Лекции по Водоподготовке. Лекция Значение водоподготовки на тэс для обеспечения надежности и экономичности эксплуатации

• Название: Лекция Значение водоподготовки на тэс для обеспечения надежности и экономичности эксплуатации
• Анкор: Лекции по Водоподготовке.doc
• Дата: 26.04.2017
• Размер: 10.65 Mb.
• Имя файла: Лекции по Водоподготовке.doc
• Тип: Лекция; #5696
• страница: 2 из 7

Показатели качества чистой воды

К физико-химическим показателям качества исходной воды, влияющим на многие процессы, протекающие в водоподготовительной установке (ВПУ), относятся:

• 
  содержание взвешенных и органических веществ;
  
• 
  содержание соединений угольной кислоты;
  
• 
  жесткость;
  
• 
  содержание соединений железа, меди, кремниевой кислоты;
  
• 
  показатель концентрации водородных ионов рН;
  
• 
  общее содержание растворенных веществ.
  

1. 
   Взвешенные вещества, содержащиеся в природных водах, имеют различную степень дисперсности.
   

В технологии очистки воды степень дисперсности принято характеризовать так называемой гидравлической крупностью, т.е. скоростью осаждения частиц в непод­вижной воде при температуре 10 _.

Песок:

• 
  крупный 100 мм/с;
  
• 
  средний 50 мм/с;
  
• 
  мелкий 7 мм/с.
  

Ил 1,7 мм/с

Глина 0,005 мм/с.

Удаление взвешенных веществ достигается в процессе коагуля­ции воды. При отсутствии в схеме ВПУ стадии коагулирования в осветлительных фильтрах прямоточной схемы не происходит даже час­тичного удаления из воды веществ, находящихся в коллоидном со­стоянии.

2. 
   Состав органических веществ природных вод очень разно­образен.
   

Основную часть составляют гуминовые вещества. Обычно незначительная доля органических примесей представлена белковоподобными соединениями, углеводами и органическими кислотами. Основным источником образования органических веществ в воде по­верхностных водоемов является гумус почв и торф. Почвенный гумус обогащает воду растворимыми и коллоидными соединениями. Гуми­новые вещества образуются и в самих водоемах в результате процес­сов разложения нестойких органических веществ до более стабильных химических соединений.

Природный гумус по физико-химическим свойствам принято условно разделять на три группы:

• 
  гуминовые кислоты, которые в водоемах в основном присут­ствуют в коллоидной степени дисперсности;
  
• 
  коллоидные соединения фульвокислоты;
  
• 
  истинно растворенные фульвокислоты.
  

Элементарный состав гуминовых кислот:

• 
  углерод (52-58) %;
  
• 
  водород - (3-4) %;
  
• 
  кислород - (34-39) %.
  

Эмпиричеcкая формула_

Фульвокислоты легко растворяются в воде и щелочах. Средний элементарный состав:

• 
  углерод - 45-48 %;
  
• 
  водород - 5-6 %;
  
• 
  кислород - 43-48 %.
  

Фульвокислоты образуют с Na, К, СА, NH₄⁺ (аммоний) и _ и растворимые в воде соли, соли трехвалентных катионов малорастворимы.

Присутствие органических веществ в природных водах обуславливает их цветность, ослабление прозрачности, иногда запах, специфический привкус. Наиболее окрашенные – гуминовые кислоты, наименее окрашенные - истинно растворенные фульвокислоты.

Окисляемость природных вод обусловлена присутствием органических веществ, поэтому ее определение - один из косвенных методов контроля содержания органических веществ в воде.

Для оценки содержащихся в воде органических загрязнений внесенных промышленными стоками, в последнее время находит применение метод угольно-хлороформного экстрагирования. Воду фильтруют через колонку с активированным углем; органические загрязнения экстрагируют хлороформом.

Наименьшей окисляемостью (2 мг О₂/кг) характеризуются многие грунтовые (артезианские) воды. Окисляемостью называется расход какого-либо сильного окислителя для окисления органических примесей, которые содержатся; в одном литре воды (_ иК₂Сг₂0₇ - перманентная, бихроматная окисляемость). Окисляемость речных вод колеблется в широких пределах. Высокие значения характерны для рек, бассейны которых расположены в болотистых мест­ностях. Окисляемость поверхностных вод не является постоянной, она изменяется по сезонам года в характерных пределах для конкретного источника. Резкое повышение окисляемости воды свидетельствует о загрязнении источника промышленными и бытовыми стоками. В этом смысле окисляемость является гигиенической характеристикой воды. Органические вещества затрудняют реагентную очистку воды из-за сорбции коллоидов на частицах шламового фильтра осветлителей, препятствуя их укрупнению и осаждению. Повышенное содержание органических веществ отрицательно отражается и на работе анионитных фильтров, установок по химическому обессоливанию воды. В процессе коагулирования достигается удаление органических соеди­нений обычно не более чем на 50 - 70%.

3. 
   Водородный показатель рН:
   

_ Н₃О⁺- гидратированный протон,

_(кислотные и щелочные свойства).

Согласно закону действия масс в водных растворах произведе­ние активности ионов водорода и гидроокисла (_) является по­стоянной, носящей название ионного произведения воды _ (_):

_

Для t = 22°С _ = _{ }

Для t = 22°С pH=7

Если в системе появляются дополнительные _за счет каких-либо процессов, это приведет к _ > _и образованию кислой среды, т.е. и рН < 7, если _ > _, следовательно, рН > 7 (щелочная среда). В природных водах рН = 6,5 - 8,0.

4. 
   Соединения угольной кислоты: анионы угольной кислоты _и _ во многом определяют поведение различных примесей в природных водах и технологических процессах очистки воды.
   

В природных водах одновременно присутствуют несколько форм угольной кислоты: _

Угольная кислота диссоциирует во второй ступени:





Соотношение различных форм угольной кислоты характеризу­ется рН воды. При рН < 4 в воде практически отсутствуют _ и _ и вся кислота в форме СО₂. С увеличением рН доля СО₂ умень­шается и увеличивается доля_. При рН = 8,35 преобладают ионы _. Дальнейшее увеличение рН приводит к снижению _ и увеличению _.

5. 
   Щелочность воды (Щ) - сумма миллинормальных концентра­ций всех анионов слабых кислот и ОН" за вычетом концентрации _:
   

Щелочность воды обычно обусловлена присутствием в них би­карбонатов (Щ_б), карбонатов (Щ_к) и гуматов. Аналитическое опреде­ление щелочности выполняется титрированием пробы в присутствии индикаторов фенолфталеина, а затем метилоранжа или смешанного индикатора. Фенолфталеин при титровании щелочных вод дает пере­ход окраски от розовой к бесцветной при рН = 8,2 - 8,3; метилоранж изменяет окраску от желтой к оранжевой при рН = 4,2 - 4,4; смешанный индикатор - при рН_ 6,0.

Переход окраски фенолфталеина условно соответствует исчез­новению в растворе иона _ и углекислотные соединения при этом: _ + СО₂. Метилоранж меняет окраску, когда в воде условно исче­зают _ и остается только СO₂.

При обработке воды известью ее щелочность определяется на­личием в ней гидратов и карбонатов. Таким образом, щелочность и ее компоненты являются технологическими показателями процесса очи­стки воды.

6. 
   Жесткость воды (Ж_О) - это 1 мг-экв, соответствующий экви­валентной массе иона (Mg-20,04; Ca-12,16; Na-23,00; К-39,16_; -61,02; С1 - 35,46; _-48,00; _-62,01).
   

Общая жесткость воды ( Ж_О) определяется суммарной концен­трацией в ней катионов кальция и магния и подразделяется на карбо­натную (Ж_К) и некарбонатную (Ж_НК).

Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде би­карбонатов Са(НСО₃)₂ и Mg(HC0₃)₂ - условно считают, что если со­держание в воде ионов _ приблизительно равняется содержанию Са²⁺ и Mg²⁺ (мг-экв/кг), то Ж_К = [_]:



При t = 70 °С _Н⁺+_

Некарбонатная жесткость обусловлена наличием в воде хлори­дов, сульфатов и других некарбонатных солей Са и Mg (СаС1₂, MgCl₂, CaS0_4: MgSO₄, CaSiO₃, MgSiO₃ и др.).

Для случая _ < Ca²⁺ + Mg²⁺, Ж_НК=[Са²⁺ + Мg²⁺] - [_].

Если же содержание в воде _ > [Ca²⁺ + Mg²⁺], то карбонатная жесткость равна суммарному содержанию кальция и магния. Избыток _ обуславливается наличием в воде бикарбоната Na и Са.

Общая жесткость воды с другой стороны равна сумме концен­траций в ней Са²⁺ (кальциевая жесткость) и Mg²⁺ (магниевая жест­кость).

По величине Ж_О природные воды классифицируют:

• 
  Ж_О < 1,5 мг-экв/л — малая жесткость;
  
• 
  Ж_О = 1,5 - 3,0 мг-экв/л – средняя жесткость;
  
• 
  Ж_О = 3,0 - 6,0 мг-экв/л – повышенная жесткость;
  
• 
  Ж_О = 6,0 - 12,0 мг-экв/л – высокая жесткость;
  
• 
  Ж_О > 12,0 мг-экв/л – очень высокая жесткость.
  

Жесткость является одним из наиболее важных показателей ка­чества воды, используемым на ТЭС.

Практически во всех водоподготовительных установках ТЭС предусматривается увеличение воды Na или Н-катионированием в за­висимости от условия применения очищенной воды.

7. 
   Соединения кремниевой кислоты.
   

Кремниевая кислота попа­дает в воду при растворении различных силикатных пород. Из воды растениями поглощается около 30 - 40 мг/кг кремния, поэтому в поверхностных водах кремния меньше, чем в подземных.

Поликремниевые кислоты m*Si0₂ + n*H₂0. Соли этих кислот об­разуют ряд минералов, растворение которых природными водами дает кремнекислые соединения разного химического состава.

В связи с особенностью поведения кремниевой кислоты при вы­соких параметрах содержание ее нормируется в питательной воде котлов высокого давления. На ВПУ для котлов высокого и сверхвысо­кого давления предусматриваются схемы удаления кремнекислых со­единений.

8. 
   Удельная электрическая проводимость (_) - электрическая проводимость кубика с размером граней 1 см (чистая вода при t = 20 °C _ = 0,04 мкСм/см), которая характеризует содержание в воде иогенных примесей и, также как и ионное произведение воды _, существенно зависит от температуры.
   

В воде современных энергоблоков концентрация иогенных ес­тественных примесей (солей) мала, и обусловленная или удельная электрическая проводимость конденсата и питательной воды нахо­дится на уровне 0,1 - 0,15 мкCм/см.

9. 
   Окислительно-восстановительный (или просто окислитель­ный) потенциал среды еН.
   

Измеряют с помощью платинового электро­да по отношению к стандартному водородному электроду. Данный потенциал характеризует окислительно-восстановительное равновесие в водном теплоносителе (так же как рН характеризует кислотно-щелочное). Он является важнейшим показателем, значение которого существенно влияет на ряд процессов, в частности на режим образо­вания и растворения оксидной пленки (или железоокислых отложе­ний) при постоянном рН.
Лекция 3, 4. Основные стадии подготовки ХОВ

Предварительная очистка воды

На электростанциях предварительную очистку воды применяют для подготовки добавочной воды котлов высокого и сверхвысокого давления перед химическим обессоливанием, котлов среднего давления и испарителей перед Na-катионированием.

Предварительная очистка воды, состоящая в удалении грубодисперсных и коллоидных примесей, необходима для повышения надёжности и экономичности работы ионитной части ВПУ. Присутствие органических загрязнений в воде приводит к преждевременному «старению» анионитов, что ведет к уменьшению глубины очистки и увеличению расхода реагентов на регенерацию анионита.

В схемах очистки обычно совмещаются несколько технологических процессов:

• 
  коагулирование и осветление;
  
• 
  коагулнрование, известкование и осветление;
  
• 
  коагулирование, известкование, магнезиальное обескремнивание и осветление;
  
• 
  коагулирование, известкование, содовая обработка и осветление.
  

Целесообразность этого совмещения определяется не только экономичностью аппаратов, но и взаимным положительным влиянием процессов очистки, проводимых в одном технологическом процессе.
Коагулирование воды

Обработка воды коагулированием - добавление в воду раствора солей Fe и Al, или их смеси. Коагулирование - это процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под влиянием молекулярных сил притяжения.

Наиболее часто применяемые коагулянты:

• 
  сульфат алюминия (очищенный) - А1₂(SО₄)₃* 18H₂O
  
• 
  алюминат натрия - NaAlO₂
  
• 
  полихлорид алюминия - Аl₂(ОН)_п*С1_6-п
  
• 
  квасцы алюмокалиевые - KAl(SO₄)₂* 12Н₂О
  
• 
  хлорное железо - FеС1₃*6Н₂O
  
• 
  железный купорос - FeSO₄*7H₂O и т.д.
  

Коллоидные системы состоят из воды, являющейся дисперсной средой, и массы распределенных в ней коллоидных частиц, являющимися дисперсной фазой. Устойчивость коллоидных систем зависит абсорбционных и электрокинетических свойств коллоидных части обладающих сложной структурой (адсорбция - явление изменения содержания данного компонента в поверхностном слое по сравнению; с содержанием его во внутренних слоях). При погружении в природную воду, т.е. раствор электролита, твердого тела поверхность его выделяет или адсорбирует из него ионы. Адсорбируются обычно ионы, входящие в состав этого твердого тела. В результате поглощения ионов или выделения их в раствор поверхность тела приобретает заряд. Противоположно заряженные ионы, находящиеся растворе, собираются у его поверхности вследствие электростатического притяжения, образуя коллоидную частицу.

Тепловое движение ионов в растворе сообщает слою окружающих частицу противоионов диффузный характер (чем дальше от поверхности частицы, тем меньше концентрация избыточных против ионов).

Коллоидная частичка вместе с окружающим диффузным слоем называется мицеллой. Формула мицеллы золя гидроксида железа:

{m[Fe(OH)₃]n_,

где Fe(OH)₃ - ядро

nH⁺ - потенциально образованные ионы;

_ и _ - противоионы (образуют второй электрический слой);

_ в результате частица имеет положительный заряд;

_ образуют диффузный слой.

Рис. 3.1. Мицелла
Формула мицеллы золя, образующегося при гидролизе хлорида алюминия:

{m[Al(OH)₃]n_.

В отличие от золей коагулянтов большинство природных вод заряжено отрицательно. К таким коллоидам относятся кремнекислота и гуминовые вещества: мицелла SiO₂ имеет следующий вид:

{(Si0₂)mnSi_2(n-x)H⁺}2x H⁺

При движении коллоидных частиц некоторый слой ионов ос­тается неподвижным, связанным с их поверхностью. Часть же ио­нов диффузного слоя отрывается от частицы, при этом возникает разность потенциалов, так называемый дзета-потенциал (_-потенциал), который может рассматриваться как мера стабильности коллоидных систем. При снижении _ - потенциала уменьшается ста­бильность системы. Коагуляция коллоидных систем наступает при критическом значении _ - потенциала, когда силы отталкивания ме­жду одноименно заряженными частицами уменьшаются, частицы слипаются, увеличиваются в размерах, происходит коагуляция и образование осадка.

Коагуляция также происходит при сжатии диффузного слоя, при добавлении в раствор коагулянта. При этом расстояние между колло­идными частицами снижается.

В водоподготовке применяются следующие коагулянты: соли слабых оснований и сильных кислот (сульфаты алюминия и железа). При растворении их в воде в результате гидролиза образуются мало­растворимые основания.

Гидролиз солей алюминия, используемых в качестве коагулянта:






или суммарно:_
Степень гидролиза возрастает со снижением концентрации раствора, а также при увеличении его температуры и рН. Гидролиз алюминия - амфотерное соединение, т.е. обладает кислыми и щелочными свойствами.

Концентрация водородных ионов, при которой гидролиз алюминия имеет минимальную растворимость, находится в пределах рН = 6_ Осаждение гидроксида алюминия начинается при рН = 3 и достигает полноты при рН = 7. При дальнейшем увеличении рН осадок начинает растворяться, при рН = 9 растворение становится заметным.

Гидролиз железного купороса протекает в два этапа:





или суммарно:

Гидролиз железа происходит быстрее при рН = 5_. Таким образом, при добавлении к воде растворов в течение нескольких секунд происходит гидролиз солей железа или алюминия и образуются коллоидные частицы гидроксида этих металлов. Коллоидные примеси из воды адсорбируются на поверхности частиц гидроксидов металлов, и осаждение происходит под действием растворенных в воде электролитов.

Оптимальная доза коагулянта, при которой достигается достаточно быстрое осветление, зависит от физико-химических свойств примесей воды, а также от ее температуры. Эту дозу невозможно установить, пользуясь только данными анализа воды. Определяют ее экспериментальным методом лабораторного коагулирования. Опыты по определению оптимальной дозы коагулянта и оптимальных значений рН нужно проводить по сезонам года, чтобы иметь возможность корректировать их в зависимости от изменения состава воды.

Дни интенсивного процесса коагуляции в дополнение к основным коагулянтам применяют флокулянты, которые по химическому составу бывают: минеральные (активированная кремниевая кислота) и органические (полиакрил натрия, полиакриламид). Некоторая интенсификация процесса может быть достигнута применением окислителей: O₂, O₃, С1₂ или KMnO₄ (перманганат калия). На рис. 2.2 приведена схема осветлителя типа ЦНИН.