Обессоливание воды по методу ионного обмена. Схемы обессоливающих установок

Лекция 4 Обессоливание воды по методу ионного обмена. Схемы обессоливающих установок СЛАйды 9-17 Обессоливание воды состоит в удалении из нее всех катионов и анионов растворенных в ней веществ, кроме катионов H+ и анионов ОH–. В идеале должна остаться чистая вода, т. е. H+ + OH– = H2O. Химическое обессоливание является многоступенчатым процессом. Количество и характер ступеней обработки определяются требованием к качеству питательной воды и пара турбин и зависят от состава исходной воды. Набор ступеней, выстроенных в технологически необходимой последовательности, называется схемой обессоливающей установки. Если перед ней поставить схему предочистки, то получим схему ВПУ. Изображенная та рисунке 4 схема записывается так: К– М – Н1 – А1 – Н2 – Д – А2 – ФСД. Как уже обсуждали выше, выбор схемы ВПУ зависит, в основном, от следующих факторов: 1) типа паропроизводящего оборудования; 2) качества исходной воды; 3) требований, предъявляемых к качеству обрабатываемой воды; 4) экономической целесообразности. Особое внимание следует уделить схеме полного химического обессоливания и обескремнивания природной воды с предварительной коагуляцией ее в осветлителях, фильтрованием на осветлительных (механических) фильтрах с двумя ступенями H-катионирования и OH-анионирования и декарбонизацией воды перед или за второй ступенью H-катионирования. На последнем этапе очистки применяется фильтр смешанного действия (ФСД) (рисунок 4). По такой схеме достигается наиболее тщательная подготовка воды. Рисунок 4. Схема ВПУ с полным химическим обессоливанием и предочисткой: ИВ – исходная вода; О – осветлитель; К – коагулянт; БКВ – бак коагулированной воды; МФ – механический (осветлительный) фильтр; HI, HII – соответственно Н-катионитные фильтры I и II ступеней; AI, AII – соответственно ОН-анионитные фильтры I и II ступеней, Д – декарбонизатор; ОВ – обессоленная вода; КС – кислый сток; ЩС – щелочной сток. Эта схема применяется для подготовки добавочной воды прямомоточных котлов высокого давления: Н1 – А1 – Н2 – Д – А2 – ФСД Для барабанных котлов с давлением 10 МПа и выше используется схема глубокого обессоливания Н1 – А1 – Н2 – Д – А2 (Слайд 16). Для барабанных котлов с Р от 4 до 6 МПА используется схема частичного обессоливания: Н1– Н2 – Д – А2 (Слайд 15). Существуют две схемы соединения фильтров в ВПУ (слайд 17 в Презентации 3): 1) Параллельная (секционная, гребенка). Однородные фильтры располагаются группами и объединяются входными и выходными коллекторами 2) блочная (цепочки) Схема разбивается на отдельные цепочки (блоки), каждя из которых содержит по одному фильтру каждого типа, соединенных последовательно. Фильтрат последних фильтров объединяется и подается на ФСД и далее в сборный бак. Литература: ОИ [1], ДИ [2], [3], [9]. Безреагентные методы обработки воды (Слайды 4,5,6,7,8) Удаление из воды растворенных газов (дегазация) – важная часть комплексного технологического процесса обработки воды, реализуемого на ТЭС. Необходимость этого процесса вызвана стремлением уменьшить интенсивность коррозии внутренних поверхностей теплоэнергетического оборудования под действием растворенных в теплоносителе агрессивных газов. Кроме того, наличие в воде углекислоты отрицательно сказывается на эффективности работы анионитных фильтров, установленных в схемах ионообменной части водоподготовительных установок (ВПУ). Один из основных потоков, подвергаемых дегазации, – питательная вода котлов. Однако растворенные газы удаляют и из потоков, не являющихся непосредственно рабочим телом. Такими потоками являются химически очищенная вода, подпиточная вода, возвратный конденсат и др. Кислород O2 и диоксид углерода CO2 присутствуют в воде в результате растворения при контакте воды с атмосферным воздухом. Анионы угольной кислоты (бикарбонат-ион) и (карбонат-ион) являются одними из важнейших анионов в природных водах, кроме них там одновременно содержатся и другие формы угольной кислоты: CO2 и . Баланс разных форм угольной кислоты можно представить уравнением: , из которого следует, что равновесное состояние такой системы зависит от концентрации в воде свободной CO2, которая в свою очередь зависит от температуры и парциального давления CO2 над водой. Углекислота появляется в воде также в процессе химического обессоливания после стадии Н-катионирования, а при умягчении воды методами Na-катионирования и H-Na-катионирования вода дополнительно насыщается связанным диоксидом углерода. Наиболее эффективный способ удаления растворенных газов из воды – десорбция. Этот способ основан на использовании известных законов Генри и Дальтона. Практический вывод, который мы можем сделать из изучения и анализа этих законов можно сформулировать так: чтобы удалить данный газ из воды, необходимо добиться снижения парциального давления этого газа, в смеси газов находящихся в контакте с водой. На использовании этих законов сконструированы дегазаторы, которые используются в теплоэнергетике: деаэраторы (для удаления кислорода и др. газов, находящихся в воде) и декарбонизаторы (для удаления только свободной угольной кислоты). Применение термической деаэрации для удаления углекислоты в схемах ВПУ нежелательно вследствие нагревания воды, которую пришлось бы после этого охлаждать для очистки в последующих ступенях водоподготовки (ввиду низкой термической стойкости ионитов). Сущность метода аэрации (по целевому назначению называют декарбонизацией) заключается в продувании через воду воздуха, свободного от углекислоты. Таким образом, при использовании данного метода, так же как и при термической деаэрации воды, над поверхностью обрабатываемой воды создается атмосфера, в которой парциальное давление углекислоты ничтожно мало по сравнению с парциальным давлением углекислоты в воде. На процессе деаэрации остановимся более подробно. Деаэрация – процесс удаления из воды растворенных в ней газов. Кислород и диоксид углерода (CO2), растворенные в воде, вызывают коррозию поверхностей нагрева, трубопроводов, арматуры котельных и тепловых сетей. Известны несколько способов деаэрации воды, прежде всего – термический и химический. Наибольшее распространение получила термическая деаэрация, главным преимуществом которой следует считать ее универсальность, т. е. удаление всех растворенных газов независимо от их природы. Термическая деаэрация – это процесс десорбции газа из жидкости в находящийся с ней в контакте пар. Этот способ основан на использовании известных законов Генри и Дальтона. Практический вывод, который мы можем сделать из изучения и анализа этих законов можно сформулировать так: чтобы удалить данный газ из воды, необходимо добиться снижения парциального давления этого газа, в смеси газов находящихся в контакте с водой. Если довести воду до кипения, то давление газовой смеси, находящейся в контакте с водой (а в нашей производственной ситуации это азот, кислород, углекислота и водяной пар), будет равно давлению водяного пара, соответственно давление всех других компонентов смеси будет стремиться к нулю. Доведение воды до состояния кипения, когда , не является достаточным для полного удаления из нее растворенных газов. Необходимо создать условия перехода газов из воды в паровое пространство. Одним из таких условий является увеличение площади поверхности контакта воды с паром, чтобы максимально приблизить частицы потока деаэрируемой воды к поверхности раздела фаз. Это достигается дроблением потока воды на тонкие струи, капли или пленки (соответственно струйная, капельная или пленочная деаэрация), а также при барботаже пара через тонкие слои воды (барботажная деаэрация). Наилучший эффект достигается при использовании деаэраторов, сочетающих струйный, пленочный или капельный принцип распределения воды с барботажем. Как уже было сказано, растворение газов в воде уменьшается с повышением температуры и совершенно прекращается при достижении температуры кипения, когда растворенные газы полностью удаляются (улетучиваются) из воды. В то же время эффективное удаление газа из воды также не является достаточным для эффективной деаэрации. Выделившийся из воды пар находится на поверхности жидкости или в непосредственной близости от нее, и при незначительном снижении температуры воды или повышении ее давления газ вновь поглощается водой. Эффективная деаэрация достигается при полном отводе выделившихся газов за счет непрерывной вентиляции и вывода их из деаэратора. Газ из деаэратора отводится вместе с паром, который называют выпаром. Количество выпара оказывает существенное влияние на эффект деаэрации. Применяемые на энергообъектах деаэраторы различают по рабочему давлению, при котором происходит выделение газов из воды: деаэраторы повышенного давления (0,6–1,2 МПа) типа ДСП, деаэраторы атмосферные (0,12 МПа) типа ДА, деаэраторы вакуумные (0,0075–0,05 МПа) типа ДВ (типоразмер – производительность, т/ч, не указана). Деэраторы различают также по способу контакта воды с паром: пленочные, струйные, капельные, барботажные. При этом часто используются комбинированные схемы контакта (наприер, струйно-барботажные. На рисунке 1 показана общая схема деаэрационной установки. Рисунок 1 В состав установки входят: колонка, где происходит основной подогрев и деаэрация воды; аккумуляторный бак для хранения запаса деаэрированной воды, охладитель выпара для уменьшения потерь теплоты и теплоносителя, арматура и приборы для регулирования и контроля работы деаэратора. В верхней части деаэрационной колонки располагается водораспределитель для смешения потоков поступающей воды и равномерного распределения ее по сечению. Горячие потоки воды, подверженные вскипанию при вводе в деаэратор, и дополнительный пар подаются на промежуточные ступени колонки. В нижней части колонки расположен парораспределитель для равномерного распределения поступающего в нее греющего пара. Большая часть греющего пара конденсируется при нагревании воды, а некоторый избыток его вместе с выделившимися из воды газами (выпаром) отводится из верхней части через штуцер в охладитель выпара (теплообменник поверхностного типа). В охладителе выпара пар конденсируется, подогревая один из потоков воды, поступающих в деаэратор; газы отводятся в атмосферу (самотеком или водоструйным эжектором, если деаэратор вакуумный), а образующийся конденсат – в сборный бак или непосредственно в колонку деаэратора. Под деаэраторной колонкой расположен аккумуляторный бак. Конструкции водо-и парораспределителей могут быть различными. На рисунке 2 показана конструктивная схема деаэрационной колонки струйно-барботажного типа. Предназначенная для деаэрации вода поступает в смесительное устройство 2 и через переливное устройство 3 сливается на дырчатую тарелку 4. Через отверстия дырчатой тарел- Рисунок 2 ки вода попадает на перепускную тарелку 5, откуда через сегментное отверстие 6 поступает на барботажную тарелку (лист) 7. На тарелке 7 вода барботируется паром, проходящим через отверстия. С этой тарелки вода переливается через порог 8 и поступает в гидрозатвор, после которого она сливается в бак-аккумулятор 12. Пар через коллектор 13 подводится под барботажный лист. Степень перфорации барботажного листа принимается такой, чтобы под ним даже при минимальной нагрузке существовала устойчивая паровая подушка, препятствующая проходу воды через отверстия. При значительном повышении давления в паровой подушке (до 130 мм вод. ст.) при увеличении нагрузки часть пара из нее перепускается по трубе 14 в обвод барботажного листа. Это исключает нежелательное повышение уноса воды из слоя над листом. Постоянному проходу пара через трубу 14 препятствует гидрозатвор 15, который заполняется водой. Пройдя через слой воды над листом 7, пар выходит через горловину перепускной тарелки 5, омывает струи воды и подогревает ее до температуры, близкой к температуре насыщения при давлении в колонке. Здесь же происходит первичная дегазация воды. Через штуцер 17 пар и выделившиеся газ удаляются из колонки. Следует понимать, что схема ВПУ для обессоленной воды, включающая стадию пред-очистки и стадию ионного обмена, является классической и наиболее широко применяемой в отечественной энергетике. Существуют и другие методы получения обессоленной воды: термическое обессоливание (получение дистиллята в испарителях) и мембранные процессы (ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ – перенос примесей или растворителей через мембраны). Но чаще всего эти процессы комбинируются с процессами предочистки и отдельными стадиями ионирования, например с двухступенчатым натрий-катионированием (рисунок 5). При рассмотрении вопросов термического обессоливания воды следует иметь в виду, что термическая обработка воды становится технически и экономически целесообразной только для вод с повышенным солесодержанием. Следует обратить внимание на схемы испарительных установок с применением испарителей различной конструкции (кипящие, адиабатные и пленочные испарители, водотрубные испарители с вынесенной зоной кипения). Необходимо также разобраться с методами подготовки добавочной воды для всех видов испарителей. Рисунок 5. Схема ВПУ с термическим обессоливанием: ИВ – исходная вода; О – осветлитель; К – коагулянт; БКВ – бак коагулированной воды; МФ – механический (осветлительный) фильтр; NaI, NaII – соответственно Na-катионитные фильтры I и II ступеней; Д-р – деаэратор; ИУ – испарительная установка; ОВ – обессоленная вода В связи с ужесточением норм на сбросы сточных вод в источники водоснабжения и применением бессточной технологии подготовки воды в последнее время для удаления ионных примесей из высокоминерализованных вод применяются методы электродиализа и обратного осмоса. Перечисленные методы (термический, электродиализ, осмос) применимы и для очистки сточных вод. Литература: ОИ [1], ДИ [2], [3], [6], [9]. Нормы качества питательной воды, пара и конденсата барабанных и прямоточных котлов (Слайды 2,3) Необходимым условие длительной, надежной и экономичной работы ТЭС является рациональная организация водоподготовки и водного режима станции и, в первую очередь, строгое соблюдение норм качества пара, конденсата, питательной и добавочной воды. Нормы качества воды и пара – это перечень предельных величин жесткости, щелочности, солесодержания, кремнесодержания, концентрации продуктов коррозии металлов и агрессивных газов, превышение которых может привести к образованию накипей в котлах, коррозионным процессам и заносам проточной части турбин. Различают нормы расчетные и эксплуатационные. Расчетные нормы используются при составлении проектов водоподготовительных установок или внутрикотловых устройств. Эксплуатационные нормы разрабатываются, как правило, путем проведения специальных испытаний оборудования. Как расчетные, так и эксплуатационные нормы, должны удовлетворять требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котельных агрегатов Госгортехнадзора, Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской федерации РД 34.20.501.95 (ПТЭ). В ПТЭ есть специальный .раздел « Водоподготовка и водно-химический режим тепловых электростанций и тепловых сетей», а в нем подраздел «Нормы качества воды и пара», где в виде специальных таблиц и примечаний детально изложены требования к качеству, т. е: 1) нормы качества пара прямоточных котлов. Нормы качества питательной воды прямоточных котлов. Нормы конденсата турбин прямоточных котлов. В зависимости от давления котлов и типа водного режима (рН). 2) нормы качества насыщенного и перегретого пара котлов с естественной циркуляцией. Нормы качества питательной воды котлов с естественной циркуляцией. Нормы качества конденсата турбин с естественной циркуляцией. В зависимости от номинального давления за котлом. 3) Нормы качества обессоленной воды для подпитки прямоточных котлов. Нормы качества обессоленной воды для подпитки котлов с естественной циркуляцией. 4) Нормы качества конденсата, возвращаемого с производства. 5) Нормы качества воды для подпитки тепловых сетей. 6) Нормы качества сетевой воды для систем теплоснабжения. И т. д. Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей установлены показатели качества питательной воды и пара, приведенные в таблицах ПТЭ, [11]. Литература: ОИ [2], ДИ [2], [3], [4], [10], [11]. Контрольные вопросы 1 блок 1. В чем заключается сущность полного химического обессоливания? 2. Какие схемы применяются для частичного, полного и глубокого обессоливания воды? 3. От каких факторов зависит выбор схемы ВПУ? 2 блок 1. В чем сущность термической деаэрации воды? 2. Как изменяется растворимость газов в воде с повышением температуры и понижением давления? Как эти факторы использованы в установках для дегазации воды? 3. От чего зависит растворимость газов в воде? Каким законом определяется растворимость газов? 4. Какие виды (типы) деаэраторов используют на энергообъектах? 5.Назначение и принцип действия декарбонизатораю 6. Объяснить необходимость удаления кислорода и углекислого газа из воды. 7. Перечислите методы безреагентной обработки воды и аппараты в которых они реализуются. 3блок 1. В чем разница между расчетными и эксплуатационными нормами качества воды и пара? 2. По каким показателям нормируется качество питательной воды барабанных и прямоточных паровых котлов? Внимание! Отвечать на один любой вопрос из каждого блока. Всего 3 ответа. Внимание! Решить 2 задачи в соответствии с указанным вариантом. Контрольные задачи Подсказки: 1. 1 мг-экв/дм3 = 1000 мкг- экв/дм3. 2. См. практическое занятие №1. Вариант 1 (Атабаева Н.П., Беляков А.Н., Зайцева А.С., Карякин О.В., Корнев М.С.) 1 задача Используйте ПТЭ (слайд 3) Общая жесткость природной воды Жо = 5 мг-экв/дм3. Определить: Во сколько раз нужно уменьшить жесткость воды для питания котла с естественной циркуляцией с номинальным давлением за котлом 3,9 МПа? Топливо – газ. Сделать выводы: Как связано давление котла с требованиями к жесткости питательной воды? 2 задача Качество исходной воды характеризуется следующими данными: Жо = 5 мг-экв/дм3, Жнк = 3 мг-экв/дм3. Найти ЖCa, ЖMg, Жк, если Жо/ЖMg = 4. Вариант 2 (Мокеева В.А., Оразов Д.В., Полетаев С.А., Смирнов А.В., Улыбин П.И.) Используйте ПТЭ (слайд 3) Общая жесткость природной воды Жо = 5 мг-экв/дм3. Определить: Во сколько раз нужно уменьшить жесткость воды для питания котла с естественной циркуляцией с номинальным давлением за котлом 13,8 МПа? Топливо – газ. Сделать выводы: Почему чем выше давление в котле, тем меньше должна быть жесткость питательной воды? 2 задача Ионный состав исходной воды: Ca2+ – 50 мг/дм3; Mg2+ – 36 мг/дм3; Na+ – 113 мг/дм3; Fe2+ – 0,6 мг/дм3. Определить ее жесткость и сумму катионов мг-экв/дм3. ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ УЧЕБНЫХ ИЗДАНИЙ, ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ, ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основные источники: Тема 2.3. Водоподготовительное оборудование тепловых электростанций 1. Копылов, А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике [Текст]: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд. стереот.- М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 2. Воронов, В.Н Водно-химические режимы ТЭС и АЭС [Текст]: учебное пособие /В.Н. Воронов,Т.И. Петрова; под ред. А.П Пильщикова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Дополнительные источники: Тема 2.3. Водоподготовительное оборудование тепловых электростанций 1. Копылов, А.С. Процессы и аппараты передовых технологий водоподготовки и их программированные расчеты[ Текст]: учеб. пособие для вузов / А.С.Копылов, В.Ф.Очков, Ю.В. Чудова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 2. Вихрев В. Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1973. 3. Белан Ф. И. Водоподготовка: Учебник для техникумов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1979. 4. Субботина Н. П. Водный режим и химический контроль на ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 5. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций. ВНТП-81. – М., 1981. 6. Стерман Л. С., Покровский В. Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 7. Гурвич С. М., Кострикин Ю. М. Оператор водоподготовки. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. 8. Кострикин Ю. М., Мещерский Н. А., Коровина О. В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 9. Громогласов А. А. и др. Водоподготовка: процессы и аппараты: Учебное пособие для вузов/ А. А. Громогласов, А. С. Копылов, А. П. Пильщиков; под ред. О. И. Мартыновой. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 10. Белоконова А. Ф. Водно-химические режимы тепловых электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1985 11. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство энергетики РФ. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. 12. Жабо В. В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1992.