Надежность работы систем теплофикации и технология обработки подпиточной воды

При больших объемах очищаемой воды, составляющих несколько тысяч м³/ч, очистка воды представляет серьезную экологическую и техническую проблему. Так, при подготовке воды методом умягчения, при жесткости исходной воды 7 мг÷экв/л и расходе умягченной воды 1000 т/ч только расход поваренной соли на регенерацию фильтров составляет 29 т/сут. Примерно такое же количество засоленных стоков (в пересчете на твердые соли) поступает в поверхностные водоемы, вызывая их засоление.

Интенсивность накипеобразования на греющих поверхностях нагрева зависит от жесткости и щелочности очищенной воды в зоне нагрева. При щелочности нагреваемой воды 1,3–1,4 мг÷экв/л и продолжительности нагрева 40–60 с (характерной для водогрейных котлов) интенсивность накипеобразования при температуре подогрева до 130–150 °С столь значительна, что в течение отопительного сезона на каждом квадратном метре поверхности труб в котле отлагается около 2 кг отложений.

Для тех же температур и качества воды для сетевых подогревателей, в которых продолжительность нагрева не превышает 5 с, интенсивность отложений такова, что аналогичная масса отложений карбоната кальция (2 кг/м²) образуется после 6– 7-летнего периода эксплуатации. Учитывая изложенное, С.П. Высоцким для теплофикационных систем предлагается двухконтурная схема подогрева воды в водогрейных котлах и подогревателях [1].

При этой схеме подогрева, показанной на рис. 1, в первом контуре циркулирует хорошо очищенная до малой жесткости вода, а подпиточная вода во второй контур очищается до более низких кондиций. При этом, например, при подогреве сетевой воды до температуры 100 °С в водогрейных котлах карбонатный индекс подпиточной воды на должен превышать 2 (мг÷экв/кг)², а при подогреве в сетевых подогревателях ≈ 3,4 (мг÷экв/кг)².

При таких параметрах в 1,7–2,5 раза может быть ухудшено качество воды, в такое же количество раз уменьшена производительность водоподговительной установки или принята упрощенная технология очистки воды (например, методом подкисления). Учитывая весьма незначительные потери воды в первом контуре, применение двухконтурного подогрева воды и упрощенная технология обработки воды во втором контуре позволяет существенно снизить затраты на реагенты и уменьшить загрязнение окружающей среды.

В качестве подогревателей в системе подогрева воды были использованы пластинчатые подогреватели «Альфа Лаваль». Следует отметить, что при использовании систем очистки воды необходимо удалять из воды только те соединения, которые создают проблемы: накипеобразования, коррозии, гигиенические и др. При существующей схеме обработки воды методом умягчения исходной воды удаляется магний, который не создает каких-либо проблем с накипеобразованием.

Однако его удаление создает дополнительные экологические проблемы со сбором засоленных стоков. При умягчении совершенно не удаляются бикарбонат-ионы, которые создают коррозионные проблемы, а также увеличивают вероятность карбонат-кальциевого накипеобразования за счет возникновения карбонат-ионов при гидролизе бикарбоната натрия и проскоке ионов кальция в фильтрат. Влияние отдельных параметров на интенсивность накипеобразования было показано в [7].

Однако при этом требуется уточнение влияния степени гидролиза соединений гидрокарбонатов, механизмы процессов переноса к поверхностям нагрева и влияние изменения произведений растворимости карбоната кальция и гипса. В водном растворе устанавливается равновесие между тремя соединениями угольной кислоты СО₂, СаСО₃ и Са(НСО₃)₂ водородными и гидроксильными ионами.

В карбонатно-бикарбонатном равновесии можно рассматривать взаимодействие отдельных компонентов в трех фазах: 1 — газообразной, характеризуемой отдельным парциальным давлением СО₂ в газах, контактирующих с жидкой фазой, 2 — жидкой, в которой СО₂ абсорбируется с газовой фазы и карбонаты, растворяясь, переходят в жидкую фазу, 3 — твердой фазы, в которой происходит образование новых кристаллов карбоната кальция или растворение в результате описанных выше процессов.

Указанные равновесия можно представить схемой (рис. 2). Изменения в системе в результате перехода растворенной угольной кислоты в газовую фазу, например, при изменении температуры жидкости и парциального давления угольной кислоты в результате гидролиза бикарбонат-ионов сопровождается тремя ступенями перестройки системы:

1. СО₂ переходит из раствора в газовую фазу.
2. Изменяется ионное равновесие в жидкой фазе, сопровождаемое изменением рН и концентрации карбонат-ионов. В результате произведения концентраций ионов кальция и карбонатов превышает произведение растворимости карбоната кальция.
3. Происходит перенос вещества с жидкой фазы в твердую, в результате увеличивается размер уже образованных кристаллов или появляются новые кристаллы.

На интенсивность накипеобразования влияет концентрация карбонат ионов, появляющихся при гидролизе бикарбонат-ионов. Исследование изменения степени гидролиза бикарбоната натрия показало, что на степень гидролиза β влияет длительность нагрева воды и температура (рис. 3). Учитывая то, что процесс кристаллизации протекает из пересыщенных растворов с определенным индукционным периодом, очевидно, что время пребывания в зоне нагрева должно быть меньше индукционного периода. В [8] была найдена эмпирическая зависимость индукционного периода от активности ионов для гипса:

Обработка экспериментальных данных с применением Компертц-уравнения показала, что:

При подогреве исходной воды, поступающей в котлы и подогреватели, возможно возникновение различных видов накипей. При этом соединения будут осаждаться на поверхностях нагрева в определенной последовательности, которую можно выявить исходя из их произведений растворимости (табл. 1). Математическая обработка эксперементальных данных, для двух наиболее представительных с точки зрения накипеобразования солей карбоната кальция и сульфата кальция (ангидрита), позволила установить следующие зависимости произведений их растворимости от температуры (рис. 4):

1. для CaSO₄:

2. Для CaSO₃:

Соотношение концентраций (формула) (формула) Ca²⁺, Mg²⁺ в растворе, при которых начинают откладываться соединения, указанные в таблице, характеризуется следующим.

1. Вероятность выпадения в осадок гипса при подогреве воды до 100 °С:

следовательно, гипс выпадет в осадок, если концентрация (формула) больше концентрации (формула) в 21300 раз.

2. Вероятность выпадения в осадок карбоната магния:

следовательно, карбонат магния выпадет в осадок, если концентрация Mg²⁺ больше концентрации Ca²⁺ в 208,5 раз.

3. Вероятность образования осадка гидроксида магния существует при подпитке систем теплоснабжения осветленной водой, прошедшей стадии известкования и фильтрации на механических фильтрах. При этом содержание гидроксил-ионов и карбонат-ионов в осветленной воде равны, соответственно, 0,2 и 0,6 мг÷экв/л (0,2 и 0,3 мг÷ион/л). Следовательно, опасность выпадения гидроксида магния на теплопередающих поверхностях появляется при концентрации магния:

Получение такой концентрации магния после осветлителя в практических условиях почти невероятно. Поэтому для предотвращения выпадения гидроксида магния необходимо осуществлять обработку воды в осветлителе в бикарбонатном режиме с нульгидратной щелочностью воды или осуществлять подкисление воды. Кроме указанных факторов интенсивность накипеобразования зависит от температуры теплопередающей стенки и скорости жидкости.

Последняя определяет интенсивность доставки накипеобразователей к теплопередающей поверхности и время пребывания накипеобразователей в зоне нагрева. Мы составили математическую модель процесса накипеобразования и обработали экспериментальные данные, полученные во Всероссийском техническом институте и Московском энергетическом институте [7]. На рис. 5 показана зависимость интенсивности накипеобразования от скорости потока и температуры стенки. Эта зависимость выражается формулой:

где V — скорость потока, м/с; t — температура стенки, °С. Коэффициент корреляции для 1 составляет R² = 0,998, для 2 — R² = 0,983, для 3 — R² = 0,994. Таким образом, основным накипеобразующим компонентом в теплофикационных системах является карбонат кальция. Наибольшая опасность накипеобразования проявится при низких скоростях теплоносителя. При этом изменение температуры греющей стенки от 60 до 90 °С увеличивает интенсивность отложения солей примерно в 13 раз.

Для предотвращения накипеобразования в мировой практике начали широко применять определенные органические фосфорные соединения, использование которых в малых дозах может предотвратить отложение карбоната кальция на стенках трубопроводов [11, 12, 13]. Этими соединениями являются соли эминоэтиленфосфоновой кислоты. Аминоэтиленфосфонаты, более устойчивые к гидролизу по сравнению с полифосфатами, практически не образуют ионов фосфатов в воде.

Аминоэтиленфосфонаты имеют полимерную структуру и ингибируют образование отложений за счет порогового эффекта, увеличивая энергетический барьер реакции взаимодействия кальция и карбонат-ионов. Структуру соединений фосфоновых кислот можно представить в виде, представленным рис. 6. Индекс М представляет собой ионы водорода или металла или комбинацию этих катионов. При n = 0 структура представляет собой моноаминоэтиленфосфат, n = 1 — диаминоэтиленфосфонат и n = 2 — триаминоэтиленфосфонат.

Выводы

1. Применение двухконтурных систем подогрева воды позволяет повысить надежность работы теплофикационных систем, сократить потребление реагентов на регенерацию фильтров и сбросы засоленных стоков в поверхностные водоемы.
2. Применение традиционных систем подготовки воды для тепловых сетей методом умягчения в натрий-катионитных фильтрах сопряжено с потреблением значительного количества поваренной соли и сбросом больших объемов засоленных стоков в поверхностные водоемы.
3. Использование технологии обработки воды в водород-катионитных фильтрах, загруженных слабокислотным катионом, позволяет существенно снизить потребление реагентов, объем сбрасываемых стоков и повысить надежность работы водоподготовительного оборудования.
4. Рассмотрены основные факторы, влияющие на интенсивность накипеобразования при подогреве воды для тепловых сетей.
5. Выведены уравнения, которые с высокой надежностью описывают изменение произведения растворимости карбоната кальция и ангидрита в зависимости от температуры теплоносителя, степень разложения бикарбоната натрия в зависимости от температуры и длительности нагрева, а также влияние температуры теплопередающей стенки и скорости потока на интенсивность отложения карбоната кальция.