Удаление щелочности, обессоливание
Для паровых котлов важными показателями являются солесодержание и щелочность подпиточной воды. Высокое солесодержание питательной и соответственно котловой вод приводит к большим объемам продувки котлов, а также вызывает вспенивание воды в барабане котла и заносу солей в пар. Высокая щелочность питательной воды вызывает углекислотную коррозию пароконденсатных трактов.
Щелочность удаляют одновременно с катионами жесткости. При высокой доле карбонатной жесткости в общей жесткости применяются Н-катионирование на слабокислотном катионите и различные схемы Н–Na-катионирования. Если доля карбонатной жесткости в общей жесткости ниже определенного уровня (его нетрудно определить по содержанию ионов Ca2+, Mg2+ и HCO3 – в исходной воде и требованиям к питательной воде), то снижение щелочности до нужных пределов становится возможным только с одновременным обессоливанием.
Для обессоливания воды применяется Н/ ОН-ионирование (химическое обессоливание) и обратный осмос. В общем виде установка химобессоливания включает катионитный фильтр, декарбонизатор, бак декарбонизованной воды, химический насос и анионитный фильтр. В качестве загрузок фильтров в небольших котельных в подавляющем большинстве случаев используются сильнокислотный катионит и сильноосновный анионит.
При сравнительно небольшой щелочности (и/или производительности системы) возможна работа без декарбонизатора, но это влечет за собой увеличение объема анионита, который значительно дороже катионита. Вообще, в установках Н/ОН-ионирования объемы катионита и анионита как правило различны. Для минимизации стоимости установки целесообразно рассчитывать каждую ступень отдельно, чтобы они выходили в регенерацию не как единая система (сначала катионообменный фильтр, за ним сразу анионообменный), а независимо друг от друга; при этом фильтроциклы каждой ступени могут различаться в разы.
Н-катионитные и ОН-анионитные фильтры конструктивно аналогичны фильтрам умягчения. При использовании современного аппаратурного оформления единственной ручной операцией при их эксплуатации является приготовление регенерационных растворов. По сравнению с установками умягчения, более строгие ограничения накладываются на материалы, соприкасающиеся с регенерационными растворами кислот и щелочей, т.е. не допускается применение деталей из капролона, латуни и т.п.
Ионообменное обессоливание подразумевает использование для регенерации кислоты и щелочи, которые являются опасными веществами, в количествах в два-три раза превышающих стехиометрические, и, кроме того, образование кислотно-щелочных стоков, которые требуется нейтрализовать перед сбросом в канализацию. Обратный осмос лишен этих недостатков, поэтому в настоящее время он находит все более широкое применение, несмотря на сравнительно высокие капитальные затраты.
Стандартная обратноосмотическая установка включает в себя: блок фильтров тонкой очистки; используются патронные фильтры с пятимикронными картриджами; блок насосов высокого давления; блок мембранных модулей; состоит из рулонных мембранных элементов, заключенных в корпуса из стеклопластика или нержавеющей стали; блок дозирования кислоты и ингибитора для предотвращения загрязнения мембран отложениями солей (необходимость дозирования кислоты и ингибитора и дозы определяются расчетным путем по величине индекса Ланжелье концентрата); блок промывки — промывки необходимы для продления срока службы мембран, т.к. в любом случае в процессе работы на их поверхности происходит отложение солей (частота промывок зависит от качества исходной воды и правильности расчета установки и может составлять не более одного раза в три-четыре месяца).
Дополнительно в промышленных установках устанавливаются кондуктометры для слежения за качеством пермеата, шкаф автоматики с контроллером и многие другие устройства для автоматизации и контроля процесса. Производительность же обратноосмотических установок по пермеату в среднем составляет 60–75 %. Стандартные установки ограничены рабочим давлением в 16 бар, т.к. это максимальное давление для труб ПВХ.
Применение нержавеющих труб увеличивает стоимость установки. При солесодержании выше 2000–3000 мг/л рабочее давление становится выше 16 бар, и для его снижения, как правило, увеличивают сброс концентрата и соответственно снижают производительность по пермеату. Селективность обратноосмотических мембран — от 98 до 99,7 % по NaCl, рабочее давление — от 6 до 25 бар.
Как химобессоливание, так и обратный осмос позволяют получить воду с удельной электропроводностью на уровне 5–50 мкСм/см, в зависимости от солесодержания исходной воды. Более глубокое обессоливание проводится в две ступени. Каждая установка, будь то Н-катионирование, химобессоливание и особенно обратный осмос, должна рассчитываться и подбираться индивидуально для конкретного случая.
Коррекционная обработка воды
Традиционно для коррекционной обработки воды применяются: фосфаты (тринатрийфосфат, гексаметафосфат, триполифосфат и различные их смеси) для предупреждения появления кальциевой накипи и поддержания уровня рН воды, при котором обеспечивается защита стали от коррозии; сульфит натрия для химического обескислороживания воды после деаэратора или взамен деаэратора при небольшом расходе подпиточной воды (до 2 м3/ч); аммиак для связывания углекислоты в питательной воде и в паре с целью защиты от углекислотной коррозии питательного и пароконденсатного трактов.
Применение этих реагентов требует специального реагентного хозяйства. Фосфаты сначала растворяют в специальном растворном баке, затем фильтруют раствор на осветлительном фильтре для удаления загрязнений. При приготовлении раствора сульфита натрия необходимо применять меры по изоляции его от воздуха. Для растворения сульфита используется герметизированный бак, который перед подачей воды на растворение должен продуваться паром.
Особые требования предъявляются к помещению и квалификации обслуживающего персонала при работе с аммиаком, который относится к классу опасных веществ. Кроме того, аммиак вызывает коррозию медьсодержащих сплавов. Для небольших котельных (в отличие от ТЭЦ) применять традиционные технологии коррекционной обработки воды просто нереально по вышеперечисленным причинам.
Остается два пути: вообще не проводить коррекционную обработку, снижая эффективность работы и сроки службы основного оборудования, либо применять эффективные и удобные в использовании современные реагенты (хотя и довольно дорогостоящие), расходы которых при низких объемах подпитки могут оказаться не такими уж большими. Современные реагенты поставляются в жидком виде готовыми к использованию, могут разбавляться умягченной водой в любых пропорциях.
При их применении не требуется специального реагентного хозяйства, достаточно только растворного бака и насоса-дозатора. Ингибиторы коррозии и накипеобразования, помимо основных веществ (органических и неорганических фосфатов), имеют в своем составе различные присадки — лигнины, таннины, дисперсанты, противовспениватели, деоксиданты. Различные качественные и количественные сочетания составляющих реагента позволяют иметь достаточно широкий ряд продуктов, которые могут использоваться при разных схемах питания котла в зависимости от качества питательной воды.
Катализированный сульфит натрия более стоек и эффективнее связывает растворенный кислород, чем обычный сульфит, как при высоких, так и при низких температурах. Для защиты конденсатных линий применяются комплексные реагенты на основе нейтрализующих аминов, которые, испаряясь вместе с паром, защищают линии возврата конденсата от углекислотной коррозии. Одни из этих аминов конденсируются быстрее и, следовательно, осуществляют защиту уже в самом начале конденсатных линий, другие конденсируются позже и защищают тракт по всей протяженности.
Данные реагенты не вызывают коррозии меди и медьсодержащих сплавов. Существуют реагенты на основе нейтрализующих аминов, которые могут применяться для паровых котлов, использующихся в пищевой, молочной и фармацевтической промышленности.
Комплексонный воднохимический режим
Одна из разновидностей коррекционной обработки воды, выделяемая в самостоятельный раздел водоподготовки, — это комплексонная обработка, которая при определенных условиях позволяет исключить стадию умягчения воды (ингибирование накипеобразования) и стадию удаления агрессивных газов (ингибирование коррозии) [3, 4].
Наиболее распространенные в отечественной практике комплексоны — это оксиэтилдендифосфоновая кислота (ОЭДФ), нитрилотриметилфосфоновая кислота (НТФ) и препараты на их основе (цинкат ОДФ, ИОМС-1, различные реагенты под маркой «Аминат» и др.). Отношение к комплексонной обработке у энергетиков крайне неоднозначно, т.к. в одних случаях она дает великолепный результат, а в других — приводит к серьезным авариям.
Между тем все дело здесь заключается в профессионализме организаций, внедряющих комплексонный водно-химический режим, а также в грамотном его ведении эксплуатирующим персоналом. В рекомендациях научно-технического совета РАО «ЕЭС России» [3] определена область применения комплексонов в отопительных котельных: температура воды на выходе из водогрейного котла — не более 110 °C; температура воды на выходе из бойлера — не более 130 °C; карбонатный индекс сетевой воды ICaCO3 — не более 8 (мг-экв/л)2; значение рН сетевой воды — не более 8,5.
Согласно [4], обработка воды комплексонами должна предусматриваться в качестве основного и единственного способа химической обработки воды в следующих случаях:
- для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения с любыми температурными графиками при карбонатном индексе воды до 30 (мг-экв/л)2 включительно;
- для парогенераторных установок с давлением пара до 16 кгс/см2 при общей жесткости воды до 8 мг-экв/дм3 включительно.
При правильном ведении водно-химического режима комплексоны способны обеспечить надежную, безаварийную и экономичную работу теплоэнергетического оборудования и тепловых сетей. Соответственно при неправильном ведении может возникнуть масса проблем. Рекомендации следующие:
- Дозировку комплексонов нужно подбирать в каждом конкретном случае на основании технологических изысканий и корректировать в ходе эксплуатации на основании регулярного мониторинга состава воды. Анализ остаточного содержания комплексонов в воде делается по фосфат-иону. Этот анализ достаточно сложен, поэтому при выборе между умягчением и комплексонной обработкой следует реально оценить свои возможности.
- В результате действия комплексонов образуется неприкипающая взвесь, вследствие чего необходимо периодически (не реже одного раза в сутки) производить «сдувки» с нижних коллекторов котлов, грязевиков и других мест, где возможен отстой взвесей при низкой циркуляции сетевой воды, до полного удаления отстоявшихся взвесей. Критерием качества продувки служит прозрачность воды из линии продувки, которая должна соответствовать карте водно-химического режима котла [5].
- Категорически не рекомендуется применять комплексоны для жаротрубных котлов, т.к. скорости движения воды в таких котлах малы, вследствие чего происходит зашламление объема котла.
- Не допускается снижение скорости протока воды через котлы ниже указанной заводом-изготовителем и работа в таких режимах по давлению и температуре, при которых возможно закипание воды в трубках котлов (с учетом неравномерности тепловой нагрузки на трубки котла).
Дозирующая техника
Неотъемлемой составной частью реагентной обработки воды является дозирующая техника. Понятие «дозирующая техника» включает в себя: собственно, дозирующие устройства; системы автоматики и управления; измерительные приборы. Существуют самые разные конструкции дозирующих устройств, из всего многообразия которых наиболее точными и управляемыми являются мембранные и плунжерные насосы-дозаторы.
Самая важная задача при создании дозирующего комплекса — это возможность управления процессом. Для этого используются контроллеры, внешние или объединенные в моноблоки с насосами-дозаторами. Современная номенклатура насосов-дозаторов, контроллеров и измерительных приборов обеспечивает надежное и высокоточное дозирование реагентов с автоматической регулировкой подачи в зависимости от самых разных параметров: расхода обрабатываемой воды, значения рН, содержания хлора, окислительно-восстановительного потенциала, электропроводности, мутности, жесткости, щелочности и др.
Существует возможность задавать самостоятельную программу дозирования, например, регулировать время работы и ожидания дозатора, устанавливать объем раствора, который необходимо отдозировать и т.д. Добавлять в воду реагенты, а особенно комплексоны, в неконтролируемом или плохо контролируемом режиме недопустимо, т.к. это может привести к аварии. Конкретный пример аварийного случая, вызванного применением дешевого дозирующего устройства, не обеспечивавшего требуемую точность дозирования комплексона, приведен в [5].
Магнитная и ультразвуковая обработка
Эффект от магнитной обработки возникает только тогда, когда в воде присутствуют ферромагнитные коллоидные частицы оксидов железа, а обработка происходит в момент пересыщения солями жесткости. Механизм магнитной обработки заключается в укрупнении магнитных частиц до размеров, больших критических для данного пересыщенного раствора, и образовании на этих затравочных кристаллах отложений солей жесткости.
Эффект зависит как от степени пересыщения раствора, так и от величины окислительновосстановительного потенциала Eh и рН среды, по которым строятся диаграммы Пурбе и определяются области существования ферромагнитных оксидов железа. Успешное применение магнитной обработки с целью предупреждения накипеобразования в теплообменных аппаратах возможно для воды с Eh < +0,1 В и значением рН > 6,8, пересыщенной по солям накипеобразователя [6].
Многочисленными исследованиями и промышленными опытами показано, что магнитная обработка подогретой пересыщенной циркуляционной воды может снизить накипеобразование на 30–50 %, при этом нередко наблюдается заметное разрыхление остаточных отложений [7]. Понятно, что магнитная обработка добавочной воды, которая не бывает пересыщенной, не может дать никакого эффекта.
Механизм ультразвуковой обработки заключается в физико-механическом воздействии ультразвуковых колебаний на существующие отложения и на центры кристаллизации труднорастворимых соединений (в пересыщенных растворах). В результате отложения отслаиваются и дезинтегрируются, а новые кристаллы образуются преимущественно в объеме воды в виде тонкодисперсного шлама.
Ультразвуковые излучатели присоединяют к поверхностям теплоэнергетического оборудования таким образом, чтобы наиболее интенсивное акустическое поле формировалось в зонах наиболее вероятного образования накипи. В каждом конкретном случае количество и расположение излучателей должны быть определены расчетом. В условиях коммунальных котельных на это полагаться не приходится, поэтому результат ультразвуковой обработки может оказаться непредсказуемым.
Общие недостатки как магнитного, так и ультразвукового метода обработки: при их применении образуется большое количество шлама (особенно при ультразвуковой обработке), который, скапливаясь в застойных зонах, способен образовывать отложения вторичной накипи в котлах и в тепловых сетях. Поэтому необходимо предусматривать надежный и своевременный отвод шлама; магнитная и ультразвуковая обработка никак не влияют на коррозионную активность воды.
При наличии очищающего эффекта интенсивность коррозии может даже возрасти, появляются условия для развития подшламовой коррозии. Таким образом, магнитная и ультразвуковая обработка не обеспечивают полной защиты теплоэнергетического оборудования и сетей, в отличие от традиционной водоподготовки. Но если водоподготовка по каким-либо причинам отсутствует, то грамотное применение этих методов вполне оправданно.
Выводы
Надежность и экономичность работы теплоэнергетического оборудования, а также состояние сетей обеспечиваются водно-химическим режимом, представляющим совокупность мероприятий, направленных на предотвращение процессов коррозии и накипеобразования. Важнейшей составной частью водно-химического режима является водоподготовка, включающая в общем виде удаление из исходной воды мешающих примесей и корректировку ее состава перед подачей в котлы.
Современный уровень водоподготовительного оборудования позволяет создавать высоконадежные установки, работающие полностью в автоматическом режиме, что особенно актуально для небольших котельных, т.к. позволяет свести к минимуму ручной труд и влияние человеческого фактора. Технология водоподготовки должна подбираться индивидуально для каждого объекта с учетом состава исходной воды, требований к питательной воде, оснащенности котельной аналитическими приборами, квалификации обслуживающего персонала и т.д.
Комплексонная обработка при строго определенных условиях позволяет исключить стадию умягчения воды и стадию удаления агрессивных газов, но этот метод требует применения хорошей дозирующей техники и высокого уровня эксплуатации котельной. Магнитная и ультразвуковая обработка не заменяют водоподготовку, но при ее отсутствии грамотное применение этих методов позволяет продлить срок службы теплоэнергетического оборудования.
