Подготовка воды для котлов. Источники водоснабжения

• Название: Источники водоснабжения
• Дата: 21.03.2018
• Размер: 96.16 Kb.
• Имя файла: Подготовка воды для котлов.docx
• Тип: Документы; #39078

Источники водоснабжения. Выбор источников водоснабжения котельной установки, схему забора и транспортировки воды от источника выполняют в каждом случае, исходя из местных условий.

В котельных установках для освобождения воды от содержащихся в ней взвешенных и растворенных веществ применяют следующие методы: коагуляции, осаждения накипеобразователей химическим путем и фильтрования до поступления ее в котлы. При сравнительно мягкой воде и наличии в ней преобладающего количества взвешенных веществ ограничиваются фильтрованием ее или коагуляцией.

В мелких котельных установках при небольшом расходе пара обычно применяют внутри котловую обработку воды, а в крупных установках при значительной жесткости воды производят до котловую водоподготовку. Нормальная и бесперебойная работа котла во многом зависит от правильно выбранного способа водоподготовки.

Целесообразность того или другого способа водоумягчения может быть установлена только в зависимости от результатов химического анализа воды. Водоподготовка должна обеспечить осветление воды и удаление из нее взвешенных веществ, умягчение ее (снижение щелочности и солесодержания), а также удаление растворенных газов, в том числе кислорода и двуокиси углерода.

В воде для питания паровых котлов, забираемой из прудов, небольших озер и рек в паводковый период, содержится большое количество органических веществ, поэтому необходимо проводить коагуляцию. Процесс коагуляции заключается в том, что в воду добавляют вещества, называемые коагуляторами, с помощью которых в воде образуются легко оседающие хлопья. Коагуляторами могут служить сернокислый алюминий А1₂(SО₄)₃ или сернокислое железо FеSО₄, а также другие вещества: соли кальция, смеси фосфатов и гидроокиси кальция.

Например, при добавлении в воду сернокислого алюминия А1₂(SО₄)₃, последний вступает в химическую реакцию бикарбонатами Са(НСО₃)₂, также присутствующими в воде. Реакция протекает следующим образом:



А1₂(S0₄)₃ + 6Н₂O = 2А1(ОН)₃ + ЗН₂SO₄

и далее

Н₂SO₄ + Cа(НСО₃)₂ = CaSО₄ + 2Н₂O + 2CO₂

Умягчение воды методом осаждения накипеобразователей и заключается в создании условий, при которых образуются труднорастворимые соединения СаСО₃ и Мg(ОН)₂, выпадающие в осадок и удаляемые из воды.

В качестве осадителей применяют: негашеную (СаО) или гашеную СаОН₂ (пушонка) известь, едкий натр (каустическая сода) NаОН, углекислый натрий (кальцинированная сода) Na₂СО₃. Эти реагенты применяют каждый в отдельности и в различной комбинации. В зависимости от этого различают следующие способы обработки: известковый (реагент СаО), содоизвестковый (реагент Na₂СО₃ + СаО), едконатровый (реагент NaОН), содоедконатровый (реагент Nа₂СО₃ + NaОН), известково-едконатровый (реагент СаО + NаОН).

Известкование применяют в тех случаях, когда необходимо снизить щелочность исходной воды, хотя глубокого умягчения воды при этом не достигают.

Удаление взвешенных веществ осуществляют отстаиванием и фильтрацией воды в фильтрах (рис. 3). Фильтрующим материалом служит дробленый гравий, кварцевый песок, антрацит, мраморная крошка.



а) б)

Рис. 3. Однослойный кварцевый фильтр:

а – общий вид, б – устройство; 1 — водоподводящая труба, 2 — воронка, 3, 4, 5, б и 7 — слои кварца (размер кусочков, мм: 5-8; 0,5-1; 1-2,5; 2,5-5; 10-20), 8 - дренажное устройство, 9 — цементное покрытие, 10 — бетонная подушка

 

 

Фильтр, представляющий собой металлический бак, в котором слои антрацита чередуются со слоями гравия, снабжен дренажным устройством 8, предназначенным для равномерного распределения потока воды по площади фильтра, а также для предотвращения выноса фильтрующего материала из фильтра.

Широкое применение в котельных установках всех мощностей получил катионитовый способ умягчения воды. Водоподготовка в катионитовых установках заключается в замене при фильтрации накипеобразующих катионов кальция и магния на катионы солей, обладающих хорошей растворимостью или образующих летучие соединения.

В качестве катионитового материала на современных водоподготовительных установках используют в основном глауконит, сульфированные угли и синтетические смолы.

Наиболее распространен сульфоуголь, который получают после обработки бурого или каменного угля дымящейся серной кислотой..В настоящее время в промышленных котельных установках применяют новейший катионит — полистирольный синтетический марки КУ-2.. Обменная емкость катионитов этой марки при Nа катионировании примерно в 2 раза выше, чем у сульфоугля, и в 1,5 раза выше, чем при Н-катионировании.

В зависимости от выбранных обменных катионитов водоумягчение осуществляют тремя методами : Nа-катионированием, Nа-Н-катионированием и КН₄-катионированием (аммоний-катионированием).

Сложная формула катионитового материала, не участвующего в ионном обмене, условно обозначается буквой К. Растворенные в воде соли кальция и магния при фильтрации через катионитовый материал обменивают Са и Мg только на натриевые соли, обладающие большой растворимостью.

В процессе катионирования соли жесткости почти полностью удаляются из воды; остаточная жесткость умягченной воды может быть доведена до 0,015-0,02 мг-экв/кг.

Регенерацию Nа-катионитовых фильтров осуществляют 6 — 8% - ным раствором поваренной соли, в результате действие сульфоугля восстанавливается. Реакции идут по уравнениям:

 

CaR₂ + 2NаС1 = 2NаR + CaС1₂.

МgR₂ + 2NаС1 = 2NаR + МgС1₂.

Концентрированные водные растворы хлоридов СаС1₂ и МgС1₂ и избыток раствора соли NаС1, оставшиеся неиспользованными, удаляют промывочной водой из фильтра в дренаж: Особенностью Nа-катионирования является отсутствие солей, выпадающих в осадок.

При разложении бикарбоната натрия получается едкий натр, который дает вспенивание котловой воды и может вызвать коррозию металла котла, а двуокись углерода, остающаяся в конденсате, — коррозию конденсатопроводов.

 

Если щелочность получается больше 20%, ее можно нейтрализовать присадкой в воду сульфата аммония или нитрата натрия NаNО₃. Сульфат аммония под действием высокой температуры в котле разлагается, серная кислота нейтрализует щелочь, а аммиак уходит из котла с паром:

 

(NН₄)₂SО₄  → NН₃ + Н₂SO₄.

Чистое Na-катионирование применяют только при умягчении воды с небольшой карбонатной жесткостью.

Для умягчения воды с большой карбонатной жесткостью применяют совместное Nа-Н-катионирование. Имеется несколько схем Nа-Н-катионирования, из которых наиболее распространены две: последовательного и параллельного Nа-Н-катионирования.

По схеме последовательного Nа-Н-катионирования вода, подлежащая умягчению, сначала проходит Н-катионитовые фильтры, а затем поступает в Na-катионитовые.

По схеме параллельного Nа-Н-катионирования фильтры включают параллельно, и вода, подлежащая умягчению, проходит через них двумя параллельными потоками.

Кроме указанных схем катионирования воды существуют еще две схемы — последовательного и параллельного аммоний-катионирования (NH4 - катионирования), при которых все катионы исходной воды обмениваются в слое катионита на катион аммония по следующим уравнениям:

 

2NH₄R + СаS = СаR₂ + (NН₄)₂S;
2NH₄R + MgS = МgR₂ + (NН₄)₂S;

2NН₄R + 2NаS = 2NаR + (NН₄)₂S,

где S может обозначать SО₄, С1₂, SiО₃, (НСО₃)₂.

 

Под действием высокой температуры соль NН₄НСО₃ разлагается:

 

NН₄НСО₃ → NН₄ +Н₂O +Н₂O

Выделившиеся в процессе реакции газообразный аммиак и двуокись углерода уходят с паром.

Регенерацию NН₄-катионита производят 2 — 3%-ным раствором сульфата аммония (NН₄)₂SО₄ или 6 — 8%-ным раствором хлорида аммония (NН₄С1):

CaR + (NН₄)₂SО₄ = (NН₄)₂R + CaSO₄

MgR + (NН₄)₂SО₄ = (NН₄)₂R + MgSО₄

 

Оборудование и схемы водоподготовки методом катионирования.

Устройство Nа-катионитового фильтра первой ступени показано на рис. 4, а. Фильтр представляет собой цилиндрический сосуд со сферическими днищами. Внутри сосуда помещается слой катионита 2, вода подается в фильтр через вентиль 1 на слой фильтрующего катиона, под которым располагается дренажное устройство, состоящее из коллектора и системы трубок, присоединенных к нему. Отфильтрованная вода выходит через вентиль 4.

На рис. 4,6 показан Н-катионитовый фильтр первой ступени, представляющий собой цилиндрическую емкость со сферическими днищами, покрытую изнутри антикоррозионным защитным слоем 7 и заполненную катионитом 2. Устройство этого фильтра аналогично Nа-катионитовому.

Для приготовления раствора соли применяют специальные аппараты — солерастворители (рис. 4, в), не отличающиеся по конструкции от катионитовых фильтров. В нижней части солерастворителя помещают три слоя кварцевого песка 9, 10 и 11 различного по крупности состава, который служит для предотвращения выноса соли вместе с потоком воды. Поваренная соль загружается в аппарат через воронку 12, туда же через вентиль 1 подводится вода для раствора соли. Раствор соли выходит через трубу 14 и направляется в фильтр.

 



Использование конденсата для питания котлов.

На предприятиях и электростанциях конденсат отработавшего пара, возвращаемый от внешних потребителей, используется как составная часть питательной воды после его предварительной очистки от посторонних примесей.

При питании котлов конденсатом достигается значительная экономия топлива. Например, при возвращении в котельную 25% конденсата экономия топлива составляет примерно 2,5%, при 50 — 5%, а при 75—7,5%. Поэтому конденсат должен собираться по возможности из всех аппаратов, потребляющих пар.

 

 

Электродиализ и обратный осмос для умягчения воды.

В последнее время все шире применяются новые методы очистки воды с повышенным солесодержанием. Эти методы получили название мембранных и подразделяются на электродиализ и обратный осмос. Принцип электродиализа заключается в переносе ионов под действием постоянного электрического тока через специальные ионитные мембраны, из которых катионно-активные пропускают только катионы, анионно-активные — только анионы. В электрическом поле перенос ионов приобретает, таким образом, строго направленный характер.

На рис. 11.26 приведена принципиальная схема электродиализной установки.

 



Рис. 11.26. Схема циркуляционной электродиализной установки непрерывного действия для умягчения исходной воды.

1 - подача исходной воды; 2 — трубопровод рециркуляционной воды; 3 — отвод частично обессоленной воды; 4 — трубопровод дилюата; 5 — насос для перекачивания дилюата; 6 — бак для дилюата; 7,9 — выход дилюата из электродиализатора; 8 — электродиализатор; 10 — бак для рассола; 11 — отвод рассола; 12 — насос для перекачки рассола; 13 — трубопровод рециркуляционного рассола.

 

Если при чередующихся мембранах подавать в камеры диализатора очищаемую воду, то под действием наложенного поля ионы будут двигаться к электродам в соответствии со знаком своего заряда, в результате чего вода одних камер будет освобождаться от ионов, а в воде других камер будет происходить концентрирование ионов.

Материалом анодов электродиализных аппаратов является, как правило, платина, платинированный титан, графит; материалом катодов — нержавеющая сталь, титан, платинированный титан.

Современные многокамерные электро-диализные аппараты весьма компактны. Расстояние между мембранами в пакете составляет от 0,5 до 1,2 мм, что позволяет сохранить компактность аппарата при большом количестве мембран. По мере уменьшения расстояния между мембранами уменьшается также падение напряжения на аппарате, т.е. снижается расход электроэнергии.

Основной процесс электродиализа осложняется протеканием ряда побочных процессов — электроосмоса (переноса некоторого количества молекул воды против градиента концентрации), диффузии из рассольной в обессоливающую камеру и т. п. Эффективность основного процесса электродиализа зависит от вклада этих мешающих побочных процессов, в связи с чем ионитные электродиализныс мембраны должны обладать определенным комплексом свойств: высокой ионселективностью, высокой электропроводностью, минимальной скоростью свободной диффузии, малой осмотической проницаемостью, высокой механической и химической прочностью.

Гетерогенные мембраны МК-40 и МА-40, используемые для очистки вод электродиализом, имеют следующие характеристики: толщина мембран 0,7 мм; обменная способность 2,3—3,0 мг-экв/г; удельное поверхностное сопротивление 30 — 35 Ом-см²; некоторые показатели работы электродиализных, аппаратов с мембранами указанного типа приведены в табл. 11.25.

Производительность электролизной установки  Q_Э, л/ч, может быть вычислена по уравнению

Q_Э = I n η 10³ ¨

26,8 (So-Sd)

где I — сила тока; n — количество парных ячеек в электродиализаторе; η — выход по току; %; 26,8 — число Фарадея, А-ч/г-экв; Sо — солесодержание исходной воды мг-экв/л; S_Д — солесодержание диализата, кг-экв/л.

 

Для получения высокой степени очистки воды процесс электродиализа часто сочетают с доочисткой на ионообменных фильтрах смешанного действия.

Специфические недостатки метода очистки воды электродиализом: ограниченные сроки службы мембран, сложность их замены в существующих аппаратах, осаждение твердой фазы карбоната кальция и гидроокиси магния в прикатодном пространстве, невозможность удаления радиоизотопов в коллоидной форме.

 

Таблица. Некоторые показатели электродиализных аппаратов при очистке воды

Показатель работы	Новые мембраны			Мембраны после 2-х лет работы
Солесодержание исходной воды, г/л	8,5	8,5	85	8,5	8,5
Степень удаления солей, %	88-90	88-90	88-90	88-90	88-90
Плотность тока, А/м2	5-25	5-25	5-25	10-30	10-20
Выход по току, %	80-90	88-92	75-97	20-84	30-49
Удельный расход энергии, кВт · час/кг	0,33-0,86	0,44-0,88	0,65-1,89	1,85-2,85	2,44-2,66

 

 Метод электродиализа имеет в ряде случаев, как показывают имеющиеся технико-экономические расчеты, преимущество по сравнению с более устоявшимися методами коагуляции, осаждения, ионного обмена и т. п.

Метод обратного осмоса является перспективным для очистки вод с различным солесодержанием. Он базируется на принципе разделения двух растворов различной концентрации полупроницаемой мембраной вследствие проникновения растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор в соответствии с разностью давлений паров растворителя над ними (явление осмоса). Для «обращения» процесса, т.е. для проникновения растворителя из более концентрированного в менее концентрированный раствор, необходимо приложить давление к более концентрированному раствору, превышающее осмотическое давление.

Выбор полупроницаемых мембран во многом определяет успешную реализацию очистки воды методом обратного осмоса. Мембраны должны обладать высокой селективностью и водонепроницаемостью; эти показатели они должны сохранять в течение длительного времени.

В настоящее время наиболее широко используются мембраны на основе ацетатцеллюлозы. Эти мембраны позволяют обеспечить степень обессоливания в одной ступени, равную 85—95% при давлении 5,0 — 6,0 МПа.

Современные обратно-осмотические установки состоят из комплекса аппаратов, реализуемых в соответствии с одним из четырех конструктивных типов: фильтр-прессовый, трубчатый, со спиральной укладкой мембран и с мембранами в виде полых волокон. В этой схеме при наличии одной ступени солесодержание обессоленой воды составляет примерно 10% от солесодержания исходной воды. При добавлении второй ступени это содержание снижается примерно до 1%.

 

Пример расчета катионитового фильтра. Требуется умягчить 40 м3 воды в сутки (Q=40 м3/сутки) от начальной жесткости 6 мг-экв/л до конечной 1,2 мг-экв/л (Н=6 -1,2); емкость поглощения катионита е = 450 г-экв/м3; число циклов фильтра 1.