Водно-химические характеристики природных вод

Качество воды характеризуется наличием и концентрацией содержащихся в ней примесей. При круговом движении в природе вода на своем пути поглощает газы, растворяет различные соединения, в ней находятся микро- и макроорганизмы, т.е. вода источников никогда не свободна от солей, механических и других примесей, газов и организмов. Химическое качество воды определяется ее сухим остатком, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, концентрацией водородных ионов рН, содержанием катионов, силикатов, кислорода и активного хлора. Химические свойства воды могут быть нейтральными, щелочными и кислыми.

Качество воды в ТГУ чаще всего характеризуют следующими признаками:

- общая жесткость Ж_о, карбонатная Ж_к (временная), некарбонатная Ж_нк (постоянная), мгЧэкв/кг; количество взвешенных частиц, кг/с; общее солесодержание, кг/с; содержание кремниевой кислоты, кг/с; концентрация О₂ и СО_2, кг/с; общая щелочность, мг-экв/кг.  

Общая жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней катионов кальция и магния и выражается миллиграмм-эквивалентом в 1 кг воды (мг-экв/кг). 1 мг-экв/кг соответствует содержанию 20,04 мг/кг Са²⁺или 12,16 мг/кг Mg²⁺. Карбонатная временная жесткость Ж_к определяется по содержанию в воде бикарбонатов кальция и магния, превращающихся в котле в карбонаты, выпадающие в виде шлама и накипи и дающие газ СО₂.

Некарбонатная жесткость Ж_н.к характеризуется содержанием в воде хлористых СаCl₂, MgCl₂, сернистых CaSO₄, MgSO₄ и других солей, которые при кипячении не выпадают в осадок.

Общая жесткость является суммой Ж_к и Ж_н.к.

Ж₀ = Ж_к + Ж_н.к, мг-экв/кг.                                    (3.1)

Иногда пользуются понятиями жесткости кальцевой Ж_Са и магниевой Ж_Mg, тогда

Ж₀ = Ж_Ca + Ж_Mg.                                          (3.2)

Воду считают мягкой, если ее жесткость составляет до 2 мг-экв/кг, средней – от 2 до 5 мг-экв/кг, жесткой – от 5 до 10 мг-экв/кг.

Общей щелочностью Щ_об называется суммарная концентрация гидроксильных ОН^-, карбонатных СО₃^2-, бикарбонатных (НСО₃^2-) и других анионов слабых кислот в воде, выраженных в мг-экв/кг.

Относительной щелочностью воды называют общую щелочность, мг-экв/кг, отнесенную к сухому остатку и выраженную в процентах.

3.2 Назначение водоподготовки

В производственных и отопительных ТГУ вода, поступающая из различных источников, расходуется на восполнение потерь конденсата, пара, сетевой воды и на собственные нужды котельной.

Потери воды при производстве пара происходят в пределах, собственно, ТГУ за счет расхода части пара на собственные нужды и за счет потери конденсата от потребителей из-за загрязнения.

В водогрейных ТГУ вода теряется частично из-за расхода на собственные нужды, из-за утечек в системе теплоснабжения, если эта система открытая, то к потерям добавляется расход воды из тепловых сетей на горячее водоснабжение.

Возмещение расходов пара или воды на покрытие потерь и другие нужды ТГУ осуществляют через специальные устройства, комплекс которых называют водоподготовкой.

В цикле котлоагрегатов вода на различных стадиях процесса имеет различные названия: исходная вода; добавочная подпиточная вода; питательная вода; котловая вода.

В питательную воду поступают различные примеси, что приводит к образованию отложений на поверхностях нагрева котлоагрегатов и к нарушению их нормальной работы, ухудшению качества пара и воды и к интенсивному протеканию коррозионных процессов. Поэтому для бесперебойной и экономичной работы котлоагрегата большое значение имеет правильная организация водного режима, которая обеспечивает высокую степень чистоты пара и воды, предотвращает образование отложений на поверхностях нагрева и защищает от коррозии. Добиться этого можно повышением качества питательной воды в цехе водоподготовки.

При выборе схемы водоподготовки различают докотловую и внутрикотловую обработку воды.

Предусматривается следующая схема докотловой водоподготовки в зависимости от качества исходной воды:

1. Осветление воды.

2. Снижение жесткости (умягчение воды) - метод ионного обмена.

3. Удаление из воды растворенных коррозионно-агрессивных газов (дегазация-деаэрация).

Процесс удаления грубодисперсных и коллоидных примесей называют осветлением. Его осуществляют путем фильтрования и отстаивания воды. Наиболее мелкие частицы укрупняются - коагулируются при обработке воды реагентами перед их охлаждением в механических фильтрах.

Коагулянтами служат сернокислый алюминий, железный купорос (сернокислое закисное железо) и хлорное железо.

Вода перед коагуляцией для ускорения процесса нагревается до 25-30°С. Коагулянты вызывают коррозию, поэтому оборудование требует защитных покрытий.  

Метод ионного обмена основан на способности некоторых нерастворимых в воде материалов-катионов поглощать присутствующие в воде катионы Са²⁺ и Mg²⁺, отдавая воде катионы Na⁺, H⁺ и аммония NH₄⁺, которыми предварительно насыщают материал.

В зависимости от содержания в поверхностном слое катионита того или иного обменного катиона различают Na-катионирование, H-катионирование и NH₄-Na-катионирование.

При фильтрации воды через слой катионирующего материала катионы обмениваются, вследствие чего общая Ж_о может быть снижена до 0,03…0,02 мг-экв/кг.

В процессе работы ионит насыщается поглощенными из воды ионами Ca²⁺ и Мg²⁺ и теряет свою обменную способность. При этом Ж выходящей воды повышается. Для восстановления обменной способности ионита проводится его регенерация – процесс, обратный основному.

Регенерация ионитового фильтра состоит из следующих операций:

а) взрыхление; б) сама регенерация; в) отмывка.

Внутрикотловая обработка воды основана на вводе в водяной объем котлоагрегатов веществ, которые с солями жесткости образуют малорастворимые соединения - шлам, непрерывно удаляемый из водяного объема. В котел вводят (дозируют) едкий натр NaOH (каустическую соду), которая, вступая в реакцию с бикарбонатом кальция или магния образует карбонаты Са⁺² или Мg⁺² и кальцинированную соду. Карбонаты выпадают в осадок (шлам). В дальнейшем кальцинированная сода под влиянием котловой воды восстанавливает едкий натр.

К внутрикотловой обработке воды можно отнести и магнитный метод, который основан на пересечении потока воды магнитными силовыми линиями под углом 90°С, в результате вода при последующем нагревании в котле не дает накипных отложений. Аппараты магнитной обработки воды могут быть применены при подпитке тепловых сетей, чугунных водогрейных и паровых котлоагрегатов при карбонатной жесткости 6…8 мг-экв/кг.