Г.И. Малахов, инженер, И.И. Боровкова, канд. техн. наук, ЗАО НИСКО ИНАКВА – ОАО «Инженерный центр ЕЭС – филиал «Институт Теплоэлектропроект»
Основные требования, предъявляемые к подготовке добавочной (подпиточной) воды в теплосеть, традиционно ограничивались обеспечением условий предотвращения процессов накипеобразования и коррозии в системе теплоснабжения. В связи с переходом к рыночной экономике и ужесточением требований к защите водоемов от солевых сбросов возникла также необходимость в учете экономических и экологических факторов
На многих ТЭС и в котельных для подготовки подпиточной воды теплосети применяются схемы известкования с коагуляцией (или «чистой» коагуляцией) с последующим Na-катионированием либо Н-катионированием с «голодной» регенерацией, реже – схемы Na-катионирования с подкислением (1). В этих схемах с одной стороны имеет место неоправданное завышение качества подпиточной воды против нормативного, а с другой — значительные расходы товарных реагентов (MaCl, H2SO4) и соответственно солевые сбросы. Недостатком схемы с подкислением является дозирование серной кислоты непосредственно в добавочную воду, что нежелательно в связи с опасностью перекисления воды, а также с увеличением содержания в ней сульфатов. Недостатком схемы с использованием Н-катионирования является ее усложнение в связи с установкой Н-фильтров, применение серной кислоты для их регенерации и, как следствие, появление минерализованных стоков. Общим недостатком указанных схем является неоправданное катионирование всего объема добавочной воды системы теплоснабжения, наличие минерализованных стоков и невозможность регулирования значения карбонатного индекса в зависимости от изменения температуры нагрева и изменения состава исходной воды.
Более совершенной в экологическом отношении является схема подготовки добавочной воды теплосети, включающая известкование с коагуляцией в осветлителях, дополнительное осветление на фильтрах с зернистой загрузкой, подкисление осветленной воды и декарбонизацию [1]. Однако эта схема не всегда обеспечивает требуемое качество воды по карбонатному индексу при повышенных температурах нагрева сетевой воды и также не позволяет регулировать значения карбонатного индекса добавочной воды.
Установленные нормы качества подпиточной воды теплосети существенно дифференцированы в зависимости от температуры нагрева сетевой воды, вида теплофикационной системы (закрытая, открытая) и характеристики водогрейного оборудования (пиковый котел, бойлер). Это позволяет существенно скорректировать известные схемы водоподготовительных установок (ВПУ) подпитки теплосети и в то же время повысить их технико-экономические и экологические показатели.
Как известно, минимальные нормативные значения карбонатного индекса (Ик) добавочной воды теплосети составляют:
- 0,5 и 0,8 (мг-экв/дм3)2 соответственно для закрытой и открытой систем теплоснабжения с водогрейными котлами при температурах нагрева сетевой воды 141-150°С;
- 0,5 и 1,0 (мг-экв/дм3)2 соответственно для закрытой и открытой систем теплоснабжения с сетевыми подогревателями при температурах нагрева сетевой воды 151-200 °С.
Максимальные нормативные значения Ик добавочной воды теплосети составляют:
- 3,0 и 3,2 (мг-экв/дм3)2 соответственно для закрытой и открытой систем теплоснабжения с водогрейными котлами при температурах нагрева сетевой воды 70-100 °С;
- 3,5 и 4,0 (мг-экв/дм3)2 соответственно для закрытой и открытой систем теплоснабжения с сетевыми подогревателями при температурах нагрева сетевой воды 70-100°С.
Кроме того, значение рН добавочной воды для открытых систем теплоснабжения должно составлять 8,3-9,0, а для закрытых — 8,3-9,5. Верхний предел значений рН допускается только при глубоком умягчении воды, нижний — может корректироваться в зависимости от интенсивности коррозионных явлений в оборудовании и трубопроводах систем теплоснабжения. Качество добавочной воды открытых систем теплоснабжения должно удовлетворять также требованиям государственного стандарта к питьевой воде (СанПиН 2.1.4.1074-01), согласно которому величина рН должна быть в пределах 6,0-9,0.
Как известно, значения карбонатного индекса известково-коагулированной воды составляют 0,4-1,8 (мг-экв/дм3)2, т. е. близки к указанным выше минимальным нормативным значениям. Из этого следует технологическая необоснованность Na-катионирования осветленной воды после известкования с коагуляцией либо применение. Na-катионирования для умягчения весьма небольшой доли добавочной воды теплосети.
Исходя из изложенного, предлагаются два варианта схемы подготовки добавочной воды теплосети [2]. Первая схема предусматривает обработку воды в осветлителях известкованием с коагуляцией, осветление на механических фильтрах и стабилизационную обработку в аэраторе. Последняя стадия обусловлена тем, что осветленная вода после известкования характеризуется присутствием накипеобразователей СаСО3 и Mg(OH)2
Поэтому для достижения стабильности и получения требуемых значений рН в диапазоне 8,3-9,5 требуется нейтрализация гидроокисей и перевод части карбонатных соединений в бикарбонатные согласно следующим реакциям:
То есть, в отличие от традиционного подкисления, при котором обеспечивается дополнительное снижение щелочности (декарбонизация), в данном случае достаточно обеспечить лишь карбонизацию. Соответственно, в предлага емой схеме вместо установки декарбонизации (удаления свободной углекислоты) предусмотрена установка рекарбонизации (насыщения воды углекислотой, содержащейся в воздухе).
Во второй схеме предусматривается умягчение части осветленной воды на Na-катионитных фильтрах, установленных перед или параллельно установке рекарбонизации воды воздухом или углекислотой. Низкое содержание в воздухе СО2 ~0,6 % требовало выявления всех факторов, способствующих повышению эффективности поглощения СО2.
Проведенные на опытной установке исследования позволили определить оптимальные параметры аэрокарбонизации: высота слоя воды — 100-120 см, скорость пропускания воздуха — 20-30 м/ч, температура воды — 20-30 °С. При этих параметрах необходимый удельный расход воздуха на стабилизационную обработку известково-коагулированной воды будет в пределах 20-30 м3.
Следовательно, необходимая эффективность карбонизации может быть достигнута в стандартных декарбонизаторах с подачей воздуха в деаэрационную колонну и в бак карбонизованной воды. На рис. 1 изображена схема подготовки добавочной воды для теплосети согласно первому варианту; на рис. 2(а) — такая же схема по второму варианту с последовательным соединением установок Na-катионирования и рекарбонизации; на рис. 2(6) — схема по второму варианту с параллельным соединением установок Na-катионирования и рекарбонизации.
В обоих вариантах соотношение потоков осветленной воды, направляемой через установку рекарбонизации и байпас (рис. 1) или направляемых через установку Na-катионирования и байпас (рис. 2) зависит от качества осветленной воды (содержания, кальциевой жесткости и щелочности) и температуры нагрева сетевой воды. Это соотношение также может изменяться в широких пределах в зависимости от конкретных условий: типа водогрейного оборудования (котлы или бойлеры) и вида теплосети (открытая или закрытая), для котoрых установлены различные значения Ик и рН.
Исходя из изложенного, для обеспечения минимальных нормативных значений Ик=0,5 (мг-экв/дм3) и минимальных значений рН=8,3 потребуется рекарбонизация всего потока осветленной воды (перевод гидратов и карбонатов в бикарбонаты) и Na-натионирование 25-80% потока осветленной воды. Расход воды через установку Na-катионирования для данных условий будет зависеть от содержания кальциевой жесткости в осветленной воде. Последняя может быть от 6,5-1 мг-экв/дм3 до 1,0-3,0 мг-экв/дм3 [3].
Для обеспечения максимальных нормативных значений Ик=3,0-4,0 (мг-экв/дм3)2 и максимальных значений рН=9,0-9,5 не требуется Na-катионирование, но необходима рекарбонизация 20-80% потока осветленной воды. При этом качество обработанной воды после полной или частичной рекарбонизации может превышать установленные максимальные нормы по карбонатному индексу, то есть быть выше Ик=3,0-4,0 (мг-экв/дм3)2. Однако для относительно низких температур нагрева воды в пределах 100 °С безнакипный режим может обеспечиваться дозированием в рекарбонизованную воду ингибиторов солеотложений типа ИОМС или ОЭДФ. В этом случае – задача технологии — обеспечить перевод гидратной и карбонатной щелочности в бикарбонатную, то есть снизить рН до 8,3, так как в присутствии карбонатов и гидратов защитное действие ингибиторов ослабевает.
Изложенное выше иллюстрируется примерами.
Пример 1
Исходная вода используется для приготовления добавочной воды открытой теплосети с температурой нагрева сетевой воды в сетевых подогревателях до 121 °С. Установленные нормативные требования к качеству добавочной воды теплосети для этих условий Ик < 2,0 (мг-экв/дм3)2, значение рН < 9,0. Для достижения этих показателей исходная вода подвергается известкованию с коагуляцией в осветлителях при температуре 35 °С и осветлению на механических фильтрах, загруженных гидроантрацитом. Далее 50 % потока осветленной воды подается на рекарбонизацию. Рекарбонизованная вода смешивается с оставшимся (50 %) потоком осветленной воды. Смешанный поток осветленной и рекарбонизованной воды подается в теплосеть. В таблице 1 представлены составы исходной, осветленной и рекарбонизованной вод.
Как видно из таблицы 1, в результате описанной обработки на подпитку теплосети подается вода, соответствующая установленным требованиям.
Пример 2
Исходная вода используется для приготовления добавочной воды закрытой теплосети с температурой нагрева сетевой воды в сетевых подогревателях до 155 °С. Установленные нормативные требования к качеству добавочной воды теплосети для этих условий — Ик < 0,5 (мг-экв/дм3)2, значения рН = 8,3. Для достижения этих показателей исходная вода подвергается известкованию с коагуляцией в осветлителях при температуре 35 °С и осветлению на механических фильтрах, загруженных гидроантрацитом. Далее 72% потока осветленной воды умягчается на Na-катионитных фильтрах, загруженных катионитом КУ-2-8. Умягченная вода после Na-фильтров смешивается с оставшимся (28 %) потоком осветленной воды. Смешанный поток осветленной и умягченной воды подается на рекарбонизацию. В таблице 2 представлены составы исходной, осветленной и рекарбонизованной воды. Как видно из таблицы 2, на подпитку теплосети подается вода, соответствующая установленным требованиям.
Таким образом, в предлагаемых технологических схемах достигается:
- обеспечение необходимых (в том числе низких) значений карбонатного индекса, соответствующих различным температурам нагрева сетевой воды при ограниченном объеме рекарбонизуемой и Na-катионируемой воды;
- возможность регулирования значений карбонатного индекса и рН добавочной воды теплосети в зависимости от сезонных изменений температуры нагрева сетевой воды, состава исходной воды и других факторов путем изменения соотношения расходов байпасируемой и рекарбонизуемой или Na-катионируемой воды;
- исключение применения серной кислоты и связанного с этим опасного перекисления добавочной воды, повышения содержания в ней сульфатов, отсутствие сброса засоленных стоков;
- исключение или ограничение расхода NaCi и связанное с этим отсутствие или ограничение сброса солевых стоков.
Литература
- Балабан-Ирменин Ю.В., Липовских В.М., Рубашов A.M. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей. — М., Энергоатомиздат, 1999.
- Малахов И.А., Малахов Г.И. Патент на полезную модель № 53284 «Система подготовки добавочной воды для тепловодоснабжения».
- Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок — М. Энергия», 1976, 288 с.