Водное хозяйство и водный режим паровых и водогрейных котлов.

Способы, применяемые на теплостанциях для удаления примесей из воды.

 

Примеси	Способ удаления
Механические примеси	Отстаивание, коагуляция, фильтрование
Коллоидные вещества	Коагуляция, фильтрование
Соли различных кислот	Термическое и химическое обессоливание, электродиализ, безреагентная мембранная очистка
Кремниевая кислота	обескремнивание
Растворенные газы	Термическая и химическая деаэрация
Накипеобразование	Умягчение, внутрикотловая обработка

 

* содержание щелочности обычно принимают эквивалентно карбонатной жесткости.

 

Умягчение воды.

 

Умягчение воды производят методом осаждения и методом ионного обмена.

Первый способ заключается в том, что растворенные в воде накипеобразующие катионы в результате химического взаимодействия их с реагентами, вводимыми в воду, или вследствие термического их разложения образуют новые соединения, малорастворимые в воде и поэтому выделяющиеся из нее в твердом состоянии. Образующиеся при этом вещества удаляются из воды отстаиванием и фильтрованием. Достигается это известкованием или добавлением соды.

Но этим методом не удается получить достаточно глубокого умягчения воды, поэтому в последнее время большое распространение получили методы ионного обмена, из которых наиболее распространенными являются методы натрий-катионирования и водород-катионирования.

Вода в натрий-катионитовых установках умягчается фильтрованием через слой естественного натриевого минерала (катионита).

Кальциевые или магниевые соли, содержащиеся в воде, вступают в обменные реакции с указанным минералом, замещая в нем натрий и тем самым, умягчая воду. Вместо кальциевых и магниевых солей в обрабатываемой воде образуется эквивалентное количество легко растворимых натриевых солей.

Щелочность воды при натрий-катионировании не изменяется.

В качестве катионита используют сульфоуголь.

В процессе эксплуатации катионовая масса загрязняется и уплотняется. Для очистки ее промывают обратным потоком воды. Регенерация катионита осуществляется NaCl.

Вода после регенерации и промывки сбрасывается в дренаж, загрязняя окружающую среду. Это является серьезным недостатком данной системы очистки воды.

При водород-катионировании в качестве катионита применяют сульфоуголь. В этом методе катионит регенерируется 2%-ой серной кислотой. Обычно водород-катионирование не применяют в чистом виде, а сочетают с натрий-катионированием по трем возможным схемам: параллельного, совместного или последовательного водород- натрий-катионирования.

Применяются также такие методы ионного обмена как алюминий-натрий-катионирование и натрий-хлор-катионирование.

 

Обратный осмос

Принципиальная схема возникновения обратного осмоса

1 – камера растворителя,

2 – мембрана,

3 – камера раствора.

DH – разность высоты уровней воды и раствора.

Процесс осмоса заключается в самопроизвольном переходе растворителя (чистой воды) через специальную мембрану в камеру раствора.

Равновесное состояние перехода растворителя через мембрану наступает при определенном гидростатическом давлении, равном разности уровней в камере раствора и чистой воды. Это давление называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления (МПа) зависит от концентрации солей в растворе и может быть рассчитана из выражения: P_осм = 0,082•С, где С – концентрация солей, г/л.

При создании Р > P_осм растворитель будет переходить из камеры раствора в камеру растворителя. Этот процесс называется обратным осмосом.

Основным элементом аппаратов обратного осмоса является мембрана (пористая, анизотропная, проницаемая для молекул воды и почти полностью непроницаемая для ионов растворенных веществ).

Деаэрация воды.

Заключительной стадией технологического процесса приготовления питательной воды является удаление из нее растворимых газов (кислорода, двуокиси углерода, аммиака, азота и т.д.).

Эти газы вызывают развитие химической коррозии питательных трубопроводов, поверхностей нагрева, что снижает надежность его работы. Кроме того, продукты коррозии, попадая с питательной водой в котлы, способствуют нарушению циркуляции, что приводит к пережогу труб котельного агрегата.

Скорость коррозии обычно пропорциональна концентрации газов в воде.

Для кислорода К= 0,15•С, где К – скорость коррозии, С – концентрация О₂.

На скорость коррозии сильно влияет температура воды (в закрытой системе скорость растет с повышением температуры; в открытой – максимальная скорость наступает при t = 70 ¸ 75 ⁰С).

Основным способом удаления газов из воды является термическая деаэрация. Она основана на законе растворимости газов в жидкости – закон Генри, согласно которому весовое количество газа G_г, растворенное в единице объема V воды (мг/кг), прямо пропорционально парциальному давлению Р_г в изотермических условиях.

G = y_р•Р_г,

y_р – коэффициент растворимости газа в воде, мг/кг

Р_г – парциальное давление газа над водой, МПа.

Растворимость газов при повышении температуры снижается и при 100 ⁰С почти равна 0.

Деаэраторы делятся на вакуумные, работающие при давлении 0,06 – 0,093 МПа. Они дают деаэрированную воду при t = 40 – 70 ⁰С.

Для получения деаэрированной воды с t = 95 – 100 ⁰С применяются деаэраторы атмосферного типа, а с t > 100 ⁰С – деаэраторы повышенного давления.

Схема деаэратора

1 – охладитель выпара

2 – подача ХОВ

3 – выброс пара в атмосферу

4 – трубопровод выпара

5 – вывод пара в головку деаэратора

6 – выпуск воды в гидравлический затвор

7 – гидравлический затвор

8 – выпуск лишней воды из гидравлического затвора

9 – выпуск питательной воды

10 – бак (аккумулятор)

11 – водоуказательное стекло.

В головке деаэратора вода, идущая от охладителя выпара, попадя на распределительные тарелку, разбивается на равномерные струи.

Пар вводится снизу под водяную завесу, образующуюся при стекании воды, и, расходясь по всему сечению колонки, поднимается вверх, нагревая питательную воду до 104 ⁰С (при избыточном давлении в деаэраторе 0,02 МПа). При этом воздух выделяется из воды и вместе с несконденсировавшимся паром уходит через трубу 4, расположенную в верхней части головки деаэратора.

Освобожденная от газов и подогретая вода стекает в бак-аккумулятор, а оттуда подается в парогенератор.

 

Сушка топлива

В состав топлива входит C^P + H^P + S^P + O^P +M^P + A^P + W^P = 100%.

W^P = W_внутр. + W_внешн.

W_внутр. = W_{гидратная} + W_{коллоидная}

W_{гидратная} – связана с примесями (чаще всего глиной)

W_{коллоидная} – связана с самим угольным веществом

W_внутр – выводится при t ≥ 105 ⁰C

W_{гидратная} – при t > 150 ⁰С и полностью при t = 600 ⁰C.

Глина как примесь делает топливо пластичным, что ухудшает размолоспособность. Для улучшения размолоспособности топливо подсушивают, глина делается хрупкой. Подсушивать топливо следует до определенной температуры. При недостаточной температуре подсушки топливо плохо размалывается и плохо воспламеняется, а также утрачивает сыпучесть; при пересушке топлива (кроме антрацита и полуантрацита) возникает опасность самовозгорания и взрыва пыли.

Нижний предел температуры при сушке топлива должен быть не ниже 50 – 60 ⁰C, а верхний предел не должен превышать для тощих углей 130 ⁰C, а для прочих топлив (кроме антрацита и полуантрацита) 70 – 80 ⁰C.

В установках с молотковыми мельницами верхний предел температур составляет при размоле каменных углей 130 ⁰C, бурых 100 ⁰C, торфа и сланцев 80 ⁰C.

Приготовление пыли может производиться по замкнутой и разомкнутой схемам движения сушильных газов.

В замкнутой схеме сушильные газы (горячий воздух, топочные газы), пройдя систему пылеприготовления вместе с водяными парами, сбрасываются в котел.

При разомкнутой схеме сушильные газы вместе с водяными парами сбрасываются в атмосферу.

Наиболее простыми являются замкнутые схемы пылеприготовления с прямым вдуванием. В них пыль из мельницы подается непосредственно в горелки котла.

В этих схемах в основном используют молотковые, среднеходные мельницы и мельницы-вентиляторы.

Основными элементами пылесистем угольных дробилок, мельниц и конвекторов являются сепараторы, затворы, мешалки, питатели, для подачи угля или угольной пыли, пылепроводы.

Сепараторы служат для отделения из пылевоздушной смеси с различным фракционным составом мелких фракций от крупных. Сепараторы бывают центробежными и инерционными.

Для подачи определенного количества пыли из бункера в горелки котла используются различные типы питателей пыли (шнековые и лопастные).

 

Водное хозяйство и водный режим паровых и водогрейных котлов.

Правильная организация водяного режима котла имеет очень большое значение для его бесперебойной и экономичной работы.

Наличие примесей в воде (питательной) приводит к образованию отложений на поверхности нагрева котлов и к разрушению их нормальной работы, ухудшению качества пара и воды и к интенсивному протеканию коррозионных процессов, могущих в сравнительно короткое время вывести из строя оборудование.

Вода, получаемая из источника водоснабжения, проходит систему предварительного подогрева, очистки от механических и растворенных химических и газообразных примесей, направляется в котел и затем в виде пара (насыщенного или перегретого) или горячей воды поступает потребителю.

В цикле котлоагрегата вода на различных стадиях процесса имеет различные названия:

1) исходная вода, получаемая непосредственно из источников водоснабжения (река, водопровод, артезианская скважина) и подвергаемая дальнейшей обработке.

2) добавочная подпиточная вода – специально приготавливаемая в установках химической очистки воды и предназначенная для питания котла дополнительно к возвращаемому конденсату.

3) питательная вода – подаваемая питательными насосами, она является смесью возвращаемого конденсата и подпиточных вод.

4) котловая вода – вода, циркулирующая в контуре котла.

 

Природные воды содержат нерастворимые (механические) примеси в виде ила, песка, глины, микроорганизмов; коллоидно-растворенные вещества и различные растворенные соли и газы.

Поэтому без предварительной очистки они не пригодны для питания паровых и водогрейных котлов. Это связано с тем, что песок, глина, ил могут оседать в трубах поверхностей нагрева в виде шлака и грязи и приводить к закупорке и пережогу кипятильных труб.

Растворимые в воде примеси образуют в процессе работ котла на внутренних стенках труб отложения (накипь), которые проводят тепло в 80 – 100 раз хуже стали, что ухудшает теплообмен и вызывает пережог топлива на 5 – 8 %, а при толщине отложений около 1мм вызывает значительное повышение температуры наружной стенки трубы, что может привести к перегреву, образованию вспучин и разрывов капиллярных труб.

Растворимые в воде газы (кислород, углекислый газ) вызывают коррозию внутренних поверхностей нагрева, возрастающую с увеличением рабочего давления.

Качество исходной подпиточной, питательной и котловой воды характеризуется: количеством взвешенных частиц, сухим остатком, общим солесодержанием, жесткостью, щелочностью, содержанием кремниевой кислоты, концентрацией водородных ионов, содержанием коррозионно-активных газов.

К взвешенным частицам относятся механические примеси, удаляемые из воды путем фильтрования, количество их выражается в мг/кг.

Сухой остаток – получается испарением отфильтрованной воды при T=378-383 ⁰К. он указывает на количество растворенных в воде веществ и измеряется также в мг/кг.

Окисляемость характеризуется содержанием в воде органических веществ и расходом окислителя (марганцовокислого калия KMnO₄) на разрушение органических веществ при анализе воды. Органические вещества, попадающие в воду, вспенивают ее и ухудшают качество пара.

На жесткость воды влияет суммарное содержание солей кальция и магния в воде, являющихся накипеобразователями.

Различают общую жесткость Ж_о, характеризуемую содержанием всех солей кальция и магния (хлоридов, сульфатов, бикарбонатов, нитратов, силикатов).

Карбонатную (временную) жесткость Ж_к, обусловленную наличием бикарбонатов кальция и магния, разлагающихся при нагревании и кипячении с выделением рыхлых осадков (шлема), оседающих в нижних частях парогенератора и удаляемых при периодической продувке.

Некарбонатную (постоянную) жесткость Ж_нк, обусловленную присутствием в воде всех остальных солей кальция магния.

Общая жесткость это сумма карбонатной и некарбонатной жесткости Ж_к + Ж_нк =Ж_о. единица измерения жесткости - мг×экв./кг.

Щелочность характеризуется концентрацией в воде гидроксильных OH^-, бикарбонатных , карбонатных , силикатных , и ионов, а также солей некоторых слабых органических кислот, называемых гуматами.

Щелочность бывает: карбонатная, бикарбонатная, гидратная и общая. Щ_общ = Щ_к + Щ_б + Щ_г

Среда: при рН®0 – кислая; при рН=7 – нейтральная; при рН®14 – щелочная.

Кремнесодержание характеризуется концентрацией в воде различных соединений кремния, находящихся в молекулярной или коллоидной форме, и условно пересчитывается на SiO₂ (мг/кг).

Содержание растворенных газов (O₂, N₂, CO₂, иногда H₂), в основном определяет коррозионные свойства воды.

Таким образом, обработка воды в общем случае предусматривает:

1) удаление взвешенных частиц

2) снижение жесткости

3) поддерживание определенной величины щелочности

4) снижение общего солесодержания

5) удаление коррозионно-активных газов.