Применение воды в промышленности. Схемы водоснабжения промышленных предприятий

Вода на промышленных предприятиях расходуется на хозяйственно-питьевые нужды работников предприятий, поливку территорий, пожаротушение и технические (производственные) нужды.

Чаще всего хозяйственно-питьевое водоснабжение предприятий обеспечивается из водопровода населенного пункта, где проживают работающие на предприятиях. Если городской водопровод обеспечивает подачу расчетного (секундного) расхода воды, то на предприятии устраивается разводящая водопроводная сеть, из которой вода подается в цеха и другие здания. Если городской водопровод не обеспечивает подачу расчетных (секундных) расходов на предприятие, а удовлетворяет только суточное водопотребление, то на предприятии устанавливаются накопительные емкости, насосная станция и разводящая водопроводная сеть.

Расходы воды на поливку территорий предприятий определяются исходя из норм расходования воды и площади поливаемых территорий. На поливку может использоваться вода из хозяйственно-питьевых водопроводов или из систем производственного водоснабжения, транспортирующих незагрязненную воду.

Расходы воды для пожаротушения на промышленных предприятиях определяются в зависимости от категории производства по пожарной опасности, степени огнестойкости и объема зданий. Подача воды на пожаротушение может осуществляться из хозяйственно-питьевых водопроводов, из систем производственного водоснабжения, транспортирующих незагрязненную воду и охватывающих всю территорию промышленного предприятия, либо из специально создаваемых систем противопожарного водоснабжения.

Технологическое (производственное) водопотребление на большинстве промышленных предприятий является основным как по количеству потребляемой воды, так и по роли воды в обеспечении основных технологических процессов. Вода используется в производстве для разнообразных целей, таких, как охлаждение оборудования и продукта, промывка продукции, получение технологических растворов, газоочистка, гидротранспорт, парообразование и др.

В процессе потребления вода может нагреваться и насыщаться разнообразными примесями.

Исходя из отмеченной ранее целесообразности и даже необходимости создания оборотных и бессточных систем производственного водоснабжения при анализе технологического водопотребления следует одновременно производить анализ водоотведения.

Все многообразие использования воды на технологические нужды можно систематизировать в ряд категорий, имеющих общие признаки и общие подходы к разработке систем водоснабжения.

Вода первой категории использования применяется в качестве теплоносителя для охлаждения оборудования и продукта в тепло-обменных аппаратах (без контакта с продуктом). В процессе потребления вода нагревается и практически не загрязняется. К этой категории использования воды относится охлаждение конденсаторов турбин в теплоэнергетике, металлургических печей в металлургии, компрессоров, холодильных машин и др.

Вода второй категории использования осуществляет поглощение и транспортирование примесей в производственных процессах без тепловыделения. При потреблении вода насыщается разнообразными примесями, но не нагревается. К этой категории использования воды относится промывка продукта и продукции, например, в текстильной промышленности, гальваническом производстве, электронике и др.

Вода третьей категории использования участвует одновременно в поглощении и транспортировании примесей и в охлаждении продукта и оборудования. В процессе потребления вода насыщается примесями и нагревается. К этой категории использования воды относится мокрая газоочистка, охлаждение прокатных станов и машин разливки стали и чугуна в металлургии и др.

Вода четвертой категории использования применяется для растворения реагентов в химической технологии, красителей в текстильной промышленности, электролитов и др. При этом образуются технологические растворы, которые в сток сливаться не должны.

Вода пятой категории использования входит в состав готовой продукции, например, в пищевой промышленности (консервы, алкогольные и безалкогольные напитки и др.). Вода этой категории непосредственно в сток не поступает.

Вода шестой категории использования применяется в качестве теплоносителя в теплоэнергетике и теплоснабжении в виде пара и перегретой воды. Такая вода после нагрева в теплогенераторах поступает в теплотехнический контур и в сток не сбрасывается.

Для разработки систем водоснабжения в качестве исходных параметров, характеризующих водопотребление, по каждому водопотребителю должны быть приведены следующие сведения:

- требования к качеству воды;

- требуемые количества воды и режим водопотребления;

- потребный напор;

- степень надежности подачи воды.

Соответственно для характеристики водоотведения должны быть известны:

- качество отработанной воды (стока);

- количество отводимой воды и режим водоотведения;

- напорные характеристики на отводе стока.

Требования к качеству воды определяются характером технологического процесса и ролью воды в его осуществлении. Даже внутри каждой категории водопотребления эти требования могут быть очень разнообразны.

Требуемая степень надежности подачи воды определяется оценкой последствий к которым могут привести нарушения в подаче воды (прекращение подачи, снижение расхода) к технологическому оборудованию. Самая высокая надежность должна быть в том случае, когда нарушения в подаче воды могут привести к катастрофическим явлениям и человеческим жертвам (например, охлаждение ядерных реакторов, доменных печей и др.).

Далее требуемая степень надежности определяется материальным ущербом, к которому может привести нарушение в подаче воды потребителям. Совершенно очевидно, что повышение надежности системы водоснабжения ведет к ее удорожанию. Сопоставление стоимости системы водоснабжения различной степени надежности с вероятным материальным ущербом при возникновении нарушения в подаче воды позволяет найти оптимальное решение в каждом конкретном случае.

По характеру использования воды в системе водоснабжения промышленного предприятия системы производственного водоснабжения подразделяются:

1. С прямоточным использованием воды (рис. 1.). При такой схеме водоснабжения вся использованная вода сбрасывается в водоем. Она может быть применена лишь в том случае, когда имеется мощный источник водоснабжения, использованная вода не требует больших затрат на очистку. Прямоточная схема водоснабжения наибольшее распространение получила в пищевой промышленности. Во вновь проектируемых промышленных предприятиях такая схема используется только при соответствующем экологическом и технико-экономическом обосновании.

 

Рисунок 1. Схема производственного водоснабжения с прямоточным использованием воды.

Wпр – потери воды в производстве; Wос – объем воды, теряемый при очистке

2. С последовательным использованием воды (рис. 2).

Рисунок 2. Схема производственного водоснабжения с последовательным использованием воды.

1. Источник водоснабжения (водоем); 2. Насосная станция первого подъема; 3. Подача технической воды; 4. Предприятие №1; 5. Предприятие №2; 6. Очистные сооружения; 7. Отвод использованной воды от предприятия №1 на предприятие №2; 8.Отвод воды на очистные сооружения; 9. Сброс очищенной воды в водоем;

Wпр1 – объем воды, который теряется на предприятии №1; Wпр2 - объем воды, который теряется на предприятии №2; Wос - объем воды, который теряется на очистных сооружениях.

При последовательном водоснабжении использованная вода в каком либо агрегате или процессе, передается для повторного использования в других производственных процессах или агрегатах без какой либо подготовки. После повторного использования вода после очистки сбрасывается в водоем или передается для повторного использования.

3.Оборотное водоснабжение (рис.3).

Рисунок 3. Схемы оборотного цикла водоснабжения: а) схема оборотного цикла водоснабжения в котором вода только нагревается; б) схема оборотного цикла водоснабжения в котором вода только загрязняется; в) схема оборотного цикла водоснабжения в котором вода нагревается и загрязняется.

1. Источник водоснабжения (водоем); 2. Насосная станция первого подъема; 3. Смесь оборотной и подпиточной воды; 4. Промышленное предприятие (цех); 5. Охладитель воды; 6. Циркуляционная насосная станция; 7. Подача воды на охладитель воды; 8. Подача воды на циркуляционную насосную станцию; 9.Подача оборотной воды; 10.Сброс продувочной воды; 11. Подача подпиточной воды; 12. Подача загрязненной воды на очистные сооружения; 13. Сброс очищенной воды в водоем; 14. Очистные сооружения; 15. Насосная станция подачи очищенной воды в охладитель; 16. Насосная станция подачи очищенной воды в оборотный цикл; Wохл – объем воды, который теряется на охладителе; Wпр - объем воды, который теряется на предприятии; Wос - объем воды, который теряется на очистных сооружениях.

 

Если в оборотном цикле вода только нагревается (рис. 3а), то воду только охлаждают в охладителе (пруд-охладитель, брызгальный бассейн, градирня и т.д.). Если в оборотном цикле вода только загрязняется (рис. 3б), то воду только очищают от полученных загрязнений в прудах-осветлителях, отстойниках, фильтрах и т. д.Если в оборотном цикле вода загрязняется и нагревается (рис. 3в), то воду сначала очищают от загрязнений, а далее очищают.

В реальных условиях при наличии различных требований к качеству используемой воды и различного качества стоков, зависящих от составов це­хов промышленного предприятия, системы оборотного водоснабжения мо­дифицируются и усложняются. Так, на рис. 4а показана схема оборотного водоснабжения при различном качестве сбросной воды в двух группах цехов, т.е. когда цехи одной группы не допускают использования воды, которую сбрасывают цехи другой группы. В этих условиях устраивают изолированные отсеки охлаждающих устройств A и Б, отдельные группы насосов на циркуляционной насосной станции и отдельные подающие водоводы для во­ды разного качества. На рис. 4б показана схема оборотного водоснабжения, при которой цехи одной группы сбрасывают воду, требующую дополни­тельного осветления в отстойниках. После охлаждения вода подается в обе группы цехов единой системой труб.

Рисунок 4. Варианты схем оборотного водоснабжения

П – производство; НС – насосная станция; ОС – сооружения по очистке сточных вод;

О – охладитель

 

Существует еще много схем оборотного водоснабжения: схемы с изменением агрегатного состояния воды, двухконтурные с использованием «захоложенной» или горячей воды, бессточные схемы и т.д.

На крупных предприятиях, занимающих большую территорию, иногда оказывается рентабельным разделение системы оборотного водоснабжения по группам цехов с устройством нескольких блоков охлаждающих сооружений и насосных станций (рис. 5). Это позволяет снизить затраты на сооружение водоводов и магистралей в пределах площадки, сократить расходы энергии на подачу воды и повысить надежность водоснабжения.

 

Рисунок 5. Схема разделения системы оборотного водоснабжения на отдельные системы по группам цехов

 

Выбор той или иной схемы водоснабжения определяется ролью воды в технологии предприятия, характером производства, видом используемого оборудования, местными условиями (наличием мощного водоема, культурой и традициями данного производства, технологической и экологической политикой как руководства предприятия так и местных властей) и т.д.

 

Требования к качеству воды, применяемой в промышленности.

Качество воды, используемой на производстве, устанавливается в зависимости от назначения воды и требований технологического процесса с учетом перерабатываемого сырья, применяемого оборудования и готового продукта производства. Вода должна быть безвредна для здоровья человека при возможном контакте с ней и не должна обладать отрицательными органолептическими свойствами при открытой системе водоснабжения. В табл. 1 приведены примерные требования к качеству воды, используемой в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Эти требования имеют условный характер, так как они в значительной степени зависят от типа теплообменного оборудования, температуры воды, температуры охлаждаемого продукта или оборудования, характера взвешенных и растворенных веществ и др.

Используемая для охлаждения жидких и конденсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах и для охлаждения оборудования вода не должна создавать механических и солевых отложений, коррозии металла и биологических обрастаний теплообменного оборудования; не должна разрушать конструктивные материалы сооружений систем водоснабжения.

Таблица 1

Примерные требования к качеству оборотной воды при использовании поверхностных и подземных источников (по А.Ф. Шабалину)

 

Показатели	Единица измерения	Вода I категории, исполь­зуемая для охлаждения оборудования и технологи­ческих продуктов в теплообменных аппаратах (через стенку)		Вода, используемая в каче­стве транспортирующей, поглощающей, экстраги­рующей и другой среды
		охлаждение без огневого нагрева по­верхностей теплообмена	охлаждение нагревом поверхно­стей тепло­обмена	II категории, без нагрева (обогащение ископаемых, гидрозолоуда­ление и др.)	III категории, с нагревом (улавливание и очистка газов, гашение кокса и др.)
1	2	3	4	5	6
Температура	° С	В зависимости от технологического процесса
Взвешенные вещества*	мг/л	до 50	до 20	при гравитации до 10000, при флотации до 200
Эфирорас-творимые	мг/л	до 20	до 10	не нормируются
Запах	балл	до 3	до 3	до 3	до 4
pH	-	6,5-8,5	6,5-8,5	не нормируется	6,5-9
Жесткость карбонатная	мг-экв/л	до 3,5	до 2,5	не нормиру­ется	при обработке газов необходима обработка оборотной воды
Щелочность общая	мг-экв/л	не более 4	не более 3	не нормиру­ется	необходима обработка воды
Общее солесодержание^**	мг/л	до 2000	до 800	не нормируются
Cl^–	мг/л	до 350	до 150	не нормируются
SO4^2-	мг/л	до 500	до 250	не нормируются
Feобщ***	мг/л	1-4	0,5-1	не нормируются
Окисляемость перманганатная	мгO/л	до 20	до 20	при грави­тации не нормируется, при флотации до 10	не нормиру­ется
ХПК	мгO/л	до 200	–	не нормируются
БПК5	мгO2/л	15-20	–	не нормируются
Биогенные элементы в добавочной воде:
– азот общий	мг/л	150	150	не нормируются
- фосфор (в пересчете на P2O5)	мг/л	5	–	не нормируются

^*   Уточняется в зависимости от скорости движения охлаждающей воды в теплообменных аппаратах и от гидравлической крупности взвешенных веществ.

^** Допустимо без применения ингибиторов коррозии.

^***             Большее содержание допустимо при отсутствии карбонатных отложений.

 

Механические отложения. Основным источником загрязнения воды грубодисперсными примесями является вода, добавляемая в системы оборотного водоснабжения для восполнения потерь воды, за счет уноса в виде капель из охладителей, испарения в охладителях, продувки и неизбежных утечек воды из системы в грунт. Другим источником загрязнения оборотной воды механическими примесями является атмосферный воздух. Оборотная вода при прохождении через градирни вымывает из воздуха в среднем 80% взвешенных веществ в виде пыли и песка минерального и органического происхождения.

Механические грубодисперсные примеси, попадающие в систему оборотного водоснабжения с добавочной водой и вымываемые из воздуха, в зависимости от их гидравлической крупности и скорости движения воды могут циркулировать в системе и частично осаждаться в резервуаре градирен или в теплообменных аппаратах. При осаждении этих примесей в теплообменных аппаратах общие коэффициенты теплопередачи этих аппаратов могут значительно понижаться. Для удаления грубодисперсных примесей из добавочной воды, как правило, применяют отстойники или осветлители и фильтры с песчаной загрузкой. При отстаивании или фильтровании в воду могут добавляться коагулянты и флокулянты.

Иногда для вывода из оборотной системы взвешенных грубодисперсных примесей применяют осветление части оборотной воды на байпасе с помощью сетчатых или беззадвижечных напорных песчаных фильтров. На осветление в таких случаях подается часть оборотной воды – 5-15%.

Практика работы систем оборотного водоснабжения показывает, что наличие в воде грубодисперсных примесей даже в больших концентрациях не всегда ухудшает работу теплообменных аппаратов. Например, в системах, подверженных биологическим обрастаниям, грубодисперсные примеси благодаря их абразивному действию иногда улучшают работу этих сооружений. При скоростях движения воды в теплообменных аппаратах, превышающих 1,5 м/с, может оказаться, что наличие достаточно высоких концентраций грубодисперсных примесей не влияет на работу теплообменных аппаратов. Поэтому вопрос о необходимости строительства специальных сооружений для вывода грубодисперсных механических примесей из охлаждающих открытых систем оборотного водоснабжения должен решаться в каждом конкретном случае на основании анализа всех факторов и, если возможно, с учетом практики эксплуатации систем, работающих в аналогичных условиях.

Солевые отложения. Солевые отложения, особенно отложения карбоната кальция, относятся к наиболее часто встречающимся в охлаждающих системах оборотного водоснабжения. Соли, присутствующие в оборотной воде, подразделяются на хорошо растворимые соли, не выпадающие в осадок и не создающие отложений, и на соли, которые из-за недостаточной растворимости или вследствие физико-химических процессов, происходящих в охлаждающих системах оборотного водоснабжения, могут выпадать в осадок и создавать отложения.

Основными ионами, которые могут приводить к отложениям минеральных солей, являются:

- анионы – бикарбонаты, карбонаты, гидроокиси, фосфаты, сульфаты, силикаты;

- катионы – кальций, магний, алюминий, железо, цинк.

Большинство этих ионов находится в подпиточной воде. Однако железо и в меньшей степени алюминий и цинк, из которых изготовлены конструктивные элементы сооружений, могут появляться в оборотной воде лишь в основном в результате их коррозии. Фосфаты и цинк, и изредка силикаты могут попасть в системы оборотного водоснабжения в составе ингибиторов коррозии металлов.

Карбонат кальция – наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений в системах – выпадает на стенки труб теплообменных аппаратов в результате нарушения углекислотного равновесия. Этот вид отложений является типичным для систем, использующих в качестве добавочной воду со значительной бикарбонатной жесткостью и щелочностью. Отложения образуются в результате распада бикарбоната при дефиците углекислоты в растворе. Соли магния встречаются реже, хотя они иногда и образуются либо в виде гидрата окиси магния (при pH > 10), либо (в редких случаях при большом содержании силикатов) в виде силиката магния. Сульфат кальция, если не принимать мер, ограничивающих его концентрацию до предела ниже его растворимости, также может явиться причинной отложений.

Фосфаты могут образовывать нерастворимые соли со всеми перечис­ленными катионами, и, чтобы избежать их выпадения необходимо регулиро­вать величину pH.

Гидроокиси металлов встречаются в отложениях редко, однако их можно найти в системах охлаждения с высокими значениями pH. Гидроокись железа образуется в результате коррозии и превращается в гидратированную окись железа или в ржавчину.

На интенсивность, с которой происходит отложение солей влияет, прежде всего величина pH, концентрация ионов, температура воды и особен­но температура поверхности труб, находящейся в контакте с водой, интен­сивность теплообмена между водой и поверхностью контакта, состав воды, способ ее обработки, конструкция теплообменного оборудования, продолжи­тельность пребывания воды в системе.

Величина pH влияет на растворимость всех упомянутых выше солей. От величины pH зависит тенденция кальция образовывать карбонаты, харак­теризуемая индексом Ланжелье (табл. 2).

У многих выпадающих из растворов солей, особенно у карбоната кальция, растворимость снижается с увеличением температуры. При этом температура поверхности металла (поверхности контакта воды с трубами) играет главную роль в скорости отложения.

Таблица 2

Характеристика воды по индексу Ланжелье

Индекс Ланжелье	Тенденция воды к образованию накипи или коррозии
+ 2	Накипеобразование и практически отсутствие коррозии
+ 0,5	Возможны незначительное накипеобразование или коррозия
0	Равновесное состояние, но возможна питтинговая коррозия
- 0,5	Возможны незначительная коррозия и отсутствие накипеобразования
- 2	Коррозионная активность

 

Предотвратить отложение карбонатных солей можно различными способами, наиболее распространенными из которых являются подкисление, рекарбонизация, фосфатирование, фосфатирование с подкислением и реа-гентное умягчение воды.

При использовании воды в качестве добавки в оборотные системы, умягченной известью или известью с содой, необходимо предусматривать корректировку pH до 7,0-7,5 подкислением. Без корректировки вода, умяг­ченная этими реагентами, может быть пересыщена карбонатом кальция, осо­бенно при низких температурах, и может иметь высокую pH = 9,5-10,0. При поступлении такой воды в теплообменные аппараты может происходить вы­падение карбоната кальция и образование отложений вследствие «доумягче-ния» воды при нагреве, так как растворимость этой соли понижается с увели­чением температуры. Вода, умягченная известью или известью с содой, практически имеет остаточную жесткость 0,5-1,0 мг-экв/л.

Коррозия. Основной причиной коррозии металлов в охлаждающей воде является наличие растворенного кислорода и углекислоты. Последняя снижает pH воды, вследствие чего происходит воздействие кислоты на ме­талл. Другими факторами, усиливающими коррозию, являются электропро­водность воды и наличие растворенных в воде таких газов, как сернистый ангидрид, аммиак, хлор и др. Эти газы могут попадать в охлаждающую воду из окружающего атмосферного воздуха в градирнях. Например, на предприятиях, использующих в топках печей тяжелое жидкое топливо, из-за выбросов в атмосферный воздух сернистого ангидрида pH воды может заметно снижаться. Утечка аммиака в охлаждающую воду в аммиачных конденсаторах при­водит к растворению его в воде и как следствие к усилению коррозии. Среди других причин, усиливающих коррозию, можно назвать отложения продуктов коррозии на стенках труб, биологические обрастания, а также в некоторых случаях накипи.

Основными физическими факторами, способствующими коррозии, являются температура, контакты различных по потенциалу металлов в вод­ной среде и твердые отложения взвешенных веществ. Твердые отложения в трубопроводах и теплообменных аппаратах образуют области, изолирован­ные от общего потока воды, и коррозия под ними может протекать за счет разного уровня аэрирования воды в основной массе потока и в слое воды под отложениями.

В нейтральной или щелочной воде коррозия может начаться в резуль­тате разрушения защитной окисной пленки на поверхности металла и разни­цы потенциала между чистым металлом и пленкой. В результате произойдет электрохимическое разрушение металла. Присутствие кислорода ускоряет этот процесс, и коррозионное воздействие усиливается за счет аэрации воды на градирнях. Биологические обрастания в системах оборотного водоснаб­жения также могут быть причиной усиления коррозии. Микроорганизмы, вы­зывающие эти обрастания, попадают в систему оборотного водоснабжения с добавочной водой или из воздуха на градирнях. Углеводороды, попадающие в воду из теплообменных аппаратов в результате утечек продукта, могут служить питательной средой, усиливающей рост бактерий.

К коррозионной группе бактерий, прежде всего, относятся сульфатре-дуцирующие. Они восстанавливают находящиеся в воде сульфаты до суль­фидов и сероводорода, особенно в таких местах, где запас кислорода в воде истощен, например, под коррозионными отложениями. Такая коррозия мо­жет быть точечного типа, причем образовавшиеся углубления в металле бы­вают заполнены мягкими дурнопахнущими сульфидами.

Некоторые виды бактерий окисляют нитриты и нитраты, которые иногда применяются в качестве ингибиторов коррозии. Железобактерии об­разуют отложения в виде окиси железа, имеющие цвет ржавчины, отложения в виде слизи или желеобразного вещества.

Предотвращение коррозии в системах оборотного водоснабжения, как правило, обеспечивается с помощью ингибиторов. Естественный процесс об­разования накипи на внутренних поверхностях труб до некоторой степени обеспечивает антикоррозионную защиту. Функция ингибитора состоит в об­разовании защитной пленки на поверхности корродирующего металла.

В качестве ингибиторов коррозии в основном применяются неоргани-

ческие ингибиторы: хроматы, фосфаты и редко силикаты и нитраты.

Биологические обрастания. Наличие биологических обрастаний в системах оборотного водоснабжения обусловлено интенсивным ростом и развитием различных форм бактерий, грибов и водорослей, попадающих из источника водоснабжения и воздуха. Бактериальные и грибковые биологиче­ские обрастания, как правило, наблюдаются в теплообменных аппаратах, об­растания водорослями - в градирнях.

Для предупреждения развития бактериальных биологических обрас­таний в теплообменных аппаратах, а также в трубопроводах рекомендуется применять хлорирование воды. Хлор вводится в оборотную воду периодиче­ски - 3-4 раза в сутки. Продолжительность хлорирования каждого периода 40-60 мин. Доза хлора должна обеспечивать содержание остаточного актив­ного хлора в оборотной воде после наиболее удаленных теплообменных ап­паратов от места ввода хлора не менее 1,0 мг/л в течение 30-40 мин.

Для удаления биологических обрастаний, а также механических от­ложений в закрытых теплообменных аппаратах в необходимых случаях мо­жет предусматриваться устройство для периодической гидропневматической промывки аппаратов или для промывки аппаратов водой или смесью воды с воздухом и с присадкой абразивных материалов (кварцевый песок, полиэти­леновая крошка). Гидропневматическая промывка осуществляется водой и воздухом в соотношении от 1:1 до 1:2.