3. Обработка охлаждающей воды в системах оборотного водоснабжения (цветение и биообрастание, коррозия, образование отложений).

Причины и виды зарастания труб и оборудования. Понятие о стабильности воды

В процессе эксплуатации систем промышленного водоснабжения на стенках трубопроводов и оборудования образуются различные отложения, приводящие к зарастанию сечения труб, сужению водопроходных отверстий и каналов технологических установок, снижению пропускной способности и повышению гидравлического сопротивления, что приводит к нерациональным затратам энергии на транспортирование воды и может нарушить нормальные условия эксплуатации технологического оборудования. Появление отложений, как правило, связано со свойствами воды, ее химическим составом, эффективностью и качеством предварительной обработки (см. п. 7.1).

К числу наиболее существенных компонентов, определяющих химические свойства воды, относятся соединения угольной кислоты, встречающиеся в том или ином виде практически во всех природных водах. От того, в каких формах и в каких концентрациях присутствуют соединения углекислоты в той или иной воде, зависит выбор метода и режима подготовки воды.

В природных водах углекислота может содержаться в следующих основных формах:

в виде свободной углекислоты, т.е. молекулярно-раствореннсго в воде газа СО₂;

недиссоциированных молекул Н₂СО₃;

бикарбонатных ионов HCO^-;

карбонатных ионов СО_32-.

Бикарбонатные и карбонатные ионы образуются при первой и второй ступенях диссоциации угольной кислоты:

1 ступень Н₂СО₃ → H⁺ + HCO₃^-;

2 ступень HCO₃^- → Н⁺ + СО₃^2-.

Отложения на стенках труб и оборудовании могут быть:

• сплошные, равномерно уменьшающие живое сечение;

• бугристые, возникающие в виде отдельных выступов;

• донные, образующиеся в нижней части труб, каналов и технологического оборудования.

Сплошные отложения образуются при использовании воды, пересыщенной карбонатом кальция. В этом случае они состоят в основном из кристаллов карбоната кальция, прикрепляющихся к стенкам труб и оборудования. При наличии взвеси она цементируется карбонатом кальция, образуя достаточно прочные, трудноудаляемые отложения.

Бугристые отложения образуются в результате коррозии металла под действием воды и представляют собой прочные бугорки неправильной формы высотой до 20 - 30 мм, крепко сцепленные со стенкой. Значительная роль в их образовании принадлежит железобактериям, которые в процессе своей жизнедеятельности перерабатывают оксиды железа в гидроксиды железа.

Донные отложения являются следствием недостаточной очистки воды от грубой взвеси и малых скоростей движения воды, а так же результатом выпадения, уплотнения и цементирования транспортируемых водой продуктов коррозии при уменьшениях расхода.

Зарастание трубопроводов и оборудования различными отложениями, особенно карбонатом кальция, а так же интенсивность их коррозии, в значительной степени связаны с количественными соотношениями присутствующих в воде различных углекислых соединений. Воду не способствующую ни одному из этих процессов можно назвать стабильной.

Применяются два метода определения стабильности воды:

• экспериментальный,

• расчетный.

Экспериментально стабильность воды определяется в лабораторных условиях.

Расчетный метод определения стабильности воды основан на определении индекса насыщения воды карбонатом кальция (индекса Ланжелье)

J = pH-pHs^∨,

• где рН - действительная величина рН воды, определяемая ее анализом;

• pH s^∨ - ровеличина рН воды, соответствующая равновесному насыщению воды карбонатом кальция, т.е. такому, при котором вода, содержащая ионы Са²⁺ и НСО₃^- находится в состоянии углекислотного равновесия.

При рН > pH s^∨ (J > 0) вода склонна к образованию карбонатных отложений; при рН < pH s^∨ (J < 0) вода агрессивна и вызывает растворение карбонатных отложений и коррозию металлов; при рН = pH s^∨ (J = 0) вода стабильна и не склонна ни к одному из этих процессов.

Индекс Ланжелье не является количественной характеристикой агрессивных свойств воды, а является лишь качественным показателем склонности воды к тому или иному процессу. Многие показатели определяются по специальным номограммам (ТКП на водоподготовку и ТКП по ПП)

При хлорировании воды необходимо учитывать также взаимодействие хлора с гидрокарбонатами воды.

Стабилизационная обработка воды для предотвращения коррозии

Для защиты от коррозии систем производственного водоснабжения стабилизационная обработка воды предусматривается при отрицательном индексе насыщения (индексе стабильности) менее 0,3 более трех месяцев в году.

При этом применяют:

• подщелачивание известью, едким натром или содой (сода применяется при достаточном содержании ионов кальция для образования защитной пленки СаСОз);

• фильтрование через мраморную крошку (СаСО₃), полуобоженный доломит - магномассу (СаСО₃·MgO) или обоженный магнезит (MgO);

• удаление оксида углерода аэрированием.

Щелочные реагенты подают перед вторичным хлорированием воды и поступлением ее в резервуары чистой воды или, если это не мешает процессу очистки и стабилизации воды, до отстаивания или фильтров.

При этом происходят следующие реакции:

Na₂СО₃ + СО₂ + Н₂О → 2 NaHCO₃ СаО = 2СО₂ + Н₂О → Са(НСО₃)₂

При стабилизации воды методом фильтрации фильтры загружают мраморной крошкой, магномассовой или магнезитовой крошкой с частицами размером 0,5 - 3 мм. Высота загрузки принимается до 2 м, скорость фильтрации зависит от температуры, щелочности воды и концентрации агрессивной углекислоты и составляет v_ф ≤ 10-20 м/ч. Фильтры промывают водой с интенсивностью 15 л/с-м² в течение 10-15 мин или применяется водовоздушная промывка с интенсивностью подачи воздуха 20 - 25 л/с-м² в течение 5 мин, а затем водой с интенсивностью 3 -4 л/с·м² в течение 2-3 мин.

В обрабатываемой воде ограничивается содержание железа до 0,5 мг/л, приводящее при больших концентрациях к цементированию зерен загрузки. На 1 мг агрессивной окиси углерода расходуется около 2,3 мг мрамора или 1,1 мг магномассы, поэтому фильтр периодически догружают свежей загрузкой.

При необходимости одновременной стабилизации и осветления воды применяют фильтры со смешанной загрузкой, состоящей из песка и мраморной крошки или магномассы. Контроль за процессом стабилизации воды ведется по величине рН.

Стабилизация воды при отрицательном индексе насыщения может быть достигнута удалением из нее избыточной углекислоты дегазацией с применением различных типов дегазаторов (см. п. 7.3). Нагрузка на дегазатор с пластмассовой насадкой или кольцами Рашига составляет соответственно 70 и 60 м³ /м²·ч, расход воздуха 20 м³/м³ воды. При заданном остаточном содержании СО₂ в воде (3-10 мг/л) и исходной щелочности воды значение рН определяется по номограмме (см. рис. 8.3).

Степень агрессивности воды устанавливается в процессе эксплуатации. Вода может быть слабо агрессивной, что обычно соответствует солесодержанию ее S < 500 мг/л, содержанию хлоридов и сульфатов < 150 мг/л, жесткости карбонатной Ж_к > 2,5 - 3 мг-экв/л, рН до 6 - 7 и малому содержанию растворенных газов, способствующих коррозии.

Агрессивность воды возрастает при увеличении ее солесодержания, сульфатов и хлоридов, снижении карбонатной жесткости воды Ж_к < 2,5 мг-экв/л и рН < 6, при увеличении содержания кислорода более 6 мг/л и биологических обрастаниях.

Для предупреждения коррозии и защиты трубопроводов и оборудования в системах промышленного водоснабжения применяют как методы стабилизации воды, так и другие приемы:

• нанесение различных защитных покрытий с использованием традиционно применяемых для этого материалов (защитные лаки, эмали, окрашивание поверхности и др.), применение катодной защиты и т.п.;

• введение ингибиторов;

• введение фосфатов, образующих защитные пленки на катодных и анодных участках поверхности металла и тормозящих коррозионный процесс;

• введение извести для создания и поддержания защитной пленки СаСО₃;

• применение магнитной, ультразвуковой и других физических методов обработки воды.

Для повышения степени равномерности распределения защитной пленки карбоната кальция одновременно с введением щелочных реагентов предусматривается дозирование гексаметофосфата или триполифосфата натрия в количестве 0,5 - 1,5 мг/л (по Р₂O₅).

Фосфаты - гексаметофосфат натрия (Na₆P₆O₁₈) и тринатрий фосфат (Na₃PO₄ ·12H₂O) обладают поверхностно-активными свойствами и адсорбируются не только на поверхности металла, но и на поверхности зародышей кристаллов карбоната кальция в виде пленки гексаметофосфата кальция и натрия или малорастворимого ортофосфата кальция, препятствуя росту микрокристаллов, что приводит к торможению процесса

кристаллизации и образованию вместо накипи рыхлого легко удаляемого шлама.

Если щелочные реагенты не применяются, то для производственных водопроводов доза фосфатных реагентов (гексаметофосфата или три полифосфата натрия) принимается 5-10 мг/л (для хозяйственно-питьевых водопроводов < 2,5 мг/л).

При вводе в эксплуатацию новых трубопроводов для создания защитной пленки и снижения интенсивности коррозии их заполняют на 2-3 суток раствором этих реагентов с концентрацией 100мг/л, а затем доза фосфатов снижается до обычной. Схема фосфатирования оборотной воды показана на рис.8.5.

Концентрация вводимых растворов фосфатов принимается от 0,5 до 3% в расчете на товарный продукт. Они растворяются сжатым воздухом или в механических мешалках. Продолжительность растворения зависит от температуры воды (2ч при температуре воды 50°С и 4 ч при температуре 20°С). Растворно-расходные баки реагентного хозяйства выполняются с антикоррозионной защитой.

Защитное действие фосфатов ограничивается карбонатной жесткостью воды 5,5 - 6 мг-экв/л, выше которой наблюдается рост кристаллов и выпадение карбоната кальция.

Для формирования защитной пленки карбоната кальция на внутренней поверхности трубопровода в начальный период его эксплуатации предусматривается обработка воды вдвое увеличенными дозами щелочных реагентов, а в дальнейшем, для поддержания защитной пленки на 10-20 % больше, чем требуется из условия сохранения стабильности воды. Доза реагентов и продолжительность периода формирования защитной карбонатной пленки уточняются в процессе эксплуатации.

Рис.8.5 Схема фосфатирования оборотной воды: 1 - подача пара на подогрев воды или горячей воды; 2 - растворный бак; 3 - расходный бак; 4 - дозатор; 5 - циркуляционный насос; 6 - охлаждаемый агрегат; 7 - охладитель оборотной воды; 8 - резервуар охлажденной воды; 9 - подача свежей воды

Для маломинерализированных вод с содержанием кальция < 20 - 30 мг/л и щелочностью Щ = 1 - 1,5 мг-экв/л необходимость стабилизационной обработки должна быть соответствующим образом обоснована.

Стабилизационная обработка воды для предотвращения отложений карбоната кальция.

При положительном индексе насыщения (индексе стабильности) для предупреждения зарастания труб и оборудования карбонатом кальция воду стабилизируют подкислением серной или соляной кислотой, гексаметофосфатом или триполифосфатом натрия. При подкислении понижается содержание в воде гидрокарбонатов и увеличивается концентрация оксида углерода,

Кроме фосфатирования и подкисления для предотвращения карбонатных отложений применяются магнитная, ультразвуковая и другие виды стабилизационной обработки воды (см.п.9).

Цветение воды в сборном бассейне градирен и биообрастание оросителей устраняется применением слабых концентраций ядовитых веществ, например медным купоросом.В ходе введения эих веществ следует соблюдать повышенные меры безопасности.