XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Эффективность работы теплоэнергетического оборудования и состояние тепловых сетей зависит от правильного ведения водно-химического режима и водоподготовки как его важнейшей составной части. Для котельных малой и средней мощности водоподготовка, к сожалению, далеко не всегда осуществляется на должном уровне по следующим причинам: котельные, как правило, не укомплектованы квалифицированным обслуживающим персоналом, отсутствуют необходимое приборное обеспечение и оборудование для анализа качества воды и пара, что нередко приводит к неприятным последствиям.

До некоторой степени «скомпенсировать» низкий уровень эксплуатации можно за счет внедрения современного автоматизированного водоподготовительного оборудования, ассортимент которого, как правило импортный, на рынке достаточно велик.

В остальном эта проблема имеет организационный характер. Попытки решить ее при помощи сервисного обслуживания не всегда приводят к успеху по той причине, что предприятия, осуществляющие такое обслуживание, подразумевают под сервисом проведение ежемесячного анализа и замену вышедших из строя деталей. При несоблюдении воднохимического режима котел может выйти из строя за незначительный период эксплуатации, а следовательно, сервисное обслуживание должно включать оснащение котельной приборами, обучение персонала методам проведения элементарных анализов и действиям при отклонениях качества воды от нормы.

В старых котельных, выработавших свой ресурс, проблема эксплуатации водоочистного оборудование решается просто: «старые» фильтры умягчения обычно рассчитанные на работу с сульфоуглем и с перспективой наращивания мощности, а следовательно, имеющие крупногабаритные размеры, заменяются современным менее габаритным оборудованием, которое позволяет проводить водоподготовку по полной схеме, включающую предварительную очистку и коррекционную обработку.

В общем виде водоподготовка включает следующие стадии: предварительная очистка от взвесей, коллоидов, органики, железа и т.п.; умягчение или деминерализация; удаление агрессивных газов О₂ и СО₂; коррекционная обработка.

На каждой из этих стадий допускаются определенные ошибки: предварительная очистка воды часто неэффективна или вообще отсутствует; установки умягчения/деминерализации индивидуально не рассчитываются, а подбираются по каталогам или безосновательно заменяются комплексонной обработкой (заодно компрометируется этот эффективный, при строго определенных условиях, метод) или магнитной обработкой (которая не может заменять водоподготовку); далеко не все котельные оснащены деаэраторами с отлаженным режимом работы; коррекционная обработка воды практически нигде не ведется.

Предварительная очистка воды. В качестве источников водоснабжения для котельных используются муниципальные водопроводы, артезианские скважины и водоемы. Как правило, водопроводную воду можно подавать на установку водоподготовки для подпитки котлов и теплосетей без всякой предварительной очистки. Если же используется обратный осмос или химобессоливание, то воду нужно проверять на наличие хлора: хлор разрушает обратноосмотические мембраны и аниониты. Самый надежный метод дехлорирования — это фильтрование через активированный уголь (линейная скорость — до 15 м/ч), при этом корпуса фильтров должны быть изготовлены из пластика или стали с полимерным (эпоксидным, резиновым) покрытием, поскольку даже корпуса из оцинкованной и нержавеющей стали при контакте с активированным углем подвергаются гальвано-химической коррозии (последние — по швам).

Вода из подземных источников в основном имеет повышенное содержание железа, которое также может увеличиваться в водопроводной воде вследствие коррозии труб. Максимальная концентрация железа в воде, поступающей на установку умягчения, не должна превышать 0,5 мг/л, при превышении этого значения, вследствие блокирования функциональных групп осадком окисленных форм железа, обменная емкость катионита необратимо снижается. Не смотря на наличие специальных реагентов для отмывки ионитов от железа, в конечном счете, проще наладить обезжелезивание.

В воде, поступающей на установку обратного осмоса, содержание железа не должно превышать 0,1 мг/л (в то время как питьевая норма — 0,3 мг/л). При повышенной концентрации железа на мембранах появляется осадок требующий более частой кислотной промывки, что снижает срок их службы.

Нормы содержания железа в подпиточной воде котлов и теплосетей известны специалистам, и если для водоподготовки применяется умягчение, химобессоливание или обратный осмос, то концентрация железа в очищенной воде будет стремиться к нулю. Применять вместо умягчения комплексонную обработку, при наличии в воде железа, необходимо с большой осторожностью. Предел содержания в воде железа, при котором возможна обработка воды комплексонами без умягчения, — 0,5 мг/л. При более существенной концентрации железа происходит зашламление котлов, а для жаротрубных котлов комплексонную обработку применять не рекомендуется.

Применяемые для обезжелезивания установки включают в себя систему окисления двухвалентного железа и осветлительный фильтр, загруженный фильтрующим материалом. Для окисления железа при рН ≥ 6,8 применяется компрессорная или эжекторная аэрация, при более низком рН — дозирование перманганата калия или гипохлорита натрия; хорошие результаты можно получить сочетанием аэрации и дозирования окислителя.

В качестве фильтрующей загрузки применяются инертные (антрацит, кварцевый песок, FAG) или каталитические материалы, ускоряющие процесс окисления и повышающие глубину обезжелезивания (BIRM, MTM, AMDX и др.). Загрузки должны быть фракционированными, а фильтры — иметь верхний щелевой дренаж, что позволяет предотвратить вынос загрузки при промывке и работать при высоте слоя, равной 2/3 диаметра цилиндрической части. В некоторых случаях, при загрузке в фильтры антрацита и «песка» фракциями 3–5 мм, эффективность обезжелезивания будет невелика.

При хорошей дренажной системе даже в крупные фильтры необходимо загружать песок и антрацит с размером зерен приблизительно 1 мм. Скорость прохождения воды при обезжелезивании не должна превышать 10 м/ч при инертной загрузке и 12 м/ч при каталитической загрузке. При определенном химическом составе воды скорость прохождения может быть ниже, а технология очистки — сложнее.

Перспективной для современных котельных является технология одновременного обезжелезивания и умягчения подземной воды на основе синтетического цеолита CrystalRight. Данный материал обладает высокой катионообменной емкостью (до 800 мг÷экв/л), способен удалять из воды не только катионы жесткости, но также Fe2+ и Mn2+ по ионообменному механизму, т.е. без введения окислителей.

Наличие в питательной воде котлов взвесей и органики от поверхностных источников приводит к коррозии и отложениям на поверхностях нагрева и в трубопроводах, а следовательно, органические вещества необратимо снижают обменную емкость анионитов и вызывают обрастание и деградацию обратноосмотических мембран.

Стандартная схема предварительной очистки поверхностной воды для небольших котельных включает дозирование гипохлорита натрия, коагулянта и осветлительное фильтрование в режиме контактной коагуляции. В качестве коагулянта и флокулянта используют сульфат алюминия, полиакриламид и современные реагенты. В качестве загрузки наиболее эффективен FAG, за ним следует антрацит, далее — песок мелких фракций. Слой загрузки должна быть не менее 1,2 м, а скорость фильтрования в рабочем режиме не должна превышать 4–4,5 м/ч. При увеличении высоты слоя загрузки до 2 м скорость фильтрования можно увеличить в полтора раза. Перед подачей воды на дальнейшую очистку или в котлы обязательно проводится дехлорирование.

Умягчение. В большинстве случаев подготовка подпиточной воды в котельных производится методом натрий-катионирования. Для водогрейных котельных умягчение воды осуществляется в одну ступень (до жесткости 0,1–0,2 мг÷экв/л), для паровых — в две ступени (до жесткости 0,01 мг÷экв/л). Установки с противоточной регенерацией, позволяющие достичь глубокого умягчения в одну ступень, неактуальны для небольших котельных, так как требуют очень хорошей предварительной очистки и высокого уровня эксплуатации. В состав установок умягчения входят фильтр с блоком управления, загруженный сильнокислотным катионитом в натриевой форме, а также бак для регенерационного раствора поваренной соли. Для котельных обычно применяются установки непрерывного действия, которые включают в себя не менее двух попеременно работающих фильтра, обеспечивающих постоянную подачу подпиточной воды. При наличии в котельной бака запаса очищенной воды применяются установки периодического действия, состоящие из одного фильтра, в период регенерации которого подпитка котла производится из бака запаса. Применение полностью автоматизированных установок умягчения очень актуально для небольших котельных, где проблематично найти квалифицированный обслуживающий персонал. Для регенерации ионообменной смолы в малогабаритных установках умягчения применяется таблетированная поваренная соль, которая засыпается в солевые баки установок умягчения. Эта единственная операция, проводимая вручную.

Распространенная ошибка при умягчении воды заключается в том, что установку выбирают по данным из рекламных проспектов поставщиков вместо того, чтобы рассчитывать исходя из конкретного состава воды и требуемого фильтровального цикла.

Применение углеродистой, оцинкованной и нержавеющей стали для изготовления корпусов фильтров, трубопроводов и арматуры, соприкасающихся с соленой водой, недопустимо, хотя встречается достаточно часто.

При высокой жесткости исходной воды (≥ 10–15 мг÷экв/л) и сравнительно большой потребности в подпиточной воде (начиная с нескольких кубометров в час) становится выгодным применение нанофильтрации. По аппаратурному оформлению установки нанофильтрации аналогичны установкам обратного осмоса. Единственное отличие заключается в размере пор мембран. У нанофильтрационных мембран поры более крупные, за счет чего при нанофильтрации удаляются преимущественно многовалентные ионы, к которым относятся катионы жесткости.

В ряде регионов России вода доступных источников водоснабжения имеет высокую жесткость и применение ионообменных и мембранных технологий для ее очистки становится весьма затруднительным или просто невозможным. В таких случаях хорошим выходом из положения может оказаться реагентное умягчение в вихревых реакторах. Аппараты, в которых проводятся подобные процессы, называются «спиракторами», или вихревыми реакторами и имеют высокие гидравлические нагрузки и небольшие объемы. Процесс обработки воды в вихревых реакторах продолжается 7–15 мин., выгружаемый осадок имеет влажность 15–25 % и не требует обезвоживания. В России налажено серийное производство вихревых реакторов производительностью от 10 до 100 м³/ч.

Применение вихревых реакторов перспективно для подготовки воды в системах горячего водоснабжения, поскольку обработанная вода является некоррозионноактивной (рН ˂ 9) и стабильной.

Литература

Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. WAYS OF FUEL CELLS VOLTAGE IMPROVEMENT //Электротехника, 2003 №8. С.48-54.

Skachkov Yu.V., Kolosovskii V.V., Belousov O.A. INCREASING FUEL - CELLS VOLTAGE. Russian Electrical Engineering/ 2003/ T.74. №8. С.55-58.