Машины переменного тока

1 МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» (РУТ (МИИТ) Одобрено кафедрой «ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ЖД ТРАНСПОРТЕ» Протокол № 2.09 от 08 сентября 201 8 г. Автор: Драбкина Е.В., к.т.н., доцент ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТОПЛИВО, ВОДОПОДГОТОВКА И СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ Уровень ВО: Бакалавриат Форма обучения: Заочная Курс: 3 Специальность/Направление: 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника (ЭНм) Специализация/Профиль/Магистерская программа: Промышленная теплоэнергетика (ТТ) Москва 2 ВВЕДЕНИЕ Подъем экономики страны связан с развитием топливно-энергетической базы, с наращиванием объемов добычи топлива. Требуется большое количество автомобильного бензина, дизельного топлива и смазочных материалов. В народном хозяйстве используется широкий ассортимент нефтепродуктов различных сортов и марок, поэтому технические работники должны их хорошо знать и умело использовать. ТОПЛИВО Топливом называют горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые для получения при их сжигании тепловой энергии. По физическому состоянию топливо подразделяют на твердое, жидкое и газообразное. Топливо, которое встречается в природных условиях в состоянии, пригодном для промышленного использования, называется природным. Топливо, получаемое при переработке природного топлива, называют искусственным. К твердому природному топливу относят дрова, торф, бурый и каменные угли, антрацит, горючие сланцы и др. К искусственному твердому топливу древесный уголь, кокс, полукокс, термоантрацит и т.д. Жидким естественным топливом является нефть. К искусственному относят – мазут, бензин, лигроин, керосин, соляровое масло и др. Газообразное естественное топливо - природный газ, попутный нефтяной газ; искусственное: газы доменные, генераторный коксовый, подземной газификации твердого топлива. Дополнительно топливо можно классифицировать по теплоустойчивости, выходу летучих веществ, содержанию влаги, золы, характеристики коксового остатка, по виду использования и т.д. По характеру использования топливо подразделяется на энергетическое и технологическое, но это условно. В состав топлива входят в виде сложных химических соединений, углерод С, Водород Н, кислород О, азот N и сера S. Кроме того, топливо содержит воду W и минеральные примеси А. В состав газообразного топлива входят окись углерода СО, метан СН4, сероводород Н2S и углеводороды типа CnH2m. Элементарный состав топлива может быть задан рабочей, сухой или органической массами. Элементарный состав топлива задается в процентах по массе и может быть представлен в следующих равенствах: рабочая масса: Cp + Hp + Op + Np + Sp + Ap + Wp = 100 %. сухая масса: Cс + Hс + Oс + Nс + Sс + Aс = 100 %. горючая масса: Cг + Hг + Oг + Nг + Sг = 100 %. органическая масса: Cо + Hо + Oо + Nо = 100 %. где С – содержание углерода, входящего в состав массы топлива; Н – содержание водорода; О – содержание кислорода; N – содержание азота; S – содержание серы; А – содержание золы; W – содержание влаги. При этом: Sp = Spл + Sрм – содержание в топливе серы, летучей серы и минеральной серы. Элементарный состав различных топлив приводится в справочных таблицах. пересчет топлива с одной массы на другую производится по формулам, приведенных в таблице. 3 Заданная масса топлива Рабочая Сухая Горючая Органическая Множители для пересчета на искомую массу топлива Рабочую Сухую Горючую Органическую 1 100 / (100 100 / (100 – 100 / (100 – Sp Wp) Ap - Wp) Ap - - Wp) (100 - Wp) / 100 1 100 / (100 100 / (100 - Sc Ac) Ac) (100 - Ap- Wp) / (100 - Ac) / 1 100 / (100 - Sг) 100 100 p p (100 –S - A (100 –Sc (100 -Sг) / 1 p c W ) / 100 A ) / 100 100 Например: Ср = Сг (100 – Ар – Wр)/100 и т.д. Химический состав газообразного топлива задается в процентах по объему. Все расчеты, связанные с определением состава газообразного топлива, производятся для 1 м 3 сухого газа при нормальных условиях. Содержание водяных паров и других примесей (пыли, смол) задается в г/м3 сухого газа. Важнейшей составной частью топлива является углерод. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 34100 кДж тепла. чем выше содержание углерода в топливе, тем больше тепла выделится при его сжигании. При химической переработке топлива углерод входит в состав образующихся при этом органических соединений. другой основной частью топлива является водород. Кислород и азот относятся к негорючей массе топлива (к балласту). сера содержится в топливе в виде колчеданной серы и в виде сульфатов. Количество горючей смеси определяется как разность между общим содержанием серы в топливе и количеством сульфатной серы. Чем больше влаги в топливе, тем меньше горючая часть в единице массы. Негорючие минеральные примеси также являются балластом топлива. твердый негорючий продукт полного окисления и разложения всех минеральных примесей топлива называют золой. Зола после разложения и плавления превращается в сплавленную массу, называемую шлаком. важным показателем качества топлива является выход летучих веществ и характеристика кокса. В состав летучих веществ, которые выделяются из топлива при нагревании, входят газы – окись углерода, углеводороды, азот, кислород, углекислый газ и др. Выход летучих веществ определяется в процентах к безводной и беззольной (горючей) массам топлива: Vг = Vа (100/(100-Аа – Wа)), где Vа, Аа, Wа – выход летучих веществ, содержание золы и влаги в топливе на аналитическую пробу в процентах. Чем больше выход летучих веществ, тем легче загорается топливо, выход летучих веществ положен в основу классификации твердого топлива. ТЕПЛОТА СГОРНАИЯ ТОПЛИВА Теплотой сгорания топлива называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 нм3 газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калометрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива. 4 Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива. Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг: Qрн = Qрв – 224Нр – 25Wр В практических расчетах пользуются теплотой сгорания низшей на рабочую массу топлива Qрв. Теплоту сгорания топлива приближенно можно определить по эмпирическим формулам: для твердого и жидкого топлива: Qрн= 338Ср + 1025Нр + 108,5(Ор – Sрл) – 25 Wр. для газообразного топлива: Qрн = 108Н2 - 126СО + 234Н2S + 358 СН4 + 638 С2Н6 + 913 С3Н8 + 1187 С4Н10 + 1461 С5Н12 +591 С2Н4 + 860 С3Н6 + 1135 С4Н8. где Н2, СО и т.д. – содержание газов в смеси в процентах по объему при нормальных условиях. Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива: Ву =ВрЭ где Ву и Вр – расходы условного и рабочего (натурального) топлива; Э – тепловой эквивалент топлива. Э = Qрн / 7000, если Qрн ккал/кг; Э = Qрн / 29,3, если Qрн МДж/кг; Иногда применяют смеси топлив (твердых, твердых с жидкими, горючими отходами и с газообразным топливом). Теплота сгорания смеси твердых топлив или твердого и жидкого характеризуется теплотой сгорания и массовыми долями каждого компонента смеси: Qрн см = g' Qр'н + (1 - g') Qр''н. где g' – массовая доля одного из компонентов смеси; Qр'н и Qр''н. – теплота сгорания первого и второго топлив. Для смеси твердого или жидкого топлива с газообразным: Qрн см = Qр'н + k Qр''н. где k – количество газа, приходящегося на 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг. Теплота сгорания смеси в этом случае имеет размерность ккал/ кг или кДж/ кг. К древесному топливу относятся дрова и отходы деревообрабатывающих предприятий (опилки, обрезки, щепа и т.д.). Заготовку дров производят из неделовой древесины. Теплота сгорания древесины в кДж/ кг: Qрн = 18300 – 210Wр для сплавных дров: Qрн = 16200 – 190Wр Основными признаками классификации дров является порода и влажность, сухие Wр  25 %, полусухие Wр = 25 – 30 %, сырые - Wр > 35 %/ Торф – продукт неполного разложения растений при недостатке воздуха и большой влажности. В зависимости от способа добычи различают кусковой торф в виде кирпичей и фрезерный – в виде крошки. Торф отличается большим содержанием влаги до 50 % и высокой зольностью. Теплота сгорания торфа – сырца – 8,3 – 10,5 МДж/кг. 5 Бурый уголь состоит из горючих веществ растительного происхождения и является следующей стадией обуглероживания за торфом. Бурые угли отличаются высоким содержанием влаги и золы. Теплота сгорания равна – 6,2 – 18,5 МДж/кг. Торф и бурые угли относятся к местным видам топлива. В зависимости от химического состава и назначения каменные угли подразделяют на длиннопламенный (Д), газовый (Г), жирный (Ж), тощий (Т) и др. Теплота сгорания каменных углей – 17,5 – 28,6 МДж/кг. Антрацит представляет собой наиболее обуглероженную разновидность каменного угля. Теплота сгорания каменных углей – 20,9 – 27,2 МДж/кг. Антрациты маркируются буквой А, к которой добавляют буквы, обозначающие размеры кусков: плита (АП), крупный (АК), мелкий (АМ), семечко (АС), штыб (АШ) и т.д. Марка несортированного угля имеет букву Р. Жидкое топливо получается главным образом путем переработки нефти. Из нефти получают керосин, бензин, смазочные масла и др. Керосин и бензин используются в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Остаточный продукт переработки нефти – мазут – применяется как топливо в промышленных печах и в топках паровых котлов. Теплота сгорания мазута 40 МДж/кг. Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. природные газы содержат от 80 до 98 % метана. Попутные газы, выходящие на поверхность нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (4- 60 %) и тяжелых углеводородов. Теплота сгорания природного газа 33,5 – 35,6 МДж/м3. Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ (теплота сгорания 5,9 – 10,5 МДж/м3), коксовый (16,7МДж/м3) и доменный (3,77 МДж/м3). ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА Горение топлива представляет собой химический процесс соединения горючих веществ топлива с кислородом воздуха, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. Процессы горения подразделяют на гомогенные и гетерогенные. Если топливо и окислитель (кислород) находятся в газообразном состоянии и образуют гомогенную смесь, то горение протекает в объеме и называется гомогенным. при гетерогенном горении топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях, реакции протекают на поверхности раздела фаз: твердой, жидкой и газообразной. Процесс горения топлива условно модно разделить на две стадии: воспламенение и последующее горение. При нагревании топлива происходит повышение температуры. При достижении определенной для каждого топлива температуры (температуры воспламенения) топливо воспламеняется, после чего начинается процесс устойчивого горения. Горение называется полным, если оно происходит при достаточном количестве окислителя и завершается полным окислением горючих элементов топлива. Продукты сгорания при этом состоят из СО2, SO2, водяного пара Н2О и N2. при недостаточном количестве окислителя происходит неполное сгорание и в продуктах сгорания содержится СО. РАСХОД ВОЗДУХА. Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, определяется по формулам горения составных элементов топлива. Так. для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12 = 8/3=2,67 кг кислорода, так как реакция горения углерода протекает следующим образом: 12 кг С + 32 кг О2 = 44 кг СО2 Для одного кг водорода требуется 8 кг кислорода: 4 кг Н2 + 32 О2 = 36 кг Н2О, (32 / 4 = 8) 6 для сгорания 1 кг серы – 1 кг кислорода: 32 кг S + 32 кг О2 = 64 кг SО2 Таким образом, количество кислорода (в кг), необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит: 8C p 3  100  8H S лр p 100  100  Ор 100 Так как, что массовая доля содержания кислорода в воздухе равна 0,232, то теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива при нормальных условиях (в кг воздуха на кг топлива) LТ  2,67 С р  8 Н р  S лр  О р 100  0,232 Так как при нормальных условиях плотность воздуха равна 1,293 кг/м3 . то объемный расход воздуха Vт для сгорания 1 кг топлива: VТ  LТ 1,293 или VТ  0,089 С р  0,266 Н р  0,033( S лр  О р ) где Ср, Нр, Sрл, Ор – элементарный состав топлива на рабочую массу, %. Для газообразного топлива теоретически необходимое количество воздуха (м3) для сгорания 1м3 сухого газа: 0,5СО Т  0,5 Н 2Т  1,5 Н 2 S T     V Г  0,0478  n  T T T   2CH 4    m  C m H n  O 2   4  где СОт, Н2т и т.д. – содержание отдельных газов в газообразном топливе в процентах по объему. В выражении (m+n/4) коэффициенты m и n принимаются равными значениям индексов тех газов, перед которыми стоят эти коэффициенты. Практически при горении часть кислорода воздуха не участвует в химических реакциях, поэтому для полного сгорания топлива подводят воздуха больше, чем необходимо теоретически. Отношение действительного количества воздуха (Vд), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому количеству (Vо), называется коэффициентом избытка воздуха:  VД VO В эксплуатационных условиях коэффициент избытка воздуха ориентировочно может быть оценен по содержанию кислорода в продуктах сгорания топлива:  21 21  O 2 СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Условно считают, что продукты сгорания топлива (в м3/кг) Vг = Vсг + Vвп где Vсг и Vвп – объем сухих газов и водяных паров соответственно. Объем сухих газов: Vсг = VRO + VN2 + VO2 где RO2 = CO2 + SO2 При  = 1 объем сухих газов минимальный, т.е. Vд = Vт. Если  > 1, то 7 Vсг = Vсгmin +(-1) Vт. Vсгmin = 0,79 Vт + 0,0187Кр. где 0,79 Vт – объем азота в теоретически необходимом количестве воздуха; К р – объем трехатомных газов Кр = Ср + 0,375Spл. Объем водяных паров при нормальных условиях ( = 0,805 кг/м3) V ВП  9H p  W p 100  0,805 или VВП  0,124 (9 H p  W p ) Объем продуктов сгорания газообразного топлива определяется по той же формуле, что и для твердого или жидкого. Vг = Vсг + Vвп При этом: VRO2 = 0,01(CO2 + CO + H2S + CH4 + 2C2H4) При  = 1 VH2Omin = 0,01(Н2S +H2 + 2CH4 + 0,124dг +C2H4) + 0,0161Vг где dг – влагосодержание газообразного топлива. При  > 1 VH2O = VH2Omin + 0,0161( - 1)VT Объем сухих газов при  > 1: Vсг = Vсгmin + ( - 1)VT Vсгmin = VRO2 + VN2min VN2min = 0,79VT + N2/100 При атмосферном давлении с учетом температуры газов объем продуктов сгорания Vгt = Vг (1+t/273) Состав продуктов сгорания определяется с помощью газоанализаторов. ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Энтальпия (теплосодержание) продуктов сгорания топлива определяется суммированием теплосодержаний отдельных составляющих дымовых газов и зависит от вида топлива (твердое, жидкое или газообразное). Энтальпия имеет размерность кДж/кг или кДж/м3 и равна I = ViCiti Энтальпия теоретического объема газов (при  = 1) при температуре tг: Iг0 = (V0RO2CRO2 + V0H2C H2 + V0H20C H20)tг Энтальпия продуктов сгорания при  > 1 больше, чем Iг0 . Iг = Iг0 +( - 1) IВ0 + IVH20 + IЗ где IВ0 – энтальпия теоретически необходимого воздуха IВ0 = VВCВtВ в кДж/кг или 3 кДж/м . IVH20 – энтальпия дополнительного объема водяных паров IVH20 = 0,0161( - 1)V0H20CH20tг в кДж/кг или кДж/м3. IЗ – энтальпия золы  АР I З  УН кДж/кг 100 с З t Г где ун – доля золы топлива, уносимая газами из топки; С – теплоемкости при постоянном давлении при температуре tг. Величина IVH20 мала, ей пренебрегают. Энтальпию золы учитывают только тогда, когда приведенная величина уноса золы унАр > 6. Водоподготовка 8 ВОДНО – ХИМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ КОТЕЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ. Вода является в настоящее время основным рабочим телом и теплоносителем в теплоэнергетике. Однако, еѐ использование связано с рядом затруднений, возникающих из-за содержания в воде различных веществ, способных нарушать нормальную работу котлоагрегатов и тепловых сетей. I. Основные определения Количество вещества, содержащегося в определенном объеме или массе раствора (в данном случае – воды), называется концентрацией раствора. Концентрация раствора может быть выражена в массовых процентах: g Vр  р  100 См.п.= [%] где: g – массовое количество вещества, растворенное в растворе, кг; Vр – объем раствора, м3; кг .  р – плотность раствора, м 3 Объемная концентрация Со.к. кг/м3 характеризует количество кг (г,мг) вещества, содержащихся в м3 (л) раствора. g кг 3 Vр Со.к= [м ] Молярная концентрация См показывает число килограмм - молекул данного вещества, растворенных в I м3 раствора g С кг  моль  о.к Vр  М М м3 См= [ ] где М – масса кг/моля растворенного вещества. Кроме перечисленных способов концентрация часто выражается в кг – эквивалентах (мг-экв., мкг-экв). Под кг-экв понимается количество вещества, равное его эквивалентной массе, т.е. Эк=M/n Где n – валентность в данной реакции g n Сэ= Vр  М  С о.к Эк Водородный показатель Молекулы воды, как и многие другие вещества, диссоциируют на ионы: Н2О↔Н++ОНПри данной температуре произведение концентраций, этих ионов, г-ион/л, С Кв=С он  н  является величиной постоянной, которая называется ионным произведением воды. Например, при 298 К Кв=10-14. Реакция среды считается нейтральной, если С н  можно написать: С он  ,г-ион/л. Для этого случая 9 С н С он  К в  10 7.  В кислой среде, очевидно, должно быть С н  >10-7, а в щелочной С н  <10-7. Для ионов ОН -, наоборот, в кислой <10-7, а в щелочной >10-7. Оперировать каждый раз числами с отрицательными показателями неудобно. Поэтому условились вместо концентрации ионов Н+ и ОН - - применять их отрицательные логарифмы. Отрицательный логарифм концентрации иона водорода называется водородным показателем и обозначается рН, т.е. -lgCн+=рН. Выражение рОН=-lgCон- - будет называться гидроксильным показателем. Следовательно, равенство после логарифмирования и умножения на – I можно представить в таком виде: РКв=рОН+рН=14 (t=298 К). 2. Основные показатели качества воды 2-I. Щелочность Щелочностью воды называется общее содержание в ней веществ, обуславливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН-. В природных водах щелочность обычно обуславливается  2  2 присутствием в них ионов НСО 3 , SiO 3 , НSiO 3 и реже CO 3 (а также присутствием солей некоторых слабых органических кислот, называемых гуматами), которые в результате гидролиза связывают ионы Н+ и тем самым повышают концентрацию ионов ОН-. В умягченных и котловых водах, кроме перечисленных веществ, щелочность 3 обуславливается также ионами РО 4 и ОН-.  2 В зависимости от того, какой анион присутствует в воде (НСО 3 , CO 3 или ОН -), щелочность называют соответственно бикарбонатной Щб, карбонатной Щк или гидратной Щг. Общая щелочность воды определяется количеством затраченной на титрование кислоты с индикатором метилоранжем и, следовательно, будет обусловливаться не только  2 ионами НСО 3 , CO 3 и ОН-, но и другими, которые реагируют с кислотой, в том числе и гуматами. 2-2. Жесткость Жесткостью воды Ж0 называется сумма концентраций катионов кальция и магния, выраженная количеством миллиграмм – эквивалентов в I кг (мг-экв/кг). По жесткости и щелочности природные воды можно разделить на две группы: щелочные и не щелочные. Первые характеризуется неравенством Ж0>Щ0, вторые – Ж0<Щ0. В водах первой группы, которые встречаются более часто, различают жесткость общую Ж0, карбонатную Жк, некарбонатную Жнк, кальциевую ЖСа и магниевую ЖМq. Между ними имеется место, следующее соотношение: Ж0=Жк+Жнк=ЖСа+Жмq. (2-I) 10 Карбонатная жестокость обусловливается присутствующими в воде бикарбонатами кальция и магния; некарбонатную жесткость образуют хлориды и сульфаты кальция и магния, кальциевую жесткость составляют соединения кальция, магниевую – соединения магния. Для воды второй группы понятия карбонатной и некарбонатной жесткости теряют  смысл, поскольку Снсо 3 >Ж0. Для этих вод следует различать жесткость общую, кальциевую, магниевую, а также щелочность. При расчетах процессов умягчения воды осадителями как внутри, так и вне котельного агрегата, а также других процессов водообработки для щелочных вод условно следует принимать Жк=Ж0 и Жнк=0, учитывая  избыточную концентрацию ионов НСО 3 . Мягкие воды (химически обработанная, питательная, конденсат и т.д.) обладают лишь общей или остаточной жесткостью Ж0. Следует обратить внимание на то, что присутствие в воде соединений натрия не придает ей жесткости. 2-3. Сухой остаток Сухим остатком воды называется суммарное количество нелетучих веществ, присутствующих в воде в коллоидном и молекулярно-дисперсном состоянии, выраженное в мг/кг. Сухой остаток определяют путем выпаривания профильтрованной пробы воды и последующего высушивания сухих веществ при 383-393 К. Количество этих веществ, определенное взвешиванием и пересчитанное на I кг воды, и дает сухой остаток. Следовательно, в понятие сухого остатка не входят растворенные в воде газы, а также летучие (например, NН3) и взвешенные вещества. При определении сухого остатка природных вод бикарбонаты кальция и магния переходят в карбонаты СаСО3 Мq и СО3. Помимо сухого, различают прокаленный, минеральный и сульфатный остатки. Если сухой остаток прокалить в течение нескольких минут при I073К, то масса его уменьшится и получится прокаленный остаток. Уменьшение массы происходит за счет удаления (сгорания) органических веществ, улетучивания остатков влаги, разложения карбонатов и аналогичных процессов. Может быть, однако, и увеличение массы за счет окисления металлов. Величина, полученная путем суммирования всех найденных в воде анализом 2 катионов, анионов и в том числе СО 3 , а также Al2O3, Fe2O3, SiO2 называется минеральным остатком. 2-4. Окисляемость Окисляемость характеризует загрязненность воды органическими веществами, что характерно для вод болотного происхождения. Они окрашивают воду в желтый или коричневый цвет. Загрязнению воды органическими веществами способствуют процессы отмирания и распада различных обитающих в воде живых организмов, а также сброс в водоемы промышленных неочищенных сточных вод. Не все органические вещества присутствуют в воде в коллоидном состоянии, часть из них находится в истинном растворе. Все природные воды содержат также и газы, среди которых следует особо отметить кислород и углекислый газ, вызывающие коррозию металла. Поэтому дегазация является обязательной стадией обработки питательной воды котельных агрегатов. Окисляемость обычно выражается количеством миллиграммов кислорода, потребленных для окисления в определенных условиях органических веществ, содержащихся в I кг исследуемой воды, и обозначается мг/кг О2. Окисляемость не отвечает содержанию в воде органических веществ, так как при условиях ее определения не происходит полного разрушения (окисления) всех органических веществ. 11 Окисляемость может быть выражена также количеством мг/кг КМnО4, израсходованного на окисление органических веществ. 2-5. Прозрачность Прозрачность выражается в сантиметрах высоты столба воды, налитой в специальный стеклянный цилиндр, сквозь который (столб) еще возможно чтение печатного шрифта (прозрачность по шрифту) или наблюдение крестообразно расположенных черных полосок толщиной в I мм на белом матовом кружке на дне цилиндра (прозрачность по кресту). Прозрачность лишь приблизительно характеризует концентрацию взвешенных веществ, которая при точных анализах должна определяться массовым методом. ПРЕДОЧИСТКА 2.1. Осветление воды Осветлением называют процесс удаления из воды грубодисперсных и коллоидных примесей. Удаление грубодисперсных загрязнений может быть осуществлено осаждением и фильтрованием. При осаждении частички твердых веществ под действием силы тяжести оседают на дно резервуара, в котором осветляемая вода находится в состоянии медленного движения снизу вверх. Осаждение требует длительного времени, больших объемов резервуаров и не может обеспечить полного удаления грубодисперсных примесей. Поэтому для целей приготовления добавочной воды в условиях электростанций осаждение как самостоятельный способ осветления воды не применяется. Фильтрованием называют процесс осветления воды путем пропуска ее через пористый материал, в порах которого вода оставляет грубодисперсные примеси. Аппарат, в котором производится фильтрование, называется фильтром, а пористый материал, содержащийся в нем, - фильтрующей средой или фильтрующим материалом. Фильтры, служащие для целей осветления воды, называются осветлительными или механическими. Фильтрование воды происходит под воздействием разности давлений над слоем фильтрующего материала hн и под ним hк. При работе фильтра ∆h=hн-hк называется потерей напора в фильтрующем слое. Обычно ∆h входит потеря напора не только в фильтрующем слое, но и в самом фильтре (в распределительных устройствах, трубопроводах и др.). Потеря напора в фильтрующем слое (иначе называемая сопротивлением этого слоя) зависит от скорости фильтрования, высоты фильтрующего слоя, диаметра зерен фильтрующего материала и степени заноса его загрязнениями. Увеличение численного значения этих факторов (кроме размера зерен) вызывает возрастание ∆h. В процессе работы фильтра из перечисленных величин изменяется только загрязненность фильтурющего слоя, которая непрерывно возрастает. Вместе с ней возрастает и потеря напора от некоторого наименьшего ∆hо соответствующего чистому слою, до максимально допустимого ∆hмакс=(0,8  1,0)  10 Па для напорных и ( 0,2  0,3)  10 Па для открытых фильтров. Скорость фильтрования на осветлительных фильтрах Vф принимают в пределах 5-10 м/ч. По достижению предельного загрязнения фильтр выводится из работы и ставится на промывку. При промывке удержанные фильтрующим слоем загрязнения вымываются. Промытый фильтр вновь включается в работу. Время работы фильтра между двумя последовательными промывками Т называется его рабочим периодом или фильтроцикла, но не менее 8 ч. Величина фильтроцикла зависит от многих факторов, среди которых необходимо отметить концентрацию взвешенных веществ в фильтруемой воде Св. в, мг/кг, и грязеемкость фильтра Т=Грhсл/Св.в Vф. Грязеемкостью Гр фильтра называется 5 5 12 количество задержанных фильтром за фильтроцикл загрязнений, отнесенное к 1 м3 фильтрующего материала и выраженное в килограммах. Чем выше грязеемкость при данном Св.в, тем больше длительность фильтроцикла. Если через фильтр пропущено количество воды, равное Qф, то Qф С в . в Гр= где 10 3 hсл f ф (2.1) hсл – высота фильтрующего слоя, м; fф – площадь сечения фильтра, м2; Qф – выражена в м3. В качестве фильтрующих материалов применяют дробленный антрацит (0,8-1,5 мм), кварцевый песок (0,5-1 мм) с содержанием SiО2 не менее 96 %, керамзит (0,8-1,5 мм). Следует учитывать, что кварцевый песок растворяется в щелочной воде, обогащая профильтрованную воду (называемую часто фильтром) кремневой кислотой. 2.2. Устройство зернистых осветительных фильтров Существуют разные типы и конструкции осветительных фильтров,. Конструктивно наиболее простым является однопоточный (однослойный) напорный фильтр I. Внутренний его объем заполнен на определенную высоту слоем фильтрующего материала, сверху которого располагается водяной объем, называемый водяной подушкой. Напорные фильтры работают под давлением, создаваемым насосами. В открытых фильтрах 2 фильтрование происходит под напором столба воды h в самом фильтре. Они широко используются на очистных установках питьевого водоснабжения. Изготовляются эти фильтры из железобетона, имеют прямоугольную форму в сечении и большую поверхность фильтрования. Сравнительно малый напор h ограничивает возможность формированной их работы. Горизонтальные напорные фильтры 3 обладают большой поверхностью фильтрования и, следовательно, единичной производительностью. Однако они громоздки и при установке в помещении требуют большой производственной площади. Этого недостатка лишены многопоточные фильтры 5. Они полностью загружаются фильтрующим материалом, в котором размещаются сборно-распределительные устройства. Как видно из схемы, они позволяют создавать несколько (в данном случае три) потоков обрабатываемой воды и увеличить производительность во только же раз. Камерные фильтры 4 разделены сплошными перегородками на камеры ( в данном примере на две камеры), которые соответствуют двум обычным однослойным фильтрам, работающим параллельно. С целью повышения скорости фильтрования, получения обработанной воды более высокого качества и увеличения грязеемкости материала в однопоточные фильтры нередко загружают два фильтрующих материала разных насыпной массы и крупности зерен, например дробленый антрацит (0,8-1,6 мм) и кварцевый песок (0,5-1,0 мм). При этом песок как более плотный материал располагается внизу. Так получаются двухслойные фильтры 6, часто используемые на практике. В радиальном фильтре 7 фильтрующий материал загружается в кольцевой зазор, расположенный между стенкой фильтра и внутренней трубой. Обработанная вода подается в центральную трубу, которой и распределяется по высоте слоя материала. Фильтрование идет по радиусам окружности. Наиболее распространенным типом осветительного фильтра является однопоточный напорный однослойный вертикальный фильтр. Его устройство показано на рис. 4.2. Корпус фильтра, имеющий эллиптичексиеднище может быть заполнено бетоном или фильтрующим материалом 2. Последний загружается слоем 1 м, считая от нижнего распределительного устройства 4. В верхней части фильтра укреплены дырчатое 13 распределительное устройство 1 и воздушная трубка 7. Имеющиеся два люка 5 и 6 предназначены для осмотра и ремонта фильтра. На рис. 4-3 приведена схема трубопроводов фронта фильтра. Обрабатываемая вода подается в фильтр через задвижку 1, проходит слой материала 2 сверху вниз и выходит осветленная (фильтрат) через задвижку 7. Промывочная вода подается через задвижку 5 снизу, а удаляется через задвижку 8 в канализацию вместе с вымытыми загрязнениями. Задвижка 6 служит для сброса воды в дренаж, сжатый воздух подводится через патрубок 4. Задвижка 3 служит для выгрузки материала. Наиболее ответственным элементом фильтра является сборно-распределительное устройство 9, предназначенное для равномерного распределения воды по сечению фильтра, а также для предотвращения выноса материала из фильтра. В настоящее время имеются две конструкции этого устройства. Фильтры диаметром до 1400 мм включительно оснащаются распределительным устройством типа "ложное дно" (рис. 4-4). Внизу фильтр имеет фланцевый разъем 1 (для фильтров диаметром 1 м). Между фланцами зажимается круглая прочная пластина 3 с отверстиями, изготовленная из полимерного материала. В отверстиях закрепляются щелевые колпачки 2. Фильтр диаметром с 2 до 3,4 оборудуются трубчатым распределительным устройством. Оно состоит (рис. 4-5) из коллектора1, к которому присоединяются распределяющие трубы (лучи) 5. На них имеются отверстия 3, прикрытые желобком 4, прикрепленным к трубе 5 точечной сваркой и имеющим по всей длине щели 0,4 мм. Уголки 7 жестоко закрепляются в нижнем днище. К ним с помощью серьги 6, приваренной к лучу и болта 8 крепятся трубы 5. При завинчивании гайки болта конус луча 2 прижимается к коллектору, чем и создается необходимая плотность и жестокость крепления. В механических фильтрах лучи устанавливаются желобками вниз. Трубчатое распределительное устройство, оснащенное колпачками 2, закрепленными на штуцере 3, приваренном к распределительной трубе 1. 2.3. Эксплуатация осветительных фильтров Работа фильтра состоит из двух периодов: фильтрования воды (рабочего) и промывки фильтра (простоя). Эксплуатация фильтра в первый период состоит в наблюдении за степенью осветления воды, характеризуемой прозрачностью, нагрузкой фильтра и потерей напора (сопротивлением фильтра). Для этого фильтр оснащается расходомером осветленной воды и двумя манометрами, подключенными к линиям осветляемой и осветленной воды. Фильтр выводится из работы и ставится на промывку, если потеря напора достигла заданного предела или в случае ухудшения осветления воды. Совпадение этих двух показателей необходимости вывода фильтра на промывку наблюдается редко. Остановка фильтра осуществляется закрытием задвижек 1 и 7 (см. рис. 4-3). Промывка фильтра осуществляется пропуском через него воды обратным током, т.е. снизу вверх. Для этого открывают задвижку 5, затем плавно открывают задвижку 8 на столько оборотов, чтобы скорость воды в фильтре была достаточной для вымывания загрязнений. Эта скорость характеризуется интенсивность промывки iпр л/(м2ּс), показывающей количество литров воды, проходящее в 1 с через 1 м2 площади фильтра. Значение iпр зависит от рода материала, крупности его частиц и расхода промывочной воды. Для кварцевого песка iпр=12÷15 дробленого антрацита 7-8 л/(м2ּс). Если интенсивность промывки слишком велика, возможен вынос фильтрующего материала водой в канализацию; при малом ее значении фильтр будет промыт неудовлетворительно. При промывке обратным током фильтрующий материал расширяется, занимая большой объем; возникает движение зерен материала в восходящем потоке воды, что 14 способствует лучшему вымыванию загрязнений. Для повышения эффективности промывки в фильтр часто подают сжатый воздух через штуцер 4 в течение 3-5 мин с интенсивностью около 15-20 для кварцевого песка и 10-15 л/(м2ּс) для антрацита. После пропуска воды через фильтр, на что затрачивается в нормальном случае 6-10 мин, задвижки 5 и 8 закрываются и открывают задвижки 1 и 6. Несколько минут фильтр работает в дренаж с целью удаления первых минут порций воды. Эта операция является необязательной, если первый фильтрат достаточно прозрачен. Как только фильтрат станет прозрачным, задвижку 6 закрывают и фильтр включают в сеть открытием задвижки 7. Производительность одного фильтра, м3/ч, определяется по формуле qм.ф=Vфfф (3.2) Производительность фильтровальной установки, состоящей из тф фильтров, может быть выражена количеством поданной на фильтры осветляемой воды (производительность брутто Qбр) или полезно используемой осветленной воды, полученной от установки (нетто Qнт). Величина ∆Q=Qбр-Qнт характеризует расход воды на собственные нужды установки. На действующих установках Qбр и Qнт определяется по показаниям расходомеров. При проектировании Qнт может быть определена по формуле 24  п м .ф м .ф 24 Qнт=тфVфfф( ) (2.3) где пм.ф – количество промывок каждого фильтра в сутки;  м.ф - время простоя фильтра на промывке, ч. Расход воды, м3, на одну промывку фильтра 3,6iпр f ф t ф qм.ф= откуда Q  где 60 (2.4) q м .ф т ф п м .ф 24 (2.5) tф – длительность промывки (6-10 мин). 3. КОАГУЛЯЦИЯ ВОДЫ 3.1. Сущность процесса Коагуляцией называется процесс укрупнения (слипания, свертывания) коллоидных частиц, завершающийся выпадением вещества в осадок, удаляемый осаждением или фильтрованием. Процесс, противоположный коагуляции, т.е. переход твердого вещества (например, осадка) в коллоидное состояние, называется пептизацией. В технологии водоподготовки под коагуляцией понимают обработку воды специальными реагентами с целью удаления из нее коллоидных и грубодисперсных примесей. Коллоидные растворы отличаются высокой устойчивостью. Это значит, что коллоидные частички не способны к самопроизвольному соединению в крупные образования и выпадению из раствора, если отсутствуют побудители такого процесса. Причина этого заключается в том, что коллоидные частицы данного вещества несут одноименный электрический заряд, препятствующий их соединению. Наиболее эффективным способом удаления этих разрядов является взаимная коагуляция коллоидов, частицы которых несут разноименные заряды. Реагенты, способные при введение в воду вызывать коагуляцию природных коллоидов, называются коагулянтами. Спустя некоторое время после ввода в пробу определенной дозы коагулянта происходит помутнение воды. С течением времени мутность усиливается, постепенно образуются крупные рыхлые хлопья, оседающие на дно сосуда и увлекающие с собой все загрязнения. Следовательно, видимым эффектом коагуляции является образование осадка 15 в виде рыхлых студнеобразных хлопьев, падающих на дно сосуда. Если это не наблюдается, коагуляция отсутствует. В практике водоприготовления в качестве коагулянтов применяются сернокислое железо закисное (FeSO4 х 7Н2О), сернокислый алюминий [Al2(SO4)3 х 18Н2О], хлорное железо (FeCl3), которое вводятся в виде растворов концентрацией 5-10 %. При введении в воду, например, сернокислого алюминия вначале происходит его гидролиз. Al2(SO4)3+6Н2О↔2Al(ОН)3+3Н2SО4 Образующая кислота нейтрализует щелочность воды  Н++НСО 3 О2↑+Н2О Если вместо Al2(SO4)3 в воду вводится сернокислое железо, эти процессы также будут иметь место: FeSO 4  2 Н 2О  Fe (ОН ) 2  Н 2 SO 4   Н   НСО 3  СО 2   Н 2О  Коагулирующим действием обладает не Fe(OН)2 а гидрат окиси железа Fe(OН)3. Следовательно, при применении в качестве коагулянта двухвалентного железа необходимо обеспечить окисление его в трехвалентное растворенным в воде кислородом 2 Fe(OН)2+½ О2+Н2О→2 Fe(OН)3 которое в щелочной протекает сравнительно легко. Приведенные реакции показывают, что при коагуляции щелочность воды понижается, а концентрация в ней свободной углекислоты возрастает. Ввиду этого коагулируемая вода должна обладать некоторыми минимумом щелочности, мг-экв/кг, определяемым выражением Щмин=Ккг+0,4 где Ккг – доза коагулянта, мг-экв/л. Если фактическая щелочность обрабатываемой воды Щ0<Щмин, необходимо вводить в нее щелочность (NaОН, Na2CO3, Са(ОН)2) в количестве Щкг=dкг+0,4-Щ0 Результатом коагуляции воды являются увеличение ее прозрачности и снижение окисляемости. Поэтому эти показатели и используются для контроля и оценки коагуляционного процесса. При проведении коагуляции стремятся к тому: чтобы введенное в воду количество коагулянта было в последующем максимально выделено из воды в виде осадка и удалено в осветлителях или в осветительных фильтрах. В противном случае создается опасность загрязнения ионита и заноса в котельные агрегаты железа или алюминия. Ввиду этого важно создать такие условия, при которых введенный в воду коагулянт был бы полностью гидролизован с образованием труднорастворимых гидроокисей. 5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В ПАРОВЫХ КОТЛАХ И ТЕПЛООБМЕННИКАХ 5-I. Состав, свойства и количество отложений. В результате воздействия тепла и реагентов, а также вследствие испарения в котловой воде протекают различные физико-химические процессы, обусловливающие разрушение одних соединений и образование других. Во многих случаях это ведет к возникновению трудно растворимых веществ, которые и выделяются из пересыщенных растворов в виде осадка, образующего при некоторых условиях накипь или шлам. Накипью называют достаточно плотные отложения, возникающие на поверхности нагрева или охлаждения и способные нарушать нормальную работу котельного агрегата или теплообменника. Рыхлые отложения, получающиеся в результате оседания, скопления и уплотнения взвешенных веществ, образовавшихся в воде, называются 16 шламовыми или просто шламом. Часто шламом называют также образующийся в воде осадок (взвесь) и илистые скопления в барабанах котельных агрегатов, коллекторах экранов и в различных баках. Накипные и шламовые отложения в равной мере опасны для работы котельных агрегатов. Отложения могут быть описаны их физическими свойствами и химическим составом. Из физических свойств отмечают цвет, твердость, силу сцепления с поверхностью металла, толщину, равномерность распределения по поверхности, место расположения в аппарате. Для характеристики химического состава отложений обычно указывают процентное содержание в них СаО, МqО, СиО, SО3, SiО2, Fе3О4, Аl2О3, Р2О5, а также количество летучих соединений, проводимых в анализах под рубрикой ''потери при проектировании''. Для эксплуатации важно знать состав отложений, так как он часто позволяет вскрыть причину их образований. Химический анализ позволяет узнать род окислов и их относительное количество. Он не дает, однако, указаний на то, какие именно соединения входят в состав отложений. Ответ на этот вопрос может быть получен при помощи более сложных методов анализа, из которых следует отметить рентгенографический, кристаллооптический и термографический. Химический состав накипей, образующихся в паровых котельных агрегатах, весьма разнообразен. Однако они могут быть разделены на следующие четыре группы: Щелочноземельные накипи, состоящие в основном из соединений кальция и магния. К таким соединениям относятся: СаСО3, СаSО4, СаSiО3, Са3(РО4)2, МqO, Мq(ОН)2, Мq(РО4)2. В зависимости от того, какие из этих соединений преобладают, различают накипи карбонатные СаСО3, сульфатные СаSО4, фосфатные Са3(РО4)2 и т.д. Возможны накипи смешанного типа, когда многие соединения присутствуют в небольшом количестве. Железоокисные накипи, состоящие из соединений железа. В состав этого рода отложений могут входить ферросиликаты железа, фосфаты железа Fе3(РО4)2, феррофосфат натрия NаFеРО4 и окиси железа Fе2О3, Fе3О4. Медные накипи, содержащие значительную долю меди. Силикатные накипи, имеющие различный состав. Наиболее важным свойством накипных отложений является их малая теплопроводность, которая изменяется в зависимости от структуры и пористости отложений примерно от 0,12 до 1,2 Вт/(м.К). Непосредственным результатом образования накипи является повышение температуры стенки tст обогреваемой трубы, которая определяется по формуле  от q q а2 , tст=tв+ от (5-1) где tв – температура среди (воды);  от , от - соответственно толщина и теплопроводность, Вт/(м.К), отложений;  2 - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к среде: Расчет и опыт показывают, что при достаточно высоком тепловом потоке (q  250.103 Вт/м2) опасный перегрев металла достигается уже при толщине отложений 0,1-0,2 мм. Количество вносимых в котельный агрегат накипе - и шламообразующих веществ Вр, кг может быть определено по формуле С п .в Э к Д Вр= 10 3 п .в t , (5-2) где Сп.в – концентрация накипе – и шламообразователей в питательной воде, мг-экв/кг; Эк – численное значение эквивалента; Дп.в – количество питательной воды, т/ч; t – время, ч. 17 Так как t составляет около 8-10 тыс. ч и более, даже при малых Cп.в получаются большие значения Вр, особенно для котельных агрегатов большой производительности. Однако опыт эксплуатации показывает, что не все вещества, проникающие в котельный агрегат, остаются в нем в виде шлама или накипи. Часть их, часто значительно большая, выводится с продувочной водой. 5-2. Образование отложений в паровых котельных агрегатах 5.2.1. Образование щелочноземельных отложений Для образования щелочноземельных отложений необходимо наличие в котловой воде достаточно высокой концентрации накипеобразователей, т.е. трудно растворимых соединений. Если в ней присутствуют катионы Са2+ и Мq2+ и анионы ОН-, 2 2 3 2 СО 3 ,SО 4 ,РО 4 SiО 3 , то при некоторых условиях в результате их взаимодействия можно ожидать образование одного или нескольких из следующих трудно растворимых соединений: СаСО3, СаSО4 СаSiО3, Са3(РО4)2,, Мq(ОН)2, Мq3(РО4)2 3МqО, 2SiО2, Н2О. Однако выпадение этих соединений в осадок становится возможным лишь при некоторых условиях. Одно из них состоит в том, что приведение концентраций находящихся в растворе ионов трудно растворимого вещества при данной температуре есть величина постоянная, т.е. Ск САн=ПР, (5-3) где Ск, САн – концентрация соответственно катиона и аниона трудно растворимого соединения, г-ион/кг; ПР – постоянная величина, именуемая произведением растворимости. При Ск САн>ПР выпадение осадка неизбежно, если же Ск САн<ПР, то раствор не насыщен и осадок не образуется. Из (3-3)следует, что для возникновения осадка, например СаСО3 совсем необязательна высокая концентрация Са2+ в растворе. Осадок может появиться и при малом значении Сса2+, если концентрация аниона 2 Со 3 будет столь высокой, что возникает неравенство со 2  Сса2+∙С 3 >ПРСаСо 3 . Для примерных расчетов можно принять, что в пределах 548583 К для СаСО3, СаSiО3, СаSО4 ПР составляет примерно 10-8. Тогда условие образования из кальциевых соединений будет определяться выражением С Са 2 С  Ан  10 8 , (5-4)  Ан С СО 2  С SО 2  С SiО 2  3 4 3 . где С На рис. 3-1 представлена зависимость предельных концентраций иона кальция от С  Ан . В области I будут обеспечиваться условия без накипных режимов, в области II образования отложений становится возможным. Скорость образования щелочноземельных отложений А, мг/(см2. ч), зависит от концентрации накипеобразователей С, мг/кг, и назначения теплового потока q, Вт/м2, А  1,3  10 13 Сq 2 (5-5) К образованию трудно растворимых соединений приводят и другие процессы, например увеличение концентрации веществ в упариваемой (котловой) воде. Степень упаривания определяется выражением Уп=Ск.в/Сп.в, (5-6) 18 где Ск.в, Сп.в – концентрация того или иного соединения в котловой и питательной воде. Значение Уп в разных местах барабанного котельного агрегата различно и изменяется в широких пределах (от 10 до 200 и более). Такие места обычно возникают в теплонапряженных трубах с вялой или нарушенной циркуляцией, а также в тонком слое воды, прилегающем к стенке, в котором могут возникнуть пересыщенные растворы. Понижение растворимости некоторых солей с повышением температуры раствора также служит причиной возникновения трудно растворимых соединений. Выпадение из раствора твердой фазы (кристаллизация) может происходить непосредственно на поверхности нагрева или охлаждения. Такое явление, в результате которого возникают обычно твердые накипные отложения, называется первичным процессом накипеобразования. Вторичный процесс накипеобразования характеризуется тем, что осадки вначале выпадают в толще воды в виде взвешенных частиц, которые в последующем образуют прочно сцепления с поверхностью вторичные отложения. Химический состав шлама, как показали исследования, в общем, не отличается от состава накипей. 5.2.2. Образование железоокисных отложений Развитие за последние годы технически и технологии обработки воды и повышение технологического уровня эксплуатации привело к практически полному устранению щелочноземельных накипей в паровых котельных агрегатах современных электростанций и промышленных котельных. Однако стали обнаруживаться отложения другого типа, основными составляющими, в которых явились окислы железа, металлическая медь и фосфаты. Доля окислов железа в подобного рода отложения достигает 60-70 %, а в некоторых случаях и более. Наиболее отчетливо образование железоокисных накипей обнаруживается в экранных трубах солевых отсеков, на теплонапряженных участках труб (в зоне горелок, выше и ниже зажигательного пояса, в местах наброса факела горелки и т.п.). Чаще они отмечаются в котельных агрегатах высоких параметров отложения концентрируются преимущественно на полупериметре трубы, обращенной в топку. Основными компонентами железоокисных отложений в зависимости от условий их образований являются окислы железа или фосфаты железа. Общий причиной образования рассматриваемых накипей является поступление в котельный агрегат железа с питательной водой, в которую оно попадает в результате коррозионных процессов, протекающих в водоконденсатном тракте электростанций и промышленных котельных. Скорость образования железноокисных отложений, мг/(см2.ч), сильно зависящая от тепло напряжения поверхности нагрева q, может быть определена из выражения А1  5,7  10 14 С кFе.в q 2 (5-10) Это необходимо иметь в виду при переводе котельных агрегатов на работу с высококалорийным топливом (природный газ, мазут) или с форсированными режимами топки. Железофосфатные отложения возникают на теплонапряженных парогенерирующих трубах и чаще всего в солевых отсеках барабанных котельных агрегатов, если 3 концентрация фосфатов РО 4 здесь достаточно высока (  80 кг/кг). Ввиду этого ''Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ)'' 3 концентрация РО 4 в солевых отсеках ограничивается некоторым предельным значением (см. §3-5, б). Образование железофосфатных отложений за внутренних поверхностях котельных агрегатов становится возможным также и при низких значениях рН котловой воды. Такие условия могут создаваться при вводе в котельный агрегат кисловых фосфатов без должного контроля. В этом случае наблюдается также и язвенная коррозия металла труб, обуславливающая возникновение наряду с железофосфатными и железоокисных отложений. 19 5.2.3. Образование медных отложений Отдельные виды накипей могут содержать в средней пробе 20-30 % и более меди. Такие накипи получили название медных. Кроме меди в них содержатся такие окислы железа и в качестве второстепенных примесей – соединения кальция и магния. Образование медных накипей отмечается в котельных агрегатах различного давления, но всегда на участках с высокой тепловой нагрузкой (  200  10 3 Вт/м2) и преимущественно на полупериметре трубы, обращенном в топку. Основой образования медных отложений является поступление соединений меди в котельный агрегат с питательной водой. Медь в отложениях присутствует в металлическом состоянии и в форме окислов. Отмечено, что в слое отложений она распределяется неравномерно: дорля ее убывает в направлении от поверхности слоя к стенке трубы (от 70-90 до 10-15 %). 6. Методы борьбы с отложениями в котельных агрегатах с естественной циркуляцией и в тепловых сетях 6.1. Общие положения Для предотвращения образования в барабанных котельных агрегатах накипи используется следующие меры: а) глубокое умягчение добавляемой в питательную систему воды; б) предотвращение загрязнений питательной воды и ее составляющих продуктами коррозии конструкционных материалов; в) устранение присосов охлаждающей воды в конденсаторах турбин; г) организация внутри котловой (коррекционной) обработки воды и поддержание рационального химического режима котловой воды; д) устранение высоких местных тепловых нагрузок парогенерирующих труб. Следует отметить, что во многих случаях умягчения воды не удается полностью удалить из нее накипеобразователи. Остаточная жесткость умягченной воды обычно составляет 3-4 мкг-экв/кг, а нередко и выше. Поэтому внутри котловая или коррекционная обработка воды имеет целью обезвредить попавшие в котельный агрегат накипеобразователи, не дать им отложиться на поверхности нагрева в виде накипи. Для этого в котельный агрегат вводят соли ортофосфорной кислоты (фосфатирование) или этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА, трилонирование). 6.2. Фосфатирование котловой воды Поступающие в котельный агрегат остаточные катионы Са2+ и Мq2+ способны давать трудно растворимые соединения с различными анионами, присутствующими в котловой воде. Эти соединения по-разному ведут себя в условиях котловой воды. Одни из них (СаSО4 СаSiО3) выделяются из раствора главным образом на поверхности парогенерирующих труб в виде накипи, другие (СаСо3, 3Са3(РО4)2  Са (ОН ) 2 ) выпадают преимущественно в форме взвеси, образующий осадок (шлам) уделяемый из котельного агрегата продувкой. Фосфатирование имеет целью создать в котловой воде условия, при которых накипеобразователи выделялись бы в форме не прикипающего шлама. Оно является средством предупреждения образования кальциевой накипи, а не накипи вообще, поскольку трифосфат магния Мq3(РО4)2 способен давать накипные отложения. В практике эксплуатации котельных агрегатов с естественной циркуляцией применяют два режима фосфатирования: фосфат щелочной и режим фосфатной щелочности. 20 Первый состоит в том, что в котловой воде создается и непрерывно 3 поддерживается определенная концентрация ионов РО 4 - и ''свободных'' (т.е. не 3 4 связанных с РО ) гидроксильных ионов ОН -. Такое условие достигается при наличии в воде одного тринатрийфосфата. В этом случае он реагирует с водой (реакция гидролиза), 3 в результате чего возникает ионы РО 4 и ОН-: 3 2 РО 4 +Н2О↔НРО 4 +ОНЕсли такой раствор начать упаривать, то реакция эта пойдет справа налево, ионы 2 3 ОН- будут связываться ионами НРО 4 с образованием РО 4 . Такой ход процесса делает режим чисто фосфатной щелочности весьма желательным для котельных агрегатов давлением 10,0 МПа и более, питаемых конденсатом с добавкой обессоленной воды, так как позволяет предупредить межкристаллитную коррозию. Для осуществления фосфатирования используются тринатрийфосфат Nа3РО4, триполифосфат Nа5Р3О10 гексаметафосфат (NаРО3)6. Полифосфаты Nа5Р3О10 и (NаРО3)6 являются потенциально кислыми, так как в водных растворах гидролизуются с образованием моно и динатрийфосфата (NаН2РО4, Nа2НРО4). Поэтому при использовании NаН2РО4 и Nа2НРО4, а также и полифосфатов необходимо, чтобы котловая вода обладала достаточной щелочностью для их нейтрализации. Для поддержания режима чисто фосфатной щелочности применяют обычно смесь тринатрийфосфата (ТНФ) и одного из кисловых фосфатов, например (NаРО3)6 (ГМФ). Соотношение реагентов применяются таким, чтобы смесь отвечала соединению Nа2НРО4. Применение кисловых фосфатов обусловливается тем, что с питательной водой 2  могут поступать ионы НСО 3 или СО3 , которые в котельном агрегате дают свободные ионы ОН-: СО32  +Н2О→СО2↑+2ОН- 2 Их нейтрализация и должна осуществляться ионами НРО 4 : НРО 42  +ОН -→ РО43  +Н2О Следует обратить внимание на то, что гидрокислапатит содержит два иона ОН-. Поскольку при фосфатировании мы желаем получить именно это соединение, то необходимо, чтобы среда обладала достаточной концентрацией этих ионов, т.е. имела рН  8,5. Несоблюдение этого приводит, как указывалось выше, к возникновению железофосфатных отложений. Обозначим концентрацию едкого натра в котловой воде Щф (щелочное число), м/л тогда при наличии в котловой воде только Nа3РО4 значение Щф будет наибольшим: Щф  С NааО С РО 3  ф=0,42ф (6-1) Если Щф>0,42ф режим не будет чисто фосфатным, так как в воде будет присутствовать свободный NаОН; при Щф=0,42ф режим чисто фосфатный, но поддерживается с большим трудом. Считается оптимальным следующее соотношение: 4 С РО 3   40 Щм.о  0,9  0,84 С РО 3  4 4 0,84 (6-2) При фосфатно-щелочном режиме в котловой воде поддерживается некоторый 3 избыток ионов РО4 , обозначенный iф, мг/л. Согласно требованиям ПТЭ (§15-11) он должен находиться в пределах 5-15 для котельных агрегатов без ступенчатого испарения, 3-6 в чистых и не более 30 в соленых отсеках котельных агрегатов, работающих на мазуте; 50 в солевых отсеках котельных агрегатов, использующих другие виды топлива. Значение рН (при 293 К) продувочной воды при обоих упомянутых выше режимах фосфатирования 21 в котельных агрегатах без ступенчатого испарения должно быть не менее 9,0 в чистых отсеках не менее 9, в солевых не менее 9,5. При пуске котельного агрегата в работу в воде, которой он заполнен, необходимо 3 создать избыток РО4 (если его нет), для чего вводится фосфат в количестве, кг V к iф 10 С ф Ф1= (6-3) где Vк – объем воды в котельном агрегате, м3; 3 Сф – содержание РО4 в техническом продукте, %. 3 Если в котловой воде уже имеется начальный избыток, РО4 обозначенный а, мг/л, то уравнение (3-13) будет иметь вид: Vк (iф  а ) 10 С ф Ф1= В процессе работы фосфат вводится в котельный агрегат непрерывно в количестве, г/т, 100 С Ф2= ф [28,5 Ж0 (1+Рп)+рпiф], (6-4) где рп – продувка в долях от паропроизводительности котельного агрегата, принятой за единицу; Ж0 – остаточная жесткость питательной воды, мг/экв/кг; 28,5 – эквивалент 3 иона РО4 в гидроксилапатите. Первое слагаемое определяется полезный расход фосфата на связывание накипеобразователей, второе – потери с продувочной водой. Режим чисто фосфатной щелочности применяется при питании котельных агрегатов конденсатом с добавкой дистиллята или обессоленной воды; фосфатнощелочной -–при добавке химически обработанной воды. Фосфатирование целесообразно применять для всех барабанных котельных агрегатов давлением более 1,6 МПа. Однако необходимо иметь в виду, что лучшим способом предотвратить образование кальциевые накипей является питание котельных агрегатов водой, лишенной кальция. Поэтому наряду с фосфатированием следует стремиться к всемирному снижению жесткости питательной воды Жп.в. Целесообразно придерживаться следующих предельных значений Жп.в: Давлений МПа Жп.в, мкг-экв/кг  10 1,6 – 3,9 5 4,0 – 10,0 3  10,0 Фосфат вводится в котельный агрегат ι в виде раствора определенной концентрации по двум схемам: индивидуальной и групповой (рис. 3-3). Последняя более пригодна для небольших промышленных котельных. Раствор фосфата концентрацией 6-8 % готовится в гидравлической мешалке 6 на горячей умягченной, питательной воде или конденсате. При использовании холодной воды раствор подогревается паром. Приготовленный (первичный) раствор фосфата с помощью насоса 5 пропускается через осветительный фильтр 4 и подается далее в расходные баки 3, в которых он разбавляется до рабочей концентрации, зависящей от подачи насоса-дозатора 2 и расхода фосфата. 6.4. Обработка котловой воды комплексонами Фосфатирование не предотвращает железоокисных и медистых отложений. Оно связано с образованием в котловой воде шлама, которое всегда следует учитывать. Таким 22 образом, фосфатный режим может быть безнакипным, но не бесшламовым. Нередко же фосфаты сами являются источником возникновения отложений (железофосфатных и др.). В отличие от фосфатирования обработка котловой воды комплексонами может обеспечить безнакипный и бесшламовый режимы котловой воды, а при некоторых условиях – и бескоррозионный. Существует класс веществ, которые называются комплексными или комплексонами. В качестве их представителя можно привести ставшую широко известной этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА), двузамещенная натриевая соль которая получила название ''трилон Б''. Процесс трилонирования барабанных котельных агрегатов состоит в том, что в питательную воду (на всас питательных насосов) вводят  1,5 %-ный раствор трилона Б, предварительно подщелоченный NаОН или NН4ОН до рН=8,5. Этот комплексон связывает катионы накипеобразователей в прочное хорошо растворимое соединение сложного строения (комплексонат). В результате шламо - и накипеобразующие соединения не возникают, чем и обеспечивается безнакипный режим работы котельных агрегатов. Трилонирование, связывая железо в комплекс, уменьшает вынос его паром, что позволяет снизить концентрацию железа в конденсате. Вынос с паром железа в сравнении с режимом фосфатирования при комплексной обработке снижается на 50 % и более. Расход комплексона г/ч, на коррекцию водного режима может быть определен по формуле: G=(186 Жп.в+6,7 СFе+6 ССи)Dп·10-2, (6-5) где Dп – паропроизводительность котельного агрегата, т/ч; Жп.в – жесткость питательной воды, мкг-экв/кг; СFе, ССи концентрация в питательной воде соответственно железа и меди, мкг/кг. Задачи и результаты комплексонной обработки зависят от температуры котловой воды и показателей качества питательной воды. Наиболее высокие концентрации в питательной воде кальция, магния и железа свойственны котельным агрегатам среднего давления (4,0 МПа). В этих условиях основной задачей коррекционной обработки является предотвращение щелочноземельных и железоокисных отложений. Питательная вода котельных агрегатов СВД (15,5 МПа) обычно глубоко умягчена, т.е. обладает минимальной жесткостью. В этом случае основной задачей комплексонной обработки является предотвращение железоокисных отложений в котельном агрегате, уменьшение выноса окислов паром и защита от пароводяной коррозии. Котельные агрегаты давлением 10,0 МПа занимают промежуточное положение, однако, процессы, протекающие в них при комплексной обработке больше приближаются к таковым для котельных агрегатов СВД. При высоком качестве питательной воды (добавка дистиллята или обессоленной воды) результаты комплексной обработки будут примерно те же, что и в котельных агрегатах давлением 15,5 МПа. 6.5. Щелочение котловой воды При щелочном режиме попадающие в котельный агрегат накипеобразователи выпадают в виде СаСО3, Мq(ОН)2. Карбонат кальция в не щелочной среде (например, в конденсаторах турбин) выделяется на поверхности нагрева или охлаждения с образованием плотной накипи. В условиях щелочной котловой воды карбонат кальция выпадает в форме не прикипающего шлама. Для получения удовлетворительных результатов при этом режиме необходимо поддерживать определенную щелочность котловой воды Щк.в. Для этого в процессе работы в котельный агрегат вводят щелочные реагенты, кг/ч, в количестве, которое определяется по формуле (в расчете на 100%-ный продукт) А=[Жн.к(1+рп)+рп Щк.в] DпЭк·10-3 (6-6) 23 Если котельный агрегат питается водой с жесткостью, мг-экв/кг, кальциевой ЖСа и магниевой ЖМq, то количество поступающих в него накипеобразующих веществ, кг/ч, будет определяться выражением S шп .в =Dп(1+рп) (50 ЖСа+29 ЖМq)·10-3 (6-7) а концентрация шлама в котловой воде, мг/л 1  рп к .в ш = р п (50 ЖСа+29 ЖМq) (6-8) Щелочной режим котловой воды эффективен только для котельных агрегатов с рабочим давлением пара до 1,6 Ма. Это объясняется тем, что устойчивость карбонатного S 2 иона СО3 зависит от температуры, с повышением которой происходит разложение соды. В результате эффективность щелочного режима снижается, а пар загрязняется углекислотой. Если состав щелочности питательной воды определяется равенством Що=Щк+Щб (см. §2-2), то количество переходящей в пар СО2, мг/кг, находим из уравнения ССО 2 =(1+рп) (Щб+а Що) 22, (6-9) где а – степень разложения соды в долях. Загрязнение пара углекислотой весьма нежелательно, поскольку это вызывает углекислотную коррозию металла конденсатного тракта. Щелочной режим котловой воды обычно используется для котельных агрегатов малой производительности, работающих с теплонапряжением не более 105 Вт/м2. Следует, однако, отметить, что использовать щелочной режим следует в тех случаях, когда исключены возможности применить более совершенные способы борьбы с накипеобразованием. 6.4. Предотвращение образования отложений в тепловых сетях Электростанции (ТЭЦ) и котельные отпускают потребителям тепло в виде пара и горячей воды. Последняя подогревается в сетевых подогревателях или водогрейных котлах и подается в тепловые сети. В современных тепловых сетях восполнение потерь производится химически обработанной водой. Поэтому проблемы заноса трубопроводов и поверхностей нагрева таких тепловых сетей щелочноземельными отложениями не существует. Однако часто наблюдается загрязнение теплосетей железоокисными отложениями, устранение образования которых представляет порой сложную задачу. Основным источником поступления окислов железа в воду тепловой сети являются коррозионный процессы, протекающие в пределах самой водогрейной котельной (тракт до деаэратора, после него, баки аккумуляторы) и в магистральных трубопроводах. Причина этого состоит в периодическом или непрерывном попадании в тепловую сеть кислорода. Нередко в период пикового водоразбора в открытых системах подпитка осуществляется водопроводной водой. Все это способствует накоплению окислов железа в системе. Как показывает опыт, поступивший в сеть кислород полностью расходуется на коррозию в радиусе около 1,5-2 км. Для промышленных котельных и ТЭЦ характерны значительные потери конденсата ввиду его загрязнения и невозвращения с производств. Поэтому подпитка каналов водой составляет 0,4÷0,6 от Dном. Восполнение потерь осуществляется сырой водой из водоѐмов, в которых содержится: растворѐнные соли Ca, Na, Mg, Fe, Al и других. взвешенные и коллоидные частицы. растворѐнные газы O2, N2, CO2 и т.д. В исходном виде сырая вода для подпитки непригодна так как: 24 соли Ca и Mg образуют накипь, которую очень трудно удалить. Накипь образуется нас из-за того что С К .В.  C К .В. => соли(Ca и Mg)↓. Имеют место следующие изменения: t ст  t р .с.  q  (  нак ст нак ст  1 2 )t чист . Ме ст  t t нак ст нак ст  t t  q ;  нак ст нак ст  250 С т.е. температура стенки доп ст нак будет равна р.с. = (255 + 250) = 500ºC > t => пережѐг стенок. взвешенные и коллоидные частицы образуют осадок (шлам), который забивает трубную систему, нарушает циркуляцию и создаѐт аварийные режимы работы. растворѐнные газы: вызывают газовую коррозию металла. ухудшают теплоотдачу. Состав воды: взвесь (dтв > 0,5 мкм), удаляется отстаиванием. коллоидальные частицы (dтв < 0,5 мкм) отстаиванием не удаляются. растворѐнные соли Ca, Mg, Na, Fe, Al: CaCl2, MgCl2 – хорошо растворимые СаSO4, CaCO3, CaSiO2 – плохо растворимые Накипь обусловлена присутствием солей Ca и Mg, которые характеризуют жѐсткость воды: Ж общ  Ca 2 20  Mg 2 мг  экв 16 кг 2 2 , здесь Ca и Mg – концентрация катионов Ca и Mg, а 20 и 16 – эквивалент их масс. Общая жѐсткость воды = Жвременная + Жпостоянная Жвременная – обусловлена присутствием в воде бикарбонатов, Жвременная = HCO 3 мг  экв 61 кг . Может быть устранена подогревом воды до 80ºC. Щѐлочность воды определяется присутствием NaOH, NaHCO3, Na2HCO3 и равна   2 Щ = OH  HCO 3  CO 3 . Исходный состав воды некоторых рек: мг  экв кг Ж, река 3,3 4,7 5,3 Волга Дон Кама