7.3. Физико-химические основы подготовки воды

Различные примеси, содержащиеся в природной воде, могут вызывать внутреннюю коррозию трубопроводов и оборудования, образование наки-пи на поверхностях нагрева котлов и теплообменных аппаратов и шлама в воде. За счет отложений уменьшается сечение трубок водонагревателей, возрастают потери давления, снижается расход воды через подогреватель, уменьшается коэффициент теплопередачи. В результате срок службы сис-тем теплоснабжения уменьшается в 2-3 раза.

Целью водоподготовки является предотвращение накипеобразования и внутренней коррозии оборудования и трубопроводов путем обеспечения нормативных показателей качества воды.

Под противонакипной обработкой воды подразумевается создание та-ких условий, при которых соли временной (карбонатной) жесткости не распадались бы в системе и не вызывали образования накипи и шлама.

Способы противонакипной обработки воды

Ионообменное умягчение

Традиционно противонакипная обработка воды на теплоисточниках производится в катионитных фильтрах с помощью технологий ионного обмена.

Исходная природная вода, осветленная и обеззараженная, пропускает-ся через катионитный фильтр (например, сульфоуголь), где вследствие хи-мических реакций происходит поглощение ионов кальция и магния. При этом из катионита выделяются ионы натрия и водорода, которые перехо-дят в воду и образуют хорошо растворимые и не образующие накипи соли натрия или серную, соляную и угольную кислоту.

В зависимости от вида обменивающегося иона различаю Na– и Н-катионирование.

При работе происходит постепенное насыщение фильтра кальцием и магнием и снижение его поглощающей способности, поэтому его перио-дически регенерируют (восстанавливают) специальными растворами. В ре-зультате регенерации ионы кальция и магния переходят в промывающий раствор и сбрасываются в канализацию, а натрий и водород входят в со-став катионита, восстанавливая его свойства.

104

Недостатками катионирования являются потребность в дорогих реа-гентах, сооружение установок для нейтрализации сточных вод и регенера-ции фильтров.

Процесс ионообменного удаления всех катионов и анионов называет-ся полным химическим обессоливанием воды

Термическое умягчение

Этот метод применим для устранения карбонатной жесткости.

Вода попадает под давление ниже давления насыщения при данном давлении, мгновенно вскипает, в результате чего выделяются соли.

При вскипании жесткость воды уменьшается на величину карбонат-ной жесткости, которую поэтому называют временной.

Умягчение методами осаждения

Снижение накипеобразующей способности воды при щелочной обра-ботке известью или одновременно известью и содой происходит за счет полного связывания свободной углекислоты и образования труднораство-римых солей кальция и магния, выделяющихся в виде твердой фазы. Последние осаждают в отстойниках и затем удаляют.

Взаимодействие извести и бикарбоната кальция протекает по реакции

Метод широко не применяется из-за большой трудоемкости, посколь-ку для его осуществления необходимо подготавливать емкости с известко-вым молоком, привозить в больших количествах известь и увозить осе-дающий мел.

Метод подкисления

Сущность противонакипной обработки подпиточной воды с помощью метода подкисления заключается в разрушении серной или соляной кисло-той карбонатной жесткости до значения менее 0,7 мг-экв/дм³ с переводом ее в некарбонатную жесткость. Из разрушенного бикарбоната кальция об-разуется свободная углекислота.

Подкисление воды практически не имеет сбросных вод на ТЭЦ, одна-ко его применение ограничено из-за высокой накипеобразующей способ-ности воды при температурах более 110-120 ^оС.

Обработка воды комплексонами

Относительно недорогим химическим способом замедления процес-сов накипеобразования является обработка воды комплексонообразующи-

105

ми соединениями: ИОМС (ингибитор отложения минеральных солей), ОЭДФ (оксиэтилидендифосфоновая кислота).

В воду дозируются реагенты, образующие с солями жесткости соеди-нения, не выпадающие в осадок и не образующие накипь.

Ультразвуковой метод

Ультразвуковая обработка заключается в том, что в воде, заполняю-щей котел или теплообменный аппарат, и в металле поверхностей нагрева с помощью специальной установки возбуждаются ультразвуковые колеба-ния, которые вызывают кристаллизацию солей и препятствуют осаждения шлама на стенках труб.

Кроме того, ультразвук оказывает разрушающее действие на ранее образовавшуюся накипь.

Образовавшийся шлам удаляется из оборудования и трубопроводов при продувках и межсезонных чистках.

Магнитный метод

• качестве противонакипной обработки воды в небольших системах теплоснабжения и горячего водоснабжения может применяться магнитная обработка воды, заключающаяся в пропуске воды через магнитное силовое поле в противонакипном магнитном устройстве. В этом случае соли, рас-творенные в воде, изменяют свою структуру и образуют высокодисперс-ную взвесь, которая не осаждается на поверхности металла и удаляется че-рез шламоотделители.

Приведенные методы позволяют снизить накипеобразующую способ-ность воды, однако в результате протекания некоторых реакций образуется свободная углекислота, являющаяся коррозионно-агрессивным газом и усиливающая интенсивность коррозии в 2-3 раза. Поэтому после противо-накипной обработки вода направляется в аппараты для противокоррозион-ной подготовки.

Способы противокоррозионной обработки воды

Основной мерой борьбы с внутренней коррозией является снижение содержания в воде агрессивных газов О₂, СО₂ и повышение рН.

Коррозионно-агрессивные газы удаляют из воды двумя способами: путем термической деаэрации (дегазации) и путем химического связыва-ния агрессивных компонентов.

106

Наиболее распространенным в настоящее время способом борьбы с аг-рессивными газами является термическая деаэрация, основанная на уда-лении их из воды вследствие уменьшения коэффициента растворимости га-зов при уменьшении давления воды или при увеличении ее температуры.

Поведение смеси газов над жидкостью описывается законом Дальто-на. Закон Дальтона гласит, что общее давление газовой или парогазовой смеси Р₀ равно сумме парциальных давлений газов и паров, составляющих смесь р₁, р₂, р₃.

Парциальное давление — давление, которое имел бы газ, если бы он занимал весь объем газовой смеси.

Кислород и диоксид углерода относятся к малорастворимым газам, поэтому их растворы в воде близки к идеальным, бесконечно разбавлен-ным. Для таких растворов при невысоких давлениях газа равновесие в сис-теме газ – жидкость описывается законом Генри, согласно которому кон-центрация растворенного в жидкости газа пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью:

pi = KгXi,

(7.12)

где p_i — парциальное давление газа над раствором, Па; X_i — мольная доля этого газа в растворе; K_г — коэффициент Генри (константа фазового рав-новесия), Па.

При повышении температуры воды до температуры насыщения, соот-ветствующей давлению в деаэраторе, парциальное давление газа над ки-пящей водой снижается до нуля, что снижает до нуля его растворимость. При достижении кипения происходит выделение образующихся в объеме жидкости газовых пузырьков.

Доведение неподвижной воды до состояния кипения еще не обеспечи-вает полного удаления растворенных в ней газов. Эффективность процесса термической деаэрации во многом зависит от времени и площади контакта фаз, увеличение которых ведет к интенсификации процесса. Увеличение поверхности контакта фаз достигается путем тонкого дробления воды на струи, пленки и капли или пропускания пара в виде мелких пузырьков че-рез слой деаэрируемой воды (барботаж).

Термические деаэраторы классифицируются по ряду признаков. В за-висимости от давления в корпусе выделяют следующие типы деаэраторов:

107

деаэраторы повышенного давления (ДП) с абсолютным рабочим давлением 0,6-1,0 МПа (6-10 кгс/см²);

деаэраторы атмосферного давления (ДА) с абсолютным рабочим давлением 0,11-0,13 МПа (1,1-1,3 кгс/см²);

деаэраторы вакуумные (ДВ) с абсолютным рабочим давлением

0,015-0,08 МПа (0,15-0,8 кгс/см²).

Особенностью вакуумных деаэраторов является возможность исполь-зования в качестве греющей среды вместо пара перегретой относительно давления в аппарате воды.

Кроме того, деаэраторы могут классифицироваться по применяемому

• них способу распределения воды в паре: пленочные, струйные, капель-ные; и пара в воде — барботажные. При применении одного из видов рас-пределения деаэратор относится к одноступенчатым, при применении од-новременно двух видов — к двухступенчатым.

На рис. 7.1 приведена схема двухступенчатого струйно-барботажного деаэратора. Потоки деаэрируемой воды подаются в колонку на верхнюю перфорированную тарелку, с которой вода струями стекает на располо-женную ниже перепускную тарелку и затем на начальный участок непро-вального барботажного листа. В струях происходят подогрев воды до тем-пературы, близкой к температуре насыщения, удаление основной массы газов и конденсация большей части пара, подводимого в деаэратор. Весь пар подается под барботажный лист. Проходя сквозь отверстия барботаж-ного листа, пар подвергает воду на нем интенсивной обработке.

выпар

вода

пар колонка

Бак-аккумулятор

деаэраированная вода

Рис. 7.1. Схема термического деаэратора

Вода проходит по барботажному листу и сливается в бак-аккумулятор, после выдержки в котором отводится из деаэратора. На бар-108

ботажном листе осуществляется догрев воды до температуры насыщения. С выпаром из деаэратора отводятся выделившиеся кислород и диоксид уг-лерода.

В результате противонакипной обработки подпиточной воды метода-ми Н-катионирования и подкисления вода обогащается значительным ко-личеством избыточного свободного диоксида углерода, которое невоз-можно удалить только в деаэраторах. Поэтому в качестве первой ступени удаления из воды СО₂ используется декарбонизация.

Схема насадочного декарбонизатора представлена на рис. 7.2. Обрабатываемая вода поступает на насадку через водораспредели-

тельное устройство, которое обычно представляет собой плиту, имеющую патрубки для слива воды в насадку и патрубки для выхода выпара (увлаж-ненного воздуха, насыщенного десорбированным из воды диоксидом угле-рода).

Обрабатываемая вода стекает по насадке сверху вниз, а навстречу ей движется нагнетаемый вентилятором воздух. За счет разности концентра-ций диоксида углерода в воде и воздухе происходит удаление из воды сво-бодной углекислоты.

Внутренняя поверхность корпуса защищается противокоррозионным покрытием. Слив воды из колонки декарбонизатора в бак декарбонизиро-ванной воды осуществляется через гидрозатвор. На выходе выпара из де-карбонизатора в верхней части колонки или снаружи на трубопроводе вы-пара устанавливаются брызгоуловители. Колонка декарбонизатора с на-садкой обычно устанавливается на баке декарбонизированной воды.

выпар

вода

насадка

_воздух вентилятор

Декарбонизированная

вода

Рис. 7.2. Схема декарбонизационной установки

109

Существующие типы декарбонизаторов классифицируются по приме-няемому в них способу распределения обрабатываемой воды в воздухе или воздуха в воде: пленочные, капельные, барботажные, пенные. Пленочные декарбонизаторы, в свою очередь, подразделяют по типу используемой для образования водяных пленок насадки: с упорядоченной деревянной хордо-вой насадкой, с неупорядоченной насадкой из керамических или стальных колец Рашига и др. Из капельных декарбонизаторов наиболее известны ва-куумно-эжекционные и распылительные аппараты.

Для полного удаления диоксида углерода в деаэраторах необходимо, чтобы остаточная концентрация углекислоты после декарбонизаторов не превышала 3 мг/дм³.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите показатели качества воды.

2. Какие существуют требования к воде для теплогенерирующих уста-новок и систем теплоснабжения.

3. Перечислите способы подготовки воды и поясните их суть.

110