Электродиализ

Электродиализ – процесс удаления из растворов ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленной движение ионов водорода и ОН^-, причем катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. При достижении катода катионы восстанавливаются в соответствии с катодными реакциями, например:

2Н⁺ +2е 2Н; 2Н Н₂ ; Na⁺ + e Na; 2Na + 2H₂O 2Na + 2OH^- + H₂.

Анодные реакции.

4ОН^- − 4е 2Н₂О + 2О; 2О О₂;

2Cl^- − 2e 2Cl; 2Cl Cl₂;

2Cl + H₂O 2H⁺ + 2Cl^- + O.

Для предотвращения переноса ионов Н⁺ и ОН^- электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов (рисунок 3).

При направленном движении ионов к соответствующим электродам катионы, встречающие на своем пути катионопроницаемую мембрану К, свободно проникают через нее. В то же время для анионов эти мембраны являются практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану А, одновременно препятствующую переносу катионов. В соответствии с законом Фарадея на перенос 1 г-экв солей расходуется 96491 Кл электричества (26,8 А·ч), в связи с чем теоретический расход электроэнергии Q_э, затрачиваемой на опреснение 1 м³ воды с начальным С_нач и конечным С_кон солесодержанием:

Q_э = 26,8 (С_нач – С_кон), А·ч.

Реальный расход электроэнергии будет выше из-за поляризационных явлений и недостаточной селективности мембран.

Ионитные мембраны для процессов электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электропроводимостью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, определяющей продолжительность срока службы в промышленных условиях.

В зависимости от знака заряда матрицы ионита и исходного вещества мембраны подразделяют на катионитные и анионитные, а по методу получения – на гетерогенные и гомогенные.

Гетерогенные мембраны представляют собой тонкодисперсный ионит, распределенный в пленке инертного связующего материала. Существует несколько основных способов их получения. Сухое связующее вещество и ионообменный материал в порошкообразной форме смешивают и спрессовывают в листы при определенных температуре и давлении. Порошкообразный ионит диспергируется в легкоиспаримом растворителе, смесь отливают на армирующую ткань (нейлоновую сетку) и сушат.

В России выпускаются катионитные и анионитные мембраны марок МК-40 и МА-40.

Гомогенные мембраны, получаемые в результате реакции поликонденсации или методом привитой полимеризации, характеризуются сплошной фазой ионита по всей структуре пленки. Гомогенные мембраны обладают лучшими электрохимическими свойствами по сравнению с гетерогенными, но меньшей механической прочностью.

Вода, используемая в электродиализаторах, требует тщательной обработки. Некоторые рекомендации по эксплуатации электродиализаторов:

1. Исходная вода не должна содержать взвешенные частицы, которые могут осаждаться и вызывать повышенную поляризацию мембран.

2. Накопление шлама из частиц твердой фазы СаСО₃ и MgCO₃ на мембранах или электродах вызывает увеличение омического сопротивления аппарата. Борьбу с отложениями ведут путем подкисления исходной воды или периодической замены полярности электродов в аппарате.

3. При работе электродиализатора возможно образование твердой фазы вследствие электрокоагуляции коллоидных частиц. Такой осадок можно довольно легко удалить, быстро изменив скорость воды в тех частях установки, где он образуется.

4. Необратимое накопление в ионитных мембранах поливалентных ионитов, имеющих малую подвижность, приводит к «отравлению» мембран, то есть к снижению их электропроводимости. Частичное удаление с «отравленных» мембран иона достигается промывкой мембран кислотой с последующим переводом их в натриевую форму.

Указанные трудности при использовании мембран приводят к сокращению срока их службы. Для ионитных мембран в некоторых случаях наблюдалась полная потеря обменной емкости после трехсот дней работы.

При расчете процессов электродиализа и, в частности, при выборе рабочей плотности тока, надо учитывать явление концентрационной поляризации, возникающей на ионитных мембранах. Суть его заключается в том, что миграция ионов через мембрану идет с большей скоростью, чем в растворе, что приводит к падению концентрации электролита около принимающей стороны мембраны и повышению концентрации около отдающей стороны (рисунок 4). Существует предельная плотность электрического тока, при которой концентрация электролита около мембраны снижается до нуля и начинается перенос Н⁺ и ОН^- ионов, образующих при электродиализе воду, что вызывает перерасход электроэнергии, изменяет рН, а солесодержание не уменьшается.

Лекция №12

Комплексная очистка высокоминерализованных

исходных и сточных вод.

Как известно, регенерация ионитных фильтров проводится при удельных расходах реагентов, существенно превышающих стехиометрические количества, что приводит с учетом корректировки рН сточных вод к многократному превышению суммарного содержания солей в стоках по сравнению с содержанием солей в исходной воде. Сброс сточных вод водоподготовительной установкой в естественные водоемы вызывает увеличение их солесодержания; если же сточные воды доупаривать, то это вызовет усложнение схем водоподготовительной установки и удорожание обработанной воды. Количественные и качественные характеристики стоков водоподготовительных установок, использующих различные технологические схемы в зависимости от минерализации исходной воды, показывают, что испарители являются более «экологически чистыми», чем ионитные фильтры, так как суммарный сброс солей при химическом обессоливании воды превышает сброс солей при работе испарительных установок.

Совершенствование ионообменной технологии идет в нескольких направлениях в целях уменьшения удельных расходов реагентов и сокращения количества сбросных вод.

Рассмотрим ряд принципиальных решений. Для схем катионитного умягчения с предварительным известкованием и коагуляцией в осветлителе, применяемых, например, для подготовки добавочной воды тепловой сети, рекомендуется воды собственных нужд водоподготовительных установок разделять на условно чистые и условно жесткие, не смешивая их и собирая в соответствующие баки, что ограничивает переработку сточных вод. Условно чистые воды, получаемые при взрыхлении, спуске водяной подушки, отмывке, возвращаются в осветлитель без переработки. Жесткие регенерационные стоки ( мг-экв/кг) обрабатываются методами осаждения при повышенной температуре с использованием соды и гидроксида натрия в собственном осветлителе и используются повторно после дополнительного осветления, фильтрования.

Прогресс в оптимизации процессов обработки воды методами осаждения и ионного обмена позволил исключить дорогостоящий термический метод для обработки сточных вод для схем химического обессоливания и Na-катионирования. Это достигается следующими технологическими и схемными решениями:

− использованием щелочных растворов по существующей схеме ступенчатой регенерации;

− применением для регенерации Na-катионитных фильтров сульфата натрия, раствор которого приготавливается на нейтральных подкисленных сточных водах анионитных фильтров;

− нейтрализацией сточных вод Н- и Na-катионитных фильтров известью и их использованием после осветления в качестве исходной воды в схеме подпитки тепловой сети.

Использование рекомендуемых технологических приемов с противоточной или двухпоточнопротивоточной конструкцией фильтров позволяет снизить удельные расходы кислоты и щелочи до значений, близких к стехиометрическим. Применение сульфата натрия вместо хлорида натрия связано со стремлением использовать для снижения кальциевой жесткости сточных вод сульфат-ион вместо дефицита карбоната натрия.

Рассмотренные методы снижения объемов сточных вод и расхода реагентов заключаются в повторном использовании реагентов на водоочистных сооружениях, причем отличие состоит в том, что сточные регенерационные и отмывочные воды ионитных фильтров разделяют на объемы двух типов. В объеме первого типа (первая порция) сточные воды содержат основную массу вытесняемых из ионитов примесей и неактивный противоион регенерационного раствора. Эта порция раствора характеризуется рН, близким к нейтральному. Вторая порция сточных вод ионитных фильтров содержит основную часть активного вещества, слабозагрязненного продуктами регенерации. Она пригодна для повторного использования. Разделение сточных вод катионитных и анионитных фильтров на соответствующие порции также упрощает технологию нейтрализации. Промышленные испытания предложенной технологии подтвердили ее высокую эффективность по значениям остаточной жесткости воды за фильтром-нейтрализатором.

Выбор метода обработки высокоминерализованных вод и стоимость этого процесса зависят от солесодержания исходной воды, производительности установки, стоимости топлива, электрической энергии, реагентов и от условий, допускающих или запрещающих сброс сточных вод водоподготовительных установок.

Применимость того или иного способа обосновывается в результате сопоставления технико-экономических показателей нескольких технологических схем и используемых аппаратов. Решение принимается с учетом минимальных приведенных затрат и мероприятий, связанных с охраной природы – предотвращением засоления водоемов, а также с эффектом получения дополнительной попутной продукции при комплексной переработке минеральных вод.

При запрете на сброс сточные или продувочные воды водоподготовительных установок подвергаются глубокому упариванию с последующим захоронением концентрата. Применение комбинированных схем с использованием мембранных технологий позволяет улучшить технико-экономические показатели обессоливающих установок.

Стабилизационная обработка воды.

Общие положения.

Охлаждающие контуры с небольшим подогревом водного теплоносителя (система охлаждения конденсаторов, промежуточные контуры охлаждения) выполняются обычно по открытой схеме, в которой нагретая вода охлаждается методом испарительного охлаждения при контакте ее с воздухом в градирнях и вновь подается в теплообменные аппараты. В градирнях часть оборотной воды теряется за счет капельного уноса Р_ун (0,5 – 2,5%) и испарения Р_исп (1 – 1,5%), что приводит к повышению солесодержания. Регулирование солесодержания осуществляется с помощью продувки из системы Р_прод (процент часового расхода охлаждающей воды), а отмеченные потери компенсируются добавлением воды в систему:

Р_доб = Р_исп + Р_ун + Р_прод.

Концентрирование солей в системе охлаждения (, где С_цирк, С_доб – концентрация соли в добавочной и циркуляционной воде) зависит от значения продувки. Наряду с концентрированием легкорастворимых солей в системах охлаждения увеличивается также концентрация солей жесткости и бикарбонат-ионов при одновременной интенсификации их гидролиза в воде, что характеризуется уравнением:

2НСО₃ + СО₂ + Н₂О.

Кроме того, распаду бикарбонатов способствует потеря образующегося при гидролизе углекислого газа при разбрызгивании воды и в градирнях. Эти факторы приводят к выделению на теплообменных поверхностях отложений карбоната кальция СаСО₃ в тех случаях, когда произведение активностей взаимодействующих компонентов превысит . Сульфат кальция обладает сравнительно большой растворимостью и поэтому редко встречается в составе накипей.

Так как теплопроводность кальциевых отложений на порядок меньше теплопроводности металла конденсаторных трубок, с ростом температуры накипи повышается температура конденсации пара, ухудшается вакуум в конденсаторе, а его снижение на 1% вызывает увеличение расхода пара на 1,4% для поддержания номинальной мощности энергоустановки.

Для предупреждения накипных отложений в конденсаторах и регулирования состава охлаждающей воды применяют в первую очередь продувку системы охлаждения, которую оценивают исходя из затрат на перекачку воды, стоимости воды (добавочной), а также предельно допустимой карбонатной жесткости охлаждающей воды Ж_к.пр. Расчет Ж_к.пр проводится по эмпирической формуле Крушеля, применяемой для природных вод с окисляемостью до 25 мгО₂/кг в температурном интервале 30 – 65 ⁰С:

,

где О_к – окисляемость воды, мгО₂/кг;

t – максимальная температура воды в системе, ⁰С (при температуре меньше 40 ⁰С в уравнение следует подставлять 40 ⁰С).

Продувку, необходимую для поддержания в воде системы охлаждения Ж_к.цирк = Ж_к.пр, определяют по формуле:

,

где Ж_к.доб – карбонатная жесткость добавочной воды.

Если по технико-экономическим соображениям нельзя поддерживать продувку на расчетном уровне, то надо использовать в дополнение к продувке специальные методы стабилизационной обработки воды подкислением или фосфатированием. В ряде случаев для снижения щелочности или жесткости добавочной воды системы охлаждения могут применяться такие известные технологические процессы, как известкование или ионообменное умягчение. Они относятся к эффективным, но дорогостоящим средствам водоподготовки, поэтому при решении вопроса об их использовании требуется детальное технико-экономическое обоснование.

Стабилизация воды подкислением.

Обработка воды сильной кислотой приводит к разрушению части бикарбонатной щелочности ΔЩ_к.доб – потенциального источника карбонат-ионов – с одновременным выделением углекислого газа по реакции:

+ Н^- СО₂ + Н₂О.

Такая обработка с выделением углекислого газа способствует стабилизации бикарбонатов, оставшихся в воде после подкисления в качестве щелочного буфера (0,5 – 1 мг-экв/кг) для предотвращения коррозии конструкционных материалов.

Следует отметить, что основной эффект подкисления связан с уменьшением карбонатной жесткости охлаждающей воды. Соляная кислота для подкисления принципиально может быть использована, но вследствие ее высокой коррозионной агрессивности и значительной стоимости чаще применяется более доступная и дешевая серная кислота. В этом случае следует считаться с возможностью сульфатных отложений в системе охлаждения при сокращении значений продувки и высокой кратностью концентрирования примесей. Как известно, сульфат кальция не образует твердой фазы в том случае, если произведение активных концентраций Са²⁺ и в охлаждающей воде не превышает произведения растворимости сульфата кальция (при температуре 25 – 60 ⁰С) , принимаемым равным 2,4·10⁵). При проведении расчетов такого рода необходимо помнить, что концентрации ионов кальция, сульфатов определяются не только качеством добавочной воды, но и такими параметрами водного режима оборотной системы как Р_доб и Р_исп. Задаваясь последовательно значениями этих величин, определяют Ж_к.цирк, концентрацию сульфатов с учетом дозы кислоты и содержания исходных сульфатов в циркуляционной воде и находят по ионной силе раствора охлаждающей воды коэффициент активности двухвалентных ионов. Сравнивая произведения активных концентраций с , находят допустимое значение концентрированных примесей в системе.

Расход серной кислоты σ_к, кг/ч, на обработку охлаждающей воды подсчитывается по определенному значению Ж_к.пр с учетом выбранных ранее значений Р_исп, Р_ун, Р_прод:

,

где Д – расход добавочной воды, м³/ч;

k – доля серной кислоты в технической кислоте.

Кислоту можно вводить в воду разведенной до концентрации 3 – 5% или дозировать в концентрированном виде при расходах больше 0,5 т/сутки. В этом случае скорость воды в трубопроводе должна быть не менее 1,5 м/с.

Результат, аналогичный подкислению, можно получить, использовав Н-катионирование части добавочной воды оборотных систем, при этом наряду с нейтрализацией бикарбонатных ионов ионами Н⁺ из воды удаляется также соответствующее количество ионов кальция, что способствует стабилизации воды. Снижение карбонатной жесткости воды можно достичь применением Н-катионирования с «голодной» регенерацией.

Метод стабилизации воды подкислением используется также при подготовке подпиточной воды тепловой сети, исходя из значения карбонатного индекса И_к, под которым понимают произведение общей щелочности на кальциевую жесткость воды. И_к принимает значения от 4 до 0,5, уменьшаясь с ростом температуры. Он также зависит от типа водогрейного оборудования (котлы или сетевые подогреватели). Возможность стабилизации воды теплосети серной кислотой должна рассматриваться с учетом . Естественно, что выделившийся при подкислении углекислый газ должен быть удален, поэтому серную кислоту дозируют перед деаэратором подпиточной воды. В тех случаях, когда надо снизить еще и Ж_о, перед подкислением воду подвергают известкованию, что снижает удельные расходы кислоты и уменьшает выделение CaSO₄.

Фосфатирование охлаждающей воды.

Этот метод обработки применяют при щелочности добавочной воды, не превышающей 3 – 4 мг-экв/кг. Механизм стабилизационной обработки воды при добавлении фосфатов в небольшой концентрации связан с их адсорбцией на поверхности зародышевых кристаллов карбоната кальция СаСО₃. Это вызывает замедление дальнейшей кристаллизации и стабилизацию пересыщенных бикарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ в связи с повышением Ж_к.пр циркуляционной воды. Стабилизирующим действием обладают соли различных фосфорных кислот, но наиболее часто применяют гексаметафосфат натрия (NaPO₃)₆ и тринатрийфосфат, с помощью которых можно стабилизировать карбонатную жесткость циркуляционной воды Ж_к.пр на уровне 4 – 6,5 мг-экв/кг в зависимости от солевого состава и окисляемости воды. Доза фосфата не поддается теоретическому расчету, составляет обычно 2 – 2,7 мг/кг в пересчете на оксид фосфора Р₂О₅. С течением времени свойства гексаметафосфата натрия теряются за счет гидролиза:

(NaPO₃)₆ +6H₂O 6NaH₂PO₄,

поэтому требуется непрерывное дозирование этого реагента в охлаждающую воду. Раствор (NaPO₃)₆ должен иметь концентрацию меньше 0,1% во избежание выделения шлама в зоне ввода реагента.

В настоящее время для обработки воды охлаждающих систем широко используются органические производные фосфора, в частности оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ). Этот реагент устойчив при температуре больше 100 ⁰С, его требуемая доза составляет около 1 мг/кг в пересчете на оксид фосфора Р₂О₅ или около 10 мг/кг товарного продукта. Использование ОЭДФ, как показал опыт эксплуатации, позволяет полностью исключить образование минеральных отложений, сократить потребление воды на подпитку циркуляционных систем, отказаться от проведения химических очисток конденсаторов и уменьшить локальное повреждение трубок из медных сплавов.

При высокой карбонатной жесткости циркуляционной воды, превышающей предельное значение при стабилизационной обработке фосфатами (Ж_к.пр ≈ 6,5 – 0,1Ж_н.к), целесообразно обрабатывать воду комбинированным способом – совместно подкислением и фосфатированием. Комбинированный способ предусматривает дозированием кислоты снизить карбонатную жесткость до значения, стабилизируемого фосфатами, что позволяет сократить расход кислоты и обеспечить безнакипный режим системы охлаждения.

Рисунок – Схема фосфатирования циркуляционной воды:

1 – вода; 2 – пар; 3 – бак для растворения (NaPO₃)₆; 4 – дозирующий бачок; 5 – приемный колодец; 6 – циркуляционный насос.

Лекция №13

Рекарбонизация охлаждающей воды.

Как отмечалось, одна из основных задач при эксплуатации систем охлаждения воды состоит в предотвращении образования отложений накипи в теплообменных аппаратах. Образование накипи в этих аппаратах обусловлено распадом бикарбоната кальция, то есть карбонатной жесткости охлаждающей воды. Карбонат кальция представляет собой малорастворимое соединение, образующее на поверхности нагрева или охлаждения теплосилового оборудования накипь. Основная причина, вызывающая распад бикарбоната кальция – недостаток растворенной в воде углекислоты. Это явление особенно характерно именно для систем охлаждающей воды, в которой недостаток растворенной в воде углекислоты обусловлен аэрацией воды в градирнях или брызгальных бассейнах вследствие удаления углекислоты из воды при контакте последней с атмосферным воздухом.

Чтобы предотвратить распад бикарбоната кальция, необходимо поддерживать в воде минимальную концентрацию растворенной углекислоты, то есть равновесную концентрацию.

На теплоэнергетических станциях (ТЭС) недостаток диоксида углерода в охлаждающей воде может быть восполнен обработкой воды дымовыми газами, содержащими углекислоту. Необходимый расход дымовых газов, нм³/ч, может быть определен:

где – необходимое увеличение концентрации углекислоты в охлаждающей воде перед конденсатором, мг/кг;

Q_ц – расход охлаждающей воды, м³/ч;

β – степень использования углекислоты, %;

– концентрация углекислоты в дымовых газах, %.

Для рекарбонизации охлаждающей воды используют схему, включающую скруббер-аппарат, в котором вода насыщается углекислотой (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема насыщения воды углекислотой:

1 – дымосос; 2 – золоуловитель; 3 – скруббер; 4 – конденсатор; 5,6 – насосы; 7 – градирня.

Часть охлаждающей воды после градирни подается в скруббер, в нижнюю часть которого подается поток дымовых газов от дымососа. Обработанная дымовыми газами вода отводится из скруббера в канал подачи охлаждающей воды на конденсатор, а дымовые газы подаются в дымосос.

Скруббер (рисунок 2) представляет собой металлический цилиндрический сосуд, внутри которого расположен слой насадки из деревянных реек или керамических колец. Вода для обработки подается в верхнюю часть скруббера, равномерно распределяется по сечению корпуса и тонкой пленкой и струями стекает вниз по поверхности насадки. Дымовые газы движутся снизу вверх навстречу потоку воды. Процесс обработки воды в скруббере аналогичен процессу, происходящему в декарбонизаторе, и также подчиняется законам Генри-Дальтона.

Рисунок 2 – Схема скруббера:

1 – отвод дымовых газов; 2 – подвод охлаждающей воды; 3 – насадки; 4 – отвод рекарбонизированной воды; 5 – подвод дымовых газов.

Применение окислителей для борьбы с биологическим обрастанием

теплообменников и обеззараживания воды.

Повышение температуры воды в системах охлаждения и наличие питательных веществ являются причинами интенсивного развития в охлаждающей воде бактерий и водорослей различных видовых составов. При окисляемости воды более 10 – 15 мгО₂/кг биологические образования в форме слизистых отложений на поверхности образуются наиболее интенсивно. При повышенном железосодержании охлаждающей воды на поверхности теплообмена происходит энергичное размножение железобактерий, приводящее к закупориванию конденсаторных трубок. В охлаждающей воде, содержащей сульфаты, развиваются сульфатовосстанавливающие бактерии, жизнедеятельность которых приводит к выделению сероводорода и сульфидов, вызывающих коррозию материалов конденсатора.

Для борьбы с биологическими отложениями, приводящими к ухудшению вакуума в конденсаторах, интенсифицирующими коррозионные процессы, применяют обработку охлаждающей воды сильными окислителями, такими, как хлор и его производные, а также солями тяжелых металлов. Механизм бактерицидного действия хлора и кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с составными частями клетки микроорганизма, в первую очередь с ферментами, что ведет к нарушению обмена веществ в клетке и отмиранию микроорганизмов. В практике обработки воды применяют свободный хлор, соли хлорноватистой кислоты и диоксид хлора ClO₂. При обычных условиях хлор – ядовитый газ зеленовато-желтого цвета с резким запахом. При давлении 608 кПа и температуре 15 ⁰С хлор сжижается. Хлор в 2,45 раза тяжелее воздуха, в воде растворим сравнительно мало. При растворении хлора в воде происходит гидролиз с образованием хлорноватистой и хлорводородной (соляной) кислот:

Cl₂ + H₂O HClO + HCl.

Слабая хлорноватистая кислота в растворах диссоциирует с образованием гипохлорид-иона HClO H⁺ + ClO^-. Сравнение окислительных потенциалов показывает, что с повышением рН обеззараживающее действие хлора снижается. Поэтому хлорирование наиболее эффективно проводить при рН < 7 или ввод хлора должен осуществляться до ввода каких-либо щелочных реагентов. Дозу хлора определяют по результатам пробного хлорирования воды с учетом заданной концентрации остаточного свободного хлора.

Для обеззараживания воды и улучшения ее свойств может быть использован озон О₃, являющийся более сильным окислителем, чем кислород. Расход озона – неустойчивого соединения – сопровождается образованием перекисных соединений и свободных радикалов (ОН, НО₂ и других), обладающих высокой химической активностью. Бактерицидное действие озона связано с протеканием реакций окисления.

Метод обеззараживания воды солями (ионами) тяжелых металлов, названный олигодинамией, основан на взаимодействии ионов тяжелых металлов (меди, серебра) с цитоплазмой клеток микроорганизмов, вызывающем функциональные нарушения и приводящим к их гибели. Ионы меди вводят в охлаждающую воду в виде медного купороса CuSO₄ ·5H₂O или получают растворением медных анодов, расположенных в трубопроводах подачи охлаждающей воды.

Технология хлорирования охлаждающей воды предусматривает ввод хлора в обрабатываемую воду на всас циркуляционных насосов в виде хлорной воды. Из-за возможной утечки ядовитого газа через неплотности в соединениях, в некоторых хлораторах в настоящее время применяются устройства для получения хлорной воды в вакуумных хлораторах производительностью 0,5 – 50 кг/ч.

Хлорирование охлаждающей воды обычно осуществляют периодически в зависимости от скорости образования биологических отложений и их толщины (1 – 3 раза в сутки продолжительностью 40 – 60 минут). Суточный расход хлора:

где Q – расход охлаждающей воды, м³/ч;

d – доза хлора, г/м³;

τ – продолжительность периода хлорирования, мин.;

n – число периодов хлорирования за сутки.

Оборудование для хлорирования и распределения хлора должно быть расположено в отдельном помещении для предотвращения коррозии оборудования в смежных помещениях.

Основы проектирования систем водоочистки.

Проектирование схем водоподготовительных установок (ВПУ).

При проектировании теплоэнергетических станций одновременно решаются вопросы создания надежных и экономичных систем водоприготовления и водообработки, включающих комплекс следующих установок: для приготовления питательной воды котлов; для приготовления подпиточной воды тепловых сетей; для обработки охлаждающей воды конденсаторов турбин; продувочных вод градирен и продувочных вод золоотвалов; для обработки сточных вод теплоэнергетических станций, в том числе для полной переработки сточных вод и ликвидации высокоминерализованных сбросов; для очистки конденсата турбин; для очистки промышленных и общестанционных загрязненных конденсатов. Рассмотрим основные положения и рекомендации, учитываемые при проектировании водоподготовительных установок.

Выбор схемы водоподготовительной установки производится с учетом типа паропроизводящего оборудования, качества исходной воды, требований к качеству обрабатываемой воды, санитарно-гигиенических условий по сбросным водам и технико-экономических соображений. Основные положения при проектировании регламентируются действующими «Нормами технологического проектирования тепловых электростанций».

На теплоэнергетических станциях для подготовки добавочной воды используют, как правило, химическое обессоливание при среднегодовом суммарном содержании анионов сильных кислот до 5 мг-экв/кг, а также при отсутствии в исходной воде соединений, не удаляемых при коагуляции и известковании. При наличии таких соединений допускается применение испарителей.

При концентрации > 5 мг-экв/кг используется химическое обессоливание в сочетании с мембранными методами или термическое обессоливание, выбор которых производится на основе технико-экономического анализа.

На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) с отдачей пара на производство возможно использование паропреобразователей, вырабатывающих вторичный пар из исходных вод повышенной минерализации, что сокращает потери пара в основном цикле.

При невозможности сброса нейтрализованных стоков с водоподготовительной установки последняя дополняется испарителями для обработки стоков или реализуются комбинированные схемы водоприготовления (см. «Комплексная очистка высокоминерализованных вод»).

В качестве исходной воды на водоподготовительной установке следует применять при соответствующем технико-экономическом обосновании воды поверхностных источников, воды артезианских скважин не питьевого назначения, если их качество не хуже вод открытых водоемов, воды прямоточных и циркуляционных охлаждающих систем, очищенные промышленные сточные воды.

Для теплоэнергетических станций (конденсационных электростанций и ТЭЦ-отопительных) производительность водоподготовительной установки следует принимать равной 2% паропроизводительности установленных котлов. Эта величина не включает потери пара и конденсата при водных отмывках и химических очистках, собственных нужд БОУ, деаэрации добавочной воды теплосети, резерва и тому подобное.

При использовании пара на разогрев мазута (без возврата конденсата) расчетное значение потерь для газомазутных станций принимается равным 0,15 тонн на 1 тонну нагрузки. Производительность водоподготовительной установки для теплоэлектроцентрали с производственным отбором пара выбирается из расчета покрытия 2% внутристанционных потерь пара и конденсата, покрытия потерь пара на производстве с 50% запасом на невозврат конденсата. В закрытых системах теплоснабжения расчетный числовой расход подпиточной умягченной деаэрированной воды принимается равным 1% объема воды в трубопроводах тепловых сетей и присоединенных местных систем.

При питании обессоливающей установки водой поверхностного источника ее предочистка производится в осветлителях с коагуляцией и известкованием на механических фильтрах.

Вместимость баков осветленной воды должна быть рассчитана на часовой запас и на возможность промывки одного механического фильтра в течение 20 минут. Для повторного использования вод взрыхления механических фильтров устанавливается специальный бак и насос для подачи воды со взвесью в осветлитель. Дозирование растворов и суспензий производится насосами-дозаторами.

На основании опыта эксплуатации водоподготовительных установок при выборе числам и размеров фильтров принимаются: скорость фильтрования воды в механических фильтрах 10 м/ч, при отсутствии осветлителей – 5 м/ч; в катионитных фильтрах второй ступени и ФСД с внутренней регенерацией – 40 – 50 м/ч; в ионитных фильтрах – 20 – 30 м/ч; высота слоя загрузки анионитов, сильно- и слабокислотных катионитов не менее 0,8 метра, сульфоугля – не менее 1 метра.

На теплоэнергетических станциях с барабанными котлами обычно применяются двухступенчатые схемы обессоливания, на блоках с прямоточными котлами – трехступенчатые схемы обессоливания, причем третьей ступенью является фильтр смешанного действия БОУ, а при использовании испарителей обязательной является доочистка дистиллята.

При проектировании схем подготовки подпиточной воды тепловых сетей следует учитывать тип системы (закрытый или открытый), а также наличие или отсутствие водогрейных котлов, требующих повышенного качества нагреваемой воды. Вода для подпитки открытых систем теплоснабжения приготавливается из воды питьевого качества по следующим технологическим схемам: Н-катионирование с «голодной» регенерацией для вод с Ж_о = Ж_к, подкисление для вод с Ж_к = Ж_о – (0 ÷ 3) мг-экв/кг, подкисление с частичным Na-катионированием, при ограничениях по сбросам, при недостаточности подкисления последнее дополняется известкованием или содоизвесткованием.

Так как обычно в состав водоподготовительной установки входят системы различного назначения (питательная вода котлов, тепловой сети, питательная вода испарителей и так далее), то для повышения надежности эксплуатации этих систем предусматривается перемычка между отдельными группами одноименного оборудования.

На мощных энергоблоках с прямоточными котлами очистка турбинного конденсата является основным обязательным мероприятием по поддержанию оптимального водного режима, поэтому предусматривается за каждой турбиной обезжелезнивание и обессоливание всего конденсата, выходящего из конденсатора, и общестанционные загрязненные потоки конденсата (постоянные или периодические). Для этого используется автономная обессоливающая установка (АОУ).

На теплоэлектроцентралях с отдачей пара на производство возвращаемый конденсат доочищается до качества, соответствующего качеству питательной воды, на специальной конденсатоочистке, если его жесткость не более 50 мкг-экв/кг, содержание железа – 1000 мкг/кг, нефтепродуктов – 0,5 мг/кг, окисляемость по кислороду 20 мг/кг. Если возвращаемый конденсат имеет худшее качество или содержит загрязняющие примеси больше указанного, то его следует использовать как питательную воду для испарителей или паропреобразователей. Для приема производственного конденсата устанавливаются два бака с объемом, рассчитанным на двухчасовой возврат каждого.

Для очистки конденсатов от продуктов коррозии с учетом температуры конденсата применяются катионитовые фильтры второй ступени, загруженные сульфоуглем при температуре конденсата меньше 50 ⁰С, или катионитом КУ-2 при температуре до 100 ⁰С.

Лекция №14

Отложения в котлоагрегатах и теплообменниках и их предотвращение.

Состав, свойства и структура отложений.

Основные положения.

Различные примеси, содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделяться в твердую фазу на внутренних поверхностях парогенераторов, испарителей, подогревателей и конденсаторов паровых турбин в виде накипи, а внутри водяной массы – в виде взвешенного шлама. Из элементов парогенераторов загрязнению внутренних поверхностей больше всего подвержены обогреваемые экранные трубы. Образование отложений на внутренних поверхностях труб влечет за собой ухудшение теплопередачи и, как следствие, опасный перегрев металла труб. Как известно, температура стенки t_ст со стороны газов при загрязненной накипью поверхностью определяется:

где t_н – температура насыщения кипящей воды;

q – плотность теплового потока, Вт/м²;

δ_ст, δ_нак – толщина стенки и слоя накипи, м;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от накипи к воде, Вт/(м²·К).

Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока q достигает в них 600 – 700 кВт/м², а локальные тепловые потоки в них могут быть еще больше. Поэтому даже кратковременное ухудшение теплоотдачи от стенки к воде приводит к значительному росту температуры стенки трубы, вследствие чего прочность металла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникающие в нем напряжения, что приводит к повреждению металла в виде отдушин, свищей, разрывов труб.

При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб (что имеет место при эксплуатации парогенераторов) накипь отслаивается от стенок в виде хрупких и плотных чешуек. В местах замедленной циркуляции происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более плотные образования. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих труб приводит к нарушению циркуляции. В так называемой переходной зоне прямоточного парогенератора, где испаряются последние остатки влаги и осуществляется перегрев пара, образуются соединения кальция, магния и продуктов коррозии. При этом на полупериметре парообразующей трубы, обращенной в топку, отложений в 2 – 3 раза больше, чем на стороне, прилегающей к стенке топочной камеры. Все это значительно сокращает продолжительность работы компании парогенератора.

Для того, чтобы обеспечить минимальные отложения, необходимо строго поддерживать эксплуатационные нормы допустимого содержания в питательной воде тех или иных примесей. С этой целью питательная вода подвергается глубокой химической очистке, либо дистилляции на водоподготовительных установках.

Для борьбы с последствиями загрязнения конденсата солями жесткости питательная и котловая вода подвергаются систематической коррекционной обработке разнообразными реагентами (фосфаты, комплексоны и др.), обеспечивающими выделение накипеобразователей в форме неприкипающего шлама, выводимого из парогенератора с помощью его периодической продувки.

В целях предотвращения образования накипных отложений в теплофикационных системах подпиточная вода подвергается умягчению.

Отложения на поверхностях нагрева бывают весьма разнообразными по химическому составу, структуре, плотности. Наряду с рыхлыми пористыми отложениями, подобными пемзе или туфу, встречаются отложения, которые по твердости и прочности связи с металлами напоминают эмали. Разнообразны также состав и физические свойства котлового шлама. Отложения в парогенераторах по химическому составу делятся: 1. щелочноземельные; 2. железные; 3. медные.

В первую группу входят кальциевые и магниевые накипи (карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные), в составе которых преобладают (до 90%) СаСО₃, СаSО₄, CaSiO₃, 5CaO·5SiO₂·H2O, Ca(PO₄)₂, Mg(OH)₂.

Во вторую группу входят железоокисные Fe₂O₃, Fe₃O₄, железофосфатные Fe₃(PO₄)₂, NaFePO₄ и железосиликатные Na₂O·Fe₂O₃·SiO₂ накипи.

В третью группу входят отложения металлической Cu и окиси Cu, CuO, Cu₂O.

Карбонатная накипь откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда нещелочная. Этими поверхностями являются водяные экономайзеры, конденсаторы турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети и др. В условиях же кипения щелочной воды (в парогенераторах, испарителях) CаСО₃ обычно выпадает в форме неприкипающего шлама.

Сульфатная накипь обладает большими твердостью и плотностью.

Силикат кальция образует твердую накипь, крепко пристающую к стенкам поверхности нагрева.

Сложные силикатные накипи имеют разнообразный минеральный состав, т.к. кремниевая кислота образует накипи не только с катионами Са и Mg, но и с катионами Na, Fe и Al. В составе сложных силикатных накипей содержится до 40-50% кремниевой кислоты, 25-30% окислов Fe, Mg и Alи 5-10% окиси Na. Эти сложные силикатные накипи характеризуются разнообразием структурой пористых и комковых отложений до твердых и плотных образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверхность.

При повышенном содержании фосфатов и Fe в котловой воде и низкой ее щелочности на внутренних поверхностях парообразующих труб откладываются (равномерно распределенные по длине) рыхлые железофосфатные накипи Fe₃(PO₄)₂, NaFePO₄, которые при обстукивании труб сравнительно легко отваливаются от стенок.

На внутренней поверхности экранных труб в зонах наибольших температур факела, характеризующими высокими местными тепловыми нагрузками, откладываются железоокисные накипи в основном в форме магнетита Fe₂O₄. Нередко в них присутствует в толще слоя отложений металл Сu. При повышенном содержании соединений меди в питательной воде на участках парообразующих труб – при откладывается и прочно пристает к металлу слоистая накипь, основным компонентом которой является металл Cu. Распределение меди в толще медной накипи таково, что верхний слой, омываемый котловой водой, содержит наибольшее количество Cu (70-90% веса пробы), а последующие слои накипи по мере приближения к трубе содержат все меньший % Cu при одновременном возрастании окислов Fe, фосфатов Са и других компонентов.

Накипи в большинстве случаев имеют смешанный характер. В процессе эксплуатации парогенератора при изменениях его гидродинамического и теплового режимов, связанных с ростом нагрузки, возможно образование на стенках парообразующих труб временных натриевых отложений Na₂SO₄, Na₂SiO₃, NaCl, которые являются хорошо растворимыми в воде и полностью вымываются со стенок труб при остановке парогенератора, либо резком снижении нагрузки.

Взвешенные частицы в котловой воде увеличиваются в размере за счет кристаллизации на их поверхности веществ из котловой воды. а также взаимного сцепления, образуя на внутренних поверхностях илистые шламовые соединения.

Следует различать:

а) шламы, не прикипающие к поверхностям нагрева и поэтому сравнительно легко выводимые наружу во время работы котла путем периодической продувки последнего, к их числу относятся гидросилапатин и серпентин, а также карбонат Са в щелочной воде;

б) шламы, способные при известных условиях прикипать к поверхностям нагрева и являющиеся материалом для образования так называемых вторичных накипей; к числу прикипающих шламов могут быть отнесены гидроокись магния и фосфатно-магнезиальные соединения. Отсюда следует, что одной из важных задач организации водного режима является создание в котловой воде таких условий, при которых накипеобразователи выделялись бы только в виде шлама, неспособного прикипать к стенкам труб и удаляемого из котла с продувочной водой.

Теплоизолирующие свойства отложений характеризуются следующими показателями: структура (пористость), теплопроводность, толщина и сила сцепления их с поверхностью металла.

Твердость и пористость отложений являются показателями, по которым можно судить о трудности удаления их с помощью скребков, шарошек и других механических способов. Теплопроводность их является важной характеристикой. Величины отложений зависят от их структуры и химического состава. Наибольшую опасность представляют силикатная накипь и накипь пропитанная маслом.

Полученные экспериментальные данные показывают, что достаточно незначительного по толщине слоя (0,1-0,2 мм) малотеплопроводной накипи на поверхности наиболее теплонапряженных экранных труб, чтобы температура металла на внутренней поверхности стенки достигла 500°С и более, а на наружной поверхности при этом – еще на 30-40°С выше, что за короткий период работы котла приводит к выпучинам и разрывам парообразующих труб.

Образование отложений в паровых котлах.

Согласно современным представлениям накипь и шлам образуются в результате физико-химических процессов, из которых основным является процесс кристаллизации, характеризующийся выделением твердой фазы из многокомпонентных солевых растворов. Выделение твердой фазы из раствора солей при его нагревании и кипячении может происходить различными путями. Например, из пересыщенного раствора солей могут сначала отлагаться на отдельных участках поверхности металла первичные зародышные кристаллы, которые затем укрупняются и разрастаются. Они являются своего рода связующим звеном между металлом стенки и слоем последующих твердых отложений. Их образование может быть объяснено шероховатостью металла.

К типичным накипеобразователям могут быть отнесены сернокислый кальций, силикат кальция и сложные алюмоферосиликаты.

Образование котельного шлама происходит в результате выделения в толще пересыщенного раствора кальциевых и магниевых солей зародышей твердой фазы, представляющих собой многочисленные центры кристаллизации солей. На этих центрах откладываются последующие молекулы кристаллизующейся соли, причем первые вследствие этого растут, переходя постепенно из субмикроскопических размеров в микроскопические. Ставший таким образом видимым осадок имеет аморфное или скрытое кристаллическое строение; далее частицы сливаются и с течением времени образуют кристаллические или хлопьевидные осадки. Типичными шламообразователями являются силикат магния, гидросилапатит и карбонат кальция (в щелочной среде).

Одни вещества, выделяясь из раствора в виде твердой фазы, кристаллизуются на горячих (нагреваемых снаружи) поверхностях нагрева, другие на холодных (охлаждаемых снаружи) поверхностях охлаждения, образуя в том и другом случаях прочную и плотную накипь; третьи выпадают в толще воды в виде взвешанных шламовых частиц. Если кристаллизация солей происходит непосредственно на поверхностях нагрева или охлаждения и при этом образуются твердые отложения, то такое явление называется первичным процессом накипеобразования. Вторичный процесс накипеобразования характеризуется тем, что выпавшие в начале в толщине котловой воды взвешанные частицы осаждаются и затем образуют прочно сцепленные с поверхностью нагрева вторичные отложения.

Рассмотрим условия протекания процесса образования накипи при парообразовании, когда концентрация присутствующих в котловой воде ионов постепенно возрастают. В насыщенном растворе труднорастворимого вещества произведение концентрации ионов достигает величины произведения растворимости ПР, характеризующего предел растворимости данного вещества при данной температуре и зависящего исключительно от температуры и химической природы вещества.

Если через КА обозначить труднорастворимую соль, в которой К⁺ обозначает катион, а А^– – анион, то для насыщенного раствора этой соли имеет место следующее равенство:

(1)

Здесь обозначают концентрации соответственно катиона и аниона, г–ион/кг раствора (грамм – ион в кг раствора).

Произведение растворимости ПР для данного соединения и данной температуры является величиной равной const, оно изменяется с изменением температуры.

Если , то раствор не насыщен и осадок выпадать не будет, при неизбежно выпадение осадка. Для насыщенных растворов сернокислого, углекислого и кремнекислого кальция характерны следующие равенства:

Выпадение из раствора данной соли начинается только в том случае, когда произведение концентрации ионов, входящих в ее состав, превышает значение произведения растворимости для данной соли. Из уравнения (1) следует, что с увеличением концентрации одного иона концентрация другого иона должна уменьшаться, так как величина произведения растворимости для данной температуры остается без изменений.

Условия образования накипей.

Щелочноземельные накипи образуются в тех случаях, когда в подогреваемой или испаряемой воде одновременно находятся катионы Са²⁺ и Mg²⁺ и анионы и с которыми образуют труднорастворимые соединения

Эти соединения выделяются в твердую фазу в результате физических и химических процессов. К физическим процессам относится постепенное повышение концентрации солей в котловой воде при продолжительном ее выпаривании, в результате чего наступает момент, когда достигается предел растворимости труднорастворимых солей и происходит выделение их в твердую фазу из пересыщенного раствора. К химическим процессам накипеобразования относятся следующие:

а) термический распад бикарбонатов Са и Mg, в результате которого бикарбонаты Са и Mg ( ) преобразуются в менее растворимые карбонаты Са и Mg;

б) гидролиз карбоната Mg, в результате последний переводится в еще менее растворимую гидроокись Mg.

в) реакции взаимного обмена, в результате образуются соли с меньшей растворимостью, например:

Скорость образования щелочноземельной накипи пропорциональна концентрации ионов Са и Mg в растворе и резко возрастает с увеличением тепловой нагрузки поверхности нагрева.

Ферро- и алюмосиликатные накипи образуются на высокотеплонапряженных поверхностях парообразующих труб в результате топохимических реакций веществ, входящих в их состав и находящихся в тесном соприкосновении. Особенностью их является то, что для их протекания вовсе не требуется приближение к температуре плавления системы или хотя бы одного из ее компонентов: взаимодействие между веществами начинается задолго до перехода в жидкую фазу.

Железоокисные и железофосфатные накипи образуются на наиболее теплонапряженных участках парообразующих труб за счет окислов Fe, попадающих в котловую воду при разрушении слоя прокатной окалины и ржавчины на внутренних поверхностях парогенератора, а также поступающих в парогенератор с питательной водой в результате коррозии ее тракта и накапливающихся в парогенераторе при нарушении нормального режима шламовых продувок.

Опыт эксплуатации ТЭС свидетельствует о том, что опасные железноокисные накипи возникают преимущественно на стороне парообразующей трубы, обращенной в топку. Скорость роста железноокисных отложений пропорциональна концентрации Fe в котловой воде и квадрату плотности теплового потока на поверхности труб. При концентрации окислов Fe > 0,5 мг/кг, они находятся в значительной степени в форме частиц коллоидного и грубодисперсного шлама, отложение которых на стенке трубы происходит за счет адгезии.

Железнофосфатные накипи образуются в результате неналаженного водного режима парогенераторов барабанного типа, когда в котловой воде солевых отсеков концентрация фосфат-ионов достигает 500-800 мг/кг. Предотвращение железнофосфатных накипей требует содержания в котловой воде свободного едкого натра (NaOH) не < 0,25 мг-экв/кг, каждой концентрации фосфата () должна отвечать соответствующая концентрация NaOH, выше которой не могути образовываться железофосфатные накипи.

Медные накипи образуются при плотности теплового потока экранных труб 230 кВт/м² и выше. Непременным условием образования медных накипей является попадание в парогенератор с питательной водой продуктов коррозии латунных труб конденсаторов, охладителей пара эжекторов и выпара деаэраторов, теплофикационных и регенеративных подогревателей.

Окись меди или ее гидрата растворима в горячей воде, в присутствии аммиака или его производных ее растворимость возрастает за счет образования аммиачных комплексов. В щелочной котловой воде медь находится в растворенном состоянии, которые разрушаясь образуют ионы Cu, способные восстанавливаться до металлической меди Следовательно, основной причиной образования накипей является электрохимический процесс восстановления меди, протекающий в зонах максимальных тепловых нагрузок, где под влиянием мощного теплового потока нарушена целостность защитной окисной пленки. В результате этого между отдельными участками металла создается местная разность потенциалов, которая может оказаться достаточной, чтобы стал протекать процесс электролитического выделения меди при данной концентрации ее ионов в котловой воде. Так как образующаяся медная накипь обладает хорошей электропроводностью, наличие ее на поверхности нагрева не является существенной помехой для продолжения электрохимических процессов, в результате которых выделяются новые порции металлической Cu.

Условия образования отложений легкорастворимых соединений.

В воде, испаряемой в парогенераторах, обычно содержаться примеси легкорастворимых веществ: сульфаты, хлориды, фосфаты, силикаты и гидроокись Na, которые попадают в питательную воду с добавочной питательной водой, производимой конденсатами и присосами охлаждающей воды в конденсаторах. При глубоком упаривании котловой воды и достижении концентраций, превышающих растворимость натриевых соединений, они кристаллизуются и образуют твердые отложения на поверхностях нагрева.

Рассмотрим условия, необходимые для образования водорастворимых отложений из натриевых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб. Если t_о – температура кипения чистой воды при данном давлении, а t_р – температура кипения насыщенного раствора данного вещества, то величина температурной депрессии показывает насколько температура стенки парообразующей трубы должна быть выше температуры кипения чистой воды при данном давлении, чтобы раствор соли мог быть выпарен досуха в атмосфере водяного пара данного давления. Экспериментальным путем установлено, что величины значений зависят от состава растворенных веществ и давления.

Образование отложений легкорастворимых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб определяются величиной ; оно возможно лишь в том случае, когда температура раствора в каком-либо участке пароводяного тракта парогенератора превышает температуру кипения воды на величину больше чем . Если в растворе преобладают вещества, характеризующиеся малой , достаточно небольшого перегрева стенки трубы, чтобы произошло полное испарение пленки воды с образованием твердых солевых отложений. Вещества с большим значением могут оставаться в растворе, даже, если температура стенки превышает температуру кипения чистой воды.

Когда гидродинамические нарушения отсутствуют и в парогенераторе имеет место нормальное пузырьковое кипение, происходит интенсивный тепло- и массообмен между перегретой жидкостью в пристенном слое и основной массой неперегретой котловой воды. При этом благоприятном температурном режиме не наблюдается сколько-нибудь существенного местного повышения температуры внутренней поверхности нагрева под паровыми пузырями и тем более температуры пристенного слоя котловой воды.

Так как на площадках поверхности нагрева под образующими паровыми пузырями не происходит глубокого упаривания раствора в пристенном слое и он остается ненасыщенным, то и не происходит кристаллизации солей. Отсюда следует, что в условиях нормального пузырькового кипения, даже при концентрациях значительно превышающих обычные солесодержания котловой воды, отложения легкорастворенных соединений на внутренних поверхностях труб не образуется. Лишь при нарушении режима гидродинамики пароводяной смеси и ухудшении температурного режима металла парообразующих поверхностей возможно местное повышение концентрации легкорастворимых соединений в пристенном слое котловой воды вплоть до насыщения с последующей кристаллизацией их и образованием твердых отложений. В указанных неблагоприятных условиях происходит глубокое упаривание пристенного слоя котловой воды, сопровождаемое резким уменьшением водосодержания потока пароводяной смеси.

Установлено, что при малых кратностях циркуляции и высоком паросодержании 2-х фазного потока имеет место переход от нормального пузырькового к опасному пленочному режиму кипения, т.е. наступает так называемый кризис кипения, когда паровые пузырьки не успевают отрываться от поверхности нагрева и образуют паровой изолирующий слой. Это приводит к нарушению массообмена между пристенным слоем и ядром потока, следствием чего является утонение либо полное упаривание раствора у стенки, резкое ухудшение температурного режима труб и выпадение на их внутренних стенках всех солей, в том числе легкорастворимых Na-х.

Для того, чтобы предотвратить кризис кипения и отложения легкорастворимых солей, необходимо увеличить скорость циркуляции и снизить местные тепловые нагрузки.

При расслоении пароводяной смеси, опрокидывании циркуляции и образовании свободного уровня в трубах локальная концентрация солей в пристенном слое этих труб может в сотни раз превышать среднюю концентрацию солей в циркуляционной котловой воде, т.к. происходит глубокое местное ее упаривание. Расслоение пароводяной смеси (лотковый режим течения) наблюдается обычно в интенсивно обогреваемых горизонтально и слабонаклоненных парообразующих трубах экранов. При этом в нижней части трубы, где движется вода, имеет место нормальное пузырьковое кипение жидкости и температура стенки трубы мало отличается от температуры насыщения. В верхней части сечения, где на стенках трубы отсутствует сплошная жидкая пленка, температура стенки трубы может быть значительно выше, т.к. коэффициент теплоотдачи от стенки к пару значительно меньше, чем от стенки к воде. При этом могут отлагаться (за счет выпаривания капелек воды) на стенках не только труднорастворимые соли щелочноземельных металлов, но и легкорастворимые натриевые соединения, которые обладают температурой кипения насыщенного раствора, близкой к температуре кипения котловой воды. Ликвидации этих явлений можно добиться увеличением угла наклона до 15-20°.

Поиск по сайту: