Водоподготовка котельных установок малой мощности

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

Суммарный расход воды в течение года, который необходимо обеспечить, складывается из следующих величин:

- потерь пара и конденсата технологическими потребителями;

- подпитки тепловой сети;

- на горячее водоснабжение при открытой системе теплоснабжения;

- на непрерывную продувку паровых котлов.

Рассмотрим водо-химические характеристики природных вод. Качество воды характеризуется наличием и концентрацией содержащихся в ней примесей. 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.

Вода представляет собой слабый раствор электролитов, разделяемых на положительно заряженные ионы или катионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Al³⁺ и др. отрицательно заряженные ионы или анионы Cl^1-, SO₄^2-, CO^2- и т.д.

Сухим остатком называют количество примесей минерального и органического происхождения, мг/кг, полученное при упаривании воды и высушивании при 110°С. Чем выше сухой остаток, тем хуже качество воды.

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⁺. Для малой жесткости воды и конденсата принята величина мкг-экв/кг воды (1/1000 мг-экв/кг).

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.

Иногда пользуются понятиями жесткости кальцевой Ж_Са и магниевой Ж_Mg, тогда Ж₀ = Ж_Ca + Ж_Mg.

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.

Пересчет результатов анализа воды в мг/кг на содержание вещества, мг-экв/кг, производится по соотношению.

Ж = Н∙С/Э.

В соотношении: С – концентрация данного вещества, мг/кг; Э - эквивалентная масса, которая может быть получена делением молекулярной массы вещества на его валентность в данной рекции.

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.

.

Количество растворенных в виде газов (кислорода и свободной углекислоты), которые могут вызывать коррозию стали и другие повреждения, оцениваются в мг/кг.

Из воды при ее подогреве и испарении происходит выделение солей, связанное с повышением их концентрации, вплоть до насыщения и возникновения кристаллизации.

В качестве питательной воды паровых котлов предъявляются повышенные требования по сравнению с водогрейными котлами.

Докотловая обработка воды состоит в том, что перед умягчением вода должна быть очищена от механических и коллоидных примесей. Процесс удаления трубодисперсных и коллоидных примесей называют осветлением. Его осуществляют путем фильтрования и отстаивания воды.

Умягчение воды методом катионного обмена основано на способности некоторых нерастворимых в воде материалов – катионов поглощать присутствующие в воде катионы кальция и магния, отдавая воде катионы натрия Na, водорода H или аммония NH₄, которыми предварительно насыщают материал. В зависимости от содержания в поверхностном слое катионита того или иного обменного катиона (Na, H или NH₄) различают Na-катионирование, Н-катионирование и NH₄-Na-катионирование.

1. натрий-катионирование

Самым дешевым способом умягчения воды является Na-катионирование. Катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ обрабатываемой воды замещаются на катионы натрия.

При этом протекают следующие реакции:

2NaR+Ca(HCO₃)₂↔CaR₂+2NaHCO₃

2NaR+CaCl₂↔CaR₂+2NaCl

2NaR+Mg(HCO₃)₂↔MgR₂+2NaHCO₃

2NaR+MgSO₄↔MgR₂+Na₂SO₄

R – условное обозначение катионита

В процессе Na-катионирования в воду переходят ионы Na⁺. Соли Na не являются накипеобразователями. Концентрация HCO^-₃ и Н⁺ при этом не изменяется и щелочность Na-катионированной воды остается равной исходной щелочности. Сухой остаток несколько увеличивается.

Для восстановления обменной способности фильтра его отключают на регенерацию. Регенерация осуществляется путем пропускания регенерационного раствора сверху вниз. Обычно используют 8÷10% раствор NaCl.

CaR₂+2NaCl↔2NaR+CaCl₂

MgR₂+2NaCl↔2NaR+MgCl₂

Для получения остаточной жесткости воды ≤0,02 мг-экв/кг принимают двухступенчатое Na-катионирование.

2. водород-катионирование

В этом методе катионит регенерируется кислотой и катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ обрабатываемой воды замещаются на катион водорода. При этом протекают следующие реакции:

2HR+Ca(HCO₃)₂↔CaR₂+2CO₂+2H₂O

2HR+CaCl₂↔CaR₂+2HCl

2HR+Mg(HCO₃)₂↔MgR₂+2CO₂+2H₂O

2HR+MgCl₂↔MgR₂+2HCl

Следует отметить, что в этом случае в воде уменьшается содержание бикарбонат-ионов HCO^-₃ и растет концентрация ионов Н⁺. В результате рН уменьшается и вода приобретает кислый характер. Питание котла такой водой недопустимо, ввиду ее коррозионной активности. Поэтому такая схема в чистом виде не применяется, а используется совместно с Na-катионированием (2 схемы).

При совместном Н-Na-катионировании вода фильтруется через слой катионита, обработанного в начале слабым раствором H₂SO₄, а затем NaCl.

Н-катионирование в котельной требует хранения и использования серной кислоты, применения кислотостойкого оборудования.

В производственно-отопительных котельных в настоящее время рекомендуется применять Н-катионитовые фильтры с голодной регенерацией. Эти фильтры регенерируются таким количеством H₂SO₄, которого хватает лишь для разрушения карбонатной жесткости. Получаемый фильтрат имеет слабую щелочную реакцию. После удаления свободной углекислоты в декарбонизаторах вода подвергается умягчению в Н-катионитовых фильтрах. В процессе Н-катионирования уменьшается как жесткость и щелочность воды, так и ее сухой остаток. Схема

3. аммоний-натрий-катионирование

Умягчение методом аммоний-натрий-катионирования основано на замещении Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺ и NH⁺₄. Регенерация аммоний-катионита производится сульфатом аммония. Реакция замещения аналогично Na-катионированию.

2NH₄R+Ca(HCO₃)₂↔CaR₂+2NH₄HCO₃

2NH₄R+Mg(HCO₃)₂↔MgR₂+2NH₄HCO₃

2NH₄R+CaCl₂↔CaR₂+2NH₄Cl

2NH₄R+MgSO₄↔MgR₂+(NH₄)₂SO₄

Аммоний-натрий-катионирование применяют когда нужно снизить щелочность и солесодержание котловой воды и нежелательно применение Н-катиони-рования.

В котле под действием высокой температуры аммонийные соли разлагаются

NH₄HCO₃→NH₃↑+H₂O+CO₂↑

NH₄Cl→ NH₃↑+HCl

(NH₄)₂SO₄→ 2NH₃↑+H₂SO₄

Этот метод не следует применять, если имеется опасность аммиачной коррозии оборудования, изготовленного из латуни и других медных сплавов; если пар применяется для технологических целей, не допускающих содержания аммиака; если пар или вода используются для систем горячего водоснабжения или в открытых системах теплоснабжения.

4. натрий-хлор-ионирование

Этот метод умягчения воды с одновременным снижением щелочности осуществляется путем фильтрования воды. После первой ступени натрий-катиониро-вания через фильтр, загруженный слабоосновным анионитом, например, АН-2Ф (регенерируемым также поваренной солью), а затем через натрий-катионитовый фильтр второй ступени. Вторая ступень катионирования может совмещаться с Сl-анионированием в одном фильтре.

Метод основан на замещении Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺, а HCO^-₃ и SO^2-₄ на Cl. При этом протекают следующие реакции:

в катионите

2NаR+Са(HCO₃)₂=СаR₂+2NаHCO₃

2NаR+MgSO₄=MgR₂+Nа₂SO₄

в анионите

A_HCl+NaHCO₃=A_HHCO₃+NaCl

2A_HCl+Na₂SO₄=A_H2SO₄+2NaCl

где A_H – условное обозначение анионита.

Методом натрий-хлор-ионирования воды можно получить жесткость до 0,01 (мг-экв)/кг и снижение щелочности до 0,2÷0,6 (мг-экв)/кг.

Ограничением применения этого метода является недостаточный выпуск промышленностью анионитов и высокая их стоимость.

Достоинством этого метода помимо простоты технологии, компактности оборудования и надежности эксплуатации является медленное нарастание остаточной жесткости фильтрата, позволяющее отключать фильтр при достижении ее величины до требуемых пределов.