Ирина Эланс
Показатели качества воды
Введение
Вода - ценнейший природный ресурс. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки её. Качественная водоподготовка, рациональный водно-химический режим – это:
1. Гарант надёжности, экономичности, безаварийности теплоэнергетического оборудования и тепловых сетей.
2. Обеспеченность предупреждения образования всех видов отложений и коррозионных повреждений на внутренних поверхностях теплоэнергетического оборудования, элементах трассы сетевой воды, включая отопительные приборы;
3. Экономия сжигаемого топлива, так как образующиеся отложения на поверхности нагрева обладают высоким термическим сопротивлением, что вызывает большие потери топлива.
4. Уменьшение сбрасываемых экологических загрязнителей от теплоэнергетических объектов в биосферу, отрицательно влияющих на здоровье населения (экологическая безопасность).
Одновременно с очисткой природной воды на электростанциях необходимо решать комплексно вопросы, связанные с утилизацией различными методами образующихся при этом сточных вод. Такое решение является мерой защиты от загрязнения природных источников питьевого и промышленного водоснабжения.
Выбор метода
обработки воды, составление общей
схемы технологического
На тепловых электростанциях применяются различные методы обработки воды, однако в основном их можно разделить на безреагентные, или физические методы и методы в которых используются различные препараты (химические реагенты). Безреагентные (физические) методы применяются как отдельные этапы в общем технологическом процессе обработки воды, и как самостоятельные методы, обеспечивающие получение воды требуемого качества. Применяя химическую обработку (включая также методы ионного обмена), можно получить как умягчённую, так и глубокообессоленную воду.
1.Выбор источника и производительности водоподготовки
На ТЭС с производственными отборами наряду с внутренними потерями существуют потери пара и конденсата в технологических процессах у потребителей теплоты. Эти потери должны восполняться добавочной водой, подготавливаемой на ВПУ, по качеству сопоставляемой с качеством питательной воды котлов. ВПУ для подпитки тепловых сетей. Для приготовления добавочной и подпиточной вод на электростанциях применяют:
- Воды поверхностных источников
- Воды артезианских скважин
- Воды прямоточных и циркуляционных систем охлаждения конденсаторов турбин;
Так, если водоисточником является артезианская вода, в которой практически отсутствуют ГДП и органические вещества, то отпадает необходимость в предварительной ее коагуляции. Однако такая вода обычно содержит большое количество ионов двухвалентного железа, что приводит к необходимости применять методы предварительного его удаления из воды перед последующей обработкой. Преимуществом артезианской воды перед поверхностной является ее стабильный состав во все времена года, что в значительной степени облегчает эксплуатацию водоподготовительной установки. При заборе воды из поверхностного источника следует учитывать, что качество воды в нем меняется не только по сезонам, но и по годам. Так, весной и осенью в такой воде возрастают
концентрации ГДП и органических веществ и уменьшается
солесодержание, в летние и зимние месяцы — наоборот. Эти обстоятельства следует учитывать при проектировании схемы обработки воды из поверхностных источников, так как водоподготовительная установка (ВПУ) рассчитывается применительно к максимальным концентрациям того или иного вещества в природной воде. В некоторых случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании возможно использование в качестве исходной для ВПУ воды из прямоточных или оборотных систем водоснабжения, а также очищенных сточных вод ТЭС . Место забора воды следует располагать по возможности дальше от места сброса сточных вод соседних предприятий. Производительность ВПУ должна быть достаточной для покрытия потерь воды и пара в схеме ТЭС, а также для расхода воды и пара на различные технологические нужды
электростанции
2 Показатели качества воды
Качество воды характеризуется прозрачностью (содержанием взвешенных веществ), сухим остатком, жесткостью, щелочностью, окисляемостью.
Сухой остаток содержит общее количество растворенных в воде веществ: кальция, магния, натрия, аммония, железа, алюминия и др., которые остаются после выпаривания воды и высушивания остатка при 110°С. Сухой остаток выражают в миллиграммах на килограмм или в микрограммах на килограмм.
Жесткость воды характеризуется суммарным содержанием в воде солей кальция и магния, являющихся накипеобразователями. Различают жесткость общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную).
Общая жесткость представляет собой сумму величин временной и постоянной жесткости и характеризуется суммой содержания в воде кальциевых и магниевых солей: сернокислых (СаSО4 и МgSО4), хлористых (СаС12 и МgС12), азотнокислых (Са(NО3)2 и Мg(NО3)2), кремнекислых (СаSiO3 и МgSiO3), фосфорнокислых (Са3(РО4)2 и Мg(РО4)2), двууглекислых (Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2).
Временная жесткость характеризуется содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2. Постоянная жесткость обусловливается содержанием указанных выше солей кальция и магния, за исключением двууглекислых.
Для определения величины жесткости в настоящее время установлена единица показателя жесткости — миллиграмм-эквивалент на 1 кг раствора (мг-экв/кг) или микрограмм-эквивалент на 1 кг раствора (мкг-экв/кг); 1 мг-экв/кг жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/кг иона кальция Са + или 12,16 мг/кг иона магния Мg2 +.
Щелочность воды характеризуется содержанием в ней щелочных соединений. Сюда относят гидраты, например NаОН — едкий натр, карбонаты Nа2СО3 — кальцинированная сода, бикарбонаты NаНСО3, Na3РО4 и др. Величина щелочности воды равна суммарной концентрации в ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных, фосфатных и других анионов слабых кислот, выраженной в эквивалентных единицах (мг-экв/кг или мкг-экв/кг). В зависимости от преобладающего наличия в воде анионов тех или иных солей различают щелочность: гидратную (концентрация в воде гидроксильных анионов ОН), карбонатную (концентрация карбонатных анионов CO3²¯) и бикарбонатную (концентрация бикарбонатных анионов НСОз³¯.).
Окисляемость воды характеризуется наличием в воде кислорода и двуокиси углерода, выраженных в миллиграммах или микрограммах на килограмм.
В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются и показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды.
Важнейшими показателями качества воды для использования ее в теплоэнергетике являются;
– концентрация грубодисперсных веществ (ГДП);
– концентрация истинно-растворимых примесей (ионный состав);
– концентрация коррозионно-активных газов;
– концентрация ионов водорода;
– технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная электропроводность и т.д.
Рассмотрим воду реки Шексна г.Череповец со следующими показателями
ГДП мг/дм3 15
Содержание ионов: Na++K+ = 9.2мг/дм3 ,=97.62мг/дм3, =2 мг/дм3
=0 мг/дм3, SiO2 +=6.9 мг/дм3
Сухой остаток 288 мг/дм3
Окисляемость ---0
Щёлочность 2мг-экв/дм3
Жёсткость Ж0=3,9мг-экв/дм3, ЖСа=2,7мг-экв/дм3
Если очистка воды от тяжёлых ГДП может быть принципиально осуществлена обычным отслаиванием, время которого определяется размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за счёт их особого свойства(агрегативной устойчивости) могут быть выделены из воды только методом коагуляции.
3 Методы очистки воды
Разнообразие примесей, которые должны быть удалены из воды, а также методов, применяемых при ее обработке на котельных и ТЭС, усложняют поиск оптимальных решений при выборе схем и аппаратов в каждом конкретном случае.
Поэтому очевидна необходимость классификации методов очистки и удаляемых примесей. Наиболее известны классификации Л.А. Кульского и М.И. Лапшина. В основе классификации Л.А. Кульского лежит различие характера удаляемых примесей. Загрязненные воды представляют собой гомогенные или гетерогенные системы, которые соответственно подразделяются на ионные, молекулярные, коллоидные растворы и взвеси. К каждой из четырех групп вод (систем) подобраны соответствующие наиболее эффективные методы очистки воды, области их применения, состав очистных сооружений и т.д. Однако в этой классификации не учитывается характер отдельных примесей.
В классификации М.И. Лапшина, наоборот, основным классификационным признаком является характер и состояние удаляемых при очистке примесей; при этом методы очистки подразделяются на следующие группы:
методы непосредственного выделения примесей, например отстаивание;
методы выделения примесей с изменением фазового состояния воды или примеси, например деаэрация;
методы превращения примесей, например образование труднорастворимых соединений (известкование);
биохимические методы.
Обе классификации имеют достоинства и недостатки, но дополняя друг друга, помогают выбору оптимального решения схем ВПУ на котельных и ТЭС с точки зрения как повышения эффективности очистки воды, так и возможности утилизации извлеченных из нее при очистке примесей для предотвращения загрязнений окружающей среды. Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для подпитки котлов организуется в несколько стадий на ВПУ.
На начальном этапе из воды выделяются грубодисперсные и коллоидные вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность этой воды. На дальнейших этапах производится очистка воды от истинно-растворимых примесей.
Начальный этап очистки воды.
3.1 Предочистка
Необходима для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды, а также потому, что при отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения. Так, наличие в воде органических веществ приводит к изменению технологических свойств анионитов, способствует их старению, а следовательно, к резкому (в 4–8 раз) снижению срока службы. Присутствие в воде ионов железа в концентрации свыше 50 мкг/дм3 вызывает отравление мембран при очистке воды электролизом. Неудовлетворительная очистка воды от грубодисперсных и коллоидных примесей является одной из причин образования накипей на поверхностях нагрева и ухудшению качества пара. Поэтому в настоящее время предочистке воды в схемах подготовки добавочной и подпиточной воды придается важное значение.
Предочистка-воды может быть осуществлена в основном методами осаждения, при применении которых примеси выделяются из воды в виде осадка. Эти методы называются также реагентными, так как для выделения примесей в воду дозируются специальные реагенты. К процессам осаждения, применяемым в настоящее время при предочистке воды, относятся; коагуляция, известкование, магнезиальное обескремнивание. Как правило, эти процессы совмещаются и проводятся одновременно в одном аппарате – осветлителе, что целесообразно как для улучшения суммарного технологического эффекта процесса очистки воды, так и для снижения капитальных и эксплуатационных затрат.
Первичное осветление воды производится в осветлителях, а окончательно очистка от осадка осуществляется при помощи процесса фильтрования, который также относится к предочистке воды, но является безреагентным методом.
3.2 Коагуляция коллоидных примесей воды
Коагуляция – это физико-химический процесс слипания коллоидных частиц под действием сил молекулярного притяжения с образованием грубодисперстной макрофазы(флоккул) и с последующим выделением её из воды. В практике водоподготовки под коагуляцией понимают очистку воды от коллоидных веществ с одновременной очисткой от грубодисперстных примесей и обесцвечивание воды путём дозировки в обрабатываемую воду специального реагента – коагулянта. Который образует новую дисперстную систему со знаком заряда частиц, противоположным знаку заряда каллоидов природных вод (обычно зараженных отрицательно). При этом происходит взаимная коагуляция разноимённых заряженных коллоидов при их взаимодействии с дестабилизированными участками поверхности, называемая гетерокоагуляцией. В дальнейшем микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперстные примеси и воду, и образуют коагуляционную структуру в виде хлопьев (флоккул) размером 0,5-3мм. Макрофаза затем выделяется из воды в аппаратах для коагуляции- осветлителях и далее в пористой загрузке осветлительных фильтров. В качестве коагулянтов применяют ; сульфат алюминия AL2(SO4)2 *18H2O или сульфат двухвалентного железа FeSO4*7H2O , причём последний используют при совмещении процессов коагуляции и известкования в осветлителях. Процесс коагуляции требует для своего завершения время (4-5минут). Хлопья, вначале невидимые, постепенно соединяются в крупные комплексы, вызывая помутнение воды. Затем образуются более крупные рыхлые хлопья, захватывающие ГДП и воду. Режим потока воды влияет на формирование хлопьев. Скорость воды в зоне формирования не должна превышать 1,5мм /сек. Температура 30-40 и перемешивание вызывает более частые и сильные столкновения коагулируемых частиц, приводящие к их слипанию. Дозировка коагулянта определяется составом коллоидных примесей и солесодержанием обрабатываемой воды. Обычно 0,3-0,8мг-экв/дм3. Значение рН среды оказывает влияние на скорость гидролиза коагулянта,а также на состояние удаляемых из воды примесей. При коагуляции сернокислым алюминием оптимальное значение рН, устанавливаемое экспериментально находится в пределах 5,5-7,5.
3.3 Осаждение методами известкования и содоизвесткования
Известкование воды, т. е. обработка воды Са(ОН)2, применяется для снижения щелочности (декарбонизации) исходной воды, при этом одновременно уменьшаются жесткость и сухой остаток, удаляются грубодисперсные примеси, соединения железа. В подогретую до температуры около 30 °С обрабатываемую воду дозируют в виде суспензии (молока) гашеную известь Са(ОН)2. Растворяясь, ее компоненты обогащают воду ионами Ca2+ и одновременно ионами ОН-, сдвигая углекислотное равновесие в сторону образования ионов . В результате повышения их концентрации достигается произведение растворимости СаСО3. В составе этого соединения в осадок выпадает ион Ca2+, как содержащийся в исходной воде, так и введенный с известью. Эффективность процесса известкования воды зависит от целого ряда факторов, к основным из которых относится правильное дозирование извести удовлетворительного качества, использование в необходимых случаях коагуляции, подогрев воды до строго заданной температуры, использование образовавшегося шлама для углубления процесса обработки, выбор оптимальных режимов движения обрабатываемой воды в осветлителях.
В общем упрощённом виде процесс процесс известкования состоит из нескольких стадий.
1)Диссоциация гидрооксида кальция
Са(ОН)→Са2+ +2 Приводящий к повышению рН
2)Гидратация свободной
углекислоты с последующей
СО2 +Н2О+2→+2Н2О
3)Диссоциация
+→Н2О причём в эквивалентных единицах концентрация образовавшихся ионов будет в 2 раза больше концентрации разрушаемых ионов
4)Выделения в твёрдую фазу ионов Са2+ (содержащихся в исходной воде и введенных с известью) и
Са2++→СаСО3↓ при достижении произведения растворимости
5)При превышении дозы извести над её количеством, необходимым для образования карбонатов в воде, появляется избыток ионов ОН- и может быть превышено произведение растворимости
Мg2++ 2→Mg(OH)2↓
Процесс содоизвесткования как метод умягчения применим к водам практически любого состава в отличие от известкования, при котором жесткость воды, как указывалось ранее, снижается лишь на значение ее карбонатной составляющей. Для более глубокого умягчения воды необходимо ввести извне ионы , а для выделения Mg(OH)2 требуется увеличить дозу извести. Это достигается известково-содовой обработкой воды, при которой наряду с известью дозируют также кальцинированную соду Nа2СО3, которая за счет диссоциации создает в воде избыток ионов , способствующих переводу в твердую фазу ионов Са2+.
Доза извести для практического применения Ди ,мг-экв/дм3 для большинства типов вод, для которых
Жо+Дк Щисх – Щобр
Ди =+Щисх +Жмg +Дк +Ии
В настоящее время содоизвесткование нашло широкое применение в проектах ВПУ с запрещенным сбросом сточных вод для умягчения регенерационных
стоков и их повторного использования.
Оборудование предочистки с осветлителями - это аппарат в котором одновременно протекают химические реакции, связанные с вводом реагентов, а также физические процессы формирования образовавшихся осадков(шлама) в обьёме воды осветлителя и фильтрования обрабатываемой воды через их слой. Контактная среда в осветлителе, называется шламовым фильтром, формируется из ранее образовавшихся и образующихся частиц шлама, находящихся во взвешенном состоянии за счёт действия восходящего потока воды.
3.4 Фильтрование воды на механических фильтрах
Даже при хорошо налаженном режиме работы осветлителей не удается получить воду с концентрацией твердой фазы ниже 10 мг/дм3. Такая вода не может быть направлена на дальнейшую очистку и требует дополнительного осветления. В схемах ВПУ это осветление производится при помощи механических фильтров. Фильтрование представляет собой сложный процесс очистки воды от грубодисперсных примесей при течении воды через пористую среду.
В зависимости от соотношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра пор удержание частиц может происходить как в объеме слоя (адгезионное фильтрование, адгезия – прилипание), так и на его поверхности (пленочное фильтрование).
Если диаметр пор слоя превышает диаметр частиц, последние входят с потоком воды в слой и удерживаются внутри его. Если же диаметр пор меньше диаметра частиц, то они задерживаются на поверхности слоя, образуя пленку. В схемах ВПУ на котельных и ТЭС чаще применяют адгезионное фильтрование, а в схемах очистки конденсата – пленочное.
Для очистки воды от механических примесей в промышленных условиях используются главным образом зернистые «сыпучие» материалы.
В качестве
фильтрующих материалов на
Однако из всех упомянутых фильтрующих материалов наибольшее распространение в производстве добавочной воды на ТЭС и АЭС получил антрацит. Он достаточно дешев, а главное химически стоек. В технологических схемах очистки конденсата используют чаще всего сульфоуголь или катионит КУ-2.
Осветлительные фильтры можно классифицировать по следующим признакам: фракционному составу фильтрующего материала – насыпные и намывные; давлению – открытые и напорные; количеству фильтрующих слоев – однослойные и многослойные; числу параллельно работающих камер – однокамерные и многокамерные; способу фильтрования – однопоточные и двухпоточные. В схемах ВПУ котельных и ТЭС применяются в основном насыпные напорные однопоточные однокамерные фильтры с числом фильтрующих слоев от одного до двух, а также весьма перспективные напорные двухкамерные фильтры. Применение последних позволяет существенно сократить расход металла и площадь, необходимую для установки.
Напорный однопоточный фильтр
(рис.5.1) состоит из цилиндрического корпуса
с приваренными к нему сферическими днищами.
Внутри фильтра расположены слой фильтрующего
материала и дренажно-распределительные
устройства, необходимые для равномерного
распределения и сбора воды по всей площади
поперечного сечения фильтра. Верхнее
дренажное устройство чаще всего оформляется
в виде отбойного щита, гасящего энергию
потока воды, а нижнее расположено на слое
кислотоупорного бетона, заливаемого
на нижнее днище фильтра, и выполнено в
виде трубной системы, состоящей из коллектора
с боковыми ответвлениями, снабженными
для отвода воды специальными колпачками
или щелевыми устройствами. Высота фильтрующего
материала, загруженного в фильтр, составляет
около одного метра. Часть полости фильтра
остается свободной. Это необходимо для
выравнивания скорости воды, поступающей
на фильтрующий слой, и для возможности
расширения слоя при его взрыхлении.
Рис. 5.1. Принципиальная схема
вертикального однопоточного
механического фильтра:
1 – распределительное устройство;
2 – бетон;
3 – фильтрующий материал;
4 – водяная подушка;
5 – распределительное устройство;
6 – воздушник;
7 – подвод исходной воды и отвод
промывной воды;
8 – выход осветлённой и подвод промывной воды;
9 – сжатый воздух
Режим эксплуатации механических адгезионных фильтров заключается в обеспечении постоянства расхода воды, своевременном отключении на промывку и промывке. В эксплуатационных условиях фильтр часто отключают по достижении определенного перепада давления (примерно 0,2 МПа). Промывку фильтра от удержанной примеси ведут в течение 20 мин в направлении противоположном направлению воды. При промывке слой расширяется на 30–50 % и вследствие трения зерен между собой освобождается от удержанной примеси, которая с потоком воды выбрасывается из фильтра. В настоящее время промывочную воду направляют в осветлители.
Для интенсификации процесса промывки под слой подают сжатый воздух, что одновременно позволяет ускорять процесс промывки и сокращать расход промывочной воды.
Промывку механических фильтров проводят осветленной водой, поэтому емкость баков осветленной воды должна учитывать кроме часового запаса также и объем воды, необходимой для промывки одного фильтра.
Режим эксплуатации механических адгезионных фильтров заключается в обеспечении постоянства расхода воды, своевременном отключении на промывку и промывке. В эксплуатационных условиях фильтр часто отключают по достижении определенного перепада давления (примерно 0,2 МПа). Промывку фильтра от удержанной примеси ведут в течение 20 мин в направлении противоположном направлению воды. При промывке слой расширяется на 30–50 % и вследствие трения зерен между собой освобождается от удержанной примеси, которая с потоком воды выбрасывается из фильтра. В настоящее время промывочную воду направляют в осветлители.
При расчете фильтрованной части предочистки следует иметь в виду, что на ВПУ с осветлителями количество устанавливаемых механических фильтров выбирается из расчета скорости фильтрования 10 м/ч, а при прямоточной коагуляции – 5 м/ч. При этом необходимо предусматривать установку не менее трех фильтров (два в работе, один в регенерации), а также еще одного фильтра для перезагрузки фильтрующего материала при ремонте или осмотрах основных фильтров.
3.5 Очистка конденсатов на намывных фильтрах
Как турбинный, так и производственный конденсаты обычно бывают загрезнены оксидами железа и меди, образующихся в результате коррозии трубопроводов, баков, конденсаторов и теплообменников. Оксиды и гидрооксиды железа как правило находятся в конденсате преимущественно в коллоидной и грубодисперсной формах. Попадая в воду котлов, реакторов , парогенераторов продукты коррозии участвуют в образовании отложений на теплопередающих поверхностях, а переходя в пар, -на лопаточном аппарате турбины. Для очистки таких вод наряду с насыпными применяют намывные фильтры в конструкции которых предусмотрена реализация принципа плёночного фильтрования в слоях 3-5мм создаваемых тонкодисперсным материалом с размером частиц 10-60мкм. Таким материалом является фильтрперлит. Работа установки с фильтром намывного типа складывается из трёх последовательно проводимых операций:
- Намыв фильтрующего слоя;
- Фильтрование;
- Смыв отработавшего фильтрующего слоя вместе с задержанными примесями. Пред намывом в мешалке готовят пульпу порошкообразного фильтрующего материала(кроме фильтрперлита используют также диатомит, дроблённую целлюлозу,смесь порошкообразныхионитов с концентрацией 3г/дм2.
4 Обессоливание воды
Основными причинами постепенного повышения солесодержания рек является сброс в них высокоминерализованных шахтных и промышленных вод, а также сброс дренажных вод орошаемых земель. Вследствие этого задача обессоливания воды, в частности применяемой для целей тепловой и атомной энергетики, приобретает исключительно важное значение.
В настоящее
время разработаны и
На электростанциях наибольшее применение нашли ионитное обессоливание и дистилляция. Мембранные способы используются лишь для частичного уменьшения минерального состава воды, так как получение этими способами глубокообессоленной воды, пригодной для питания современных котлов, до последнего времени считалось неэкономичным.
Итак, необходимо рассмотреть три метода обессоливания воды:
ионитный;
термический (дистилляция);
мембранный (электродиализ, обратный осмос).
4.1 Умягчение воды методом ионного обмена
Наиболее
распространенным способом
Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, т.е. к возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов). Появление потенциалообразующих ионов может происходить либо за счет адсорбции функциональными группами ионита из раствора ионов какого-либо знака заряда (например, → ), либо диссоциации функциональных групп под действием молекул воды (например, → ). В последнем случае противоионами, образующими диффузный слой, являются ионы, переходящие в раствор в процессе диссоциации.
