг-экв/кг (nи = 0,2 – 0,35 мг-экв/кг), что обеспечивает снижение общей жесткости в содоизвестковой воде до 0,3 – 0,4 мг-экв/кг. Такая глубина умягчения способствовала широкому применению этого метода до начала 30-х годов для получения добавочной воды для котлов теплоэнергетических станций, работающих на низком давлении. Позже этот метод был вытеснен катионообменной технологией умягчения воды. В настоящее время содоизвесткование нашло широкое применение в водоподготовительной установке с запрещенным сбросом сточных вод для умягчения регенерационных стоков и их повторного использования.

Очистка воды на механических фильтрах.
Очистка воды на насыпных фильтрах.

Эксплуатация механического фильтра складывается из операций по подготовке фильтра к работе и очистке подаваемой на него воды. Вследствие различия по конструкции и способу применения фильтрующих материалов рассмотрим отдельно режим работы насыпного и намывного фильтров.
Подготовка к работе осветлительного фильтра насыпного типа (рисунок 3) заключается в промывке слоя фильтрующей загрузки от задержанных загрязнений.
Рисунок 3 – Принципиальная схема осветлительного фильтра насыпного типа.
1 – осветлительный фильтр; 2 – фильтрат; 3 – бак промывочной воды; 4 – насос; 5 – расходомер; 6 – сжатый воздух; 7 – бак повторного использования промывочной воды; 8 – спуск первый порций фильтрата; 9 – сброс промывочной воды; 10 – обрабатываемая вода.
Для хорошей промывки необходимо, чтобы зерна фильтрующего материала находились во взвешенном состоянии. При этом необходимо создать также условия, при которых зерна фильтрующего материала сталкивались бы между собой и происходило бы оттирание с их поверхности налипших загрязнений. Промывку фильтрующего материала осуществляют восходящим потоком воды, которую подают в фильтр через нижнее дренажно-распределительное устройство. Необходимым условием промывки является расширение объема слоя фильтрующего материала на 40-50%, позволяющее зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды.
Отлетающие с поверхности фильтрующих зерен частицы загрязнений и измельчившиеся частицы фильтрующего материала вместе с восходящим потоком воды отводятся из фильтра через верхнее распределительное устройство. Необходимое расширение фильтрующего слоя достигается при соответствующей скорости потока воды, которая характеризуется интенсивностью промывки, то есть расходом воды в л/с через 1 м2 площади поперечного сечения фильтра. Она зависит от рода фильтрующего материала, диаметра его зерен и температуры воды. Так, для кварцевого песка интенсивность промывки составляет 15 – 18, для дробленого антрацита – 10 – 12 л/(м2
·с). Ее контролируют по часовому расходу промывочной воды. Время промывки – 6 – 10 минут. Качество промывки контролируют, анализируя пробы воды на мутность.
Для промывки фильтра используют осветленную воду, которую заранее накапливают в специальном баке и подают насосами с напором, преодолевающим сопротивление системы , слоя фильтрующего материала и слоя воды в фильтре. Для экономии осветленной воды рекомендуется повторно использовать промывочную воду.
Для повышения качества промывки в фильтр через дренажно-распределительное устройство подают сжатый воздух с расходом 20 л/(м2
·с). Фильтрующий слой обрабатывают сжатым воздухом в течение 3 – 5 минут до подачи в фильтр промывочной воды. По окончании промывки первый мутный фильтрат сбрасывают либо в дренаж, либо в бак повторного использования промывочной воды. После промывки фильтр включают в работу.
Во время работы фильтра вода подается через верхнее дренажно-распределительное устройство на слой фильтрующего материала, проходит его и с помощью нижнего дренажно-распределительного устройства собирается и отводится из фильтра в общий коллектор осветленной воды. Скорость фильтрования при этом составляет 10 м/ч для схем с осветлителями и 5 м/ч для схем без осветлителей. Во время работы фильтра необходимо поддерживать постоянной скорость фильтрования, контролировать перепад давления на слое фильтрующего материала, отбирать пробы исходной воды и фильтрата для определения мутности. При снижении прозрачности фильтрата, а также при достижении максимально допустимого перепада давления на слое материала, фильтр отключают на промывку.
В осветлительных фильтрах, предназначенных для очистки конденсата турбин от продуктов коррозии, применяют сополимер стирола и дивинилбензола. Скорость фильтрования – 100 м/ч, температура конденсата – до 333 К (60 0С).
Во время работы запрещается взрыхлять фильтрующий материал во избежание перемешивания зерен сополимера. Отключение фильтра проводят таким образом, чтобы не вызвать взрыхления и перемешивания фильтрующего слоя. После отключения производят дренирование фильтра. Уровень воды в фильтре устанавливают на 200 мм ниже верхней границы фильтрующего материала, после чего производят выгрузку из фильтра части фильтрующего слоя толщиной
· = 200 мм, и затем производят догрузку в фильтр свежего фильтрующего материала. По окончании догрузки производят отмывку фильтрующего материала конденсатом или обессоленной водой со скоростью V = 60 – 80 м/ч до тех пор, пока фильтрат по качеству станет соответствовать конденсату, обработанному на механическом фильтре.
Лекция №6
Основы теории ионообменного фильтрования.
Осмотическая стабильность и механическая прочность ионитов.

Ионообменные материалы, нашедшие в настоящее время широкое применение в технологии водоприготовления для нужд теплоэнергетических станций промышленных котельных, представляют собой синтетические высокомолекулярные соединения кислого или основного характера. Материалы эти получают либо путем поликонденсации исходных мономеров, либо путем их сополимеризации.
Проведение первого процесса технологически проще, и поэтому поликонденсационные иониты обычно дешевле. Однако в процессе поликонденсации ионит получается в виде монолита, который затем измельчают механически, в результате чего зерна товарного поликонденсационного ионита обычно имеют неправильную форму. Наоборот, при получении ионита путем сополимеризации исходных мономеров зерна товарного продукта имеют правильную форму. Таким образом, удельная поверхность зерен в слое сополимеризационного ионита меньше, чем в таком же слое обычного поликонденсационного ионита с тем же фракционным составом. Это обстоятельство не только обуславливает меньшее гидравлическое сопротивление слоя полимеризационного ионита, но и обеспечивает более высокие скорости обмена ионов.
В том и другом случае иониты выпускают строго фиксированного фракционного состава, оптимальность которого подтверждена опытом их эксплуатации. Обычно средний диаметр зерен ионитов колеблется от 0,5 до 0,7 мм. В целях уменьшения гидравлического сопротивления слоя ионитов их выпускают обычно в виде узких фракций с коэффициентом неоднородности не больше 1,9. В процессе эксплуатации эта величина не остается постоянной. С течением времени в слое работающего материала в результате его постепенного разрушения может накапливаться все больше и больше мелкой фракции, от которой слой ионита частично освобождается при взрыхлении и отмывке. Основной причиной разрушения фракций ионитов являются знакопеременные напряжения, возникающие в зерне ионита при его работе. В рабочем цикле зерна ионита несколько раз изменяют свой объем. Так, в процессе извлечения ионов из обрабатываемой воды зерно сжимается, поскольку степень набухания ионита, находящегося в особой солевой ионной форме, меньше, чем в водородной или гидроксильной формах. При регенерации зерна ионита расширяются, а поскольку набухаемость зависит и от концентрации раствора, то при промывке ионита объем его зерен увеличивается еще больше. Эластичность зерен ионообменных материалов, позволяющая им изменять свой объем, является следствием особого строения молекулы ионита, в которой длинные углеродные цепи, химически «сшитые» друг с другом, спутаны в единый клубок, благодаря чему зерно можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Распрямление цепи атомов углерода и последующее возвращение ее в исходное состояние лежат в основе набухания и сжатия зерен ионита.
И набухание, и сжатие происходят под действием осмотического давления воды, которая при распрямлении цепи атомов углерода в первом случае устремляется в зерно ионита, а при возвращении ее в исходное состояние во втором случае покидает его. Поскольку осмотическое давление воды чаще всего исчисляется десятками миллионов паскалей (МПа), химические связи отдельных атомов в зерне ионита испытывают существенные закономерные нагрузки, под действием которых они через некоторое число циклов разрываются. Это в свою очередь приводит к появлению в зерне микротрещин, которые далее, постепенно увеличиваясь, ведут к раскалыванию зерна ионита. К раскалыванию треснувшего зерна ведут также и механические нагрузки, приходящиеся на него в процессах трения зерен друг о друга или о стенки аппаратов.
Способность ионитов сохранять неизменный товарный фракционный состав принято характеризовать двумя показателями: осмотической стабильностью и механической прочностью. Оба показателя являются крайне важными, поскольку измельчение ионитов и последующий постоянный вынос мелких фракций при взрыхлении слоя сокращают срок их использования, а следовательно, и повышают стоимость очищаемой воды. И осмотическую стабильность, и механическую прочность принято оценивать количественно. Так, осмотическую стабильность выражают в процентах не разрушенных зерен, находящихся в пробе ионита после ее многократной (150 раз) обработки попеременно растворами кислоты и щелочи, промежуточной отмывкой обессоленной водой. Механическую прочность, точнее, истираемость ионита также характеризуется процентом не разрушенных зерен от общего их количества, взятого до испытания. Испытания проводят в шаровых мельницах, куда загружают набухший ионит.
Сравнение осмотической стабильности и механической прочности полимеризационных и обычных поликонденсационных ионитов показывает, что последние в большей степени подвергаются разрушению.
В практике производства полимеризационных ионитов также есть способы повышения их гранулометрической стабильности. Наиболее известным является способ получения изопористых ионитов. При получении обычных ионитов полимеризационного типа в силу неравномерности распределения «сшивающего» агента (дивинилбензола), в основном мономера (стирола), в зернах сополимера получаются участки с различной плотностью «сшивки». Неоднородность плотности «сшивки» влияет на способность различно изменять свой объем при проникновении в зерно молекул воды. Если слабо «сшитые» участки зерна легко деформируемы, то участки с плотной «сшивкой» иногда недоступны для молекул воды. Эти места испытывают максимальные осмотическое давление и механические нагрузки. Именно они и разрушаются в первую очередь. Таким образом, если распределить «сшивающий» агент равномерно по всему зерну, то нагрузка распределится по всему зерну равномерно, в результате осмотическая стабильность повысится. Иониты изопористой структуры имеют осмотическую стабильность 99%.

Устойчивость ионитов.
В процессе использования ионитов они прежде всего не должны загрязнять обрабатываемую воду, ухудшая ее качество, и терять первоначальную способность к обмену ионов. Совокупность этих качеств можно объединить общим понятием – устойчивость ионитов.
Надлежащее качество фильтрата после ионитных фильтров достигается только в том случае, если молекулы ионита не переходят в обрабатываемую воду. В противном случае может возрастать окисляемость фильтрата, его кислотность или щелочность. Способность молекул ионита переходить в воду определяется строением его молекулы. Если молекулы ионита имеют линейное строение, они могут переходить в обрабатываемую воду, образуя коллоидный раствор. Переходят в воду и низкомолекулярные вещества, остающиеся в зернах ионита после проведения реакций поликонденсации или полимеризации.
И в том, и в другом случае обрабатываемая вода будет обогащаться органическими примесями. Эффективность перехода линейных молекул в обрабатываемую воду увеличивается, если на катионит подается вода с рН > 7, на анионит с рН < 7. Поэтому, если иониты предварительно не подготовить к работе путем их отмывки, качество обрабатываемой воды может ухудшаться. Тем не менее даже хорошо отмытые иониты поликонденсационного типа способны обогащать воду органическими примесями, хотя их количество в воде меньше нижнего предела определения перманганатной окисляемости.
Существенно меньшее количество мономеров, способных выходить в обрабатываемую воду, содержат иониты полимеризационного типа, получаемые путем сополимеризации дивинилбензола и стирола.
Способность к ионному обмену обусловлена, как известно, наличием в ионитах функциональных групп. У катионитов эти группы носят кислотный характер, у анионитов – основный. По отношению функциональных групп к иону Н2 или гидроксила катиониты и аниониты делятся на сильные и слабые. Степень ионизации ионита учитывается при их маркировке. Так, сильнокислотные катиониты, способные диссоциировать в широком диапазоне рН, называются универсальными и маркируются буквами КУ. А аниониты, обладающие высокой степенью ионизации, называются высокоосновными и маркируются буквами АВ. Катиониты, слабоионизированные в водородной форме, носят название буферных и маркируются буквами КБ, соответствующие аниониты называются низкоосновными, а маркируются они буквами АН.
Способность ионитов к ионному обмену характеризуется обменной емкостью, то есть количеством функциональных групп, принимающих участие в обмене, который выражается в эквивалентных единицах и относится к единице количества ионита. По ГОСТ 20255.1 – 74 полную статическую обменную емкость (ПСОЕ) определяют выдержанием точно отмеренного количества ионита в 0,1Н растворе HCl (для анионитов) или NaOH (едкий натр) (для катионитов). Сильноосновные и сильнокислотные иониты выдерживают 2 ч, слабоосновные – 24 ч. Выдерживанием анионитов в 0,1Н растворе хлорида натрия определяют равновесную статическую обменную емкость (РСОЕ). РСОЕ катионитов определяют путем их выдерживания в 0,1Н растворе хлорида кальция. Согласно ГОСТ 20255.2 – 74 определяют динамическую обменную емкость ионитов до проскока улавливаемого иона в фильтрате при полной или частичной их регенерации. Эта емкость определяется по результатам опытов пропускания растворов кислот (низкоосновные аниониты), хлоридов кальция (катиониты) или натрия (высокоосновные аниониты) через колонку, содержащую определенное количество ионита.
Статическая и динамическая емкости выражают в различных единицах. РСОЕ и ПСОЕ выражают в мэкв/г, а ДОЕ – в мэкв/л. В первом случае количество функциональных групп относят к единице массы ионита, а во втором – к единице объема его слоя. Пользуясь понятием пористости слоя, одну и ту же емкость можно выражать в разных единицах. Пусть емкость, выражаемая в мэкв/г, обозначается буквой q, а буквой q' – та же емкость, но выраженная в мэкв/л. Если пористость слоя рассматриваемого ионита
·, соотношение между q и q' для воздушно-сухого ионита будет иметь вид:
13 EMBED Equation.3 1415,
где
· – пористость ионита, г/мл.
В процессе эксплуатации как поликонденсационных, так и полимеризационных ионитов значение их объемной емкости уменьшается. Чаще всего причиной потери емкости является необратимое поглощение ионитами коллоидов или ионов, способных образовывать твердую фазу внутри зерна (главным образом органические и оксиды железа или алюминия, оставшиеся после коагуляции).
Совокупность процессов деструкции ионитов и потери ими первоначальной обменной емкости в процессе эксплуатации называется старением ионитов. Наличие процесса старения ограничивает срок служба ионитов, который по многочисленным эксплуатационным данным для ионитов полимеризационного типа составляет 5 – 7 лет. Увеличение срока их службы возможно путем синтеза в присутствии предельных одноатомных спиртов, при котором получаются полимеризационные иониты особого строения, называемые пористыми.
Для отличия этих ионитов от ионитов обычного строения при их маркировке добавляется буква П, например, АВ – 17 – 8П.

Промышленные катиониты.
Сильнокислый катионит КУ – 2 – 8 (ГОСТ 20298 – 74) получают сульфированием сополимера стирола с 8% дивинилбензола, он имеет гелевую структура, монофункционален:
Катионит отличается высокой химической стойкостью в разбавленных растворах щелочей, кислот, некоторых окислителей и органических растворителей. Катионит может работать при температуре до 120 0С.
Сильнокислотный катионит КУ – 2 – 84С отличается от катионита КУ – 2 особой чистотой.
Сильнокислотный катионит КУ – 23 получается сульфированием макропористого сополимера стирола и дивинилбензола, имеет макропористую структуру.
Слабокислотный катионит КБ – 2 получают сополимеризацией метакрилата (метилового эфира акриловой кислоты) с дивинилбензолом.
Слабокислотные катиониты КБ – 2 – 7П и КБ – 2 – 10П – химические аналоги катионита КБ – 2.
Слабокислотный катионит КБ – 4 (ГОСТ 20298 – 74) получают сополимеризацией метилметакрилата (метилового эфира метакриловой кислоты СН2[C(CH3) – COOCH3]) с 6% дивинилбензола и последующим переводом эфирных групп в карбоксильные.
Сильнокислотный катионит КУ – 1 получается поликонденсацией сульфированного фенола в кислой среде с формальдегидом. Катионит бифункционален, содержит фенольные группы и сульфогруппы.
Катионит сульфоуголь (СУ) получают путем смешения олеума с дробленым каменным углем при температуре 110 – 140 0С. Катионит СУ полифункционален, содержит сульфогруппы, карбоксильные и фенольные группы. По сравнению с синтетическими катионитами, сульфоуголь имеет менее определенный и менее однородный состав, благодаря чему понятие о строении его элементарной ячейки теряет смысл. Он менее химически и механически стоек, однако он относительно дешев, благодаря чему нашел широкое применение в установках при подготовке воды на теплоэнергетических станциях и котельных.

Промышленные аниониты.
Сильноосновный анионит АВ – 17 – 8 (ГОСТ 20301 – 74) получают хлорметилированием сополимера (8%) с последующим аминированием хлорметильной группы. Анионит монофункциональный, имеет группировку четырехзамещенного аммониевого основания.
Сильноосновный анионит АВ – 17 – 84С является аналогом анионита АВ – 17 – 8 и отличается от него особой чистотой.
Сильноосновный анионит АВ – 29 – 12П получают сополимеризацией стирола и дивинилбензола в присутствии порообразователя с последующим введением группировки четвертичного аммониевого основания путем обработки хлорметилированного сополимера диметилэтаноламином. Анионит имеет макропористую структуру, многофункционален.
Слабоосновный анионит АН – 2Ф (ГОСТ 20301 – 74) получается поликонденсацией фенола, формальдегида и полиэтиленполиамина в кислой среде. Является полифункциональным анионитом.
Слабоосновный анионит АН – 31 (ГОСТ 20301 – 74) получают поликонденсацией эпихлоргидрина и полиэтиленполиамина в присутствии аммиака. Анионит полифункционален, имеет группировки вторичных и третичных аминов.
Кинетика обмена ионов.

В теории ионного обмена принято рассматривать три стадии обмена ионов:
1) доставку иона на поверхность ионита;
2) проникновение иона внутрь зерна ионита;
3) химическое взаимодействие иона с функциональной группой ионита.
Сущность ионного обмена заключается в использовании способности ионитов ионообменных материалов изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Процесс ионного обмена отличается от процесса адсорбции тем, что если при адсорбции происходит лишь накопление вещества, сорбируемого из раствора на поверхности какого-либо материала, то при ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида сопровождается переходом ранее сорбируемых ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене один вид ионов заменяется другим.
Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, то есть возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов). Ионы диффузного слоя обладают повышенным запасом кинетической энергии и могут выходить из диффузного слоя в раствор, но при этом из раствора в диффузный слой должны переходить ионы того же знака заряда. Таким образом, ионит можно представить как твердый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его часть, а подвижная часть – другую (рисунок).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок – Схема структуры молекулы ионита:
а) катионит; б) анионит; 1 – матрица; 2 – потенциалообразующие ионы; 3 – ионы диффузного слоя.

Все три стадии ионного обмена сопровождаются соответствующими перемещениями тех ионов, на которые обменивается ион внешнего раствора. Так, стадия доставки i-го иона из внешнего раствора к поверхности ионита сопровождается перемещением j-го иона, ранее находившегося в ионите во внешнем растворе. А стадия химического взаимодействия i-го иона с функциональной группой ионита обязательно должна предшествовать химическая реакция разрыва j-го иона с той же функциональной группой.
Все перечисленные стадии перемещения обменивающихся ионов протекают одновременно.
Лекция №7

Очистка воды на ионитных фильтрах.
Стадии работы ионитного фильтра.

Метод ионного обмена находит широкое применение при очистке воды от расворенных примесей. Технологически очистку воды методом ионного обмена осуществляют путем фильтрования воды через промышленные фильтры, загруженные ионитами.
Для удаления из воды катионов применяют катиониты, находящиеся в Н+, Na+ или 13 EMBED Equation.3 1415-форме. Очистку воды от анионов производят с помощью анионитов, находящихся в ОН-, 13 EMBED Equation.3 1415 и Clформе.
Процесс очистки воды на катионите называют катионированием. При Н-катионировании происходит обмен всех катионов, находящихся в воде, на катионы Н+, находящиеся в катионите. Если первоначально катионит находился полностью в Н-форме, то все катионы, присутствующие в воде, обменявшись на катионы водорода, задержатся слоем катионита, а в фильтрат перейдут ионы водорода, придав ему кислую реакцию. При этом кислотность фильтрата будет отвечать сумме концентраций всех катионов, присутствующих в исходной воде. Если в исходной воде присутствуют анионы 13 EMBED Equation.3 1415, то значение рН фильтрата обуславливается концентрацией анионов 13 EMBED Equation.3 1415.
В практике очистки воды качество работы Н-катионного фильтра контролируют по кислотности или концентрации катиона Na+ в фильтрате, так как благодаря самой низкой константе обмена эти ионы будут двигаться по слою катионита впереди всех, а их максимальная концентрация будет равна общей концентрации катионов в исходной воде. При приближении концентрационного фронта катионов Na+ к нижним слоям Н-катионитного фронта они появляются в фильтрате, и стадия работы Н-катионитного фильтра на этом заканчивается. Фильтр отключают при появлении катионов Na+ в фильтрате в заданной концентрации.
Если первоначально некоторая часть катионита содержала какое-то количество катионов, подлежащих удалению, то выделяющиеся в процессе очистки воды из верхних слоев катионита ионы водорода регенерируют его нижние слои, вследствие чего в фильтрате с самого начала времени работы фильтра будут присутствовать катионы Na+, Ca2+ и Mg2+. Далее концентрация этих катионов в фильтрате снижается и затем вновь возрастает при подходе соответствующих концентрационных фронтов к нижним слоям катионита. В этом случае рН фильтрата определяется количеством катионов водорода, первоначально находящихся в катионите, и временем работы фильтра.
При Na-катионировании в соответствии с концентрационными контактами происходит обмен ионов 13 EMBED Equation.3 1415, К+, Mg2+ и Са2+, находящихся в воде, на катионы Na+, находящихся в катионите. Таким образом, при Na-катионировании снижается один из основных технологических показателей – жесткость.
Обычно Na-катионитные фильтры применяют только для снижения жесткости обрабатываемой воды. Если первоначально весь катионит находился в Na-форме, то в течении всего времени работы фильтра катионы жесткости в фильтрате будут отсутствовать. Появление их в фильтрате будет вызвано приближением концентрационного фронта катионов жесткости к нижним слоям катионита. Обычно стадия работы Na-катионитного фильтра заканчивается при достижении заданной концентрации ионов жесткости в фильтрате.
В этом случае, если в начале стадии работы загрузка Na-катионитного фильтра частично содержала катионы жесткости, в процессе работы фильтра выделяющиеся из верхних слоев катионы Na+ будут регенерировать нижние слои катионита и приводить к обогащению фильтрата катионами Ca и Mg. Этот процесс будет протекать до тех пор, пока количество катионов жесткости не будет соответствовать концентрации выделяющихся из верхних слоев катионита ионов Na+.
Концентрация катионов жесткости в фильтрате начнет возрастать тогда, когда концентрационный фронт ионов жесткости приблизится к нижним слоям ионита.
При аммоний-катионировании из обрабатываемой воды удаляются все катионы за исключением ионов Na+.
Процесс очистки воды на анионите носит название анионирования. При анионировании происходит обмен анионов, содержащихся в воде, на анионы, находящиеся в анионите. Наиболее часто для очистки воды от анионов применяют анионит в ОН-форме, при этом в общем случае происходит обмен всех анионов из обрабатываемой воды на анион ОН-.
Различают способы анионирования, протекающие на слабоосновных и сильноосновных анионитах. Процесс ОН-анионирования на слабоосновных анионитах представляет собой главным образом обмен анионов сильных кислот на анион ОН-.
Обычно в схемах очистки воды фильтр, загруженный слабоосновным анионитом в ОН-форме, располагают после фильтра, загруженного катионитом в Н-форме.
Процесс ОН-анионирования на сильноосновном анионите представляет собой обмен всех ионов, содержащихся в обрабатываемой воде, на ион ОН-, находящийся в анионите. Обычно фильтр, загруженный сильноосновным анионитом в ОН-форме, располагают также после Н-катионитного фильтра. Такое расположение вызвано требованием не допустить выпадения внутри и на поверхности зерен анионита частиц гидроксида Mg, которые могли появиться в фильтрате Н-катионитного фильтра, если его загрузка не полностью отрегенерирована.
Время работы ионитного фильтра рассчитывают по уравнению:
13 EMBED Equation.3 1415.
Параметр Т0 =
· ln
· – 1;
·
· коэффициент массопереноса (пропорциональности):
13 EMBED Equation.3 1415;
q0 – полная обменная емкость;x – высота слоя ионита;
wап – проекция истинной средней скорости течения жидкости в поровом пространстве на направление движения общего потока;
h – распределительное отношение (13 EMBED Equation.3 1415);С0 – исходная концентрация ионов;С – концентрация ионов в фильтрате;
13 EMBED Equation.3 1415.
При организации любых процессов фильтрационной очистки естественно желание сделать стадию работы наиболее длительной по сравнению с другими (сделать анализ влияния величин в формулах на увеличение времени t). Увеличение времени работы фильтра или его производительности ведет к повышению экономичности водоподготовительной установки, так как уменьшает количество устанавливаемых фильтров.
Из опыта эксплуатации водоподготовительных установок известно, что минимальное время работы ионитных фильтров примерно 4 – 6 часов. В таком режиме они могут работать всего несколько дней в году. Нормальный режим эксплуатации фильтров предусматривает стадию работы продолжительностью 12 – 24 часов. Обычно для увеличения времени работы фильтров прибегают к увеличению высоты фильтрующих материалов до 3 – 4 метров и располагают их в двух последовательных аппаратах, которые принято называть ступенями ионирования. Кроме того, вводят ограничения на пределы скорости фильтрования, стремятся использовать высокоемкие материалы.
Во время работы ионитного фильтра происходит уменьшение диаметра его частиц, при этом самые сжимаемые зерна приобретают возможность к перемещению, а наиболее рыхлые части ионита уплотняются, то есть в результате уменьшения пористости слоя ионита его гидравлическое сопротивление возрастает. Кроме того, при многократном сжатии и расширении во время работы иониты с малой прочностью измельчаются. Поэтому после продолжительной эксплуатации производят взрыхление фильтрующего слоя, в результате которого происходит перестройка ионита из плотного в более рыхлый, и одновременно удаляют измельченные частицы.
Для восстановления способности отработавшего ионита к обмену проводят регенерацию. К растворам электролитов, с помощью которых выполняют регенерацию, предъявляют следующие требования: относительно невысокая стоимость, доступность, способность образовывать растворимые соединения с продуктами регенерации, способность обезвреживания использованных растворов. Исходя из этого, для регенерации применяют: при Na-катионировании – раствор NaCl; при NH4 -катионировании – раствор хлорида аммония; при Н-катионировании – разбавленный раствор H2SO4 , либо раствор азотной кислоты HNO3 , который более предпочтителен, так как не образует труднорастворимых соединений с продуктами регенерации; при ОН-анионировании – раствор гидроксида Na (NaOH).
Регенерацию проводят путем пропуска регенерационного раствора через слой отработавшего и взрыхленного ионита. Различают прямоточную и противоточную регенерацию. Прямоточной регенерацией называют такой процесс регенерации, при котором регенерационный раствор пропускают через слой ионита в направлении подачи на фильтр обрабатываемой воды. Противоточной регенерацией называют такой процесс регенерации, при котором пропуск регенерационного раствора через слой ионита осуществляют в направлении, обратном пропуску обрабатываемой воды.
При регенерации между ионом, выходящим из твердой фазы ионита, и ионом, находящимся в регенерационном растворе, устанавливается подвижное равновесие. При регенерации кислотой катионита, находящегося в Na-форме, это равновесие можно записать в виде:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415.
При добавлении в раствор иона Na+ смещается равновесие в сторону повышения его концентрации в твердой фазе. Наоборот, при добавлении иона Н+ в раствор смещается равновесие в сторону перехода иона Na+ в раствор.
В практике водоподготовки стремятся наиболее полно отрегенерировать иониты в данных условиях. Одним из наиболее простых способов достижения этого является непрерывное пропускание регенерационного раствора через слой ионита. Равновесие регенерации смещается при этом за счет непрерывного удаления из зоны реакции выделяющегося из ионита иона. Более того, каждое зерно ионита контактирует с регенерационным раствором нарастающей концентрации. Если же в регенерационном растворе будет присутствовать в заметных количествах ион, удаленный из ионита, то реакция обмена сместится влево и эффективность регенерации снизится. Это влияние получило название противоионного эффекта.
В противоположность противоионному эффекту увеличение концентрации регенерирующего иона сдвигает равновесие регенерации вправо.
Стадия регенерации всегда занимает меньший интервал времени по сравнению со стадией работы, и чем больше разница во времени проведения этих стадий, тем лучше с технологической точки зрения организован процесс очистки. Малое время процесса регенерации достигается благодаря применению сравнительно больших концентраций регенерационных растворов.
Эффективность регенерации характеризуется понятием емкости. В технологии водоподготовик различают полную и рабочую обменную емкости. Вследствие неполноты регенрации из полной обменной емкости можно вывести понятие полной рабочей обменной емкости, которая представляет собой разность между полной обменной емкостью, определяемой числом функциональных групп, и концентрацией ионов, по той или иной причине (например, из-за противоионного эффекта) оставшихся в ионите при егог регенрации. Рабочая обменная емкость – та часть концентрации регенерирующих ионов в ионите, обмениваетмя в процессе работы на поглощенные ионы, если ионит работает до момента появления в фильтрате заданной концентрации поглощаемых ионов. На рисунке приведена зависимость времени ионитного фильтра от относительной концентрации поглощаемого иона в фильтрате (13 EMBED Equation.3 1415). Фильтр отключают на регенерацию в момент времени t1 при достижении в фильтрате относительной концентрации
·проск.. Этот момент характеризуется рабочей обменной емкостью. По окончании регенерации проводят отмывку ионитов. В процессе отмывки из ионитов удаляются как продукты регенерации, так и регенерирующие агенты.

Технология приготовления регенерационных растворов.

Для выполнения условий эксплуатации ионитный фильтр оснащают дренажно-распределительными устройствами, трубопроводами и арматурой (рисунок 1).
Рисунок 1 – Принципиальная схема работы ионитного фильтра:
1 – исходная и отмывочная вода; 2 – регенерационный раствор; 3 – очищенная вода; 4 – отвод отработавшего регенерационного раствора и отмывочной воды; 5 – взрыхляющая вода; 6 – отвод взрыхляющей воды.

Концентрированные регенерационные растворы хранят в специальных складах. Поваренную соль из железнодорожных вагонов выгружают в ячейку мокрого хранения. Концентрация соли в этих ячейках составляет 26%. Насыщенный раствор хлорида натрия очищают от пены и шлама, фильтруют через осветлительный фильтр и подают в мерник. Регенерационный раствор хлорида натрия с концентрацией, необходимой для регенерации ионитного фильтра, готовят с помощью эжектора.
Растворы H2SO4 и NaOH с помощью разгрузочного устройства перегружают в цистерну хранения, из которой раствор закачивают в мерник, из которого подают насосом-дозатором в трубопровод и после смешивания с водой направляется в ионитный фильтр.
Перед регенерацией организуют пропуск воды через слой ионита. После установления необходимой скорости фильтрования организуют подачу концентрированного регенерационного раствора в воду, фильтруемого через слой ионита. По окончании пропуска расчетного объема концентрированного регенеративного раствора прекращают подачу из мерника и продолжают пропускать через слой ионита воду для отмывки его от продуктов регенерации. В некоторых случаях в качестве отмывочной воды используют исходную воду.
Для снижения удельных растворов регенерационных растворов выполняют ряд мероприятий, позволяющих повысить экономичность работы водоподготовительной установки. В Н-катионитных фильтрах рекомендуется применение противоточного способа регенерации (рисунок 2).
Рисунок 2 – Принципиальная схема противоточной регенерации:
1 – исходная и блокирующая вода; 2 – обработанная вода; 3 – регенерационный раствор; 4 – выход регенерационного раствора, блокирующей и отмывочной воды; 5 – взрыхляющая вода; 6 – выход взрыхляющей и отмывочной воды; 7 – выход отмывочной воды; 8 – взрыхляющая и отмывочная вода; 9 – 11 – верхнее, среднее и нижнее дренажно-распределительное устройство.

Обрабатываемую воду пропускают через слой ионита сверху вниз. По окончании рабочего цикла проводят регенерацию ионита, при этом регенерационный раствор подают в направлении, обратном подаче обрабатываемой воды. Отработавший раствор (регенерационный) удаляют через среднее дренажно-распределительное устройство. Регенерация сопровождается подачей блокирующей воды. Отмывочную воду подают в том же направлении. Взрыхляющую промывку верхнего слоя ионита производят водой, подаваемой через среднее дренажно-распределительное устройство, и отводят через верхнее устройство.
При параллельно-точном способе регенерации экономия расхода регенерационного раствора и отмывочной воды может быть достигнута правильной организацией режима регенерации и отмывки ионитов. Существующая схема параллельно-точной регенерации (рисунок 3) предусматривает подачу через фильтр обрабатываемой воды, регенерационного раствора и отмывочной воды в одном направлении.
Рисунок 3 – Принципиальная схема параллельно-точной регенерации:
1 – исходная вода; 2 – отмывочная вода; 3 – концентрированный регенерационный раствор; 4 – обработанная вода, отработавший регенерационный раствор, выход отмывочной воды.

По окончании фильтроцикла проводят взрыхление фильтрующего слоя, после чего организуют прокачку через фильтр отмывочной воды, затем регенерационного раствора. По окончании регенерации прекращают подачу концентрированного регенерационного раствора и продолжают пропуск через фильтр воды, организуя тем самым отмывку ионита.
Лекция №8

Технологические схемы очистки воды в фильтрах раздельного действия.

Восполнение потерь воды в контуре теплоэнергетической станции осуществляют химически обессоленной водой, химически очищенной водой или дистиллятом испарителей. Выбор схемы химической водоочистки производят в зависимости от типа электрической станции, типа и давления котлов, способа регулирования температуры перегретого пара, качества исходной воды. Очистку добавочной воды для котлов в большинстве случаев осуществляют по комбинированной схеме, состоящей из двух фаз обработки – предочистки и ионного обмена. Выбор схемы очистки конденсата производят в зависимости от норм качества питательной воды котлов. Выбор схемы очистки подпиточной воды теплосети производят с учетом типа тепловой сети – с открытым или закрытым водоразбором. В настоящее время применяют два типа схем подготовки добавочной воды: параллельную – для однофункциональных ионитных фильтров, и блочную – для разнофункциональных ионитных фильтров. В первом случае исходную воду подают к каждому одноименному ионитному фильтру из общего коллектора, а фильтрат собирают после этих фильтров в самостоятельный коллектор. Во втором случае в состав каждого блока включают по одному фильтру соответствующей ступени, соединенных последовательно. К недостаткам блочной схемы относятся: увеличение количества аппаратов, увеличение количества ионитов, меньший коэффициент использования ионитов. Применение блочной схемы позволяет снизить капитальные затраты при сооружении установки по очистке добавочной воды и улучшить эксплуатационные показатели. В соответствии с этим блочная схема очистки добавочной воды включается во все проекты современных мощных теплоэнергетических станций. Наряду с этим продолжают эксплуатироваться параллельные схемы на действующих теплоэнергетических станциях, а также выполняются проекты параллельных схем для теплоэнергетических установок малой мощности, тепловых сетей и так далее. Возможно применение схемы, выполненной в виде «полуцепочек». В этом случае первая ступень ионирования выполнена по параллельной схеме, а вторая ступень – по блочной.
В качестве второй фазы очистки воды применяют следующие основные схемы. Для получения умягченной воды, используемой для подпитки тепловых сетей закрытого типа и питания водогрейных котлов, применяют схему одноступенчатого Na-катионирования (рисунок 1). (Na1 – Na – катионитный фильтр; Др – деаэратор). Исходной водой для этих фильтров является артезианская или водопроводная. В Na-катионитных фильтрах происходит умягчение воды. В качестве фильтрующего материала применяют слабокислотный катионит. После Na-катионитного фильтра вода направляется в декарбонизатор, в котором происходит удаление агрессивных газов. При очистке по этой схеме в обработанной воде остаточная жесткость Ж0 = 0,02 – 0,03 мг-экв/кг, свободная углекислота отсутствует, концентрация кислорода не превышает 50 мкг/кг. Фильтр отключается на регенерацию при достижении в фильтрате жесткости Ж0 = 0,05 мг-экв/кг; относительно высок расход соли на регенерацию катионита.
Для приготовления подпиточной воды теплосети с открытым водоразбором применяют Н-катионирование с «голодной» регенерацией (рисунок 2).
Нг – Н-катионитный фильтр с «голодной» регенерацией; Нб – буферный фильтр; Д – декарбонизатор.

Отличительной особенностью Н-катионитного фильтра с «голодной» регенерацией является то, что катионит регенерируют недостаточным, стехиометрическим количеством кислоты. Расход кислоты при регенерации подбирают так, чтобы обеспечить в фильтрате минимальную щелочность и отсутствие кислотности. При пропуске воды через Н-катионитный фильтр с «голодной» регенерацией происходит разрушение карбонатной жесткости. Карбонатная жесткость Жк в фильтрате равна 0,4 – 0,7 мг-экв/кг. При подаче количества кислоты больше стехиометрического расхода в фильтрате появляется кислотность. Для обеспечения отсутствия кислотности в обработанной воде после Нг –фильтра устанавливают буферный саморегулирующийся фильтр. При попадании кислой воды в буферный фильтр происходит его регенерация, во время которой в обрабатываемую воду поступают катионы жесткости. Буферные фильтры не регенерируют, взрыхление слоя катионита производят исходной водой, поступающей на Н-катионитные фильтры «голодной» регенерацией. После буферного фильтра Нб воду подают в декарбонизатор, в котором происходит удаление углекислоты. В качестве фильтрующих материалов применяют слабокислотный катионит. Данная схема обеспечивает отсутствие в воде кислотности и щелочность, равную 0,7 – 1,5 мг-экв/кг. Н-катионитные фильтры с «голодной» регенерацией отключают при достижении щелочности более 1,5 мг-экв/кг.
Подготовку воды для испарителей теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) с прямоточными и барабанными котлами производят по двухступенчатой схеме Na-катионирования (рисунок 3).
Обрабатываемая вода поступает на Na-катионитный фильтр первой ступени, в котором происходит удаление основного количества ионов Са2+ и Mg2+. Оставшиеся катионы жесткости поглощаются Na-катионитным фильтром второй ступени. В качестве фильтрующего материала применяют слабокислотный катионит. Остаточная жесткость после Na1 –фильтра может достигать 50 – 70 мг-экв/кг, а после второй ступени – 3 – 5 мг-экв/кг. Na1 –фильтр отключают на регенерацию при жесткости фильтрата, равной 50% жесткости исходной воды, а Na2 –фильтр – при жесткости фильтрата больше 10 мг-экв/кг. Недостаток данной схемы – отсутствие удаления углекислоты.
В усовершенствованной схеме (рисунок 4) воду после Na-катионитного фильтра первой ступени подкисляют, в результате чего при взаимодействии ионов Н+ с 13 EMBED Equation.3 1415 образуется свободная углекислота. Для ее удаления между первой и второй ступенями Na-катионирования устанавливают декарбонизатор. Данную схему применяют и при подготовке добавочной воды для котлов низкого и среднего давления.
Подготовку воды для испарителей осуществляют также по схеме, представленной на рисунке 5. В данной схеме применяют сочетание Н-катиони-рования с «голодной» регенерацией и двухступенчатого Na-катионирования. Обработанная вода имеет остаточную жесткость не более 5 мг-экв/кг.
Подготовку воды для подпитки котлов низкого и среднего давления, а также для испарителей и подпиточной воды теплосети осуществляют в схемах с параллельным и последовательным Н – Na -катионированием (соответственно рисунки 6 и 7).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 6. Рисунок 7.
(Н1 , Na1 – первая ступень катионирования; Na2 – вторая ступень катионирования).
При параллельном Н – Na-катионировании исходную воду разделяют на два потока, каждый из которых пропускают через Н- или Na-катионитные фильтры. В этих фильтрах происходит удаление из воды ионов жесткости , кроме того, в Н-катионитном фильтре из воды удаляются ионы Na+. Кислая Н-катионированная вода смешивается со щелочной Na-катионированной водой, при этом происходит нейтрализация щелочности воды, выходящей из Na-катионитного фильтра. После первой ступени воду направляют в декарбонизатор для удаления углекислоты. Декарбонизированная вода поступает в Na-катионитный фильтр второй ступени, в котором происходит окончательное умягчение. Очищенная вода имеет жесткость Ж0 = 0,01 мг-экв/кг, а щелочность – 0,3 – 0,4 мг-экв/кг.
Схема последовательного Н – Na-катионирования отличается от параллельной схемы тем, что Н-катионированную воду смешивают с исходной водой.
В Н-катионированном фильтре происходит удаление ионов жесткости и ионов Na+. В умягченную кислую воду добавляют жесткую исходную воду в количестве, необходимом для достижения щелочности 0,2 – 0,5 мг-экв/кг, после чего воду направляют в декарбонизатор для удаления СО2 . Выходящую из декарбонизатора воду прокачивают насосом последовательно через две ступени Na-катионитных фильтров, в которых происходит практически полное умягчение воды (Ж0 = 0,01 мг-экв/кг, Щ – не более 0,7 мг-экв/кг).
При подготовке воды применяют обессоливание, заключающееся в последовательной очистке воды на Н-катионитных и ОН-анионитных фильтрах.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 8:
Н1 , Н2 – Н-катионитные фильтры первой и второй ступени; А1 – анионитный фильтр.

В схеме а) в Н-катионитном фильтре используют слабокислотный или сильнокислотный катионит, отключаемый на регенерацию в первом случае по проскоку жесткости, во втором – по проскоку катиона Na+. В качестве фильтрующего материала в анионитном фильтре применяют слабоосновный анионит в ОН-форме. В схеме б) Н-катионитный фильтр загружают либо слабокислотным, либо сильнокислотным катионитом. Анионитный фильтр загружают слабоосновным анионитом в 13 EMBED Equation.3 1415-форме. В схеме в) предусматривается катионирование в две ступени. В первую ступень загружают слабокислотный катионит, во вторую – сильнокислотный катионит. Анионитный фильтр – высокоосновный анионит в ОН-форме, способный поглощать из воды анионы как слабых, так и сильных кислот. После Н-катионитных фильтров установлен декарбонизатор для удаления СО2 .
Для подготовки добавочной воды теплоэнергетических станций сверхвысокого и сверхкритического давления применяют схему глубокого химического обессоливания (рисунок 9). Ее применяют в том случае, если среднегодовая концентрация анионов сильных кислот в исходной воде не более 5 мг-экв/кг. При большей концентрации применяют химическое обессоливание в сочетании с мембранными методами очистки воды в качестве первой ступени, либо термическое обессоливание.
В схеме на рисунке 9 Н-катионитный фильтр первой ступени предназначен для удаления из воды Ca2+, Mg2+, Na+. Анионитный фильтр первой ступени загружают анионитом, находящимся в ОН-форме и обеспечивающим удаление из воды анионов сильных кислот (13 EMBED Equation.3 1415, Cl-). Ионы Na+, прошедшие через Н1-фильтр, задерживаются Н-катионитным фильтром второй ступени. В декарбонизаторе удаляется СО2 , образующийся на первой и второй ступенях Н1 , Н2 и ОН1 . ОН-анионитный фильтр второй ступени, загруженный высокоосновным анионитом в ОН-форме, удаляет из воды анионы как сильных, так и слабых кислот, а также анионы кремнекислоты 13 EMBED Equation.3 1415 и углекислоты 13 EMBED Equation.3 1415 , проскочивших через ОН-анионитный фильтр первой ступени.

Технологические схемы очистки воды и
конденсата в фильтрах смешанного действия.

Необходимость полного обессоливания добавочной воды и очистки турбинных конденсатов на теплоэнергетических станциях с прямоточными котлами определила разработку модифицированной технологии полного обмена с использованием смешанных слоев, состоящих из катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме. Обычно используют сильнокислотные и высокоосновные иониты.
Известно, что обменные реакции на ионитах являются обратимыми. Например, при пропуске раствора NaCl через катионит в Н-форме, выделяющийся в результате обмена, ион Н (называемый противоионом) будет определять глубину очистки раствора от иона Na (противоионный эффект). Естественно, что при организованном уменьшении концентрации иона водорода СН в фильтрате (устранении противоионного эффекта) можно повысить эффективность удаления иона Na из раствора. Аналогичные процессы и реакции сопровождают технологию анионообменной очистки раствора NaCl с использованием анионита в ОН-форме. При этом противоионный эффект обуславливает наличие анионита в ОН-форме. При этом противоионный эффект обуславливается ионами гидроксида, повышающими значение рН в зоне обмена. Если для очистки раствора хлорида натрия использовать смешанный слой ионитов, в котором зерна Н-катионита чередуются с зернами ОН-анионита, то влияния противоионных эффектов в такой системе на глубину очистки раствора практически не существует. Это связано с тем, что выделяющийся на первом по ходу раствора зерне катионита ион водорода будет взаимодействовать с ионом гидроксида, выделяющимся из анионита, в результате чего образуется молекула Н2О. Значение рН в зоне обмена будет близким к нейтральному, оптимальному для данной системы при организации качественного перемешивания Н – ОН-ионитов в смешанном слое.
Приведенные положения подтверждаются опытом эксплуатации установок химического обессоливания. В тех случаях, когда на заключительной стадии обессоливания вода дополнительно прокачивалась через смешанный слой ионитов, помещенных в специальный фильтр, называемый фильтром смешанного действия (ФСД), то получали глубокообессоленную воду. В настоящее время фильтры смешанного действия применяют на водоподготовительных установках, приготовляющих добавочную воду (глубокообессоленную) для циклов с прямоточными котлами.
Использование ионитов в смешанных слоях требует осуществления относительно сложной технологии их регенерации, связанной с необходимостью разделения смешанной шихты перед пропуском через катионит и анионит соответствующих растворов кислоты и щелочи.
Ионообменная технология, осуществляемая в смешанных слоях Н – ОН-ионитов, применяется обычно для получения «сверхчистой» воды и конденсата, а исходный раствор перед фильтром смешанного действия поэтому содержит в небольших количествах ионизированные примеси. Скорость фильтрования обрабатываемых растворов – до 50 – 100 м/ч через смешанный слой высотой 1 – 1,2 м.
Фильтры смешанного действия (ФСД) подразделяются на два конструктивных типа в зависимости от их назначения: с внутренней и выносной (наружной) регенерацией ионитов. Первый тип фильтров смешанного действия предназначен для глубокого обессоливания и обескремнивания питательной воды, вырабатываемой в относительно небольших количествах (300 – 600 м3/ч). Фильтры смешанного действия с наружной регенерацией применяют обычно для очистки турбинных конденсатов в составе блочных обессоливающих установок (БОУ). Они требуют обязательного сооружения специальной системы для регенерации обработанной смешанной шихты. Отключение фильтра на регенерацию производится по одному из следующих показателей: проскоку кремниевой кислоты или иона натрия, объему обработанной воды.
Регенеративный цикл фильтров смешанного действия состоит из следующих операций:
Взрыхление смеси ионитов восходящим потоком воды. При прекращении подачи взрыхляющей воды формируются два слоя ионитов: нижний – катионитовый и верхний – анионитовый.
Пропуск регенерационных растворов: через слой анионита – щелочи концентрацией 4% со скоростью V = 4 м/ч; через слой катионита – серной кислоты концентрацией 1,5 – 2% со скоростью V = 10 м/ч. Растворы могут пропускаться либо одновременно, либо последовательно.
Предварительная отмывка водой раздельных слоев ионитов от продуктов регенерации со скоростью V = 8 – 10 м/ч. Общее время регенерации составляет около четырех часов.
Использование фильтров смешанного действия в качестве заключительной стадии обработки воды или конденсатов требует защиты последующего тракта от попадания в него зернистых материалов, вследствие выноса их из фильтров при возникновении дефектов дренажной системы. Для этой цели используются фильтры-ловушки, действующие по принципу «перфорированная труба в трубе». Частицы механических включений, попадающие в фильтр-ловушку, задерживаются на внутренней перфорированной поверхности (сетке), что вызывает рост перепада давления в ловушке, при достижении заданного перепада давления ловушка отключается, а ее фильтрующая поверхность промывается водовоздушной смесью со сбросом взвеси в дренаж.
Фильтры смешанного действия находят применение при обработке высокоминерализованных вод. В этом случае исходной формой ионитов в смеси чаще всего является Na – Cl-форма, позволяющая при обработке воды получить фильтрат в виде монораствора хлорида натрия, который на последующих стадиях очистки легко обессолить в испарителях или мембранных аппаратах. Предложенная технология характеризуется повышенными технико-экономическими показателями, поэтому она интенсивно прорабатывается и начинает внедряться в нашей стране.
Лекция №9

Очистка воды от растворенных газов.
Общие положения. Десорбция газов (термическая деаэрация).

Вода, используемая в технологических процессах на теплоэнергетических станциях, содержит различные растворенные в ней газы. Наличие этих газов в воде объясняется как их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде, так и появлением их в процессе очистки.
Растворенные в воде газы можно разделить на химически не взаимодействующие (Н2, О2, СН4) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH3, СО2, Cl2). Эти газы можно разделить также на коррозионно-активные (О2, СО2, NH3, Cl2, H2S) и инертные.
Удаление из воды растворенных газов – важная часть комплексного технологического процесса обработки воды. Необходимость этого процесса вызвана стремлением уменьшить интенсивность коррозии внутренних поверхностей теплосилового оборудования под действием растворенных в теплоносителях агрессивных газов. Кроме того, наличие в воде растворенной углекислоты отрицательно сказывается на эффективности работы ионитных фильтров.
Один из основных потоков, подвергаемых дегазации, - питательная вода котлов. Растворенные газы удаляют также и из потоков, не являющихся рабочим телом: химически очищенная вода, подпиточная вода тепловых сетей, конденсат пара внешних потребителей и конденсаторов турбин.
Кислород и углекислый газ присутствуют в воде в результате растворения при контакте с атмосферным воздухом. Углекислый газ появляется также в процессе химического обессоливания после стадии Н-катионирования, при умягчении воды, аммиак NH3 появляется в воде в результате аминирования питательной воды. Двуокись серы SO2 и сернистая кислота H2S появляются при обработке воды сульфитом натрия. Концентрация газов в воде зависит от многих факторов: физическая природа газа, степень насыщения, давление в системе и температура воды.
Наиболее эффективный способ удаления растворимых газов из воды – десорбция. Этот способ основан на известных законах Генри-Дальтона, характеризующих зависимость между концентрацией в воде растворенного газа и его парциальным давлением.
Концентрация растворенного в воде газа выражается уравнением:
Сг = КгРг = Кг (Робщ - 13 EMBED Equation.3 1415), (1)
где Сг – концентрация растворенного в воде газа, моль/кг;
Кг – коэффициент адсорбции газа над водой (константа Генри);
Рг – парциальное давление газа над водой;
Робщ – общее давление над водой;
13 EMBED Equation.3 1415 - парциальное давление водяного пара над водой.
Как видно из (1), понижение концентрации газа в воде происходит с уменьшением разности 13 EMBED Equation.3 1415, то есть в случае приближения парциального давления водяных паров к значению полного давления газовой смеси. Это достигается созданием над поверхностью воды, содержащей рассматриваемый газ, смеси газов, в составе которой практически отсутствует удаляемый из воды газ. Таким образом, для удаления газа из воды необходимо создать условия, при которых парциальное давление его над поверхностью воды было бы равно 0.
Удаление газа из воды существенно зависит от кинетики десорбции, которая может быть выражена уравнением:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415, (2)
где 13 EMBED Equation.3 1415
· скорость десорбции;
Сг – концентрация удаляемого газа;
13 EMBED Equation.3 1415 - равновесная концентрация газа;
k – коэффициент пропорциональности;
f – удельная поверхность раздела фаз.
Наибольший эффект достигается при 13 EMBED Equation.3 1415, то есть при парциальном давлении удаляемого газа над водой, близком к нулю. При постоянных k и f концентрация газа в воде зависит только от времени дегазации, с увеличением которого концентрация газа в воде уменьшается. Время дегазации находят, задаваясь определенной концентрацией растворенного в воде газа.
Эффект дегазации можно повысить, увеличив удельную поверхность раздела фаз пара и воды. В этом случае при прочих равных условиях увеличивается время контакта воды с паром, не содержащим удаляемого из воды газа. На эффект дегазации существенно влияет повышение температуры воды, это обусловлено тем, что с повышением температуры уменьшается коэффициент адсорбции газа с водой. Этот способ универсален, так как при его использовании из воды удаляются в той или иной степени все растворенные газы, и часто применяется на практике в виде термической деаэрации, когда десорбция газов производится при одновременном нагреве воды до температуры кипения при данном давлении, что существенно интенсифицирует процесс.
При подготовке добавочной воды в схемах водоподготовительных установок удаление газов после Н-катионирования должно осуществляться с очень малым подогревом воды. В этом случае возможно применение деаэрации воды при давлении в деаэраторах ниже атмосферного. При этом снижение общего давления приводит к понижению парциальных давлений всех газов, растворенных в воде, и, следовательно, к их десорбции. Этот процесс осуществляется в вакуумных деаэраторах. Они применяются в схемах водоподготовительных установок перед анионитными фильтрами второй ступени, а также для деаэрации подпиточной воды тепловых сетей и питательной воды котлов низкого давления.
По способу распределения воды и пара деаэраторы разделяются на: струйные, пленочные и барботажные. Интервал рабочего давления в них составляет 0,0075 – 0,05 МПа. Это обстоятельство предъявляет особые требования к герметичности аппаратов. К их недостаткам следует отнести также необходимость иметь устройства для создания вакуума и отвода выпара, большую, чем для других типов деаэраторов. Преимущества: сокращение затрат на подогрев воды (температура воды – 40 – 70 0С).
Эффект деаэрации зависит также от режима его работы. При барботаже пара через воду происходит достаточно глубокое удаление газов из деаэрированной воды и достаточно хороший нагрев. Однако для барботажа требуется пар повышенного давления. В струйных деаэраторах выделение газов из воды и ее нагрев происходят с меньшей эффективностью, но имеют меньшее гидравлическое сопротивление. Поэтому часто конструкция деаэратора предусматривает комплексное применение обоих методов, причем барботаж пара организуется как в деаэрирующей колонке, так и в аккумуляторном баке. При емкости аккумуляторного бака, равной 30 – 35% расхода воды, достигается достаточно хороший эффект деаэрации. Основными режимными параметрами являются температура воды в деаэраторе и удельный расход отводимого пара (выпар). Недогрев воды даже на 1 К до температуры насыщения значительно снижает эффект деаэрации.

Удаление из воды свободной углекислоты.

Способ удаления из воды свободной углекислоты методом аэрации широко применяют на водоподготовительных установках теплоэнергетических станций. Применение термической деаэрации для удаления углекислого газа неэффективно, вследствие нагревания воды, которую пришлось бы после этого охлаждать для очистки в последующих ступенях схемы водоподготовки. Сущность метода аэрации заключается в продувании через воду воздуха, свободного от углекислого газа. Таким образом, при использовании данного метода, так же, как и при термической деаэрации воды, над поверхностью обрабатываемой воды создается атмосфера, в которой парциальное давление углекислого газа ничтожно мало по сравнению с парциальным давлением углекислого газа в воде.
Удаление углекислоты производят в аппартах, называемых декарбонизаторами, а сам процесс носит название декарбонизации. Декарбонизацию проводят в аппаратах как пленочного, так и барботажного типа. Принципиальная схема декарбонизатора пленочного типа представлена на рисунке.
Декарбонизатор представляет собой цилиндрический стальной бак 1, внутри которого располагается насадка 2, состоящая из деревянных досок, уложенных в шахматном порядке с зазором, или из колец Рашига, представляющих собой керамические кольца. Вода подается в декарбонизатор сверху через патрубок 4. Со щита 6 она сливается через распределительные сопла 5 на поверхность насадки. Обрабатываемая вода омывает элементы насадки тонким слоем, навстречу ей движется воздух, подаваемый в декарбонизатор вентилятором через патрубок 7. Удаляемая из воды углекислота переходит в воздух и вместе с ним выводится из декарбонизатора в атмосферу через патрубок 3. Прошедшая очистку вода стекает в поддон декарбонизатора и через гидравлический затвор по патрубку 8 в бак декарбонизированной воды, который располагается под днищем декарбонизатора.
При правильно выбранной площади поверхности контакта воды с воздухом и достаточном расходе воздуха использование декарбонизатора пленочного типа позволяет снизить концентрацию растворенного углекислого газа в воде до 3 – 7 мг/кг.
Конструкция барботажного декарбонизатора предусматривает продувку сжатым воздухом снизу через всю площадь сечения бака, в который сверху поступает обрабатываемая вода. Для этих аппаратов требуется более высокое давление воздуха, подаваемого компрессором, чем для декарбонизатора пленочного типа. Кроме того, необходимо предусматривать очистку воздуха от смазочного масла компрессора.
В практике обработки воды получили широкое распространение (применение) декарбонизаторы с насадкой из колец Рашига. Расчет декарбонизатора состоит в определении геометрических размеров декарбонизатора, необходимой поверхности колец Рашига и определении напора, создаваемого вентилятором. Площадь поперечного сечения декарбонизатора определяется по плотности орошения насадки, то есть по расходу воды, приходящемуся на единицу площади поперечного сечения декарбонизатора. Плотность орошения принимается равной 60 м3/(м2
·ч).
Таким образом, площадь поперечного сечения декарбонизатора, м2:
13 EMBED Equation.3 1415,
где Q – производительность декарбонизатора, м3/ч.
Диаметр декарбонизатора определяют из уравнения:
13 EMBED Equation.3 1415.
Необходимую поверхность насадки определяют из уравнения:
13 EMBED Equation.3 1415,
где G – количество удаляемого газа, кг/ч;

·Сср – средняя движущая сила десорбции, кг/м3;
kж – коэффициент десорбции, м/ч.
Количество удаляемого газа G определяют, исходя из значений концентрации углекислого газа в воде, поступающей в декарбонизатор – Свх , и в декарбонизированной воде – Свых:
13 EMBED Equation.3 1415.
Значения Свх = 44Жк + Снач ,
где Жк – карбонатная жесткость воды на входе в декарбонизатор;
Снач – концентрация углекислого газа в исходной воде, мг/кг.
Высота слоя насадки:
13 EMBED Equation.3 1415,
где V – объем, занимаемый кольцами Рашига при беспорядочной загрузке.
13 EMBED Equation.3 1415,
где 204 – площадь поверхности единицы объема слоя насадки из колец Рашига, м2/м3.
При выборе декарбонизатора необходимо обеспечить двадцатипятипроцентный запас производительности по воде против расчетного.

Удаление кислорода физико-химическими методами.

Удаление кислорода из воды производится не только десорбционными (физическими), но и химическими методами. Химическое связывание кислорода в коррозионно-инертные вещества производится несколькими способами, в основе каждого из которых лежат окислительно-восстановительные процессы. Так как эти процессы характерны еще для целого ряда типичных приемов водообработки, например, для очистки от биологических загрязнений, и важны при оценке коррозии конструкционных материалов основного и вспомогательного оборудования, то разберем их основные положения.
Окислительно-восстановительные реакции состоят из процессов окисления (отдачи электронов веществам) и восстановления (получения электронов веществами). Вещество, отдающее свои электроны в процессе реакции, называется восстановителем, а вещество, принимающее электроны – окислителем. Некоторые вещества могут существовать в окислительной и восстановительной формах и способны переходить из одной формы в другую, получая электроны или теряя их. За исключением кислорода и водорода, которые являются соответственно окислительными и восстановительными агентами, остальные вещества в зависимости от условий могут быть либо окислителями, либо восстановителями, что характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом реакционной системы или редокс-потенциалом. Редокс-потенциал зависит от активности окислительно-восстановительной формы в соответствии с уравнением Норнста:
13 EMBED Equation.3 1415,
где n–число электронов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции; k – параметр, зависящий от температуры; Е0 – стандартный потенциал, определяющий равенство активностей окислительной и восстановительной форм.
Окислительно-восстановительный потенциал служит мерой окислительных и восстановительных способностей системы. Наиболее сильными окислителями являются ионы 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415, используемые для определения перманганатной или бихроматной окисляемости, а также фтор, озон и хлор.
Химические методы удаления из воды растворенных газов заключаются в связывании их в новые химические соединения. Строгое нормирование кислородосодержания при использовании восстановительных водных режимов в контурах теплоэнергетических станций с барабанными котлами, в теплосетях определяет необходимость использования не только физических методов дегазации, но и химических методов дообескислороживания, основанных на окислительно-восстановительных реакциях.
К числу используемых восстановителей относятся такие реагенты, как сульфит натрия, гидразин и окислительно-восстановительные группы, создаваемые на высокомолекулярных, нерастворимых в воде, полимерах.
Обработка воды сульфитом натрия основана на реакции окисления сульфита растворенным в воде кислородом:
2Na2SO3 + O2 2Na2SO4 .
Реакция протекает достаточно быстро при температуре воды не менее 80 0С и рН
· 8. Этот способ обескислороживания применяется только для котлов среднего давления (3 – 6 МПа) и для подпиточной воды тепловой сети, так как при температуре свыше 275 0С и давлении больше 6 МПа сульфит подвергается гидролизу и процессу самоокисления – самовосстановления:
Na2SO3 + H2O 2NaOH + SO2; 4Na2SO3 Na2S + 3Na2SO4 .
Для прямоточных котлов и барабанных котлов высоких и сверхвысоких параметров применяется обескислороживание воды гидразином в форме гидразин-гидрата (N2H4
· H2O), который не повышает солесодержания воды.
N2H4
· H2O O2 3H2O + N2 .
Основными факторами, определяющими скорость этой реакции, являются температура, рН среды, избыток гидразина, а также присутствие катализаторов. Так, при температуре 105 0С, рН = 9 ч 9,5 и избытке гидразина 0,02 мг/кг время полного связывания кислорода 2 – 3 секунды. При рН < 7 гидразин практически не связывает кислород. При рН = 9 ч 11 достигается максимум скорости реакции. Органические катализаторы интенсифицируют реакцию, повышая скорость взаимодействия в 25 – 100 раз. Каталитически влияют на скорость реакции также соединения меди и некоторых других металлов.
В котловой воде и в пароперегревателях избыток гидразина разлагается с образованием аммиака:
3N2Н4 4NH3 + N2.
В присутствии оксидов металлов возможно также разложение гидразина с выделением Н2:
3N2H4 2NH3 + 3H2 + 2N2.
Окислительно-восстановительные реакции можно осуществить при фильтровании воды через нерастворимые в воде высокомолекулярные вещества, имеющие в своем составе окислительно-восстановительные группы, способные к обратимому окислению и восстановлению. Примером таких веществ служат электроионообменники (ЭИ), используемые в схемах обескислороживания добавочной воды тепловых сетей, прошедшей предварительную стадию термической деаэрации. ЭИ получают введением в структуры ионита при синтезе материала. На таких смолах возможно одновременное и независимое протекание ионообменных и окислительно-восстановительных процессов. ЭИ могут быть получены на основе меди и висмута.
Определяющей при выборе типа ионита для насадки на него окислительно-восстановительных веществ является способность матрицы прочно удерживать нанесенные соединения. Эта способность зависит от знака заряда поверхности ионита.
Лекция №10

Организация химического обескислороживания.

Раствор сульфита натрия для обработки питательной воды котлов среднего давления приготавливают в баке, защищенном от контакта с атмосферой. Раствор концентрацией 3 – 6% вводится в питательный трубопровод перед насосами с помощью шайбовых и плунжерных дозаторов. Дозу сульфита натрия на обработку 1 м3 питательной воды после термической деаэрации подсчитывают по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где g – расход технического сульфита, г/м3;
13 EMBED Equation.3 1415- концентрация кислорода в обрабатываемой воде, г/м3;
k – избыток реагента (2 – 3 г/м3);

· – содержание активного сульфита натрия Na2SO3 в техническом реагенте (Na2SO3 · 7H2O), обычно 0,88 долей единицы.
При организации гидразинной обработки надо учитывать свойства гидразингидрата. Гидразингидрат N2H4 · H2O – бесцветная жидкость, легко поглощающая из воздуха кислород, углекислый газ и водяные пары, хорошо растворим в воде. Гидразин токсичен при концентрациях больше 40% , горюч, доставляется и хранится в виде 64% - го раствора в герметизированной таре из нержавеющей стали. Пары гидразина вызывают раздражение дыхательных путей, органов зрения, растворы гидразина действуют на кожный покров, поэтому при обращении с гидразином надо строго соблюдать соответствующие правила техники безопасности.
Расчетная доза гидразина должна учитывать не только его расход на связывание кислорода, но и на взаимодействие с оксидами металлов. Его дозировку рассчитывают по формуле:
gг = 3C1 + 0,3С2 – 0,15С3,
где gг – расчетная доза гидразингидрата, мг/кг;
С1 – С3 – концентрация в питательной воде соответственно кислорода, соединений железа и меди, мг/кг.
Дозирование гидразина осуществляется в одну из двух точек: на всас питательных насосов или в турбинный конденсат перед подогревателем низкого давления (ПНД). Расчетное количество 100%-го гидразина
·, мг/кг, необходимое для загрузки в бак предварительного разбавления, определяют из соотношения:
13 EMBED Equation.3 1415
где Д – расход питательной воды, м3/ч;

· – время между перезарядками бака, ч.
Вместимость бака 10 м3 для гидразина 20%-й концентрации обеспечивает примерно на два месяца запас реагента применительно для гидроэлектростанции (ГРЭС) мощностью 3600 МВт.
При заданном расходе питательной воды часовой расход реагента d, кг/ч, рассчитывают по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415,
где Сг – содержание гидразина в рабочем растворе, г/кг.
Обычно в питательной воде поддерживают избыточную концентрацию гидразина при нормальной эксплуатации 0,03 – 0.06 мг/кг.
Технологию применения химического обескислороживания рассмотрим на примере использования железооксидного электроионообменника (ЭИ). ЭИ этого типа способен к обескислороживанию и одновременно умягчению воды в схемах с предварительной вакуумной деаэрацией. Предварительная деаэрация воды обеспечивает ее подогрев до 60 – 80 0С и частичное удаление растворенного кислорода, что положительно влияет на экономичность рассматриваемого способа. При отмеченных температурных условиях процесс может базироваться на типовых конструкциях ионитных фильтров. При исходном кислородосодержании обрабатываемой воды до 1 мг/кг электроионообменник обеспечивает снижение содержания кислорода до 5 – 20 мкг/кг.
Наличие гидроксида железа на поверхности электроионообменника способствует также обезжелезиванию.
Приведенные технологические характеристики обеспечивают высокую эффективность использования этого материала для обескислороживания подпиточной воды теплосети закрытого типа.

Очистка воды методами дистилляции.
Метод дистилляции.

Очистка (опреснение) вод с высоким солесодержанием, включая морские, а также переработка высокоминерализованных сбросных растворов в целях защиты окружающей среды – важнейшая научно-техническая задача.
Обработка высокоминерализованных вод и растворов может осуществляться во-первых, удалением из воды растворенных примесей, что реализуется, как правило, без фазовых переходов растворителя (воды) в парообразное или твердое состояние; во-вторых, - методом извлечения из раствора молекул водорода, основанном на изменении их агрегатного состояния (методом дистилляции).
Первый путь извлечения солей из раствора теоретически представляется более целесообразным, так как мольная доля растворенных даже высокоминерализованных примесей примерно в 100 и более раз меньше количества самих молекул воды. Однако технические трудности при реализации такого пути не позволяют во всех случаях экономически выгодно осуществить это преимущество.
При нагревании водных растворов молекулы воды приобретают энергию, превышающую силы молекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Когда давление насыщенного пара в воде становится равным внешнему давлению, вода начинает кипеть. Ионы и молекулы растворенных веществ, содержащихся в воде и находящихся в гидратированном состоянии, не имеют такого запаса энергии и переходят в пар при невысоких давлениях в весьма незначительном количестве. Таким образом, организовав процесс кипения водных растворов,
·  NPRT`ћ
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·ТФ
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·v можно разделить растворитель (воду) и содержащиеся в ней примеси. Дистилляция (термическое обессоливание) реализуется в испарительных установках (рисунок 1), в которых вода за счет получения теплоты от подводимого в нагревательную систему первичного пара превращается во вторичный пар, который затем конденсируется.
Рисунок 1 – Схема испарительной установки:
1 – линия подвода первичного пара; 2 – греющая секция; 3 – корпус испарителя; 4 – линия отвода образующегося (вторичного) пара; 5 – конденсатор; 6 – линия отвода конденсата первичного пара; 7 – линия подвода питательной воды; 8 – линия продувки; 9 – линия опорожнения; 10 – линия отвода дистиллята.

Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды (концентрата).
Принимая в первом приближении, что переход примесей во вторичный пар равен нулю, оценим на основании материального баланса в испарителе концентрацию примесей в воде испарителя Св.и в зависимости от концентрации примесей в питательной воде Сп.в и расхода продувки Рпр. . Уравнение материального баланса имеет вид:
Рп.в · Сп.в = Рп · Сп + Рпр · Св.и,
где Рп.в – расход питательной воды (Рп.в = Рп + Рпр);
Рп – паропроизводительность.
Учитывая, что Сп = 0, (Рп + Рпр)Сп.в = Рпр Св.и , откуда 13 EMBED Equation.3 1415.
Чем больше продувка, тем меньше концентрация примесей в воде испарителя (в продувке). Отрицательный температурный коэффициент растворимости солей жесткости при испарении воды концентрации ионов Са2+, Mg2+, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, ОН- до пределов, превышающих произведение растворимости СаСО3 , CaSO4 и Mg(OH)2 , является причиной образования накипи на теплопередающих поверхностях в испарителях. Накипеобразование снижает производительность испарителей и ухудшает их технико-экономические показатели.
Испарительные установки бывают одно- и многоступенчатыми. Если вторичный пар конденсируется непосредственно в конденсаторе испарителя, то такая испарительная установка является одноступенчатой. В многоступенчатых установках (рисунок 2) вторичный пар каждой ступени, кроме последней, используется в качестве греющего пара следующей ступени и там же конденсируется.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 2 – Схема многоступенчатой испарительной установки:
1 – линия подвода греющего пара; 2 – 4 – испаритель соответственно 1 – 3 ступеней; 5 – линия отвода вторичного пара; 6 – конденсатор; 7 – линия отвода конденсата; 8 – линия подвода питательной воды; 9 – подогреватель питательной воды; 10 – продувочная линия.

С увеличением числа ступеней увеличивается и количество конденсата (дистиллята), получаемого в испарительной установке с одной тонны первичного пара. Однако с ростом числа ступеней уменьшается температурный перепад между греющим и вторичным паром, что вызывает необходимость увеличения удельных поверхностей теплообмена, приводящего, в конечном счете, к увеличению габаритных размеров, удельных металлозатрат и удорожанию установки.
Питание многоступенчатой установки может осуществляться по параллельной схеме с питанием каждого испарителя из общего коллектора, но чаще – по последовательной схеме, как показано на рисунке 2. При этом всю питательную воду подают в первую ступень установки, а затем после ее частичного испарения вода перетекает в следующую ступень, а из последней сбрасывается в дренаж. Многоступенчатые испарительные установки используются на теплоэлектроцентралях с большими общими и внешними потерями пара и конденсата. Одноступенчатые испарительные установки применяются на конденсационных энергетических станциях (КЭС) при небольших потерях (1 – 3%) и включаются в схемы переработки сточных вод водоподготовительных установок при запрещенных сбросах.
В настоящее время в основном дистиллят производят из воды, предварительно умягченной на ионитных фильтрах, но в ряде случаев используется вода, прошедшая упрощенную обработку. Пар, подаваемый в испаритель, называется первичным, а образовавшийся из поступающей в испаритель воды – вторичным.
В испарителях мгновенного вскипания пар образуется не при кипении, а при вскипании воды, предварительно подогретой до температуры, превышающей на несколько градусов температуру насыщения воды, в камере, в которой происходит парообразование. Для них не требуется высокое качество питательной воды, так как процесс испарения воды при вскипании осуществляется без передачи теплоты через поверхность. Установки мгновенного вскипания называются также адиабатными или «флеш». Так как температура насыщения зависит от давления насыщения, то при осуществлении вскипания при давлении ниже атмосферного можно организовать работу испарителей рассматриваемого типа при температуре ниже 100 0С, что снижает вероятность накипеобразования.
Одноступенчатый испаритель мгновенного вскипания с принудительной циркуляцией работает следующим образом (рисунок 3).
Рисунок 3 – Одноступенчатый испаритель мгновенного вскипания с принудительной циркуляцией.

Исходная вода поступает в конденсатор 1, после которого часть ее направляется в камеру испарения 3. Циркуляционный насос 5 забирает воду из камеры испарения и прокачивает через подогреватель 6, возвращая воду через сопло 2 в корпус испарителя. При отсосе неконденсирующихся газов паровым эжектором 8 происходит снижение давления в камере ниже давления насыщения пара, вследствие чего происходит испарение с поверхности капель и зеркала. Сепарация капель влаги осуществляется в устройстве 7. Дистиллят откачивается из испарителя насосом 4, его количество в одноступенчатых установках примерно равно количеству конденсирующегося пара.
Испарители мгновенного вскипания можно сооружать по многоступенчатой схеме, что обеспечивает меньший удельный расход теплоты. В опреснительных установках морской воды число ступеней может доходить до 30 – 40. Когда же такая установка включается в схему регенеративного подогрева питательной воды котлов, она выполняется по условиям баланса теплоты одноступенчатой или имеет три-четыре ступени.
Предотвращение накипеобразования в испарительных установках.

Опыт эксплуатации испарителей при питании солеными водами указывает на серьезные затруднения, возникающие из-за быстрого образования накипи на теплопередающих поверхностях, снижения коэффициента теплопередачи
· и уменьшения эффективности работы испарителей.
Нарастание плотного слоя кристаллических отложений происходит из пересыщенного раствора в результате роста существующих на поверхности кристаллов (первичное накипеобразование), а также вследствие адгезии и адсорбции тонкодисперсных частиц, уже образовавшихся в испаряемой воде (вторичное накипеобразование).
Как правило, накипеобразование обоих видов протекает одновременно. Формирование накипи на поверхности можно представить следующим образом: образование зародышевых кристаллов в углублениях микронеровностей металла; возникновение образований типа кораллового кустика; заполнение промежутков между разветвлениями «кустика» мелкими частицами твердой фазы, образовавшейся в растворе и транспортируемой к теплопередающей поверхности.
Методики проведения расчетов, связанных с оценкой интенсивности накипеобразования, еще не разработаны, так как далеко не изучены все факторы, влияющие на данный процесс, в частности необходимо знать точные значения коэффициента активности ионов накипеобразователей для реальных параметров работы испарителя.
Методы борьбы с накипеобразованием в испарителях можно подразделить на физические, химические и физико-химические; кроме того, возможно использование для уменьшения накипеобразования специальных конструкций и материалов для испарителей.

Безреагентные методы.

Метод контактной стабилизации предложен Ланжелье и назван так из-за отсутствия при его использовании выделения твердой фазы на теплопередающей поверхности. Он основан на том, что энергия образования кристаллов на нерастворенных частицах примеси меньше, чем энергия самопроизвольного возникновения центров кристаллизации. Кристаллизация на веществе-стабилизаторе протекает при меньшем пересыщении раствора. За счет множества центров кристаллизации происходит осаждение избыточного сверх растворимости количества накипеобразователей. В качестве стабилизатора применяют дробленые материалы: известняк, мрамор, песок, через фильтрующий слой которых циркулирует испаряемая вода.
Высота фильтра должна составлять 1,8 – 2 метра. Скорость подъема рассола во избежание уноса стабилизирующего материала не должна быть больше 35 м/ч. Применение контактной стабилизации позволяет уменьшить количество накипи в испарителе на 80 – 90% , но он конструктивно сложен.
Магнитная обработка воды заключается в прокачивании ее через аппарат, в котором создается магнитное поле. Известно, что магнитными аппаратами оснащены установки, когда вода не стабильна, то есть пересыщена по СаСО3 , работают эффективно. Теория магнитной обработки еще не сформирована, но проведенными исследованиями установлено следующее. Содержащиеся в воде, которая транспортируется по стальным трубам, ферромагнитные продукты коррозии и коллоидные частицы, обладающие электрическим зарядом и магнитным моментом, накапливаются в магнитном поле, создаваемом магнитным аппаратом. Увеличение концентрации твердой микрофазы в зазоре магнитного аппарата способствует кристаллизации карбоната кальция из нестабильной воды в ее объеме, в результате чего уменьшается скорость образования накипи, но увеличивается концентрация шлама при дальнейшем нагреве и испарении воды, подвергаемой магнитной обработке. Так как химический и дисперсный состав примесей природной воды меняются по сезонам и районам, а степень пересыщения воды по СаСО3 зависит также от температуры, то эффективность магнитной обработки может изменяться в широких пределах вплоть до нулевых значений.
Ультразвуковая обработка при испарении воды может создавать за счет упругих механических колебаний среды значительных энергий условия, приводящие к нарушению кинетики кристаллизации в пристенном слое. Действие ультразвуковых волн на поверхность нагрева может возбуждать на границе кристаллических связей с поверхностью знакопеременные изгибные усилия, вызывающие, в конечном счете, отслаивание накипи. Механизм воздействия ультразвука на накипеобразования до конца не изучен.



Е.Ф. Тебенихин, Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. М.:Энергоатомиздат, 1985.
Лекция №11

Предотвращение накипеобразования в испарительных
установках химическими и другими методами.

Химические методы. Стабилизацию подкислением применяют для предупреждения образования на теплопередающих поверхностях накипи карбоната кальция и гидроксида магния.
Природная вода, содержащая Са2+, 13 EMBED Equation.3 1415 , 13 EMBED Equation.3 1415, СО2 , в зависимости от состояния углекислотного равновесия системы может быть агрессивной, стабильной или нестабильной. Основным критерием стабильности такой системы, используемым в практике, является «индекс стабильности», предложенный Ланжелье.
Для природных вод выполняются соотношения рНравн
· рНфакт. Разность между фактическим и равновесным значениями обозначается через Y и называется индексом стабильности или индексом Ланжелье:
рНфакт – рНравн = Y.
При Y = 0 вода стабильна, при Y < 0 она агрессивна, при Y > 0 вода нестабильна и способна к образованию отложений. При стабилизированной обработке воды подкислением добиваются того, чтобы индекс стабильности был близок к нулю. Зная характер изменения рНфакт = f1(Щ) и рНравн = f2(Щ) при снижении щелочности воды в результате подкисления, можно решить эти уравнения в отношении
·Щ (снижения щелочности до стабильного состояния).
Требуемую дозу, мг/кг, технической серной или соляной кислоты можно определить по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415,
где е – эквивалентная масса кислоты, мг-экв/кг;
р – содержание в технической кислоте соляной кислоты или серной кислоты, %.
Доза кислоты зависит от щелочности питательной воды, температуры процесса дистилляции и кратности упаривания и составляет обычно 70 – 90% щелочности исходной воды. Передозировка кислоты может вызвать коррозию конструкционных материалов испарительной установки, в связи с чем необходим тщательный контроль за процессом дозирования. Применение бисульфата натрия аналогично подкислению, так как в результате диссоциации NaHSO4 образуются ионы водорода.
Для подкисления можно использовать хлорное железо, при этом наряду с ионом водорода при гидролизе образуется взвесь гидроксида железа, частицы которого служат центрами кристаллизации накипеобразователей.
Физико-химические методы. В их основе лежит применение химических реагентов-присадок-поверхностно-активных веществ, вводимых в испаряемую воду в настолько малом количестве (1 – 20 мг/кг), что реакция их с примесями воды не играет существенной роли. Эффективность таких присадок обусловлена тем, что вследствие их большой поверхностной активности кристаллизация накипеобразователей на поверхности нагрева резко снижается. Поверхностно-активные вещества адсорбируются в виде мономолекулярной пленки на поверхности зародышевых кристаллов, либо затрудняя адгезию их на поверхности.
Сильными стабилизирующими-пептизирующими свойствами, способными предотвращать коагуляцию частиц в широком диапазоне содержания твердой фазы, характеризуются некоторые вещества-антинакипины, присутствующие в воде обычно в виде мицелл и микромолекул.
Помимо перечисленных реагентов используются также некоторые комплексообразователи, например, гексаметафосфат натрия Na(NaPO3)6 и некоторые другие полифосфаты.
При высокой температуре (до 120 0С) и большой жесткости воды хороший эффект дало применение антинакипных реагентов, содержащих полиакриловую кислоту, соли ЭДТК (трилон Б), сульфонол и другие.
Кроме перечисленного производится удаление (очистка) накипи с поверхностей аппаратов химическим способом с применением реагентов – серной, соляной, лимонной, уксусной и другими.
Технологические методы ограничения накипеобразования. Они применяются прежде всего в испарительных установках с вертикальнотрубными греющими секциями. Примеров технологических методов ограничения накипеобразования может быть использование организованно удаляемого газа (газовой сдувки) испарителей для насыщения углекислым газом питательной воды. При термическом распаде бикарбонатов в газовую фазу, как известно, выделяется углекислый газ. Смешивая его с водой в таком количестве, которое превышает равновесное значение, воде придают агрессивные свойства по отношению к карбонату кальция, что препятствует его выделению в подогревателях питательной воды. Следует учитывать, что при избыточном содержании углекислого газа в воде, снижающим рН, интенсифицируются коррозионные процессы конструкционных материалов.

Методы получения чистого пара в испарительных установках.

Загрязнение насыщенного пара неорганическими соединениями связано, во-первых, с уносом влаги (механический унос) и, во-вторых, с растворимостью некоторых веществ в водном паре. Основной вклад в загрязнение пара вносит механический (капельный) унос. Обычно испаряемая вода выносится в виде капель размером от 0,5 до 3 мкм, образующихся при разрушении паровых пузырьков, выходящих за пределы водяного объема.
Вынос солей с паром интенсифицируется при вспенивании воды испарителя, причем структура пены зависит от нагрузки и давления в испарителе. Следует подчеркнуть, что закономерности уноса капель влаги паром действуют одинаково как для испарительных установок, так и для других агрегатов, производящих пар. Для обеспечения высокой чистоты пара в испарителях применяют: объемную сепарацию в паровом пространстве, для чего высоту парового пространства выбирают равной не менее 1,5 метра, а для сильнопенящихся растворов – 2,5 – 3 метра; дырчатые листы перед пароприемными трубами для выравнивания скоростей пара в этой зоне; жалюзные сепараторы для улавливания капель влаги.
Эффективным средством обеспечения чистоты пара является промывка пара питательной водой. Промывка осуществляется обычно барботированием мелких пузырьков пара через слой промывочной воды, солесодержание которой значительно меньше солесодержания испаряемой воды, что обеспечивает КПД промывки не менее 90%. При высоких требованиях к качеству дистиллята, промывку пара осуществляют внешним или собственным конденсатом, в ряде случаев организуется двухступенчатая промывка пара. Рассмотренные меры позволяют получать дистиллят при питании испарителей умягченной водой, удовлетворяющей требованиям ПТЭ электрических станций и сетей, используемый для питания без дополнительной очистки в качестве добавочной воды (питательной) барабанных котлов. На энергоблоках с прямоточными котлами необходима дополнительная очистка дистиллята на БОУ.

Очистка высокоминерализованных и сточных вод.
Обратный осмос.

Принцип обратного осмоса основан на явлении осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если чистую воду и водный раствор какого-либо вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давления (концентрации) молекул воды в разных отсеках осуществляется переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, то есть в отсек концентрированного раствора. Объем раствора при этом постепенно увеличивается, сам раствор разбавляется и разность давлений
·р уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул воды. Количественно процесс осмоса характеризуется значением осмотического давления р, которое согласно закону Вант-Гоффа прямо пропорционально концентрации растворенного вещества С и абсолютной температуре Т раствора:
13 EMBED Equation.3 1415,
где i = 1 +
· – коэффициент Вант-Гоффа (
· – степень диссоциации растворенного вещества);
М – масса 1 моля растворенного вещества;
R – универсальная газовая постоянная.
Чтобы осуществить обработку высокоминерализованной воды обратным осмосом, нужно, создав (в отсеке с раствором) избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу, то есть со стороны высокоминерализованной воды в отсек чистой воды (рисунок 1).
Рисунок 1 – а) прямой осмос; б) обратный осмос.

Преимущество обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких фазовых превращений, однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная глубокая очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей.
Несмотря на кажущуюся простоту процессов до настоящего времени не сформировался единый взгляд на механизм переноса молекул растворителя через мембраны, но большинство исследователей придерживаются следующей гипотезы. Согласно этой модели в полупроницаемой мембране имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды, но недостаточным для прохождения гидратированных ионов и молекул растворенных веществ. Из-за невозможности создания изопоритсых мембран в них имеются более крупные поры, через которые частично могут проникать гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность (избирательность) процесса переноса. Изложенное показывает, что эффективность процесса обратного осмоса определяется, главным образом, свойствами мембран, которые должны характеризоваться высокими разделяющей способностью (селективностью) и удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически прочными, иметь низкую стоимость.
В настоящее время для обратноосмотических установок применяют полимерные мембраны из ацетатов целлюлозы, полученные путем частичного испарения растворителя и последующего осаждения полимера. Ацетилцеллюлозные мембраны имеют асимметрическую структуру (рисунок 2), в которой поверхностный слой толщиной 0,25 – 0,5 мкм характеризуется высокой плотностью, а остальная масса толщиной около 150 мкм с размером пор 0,1 – 1 мкм обеспечивает лишь механическую прочность мембран и служит подложкой для поверхностного слоя, выполняя функции селективного барьера.
Рисунок 2 – Структура ацетилцеллюлозной мембраны:
1 – активный слой; 2 – поддерживающий слой.

При опреснении раствор приводится в контакт с плотным активным слоем мембраны. Кроме ацетилцеллюлозных мембран типа МГА промышленностью выпускаются полупроницаемые мембраны типа МГЭ на основе этилцеллюлозы и мембраны типа МГП на основе ароматических полиамидов.
Перечисленные марки мембран обладают различной селективностью и проницаемостью. Мембраны типа МГА находят применение для опреснения водных сред при рН = 5 ч 8, в кислых и щелочных средах они подвергаются гидролизу, оказывающему отрицательное воздействие на их характеристики. Мембраны типа МГЭ применяются для растворов с рН = 1 ч 14, МГП – для агрессивных сред с рН = 1 ч 12 при температуре 150 0С.

Электродиализ.

Электродиализ – процесс удаления из растворов ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленной движение ионов водорода и ОН-, причем катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. При достижении катода катионы восстанавливаются в соответствии с катодными реакциями, например:

2Н+ +2е 2Н; 2Н Н2 ; Na+ + e Na; 2Na + 2H2O 2Na + 2OH- + H2 .

Анодные реакции.

4ОН-
· 4е 2Н2О + 2О; 2О О2 ;
2Cl-
· 2e 2Cl; 2Cl Cl2 ;
2Cl + H2O 2H+ + 2Cl- + O.

Для предотвращения переноса ионов Н+ и ОН- электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов (рисунок 3).
При направленном движении ионов к соответствующим электродам катионы, встречающие на своем пути катионопроницаемую мембрану К, свободно проникают через нее. В то же время для анионов эти мембраны являются практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану А, одновременно препятствующую переносу катионов. В соответствии с законом Фарадея на перенос 1 г-экв солей расходуется 96491 Кл электричества (26,8 А·ч), в связи с чем теоретический расход электроэнергии Qэ , затрачиваемой на опреснение 1 м3 воды с начальным Снач и конечным Скон солесодержанием:
Qэ = 26,8 (Снач – Скон), А·ч.
Реальный расход электроэнергии будет выше из-за поляризационных явлений и недостаточной селективности мембран.
Ионитные мембраны для процессов электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электропроводимостью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, определяющей продолжительность срока службы в промышленных условиях.
В зависимости от знака заряда матрицы ионита и исходного вещества мембраны подразделяют на катионитные и анионитные, а по методу получения – на гетерогенные и гомогенные.
Гетерогенные мембраны представляют собой тонкодисперсный ионит, распределенный в пленке инертного связующего материала. Существует несколько основных способов их получения. Сухое связующее вещество и ионообменный материал в порошкообразной форме смешивают и спрессовывают в листы при определенных температуре и давлении. Порошкообразный ионит диспергируется в легкоиспаримом растворителе, смесь отливают на армирующую ткань (нейлоновую сетку) и сушат.
В России выпускаются катионитные и анионитные мембраны марок МК-40 и МА-40.
Гомогенные мембраны, получаемые в результате реакции поликонденсации или методом привитой полимеризации, характеризуются сплошной фазой ионита по всей структуре пленки. Гомогенные мембраны обладают лучшими электрохимическими свойствами по сравнению с гетерогенными, но меньшей механической прочностью.
Вода, используемая в электродиализаторах, требует тщательной обработки. Некоторые рекомендации по эксплуатации электродиализаторов:
Исходная вода не должна содержать взвешенные частицы, которые могут осаждаться и вызывать повышенную поляризацию мембран.
Накопление шлама из частиц твердой фазы СаСО3 и MgCO3 на мембранах или электродах вызывает увеличение омического сопротивления аппарата. Борьбу с отложениями ведут путем подкисления исходной воды или периодической замены полярности электродов в аппарате.
При работе электродиализатора возможно образование твердой фазы вследствие электрокоагуляции коллоидных частиц. Такой осадок можно довольно легко удалить, быстро изменив скорость воды в тех частях установки, где он образуется.
Необратимое накопление в ионитных мембранах поливалентных ионитов, имеющих малую подвижность, приводит к «отравлению» мембран, то есть к снижению их электропроводимости. Частичное удаление с «отравленных» мембран иона достигается промывкой мембран кислотой с последующим переводом их в натриевую форму.
Указанные трудности при использовании мембран приводят к сокращению срока их службы. Для ионитных мембран в некоторых случаях наблюдалась полная потеря обменной емкости после трехсот дней работы.
При расчете процессов электродиализа и, в частности, при выборе рабочей плотности тока, надо учитывать явление концентрационной поляризации, возникающей на ионитных мембранах. Суть его заключается в том, что миграция ионов через мембрану идет с большей скоростью, чем в растворе, что приводит к падению концентрации электролита около принимающей стороны мембраны и повышению концентрации около отдающей стороны (рисунок 4). Существует предельная плотность электрического тока, при которой концентрация электролита около мембраны снижается до нуля и начинается перенос Н+ и ОН- ионов, образующих при электродиализе воду, что вызывает перерасход электроэнергии, изменяет рН, а солесодержание не уменьшается.
Лекция №12

Комплексная очистка высокоминерализованных
исходных и сточных вод.

Как известно, регенерация ионитных фильтров проводится при удельных расходах реагентов, существенно превышающих стехиометрические количества, что приводит с учетом корректировки рН сточных вод к многократному превышению суммарного содержания солей в стоках по сравнению с содержанием солей в исходной воде. Сброс сточных вод водоподготовительной установкой в естественные водоемы вызывает увеличение их солесодержания; если же сточные воды доупаривать, то это вызовет усложнение схем водоподготовительной установки и удорожание обработанной воды. Количественные и качественные характеристики стоков водоподготовительных установок, использующих различные технологические схемы в зависимости от минерализации исходной воды, показывают, что испарители являются более «экологически чистыми», чем ионитные фильтры, так как суммарный сброс солей при химическом обессоливании воды превышает сброс солей при работе испарительных установок.
Совершенствование ионообменной технологии идет в нескольких направлениях в целях уменьшения удельных расходов реагентов и сокращения количества сбросных вод.
Рассмотрим ряд принципиальных решений. Для схем катионитного умягчения с предварительным известкованием и коагуляцией в осветлителе, применяемых, например, для подготовки добавочной воды тепловой сети, рекомендуется воды собственных нужд водоподготовительных установок разделять на условно чистые и условно жесткие, не смешивая их и собирая в соответствующие баки, что ограничивает переработку сточных вод. Условно чистые воды, получаемые при взрыхлении, спуске водяной подушки, отмывке, возвращаются в осветлитель без переработки. Жесткие регенерационные стоки (13 EMBED Equation.3 1415мг-экв/кг) обрабатываются методами осаждения при повышенной температуре с использованием соды и гидроксида натрия в собственном осветлителе и используются повторно после дополнительного осветления, фильтрования.
Прогресс в оптимизации процессов обработки воды методами осаждения и ионного обмена позволил исключить дорогостоящий термический метод для обработки сточных вод для схем химического обессоливания и Na-катионирования. Это достигается следующими технологическими и схемными решениями:

· использованием щелочных растворов по существующей схеме ступенчатой регенерации;

· применением для регенерации Na-катионитных фильтров сульфата натрия, раствор которого приготавливается на нейтральных подкисленных сточных водах анионитных фильтров;

· нейтрализацией сточных вод Н- и Na-катионитных фильтров известью и их использованием после осветления в качестве исходной воды в схеме подпитки тепловой сети.
Использование рекомендуемых технологических приемов с противоточной или двухпоточнопротивоточной конструкцией фильтров позволяет снизить удельные расходы кислоты и щелочи до значений, близких к стехиометрическим. Применение сульфата натрия вместо хлорида натрия связано со стремлением использовать для снижения кальциевой жесткости сточных вод сульфат-ион вместо дефицита карбоната натрия.
Рассмотренные методы снижения объемов сточных вод и расхода реагентов заключаются в повторном использовании реагентов на водоочистных сооружениях, причем отличие состоит в том, что сточные регенерационные и отмывочные воды ионитных фильтров разделяют на объемы двух типов. В объеме первого типа (первая порция) сточные воды содержат основную массу вытесняемых из ионитов примесей и неактивный противоион регенерационного раствора. Эта порция раствора характеризуется рН, близким к нейтральному. Вторая порция сточных вод ионитных фильтров содержит основную часть активного вещества, слабозагрязненного продуктами регенерации. Она пригодна для повторного использования. Разделение сточных вод катионитных и анионитных фильтров на соответствующие порции также упрощает технологию нейтрализации. Промышленные испытания предложенной технологии подтвердили ее высокую эффективность по значениям остаточной жесткости воды за фильтром-нейтрализатором.
Выбор метода обработки высокоминерализованных вод и стоимость этого процесса зависят от солесодержания исходной воды, производительности установки, стоимости топлива, электрической энергии, реагентов и от условий, допускающих или запрещающих сброс сточных вод водоподготовительных установок.
Применимость того или иного способа обосновывается в результате сопоставления технико-экономических показателей нескольких технологических схем и используемых аппаратов. Решение принимается с учетом минимальных приведенных затрат и мероприятий, связанных с охраной природы – предотвращением засоления водоемов, а также с эффектом получения дополнительной попутной продукции при комплексной переработке минеральных вод.
При запрете на сброс сточные или продувочные воды водоподготовительных установок подвергаются глубокому упариванию с последующим захоронением концентрата. Применение комбинированных схем с использованием мембранных технологий позволяет улучшить технико-экономические показатели обессоливающих установок.
Стабилизационная обработка воды.
Общие положения.

Охлаждающие контуры с небольшим подогревом водного теплоносителя (система охлаждения конденсаторов, промежуточные контуры охлаждения) выполняются обычно по открытой схеме, в которой нагретая вода охлаждается методом испарительного охлаждения при контакте ее с воздухом в градирнях и вновь подается в теплообменные аппараты. В градирнях часть оборотной воды теряется за счет капельного уноса Рун (0,5 – 2,5%) и испарения Рисп (1 – 1,5%), что приводит к повышению солесодержания. Регулирование солесодержания осуществляется с помощью продувки из системы Рпрод (процент часового расхода охлаждающей воды), а отмеченные потери компенсируются добавлением воды в систему:
Рдоб = Рисп + Рун + Рпрод.
Концентрирование солей в системе охлаждения (13 EMBED Equation.3 1415, где Сцирк , Сдоб – концентрация соли в добавочной и циркуляционной воде) зависит от значения продувки. Наряду с концентрированием легкорастворимых солей в системах охлаждения увеличивается также концентрация солей жесткости и бикарбонат-ионов при одновременной интенсификации их гидролиза в воде, что характеризуется уравнением:
2НСО3 13 EMBED Equation.3 1415 + СО2 + Н2О.
Кроме того, распаду бикарбонатов способствует потеря образующегося при гидролизе углекислого газа при разбрызгивании воды и в градирнях. Эти факторы приводят к выделению на теплообменных поверхностях отложений карбоната кальция СаСО3 в тех случаях, когда произведение активностей взаимодействующих компонентов превысит 13 EMBED Equation.3 1415. Сульфат кальция обладает сравнительно большой растворимостью и поэтому редко встречается в составе накипей.
Так как теплопроводность кальциевых отложений на порядок меньше теплопроводности металла конденсаторных трубок, с ростом температуры накипи повышается температура конденсации пара, ухудшается вакуум в конденсаторе, а его снижение на 1% вызывает увеличение расхода пара на 1,4% для поддержания номинальной мощности энергоустановки.
Для предупреждения накипных отложений в конденсаторах и регулирования состава охлаждающей воды применяют в первую очередь продувку системы охлаждения, которую оценивают исходя из затрат на перекачку воды, стоимости воды (добавочной), а также предельно допустимой карбонатной жесткости охлаждающей воды Жк.пр. Расчет Жк.пр проводится по эмпирической формуле Крушеля, применяемой для природных вод с окисляемостью до 25 мгО2/кг в температурном интервале 30 – 65 0С:

13 EMBED Equation.3 1415,
где Ок – окисляемость воды, мгО2/кг;
t – максимальная температура воды в системе, 0С (при температуре меньше 40 0С в уравнение следует подставлять 40 0С).
Продувку, необходимую для поддержания в воде системы охлаждения Жк.цирк = Жк.пр , определяют по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415,
где Жк.доб – карбонатная жесткость добавочной воды.
Если по технико-экономическим соображениям нельзя поддерживать продувку на расчетном уровне, то надо использовать в дополнение к продувке специальные методы стабилизационной обработки воды подкислением или фосфатированием. В ряде случаев для снижения щелочности или жесткости добавочной воды системы охлаждения могут применяться такие известные технологические процессы, как известкование или ионообменное умягчение. Они относятся к эффективным, но дорогостоящим средствам водоподготовки, поэтому при решении вопроса об их использовании требуется детальное технико-экономическое обоснование.

Стабилизация воды подкислением.

Обработка воды сильной кислотой приводит к разрушению части бикарбонатной щелочности
·Щк.доб – потенциального источника карбонат-ионов – с одновременным выделением углекислого газа по реакции:
13 EMBED Equation.3 1415 + Н- СО2 + Н2О.
Такая обработка с выделением углекислого газа способствует стабилизации бикарбонатов, оставшихся в воде после подкисления в качестве щелочного буфера (0,5 – 1 мг-экв/кг) для предотвращения коррозии конструкционных материалов.
Следует отметить, что основной эффект подкисления связан с уменьшением карбонатной жесткости охлаждающей воды. Соляная кислота для подкисления принципиально может быть использована, но вследствие ее высокой коррозионной агрессивности и значительной стоимости чаще применяется более доступная и дешевая серная кислота. В этом случае следует считаться с возможностью сульфатных отложений в системе охлаждения при сокращении значений продувки и высокой кратностью концентрирования примесей. Как известно, сульфат кальция не образует твердой фазы в том случае, если произведение активных концентраций Са2+ и 13 EMBED Equation.3 1415в охлаждающей воде не превышает произведения растворимости сульфата кальция (при температуре 25 – 60 0С) 13 EMBED Equation.3 1415, принимаемым равным 2,4·105). При проведении расчетов такого рода необходимо помнить, что концентрации ионов кальция, сульфатов определяются не только качеством добавочной воды, но и такими параметрами водного режима оборотной системы как Рдоб и Рисп . Задаваясь последовательно значениями этих величин, определяют Жк.цирк , концентрацию сульфатов с учетом дозы кислоты и содержания исходных сульфатов в циркуляционной воде и находят по ионной силе раствора охлаждающей воды коэффициент активности двухвалентных ионов. Сравнивая произведения активных концентраций с 13 EMBED Equation.3 1415, находят допустимое значение концентрированных примесей в системе.
Расход серной кислоты
·к , кг/ч, на обработку охлаждающей воды подсчитывается по определенному значению Жк.пр с учетом выбранных ранее значений Рисп , Рун , Рпрод :
13 EMBED Equation.3 1415,
где Д – расход добавочной воды, м3/ч;
k – доля серной кислоты в технической кислоте.
Кислоту можно вводить в воду разведенной до концентрации 3 – 5% или дозировать в концентрированном виде при расходах больше 0,5 т/сутки. В этом случае скорость воды в трубопроводе должна быть не менее 1,5 м/с.
Результат, аналогичный подкислению, можно получить, использовав Н-катионирование части добавочной воды оборотных систем, при этом наряду с нейтрализацией бикарбонатных ионов ионами Н+ из воды удаляется также соответствующее количество ионов кальция, что способствует стабилизации воды. Снижение карбонатной жесткости воды можно достичь применением Н-катионирования с «голодной» регенерацией.
Метод стабилизации воды подкислением используется также при подготовке подпиточной воды тепловой сети, исходя из значения карбонатного индекса Ик , под которым понимают произведение общей щелочности на кальциевую жесткость воды. Ик принимает значения от 4 до 0,5, уменьшаясь с ростом температуры. Он также зависит от типа водогрейного оборудования (котлы или сетевые подогреватели). Возможность стабилизации воды теплосети серной кислотой должна рассматриваться с учетом 13 EMBED Equation.3 1415. Естественно, что выделившийся при подкислении углекислый газ должен быть удален, поэтому серную кислоту дозируют перед деаэратором подпиточной воды. В тех случаях, когда надо снизить еще и Жо , перед подкислением воду подвергают известкованию, что снижает удельные расходы кислоты и уменьшает выделение CaSO4 .

Фосфатирование охлаждающей воды.

Этот метод обработки применяют при щелочности добавочной воды, не превышающей 3 – 4 мг-экв/кг. Механизм стабилизационной обработки воды при добавлении фосфатов в небольшой концентрации связан с их адсорбцией на поверхности зародышевых кристаллов карбоната кальция СаСО3 . Это вызывает замедление дальнейшей кристаллизации и стабилизацию пересыщенных бикарбонатов кальция Са(НСО3)2 в связи с повышением Жк.пр циркуляционной воды. Стабилизирующим действием обладают соли различных фосфорных кислот, но наиболее часто применяют гексаметафосфат натрия (NaPO3)6 и тринатрийфосфат, с помощью которых можно стабилизировать карбонатную жесткость циркуляционной воды Жк.пр на уровне 4 – 6,5 мг-экв/кг в зависимости от солевого состава и окисляемости воды. Доза фосфата не поддается теоретическому расчету, составляет обычно 2 – 2,7 мг/кг в пересчете на оксид фосфора Р2О5 . С течением времени свойства гексаметафосфата натрия теряются за счет гидролиза:
(NaPO3)6 +6H2O 6NaH2PO4 ,
поэтому требуется непрерывное дозирование этого реагента в охлаждающую воду. Раствор (NaPO3)6 должен иметь концентрацию меньше 0,1% во избежание выделения шлама в зоне ввода реагента.
В настоящее время для обработки воды охлаждающих систем широко используются органические производные фосфора, в частности оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ). Этот реагент устойчив при температуре больше 100 0С, его требуемая доза составляет около 1 мг/кг в пересчете на оксид фосфора Р2О5 или около 10 мг/кг товарного продукта. Использование ОЭДФ, как показал опыт эксплуатации, позволяет полностью исключить образование минеральных отложений, сократить потребление воды на подпитку циркуляционных систем, отказаться от проведения химических очисток конденсаторов и уменьшить локальное повреждение трубок из медных сплавов.
При высокой карбонатной жесткости циркуляционной воды, превышающей предельное значение при стабилизационной обработке фосфатами (Жк.пр
· 6,5 – 0,1Жн.к), целесообразно обрабатывать воду комбинированным способом – совместно подкислением и фосфатированием. Комбинированный способ предусматривает дозированием кислоты снизить карбонатную жесткость до значения, стабилизируемого фосфатами, что позволяет сократить расход кислоты и обеспечить безнакипный режим системы охлаждения.

Рисунок – Схема фосфатирования циркуляционной воды:
1 – вода; 2 – пар; 3 – бак для растворения (NaPO3)6; 4 – дозирующий бачок; 5 – приемный колодец; 6 – циркуляционный насос.
Лекция №13

Рекарбонизация охлаждающей воды.

Как отмечалось, одна из основных задач при эксплуатации систем охлаждения воды состоит в предотвращении образования отложений накипи в теплообменных аппаратах. Образование накипи в этих аппаратах обусловлено распадом бикарбоната кальция, то есть карбонатной жесткости охлаждающей воды. Карбонат кальция представляет собой малорастворимое соединение, образующее на поверхности нагрева или охлаждения теплосилового оборудования накипь. Основная причина, вызывающая распад бикарбоната кальция – недостаток растворенной в воде углекислоты. Это явление особенно характерно именно для систем охлаждающей воды, в которой недостаток растворенной в воде углекислоты обусловлен аэрацией воды в градирнях или брызгальных бассейнах вследствие удаления углекислоты из воды при контакте последней с атмосферным воздухом.
Чтобы предотвратить распад бикарбоната кальция, необходимо поддерживать в воде минимальную концентрацию растворенной углекислоты, то есть равновесную концентрацию.
На теплоэнергетических станциях (ТЭС) недостаток диоксида углерода в охлаждающей воде может быть восполнен обработкой воды дымовыми газами, содержащими углекислоту. Необходимый расход дымовых газов, нм3/ч, может быть определен:
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 – необходимое увеличение концентрации углекислоты в охлаждающей воде перед конденсатором, мг/кг;
Qц – расход охлаждающей воды, м3/ч;

· – степень использования углекислоты, %;
13 EMBED Equation.3 1415 – концентрация углекислоты в дымовых газах, %.
Для рекарбонизации охлаждающей воды используют схему, включающую скруббер-аппарат, в котором вода насыщается углекислотой (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема насыщения воды углекислотой:
1 – дымосос; 2 – золоуловитель; 3 – скруббер; 4 – конденсатор; 5,6 – насосы; 7 – градирня.

Часть охлаждающей воды после градирни подается в скруббер, в нижнюю часть которого подается поток дымовых газов от дымососа. Обработанная дымовыми газами вода отводится из скруббера в канал подачи охлаждающей воды на конденсатор, а дымовые газы подаются в дымосос.
Скруббер (рисунок 2) представляет собой металлический цилиндрический сосуд, внутри которого расположен слой насадки из деревянных реек или керамических колец. Вода для обработки подается в верхнюю часть скруббера, равномерно распределяется по сечению корпуса и тонкой пленкой и струями стекает вниз по поверхности насадки. Дымовые газы движутся снизу вверх навстречу потоку воды. Процесс обработки воды в скруббере аналогичен процессу, происходящему в декарбонизаторе, и также подчиняется законам Генри-Дальтона.

Рисунок 2 – Схема скруббера:
1 – отвод дымовых газов; 2 – подвод охлаждающей воды; 3 – насадки; 4 – отвод рекарбонизированной воды; 5 – подвод дымовых газов.

Применение окислителей для борьбы с биологическим обрастанием
теплообменников и обеззараживания воды.

Повышение температуры воды в системах охлаждения и наличие питательных веществ являются причинами интенсивного развития в охлаждающей воде бактерий и водорослей различных видовых составов. При окисляемости воды более 10 – 15 мгО2/кг биологические образования в форме слизистых отложений на поверхности образуются наиболее интенсивно. При повышенном железосодержании охлаждающей воды на поверхности теплообмена происходит энергичное размножение железобактерий, приводящее к закупориванию конденсаторных трубок. В охлаждающей воде, содержащей сульфаты, развиваются сульфатовосстанавливающие бактерии, жизнедеятельность которых приводит к выделению сероводорода и сульфидов, вызывающих коррозию материалов конденсатора.
Для борьбы с биологическими отложениями, приводящими к ухудшению вакуума в конденсаторах, интенсифицирующими коррозионные процессы, применяют обработку охлаждающей воды сильными окислителями, такими, как хлор и его производные, а также солями тяжелых металлов. Механизм бактерицидного действия хлора и кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с составными частями клетки микроорганизма, в первую очередь с ферментами, что ведет к нарушению обмена веществ в клетке и отмиранию микроорганизмов. В практике обработки воды применяют свободный хлор, соли хлорноватистой кислоты и диоксид хлора ClO2 . При обычных условиях хлор – ядовитый газ зеленовато-желтого цвета с резким запахом. При давлении 608 кПа и температуре 15 0С хлор сжижается. Хлор в 2,45 раза тяжелее воздуха, в воде растворим сравнительно мало. При растворении хлора в воде происходит гидролиз с образованием хлорноватистой и хлорводородной (соляной) кислот:

Cl2 + H2O HClO + HCl.
Слабая хлорноватистая кислота в растворах диссоциирует с образованием гипохлорид-иона HClO H+ + ClO-. Сравнение окислительных потенциалов показывает, что с повышением рН обеззараживающее действие хлора снижается. Поэтому хлорирование наиболее эффективно проводить при рН < 7 или ввод хлора должен осуществляться до ввода каких-либо щелочных реагентов. Дозу хлора определяют по результатам пробного хлорирования воды с учетом заданной концентрации остаточного свободного хлора.
Для обеззараживания воды и улучшения ее свойств может быть использован озон О3 , являющийся более сильным окислителем, чем кислород. Расход озона – неустойчивого соединения – сопровождается образованием перекисных соединений и свободных радикалов (ОН, НО2 и других), обладающих высокой химической активностью. Бактерицидное действие озона связано с протеканием реакций окисления.
Метод обеззараживания воды солями (ионами) тяжелых металлов, названный олигодинамией, основан на взаимодействии ионов тяжелых металлов (меди, серебра) с цитоплазмой клеток микроорганизмов, вызывающем функциональные нарушения и приводящим к их гибели. Ионы меди вводят в охлаждающую воду в виде медного купороса CuSO4 ·5H2O или получают растворением медных анодов, расположенных в трубопроводах подачи охлаждающей воды.
Технология хлорирования охлаждающей воды предусматривает ввод хлора в обрабатываемую воду на всас циркуляционных насосов в виде хлорной воды. Из-за возможной утечки ядовитого газа через неплотности в соединениях, в некоторых хлораторах в настоящее время применяются устройства для получения хлорной воды в вакуумных хлораторах производительностью 0,5 – 50 кг/ч.
Хлорирование охлаждающей воды обычно осуществляют периодически в зависимости от скорости образования биологических отложений и их толщины (1 – 3 раза в сутки продолжительностью 40 – 60 минут). Суточный расход хлора:
13 EMBED Equation.3 1415
где Q – расход охлаждающей воды, м3/ч;
d – доза хлора, г/м3;

· – продолжительность периода хлорирования, мин.;
n – число периодов хлорирования за сутки.
Оборудование для хлорирования и распределения хлора должно быть расположено в отдельном помещении для предотвращения коррозии оборудования в смежных помещениях.
Основы проектирования систем водоочистки.
Проектирование схем водоподготовительных установок (ВПУ).

При проектировании теплоэнергетических станций одновременно решаются вопросы создания надежных и экономичных систем водоприготовления и водообработки, включающих комплекс следующих установок: для приготовления питательной воды котлов; для приготовления подпиточной воды тепловых сетей; для обработки охлаждающей воды конденсаторов турбин; продувочных вод градирен и продувочных вод золоотвалов; для обработки сточных вод теплоэнергетических станций, в том числе для полной переработки сточных вод и ликвидации высокоминерализованных сбросов; для очистки конденсата турбин; для очистки промышленных и общестанционных загрязненных конденсатов. Рассмотрим основные положения и рекомендации, учитываемые при проектировании водоподготовительных установок.
Выбор схемы водоподготовительной установки производится с учетом типа паропроизводящего оборудования, качества исходной воды, требований к качеству обрабатываемой воды, санитарно-гигиенических условий по сбросным водам и технико-экономических соображений. Основные положения при проектировании регламентируются действующими «Нормами технологического проектирования тепловых электростанций».
На теплоэнергетических станциях для подготовки добавочной воды используют, как правило, химическое обессоливание при среднегодовом суммарном содержании анионов сильных кислот до 5 мг-экв/кг, а также при отсутствии в исходной воде соединений, не удаляемых при коагуляции и известковании. При наличии таких соединений допускается применение испарителей.
При концентрации 13 EMBED Equation.3 1415> 5 мг-экв/кг используется химическое обессоливание в сочетании с мембранными методами или термическое обессоливание, выбор которых производится на основе технико-экономического анализа.
На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) с отдачей пара на производство возможно использование паропреобразователей, вырабатывающих вторичный пар из исходных вод повышенной минерализации, что сокращает потери пара в основном цикле.
При невозможности сброса нейтрализованных стоков с водоподготовительной установки последняя дополняется испарителями для обработки стоков или реализуются комбинированные схемы водоприготовления (см. «Комплексная очистка высокоминерализованных вод»).
В качестве исходной воды на водоподготовительной установке следует применять при соответствующем технико-экономическом обосновании воды поверхностных источников, воды артезианских скважин не питьевого назначения, если их качество не хуже вод открытых водоемов, воды прямоточных и циркуляционных охлаждающих систем, очищенные промышленные сточные воды.
Для теплоэнергетических станций (конденсационных электростанций и ТЭЦ-отопительных) производительность водоподготовительной установки следует принимать равной 2% паропроизводительности установленных котлов. Эта величина не включает потери пара и конденсата при водных отмывках и химических очистках, собственных нужд БОУ, деаэрации добавочной воды теплосети, резерва и тому подобное.
При использовании пара на разогрев мазута (без возврата конденсата) расчетное значение потерь для газомазутных станций принимается равным 0,15 тонн на 1 тонну нагрузки. Производительность водоподготовительной установки для теплоэлектроцентрали с производственным отбором пара выбирается из расчета покрытия 2% внутристанционных потерь пара и конденсата, покрытия потерь пара на производстве с 50% запасом на невозврат конденсата. В закрытых системах теплоснабжения расчетный числовой расход подпиточной умягченной деаэрированной воды принимается равным 1% объема воды в трубопроводах тепловых сетей и присоединенных местных систем.
При питании обессоливающей установки водой поверхностного источника ее предочистка производится в осветлителях с коагуляцией и известкованием на механических фильтрах.
Вместимость баков осветленной воды должна быть рассчитана на часовой запас и на возможность промывки одного механического фильтра в течение 20 минут. Для повторного использования вод взрыхления механических фильтров устанавливается специальный бак и насос для подачи воды со взвесью в осветлитель. Дозирование растворов и суспензий производится насосами-дозаторами.
На основании опыта эксплуатации водоподготовительных установок при выборе числам и размеров фильтров принимаются: скорость фильтрования воды в механических фильтрах 10 м/ч, при отсутствии осветлителей – 5 м/ч; в катионитных фильтрах второй ступени и ФСД с внутренней регенерацией – 40 – 50 м/ч; в ионитных фильтрах – 20 – 30 м/ч; высота слоя загрузки анионитов, сильно- и слабокислотных катионитов не менее 0,8 метра, сульфоугля – не менее 1 метра.
На теплоэнергетических станциях с барабанными котлами обычно применяются двухступенчатые схемы обессоливания, на блоках с прямоточными котлами – трехступенчатые схемы обессоливания, причем третьей ступенью является фильтр смешанного действия БОУ, а при использовании испарителей обязательной является доочистка дистиллята.
При проектировании схем подготовки подпиточной воды тепловых сетей следует учитывать тип системы (закрытый или открытый), а также наличие или отсутствие водогрейных котлов, требующих повышенного качества нагреваемой воды. Вода для подпитки открытых систем теплоснабжения приготавливается из воды питьевого качества по следующим технологическим схемам: Н-катионирование с «голодной» регенерацией для вод с Жо = Жк , подкисление для вод с Жк = Жо – (0 ч 3) мг-экв/кг, подкисление с частичным Na-катионированием, при ограничениях по сбросам, при недостаточности подкисления последнее дополняется известкованием или содоизвесткованием.
Так как обычно в состав водоподготовительной установки входят системы различного назначения (питательная вода котлов, тепловой сети, питательная вода испарителей и так далее), то для повышения надежности эксплуатации этих систем предусматривается перемычка между отдельными группами одноименного оборудования.
На мощных энергоблоках с прямоточными котлами очистка турбинного конденсата является основным обязательным мероприятием по поддержанию оптимального водного режима, поэтому предусматривается за каждой турбиной обезжелезнивание и обессоливание всего конденсата, выходящего из конденсатора, и общестанционные загрязненные потоки конденсата (постоянные или периодические). Для этого используется автономная обессоливающая установка (АОУ).
На теплоэлектроцентралях с отдачей пара на производство возвращаемый конденсат доочищается до качества, соответствующего качеству питательной воды, на специальной конденсатоочистке, если его жесткость не более 50 мкг-экв/кг, содержание железа – 1000 мкг/кг, нефтепродуктов – 0,5 мг/кг, окисляемость по кислороду 20 мг/кг. Если возвращаемый конденсат имеет худшее качество или содержит загрязняющие примеси больше указанного, то его следует использовать как питательную воду для испарителей или паропреобразователей. Для приема производственного конденсата устанавливаются два бака с объемом, рассчитанным на двухчасовой возврат каждого.
Для очистки конденсатов от продуктов коррозии с учетом температуры конденсата применяются катионитовые фильтры второй ступени, загруженные сульфоуглем при температуре конденсата меньше 50 0С, или катионитом КУ-2 при температуре до 100 0С.
Лекция №14

Отложения в котлоагрегатах и теплообменниках и их предотвращение.
Состав, свойства и структура отложений.
Основные положения.

Различные примеси, содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделяться в твердую фазу на внутренних поверхностях парогенераторов, испарителей, подогревателей и конденсаторов паровых турбин в виде накипи, а внутри водяной массы – в виде взвешенного шлама. Из элементов парогенераторов загрязнению внутренних поверхностей больше всего подвержены обогреваемые экранные трубы. Образование отложений на внутренних поверхностях труб влечет за собой ухудшение теплопередачи и, как следствие, опасный перегрев металла труб. Как известно, температура стенки tст со стороны газов при загрязненной накипью поверхностью определяется:
13 EMBED Equation.3 1415
где tн – температура насыщения кипящей воды;
q – плотность теплового потока, Вт/м2;

·ст ,
·нак – толщина стенки и слоя накипи, м;

·2 – коэффициент теплоотдачи от накипи к воде, Вт/(м2·К).
Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока q достигает в них 600 – 700 кВт/м2, а локальные тепловые потоки в них могут быть еще больше. Поэтому даже кратковременное ухудшение теплоотдачи от стенки к воде приводит к значительному росту температуры стенки трубы, вследствие чего прочность металла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникающие в нем напряжения, что приводит к повреждению металла в виде отдушин, свищей, разрывов труб.
При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб (что имеет место при эксплуатации парогенераторов) накипь отслаивается от стенок в виде хрупких и плотных чешуек. В местах замедленной циркуляции происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более плотные образования. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих труб приводит к нарушению циркуляции. В так называемой переходной зоне прямоточного парогенератора, где испаряются последние остатки влаги и осуществляется перегрев пара, образуются соединения кальция, магния и продуктов коррозии. При этом на полупериметре парообразующей трубы, обращенной в топку, отложений в 2 – 3 раза больше, чем на стороне, прилегающей к стенке топочной камеры. Все это значительно сокращает продолжительность работы компании парогенератора.
Для того, чтобы обеспечить минимальные отложения, необходимо строго поддерживать эксплуатационные нормы допустимого содержания в питательной воде тех или иных примесей. С этой целью питательная вода подвергается глубокой химической очистке, либо дистилляции на водоподготовительных установках.
Для борьбы с последствиями загрязнения конденсата солями жесткости питательная и котловая вода подвергаются систематической коррекционной обработке разнообразными реагентами (фосфаты, комплексоны и др.), обеспечивающими выделение накипеобразователей в форме неприкипающего шлама, выводимого из парогенератора с помощью его периодической продувки.
В целях предотвращения образования накипных отложений в теплофикационных системах подпиточная вода подвергается умягчению.
Отложения на поверхностях нагрева бывают весьма разнообразными по химическому составу, структуре, плотности. Наряду с рыхлыми пористыми отложениями, подобными пемзе или туфу, встречаются отложения, которые по твердости и прочности связи с металлами напоминают эмали. Разнообразны также состав и физические свойства котлового шлама. Отложения в парогенераторах по химическому составу делятся: 1. щелочноземельные; 2. железные; 3. медные.
В первую группу входят кальциевые и магниевые накипи (карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные), в составе которых преобладают (до 90%) СаСО3, СаSО4, CaSiO3, 5CaO·5SiO2·H2O, Ca(PO4)2, Mg(OH)2.
Во вторую группу входят железоокисные Fe2O3, Fe3O4, железофосфатные Fe3(PO4)2, NaFePO4 и железосиликатные Na2O·Fe2O3·SiO2 накипи.
В третью группу входят отложения металлической Cu и окиси Cu, CuO, Cu2O.
Карбонатная накипь откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда нещелочная. Этими поверхностями являются водяные экономайзеры, конденсаторы турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети и др. В условиях же кипения щелочной воды (в парогенераторах, испарителях) CаСО3 обычно выпадает в форме неприкипающего шлама.
Сульфатная накипь обладает большими твердостью и плотностью.
Силикат кальция образует твердую накипь, крепко пристающую к стенкам поверхности нагрева.
Сложные силикатные накипи имеют разнообразный минеральный состав, т.к. кремниевая кислота образует накипи не только с катионами Са и Mg, но и с катионами Na, Fe и Al. В составе сложных силикатных накипей содержится до 40-50% кремниевой кислоты, 25-30% окислов Fe, Mg и Alи 5-10% окиси Na. Эти сложные силикатные накипи характеризуются разнообразием структурой пористых и комковых отложений до твердых и плотных образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверхность.
При повышенном содержании фосфатов и Fe в котловой воде и низкой ее щелочности на внутренних поверхностях парообразующих труб откладываются (равномерно распределенные по длине) рыхлые железофосфатные накипи Fe3(PO4)2, NaFePO4, которые при обстукивании труб сравнительно легко отваливаются от стенок.
На внутренней поверхности экранных труб в зонах наибольших температур факела, характеризующими высокими местными тепловыми нагрузками, откладываются железоокисные накипи в основном в форме магнетита Fe2O4. Нередко в них присутствует в толще слоя отложений металл Сu. При повышенном содержании соединений меди в питательной воде на участках парообразующих труб – при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 откладывается и прочно пристает к металлу слоистая накипь, основным компонентом которой является металл Cu. Распределение меди в толще медной накипи таково, что верхний слой, омываемый котловой водой, содержит наибольшее количество Cu (70-90% веса пробы), а последующие слои накипи по мере приближения к трубе содержат все меньший % Cu при одновременном возрастании окислов Fe, фосфатов Са и других компонентов.
Накипи в большинстве случаев имеют смешанный характер. В процессе эксплуатации парогенератора при изменениях его гидродинамического и теплового режимов, связанных с ростом нагрузки, возможно образование на стенках парообразующих труб временных натриевых отложений Na2SO4, Na2SiO3, NaCl, которые являются хорошо растворимыми в воде и полностью вымываются со стенок труб при остановке парогенератора, либо резком снижении нагрузки.
Взвешенные частицы в котловой воде увеличиваются в размере за счет кристаллизации на их поверхности веществ из котловой воды. а также взаимного сцепления, образуя на внутренних поверхностях илистые шламовые соединения.
Следует различать:
а) шламы, не прикипающие к поверхностям нагрева и поэтому сравнительно легко выводимые наружу во время работы котла путем периодической продувки последнего, к их числу относятся гидросилапатин и серпентин, а также карбонат Са в щелочной воде;
б) шламы, способные при известных условиях прикипать к поверхностям нагрева и являющиеся материалом для образования так называемых вторичных накипей; к числу прикипающих шламов могут быть отнесены гидроокись магния и фосфатно-магнезиальные соединения. Отсюда следует, что одной из важных задач организации водного режима является создание в котловой воде таких условий, при которых накипеобразователи выделялись бы только в виде шлама, неспособного прикипать к стенкам труб и удаляемого из котла с продувочной водой.
Теплоизолирующие свойства отложений характеризуются следующими показателями: структура (пористость), теплопроводность, толщина и сила сцепления их с поверхностью металла.
Твердость и пористость отложений являются показателями, по которым можно судить о трудности удаления их с помощью скребков, шарошек и других механических способов. Теплопроводность их является важной характеристикой. Величины отложений зависят от их структуры и химического состава. Наибольшую опасность представляют силикатная накипь и накипь пропитанная маслом.
Полученные экспериментальные данные показывают, что достаточно незначительного по толщине слоя (0,1-0,2 мм) малотеплопроводной накипи на поверхности наиболее теплонапряженных экранных труб, чтобы температура металла на внутренней поверхности стенки достигла 500°С и более, а на наружной поверхности при этом – еще на 30-40°С выше, что за короткий период работы котла приводит к выпучинам и разрывам парообразующих труб.




Образование отложений в паровых котлах.

Согласно современным представлениям накипь и шлам образуются в результате физико-химических процессов, из которых основным является процесс кристаллизации, характеризующийся выделением твердой фазы из многокомпонентных солевых растворов. Выделение твердой фазы из раствора солей при его нагревании и кипячении может происходить различными путями. Например, из пересыщенного раствора солей могут сначала отлагаться на отдельных участках поверхности металла первичные зародышные кристаллы, которые затем укрупняются и разрастаются. Они являются своего рода связующим звеном между металлом стенки и слоем последующих твердых отложений. Их образование может быть объяснено шероховатостью металла.
К типичным накипеобразователям могут быть отнесены сернокислый кальций, силикат кальция и сложные алюмоферосиликаты.
Образование котельного шлама происходит в результате выделения в толще пересыщенного раствора кальциевых и магниевых солей зародышей твердой фазы, представляющих собой многочисленные центры кристаллизации солей. На этих центрах откладываются последующие молекулы кристаллизующейся соли, причем первые вследствие этого растут, переходя постепенно из субмикроскопических размеров в микроскопические. Ставший таким образом видимым осадок имеет аморфное или скрытое кристаллическое строение; далее частицы сливаются и с течением времени образуют кристаллические или хлопьевидные осадки. Типичными шламообразователями являются силикат магния, гидросилапатит и карбонат кальция (в щелочной среде).
Одни вещества, выделяясь из раствора в виде твердой фазы, кристаллизуются на горячих (нагреваемых снаружи) поверхностях нагрева, другие на холодных (охлаждаемых снаружи) поверхностях охлаждения, образуя в том и другом случаях прочную и плотную накипь; третьи выпадают в толще воды в виде взвешанных шламовых частиц. Если кристаллизация солей происходит непосредственно на поверхностях нагрева или охлаждения и при этом образуются твердые отложения, то такое явление называется первичным процессом накипеобразования. Вторичный процесс накипеобразования характеризуется тем, что выпавшие в начале в толщине котловой воды взвешанные частицы осаждаются и затем образуют прочно сцепленные с поверхностью нагрева вторичные отложения.
Рассмотрим условия протекания процесса образования накипи при парообразовании, когда концентрация присутствующих в котловой воде ионов постепенно возрастают. В насыщенном растворе труднорастворимого вещества произведение концентрации ионов достигает величины произведения растворимости ПР, характеризующего предел растворимости данного вещества при данной температуре и зависящего исключительно от температуры и химической природы вещества.
Если через КА обозначить труднорастворимую соль, в которой К+ обозначает катион, а А– – анион, то для насыщенного раствора этой соли имеет место следующее равенство:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1)
Здесь 13 EMBED Equation.DSMT4 1415обозначают концентрации соответственно катиона и аниона, г–ион/кг раствора (грамм – ион в кг раствора).
Произведение растворимости ПР для данного соединения и данной температуры является величиной равной const, оно изменяется с изменением температуры.
Если 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то раствор не насыщен и осадок выпадать не будет, при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 неизбежно выпадение осадка. Для насыщенных растворов сернокислого, углекислого и кремнекислого кальция характерны следующие равенства:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Выпадение из раствора данной соли начинается только в том случае, когда произведение концентрации ионов, входящих в ее состав, превышает значение произведения растворимости для данной соли. Из уравнения (1) следует, что с увеличением концентрации одного иона концентрация другого иона должна уменьшаться, так как величина произведения растворимости для данной температуры остается без изменений.

Условия образования накипей.

Щелочноземельные накипи образуются в тех случаях, когда в подогреваемой или испаряемой воде одновременно находятся катионы Са2+ и Mg2+ и анионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 с которыми образуют труднорастворимые соединения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Эти соединения выделяются в твердую фазу в результате физических и химических процессов. К физическим процессам относится постепенное повышение концентрации солей в котловой воде при продолжительном ее выпаривании, в результате чего наступает момент, когда достигается предел растворимости труднорастворимых солей и происходит выделение их в твердую фазу из пересыщенного раствора. К химическим процессам накипеобразования относятся следующие:
а) термический распад бикарбонатов Са и Mg, в результате которого бикарбонаты Са и Mg (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415) преобразуются в менее растворимые карбонаты Са и Mg;
б) гидролиз карбоната Mg, в результате последний переводится в еще менее растворимую гидроокись Mg.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
в) реакции взаимного обмена, в результате образуются соли с меньшей растворимостью, например:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Скорость образования щелочноземельной накипи пропорциональна концентрации ионов Са и Mg в растворе и резко возрастает с увеличением тепловой нагрузки поверхности нагрева.
Ферро- и алюмосиликатные накипи образуются на высокотеплонапряженных поверхностях парообразующих труб в результате топохимических реакций веществ, входящих в их состав и находящихся в тесном соприкосновении. Особенностью их является то, что для их протекания вовсе не требуется приближение к температуре плавления системы или хотя бы одного из ее компонентов: взаимодействие между веществами начинается задолго до перехода в жидкую фазу.
Железоокисные и железофосфатные накипи образуются на наиболее теплонапряженных участках парообразующих труб за счет окислов Fe, попадающих в котловую воду при разрушении слоя прокатной окалины и ржавчины на внутренних поверхностях парогенератора, а также поступающих в парогенератор с питательной водой в результате коррозии ее тракта и накапливающихся в парогенераторе при нарушении нормального режима шламовых продувок.
Опыт эксплуатации ТЭС свидетельствует о том, что опасные железноокисные накипи возникают преимущественно на стороне парообразующей трубы, обращенной в топку. Скорость роста железноокисных отложений пропорциональна концентрации Fe в котловой воде и квадрату плотности теплового потока на поверхности труб. При концентрации окислов Fe > 0,5 мг/кг, они находятся в значительной степени в форме частиц коллоидного и грубодисперсного шлама, отложение которых на стенке трубы происходит за счет адгезии.
Железнофосфатные накипи образуются в результате неналаженного водного режима парогенераторов барабанного типа, когда в котловой воде солевых отсеков концентрация фосфат-ионов достигает 500-800 мг/кг. Предотвращение железнофосфатных накипей требует содержания в котловой воде свободного едкого натра (NaOH) не < 0,25 мг-экв/кг, каждой концентрации фосфата (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) должна отвечать соответствующая концентрация NaOH, выше которой не могути образовываться железофосфатные накипи.
Медные накипи образуются при плотности теплового потока экранных труб 230 кВт/м2 и выше. Непременным условием образования медных накипей является попадание в парогенератор с питательной водой продуктов коррозии латунных труб конденсаторов, охладителей пара эжекторов и выпара деаэраторов, теплофикационных и регенеративных подогревателей.
Окись меди или ее гидрата растворима в горячей воде, в присутствии аммиака или его производных ее растворимость возрастает за счет образования аммиачных комплексов. В щелочной котловой воде медь находится в растворенном состоянии, которые разрушаясь образуют ионы Cu, способные восстанавливаться до металлической меди 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Следовательно, основной причиной образования накипей является электрохимический процесс восстановления меди, протекающий в зонах максимальных тепловых нагрузок, где под влиянием мощного теплового потока нарушена целостность защитной окисной пленки. В результате этого между отдельными участками металла создается местная разность потенциалов, которая может оказаться достаточной, чтобы стал протекать процесс электролитического выделения меди при данной концентрации ее ионов в котловой воде. Так как образующаяся медная накипь обладает хорошей электропроводностью, наличие ее на поверхности нагрева не является существенной помехой для продолжения электрохимических процессов, в результате которых выделяются новые порции металлической Cu.

Условия образования отложений легкорастворимых соединений.

В воде, испаряемой в парогенераторах, обычно содержаться примеси легкорастворимых веществ: сульфаты, хлориды, фосфаты, силикаты и гидроокись Na, которые попадают в питательную воду с добавочной питательной водой, производимой конденсатами и присосами охлаждающей воды в конденсаторах. При глубоком упаривании котловой воды и достижении концентраций, превышающих растворимость натриевых соединений, они кристаллизуются и образуют твердые отложения на поверхностях нагрева.
Рассмотрим условия, необходимые для образования водорастворимых отложений из натриевых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб. Если tо – температура кипения чистой воды при данном давлении, а tр – температура кипения насыщенного раствора данного вещества, то величина температурной депрессии 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 показывает насколько температура стенки парообразующей трубы должна быть выше температуры кипения чистой воды при данном давлении, чтобы раствор соли мог быть выпарен досуха в атмосфере водяного пара данного давления. Экспериментальным путем установлено, что величины значений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 зависят от состава растворенных веществ и давления.
Образование отложений легкорастворимых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб определяются величиной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; оно возможно лишь в том случае, когда температура раствора в каком-либо участке пароводяного тракта парогенератора превышает температуру кипения воды на величину больше чем 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Если в растворе преобладают вещества, характеризующиеся малой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, достаточно небольшого перегрева стенки трубы, чтобы произошло полное испарение пленки воды с образованием твердых солевых отложений. Вещества с большим значением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 могут оставаться в растворе, даже, если температура стенки превышает температуру кипения чистой воды.
Когда гидродинамические нарушения отсутствуют и в парогенераторе имеет место нормальное пузырьковое кипение, происходит интенсивный тепло- и массообмен между перегретой жидкостью в пристенном слое и основной массой неперегретой котловой воды. При этом благоприятном температурном режиме не наблюдается сколько-нибудь существенного местного повышения температуры внутренней поверхности нагрева под паровыми пузырями и тем более температуры пристенного слоя котловой воды.
Так как на площадках поверхности нагрева под образующими паровыми пузырями не происходит глубокого упаривания раствора в пристенном слое и он остается ненасыщенным, то и не происходит кристаллизации солей. Отсюда следует, что в условиях нормального пузырькового кипения, даже при концентрациях значительно превышающих обычные солесодержания котловой воды, отложения легкорастворенных соединений на внутренних поверхностях труб не образуется. Лишь при нарушении режима гидродинамики пароводяной смеси и ухудшении температурного режима металла парообразующих поверхностей возможно местное повышение концентрации легкорастворимых соединений в пристенном слое котловой воды вплоть до насыщения с последующей кристаллизацией их и образованием твердых отложений. В указанных неблагоприятных условиях происходит глубокое упаривание пристенного слоя котловой воды, сопровождаемое резким уменьшением водосодержания потока пароводяной смеси.
Установлено, что при малых кратностях циркуляции и высоком паросодержании 2-х фазного потока имеет место переход от нормального пузырькового к опасному пленочному режиму кипения, т.е. наступает так называемый кризис кипения, когда паровые пузырьки не успевают отрываться от поверхности нагрева и образуют паровой изолирующий слой. Это приводит к нарушению массообмена между пристенным слоем и ядром потока, следствием чего является утонение либо полное упаривание раствора у стенки, резкое ухудшение температурного режима труб и выпадение на их внутренних стенках всех солей, в том числе легкорастворимых Na-х.
Для того, чтобы предотвратить кризис кипения и отложения легкорастворимых солей, необходимо увеличить скорость циркуляции и снизить местные тепловые нагрузки.
При расслоении пароводяной смеси, опрокидывании циркуляции и образовании свободного уровня в трубах локальная концентрация солей в пристенном слое этих труб может в сотни раз превышать среднюю концентрацию солей в циркуляционной котловой воде, т.к. происходит глубокое местное ее упаривание. Расслоение пароводяной смеси (лотковый режим течения) наблюдается обычно в интенсивно обогреваемых горизонтально и слабонаклоненных парообразующих трубах экранов. При этом в нижней части трубы, где движется вода, имеет место нормальное пузырьковое кипение жидкости и температура стенки трубы мало отличается от температуры насыщения. В верхней части сечения, где на стенках трубы отсутствует сплошная жидкая пленка, температура стенки трубы может быть значительно выше, т.к. коэффициент теплоотдачи от стенки к пару значительно меньше, чем от стенки к воде. При этом могут отлагаться (за счет выпаривания капелек воды) на стенках не только труднорастворимые соли щелочноземельных металлов, но и легкорастворимые натриевые соединения, которые обладают температурой кипения насыщенного раствора, близкой к температуре кипения котловой воды. Ликвидации этих явлений можно добиться увеличением угла наклона до 15-20°.
В парообразующих трубах может произойти опрокидывание циркуляции, при котором вода и пар движутся в разные стороны и в результате образуются паровые мешки, приводящие к перегреву металла и образованию местных солевых отложений.
О связи солеотложении с гидродинамическим режимом свидетельствует наблюдаемое при эксплуатации парогенераторов с дефектной циркуляцией специфическое явление, характеризующимся снижением содержания легкорастворимых соединений в котловой воде. Это так называемое «прятанье» солей объясняется тем, что при росте нагрузки парогенератора, обладающего дефектной циркуляцией, известная часть натриевых соединений отлагается на интенсивно обогреваемых поверхностях парообразующих труб, плохо омываемых котловой водой. При остановке котла или резком снижении его нагрузки наблюдается обратная картина, когда соли снова переходят со стенок трубы в раствор.
Отложившиеся на высоконапряженных участках парообразующих труб водорастворимые натриевые соединения могут в результате топохимических реакций с окислами котельного металла преобразовываться в труднорастворимые накипи. Следовательно, в неблагоприятных условиях натриевые соединения уже становятся опасными накипеобразователями.

Образование отложений на охлаждаемых поверхностях
конденсаторов и по тракту охлаждающей воды.

На внутренних охлаждаемых поверхностях конденсаторов паровых турбин, воздухоохладителей генераторов и по всему тракту охлаждающей воды могут образовываться отложения за счет следующих процессов: насос и оседание взвешанных веществ (органические примеси, песок), выделение твердых веществ из водного раствора (преимущественно карбоната Са) и образование продуктов коррозии. На стенках конденсаторных труб способны обитать живые организмы, что приводит к их зарастанию. Характер и интенсивность загрязнения внутренних поверхностей конденсаторных труб зависят от многих факторов, к которым относятся физико-химический состав охлаждающей воды, ее биологические особенности, конструкция конденсатора и режим его работы (скорость движения воды в трубах, температурный перепад и т.д.) и коррозионная стойкость труб.
Условия образования карбоната Са на поверхности воды, обладающей карбонатной жесткостью. В стабильной воде бикарбонатные ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 находятся в динамическом равновесии с ионами 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а с другой стороны – с недиссоциированными молекулами растворенной в воде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Со своей стороны растворенная в воде углекислота находится в равновесии с газообразной углекислотой, присутствующей в пространстве над водой. Это так называемое углекислотное равновесие нарушается при нагревании воды, вследствии чего часть растворенной в ней углекислоты удаляется. При этом происходит термический распад бикарбонат-ионов с образованием 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и летучей 13 EMBED Equation.DSMT4 1415:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Процесс распада бикарбонатов идет тем быстрее, чем выше температура и чем энергичнее перемешивание. Увеличение концентрации карбонатных ионов при наличии в воде катионов кальция приводит к образованию труднорастворимого осадка 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, обладающего способностью кристаллизоваться и давать плотные отложения на охлаждающих поверхностях:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Вместе с карбонатом Са на охлаждаемых поверхностях конденсаторов могут откладываться взвешанные вещества, которые как бы цементируются карбонатом кальция.
Значение предельно допустимой (по стабильности) карбонатной жидкости охлаждающей воды 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 можно приближенно рассчитать по эмпирической формуле, справедливой для поверхностных вод с окисляемостью, не более 30 мг/кг 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при температуре второй 40°С.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 некарбонатная жесткость, мг-экв/кг;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 окисляемость воды, мг/кг 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
На поверхности конденсаторных труб и трубопроводов циркуляционной системы охлаждения могут возникнуть также отложения гидроокиси железа Fe(OH)3 в тех случаях, когда в охлаждающей воде присутствуют соединения Fe.
Причиной развития в охлаждающих системах бактерий и водорослей является наличие в охлаждающей воде необходимых для них питательных веществ и благоприятных температурных условий. Питательной средой для бактерий, водорослей и более крупных живых организмов служат коллоидные органические вещества совместно с растворенной в воде углекислотой.
Попадая с циркуляционной водой в охлаждающие агрегаты, макроорганизмы и водоросли начинают интенсивно развиваться и размножаться, постепенно покрывая охлаждаемую поверхность слизистой пленкой, к которой легко прилипают взвешанные вещества неорганического происхождения.

Предотвращение образования отложений
(обработка охлаждающей воды).

Ухудшение охлаждения в конденсаторах, вызывающее перерасход топлива, вследствии снижения вакуума, помимо чисто тепломеханических причин (высокой температуры воды и т.д.), может иметь еще и следующие причины:
– зарастание охлаждающих водоемов растительностью, что приводит к уменьшению поверхности испарения водоема и повышению температуры охлаждающей воды;
– обрастание водоохлаждающих устройств, водоводов и конденсаторов водорослями, ракушками, колониями микроорганизмов и засорение трубопроводов и трубных досок конденсаторов отмершими организмами. Это приводит к снижению пропускной способности трубопроводов, увеличивает потери напора и создает необходимость очистки;
– обрастание илистых или илисто-биологических отложений – обрастаний при большом содержании взвеси в охлаждающей воде повышенной ее температуре и шероховатой поверхности трубок;
– низкотемпературное накипеобразование – отложение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 вследствии нестабильности охлаждающей воды, ухудшающее теплопередачу через стенки трубок;
– коррозия металла трубок из-за высокой минерализованности воды, наличия в ней высоких концентраций кислорода и свободной углекислоты.
Коррозию охлаждаемых водой поверхностей аппаратов и трубопроводов предотвращают путем применения конденсаторных трубок из различных марок медных сплавов, стойких к воде данной минерализованности. При воде высокой минерализованности применяют также протекторно-катодную защиту водяных камер и трубных досок конденсаторов, противокоррозионное покрытие водяных камер и трубных досок. Устраняют из охлаждающей воды свободную (агрессивную) углекислоту, поддерживая в ней слабощелочную реакцию по фенолфталеину (13 EMBED Equation.DSMT4 1415). В отдельных случаях применяют ингибиторы, создающие защитные пленки на поверхности металлов (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и др.).
Механические (илистые) загрязнения устраняют в основном отстаиванием воды, забираемой из водоема или пополняющей водоем, либо оборотную систему, а также процеживанием воды через самоочищающиеся сетки водозаборных сооружений с ячейками в 3-5 раз меньше сечения конденсаторных трубок. Более мелкая взвесь может быть задержана на крупнозернистых фильтрах (диаметр зерен 2-3 мм, высота слоя 2-2,5 м, скорость фильтрования 12-15 м/ч) или на сверхскоростных зернистых автоматических фильтрах, работающих со скоростью фильтрования до 100 м/ч. Уменьшить илистые отложения в конденсаторных трубках можно также повышая скорости движения воды в трубках до 2-2,5 м/с, а также промывая трубки и трубопроводы обратным током с большими скоростями.
Для удаления мягких илистых или илисто-биологических отложений-обрастаний в конденсаторных трубках может применяться очистка труб на «ходу» монолитными резиновыми шариками плотностью около 1 с диаметром 0,8-0,9 внутреннего диаметра конденсаторных трубок. Число циркулирующих шариков составляет 10% числа трубок в конденсаторе.

Предотвращение биологических обрастаний.

Растительность охлаждаемых водоемов уничтожается подводными косилками, разведением растительноядных рыб, а также применением в закрытых водоемах гербицидов в чистом виде или их смесей (мокорун, диурон, симазин, делагон и др.).
«Цветение» воды и развитие водорослей устраняют «купоросованием» воды в водоемах (0,1-0,3 мг/лCu). Для устранения ракушечных обрастаний водоемов периодически пропускают по ним горячую воду (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) в течении 2-3 часов до появления на выходе горячей воды. Отвалившиеся ракушки затем вымывают мощным обратным током воды со скоростью 1,5-2 м/с.
Положительные результаты в борьбе с ракушечными обрастаниями дает применение катодной защиты путем подвешивания на изоляторах по оси трубопроводов стального стержня – анода, к которому подведен постоянный ток.
Схема катодной защиты водоводов от обрастания ракушками (плотность тока летом 0,4-0,6 А/м2, зимой 0,11-0,25 А/м2).

1 – стержень анод (Ст 3 13 EMBED Equation.DSMT4 1415); 2 – изолятор; 3 – изолированный стержень для подвески анода; 4 – провода.
При плотности тока на катоде, т.е. на поверхности трубы, 0,4-0,6 А/ м2 поселение дрейссен и их развитие прекращается. В остальные периоды года для предупреждения обрастания достаточно плотность тока 0,16-0,24 А/ м2. Применяют также хлорирование водоемов; концентрация хлора 5-10 м2/л, продолжительность хлорирования при холодной воде 3-6 суток, при подогретой до 29-32°С – 1-2 суток.
Для замкнутых систем допустима доза Cu – 1-2,5 м2/л циркуляционной воды. Активный хлор Cl2 применяют в виде раствора, полученного из сжиженного газа, хлорной извести или гипохлорита Са (Na) – в количествах, необходимых для поддержания в воде после конденсаторов 0,5-2 м2/л остаточного активного хлора.
В обычное время для предотвращения биологических обрастаний достаточно вводить в охлаждающую воду перед конденсатором хлор 1-2 раза в сутки в течении 30-45 минут в таком количестве, чтобы в воде после конденсатора оставалось 0,5-2 м2/л активного хлора. Дозу хлора следует увеличивать в периоды появления личинок дрейссены, мидий и т.п.
При использовании для подпитки циркуляционных систем ТЭС доочищенных городских сточных вод хлорирование должно проводиться более активно, большими долями и чаще.
Хлорирование воды осуществляют с помощью той же аппаратуры, которую применяют в городском водопроводно-канализационном хозяйстве. Возможна подача хлора из баллонов. Доставка и хранение хлора сопряжены с рядом затруднений из-за его ядовитости. Баллоны с Cl2 следует хранить в обособленном складе.

Предотвращение карбонатных отложений.

В результате повышения температуры воды в конденсаторе и потери равновесной СО2 при разбрызгивании воды в градирнях и брызгальных бассейнах в циркуляционной воде создаются условия для распада 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и выпадения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 на охлажденных поверхностях. При малом содержании в воде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, большом содержании свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, при наличии значительного количества органических, главным образом гуминовых, соединений, а также других стабилизирующих веществ (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 ОЭДФК) выпадение карбонатной накипи в трубках конденсаторов замедляется или даже прекращается. Другие соединения – 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или глины отлагаются обычно в небольших количествах и лишь сопутствуют 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Концентрация свободной углекислоты в результате потерь при распыливании воды в градирнях снижается до 3-7 мг/л.
Повышение концентрации растворимых в охлаждающей воде солей или значение упариваемости определяется по формуле:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 содержание хлор-иона в циркуляционной и добавляемой воде.
При стабильной воде, т.е. при отсутствии отложений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, наблюдаются следующие отложения:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При нестабильной воде, когда выделяются карбонатные отложения,
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
т.е.щелочность Щ и жесткость Ж не возрастают или возрастают увеличения солесодержания S или содержания хлор-иона Cl из-за выпадения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а иногда по этой же причине щелочность Щц и жесткость Жц циркуляционной воды даже уменьшаются по сравнению с Щд и Жд воды.
Необходимо отметить, что при отношении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 отложения накипи в конденсаторных трубках не наблюдается, т.е. вода практически стабильна.
Наиболее употребительными и специфическими способами предотвращения карбонатных отложений в конденсаторах является: увеличение продувки циркуляционной системы; подкисление воды серной (соляной) кислотой; рекарбонизация воды дымовыми газами; фосфотирование или совместное подкисление, фосфотирование, а также появившееся в последнее время применение для стабилизации циркуляционной воды оксиэлилидендифосфоной кислоты 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (ОЭДФ или ОЭДФК) и других фосфонатов. Применяют также магнитную обработку воды для предотвращения отложений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и ультразвуковую – для удаления уже образовавшейся накипи.
Продувка циркуляционной системы уменьшает упариваемость воды в системе, снижает концентрацию в ней 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а в результате ввода углекислоты с добавочной водой поддерживает в циркуляциооной воде равновесное состояние.
Увеличение количества продуваемой и добавочной воды млжет принести пользу только в том случае, если щелочность последней меньше допустимой щелочности продуваемой воды.
Поддержание безнакипного режима в циркуляционной системе продувкой возможно до 500 мг/л, щелочности – до 3 мг-экв/л, перманитной окисляемости 7-8 м2/л О2 и продувке до 4%.
В большинстве случаев стоимость добавочной воды больше стоимости ее обработки, поэтому увеличение продувки, если продувочная вода сбрасывается, менее экономично, чем обработка добавочной циркуляционной воды. Если же подогретая продувочная вода циркуляционных систем используется для выработки добавочной воды для питания паровых котлов, подпитки теплосети или для других целей, то увеличение размеров продувки может быть выгодно и достаточно для предотвращения накипеобразования.
Подкисление воды является универсальным способом предотвращения образования накипи для воды любого состава, любой температуры и с любой упариваемостью. Введенная в воду кислота разлагает бикарбонат Са с образованием сульфата Са и углекислоты:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Недостатками способа является опасность коррозии оборудования и обесцинкования латунных трубок под действием агрессивной углекислоты и очень большого количества кислоты.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Схема подкисления циркуляционной воды:
1 – градирня; 2 – канал; 3 – железнодорожная цистерна; 4 – сифонный слив; 5 – приемный резервуар для кислоты; 6 – рабочий бак; 7 – дозирующий кран; 8 – приемный канал; 9 – циркуляционный насос; 10 – конденсатор; 11 – сжатый воздух; 12 – вакуум; 13 – кислотостойкое покрытие канала и приемного колодца; 14 – отбор проб; 15 – циркуляционная вода для ускорения разбавления и смешения воды с кислотой.

При подкислении воды перед охлаждающими устройствами щелочность ее понижается и значительная доля выделившейся свободной углекислоты, необходимой для стабилизации 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, теряется в градирне; углекислотная агрессивность воды при этом практически не возникает.
Кислоту можно вводить как разбавленную (3-5%), так и концентрированную. Разбавленная кислота употребляется при небольших расходах 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. При больших расходах 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (около 1 т/сут и более) может применяться концентрированная (75-94%) кислота. Непосредственный ввод неразведенной кислоты в трубопровод или канал допустим только, если скорость движения воды в них более 1,5 м/с, место ввода защищено от коррозии отстоит от конденсатора не менее чем на 30 м. При резко переменных расходах обязательно применение пропорциональных дозаторов.
Для предварительного расчета потребности, кг/г, в технической кислоте можно пользоваться формулой:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 процентное содержание 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в технической кислоте;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 размер добавки, м3/ч;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 фактическая щелочность добавочной воды, мг-экв/л;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 допустимая щелочность циркуляционной воды, мг-экв/л;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 потери циркуляционной воды на испарение с капельным уносом (0,5-1%) и с продувкой, % часового расхода оборотной воды.
Щелочность оборотной воды при подкислении поддерживают в пределах 2,0-3,5 мг-экв/л, а содержание свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 8-12 мг/л.
Предотвратить выпадение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в конденсаторах можно путем проведения рекарбонизации циркуляционной воды дымовыми газами, возмещая потери углекислоты в охлаждающих устройствах и удовлетворяя возрастающую с повышением температуры потребность в равновесной углекислоте путем введения в воду углекислоты из чистых газов с содержанием золы не более 25 мг/м3. Однако этот способ не нашел на ТЭС широкого применения.
Фосфатирование циркуляционной воды применимо при ее щелочности не более 4,30-4,5 мг-экв/л. Сущность фосфатирования заключается в том, что при малом содержании иона 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в воде (1-3 мг/л) зародыши карбоната Са, образующиеся в результате потери углекислоты и нагревания, обволакиваются тончайшей молекулярной пленкой фосфата Са, замедляющей (препятствующей) срастание зародышей между собой и со стенками. Поэтому 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 остается во взвешанном состоянии и выпадает в осадок крайне медленно. Выпавшие вместе с пленкой фосфата зародыши кристаллов карбоната Са представляют собой легкую, трудно осаждаемую муть, не прилипающую к поверхности. По данным некоторых исследователей, содержание в этой мути 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 по отношению к 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 может быть выражено соотношением 1:250 и 1:300. Фосфатирование не препятствует 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, вследствие чего при этом циркуляционная вода имеет щелочность по фенолфталеину 0,1-0,3 мг-экв/л за счет присутствия 0,2-0,5 мг-экв/л 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. При большом содержании карбоната Са, находящегося в воде, 1-3 мг/л иона 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 уже не хватает, чтобы создать пленку на всех зародышах. Увеличивать же в подобных случаях ввод 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 не целесообразно, т.к. при содержании его 3-5 мг/л и более начинается быстрое выпадение осадка фосфата Са.
Присутствующий в циркуляционной воде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 частично расходуется на перевод старых отложений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в шлам, выносимый из трубок водой.
Для фосфатирования применяют ортофосфаты (триантрийфосфат, динатрийфосфат, суперфосфат), полифосфаты (триполифосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и соль Грахмана – гексаметафосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, фосфоновые соединения, в т.ч. оксиэтилендифосфоновая кислота и ее соли).
Упариваемость – повышение солесодержания, щелочности и т.п.
Расход фосфата, г/г определяют по формуле:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 доза 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, принятая при расчете (обычно 1,5-3,0 мг/л);
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 количество добавочной воды, м3/ч;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 содержание активного 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в техническом продукте, %.
Концентрация растворов в пересчете на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 обычно составляет 1-5%.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Схема фосфатирования циркуляционной воды суперфосфатом
1 – градирня; 2 – канал; 3 – приемный колодец; 4 – циркуляционный насос; 5 – конденсатор; 6 – дозирующий бачок; 7 – бак для растворения суперфосфата; 8 – рабочие баки для отстоявшегося раствора суперфосфата; 9 – мешалка; 10 – сброс шлама 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Наиболее универсальным способом обработки циркуляционной воды для предотвращения низкотемпературного накипеобразования и углекислотной коррозии является подкисление оборотной воды перед градирнями и одновременно фосфатирование с поддержанием 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 мг-экв/л, щелочности по фенолфталеину 0,1-0,3 мг-экв/л и концентрации ортофосфатов 1,5-2,5 мг/л.
Магнитная обработка воды является перспективным способом борьбы с низкотемпературным накипеобразованием в конденсаторах и теплообменниках, но пока еще не достаточно изученным и освоенным. Важным достоинством этого способа является пригодность его как при прямоточном, так и оборотном водоснабжении. а также отсутствие загрязнения воды, сбрасываемой в водоемы химическими реагентами.
Магнитную обработку воды, иногда в комбинации с ультразвуковой, применяют на ТЭС. Магнитной обработке должна подвергаться при оборотной системе вся добавочная вода и 25-40% оборотной.
Размер частиц шлама, выпадающего при магнитной обработке: более 1,5 мкм не 0,04%; 0,5-1,5 мкм – 20%; менее 0,5 мкм – 80%. Продолжительность эффекта омагничивания равна 18-25 ч. Удельный расход электроэнергии для аппаратов производительностью менее 100 м3/ч – 6-18 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и больше; 100-1000 м3/ч – 3,5-4,5; 12-15 тыс.м3/ч – 3 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и больше.
Количество накипи, выделяющейся из неомагниченной воды, больше чем из омагниченной. Магнитная обработка влияет на образование только карбонатных отложений и не предупреждает коррозии, биологических обрастаний и должна осуществляться совместно с мероприятиями по борьбе с этими явлениями. Следует отметить, что при омагничивании воды содержащиеся в ней магнитные окислы Fe укрупняются, слипаются между собой, легче осаждаются и фильтрируются.
Удаление отложений с поверхности парогенераторов
и теплообменных аппаратов.

Отложения на внутренней поверхности нагрева паровых котлов или теплообменных аппаратов ухудшают теплопередачу, вызывают перегрев металла и потерю им прочности, вплоть до разрыва стенок труб, уменьшают сечение для прохода воды, увеличивают потери напора, могут нарушать циркуляцию. Куски отложений, отвалившиеся от стенок, могут закупорить одну или несколько парогенерирующих труб, прекратить в них циркуляцию и вызвать пережог.
Отложения в экранных трубах паровых котлов возникают из-за несовершенства вводно-химического режима котловой воды, или из-за неудовлетворительного качества питательной воды.
В эксплуатируемых водогрейных котлах и бойлерах отложения образуются при повышенной жесткости подпиточной воды в результате попадания сырой, жесткой воды в сетевую воду, а также при глубоком упаривании сетевой воды в отдельных змеевиках котлов (преимущественно в 3-4-х нижних рядах конвективных пакетов, работающих с малыми скоростями прохода воды вследствии большого сопротивления (засорения) отдельных змеевиков и затягивания факела в пакеты).
Полностью предотвратить образование отложений при эксплуатации невозможно, можно только замедлить их рост. Для удаления отложений приходится прибегать к очисткам оборудования. Различают следующие виды очистки парогенераторов и вспомогательного оборудования от отложений:
а) предмонтажная очистка блоков парогенераторов (на заводах-изготовите-лях и на монтажной площадке);
б) предпусковая очистка;
в) эксплуатационные очистки.
Очистка оборудования может быть осуществлена либо механическим способом, либо промывкой раствором реагентов.
Механические способы очистки заключаются в удалении накипи и рыхлых отложений с помощью инструментов с электроприводом или пневмоприводом (шарошки, щетки, наждачные круги), либо ручных инструментов (металлические ерши, зубила, щетки из спиральновитой стальной проволоки и т.п.). Механическим способом очистки присущи следующие недостатки: высокая трудоемкость, необходимость вскрытия и продолжительной остановки очищаемого агрегата; невозможность тщательной очистки длинных труб сложной конфигурации. Поэтому в настоящее время механические способы получили применение лишь при проведении очистки котлов барабанного типа малой и средней производительности, а также теплообменных аппаратов. На крупных ТЭС используют химические очистки оборудования. При этом применяют минеральные и органические кислоты, комплексоны и другие моющие средства. Выбор отмывочного реагента зависит от состава отложений и от использованного конструкционного материала. Преимущественное применение получила соляная кислота как наиболее дешевый, активный и быстро действующий реагент, она полностью растворяет карбонатные, фосфатные и частично железноокислые отложения, но слабо действует на силикатные накипи и не растворяет сульфатные. При обработке отложений раствором соляной кислоты наблюдается коррозионное разрушение металла оборудования с возникновением язв и трещин. При растворении ржавчины и окалины в раствор переходят ионы 2- и 3-х валентного Fe. Последние восстанавливаются металлом до 2-х валентного состояния: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, играя роль деполяризатора.
Установлено, что в интервале концентрации HCl 2-20% скорость растворения окислов возрастает в 1-м приближении пропорционально концентрации HCl. При повышении температуры на 10° скорость растворения окислов увеличивается в 2 раза. Кроме того, при удалении железоокисных отложений образуется хлорное железо (13 EMBED Equation.DSMT4 1415), которое является сильным окислителем и ускоряет процесс коррозии.
В целях противокоррозионной защиты котельной стали, к промывочному раствору в небольших количествах добавляются различные вещества (ингибиторы), которые способны сильно тормозить процесс растворения металла и в то же время не препятствуют разрушению накипных отложений. Установлено, что ингибиторный эффект снижается с повышением температуры, а также при резком повышении скорости движения раствора кислоты.
Обработка отложений моющими растворами производится:
а) без циркуляции с заливом очищаемого контура моющим раствором принудительной циркуляции (насосом) промывочного раствора по замкнутому контуру;
б) без подогрева промывочного раствора либо с нагревом (огневым либо паровым).
В целях осуществления предпусковых и эксплуатационных химических очисток на ТЭС обычно монтируются специальная постоянная, либо временная промывочные схемы. В каждом отдельном случае выбор промывочной схемы, состава и температуры моющих растворов, продолжительности и режима всех операций промывки производится с учетом характера отложений, типов оборудования, его конструктивных особенностей и рабочих параметров, а также свойств металла отдельных элементов оборудования. В процесс кислотной очистки производится сброс значительного количества растворов, содержащих различные химические компоненты, обычно в специальные котлованы или бетонные бассейны-нейтрализаторы, в которых осуществляется нейтрализация и обезвреживание растворов.
Необходимость промывок, их характеристик (интенсивность, продолжительность, реагенты, температуры и др.) наиболее точно устанавливаются путем вырезки контрольных образцов из наиболее теплонапряженных и предположительно наиболее загрязненных труб. Если толщина слоя водонесмываемых отложений достигает 1,0-1,5 мм в конвективных и 0,2-0,3 мм в радиационных поверхностях.
Для эксплуатационной очистки конденсаторов применяется ряд методов, в т.ч. непрерывная механическая очистка конденсаторных труб резиновыми шариками и периодическая механическая очистка (ершами и воздушными пистолетами) и кислотные промывки.
Схема самоочистки конденсаторов резиновыми шариками.
1 – водоструйный эжектор; 2 – загрузочная камера; 3 – конденсатор; 4 – патрубок с конусной сеткой; 5 – сливной бак; 6 – насос охлаждающей воды; 7 – оградительная сетка.

С помощью этого устройства удаляются из конденсаторных труб рыхлые отложения. Пористые резиновые шарики диаметром близким к диаметру труб (на 1-2 мм меньше внутреннего диаметра труб), рециркулируют в специально созданном контуре. Эти шарики специальным насосом или водоструйным эжектором 1 через загрузочную камеру 2 подаются в нагнетательный трубопровод охлаждающей воды и вместе с ней поступают. Проходя по трубам конденсатора 3 они отбирают рыхлые отложения со стенок конденсаторных труб, по пути омываются в охлаждающей воде и затем улавливаются конусной сеткой 4. Далее резиновые шарики поступают на всас водоструйного эжектора 1 и процесс повторяется. Загрузка шариков в систему циркуляции и извлечение их из системы для осмотра и замены производятся во время работы турбоагрегата.
Удаление отложений (обрастаний) должно проводиться при ухудшении вакуума на 0,5% по сравнению с номинальным. Плотность резины должна быть 0,98-1 г/см3. Число циркулирующих шариков составляет около 20% числа труб в конденсаторе. Шарики, хорошо удаляя илисто-глинистые обрастания, частично снимают и карбонатные отложения, но в то же время полирую, делают их более плотными и трудноподдающими удалению кислотой.
На некоторых ТЭС илисто-глинистые отложения из конденсаторных трубок удаляют высушивая их нагретым воздухом, используя теплоту, аккумулированную в остановленном котле, или созданием в водяном объеме вакуумом. Высушенные отложения отваливаются с трубок и вымываются водой при включении очищаемой половины конденсатора.
Биологические обрастания удаляются в конденсаторных трубках, как правило путем периодического хлорирования циркуляционной воды (содержание Cl2 в воде после конденсатора не более 1 мг/л), а также путем отключения конденсатора по воде (по половинам) при пониженной нагрузке с повышением температуры стенок до 45-50°С, при которой микроорганизмы отмирают и уносятся водой при включении в работу очищаемой половины конденсатора.
Промывка конденсатора с латунными трубками от отложений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 может проводиться соляной кислотой (1-2%) с ингибиторами: тиосульфатом натрия 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (6-7 ч на 1г 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в растворе) или U-1-В 0,3-0,5% или смесью тиомочевины 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 0,2% с гидросиламином 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, или гидразином 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 по 2г каждой из составных частей на 1г 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в растворе (максимум по 4-5г).
Промывка должна вестись по давлению около 0,1 МПа при 25-30°С с отводом газов. Скорость движения в трубах 0,3 м/с, время промывки 3-4 ч.
Промывка заканчивается при прекращении снижения концентрации HCl в моющем растворе или прекращения прироста в нем жесткости и концентрации Fe, Cu, Zn.
Более эффективна и безопасна для металла промывка конденсаторов и теплообменников растворами низкомолекулярных органических монодикарбоновых кислот (НМК и ДКК).
Для промывки конденсаторов и теплообменников эти исходные реагенты разбавляются водой до концентрации НМК 5-7%. В качестве ингибиторов применяются ОП-7 0,1% + тиомочевина 0,03%. Низкомолекулярные кислоты НМК являются как растворителями отложений, так и ингибиторами и пеногасителями и могут применяться в смеси с HCl. Начальная реакция моющего раствора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Температура при чисто карбонатных накипях должна составлять 20-40°С, при железокарбонатных 70-75°С. Время промывки 3-8 ч.
Лекция №15

Коррозия металла теплоэнергетического паросилового
оборудования и методы борьбы с ней.
Сущность и формы проявления коррозии.

Металлы и сплавы обладают способностью вступать во взаимодействие с сопрекосающейся с ними средой (вода, пар, газы), содержащие те или иные агрессивные примеси (кислород, угольная и другие кислоты, щелочи и др.). В результате воздействия агрессивной среды происходит коррозионное разрушение металла или сплава. Коррозией металлов называют разрушение их под воздействием окружающей среды в результате химических и электрохимических процессов, которые начинают протекать на поверхности и затем продвигаются вглубь.
Формы проявления коррозии разнообразны. Различают общую и местную формы коррозионных разрушений металла.
Общая (равномерная) коррозия охватывает всю или почти всю поверхность металла, находящуюся под воздействием агрессивной среды. Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла.
Местная (неравномерная) коррозия протекает с неодинаковой скоростью по поверхности металла, в результате чего коррозионные разрушения концентрируются на определенных участках. При этом различают следующие типы местной коррозии: пятнами, язвинами, точечную и сквозную.
При проявлении на поверхности металла макро- или микрогальванических элементов на тех участках, где он соприкасается с растворами электролитов и влажным паром, протекает электрохимическая коррозия, наиболее часто встречающаяся в практике эксплуатации ТЭС. Она возникает при воздействии на металл растворов электролитов и характеризуется протеканием электротока от одной части металла к другой. Гальванический элемент, за счет работы которого идет коррозионный процесс называемый коррозионным элементом. Действие коррозионного элемента может быть пояснено на примере обычного гальванического медно-железного элемента. В нем пластинки железа и меди погружены в электролит (растворы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415). При замыкании электродов внешним проводником отмечается прохождение тока поэтому проводнику, обусловленное перемещением электронов от железного электрода (анода) к медному («приемщика» электронов, т.е. катод) и наблюдаются два процесса: 1. анодный процесс – 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; 2. катодный процесс - 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Таким образом, в этом элементе протекает химическая реакция 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, в результате которой Fe отдает электроны (реакция окисления) и переходит в раствор, т.е. имеет место коррозия этого элемента, а ионы меди принимают эти электроны (реакция восстановления). Описанная модель воспроизводит характер действия на металл или сплав коррозионной среды (электролита). При погружении металла или сплава в водный раствор вся поверхность его разделяется на большое количество анодных и катодных участков, создающих условия для протекания коррозионного процесса. Коррозионные элементы, которые различимы невооруженным глазом, называются макрогальваническими элементами, а электроды, обнаруживаемые при помощи микроскопа – микрогальваническими элементами. При наличии микроэлементов некоторые участки поверхности металла играют роль растворяющихся анодов, а другие участки являются катодами. На поверхности корродирующего металла имеется множество микроанодов и микрокатодов, непосредственно замкнутых между собой и представляющих, поэтому так называемый многоэлектронный коррозионный элемент. При электрохимической коррозии металла разрушающими анодными участками являются участки с наименьшим электродным потенциалом – растворения. Неразрушающиеся катодные участки характеризуются более высоким электронным потенциалом – растворения (потенциалы металлов, погруженных в раствор своих ионов, называются нормальным электродным потенциалами). На анодных участках металл переходит в раствор в виде положительно заряженных ионов. Освобождающиеся на аноде электроны протекают к катодным участкам, где они разряжают положительно заряженные ионы электролита или ионизируют кислород, образуя гидроксильные ионы. Следовательно, у анодных участков создается повышенная концентрация ионов металла, а катодные вследствие разряда ионов Н или восстановления содержащегося в воде молекулярного кислорода накапливаются ионы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Там, где встречаются продукты катодной и анодной реакций, образуется гидрат закиси корродирующего металла – вторичный продукт коррозии. Например: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Количество, переходящих с анода на катод электронов, т.е. ток J, пропорционально количеству ионов Fe, перешедших в раствор. Чем больше J, тем интенсивнее коррозия, т.к.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 потенциалы катода и анод;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 сопротивление.
Если бы электродные потенциалы анодных и катодных участков корродирующего металла сохраняли свою первоначальную величину, то разрушения металла в сотни и тысячи раз превышали действительно наблюдаемые. Эксперимент показывает, что действительная скорость коррозии во много раз меньше вычисленной по законам Ома и Фарадея на основании начальной разности потенциалов анода и катода. Оказывается, что уже через очень короткое время после замыкания электронов, сила тока значительно уменьшается по сравнению с первоначальной. Уменьшение тока (и соответственно скорости коррозии) связано с изменением потенциалов сразу же после замыкания. Уменьшение начальной разности потенциалов электродов, приводящие к уменьшению интенсивности коррозии, называется поляризацией. Электродный процесс, уменьшающий поляризацию, называется деполяризацией. Некоторые вещества, содержащиеся в питательной воде, могут вызывать усиление коррозии. Они называются ускорителями или стимуляторами коррозии. Вещества, заметно снижающие скорость коррозии называются замедлителями или ингибиторами коррозии. Условие 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 приводит к прекращению электрохимической коррозии. Прекращение коррозии наступает при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, что означает отсутствие электролита.
Т.о., для возникновения и протекания электрохимической коррозии необходимо три основных условия:
1. гальванической пары, т.е. 2-х участков металла с разными потенциалами;
2. электролита, находящегося в контакте с электродами пары;
3. деполяризаторов.
Устранение одного из этих условий делает электрохимическую коррозию невозможной, что широко используется на практике. В металле, например, в стенке стальной трубы образование гальванических пар обуславливается электрохимической неоднородностью различных участков поверхности. Вследствие ряда причин потенциалы одних участков становятся более отрицательными, чем потенциалы других. В таком случае возникают уже рассмотренные процессы, ведущие к разрушению металла.

Борьба с коррозией.

В обязанности теплосилового и водоподготовительного оборудования под действием пара, воды и содержащихся в них коррозийных агентов разбивается на следующие основные виды:
- удаление из воды коррозионноагрессивных примесей (кислорода, углекислого газа, аммиака, щелочей, нитритов, окислов железа и меди);
- нейтрализация – перевод агрессивных примесей в неопасные соединения без удаления их из воды, пассивация, сульфатирование, ввод гидразина, ввод аммиака и летучих аминов, нитрата натрия – селитры, применение гексаметафосфата натрия и др.;
- создание временных защитных пленок на корродируемой поверхности при помощи октадециламина или втилена, магнетитовой пленки при помощи трилона Б или гидразина, нитритной или ферросиликатной пленки при помощи нитрита или силиката натрия;
- применение материалов, стойких против коррозии в данной среде: нержавеющей стали, латуни, бронзы, мельхиора, пластмасс (винипласт, полиэтилен, плексиглас, фаолит, резина, эбонит) или покрытия конструкций различными противокоррозионными лаками, эмалями и красками, оцинкование;
- соблюдение оптимального, безопасного, теплового и химического режима эксплуатации оборудования, создание и сохранение на омываемой водой или паром поверхности металла тонкой, плотной, защитной, препятствующей коррозии, магнетитовой пленки, исключающей доступ пара – воды к металлу, предотвращение чрезмерных термомеханических его напряжений. Сюда же относятся допущение быстрых и частых растопок, остановок котлов и чрезмерно большой разности температур (более 30-40°С) в теле барабанов и их элементов на сгибах труб; защита металла от перегрева, поддержание постоянного качества котловой воды, в т.ч щелочности, рН;
- применение гальванических способов предотвращения коррозии в высокоминерализованной воде, т.е. изменение направления возникающих при электрохимической коррозии гальванических токов путем применения катодной или протекторной защиты, при которых поражается коррозией (разрушается) не металл оборудования, а специально введенные куски другого металла (чугуна при катодной защите, цинка или сплава алюминия с цинком при протекторной защите);
- консервация, т.е. борьба со стояночной коррозией паросиловых агрегатов, в первую очередь паровых котлов, находящихся в резерве или ремонте, как со спуском воды, так и без спуска воды, осуществляемая путем высушивания аппаратов, заполнения их щелочной (рН 7-9) водой и недопущения подсоса воздуха (кислорода), заполнения щелочными растворами (13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415), азотом, создания на внутренней поверхности на период стоянки в ремонте пленок.

Борьба с коррозией паровых котлов во время работы.

К профилактическим мероприятиям для предотвращения коррозии относятся:
- устойчивое соблюдение в котловой воде оптимальных, заданных величин рН и концентрации коррекционных веществ, колебание которой вызывают разрушение магнетитовой пленки;
- соблюдение безопасной относительной щелочности котловой воды (не более 50%) для паровых котлов с вальцовочными соединениями и не более 20% для котлов с заклепочными соединениями или при большой относительной щелочности применение пассиваторов (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) в котлах низкого и среднего давления. В котлах ВД и СВД со сварными соединениями щелочность котловой воды не нормируется;
- обеспечение кратности упаривания котловой воды, питающихся конденсатом, между отсеками не более 8-10 при помощи рециркуляционных линий с регулирующими задвижками;
- хорошее состояние термозащитных рубашек и других устройств, предупреждающих попадание «холодной» (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) воды и растворов на стенки барабанов;
- медленные растопки и остановки в соответствии с директивными указаниями Минэнерго с регистрацией температуры питательной воды после экономайзера и температур обесточки барабана в характерных точках, намеченных при наладке;
- контроль за качеством металла барабанов, парообразующих и опускных труб, паропроводов арматуры, высокого давления, качеством сварных швов;
- проверка наличия и состояния наружных термозащитных покрытий барабанов и газовых перегородок, ремонт или восстановление их, проверка возможности свободного расширения всех элементов парового котла при тепловой наладке.
- мероприятия по борьбе с пароводяной коррозией внутренней поверхности нагрева, в т.ч. под отложениями, является: снижение местных тепловых напряжений, предотвращение «лизания» экранных и фестонных труб пламенем, торкретирование экранов в зоне ядра факела, предотвращение отложений в экранных трубах, уменьшение накипе- и шламообразователей в питательной воде, обеспечение устойчивого химического и теплового режимов, обеспечение надежной циркуляции воды.

Борьба со «стояночной» (кислородной) коррозией паровых
котлов и другого энергетического оборудования,
находящегося в резерве или ремонте.

Простейшим методом борьбы со стояночной коррозией опоражниваемых паровых котлов является спуск из них горячей воды (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) и высушивание их путем открытия всех лючков, лазов и воздушников для выхода образующего пара. Однако из невентилируемых, недренируемых элементов паровых котлов, например из нижней части некоторых коллекторов, из паровых котлов с безлючковыми коллекторами вода полностью не удаляется.
В отдельных случаях для улучшения и ускорения высушивания можно применять слабый обогрев опорожненного котла, зажигая горелки (13 EMBED Equation.DSMT4 1415).
Применяют вытеснение влажного воздуха из отглушенных котлов (преимущественно прямоточных), заполнение их сухими азотом или газообразным аммиаком с поддержанием избыточного давления не менее 100 мм.в.ст.
«Сухие» методы консервирования обязательны, хотя бы при временном снижении ниже нуля температуры в котельной. При всех методах консервации (как «сухих», так и «мокрых») важнейшим условием является надежное отсоединение котлов от всех общих линий. «Мокрые» методы консервации допустимы при температуре больше нуля, они более удобны, чем «сухие». К «мокрым» методам относятся: пребывание котлов в горячем резерве с поддержанием в нем среднего уровня котлов воды и избыточного давления 0,3-0,5 МПа в паровом объеме паром: от других котлов, от отборов турбин, от расширителей непрерывной продувки, водой от деаэраторов повышенного давления и т.д.; заполнение опорожненного котла деаэрированной водой, кипячение ее и поддержание давления выше атмосферного в самой верхней части. Давление в нем поддерживается деаэрированной питательной водой.
При длительном (более года) выводе в резерв консервация проводится только сухими способами согласно типовой инструкции Минэнерго.
Перед постановкой остановленного котла на консервацию находящую в нем и содержащую кислород воду кипятят в течении 2-3 ч. при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа, после чего гасят, подпитывают котел, включая пароперегреватель, до воздушника деаэрированной питательной водой и ставят в резерв. Во время пребывания котла на консервации из него 1-2 раза в неделю отбирают пробы для определения содержания в воде кислорода (оно не должно быть более 30 мг/л). При постановке котла в холодный резерв снижают Р до 0,2-0,5 МПа, подпитывают деаэрированной питательной водой и ставят в резерв, отключая от всех магистралей.
Опорожненные котлы заполняют водным раствором щелочи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 2-10 кг/м3, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 5-20 кг/м3 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 1-1,5 кг/м3. Меньшие количества применяются при приготовлении раствора на конденсате-дистиляторе, большие при высокоминерализованной (3000 мг/л и более) воде. Раствор щелочи следует готовить в специальном баке сразу на весь объем котла. Можно готовить раствор во время подачи в котел, поддерживая заданную концентрацию и осуществляя циркуляцию в течении 3-5 ч. (3-4 кратный обмен).
Для приготовления растворов следует использовать оборудования (баки, насосы и т.д.), применяемое для химических промывок паровых котлов.
Перед растопкой котла щелочной консервационный раствор (кроме аммиачного) должен быть опущен из парового котла в бак или канализацию и заменен питательной водой. Пар во время растопки в зависимости от его качества может быть использован внутри ТЭС. Пар, получаемый при растопке котла, законсервированного аммиаком, до снижения содержания в нем 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 1-3 мг/л должен выбрасываться в атмосферу во избежание аммиачной коррозии у потребителей.
Таким же способом консервируются котлы после химических промывок.
Новейшими способами создания защитной пленки магнетита на внутренней поверхности останавливаемого в резерв или ремонт котла является гидразионный и комплексный.
При гидразионном способе в паровой котел за 6-8 ч. до его остановки при помощи фосфатного дозирующего насоса вводят значительные количества гидразина (гидразингидрата или нейтрального по фенолфталеину гидразинсульфата), доведя концентрацию 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в котловой воде до 150-250 мг/л. При кипячении воды в котле на внутренней поверхности его создается довольно прочная железоокисная пленка, защищающая от кислородной коррозии влажную поверхность металла.
При комплексном способе в котел за 4-8 ч. до остановки вводят комплексон-этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТК) или ее соль (трилон Б) в количестве 200 г/м3 и кипятят воду при температуре 150-200°С и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа в течении 3-5 ч. При этом отложения Са, Mg, Fe, Al, Zn частично переходят в раствор в виде комплексонатов, затем температуру в котле поднимают до 260-300°С, а 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа и кипятят воду 2-3 ч. В результате происходит выделение магнетита 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 на внутренней поверхности водяного объема котла. Образуется механически и химически довольно прочная пленка, защищающая влажную поверхность металла в дальнейшем (после охлаждения и спуска воды) от коррозии. Этот способ пригоден только для котлов ВД и СВД (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа), т.к. для котлов низкого и среднего З нельзя поднять температуру до 260°С, необходимую для разрушения комплексонатов и выделения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Коррозия тракта питательной воды и конденсатопроводов.

Значительная часть коррозионных повреждений оборудования ТЭС приходится на тракт питательной воды, где металл находится в наиболее тяжелых условиях. На ТЭС основным источником тепла загрязнения питательной воды соединениями меди является аммиачная коррозия конденсатопроводов турбин и регенеративных подогревателей низкого давления, трубная система которых выполнена из латуни.
Тракт питательной воды ТЭС можно разделить на два основных участка: до термического деаэратора и после него, причем условия протекания в них коррозии резко различны. Характерной особенностью коррозии этого первого участка является отсутствие возможности истощения агрессивных агентов, т.е. угольной кислоты и кислорода, содержащихся в воде. Вследствие непрерывного поступления и движения новых порций воды по тракту происходит постоянное пополнение их убыли. Непрерывное удаление части продуктов реакции железа с водой и приток свежих порций агентов создают благоприятные условия для интенсивного протекания коррозионных процессов.
Подогрев воды, содержащей кислород и углекислый газ в поверхностных подогревателях, до 60-80°С и более приводит к серьезным коррозионным повреждениям латунных труб. Последние становятся хрупкими, и не редко латунь после нескольких месяцев работы приобретает губчатую структуру в результате избирательной коррозии.
Температура воды на втором участке тракта питательной воды (от деаэратора до парогенератора – питательные насосы, магистрали, регенеративные подогреватели, экономайзеры) приближаются к температуре котловой воды. Причиной коррозии оборудования здесь является главным образом воздействие на металл растворенной в воде свободной углекислоты, источником которой является добавочная химически обработанная вода. При 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, обусловленной наличием углекислоты и значительной температурой воды, процесс коррозии на этом участке питательно тракта развивается преимущественно с выделением водорода. Коррозия имеет сравнительно равномерный характер.
При наличии оборудования, изготовленного из латуни, обогащение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 соединениями Cu протекает в присутствии 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и свободного 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (аммиака). Продукты коррозии латунных трубок (медно-аммиачные комплексы, например 13 EMBED Equation.DSMT4 1415) начинают разлагаться на участках тракта подогревателей высокого давления (п.в.д.), с образованием менее растворимых окислов Cu, частично осаждающихся на поверхности трубок п.в.д. и способствующих их коррозии во время работы и длительной стоянки без консервации.
При недостаточной глубокой термической деаэрации питательной воды язвенная коррозия наблюдается преимущественно на входных участках экономайзеров, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 выделяется вследствие заметного повышения температуры 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а также в застойных участках питательного тракта.
Основными мероприятиями для предотвращения коррозии оборудования, расположенных на первом участке тракта питательной воды (от водоподготовительной установки до термического деаэратора) является:
1) применение защитных противокоррозионных покрытий поверхностей водоподготовительного хозяйства, которые омываются растворами кислых реагентов или коррозионно-агрессивными водами с использованием резины, эпоксидных смол, лаков, жидкого нейрита и силикона;
2) применение кислостойких труб и арматуры, изготовленных из полимерных материалов (полиэтилена, полиизобутилена и др.) либо стальных труб и арматуры, футерованными внутри защитными покрытиями, наносимыми методом газопламенного напыления;
3) применение труб теплообменных аппаратов из коррозионностойких металлов (медь, нержавеющая сталь);
4) удаление свободной углекислоты из добавочной химически обработанной воды;
5) постоянный вывод неконденсирующихся газов (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и углекислоты) из паровых камер подогревателей низкого давления и быстрый отвод, образующегося в них конденсата;
6) тщательное уплотнение сальников конденсатных насосов, шпинделей арматуры и фланцевых соединений питательных трубопроводов, находящихся под вакуумом;
7) обеспечение достаточной герметичности конденсаторов турбин со стороны охлаждающей воды и контроль за присосами воздуха (кислородомерами);
8) оснащение конденсаторов специальными дегазационными устройствами с целью удаления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 из конденсата.
На втором участке питательной воды (от термических деаэраторов до парогенераторов):
1) оснащение ТЭС термическими деаэраторами, выдающими деаэрированную воду с остаточным содержанием 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 не более допустимой нормы;
2) применение коррозионностойких металлов для изготовления элементов питательной воды;
3) противокоррозионная защита питательных и дренажных баков путем нанесения неметаллических покрытий, стойких при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, например асбовинила или лакокрасочных материалов на основе эпоксидных смол;
4) постоянная обработка питательной воды щелочными реагентами с целью поддержания оптимального значения рН (при которой подавляется углекислотная коррозия и обеспечивается достаточная прочность защитной пленки;
5) герметизация баков питательной воды, чтобы предотвратить попадания кислорода с питательно водой в экономайзеры котлов;
6) осуществление надежной консервации оборудования тракта питательной воды во время его простоя в резерве.

Борьба с коррозией обратных конденсатопроводов.

Основными методами борьбы конденсатопроводов производящими конденсат является удаление из конденсата свободной углекислоты путем вентиляции паровых объемов подогревателей и конденсаторов и связывания ее аммиаком. Полное связывание аммиаком возможно лишь при остаточном содержании 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 5-7 мг/л, а при большем лишь частичное. Аммиак может вводится как в конденсат, добавочную и питательную воду, так и в паровой котел вместе с фосфатами в отдельных случаях в пар, направленный потребителям, при помощи дозирующих насосов или дозаторов другого типа.
Контроль за дозировкой аммиака в пар должен осуществляться по следующим показателям качества возвращаемого конденсата: содержанию связанного 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (обычно до 3-4 мг/л); отсутствию свободного 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; возможно меньшему содержанию свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; содержанию Cu (не более 20 мг/л). Применение для борьбы с коррозией обратных конденсатопроводов пленкообразующих аминов – октадециламина (ОДА), втилена и др. не нашло достаточно широкого применения вследствие непрочности создаваемой пленки.

Борьба с коррозией трубок из медных сплавов
поверхностей нагрева теплообменных аппаратов
(конденсаторов, паровых подогревателей и др.).

Стойкость против кислородной коррозии и более высокая, чем у стали теплопроводность, позволяющая сократить размеры теплопередающей поверхности, обуславливают применение медных сплавов при температурах до 200°С в конденсаторах, сетевых подогревателях, ПНД, подогревателях сырой и химически обработанной воды.
Основными видами коррозии трубок из медных сплавов с паровой стороны является углекислотная и аммиачная, последняя особенно в присутствии кислорода. Образовавшийся конденсат обогащается Cu и Zn. Много Zn в конденсате при высокой его температуре и наличии свободной углекислоты. С водяной стороны обычно протекает углекислотная и при высокой минерализованности воды гальваническая коррозия (обесцинкование).
Основным способом борьбы с коррозией трубок из медных сплавов является удаление из питательной воды и паровых объемов подогревателей 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для защиты водяных камер, стальных трубных досок и концов трубок конденсаторов, охлаждаемых высокоминерализованной водой (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 мг/л) применяют пластинчатые противокоррозионные покрытия, служащие также для уплотнения вальцовочных соединений. Применяют также протекторную защиту, состоящую в том, что в водяные камеры помещают пластины из металла, имеющего более отрицательный электродный потенциал, чем сталь или латунь (например, Zn, сплав Al с Zn и т.д.), соединенные с корпусом конденсатора через изолятор.
Схема протекторной защиты водяных камер конденсаторов, охлаждаемых морской водой.
1 – водяная камера; 2 – неизолированные стержни; 3 – изолированный стержень; 4 – протекторные пластины (Zn, Al+Zn и др.); 5 – гальванометр для наблюдения за ходом разрушения пластин.
Защищаемые детали являются катодом и не разрушаются аноды-пластины. Однако средняя часть трубок конденсатора, удаленная от пластин, от коррозии высокоминерализованной водой не защищается.

Защита от коррозии водоподготовительного оборудования.

Коррозия водоподготовительного оборудования вызывается обычно высокой минерализованностью и кислой реакцией воды и растворов, наличием в них 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Защита от коррозии достигается применением коррозионно-стойких материалов (нержавеющей стали, бронзы, латуни, пластмассы и т.п.) или нанесением на поверхность стали противокоррозионных покрытий.
Согласно рекомендациям Минэнерго СССР практически все оборудование и трубопроводы водоподготовительных установок должны защищаться от коррозии, чтобы не заносить с водой окислы Fe в ионитные фильтры и далее в деаэраторы и котлы. Исключение при этом составляют резервуары и трубопроводы крепкой серной кислоты (не < 75%), едкого натра (не < 10%), щелочных фосфатов, трубопроводы, баки и другое оборудование, работающее на сырой воде до ввода в нее реагентов и ее подогрева.
Верхняя часть зернистых осветительных фильтров, фильтрующих щелочную (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) известкованную воду, может не иметь противокоррозионных покрытий, равно как и баки промывочной воды. Однако дренажи этих фильтров и отводящие профильтрованную воду трубопроводы должны иметь защитные покрытия. Из-за дефицитности, высокой стоимости материалов и сложности нанесения противокоррозионных покрытий до последнего времени применялись редко, лишь в установках Н-катионирования или обессоливания воды, для кислых растворов коагулянта, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и других, что привело к тому, что очень часто обработанная и питательная вода имела повышенное содержание Fe, Cu, Zn (против норм ПТЭ и ГОСТ 2874-82).
При нанесении противокоррозионных покрытий исключительно важное значение имеет подготовка поверхности защищаемого материала (очистка его от ржавчины, грязи, масляных и других отложений). Плотность нанесения покрытия должна проверяться дефектоскопом ЭД-4 или мегомметром. Для этого защищенную поверхность смачивают 0,1-1%-ным раствором NaCl и проводят по ней щеткой или кистью, смоченной в растворе NaCl и соединенной с одним из контактов мегомметра. Другой контакт соединен с корпусом аппарата или стенкой трубы. При неплотном покрытии сопротивление резко падает до нуля.
Во время нанесения защитных покрытий должны строго соблюдаться ПТБ при проведении взрывоопасных работ.
Существует и другие методы нанесения защитных покрытий (перхлорвиниловых покрытий, полиизобутиленовое, резиновые (листовые или клеевые), эбонитовые). За неимением времени на них мы не будем останавливаться.

Коррозия паровых турбин.

Металл прочной части турбин может в процессе работы подвергаться коррозии в зоне конденсации пара, особенно при наличии в нем угольной кислоты, вследствии наличия в паре коррозионных агентов и стояночной коррозии при нахождении турбин в резерве. Особенно сильно подвергается стояночной коррозии проточная часть турбины при наличии в ней солевых отложений, которые ускоряют развитие коррозии. Отсюда вытекает необходимость тщательной очистки лопаточного аппарата турбины перед длительным простоем. Местом протекания коррозии является те ступени, где конденсируется влага, агрессивно воздействующая на стальные детали проточной части турбины. Источник влаги – конденсация пара.
Для устранения стояночной коррозии паровых турбин необходимо исключить возможность попадания пара в турбины во время нахождения их в резерве. Для поддержания поверхности проточной части турбины в сухом виде применяется периодическая продувка ее горячим воздухом (13 EMBED Equation.DSMT4 1415 °С).

Коррозия тепловых сетей и борьба с ней.

Внутренняя коррозия тепловых сетей вызывается наличием в сетевой воде или конденсате растворенного кислорода и углекислоты, которые попадают в систему с добавочной химически очищенной или омагниченной водой, восполняющей утечки в сети, а также вследствие заноса воздуха через неплотности при наличии разрежения в трубах. В состав тепловых сетей входят следующие элементы: система подготовителей, трубопроводов, насосов и другого вспомогательного оборудования.
Основные закономерности и характер коррозии оборудования тепловых систем имеют много общего с протеканием коррозионных разрушений элементов тракта питательной воды, расположенной до деаэратора.
Защита закрытых тепловых сетей от внутренней коррозии сетевой водой при небольших размерах подпитки осуществляется: деаэрации воды в вакуумных или атмосферных деаэраторах, декарбонизации воды известкованием, аминированием, фильтрованием через магномассовые фильтры; использованием для подпитки продувочной воды котлов, испарителей, паропреобразователей, не содержащей ни свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, ни 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, без превышения допустимых значений рН; сульфитирования для связывания 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; создания на внутренней поверхности труб защитной пленки карбонатов, фосфатов или силикатов. Для создания защитной фосфатной пленки в процессе эксплуатации в сетевую воду закрытых тепловых сетей при жесткости подпиточной воды не более 50 мг/л вводят гексаметафосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или триполифосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и поддерживают в ней концентрацию 5-7 мг/л в пересчете на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для создания в трубах железосиликатной пленки в сетевую воду систематически вводят силикат натрия 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в количестве до 40 мг/л в пересчете на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для ввода силиката в сетевую воду небольших систем теплоснабжения применяют фильтр, загруженный кусками силикат-глыбы, через которую пропускается часть горячей прямой сетевой воды.
Для борьбы со стояночной коррозией тепловых сетей и водогрейных котлов перед остановкой в резерв или ремонт их заполняют раствором силиката натрия с концентрацией 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 1000-2500 мг/л и не выпускают раствор из сети и котлов возможно дольше.

Борьба с коррозией тепловых сетей.

Защита закрытых тепловых сетей от внутренней коррозии сетевой водой при небольших размерах подпитки осуществляется путем деаэрации воды в вакуумных и атмосферных деаэраторах, декарбонизации воды известкованием, аминированием, фильтрованием через магномассовые фильтры, сульфитирования для связывания 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; создания на внутренней поверхности труб защитной пленки карбонатов, фосфатов или силикатов. Для создания защитной фосфатной пленки в процессе эксплуатации в сетевую воду закрытых тепловых сетей при жесткости подпиточной воды не более 50 мкг/л вводят гексаметафосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или триполифосфат 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и поддерживают его концентрацию 5-7 мг/л в пересчете на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. В начальный период до создания защитной пленки на всей поверхности труб (до устойчивого снижения содержания в сетевой воде Fe) концентрацию 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 поддерживают 50-60 мг/л.
Для создания в трубах железосиликатной пленки в сетевую воду систематически вводят силикат натрия 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в количестве до 40 мг/л в пересчете на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для борьбы со стояночной коррозией тепловых сетей перед остановкой в резерв или ремонт их заполняют раствором силиката натрия с концентрацией 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 1000-2500 мг/л и не выпускают как возможно дольше. После ремонта вновь заполняют сеть таким же раствором и только перед началом отопительного сезона раствор заменяют подпиточной водой.
Обработка воды сульфитом натрия 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Он может применяться и для обезкислороживания подпиточной воды сетей теплоснабжения и горячего водоснабжения. Для постоянного удаления из питательной воды или подпиточной воды кислорода в больших количествах применять 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 не рекомендуется. Ввод в питательную воду аммиака производится как для связывания содержащейся в воде остаточной свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и повышения рН, так и в основном для связывания свободной 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в конденсате пара, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 наиболее коррозионно опасен. Силикатирование рекомендуется во всех случаях как способ защиты всех тепловых сетей от кислородной коррозии во время простоев при опорожнении сетей и обязательно при эксплуатации в отсутствии деаэрации подпиточной воды.
Не рекомендуется обработка магномассой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415каустический магнезит даже для малых систем из-за сложности ее получения. Этот способ допустим при невозможности деаэрации воды.
Удаление из воды 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 осуществляется путем декарбонизации в специальных аппаратах-декарбонизаторах – путем продувки воды воздухом. Этот способ служит промежуточной ступенью водоприготовления, включаемой между устройствами для химического умягчения и термической деаэрации воды.
Согласно закона Генри снижением парциального давления данного газа над водой без снижения общего давления и подогрева воды достигается избирательная десорбция какого либо газа. Практически это осуществляется продувкой воды смесью газов, в составе которой десорбируемый газ или отсутствует или его концентрация чрезвычайно низка.
Обработка воды подкислением проводится с целью снижения карбонатной жесткости путем частичной нейтрализации бикарбонатных ионов. При подкислении щелочность воды снижается на эквивалентную дозу кислоты и выделяющуюся при этом свободная 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 является стабилизатором оставшуюся часть бикарбонатов кальция. При подкислении оставшееся 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 служит буфером, предохраняя систему от перекисления воды и интенсификации коррозии.




Нормы качества воды для подпитки водяных тепловых сетей
(СНиП II-36-73 таблица 4 – «Строительные нормы и правила. Часть II.
Нормы проектирования. Глава 36. Тепловые сети». М., Стройиздат, 1974).

Таблица 4
Показатели
Размерность
Максимальная температура подогрева сетевой воды в установках источника тепла, °С



До 75
76 – 100
101 – 200



Норма (не более)

Растворенный кислород
мг/кг
0,1
0,1
0,05

Взвешанные вещества
мг/кг
5
5
5

Карбонатная жесткость
мг-экв/кг
1,5
0,7
0,7

рН

6,5 – 8,5
6,5 – 8,5
6,5 – 8,5

Остаточная общая жесткость при использовании воды продувки котлов (допускается в закрытых системах теплоснабжения)
мг-экв/кг

0,1
0,05

Условная сульфатнокальциевая жесткость



В пределах величин, исключающих выпадение из раствора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Свободная углекислота

Должна отсутствовать


Лекция №16

Особенности использования ингибитора отложений минеральных
солей в системах подготовки воды для котлов, тепловых сетей
и систем горячего водоснабжения.

На железной дороге, в частности в системе гражданских сооружений, имеется большое количество котельных, являющихся источниками теплоснабжения различных зданий. В системе теплоснабжения НГЧ имеются разветвленные тепловые сети и сети горячего водоснабжения. В указанных хозяйствах в большом количестве используется вода для питания котлов, тепловых сетей и сетей горячего водоснабжения. На отдельных котельных (как правило средней мощности) имеются водоподготовительные установки, которые готовят (умягчают) воду для питания котлов. На них используются традиционные способы умягчения воды – удаление солей жесткости ионообменным методом. Исходная вода пропускается через фильтры, заполненные катионитом, находящимся в натрий-форме, т.е. содержащий катион натрия, способный к обмену на катионы кальция и магния, обуславливающих жесткость воды. Этот процесс фильтрации воды через катионит называется натрий-катионированием. В процессе работы катионит истощается, т.е. теряется его обменная способность. Для восстановления обменной емкости производится регенерация истощенного катионита раствором поваренной соли.
Основные недостатки применяемого в существующих ВПУ вышесказанного метода снижения жесткости воды является:
- большая удельная энергоемкость;
- большой расход поваренной соли для регенерации натрий-катионитных фильтров;
- большие эксплуатационные затраты на обслуживание;
- экологическое загрязнение водной среды при сливе в канализацию отработанного регенерационного раствора поваренной соли и значительные затраты на его нейтрализацию.
На котельных с водогрейными котлами, на малых котельных, которые в системе НГЧ большое количество, водоподготовка отсутствует. Для питания котлов, подпитки тепловых сетей и горячего водоснабжения используется сырая вода хозяйственно-питьевого качества. На большинстве котельных, где имеется водоподготовительные установки, вода для подпитки тепловых сетей и горячего водоснабжения не готовится и они подпитываются сырой водой. По этой причине срок службы котлов, тепловых сетей, систем отопления и горячего водоснабжения значительно сокращается, увеличивается частота и затраты на ремонт.
Для повышения надежности работы котлов, тепловых сетей, систем отопления, горячего водоснабжения, значительного увеличения срока их службы, снижения затрат на эксплуатацию рекомендуется к использованию ингибитор отложений минеральных солей (ИОМС-1), также называемый комплексоном. ИОМС-25% водный раствор органических аминофосфонатов.
Особенности использования ингибитора отложений минеральных
солей в системах подготовки воды для котлов, тепловых
сетей, систем горячего водоснабжения.

Основными недостатками применяемого в существующей ВПУ традиционного (ионообменного) метода снижения жесткости воды являются:
- большая удельная энергоемкость;
- большой расход поваренной соли для регенерации натрий-катионитных фильтров;
- большие эксплуатационные затраты на обслуживание;
- экологическое загрязнение водной среды при сливе в канализацию отработанного регенерационного раствора поваренной соли и значительные затраты на его нейтрализацию.
Более рациональным способом снижения в воде концентрации минеральных солей является использование химических реагентов, способных в незначительных количествах препятствовать образованию отложений (накипи), коррозии металла теплообменных поверхностей в котельных установках и тепловых сетях. К их числу могут быть отнесены поверхностно-активные вещества, стабилизаторы солей жесткости на основе неорганических фосфатов, а также ингибиторы отложений минеральных солей на основе органических фосфатов и фосфонов, чаще называемых комплексонами.
В системах водоподготовки используются поверхностно-активные вещества как природного, так и синтетического происхождения. При этом наблюдается эффект стабилизации, в результате которого отсутствует рост частиц дисперсной фазы труднорастворимых солей жесткости.
К поверхностно-активным веществам природного происхождения относятся высокомолекулярные полимеры – каротин и желатин. Из поверхностно-активных веществ синтетического происхождения наибольшее распространение получили: натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, а также полимеры и сополимеры на основе акриловой, метакриловой и малеиновой кислот. Все указанные вещества предотвращают образование накипи при температурах до 120°С.
Способность неорганических фосфатов и полифосфатов препятствовать отложениям солей жесткости (карбоната кальция) при применении в количествах значительно меньших стехиометрических обеспечило их внедрение в практику водоподготовки. Из числа неорганических фосфатов и полифосфатов наибольшее распространение получил гексаметофосфат натрия. Однако при дозировании максимальная температура воды ограничена 90°С. К недостаткам этого метода можно отнести необходимость поддержания рН среды строго на значении 7,2, при более высоких значениях рН наблюдается накипеобразование, при более низких – коррозия металла.
Органические фосфаты и фосфонаты обладают большей стабильностью и меньшей склонностью к гидролизу, эффективны в большом диапазоне рН и для больших концентраций соли. Наибольшее распространение получили: этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), нитрилтриметиленфосфоновая кислота (НТФ), 1,3 диаминопропанолтетралитиленфосфоновая кислота (ДПФ) и оксиэтилендендифосфоновая кислота (ОЭДФ). Область применения указанных ингибиторов ограничена температурами 110-115°С.
С учетом вышеизложенных недостатков традиционных методов и проведенных исследований для предотвращения образования отложений получил распространение ингибитор отложений минеральных солей (ИОМС-1), также называемый комплексоном.
Ингибитор отложений минеральных солей (ИОМС) – 25% водный раствор смеси органических аминофосфонатов. Он представляет собой однородную жидкость от желто-зеленого до коричневого цвета со специфическим запахом, рН раствора ИОМС колеблется в пределах 5,5-7,5, плотность 1,31-1,41 г/см3, мало токсичен, не горюч, не кристаллизуется до температуры 160°С.
Механизм стабилизирующего действия ИОМС заключается в абсорбции комплексона на микрозародышах кристаллизующейся соли, что препятствует дальнейшему росту кристаллов и образованию отложений. Стабилизирующее действие ИОМС проявляется практически при любом качестве воды при условии поддержания нейтральной или щелочной активной реакции (рН). В кислой среде, вследствие уменьшения ионизации комплексона, стабилизирующее действие снижается.
Реагентное хозяйство для приготовления и дозирования растворов ингибитора имеет простую конструкцию, не требует больших затрат и надежно в эксплуатации.
Технология стабилизационной обработки воды в системах водо- и теплоснабжения с использованием ингибитора ИОМС обладает высокой эффективностью, обеспечивая практически полное подавление процессов образования отложений малорастворимых солей, снижение до нормативных величин коррозии металла в водной среде. При этом эксплуатационные расходы меньше, чем при использовании традиционных методов обработки воды. В действующих системах технология обеспечивает постепенное удаление старых отложений солей и продуктов коррозии металла.
В системах горячего водоснабжения обработка воды комплексоном обеспечивает снижение скорости образования отложений не менее, чем в 10 раз, а при точном соблюдении режима, ввода реагентов и достаточном времени обработки воды удается достигнуть снижение скорости образования отложений в 100 раз.
Расход реагента в зависимости от качества воды колеблется в пределах 1,0-5,0 г/м3.
Применение технологии стабилизационной обработки воды растворами ИОМС, как показывает практика, и внедрение обеспечивает следующие технико-экономические преимущества:
- достигается большая экономия энергетических и сырьевых ресурсов (поваренной соли, катионитных материалов);
- значительно снижается сброс высокоминерализованных сточных вод;
- увеличивается межремонтный период работы оборудования;
- эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем на традиционную натрий-катионитную водоподготовку.
Наряду с вышеуказанным применяемые комплексоны связывают значительную часть растворенного в сырой воде кислорода и образуют на внутренних теплообменных поверхностях защитную пленку. В результате, скорость коррозии металла снижается на 60-90%, что в большинстве случаев позволяет эксплуатировать теплоэнергетическое оборудование (например, водогрейные котлы, тепловые сети, сети водоснабжения) без деаэраторов.
В отличие от традиционной натрий-катионитов водоподготовки предлагаемая система защищает не более 3 кв.м. площади, обслуживается и контролируется лаборантом в течении одного часа в сутки и практически не требует ремонта. Система экологически безопасна. Используемые в системе комплексоны допущены Минздравом Российской Федерации для горячего водоснабжения.








13 PAGE \* MERGEFORMAT 148515



вода

11

10

13

12

14

15

3

4

5

6

16

8

7

9

22

23

19

20

17

21

18

2

1

3

2

1

Al2(OH)4SO4

Al(OH)3

Al(OH)SO4

рН

7,2

5,6

0

40

80

р, %



n

NH2

C = 0

CH

CH2

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

10

9

8

7

6

5

5

4

4

3

2

1









3

2

1



+





































+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+



+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+























































1


·


·проск

t1

t

6

5

4

3

2

1

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

4

3

2

1

Др

Na1

Д

Нб

Нг

Na2

Na1

Кислота

Н

Д

Na2

Na1

Н

Na2

Na1

Д

Нб

Нг

Н

Na2

Д

Na1

Н1

Н

Na2

Na1

Д

Н1

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

А1

Н1

Н

Д

А1

Н1

Д

Н2

в)

А1

Д

Н2

Н

Н1

ОН2

Н1

б)

а)

ОН1

Рисунок 9

В-х

8

7

6

5

4

3

2

1

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

7

7

10

9

9

8

7

6

5

5

5

4

3

2

1

Дистиллят

Пар

Конденсат

Рассол

8

7

6

5

4

3

2

1


·1000 мм

2

1

H–

Cl–

OH–

Cl–

Na+

Cl–

Cl–

Cl–

Na+

Na+

Na+

концентрированный рассол

обессоленная вода

сброс

сброс

Cl2, O2

+



соленая вода

А

А

К

К


·


·

+



Анод

Катод

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

1

2

3

4

3

2

+



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Пар

Р2О5

15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

вода

1

2

3

4

5

6

7


·


·о


·
·


·
·/е

х


·


·

Флоккулы – агрегаты частиц, разделенных жидкими прослойками

Грубые дисперсии

Истинный раствор

Устойчивая дисперсная система

Коагуляционно-тиксотронные структуры

Конденсационно-кристализационные структуры

Флокуляция

Пептизация

Коагуляция

Коалесценция, агрегация

Диспергирование

Конденсация

Растворение

Структурообразование

Разрушение стуктуры

Диспергирование

Диспергирование и стабилизация

Частицы находятся в непосредственном контакте

Конденсационное структурообразование

Частицы
разделенные жидкими
прослойками



+

А

К

FeSO4

CuSO4

1

2

3

4

5

+

+

+









Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeCEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeHEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native3ІEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 8855852
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий