ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Л.Л. Любимова, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков

ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ В ВОДОПОДГОТОВКЕ ПАРОВЫХ И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования

для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям

140101 «Тепловые электрические станции»,

140104 «Промышленная теплоэнергетика»,

140404 «Атомные электрические станции и установки»,

140502 «Котло- и реакторостроение»

Издательство Томского политехнического университета

2009

УДК 621.182.12(075.8) ББК 31.37я73

Л93

Любимова Л.Л.

Л93 Инженерные расчеты в водоподготовке паровых и водогрейных котлов: учебное пособие / Л.Л. Любимова, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 133 с.

ISBN 5-98298-453-1

В учебном пособии содержатся сведения об основных способах обработки воды, излагаются вопросы методологии проектирования, приведены принципиальные схемы водоочисток и методики инженерных расчетов схем водообработки для паровых и водогрейных котлов.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 140502 «Котло- и реакторостроение» направления 140500 «Энергомашиностроение», 140104 «Атомные электрические станции и установки» направления 140400 «Техническая физика» и по специальностям 140101 «Тепловые электрические станции» и 140104 «Промышленная теплоэнергетика» направления 140100 «Теплоэнергетика».

УДК 621.182.12(075.8) ББК 31.37я73

Рецензенты

Кандидат технических наук технический директор инженерного центра «Теплоуниверсал»

А.И. Артамонцев

Кандидат технических наук главный инженер ООО «Сибтерм»

И.И. Федецкий

ISBN 5-98298-453-1 © ГОУ ВПО «Томский политехнический университет», 2009

©Любимова Л.Л., Заворин А.С., ТашлыковА.А., 2009

©Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………. 6 ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………... 7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПОСЛЕ ОТДЕЛЬНЫХ СТАДИЙ ЕЕ ОБРАБОТКИ………………………... 9

1.1.Основные схемы обработки воды при использовании поверхностных водоисточников…………………………………... 9

1.1.1.Осветление на механических фильтрах, натрий-

катионирование……………………………………………... 9

1.1.2.Коагуляция в осветлительных фильтрах, фильтрование на механических фильтрах, натрий-катионирование

(одноили двухступенчатое)……………………………….. 11

1.1.3.Водород-катионирование с «голодной» регенерацией фильтра………………………………………………………. 16

1.1.4.Параллельное водород-натрий-катионирование………….. 17

1.1.5.Последовательное водород-натрий-катионирование……... 18

1.1.6.Известкование с коагуляцией в осветлителях, частичное химическое обессоливание…………………………………. 19

1.1.7.Схема полного обессоливания и глубокого обескремнивания……….…………………………………… 21

1.1.8.Полное ионитное обессоливание и обескремнивание……. 22

1.2.Основные схемы обработки воды при использовании артезианских осветленных вод или воды из питьевого водопровода………………………………………………………… 23

1.2.1.Схема частичного химического обессоливания артезианских вод……………………………………………. 23

1.2.2.Натрий-катионирование артезианских вод………………... 25

1.2.3.Водород-катионирование с «голодной» регенерацией фильтра, декарбонизацией и натрий-катионированием….. 25

1.2.4.Параллельное Н-Na-катионирование, декарбонизация…... 26

1.2.5.Схемы полного обессоливания…………………………….. 28

Вопросы для самопроверки…………………………………………... 28

ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ В ВОДОПОДГОТОВКЕ 30

2.1.Выбор схемы водоподготовки…………………………………….. 30

2.2.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от типа и конструкции котла……………………………………………….. 30

2.3.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от качества исходной воды……………………………………………………… 31

3

2.4.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от технологии последующего водоиспользования………………. 33

2.5.Пример расчета осветлительного фильтра……………………….. 34

2.6.Пример расчета дозы извести при коагуляции воды сернокислым железом……………………………………………... 39

2.7.Пример выбора схемы водоподготовки комбинированной котельной…………………………………………………………... 41

2.8.Пример расчета схемы водоподготовки комбинированной котельной……………………………….…………………………... 46

2.8.1.Показатели качества воды после отдельных стадий обработки……………….…………………………………… 46

2.8.2. Расчет натрий-катионитовых фильтров второй ступени…	47
2.8.3. Расчет натрий-катионитовых фильтров первой ступени…	52

2.8.4.Расчет предварительных водород-катионитовых фильтров с «голодной» регенерацией……………………... 55

2.9.Пример расчета комплексной схемы обработки воды методом коагуляции с известкованием, обескремниванием, дополнительным снижением щелочности путем подкисления

споследующим двухступенчатым натрий-катионированием….. 58

2.9.1. Расчет натрий-катионитовых фильтров второй ступени…	62
2.9.2. Расчет натрий-катионитовых фильтров первой ступени…	65

2.9.3.Расчет механических (антрацитовых) фильтров…………. 67

2.9.4.Расчет устройства для частичной нейтрализации щелочности серной кислотой……………………………… 69

2.9.5.Расчет осветлителей для коагуляции и известкования воды………….………………………………………………. 70

2.10.Пример расчета схемы глубокого обессоливания и обескремнивания методом водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтра, двухкратного водородкатионирования, однократного анионирования через

сильноосновный анионит с промежуточной декарбонизацией.. 74

2.10.1.Показатели качества воды после отдельных стадий ее обработки……………………………………………….. 77

2.10.2. Расчет высокоосновных анионитных фильтров…………	79
2.10.3. Расчет водород-катионитовых фильтров второй ступени	84
2.10.4. Расчет водород-катионитовых фильтров первой ступени	89

2.10.5.Расчет предварительных водород-катионитовых фильтров с «голодной» регенерацией……………………. 91

2.10.6.Пример расчета декарбонизатора………………………… 93

4

2.11. Пример расчета схемы глубокого обессоливания и обескремнивания воды водород-катионированием

с противоточной регенерацией фильтра, двухступенчатым анионированием на высокоосновных и низкоосновных анионитах с промежуточной декарбонизацией………………... 100

2.11.1.Показатели качества воды после отдельных стадий ее обработки………………………………………………. 102

2.11.2.Расчет высокоосновных анионитных фильтров второй ступени АII………………………………………………... 103

2.11.3.Расчет низкоосновных анионитных фильтров первой ступени АI………………………………………………… 107

2.11.4.Расчет противоточных водород-катионитовых фильтров…………………………………………………... 113

Вопросы для самопроверки…………………………………………. 118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………... 120 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………. 121

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие является вторым, переработанным вариантом изданного в 2001 году учебного пособия «Инженерные расчеты в водоподготовке», которое было предназначено для студентов дневного обучения по некоторым специальностям теплоэнергетического и энергомашиностроительного профилей.

В последующие годы усилились тенденции к формированию практических навыков при изучении систем водоподготовки, что определяется возрастанием требований экологии, надежности и безопасности объектов энергетики, энергетической безопасности регионов и той ролью, которую играет в этом эффективное применение технологий подготовки воды. Кроме того, совершенствование учебных планов подготовки специалистов в высшей школе на основе приоритетности развития профессиональных компетенций, расширение круга ориентированных на энергетику направлений, специальностей и специализаций, потребовало увеличения в учебных планах водоподготовительных дисциплин объема практических занятий. Отмечается также интерес к освоению методик расчетов оборудования водоподготовки в среде повышения квалификации и переподготовки специалистов производственных предприятий.

Все это определило потребность в переиздании пособия. В новом издании исключены из рассмотрения общие теоретические вопросы по методам обработки воды, они уже были в полной степени изложены в учебной литературе с достаточным представительством в библиотечных фондах, обновлены в соответствии с действующими «Правилами технической эксплуатации» и вынесены из основного текста в приложения нормы качества воды и пара паровых котлов, теплосетей и конденсаторов, расширен круг рассматриваемых примеров расчета комплексных схем водоподготовки и их отдельных элементов, каждый раздел сопровожден вопросами для самоконтроля. Приведенные примеры решения задач выбраны из расчета их применимости для методического руководства к практическим занятиям широким кругом студентов различных специальностей, магистрантов и слушателей курсов повышения квалификации и переподготовки. Изменения обоснованы апробацией материалов пособия в Томском политехническом университете в учебном процессе для студентов специальностей: 140101 «Тепловые электрические станции», 140104 «Промышленная теплоэнергетика» направления 140100 «Теплоэнергетика», 140404 «Атомные электрические станции и установки» направления 140400 «Техническая физика», 140502 «Котло- и реакторостроение» направления 140500 «Энергомашиностроение».

6

ВВЕДЕНИЕ

Выработка ресурса энергоустановок делает решающим фактором их безопасной и экономичной эксплуатации систематическое и неукоснительное поддержание норм качества питательной и котловой воды, пара и конденсата, обеспечивающих надежный водный режим и бесперебойную работу паросилового и теплофикационного оборудования вследствие высокой чистоты внутренних поверхностей, отсутствия повреждений из-за образования накипи и отложений на теплопередающих поверхностях и снижения интенсивности коррозионных процессов.

Другой важной проблемой современности, решаемой также средствами водоподготовки, является защита окружающей среды от вредных загрязненных жидких сбросов энергообъектов в источники водоснабжения.

Поэтому проблемам, связанным с обоснованным выбором и расчетом схемы водоподготовки в соответствии с нормами технологического проектирования, следует уделять должное внимание. Это особенно важно для организации подготовки воды котельных малой и средней мощностей при выпуске серийной заводской водоподготовительной аппаратуры без учета региональных особенностей используемой воды. В этой связи выбор схемы водоподготовительной установки (ВПУ) становится предметом анализа местных технических условий и региональных особенностей состояния вод и охраны окружающей среды.

Обычно при проектировании водоподготовительных установок решаются комплексные задачи, включающие подготовку воды для паровых котлов, теплосетей, охлаждающей воды конденсаторов пара турбин, обработку продувочных вод градирен, турбинных, загрязненных общестанционных и обратных конденсатов, обработку сточных вод и т. д.

Целью настоящего пособия и его центральной частью является представление методик инженерных расчетов комплексных схем водообработки, позволяющих решать поставленные задачи. Умение владеть инженерно-конструкторскими приемами расчета схем водообработки становится сегодня актуальным и в связи с тем, что в настоящее время в практике водоподготовки стали применять вместо дорогих импортных реагентов отечественные технические химические реагенты с низким содержанием полезного продукта, не отвечающие требованиям ГОСТ, и отечественные марки ионитов, цена которых растет без улучшения их качества, с меняющимися в процессе эксплуатации структурой и свойствами, склонных к пептизации и измельчению, не полностью регенерируемые и обладающие относительно низкой обменной емкостью. Это

7

обстоятельство во многом определяет схему водоочистки и вызывает необходимость переработки действующих схем ВПУ.

Общая стратегия представленных в пособии инженерных методик направлена на расчет технологических параметров эксплуатации и регенерации, что позволит избежать перерасхода реагентов и воды на собственные нужды, не завышать габаритов и числа действующих аппаратов, и следовательно, избегать сложности и громоздкости установок, оперативно изменять схему водоочистки в соответствии с имеющимися реагентами или, при изменении одной марки ионитов на более перспективную, комбинировать отдельные элементы и блоки схемы в зависимости от качества используемой воды, типа энергообъекта и требований потребителя, совершенствовать технологический процесс, что в конечном итоге повысит экономичность эксплуатации ВПУ.

Выбор рациональной схемы ВПУ связывается с увеличением продолжительности рабочей кампании энергообъекта при ужесточении норм качества питательной воды и пара по мере выработки ресурса с целью обеспечения надежной и безопасной эксплуатации паровых котлов, что не может быть достигнуто без оптимизационных расчетов всей схемы ВПУ и каждого ее элемента в отдельности.

8

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПОСЛЕ ОТДЕЛЬНЫХ СТАДИЙ ЕЕ ОБРАБОТКИ

1.1.Основные схемы обработки воды при использовании поверхностных водоисточников

1.1.1.Осветление на механических фильтрах, натрий-катионирование

Метод натрий-катионирования (рис. 1.1) рекомендуется применять для артезианской или осветленной воды с содержанием взвешенных веществ не более 5…8 мг/дм3 и окисляемостью не более 15 мг О2/ дм3, если не требуется снижения щелочности воды (при Na-катионировании щелочность не меняется). Натрий-катионирование требует предварительной очистки воды по методам «осветление на механических фильтрах», «коагуляция – осветление» или «коагуляция – известкование – осветление». Метод требует обезжелезивания воды во избежание заноса зерен катионита гидроокисью железа Fe(OH)3.

Основной результат работы схемы – удаление взвешенных частиц и умягчение. Умягчение воды в зависимости от требуемого эффекта можно осуществлять либо фильтрованием через один Na-катионитовый фильтр по одноступенчатой схеме, либо по двухступенчатой схеме путем последовательного фильтрования через фильтры первой и второй ступени.

При правильно выбранном режиме регенерации можно получить следующие показатели качества обработанной воды [1]:

Остаточная жесткость фильтрата после первой ступени ионирова-

ния – Жост = 0,1 мг-экв/дм3; Остаточная жесткость фильтрата после второй ступени ионирова-

ния – Жост = 0,01 мг-экв/дм3; Общая щелочность не меняется – Що.в = Щисх .

Сухой остаток увеличивается и определяется выражением:

SNa = Sисх + 2,96·ЖСa + 10,84 ЖMg, (1.1)

где SNa – сухой остаток Na-катионированной воды, мг/дм3; Sисх – сухой остаток исходной воды, мг/дм3;

ЖСа, ЖMg – кальциевая и магниевая жесткость исходной воды, мг-экв/дм3.

Если натрий-катионирование проводится после известкования, то в уравнении (1.1) значения кальциевой и магниевой жесткостей прини-

9

маются не исходными, а известкованной воды. Расчет кальциевой и магниевой жесткостей после известкования производится в разделе

1.1.2, пункт «в».

Если Nа-катионирование применяется после водородкатионирования с «голодной» регенерацией фильтров, то содержание кальция и магния следует рассчитывать в соответствии с указаниями разделов 1.1.1 и 1.1.3.

Для получения глубокоумягченной воды по одноступенчатой схеме методом натрий-катионирования (с остаточной жесткостью порядка 0,01…0,02 мг-экв/дм3) требуется существенное увеличение расхода соли на регенерацию отработавшего катионита. Двухступенчатая схема надежно обеспечивает этот показатель.

Исходная вода

1

2

3

4

Рис. 1.1. Принципиальная схема осветления на механических фильтрах с последующим натрий-катионированием:

1 – осветлительные (механические фильтры);

2 – натрий-катионитовый фильтр первой ступени;

3 – натрий-катионитовый фильтр второй ступени;

4 – обработанная вода в деаэратор

Процесс умягчения воды по методу Na-катионирования имеет самостоятельное значение для подготовки воды малой щелочности для котлов низких и средних давлений при возмещении любых потерь пара и конденсата, для обработки вод с повышенной карбонатной жесткостью (щелочностью) при возмещении малых потерь пара и конденсата, для горячего водоснабжения, для подпитки закрытой теплосети, для питания водогрейных котлов, для умягчения питьевой воды и широко применяется в промышленно-отопительных котельных.

Исходными данными для расчета натрий-катионитовых фильтров являются: производительность установки, общая жесткость обрабатываемой воды и требуемая остаточная жесткость фильтрата. При одноступенчатом катионировании остаточная жесткость определяется по-

10

требителем умягченной воды; при двухступенчатом катионировании она принимается равной Жост = 0,01мг-экв/дм3.

Расчет Nа-катионитовых фильтров заключается в определении следующих показателей: диаметра единичного фильтра, скоростей фильтрования в нормальном и форсированном режимах фильтрования, числа регенераций фильтров в сутки, параметров регенерации, расхода реагента на регенерацию, расхода воды на собственные нужды (глава 2).

1.1.2.Коагуляция в осветлительных фильтрах, фильтрование на механических фильтрах, натрий-катионирование

(одноили двухступенчатое)

Схема, рис. 1.2, применяется в тех же условиях, что и схема рис. 1.1.

Основной результат обработки воды – удаление взвешенных веществ, снижение окисляемости, умягчение.

Если кроме коагуляции производится известкование воды, рис. 1.2, то за счет извести снижается карбонатная щелочность, происходит удаление свободной углекислоты, частично снижается солесодержание. При коагуляции может быть три случая.

А. Коагуляция без подщелачивания известью

(для вод с Жк ≥ Dк+ 0,5).

При коагуляции, осветлении в осветлителях со взвешенным слоем [1], фильтровании на осветлительных фильтрах достигаются следующие показатели качества обработанной воды:

−прозрачность по шрифту – 30 см;

−содержание взвешенных веществ после осветлителя – не более

10 мг/дм3;

−содержание взвешенных веществ после осветлительных фильтров – 1…2 и не более 2 мг/дм3;

−остаточная окисляемость – около 40…30 % от исходной величины;

− остаточное содержание алюминия – 50…100, но не более

300 мкг/дм3 (в пересчете на Al);

−остаточное содержание железа – 100…150 мкг/дм3 (в пересчете на железо).

Остальные показатели определяются из следующих соотношений.

1.Карбонатная жесткость обработанной воды уменьшается на дозу введенного коагулянта:

Жок.в = Жк −Dк , мг-экв/дм3,

где Жк – жесткость карбонатная исходной воды, мг-экв/дм3;

11

Dк – доза коагулянта Al2 (SO4)3, FeSO4 или др., мг-экв/дм3.

2.Количество сульфатов коагулированной воды возрастает на дозу коагулянта:

(SO42− )о.в = (SO42− )исх + Dк , мг-экв/дм3,

где (SO42− )о.в – концентрация сульфатов в обработанной воде, (SO42− )исх – концентрация сульфатов в исходной воде.

3.Соответственно увеличению концентрации сульфатов возрастает некарбонатная жесткость обработанной воды:

Жо.в	= Ж	н	−D	, мг-экв/дм3,
н.к			к	.к

где Жон..вк – некарбонатная жесткость обработанной воды;

Жн.к – некарбонатная жесткость исходной воды.

4. Общая жесткость обработанной воды не меняется и равна общей жесткости исходной воды:

Жо.коаг = Жисх.в .

5. Содержание свободной углекислоты в обработанной воде равно

(СО2 )о.в = (СО2 )исх + 44Dк , мг/дм3, (СО2 )исх – содержание свободной углекислоты в исходной воде.

6.Щелочность исходной воды разрушается на дозу коагулянта, остаточная щелочность коагулированной воды равна:

Щост.коаг = Що.исх.в −Dк .

Если щелочность исходной воды Що.исх.в меньше дозы коагулянта

Dк, то воду необходимо подщелачивать известью Са(ОН)2 или едким натром NaOH. Доза едкого натра определяется выражением

CNaOH = Dк −Що.исх.в + Щост.коаг .

При этом Щост.коаг принимается равной Щост.коаг = 0,7 мг-экв/дм3.

7.Концентрация хлор-иона не изменяется, т. к. коагулянт Al2 (SO4)3

или FeSO4.

8.Кремнесодержание уменьшается на 60…90 % от CSiOисх2 [2].

9.Окисляемость снижается на 50…60 % от исходного значения. Неполное снижение окисляемости и кремния при коагуляции свя-

зано с тем, что соединения железа, алюминия и кремния находятся в воде в коллоидных и ионных формах, не удаляемых при коагуляции.

12

2

3

4

5

6

1				8
																7
				9

Рис. 1.2. Схема с коагуляцией и натрий-катионированием:

1 – исходная сырая вода; 2 – осветлитель; 3 – промежуточный бак; 4 – механический фильтр; 5 – Na-катионитовый фильтр первой ступени;

6 – Na-катионитовый фильтр второй ступени;

7 – обработанная вода в деаэратор; 8, 9 – коагуляция с известкованием

Б. Коагуляция с подщелачиванием известью

(для вод с Жк ≤ Dк + 0,5).

1. Жесткость обработанной воды увеличится на дозу извести: (Жо )о.в = Жо + Dк , мг-экв/дм3,

где (Жо )о.в и Жо – общая жесткость обработанной и исходной воды, соответственно.

2.Сухой остаток изменится в соответствии с выражением:

Sо.в =Sисх +α Dк , мг-экв/дм3,

где Sо.в, Sисх – сухой остаток обработанной и исходной воды, соответственно; α – коэффициент, учитывающий природу коагулянта. При коа-

гуляции сернокислым алюминием Al2 (SO4)3 и сернокислым железом FeSO4 коэффициент α = 68,07; α = 55,5 для FeCl2.

3.При коагуляции сернокислым железом или алюминием концентрация сульфатов увеличивается на дозу коагулянта:

(SO42− )о.в = (SO42− )исх + Dк, мг-экв/дм3,

где (SO42− )о.в – концентрация сульфатов в обработанной воде; (SO42− )исх – концентрация сульфатов в исходной воде.

4.При коагуляции хлорным железом увеличивается концентрация хлор-иона: (Cl− )о.в = (Cl− )исх + Dк , мг-экв/ дм3,

13

(Ca2+ )и.в ≥ Жк −(Жк )ост ,

где (Cl− )о.в , (Cl− )исх – концентрация хлоридов в обработанной и исходной воде, соответственно.

В. Коагуляция с FeSO4, известкованием и фильтрованием на осветлительных фильтрах

Данный процесс протекает по схеме:

4 FeSO4 + 4 Ca(OH)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe(OH)3↓ + 4 CaSO4,

где гидрооксид железа Fe(OH)3 является коагулирующим агентом. В зависимости от качества известкуемой воды возможно два слу-

чая.

Первый случай. В воде содержится большое количество кальция и выполняется условие:

(1.2)

где (Жк )ост – остаточная карбонатная жесткость обработанной воды.

Это значит, что катионы магния входят в некарбонатную жесткость, и их осаждения при известковании не требуется, т. к. при этом магниевая некарбонатная жесткость сменяется эквивалентным количеством кальциевой некарбонатной жесткости, например:

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2.

При проведении процесса коагуляции с известкованием, когда выполняется условие (1.2), из исходной воды удаляется свободная углекислота, снижается карбонатная жесткость, уменьшается сухой остаток обработанной воды.

Тогда технологические показатели качества выражаются следующими зависимостями.

1.Остаточная карбонатная жесткость (карбонатная щелочность) находится из диапазона значений (Жк)ост = 0,5…0,7 мг-экв/дм3 на основании опыта наладки промышленных установок, табл. 1.1.

				Таблица 1.1
	Остаточная щелочность известкованной воды в зависимости
	от концентрации кальция
	Концентрация кальция (Ca2+ )
	изв	> 3	1…3	0,5…1
	в известкованной воде, мг-экв/дм3
	Остаточная карбонатная жесткость,
	(Жк)ост, мг-экв/дм3	0,5…0,6	0,6…0,7	0,7…0,75

Причем, остаточная карбонатная жесткость тем меньше, чем больше кальция в воде, табл. 1.1.

14

2.Общая жесткость обработанной воды определяется из уравнения:

(Жо)о.в = Жо – [Жк – (Жк)ост] + Dк.

3.Сухой остаток устанавливается в соответствии с выражением:

Sо.в = Sи.в – 20,04 [(Са2+)и.в – (Жк)ост] – 61,02 [Жк – (Жк)ост]/2 + 68,07 Dк.

4.Концентрация сульфатов составляет: (SO4 2¯)о.в = (SO 4 2¯)и.в + Dк.

5.Кальциевая жесткость известкованной воды равна:

(ЖСa)о.в. = ЖCa –Жк – (Жк)ост .

6.Магниевая жесткость в этом случае не меняется и равна магниевой жесткости исходной воды.

Второй случай. В исходной воде выполняется соотношение

(Са2+)и.в ≤ Жк – (Жк)ост.

Это значит, что в исходной воде содержится бикарбонат магния. Тогда из известкуемой воды удаляется кальций и требуется удаление магния или его части, связанной бикарбонатами:

Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2 CaCO3↓ + 2 H2O.

Приведенная реакция иллюстрирует снижение щелочности и карбонатной жесткости. Для удаления карбонатной жесткости достаточно, чтобы рН было равно 9,6. А для осаждения всего количества магния необходимо значение рН = 10,2…10,3. Для этого коагуляцию проводят сернокислым железом.

Показатели жесткости и сухой остаток составят:

1.Жесткость карбонатная остаточная принимается равной:

(Жк)ост = 0,7 … 1,0 мг-экв/кг.

2. Жесткость общая определяется из уравнения:

(Жо)о.в = Жо – Жк + (Жк)ост.

3.Сухой остаток снижается и рассчитывается согласно выражению: Sо.в = Sи.в – 20,04 (Са2+)и.в – 12,6 [Жк – (Са2+)и.в – (Жк)ост] –

–61,02 [Жк – (Жк)ост] / 2.

4.В данной схеме кальций удаляется практически полностью, оста-

точное содержание кальция соответствует избыточной дозе извести, которую вводят с избытком для более полного осаждения магния и которая равна: (ЖСa)о.в = 0,5…0,3 мг-экв/дм3.

5.Магниевая жесткость известкованной воды равна: (ЖMg)о.в = Жк – (Жк)ост – (ЖCa)и.в.

15

1.1.3. Водород-катионирование с «голодной» регенерацией фильтра

В отличие от процесса водород-катионирования, при котором для регенерации фильтров берется 1,5…2-разовый избыток кислоты по сравнению с теоретическим, при Н-катионировании с «голодной» регенерацией, рис. 1.3, расход кислоты соответствует теоретическому или даже несколько ниже. Ионный обмен, происходящий в верхних слоях такого фильтра, соответствует обычному водород-катионированию и разрушает карбонатную жесткость обрабатываемой воды:

2 RH + Са(НСО3)2 → R2Ca + 2 Н2О + 2 СО2 ↑, 2 RH + Mg(НСО3)2 → R2Mg + 2 Н2О + 2 СО2 ↑.

Минеральные кислоты, образующиеся в верхних слоях фильтра, регенерируют солевые формы катионита, восстанавливая некарбонатную жесткость:

R2Cа + 2 НCl → 2 RН + СаСl2, R2Cа + Н2SO4 → 2 RН + Cа SO4.

Рис. 1.3. Схема водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров:

1 – исходная вода; 2 – Н-катионитовый фильтр, регенерируемый «голодной» дозой кислоты; 3 – буферные (саморегулирующиеся) фильтры; 4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизованной воды; 6 – выход декарбонизованной воды

Таким образом, при водород катионировании с «голодной» регенерацией фильтра достигаются следующие показатели.

1.Снижение карбонатной жесткости. Остаточная карбонатная жесткость составляет: Жголк.ост = 0,5…1,5 мг-экв/дм3.

16

2.Общая жесткость Н-катионированной воды определяется выраже-

нием: Жголо = Жо −Жк +Жголк.ост = Жн.к +Жкгол.ост .

3.Сухой остаток Н-катионированной воды равен:

SНгол = Sи.в – 20,04(ЖСа)Нгол – 12,16(ЖMg)Нгол – 61,02[Жк – Жголк.ост ]/2,

где SНгол – сухой остаток воды после Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтра, мг/дм3;

(ЖСа)Нгол, (ЖMg)Нгол – кальциевая и магниевая жесткости, удаляемые при Н-катионировании с «голодной» регенерацией

фильтра.

Количество углекислоты, образующейся в процессе водородкатионирования с «голодной» регенерацией фильтра и подлежащее удалению в декарбонизаторе, определяется в главе 2, раздел 2.10.6.

1.1.4. Параллельное водород-натрий-катионирование

Схема параллельного Н–Nа-катионирования, рис. 2.12, применяется при условии, что в исходной воде Жк > 0,5 Жо, и при суммарной концентрации анионов сильных кислот менее 7 мг-экв/дм3, когда по составу исходной воды нельзя использовать технологию водородкатионирования с «голодной» регенерацией фильтра [1, 3].

В схеме параллельного Н–Nа-катионирования исходная вода делится на два потока, доля «х» одного из которых направляется на водо- род-катионитовый фильтр, а другой поток с долей (1 – х) поступает на Nа-катионитовый фильтр. В смесителе кислый и мягкий фильтрат после Н-катионитового фильтра смешивается со щелочным и мягким фильтратом Nа-катионированной воды:

2 NaНСО3 + Н2SO4 → Na2SO4 + 2 H2O + 2 CO2; NaНСО3 + НСl → NaСl + H2O + CO2.

Щелочной фильтрат (1 – х) должен полностью нейтрализовать кислотность водород-катионированной воды «х» и обеспечить остаточную щелочность после декарбонизатора

Щост.о.в = 0,3…0,4 мг-экв/дм3.

Доля воды «х», подаваемая на Н-катионитовый фильтр, определя-

ется из выражения:
(1−x) СНСО3−	−x СSO42−		+ СCl− + СNO3−			= Щост , откуда
x =		СHCO3− −Щост					.
	C	− +С	2− +С	Cl	− +С	−
		HCO3	SO4			NO3

Технология параллельного Н–Nа-катионирования обеспечивает умягчение воды, снижение щелочности и солесодержания и удаление

17

углекислоты, выделяющейся в смесителе при смешивании мягкого и кислого фильтрата Н-катионитовых фильтров и мягкого и щелочного фильтрата натрий-катионитовых фильтров.

1.1.5. Последовательное водород-натрий-катионирование

В схеме последовательного Н–Nа-катионирования исходная вода делится на два потока, один из которых с долей «х» направляется на Н- катионитовый фильтр. Кислый и мягкий фильтрат Н-катионированной воды смешивается с исходной сырой водой, доля которой составляет

(1 – х):

Са(НСО3)2 + Н2SO4 → СаSO4 + 2 H2O + 2 CO2; Са(НСО3)2 +2 НСl → СаСl2 + 2 H2O + 2 CO2.

Щелочность исходной сырой воды (1 – x) должна полностью нейтрализовать кислотность водород-катионированной воды «x» и обеспечить остаточную щелочность после декарбонизатора перед натрийкатионитовым фильтрами.

При смешивании кислого фильтрата Н-катионитовых фильтров с исходной водой разрушается карбонатная жесткость (щелочность), образующийся при этом углекислый газ удаляется в декарбонизаторе, а некарбонатная жесткость СаSO4, СаСl2 устраняется при последующем двухступенчатом натрий-катионировании.

Доля воды «х», подаваемая на Н-катионитовый фильтр, определяется из выражения:

x =			СHCO3− −Щост					.
	C	HCO3	− + С	2− + С	Cl	− + С	−
				SO4			NO3

Схема применяется для умягчения воды и снижения щелочности для вод с солесодержанием выше 1000 мг/дм3 при Жк > 0,5 Жо [2].

Схема отключается на регенерацию при повышении щелочности до

0,7…1,0 мг-экв/дм3 [2].

18

Рис. 1.4. Схема последовательного Н–Na-катионирования:

1 – исходная вода; 2 – Н-катионитовый фильтр первой ступени 3 – декарбонизатор; 4 – бак декарбонизованной воды

5 – Nа-катионитовый фильтр первой ступени;

6 – Nа-катионитовый фильтр второй ступени; 7 – выход фильтрата

1.1.6. Известкование с коагуляцией в осветлителях, частичное химическое обессоливание

Схема может применяться для исходной воды из поверхностного водоисточника при содержании катионов Na+ < 1мг-экв/дм3 и при сумме анионов сильных кислот в воде ∑Ас.к < 3 мг-экв/дм3.

Предочистка с известкованием удаляет свободную и связанную формы угольной кислоты, поэтому декарбонизатор в схеме не требуется.

Водород-катионитовый фильтр в схеме рис. 1.5 обычный и загружается сульфоуглем. Н-катионитовый фильтр работает до проскока жесткости.

Рабочая обменная способность катионита при его работе до проскока жесткости определяется из уравнения:

Eнр = αН βNa Епол −0,5 q Ск ,

где αН – коэффициент эффективности регенерации Н-катионита;

βNa – коэффициент, учитывающий снижение обменной способности по Са2+ и Mg2+ за счет частичного задержания катионов Na;

Епол – полная обменная способность катионита; q – удельный расход воды на отмывку катионита;

Ск – общее содержание в воде катионов кальция, магния, натрия, калия.

19

Анионитный фильтр загружается низкоосновным анионитом и регенерируется едким натром.

Основной результат – удаление взвешенных веществ, снижение окисляемости, снижение щелочности, удаление свободной углекислоты, частичное снижение солесодержания, умягчение.

Схема допускает наличие в обработанной воде катионов натрия и кремниевой кислоты. Хлориды и сульфаты удаляются из воды за счет низкоосновного анионирования. Схема применима на теплоэлектроцентралях с барабанными котлами средних параметров для обработки вод с повышенной концентрацией некарбонатных солей при возмещении больших потерь пара и конденсата.

Исходная вода

1

2

3

4

Рис. 1.5. Схема частичного химического обессоливания:

1 – предочистка с коагуляцией и известкованием; 2 – водород-катионитовый фильтр; 3 – анионитный фильтр; 4 – обработанная вода в деаэратор

В представленной на рис. 1.5 схеме водород-катионирование ведется до проскока жесткости, натрий из исходной воды не удаляется, концентрация катионов натрия равна их содержанию в исходной воде, а остаточное содержание хлоридов и сульфатов определяется следующими уравнениями: если концентрация сульфатов в частично обессоленной воде равна нулю, то остаточная концентрация хлоридов составляет, мгэкв/дм3 [1]:

(Cl− )ост = (Na+ )и.в – Щост, при (SO42− ) > 0 (SO42− )ост = (Na+ )и.в – Щост – (Cl− )ост , мг-экв/дм3.

Если требуется глубокое умягчение воды (Жо < 0,1 мг-экв/дм3), после анионитного фильтра устанавливают буферный Na-катионитовый фильтр.

Схема (рис. 1.5) может применяться для поверхностных вод, когда содержание Na+ – не нормируется, а ∑Ас.к > 3 мг-экв/дм3. В этом случае обычный водород-катионитовый фильтр загружается сильнокислотным

20

катионитом КУ-2, который работает до проскока Na+. Анионитный фильтр – низкоосновный, регенерируется едким натром.

Схема (рис. 1.5) может применяться для поверхностных вод, когда содержание Na+ – не нормируется, а ∑А с.к > 5 мг-экв/дм3. В этом случае водород-катионитовый фильтр – противоточный, загружается катионитом сильнокислотным КУ-2. Анионитный фильтр – низкоосновный, регенерируется едким натром.

Схема (рис. 2.5) может работать при двухступенчатом водородкатионировании, тогда первая ступень работает до проскока жесткости (катионов кальция и магния), а вторая ступень – до проскока катионов натрия. При использовании в качестве водород-катионитов высокоемких катионитов схема может работать в одну ступень до проскока катионов натрия.

1.1.7. Схема полного обессоливания и глубокого обескремнивания

Схема (рис. 1.6) обеспечивает полное ионитное обессоливание и относительно глубокое обескремнивание осветленной воды по сокращенной схеме: двукратное Н-катионирование–декарбонизация–фильт- рование через сильноосновный анионит. Схема применима на ТЭЦ с барабанными котлами высокого давления для обработки воды с концентрацией некарбонатных солей порядка 1…2 мг-экв/дм3.

Рис. 1.6. Схема c коагуляцией, двухступенчатым водород-катионированием, удалением углекислоты и сильноосновным анионированием:

1 – предочистка коагуляцией; 2 – Н-катионитовый фильтр первой ступени; 3 – Н-катионитовый фильтр второй ступени; 4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизованной воды; 6 – сильноосновное анионирование;

7 – обессоленная вода в деаэратор

В этой схеме вторичное Н-катионирование и фильтрование через сильноосновный анионит могут быть объединены в одном фильтре, за-

21

груженном смесью Н-катионита и сильноосновного анионита, т. е. в фильтре смешанного действия (ФСД).

При обработке вод с малым содержанием некарбонатных и карбонатных солей весь процесс обессоливания по данной схеме можно осуществить путем фильтрования только через один ФСД и тогда не понадобится удалять углекислоту.

2.1.8. Полное ионитное обессоливание и обескремнивание

Схема (рис. 1.7) предусматривает полное ионитное обессоливание и обескремнивание осветленной воды по развернутой схеме: водородкатионирование первой ступени – слабоосновное анионирование – декарбонизация – водород-катионирование второй ступени – высокоосновное анионирование.

Схема применима на ТЭС с барабанными котлами высокого давле-

ния.

При доочистке воды на фильтрах смешанного действия (ФСД) схема может применяться для подготовки добавочной воды для прямоточных котлов, котлов СВД и СКД, парогенераторов АЭС и воды первичного заполнения контуров АЭС.

Рис. 1.7. Схема с коагуляцией на предочистке, Н-катионированием, слабоосновным анионированием, удалением углекислоты, барьерным Н-катионирова- нием и высокоосновным анионированием:

1 – предочистка коагуляцией; 2 – Н-катионитовый фильтр первой ступени; 3 – слабоосновное анионирование; 4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизованной

воды; 6 – Н-катионитовый фильтр второй ступени; 7 – сильноосновный анионитный фильтр; 8 – обессоленная вода в деаэратор

22

1.2.Основные схемы обработки воды при использовании артезианских осветленных вод или воды из питьевого водопровода

Вводе из артезианских скважин могут содержаться соединения

двухвалентного (закисного) железа в виде Fe(HCO3)2. При содержании в исходной воде железа более 0,3 мг/дм3 производят ее обезжелезивание. Обезжелезивание артезианских вод должно осуществляться для схем, приведенных на рис. 1.8–1.12.

Процесс окисления бикарбоната закиси железа происходит в соответствии с уравнением:

4 Fe(HCO3)2 + О2 + Н2О → Fe(ОH)3 + 8 CO2.

Для обезжелезивания подземных вод используются следующие методы:

−аэрация воды с последующим ее фильтрованием со скоростью 25 м/ч в течение 170…180 часов через фильтр, загруженный сульфоуглем. За это время на поверхности зерен сульфоугля, размеры которых порядка 0,8…1,2 мм, образуется пленка из соединений железа, которая служит катализатором в процессе окисления двухвалентного железа в трехвалентное, обеспечивая стойкий эффект обезжелезивания [3];

−аэрация воды с последующим ее фильтрованием через контактные фильтры с дробленым пиролюзитом (или омарганцованным песком) и затем через механический фильтр;

−аэрация воды с последующим хлорированием или известкованием.

1.2.1.Схема частичного химического обессоливания артезианских вод

Если подаваемая на обессоливание вода отвечает требованиям по содержанию взвешенных веществ, окисляемости, цветности и допускает наличие натрия в обработанной воде, то схема, представленная на рис. 1.5, может применяться без предочистки, рис. 1.8.

Для высокоминерализованной воды, отвечающей требованиям по содержанию взвешенных веществ, цветности, окисляемости применима схема, приведенная на рис. 1.9. Эта схема работает при двухступенчатом водород-катионировании. Первая ступень работает до проскока жесткости, вторая ступень частично удаляет катионы натрия. Расчетные данные для схем на рис. 1.8, 1.9 принимаются такими же, как в предыдущем случае, т. е. согласно рис. 1.5.

23

CO2

Исходная вода

3

1 2

4

5

Рис. 1.8. Схема частичного химического обессоливания:

1 – Н-катионитовый фильтр; 2 – анионитный фильтр; 3 – декарбонизатор; 4 – бак декарбонизованной воды; 5 – обессоленная вода в деаэратор

Рис.1.9. Схема частичного обессоливания:

1 – Н-катионитный фильтр первой ступени;

2 – Н-катионитный фильтр второй ступени;

3 – анионитный фильтр; 4 – декарбонипзатор;

5 – бак декарбонизованной воды;

6 – обессоленная вода в деаэратор

24

1.2.2. Натрий-катионирование артезианских вод

1

2

3

4

Рис. 1.10. Принципиальная схема умягчения артезианских вод методом Na-катионирования:

1 – исходная вода; 2 – натрий-катионитовые фильтры первой ступени; 3 – натрий-катионитовые фильтры второй ступени

При использовании артезианских, осветленных вод и воды из питьевого водопровода умягчение воды методом Na-катионирования осуществляется без предочистки фильтрованием, рис. 1.10. Показатели качества после умягчения рассчитываются в соответствии с указаниями, данными в п. 1.1.1.

1.2.3.Водрод-катионирование с «голодной» регенерацией фильтра, декарбонизацией и натрий-катионированием

При Н-катионировании с «голодной» регенерацией фильтров, рис. 1.11, возможно снижение карбонатной жесткости (с разрушением

HCO3− ) до 0,5…1,5 мг-экв/дм3 [1].

Остаточная карбонатная жесткость (щелочность) при этом равна:

Жк.гол = 0,5…1,5 мг-экв/дм3.

Общая жесткость после Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров составляет [2]:

Жо.гол = Жо – [Жк – (Жк)ост].

Сухой остаток Н-катионированной воды определяется из уравне-

ния:

Sн.гол = Sи.в – 20,04 (ЖСа)н.гол – 12,16 (ЖMg)н.гол – 61,02 [Жк – (Жк)ост]/2,

где Sн.гол – сухой остаток воды после Н-катионирования с «голодной»

регенерацией, мг/дм3; (ЖСa)н.гол, (ЖMg)н,гол – кальциевая и магниевая жесткость, удаляемая при Н-катионировании с «голодной» регене-

рацией фильтров.

25

1	CO2

2	4	6
			9
3	5	6	7
			10

8

Рис. 1.11. Схема Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтра, удалением углекислоты и Na-катионированием:

1 – исходная вода; 2 – Н-катионитовый фильтр с «голодной» регенерацией; 3 – буферный фильтр; 4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизованной воды; 6 – Na-катионитовые фильтры первой ступени; 7 – Na-катионитовые фильтры второй ступени; 8 – обработанная вода в деаэратор и теплосеть;

9 – обработанная вода в деаэратор и котел;

10 – обработанная вода в деаэратор и котел

Схема применима в котельных и на электростанциях с барабанными паровыми котлами малых и средних параметров для обработки вод с повышенной карбонатной жесткостью и сравнительно малым содержанием солей натрия при возмещении любых безвозвратных потерь пара и конденсата [4].

1.2.4. Параллельное Н–Na-катионирование, декарбонизация

Основной результат водообработки по схеме рис. 1.12 – снижение щелочности, удаление свободной углекислоты, частичное снижение солесодержания, умягчение.

Водород- и натрий-катионитовые фильтры в этой схеме работают до проскока жесткости. Жесткость фильтрата после каждого из них составляет 0,1 мг-экв/дм3.

26

Технологические показатели качества воды при параллельном Н- Nа-катионировании:

1. Н- и Nа-катионитовые фильтры работают до проскока жесткости, жесткость фильтрата после них составляет Жо = 0,1 мг-экв/дм3.

Исходная вода

CO2

1 2

3

4

5	6
	7

Рис.1.12. Схема параллельного Н-Na-катионирования:

1 – Н-катионитовые фильтры; 2 – Na-катионитовые фильтры; 3 – смеситель; 4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизованной воды; 6 – Na-катионитовые фильтры второй ступени; 7 – обработанная вода в деаэратор

2. Сухой остаток Н-катионированной воды:

Sн = Sи.в – 20,04·ЖCа – 12,16·ЖMg – 61,02Жк / 2. 3. Сухой остаток Nа-катионированной воды:

SNa = Sисх + 2,96 · ЖСa + 10,84 ЖMg.

4.Кислотность фильтрата Кф = Жо – Жк, мг-экв/дм3.

5.После смесителя и декарбонизации состав обработанной воды

следующий:

а) Жо.в = 0,1 мг-экв/дм3;

б) Щост.о.в = 0,3…0,4 мг-экв/дм3;

в) сухой остаток Н-Nа-катионированной воды:

Sо.в = (SNa · QNa + SН · QН )/Qу,

где Qу – производительность Н-Nа-катионитовой установки, м3/ч; QН, QNa – производительность, соответственно, Н- и Nакатионитовых фильтров, м3/ч.

Фильтры отключаются на регенерацию по проскоку жесткости.

27

1.2.5. Схемы полного обессоливания

Осветленные воды могут подвергаться ионитной обработке без коагуляции, в отличие от схем, приведенных на рис. 1.6, 1.7. Полное ионитное обессоливание и обескремнивание природных вод с малым содержанием некарбонатных солей, т. е. до 2 мг-экв/дм3, осуществляется по сокращенной схеме: двухкратное Н-катионирование– декарбонизация–сильноосновное анионирование, как это показано на рис. 1.6. При повышенном содержании некарбонатных солей (от 2 до 8 мг-экв/дм3) полное ионитное обессоливание производится по развернутой схеме: двухкратное Н-катионирование и двукратное анионирование с промежуточной декарбонизацией, как это показано на рис. 1.7.

Вопросы для самопроверки

1.Что такое карбонатная и некарбонатная жесткости? Почему карбонатная жесткость считается временной?

2.Дать классификацию природных вод по жесткости и общему солесодержанию.

3.Почему катионы кальция и магния являются технологическим показателем качества и выводятся из воды до их поступления в тракт?

4.Что называют сухим остатком воды?

5.Показать соотношения между общей жесткостью и общей щелочностью природной воды.

6.Перечислить основные показатели качества воды. Дать краткую характеристику.

7.Что называют умягчением воды?

8.Всегда ли нужно осаждать катионы магния при известковании воды?

9.Как меняется некарбонатная жесткость при известковании воды?

10.Можно ли известкованием снизить избыточную щелочность воды? Поясните это на примере химических реакций.

11.Приведите схему полного химического обессоливания природных вод для прямоточных котлов.

12.Какой процесс называется обессоливанием воды?

13.Почему высокоосновные аниониты ставят в схемах водоочистки в ее последних ступенях?

14.Перечислить закономерности, которым подчиняется процесс ионного обмена, пояснить их сущность.

28

15.Опишите технологию натрий-катионирования и характер изменения концентрации ионов кальция и магния в слое катионита при умягчении и регенерации.

16.Что такое аниониты? Почему они приобретают характер оснований? Как влияет значение величины рН на обменную емкость анионитов?

17.Назовите область применения процесса натрий-катионирования при обработке воды.

18.Чем определяется обменная емкость ионитов?

19.Охарактеризуйте назначение и область применения водородкатионирования, перечислите достоинства и недостатки этого процесса.

20.Как изменяется качество фильтрата в процессе водородкатионирования?

21.Каковы основные результаты обработки воды по методу натрийкатионирования? Покажите это на примере реакций.

22.Сравните между собой методы умягчения воды натрий- и водородкатионированием. Как меняется солесодержание фильтрата после каждого из них?

23.Пояснить механизм последовательного и параллельного водород- натрий-катионирования. Для каких аппаратов в системе АЭС может быть применен этот процесс?

24.От чего зависит кремнеемкость высокоосновных анионитов?

25.Что такое обессоливание воды? В чем его сущность? Какие виды обессоливания Вы знаете? Какой из них применяется на АЭС для заполнения и подпитки контуров?

26.ОН-анионирование кислой воды. Покажите, в чем разница процесса анионирования на низко- и высокоосновных анионитах.

27.Приведите принципиальную схему частичного обессоливания воды. Поясните механизм частичного обессоливания. Назовите сферу применения.

28.Сущность обработки воды по методу водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтра. Каковы преимущества этого метода по сравнению с методом регенерации избытком кислоты?

29.Что такое полная и рабочая обменные емкости ионитов? От чего зависит рабочая обменная емкость ионитов?

30.Показать, как меняется карбонатная и некарбонатная жесткости при Н-катионировании с «голодной» регенерацией фильтра.

31.Перечислите методы снижения щелочности воды, обрабатываемой по методу ионного обмена.

29

ГЛАВА 2 ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ В ВОДОПОДГОТОВКЕ

2.1. Выбор схемы водоподготовки

При выборе схемы водоподготовительной установки (ВПУ) преследуются следующие цели: предотвращение накипеобразования в питательных трактах и на внутренних поверхностях котлов и тепловодоснабжающего оборудования, снижение интенсивности коррозионных процессов, получение пара требуемого качества при наименьших потерях тепла. При этом учитываются тип оборудования, давление, производительность, теплонапряжение поверхности нагрева, вид топлива, особенности конструкции (например, наличие пароперегрева), требования к качеству пара со стороны потребителей и пароводяные балансы станции или котельной. Соблюдение установленных правилами технической эксплуатации (ПТЭ) норм качества питательной и котловой воды и пара должно обеспечить надежную и безаварийную работу оборудования в период между капитальными ремонтами.

2.2.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от типа и конструкции котлов

Сточки зрения выбора схемы водоподготовки различают два основных типа котлов: котлы прямоточные с однократной циркуляцией воды и котлы барабанные с многократной циркуляцией испаряемой воды.

Наиболее требовательны к качеству питательной воды котлы прямоточные, т. к. питательная вода испаряется в них полностью и качество ее должно соответствовать качеству насыщенного пара. В этой связи исходная вода для питания прямоточных котлов при любых потерях пара и конденсата должна проходить обработку по наиболее сложным схемам полного обессоливания и обескремнивания химическими или термическими методами.

Согласно ПТЭ [5] качество пара и питательной воды прямоточных котлов должно удовлетворять нормам табл. 1.1, 1.2 (Приложение 1).

Барабанные котлы низких, средних, высоких, иногда и сверхвысоких давлений с естественной или принудительной циркуляцией допускают концентрацию тех или иных примесей, но добавочная вода должна обязательно умягчаться для устранения катионов жесткости кальция

30

и магния и освобождаться от железа, меди и других примесей. Умягчение воды должно быть тем глубже, чем выше давление в котлах.

Среднее по всем точкам отбора качество насыщенного пара котлов с естественной циркуляцией, а также качество перегретого пара после всех устройств для регулирования его температуры должно удовлетворять нормам, приведенным в табл. 1.3 (Приложение 1).

Качество питательной воды котлов с естественной циркуляцией приведено в табл. 1.4 (Приложение 1) [5] и может быть обеспечено схе-

мами (рис. 1.2, 1.5, 1.6, 1.7).

Нормы качества питательной воды котлов с рабочим давлением пара до 40 кгс/см2, рис. 1.2, устанавливаются в соответствии с табл. 1.5 (Приложение 1).

Качество конденсата турбин после конденсатных насосов первой ступени электростанций с прямоточными котлами должно отвечать нормам, представленным в табл. 1.6 (Приложение 1).

Качество конденсата турбин электростанций с котлами с естественной циркуляцией должно соответствовать данным табл. 1.6 (Приложение 1).

В табл. 1.8 (Приложение 1) представлено требуемое качество конденсата, возвращаемого с производства, применительно к схемам с отпуском пара потребителю.

2.3.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от качества исходной воды

Исходная вода, применяемая для нужд теплосиловых установок, может быть классифицирована следующим образом [4].

1.Осветленные воды (артезианские, ключевые, из питьевых водопроводов) и неосветленные (поверхностные водоисточники – реки, озера, водохранилища и т. д.).

2.Воды с малой абсолютной щелочностью (до 2 мг-экв/дм3) и повышенной абсолютной щелочностью воды (> 2 мг-экв/дм3).

3.Воды с малой (до 20 %) и большой (> 20 %) относительной щелочностью.

4.Воды щелочные и нещелочные (в щелочных водах общая щелочность больше общей жесткости, в нещелочных – меньше).

5.Воды с малым содержанием некарбонатных солей (до 2 мгэкв/дм3), воды с повышенным содержанием (2…7 мг-экв/дм3) и высо-

ким содержанием некарбонатных солей (≥ 8 мг-экв/дм3).

6. Воды, содержащие нитраты и нитриты, и воды без нитратов и нитритов.

31

7. Воды, богатые и бедные кремнекислотой.

Качество обрабатываемой воды играет определяющую роль при выборе схемы водоподготовки. Осветленные воды могут сразу (без предварительной очистки) подвергаться химической обработке по методу ионного обмена. Поверхностные воды должны обрабатываться методами коагуляции, известкования или содоизвесткования совместно с магнезиальным обескремниванием в одном осветлителе перед их поступлением на ионитные фильтры.

Для промышленных котельных установок низких параметров с давлением до 15 кгс/см2 поверхностные воды перед ионообменными фильтрами могут проходить упрощенную обработку на механических фильтрах.

Для воды с малой щелочностью для котлов малых и средних параметров применяются методы обработки на натрий-катионитовых фильтрах без снижения щелочности известкованием, подкислением, водородкатионированием. Так же можно обрабатывать воду для тех же котлов при более высокой щелочности воды при условии небольших безвозвратных потерь пара и конденсата, но при этом, с целью избежать щелочнохрупкие разрушения металла, должна быть предусмотрена внутрикотловая обработка воды фосфатированием и нитратированием из расчета 15 г технического NaNO3 на каждый грамм-эквивалент щелочности добавочной питательной воды.

Природные воды с повышенной щелочностью (> 2 мг-экв/дм3) должны обрабатываться по методу известкования, водород-катиониро- вания или подкисления с целью снижения щелочности перед их ионированием.

Если щелочность исходной воды больше общей жесткости, то ее избыточная щелочность не может быть устранена известкованием. В этом случае необходимо воду подкислять или подвергать водород-ка- тионированию.

Особенно необходимо снижать щелочность для тех вод, у которых относительная щелочность выше 20 %. В противном случае металл может подвергаться межкристаллитной коррозии.

Воды, содержащие кремниевую кислоту, для питания барабанных котлов высоких и сверхвысоких давлений должны подвергаться обескремниванию или по магнезиальному методу в цикле последовательного известкования – натрий-катионирования или на сильноосновных анионитных фильтрах в цикле полного обессоливания. Здесь выбор той или иной схемы может быть определен количеством безвозвратных потерь пара и конденсата.

32

Если водоисточник имеет небольшой дебит, то для целей водообработки следует рассматривать возможность применения осадительных методов, таких как известкование, магнезиальное обескремнивание, требующих небольших количеств воды на собственные нужды. Наибольшие расходы воды на собственные нужды имеют установки полного ионитного обессоливания воды.

На выбор схемы водоподготовки, кроме основных факторов, могут оказать существенное влияние и дополнительные факторы, такие как наличие реагентных хозяйств (сернокислотных, едконатровых, известковых, поваренной соли и т. д.), которые и определят в конечном итоге схему водообработки в соответствии с уже имеющимся реагентным хозяйством.

Другой фактор – отдаленность поставки требуемых реагентов – может обусловить способ обработки воды, базирующийся на местном реагенте, например, извести.

Если на предприятии есть фильтрационные установки, следует обрабатывать воду на них с последующей ее доводкой на ионитных фильтрах.

Такие реагенты как едкий натр или серная кислота, производимые на сложных химических производствах, могут заменяться простейшими реагентами – известью или поваренной солью – и на их основе в этом случае будет проектироваться водоподготовительное оборудование.

2.4.Требования к схеме водоподготовки в зависимости от технологии последующего водоиспользования

Часто решающим фактором при выборе схемы водоподготовки является пароводяной баланс станции или промышленно-отопительной котельной. Так, на конденсационных электростанциях котлы примерно на 97…99 % питаются конденсатом турбин, регенеративных подогревателей, станционным дренажным конденсатом и на 1,3 % химически обессоленной водой или дистиллятом, восполняющими потери пара и конденсата в тепловой схеме станции [6].

Питательная вода ТЭЦ состоит из конденсата турбин, регенеративных подогревателей, станционных дренажей, конденсата, возвращаемого с производства, конденсата отопительных бойлеров. Потери конденсата на внутренние нужды и у внешних потребителей восполняются химически очищенной водой с водоподготовительной установки.

Суммарное количество возвратного конденсата «К» всегда меньше паропроизводительности котлов «Д». Разность между ними К = Д – К

33

определяет потери конденсата. Величина К характеризует степень совершенства пароконденсатного баланса [6].

На некоторых ТЭЦ эти потери составляют существенную величину до 50 % и более. Это обстоятельство определяет производительность ВПУ для подготовки добавочной воды, а степень совершенства пароконденсатного баланса – метод обработки воды и ее схему. Так, отмечаются случаи, когда котлы среднего давления до 30 атм при больших потерях пара и конденсата запитывались только конденсатом, а котлы высоких давлений порядка 80…120 атм при питании используют для восполнения потерь добавок умягченной, а не обессоленной воды, при большом возврате доброкачественного конденсата. Следует отметить, что при высоких давлениях увеличивается избирательный унос солей с паром, в том числе и кремниевой кислоты. Но котлы высоких давлений могут питаться умягченной водой, например без обескремнивания, при устранении проблемы выноса солей, применяя для очистки пара ступенчатое испарение и промывку пара дистиллятом или химически обессоленной водой. В конечном итоге выбор схемы водоподготовки определится совокупностью перечисленных выше факторов и технико-эконо- мическим расчетом.

2.5. Пример расчета осветлительного фильтра

Рассчитать диаметр и количество осветлительных фильтров для приготовления 40 м3/ч (круглосуточно) осветленной воды. Содержание взвешенных веществ в исходной воде составляет 40 мг/дм3.

Задачей расчета механического фильтра является определение расчетного значения необходимой площади фильтрования, количества стандартных фильтров, скоростей фильтрования в нормальном и форсированном режимах, необходимого расхода воды на собственные нужды фильтров.

При заданном количестве взвешенных веществ в исходной воде допустимо ее осветление на фильтрах, табл. 2.1 [1, 3, 7].

Расчет сводится к следующему.

1. По формуле (2.1) приближенно определяется необходимая площадь фильтрования осветлительных фильтров:

F = Qф α = (40 1,1) /5 = 8,8 м2,

(2.1)

V

где Qф – производительность фильтров по осветленной воде, м3/ч;

34

α – коэффициент, учитывающий расход осветленной воды на собственные нужды осветлительных фильтров, ориентировочно принимается равным 1,1 (10 %), затем при наладке уточняется;

V – скорость фильтрования при нормальном режиме работы фильтров, м/ч, принимаемая по табл. 2.2 [3, 8].

		Предварительная очистка воды [1, 3, 7]			Таблица 2.1
Качество исходной		Метод обработки		Основное оборудование
воды
1		2		3
Взвешенные	веще-	Механическое отстаива-		Осветлительные	(механические)
ства до 50 мг/дм3;		ние и фильтрация,		фильтры (вертикальные или гори-
окисляемость	ме-	объемная коагуляция,		зонтальные) с загрузкой антраци-
нее 15 мг/дм3 О2		флотация		том или кварцевым песком, высота
				слоя загрузки Нсл ≤ 1 м. Осветлите-
				ли для коагуляции
Взвешенные	веще-	Механическое отстаива-		Механические фильтры с двухслой-
ства до 100 мг/дм3;		ние и фильтрация,		ной загрузкой:
окисляемость	ме-	объемная коагуляция,		1) кварцевый песок – диаметр зе-
нее 15 мг/дм3 О2		флотация		рен dз = 0,5…1,2 мм; высота слоя
				загрузки – Нсл = 0,7…0,8 м;
				2) дробленый антрацит – диаметр
				зерен dз = 0,8…1,8 мм; высота слоя
				Нсл = 0,4 … 0,5 м. Осветлители для
				коагуляции
Взвешенные		Объемная коагуляция в		Осветлители для коагуляции с по-
вещества	более	осветлителе,	фильтрова-	следующим фильтрованием на од-
100 мг/дм3;	окис-	ние, обратный осмос,		нослойных осветлительных фильт-
ляемость более 15		совмещение известкова-		рах, осветлители для известкования
мг/дм3 О2 ;		ния с коагуляцией в ос-		с последующим фильтрованием на
Жк >2 мг-экв/дм3		ветлителе,	фильтрова-	однослойных	осветлительных
		ние		фильтрах, обратноосмотические ап-
				параты, флотоустановки

2. Площадь фильтрования каждого фильтра fф, м2, определяется путем подбора по формуле:

f '= a F−1 , где f ′– расчетное значение площади фильтрования;

а – число фильтров (подставляют, начиная с наименьшего значения, равного 2). Оценим площадь фильтрования для следующих двух вариантов:

при а = 2	f ′= 8,8 / 2 = 4,4 м2;
при а = 3	f ′= 8,8 / 3 = 2,9 м2.

35

Полученное значение площади фильтрования одного фильтра округляется в сторону увеличения и выбирается по табл. 2.3.

Таблица 2.2

Технологические данные для расчета осветлительных фильтров [3, 8]

№	Показатель		Тип фильтра
			С загрузкой	С двухслойной за-
			антрацитом	грузкой кварцевым
				песком
1.	Диаметр зерен загрузочного мате-
	риала, мм:
	– антрацит		0,6…1,4	0,7…1,7
	– кварцевый песок		–	0,5…1,2
2.	Высота фильтрующего слоя, м:
	– антрацит		1	0,5…0,6
	– кварцевый песок		–	0,5…0,6
3.	Насыпная масса фильтрующего
	материала, т/м3
	– антрацит		0,8	0,8
	– кварцевый песок		–	1,6
4.	Скорость фильтрования, м/час:
	– нормальный режим		5 (10)	10
	– форсированный режим		7,5 (12)	12
5.	Интенсивность	взрыхляющей	10…12	13…15
	промывки водой, л/(с м2)
6.	Продолжительность	взрыхляю-	≈ 20	≈ 20
	щей промывки водой, мин
7.	Взрыхляющая промывка с возду-
	хом производится	в следующем
	порядке:
	а) совместная водовоздушная про-
	мывка:
	– продолжительность, мин		2…3	–
	– интенсивность воды, л/(с м2)		6	–
	– интенсивность воздуха, л/(с м2)		20	–
	б) промывка водой:
	– интенсивность, л/(с м2)		12	–
	– продолжительность (до прозрач-		15…20	–
	ности 20 см по шрифту), мин
8.	Давление воздуха, кгс/см2		3…4

Примечание: в скобках приведены значения скорости фильтрования при установке осветлительных фильтров после осветлителей, большая – для меньшей продолжительности взрыхляющей промывки.

36