«Нехимические» методы обработки воды
Опубликовано: 24 февраля 2012 г.
939
Стремление экономить материалы и топливо понуждают конструкторов энергетического оборудования к интенсификации его использования и увеличению мощности тепловых потоков на единицу площади теплообменных поверхностей. В свою очередь, повышаются требования к качеству питательной воды промышленных и энергетических потребителей. Наряду с этим упрощаются технологии водоподготовки, позволяющие малыми средствами добиться больших результатов.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Применение «нехимических» методов обработки воды в энергетике расширяется благодаря технологическим и экономическим преимуществам: их внедрение позволяет значительно сократить количество используемых реагентов (кислот, щелочей, хлорида натрия) и тем самым избавиться от проблем утилизации сточных вод с высоким содержанием химических веществ. Активно развиваются такие технологии водоподготовки как: магнитная, электромагнитная (радиочастотная), акустическая (ультразвуковая), мембранная. Также к этим методам условно отнесены электрохимический (электродиализный) метод и обработка воды комплексообразователями (комплексонами).
Магнитная обработка воды
Магнитные аппараты устанавливают для предотвращения (или уменьшения) осаждения накипеобразующих веществ на теплообменной поверхности. Наиболее часто встречающаяся накипь образуется карбонатом кальция.
Температура осаждения карбоната кальция из природной воды – 40–130 °С. Следует помнить о том, что температура нагретой воды в теплогенераторе или теплоиспользующем аппарате всегда ниже температуры стенки нагреваемой поверхности. Принято считать, что температура стенки трубы в топке водогрейного котла выше температуры нагретой воды на 30–40 °С, а в теплообменнике (бойлере) – на 15–20 °С. Но, конечно, эта разница температур уменьшается с уменьшением габаритов и теплопроизводительности котлов.
Эти и другие соображения обусловили следующие требования к технологии и аппаратам магнитной обработки воды (СНиП II-35-76**** «Котельные установки», СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» (ранее СНиП 2.04.07-86*), СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» (ранее «Руководство по проектированию тепловых пунктов»: М., Стройиздат, 1983);
- для чугунных и других паровых котлов с температурой нагрева воды до 110 °С допускается карбонатная жесткость исходной воды не более 7 ммоль/л (то есть практически до наибольшего значения карбонатной жесткости природной воды, определяемого в лаборатории), содержание железа (Fe) – не более 0,3 мг/л. При этом обязательна установка шламоотделителя на продувочном трубопроводе парового котла;
- для водогрейных котлов с температурой нагрева воды до 95 °С в закрытой системе теплоснабжения допускается карбонатная жесткость исходной воды не более 7 ммоль/л, содержание железа (Fe) – не более 0,3 мг/л. При этом исходную воду можно не деаэрировать, если в ней содержание растворенного кислорода не более 3 мг/л и/или сумма значений хлоридов (Сl- ) и сульфатов (SO42-) не более 50 мг/л. Часть циркулирующей воды (не менее 10 %) должна проходить через дополнительный магнитный аппарат для предотвращения «затухания» магнитного воздействия.
Для системы горячего водоснабжения с t нагрева воды до 70 0С должны выполняться все указанные выше условия (ограничения по жесткости воды, содержанию железа, деаэрация или другая противокоррозионная обработка воды), но, кроме того, нужно обеспечить напряженность магнитного поля не более 159•103 А/м (2000 Э). Другие условия для этой системы указаны в СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» и в СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов».
Отсутствие общепризнанной теории магнитной обработки воды и, следовательно, отсутствие методики расчета параметров, разрушенная система нормативной базы (перевод нормативов в разряд рекомендуемых и добровольно принимаемых), существование десятков (!) производителей – всё это склоняет пользователей к случайному выбору аппаратов и приводит к положению, при котором в одинаковых, казалось бы, условиях эффект магнитной обработки воды различается.
У «классических» физиков вызывает недоумение и неприятие притязания инженеров объяснять эффективность магнитной обработки воды действием магнита на внутриатомные силы. Конечно, для внутриатомных сил магнитный импульс применяемых аппаратов – то же самое, что пушечный выстрел в океан в надежде его «взволновать»,
Можно предположить, что противоречие разрешается простым напоминанием: обработке воды подвергается не Н2О, а природная вода – срéды очень и очень разные.
Кроме того, недоверие вызывает существование так называемой «памяти воды», то есть сохраняющейся в течение довольно длительного времени (по разным оценкам: 12–190 ч) после «омагничивания» способности воды предотвращать или хотя бы замедлять накипеобразование.
Из известных гипотез магнитной обработки воды представляется наиболее обоснованной гипотеза, выдвинутая сотрудниками кафедры водоподготовки МЭИ (Технический университет) и развитая далее в Институте проблем нефти и газа РАН.
Основное положение гипотезы: магнитная обработка воды может быть эффективной только при наличии в воде ферромагнитных частиц (хотя бы в количестве более 0,1–0,2 мг/л). Вода должна быть пересыщена по ионам кальция и карбоната. Магнитный поток способствует дроблению агрегатов ферромагнитных частиц на фрагменты и отдельные частицы, «освобождению» их от водной оболочки, образованию газовых микропузырьков.
Ферромагнитные микрочастицы в многократно увеличенном количестве создают центры кристаллизации, и накипеобразующие элементы меньше осаждаются на теплонапряженной поверхности и больше – внутри водного потока. Газовые микропузырьки действуют как флотоагенты.
Конструкции магнитных аппаратов разнообразны.
Лучшая эффективность – у аппаратов, полюсы которых выполнены не из углеродистой стали, а из редкоземельных металлов, сохраняющих «магнитную силу» до температуры воды 200 °С и имеющих длительный эксплуатационный ресурс (за 10 лет магнитные свойства ослабевают лишь на 0,2–3,0 %).
Магнитное поле должно быть переменным. Поэтому магнитные аппараты состоят из четырех и более магнитов – так, чтобы положительные и отрицательные полюсы чередовались.
Магниты могут располагаться как внутри, так и снаружи трубы. При внутреннем расположении полюсов происходит накапливание частиц железа на полюсах (что вызывает необходимость разборки аппарата для очистки). При наружном расположении магнитов нужно учитывать зависимость магнитной проницаемости материала трубы.
При большом количестве железа в исходной воде (5–10 мг/л) и небольшом расходе воды, когда экономически нецелесообразно организовывать специальное обезжелезивание воды, можно предусматривать перед магнитным аппаратом намагниченную фильтр-сетку: будут задерживаться и ферромагнитные, и другие взвешенные частицы.
С учетом положений описанной выше «ферромагнитной» гипотезы «омагничивания» воды требуется в каждом случае внимательно рассматривать условия установки аппаратов. Требуется также критически относиться к приведенному выше нормативу по железу: не более 0,3 мг/л. Нужно установить нижний предел содержания железа в исходной воде и, может быть, повысить верхний предел.
Во время магнитной обработки образуется углекислота. Получающийся углекислый газ в системе горячего водоснабжения и в промышленных оборотных системах выводится через водопроводную арматуру и градирни. В закрытой системе с большим расходом воды необходимо устанавливать дегазаторы.
Получающиеся хлопья необходимо выводить из системы – через шламоотделители. При этом нужно учитывать, что центробежный циркуляционный насос должен устанавливаться после магнитного аппарата, чтобы хлопья не разрушались.
Электромагнитная (радиочастотная) обработка воды
Физические методы обработки воды сравнительно недавно пополнились радиочастотным методом. По эффекту действия этот метод подобен магнитному, поэтому все условия и ограничения применения, изложенные выше для магнитного метода, действительны и здесь.
Достоинством электромагнитной обработки является легкий монтаж: электрокабель просто наматывается на трубу (как правило, не менее шести витков). При подаче электротока в кабель образующиеся электромагнитные волны в природной воде изменяют структуру находящихся там веществ (прежде всего, как описано выше, ферромагнитных частиц). В результате накипеобразующие примеси кальция (в основном – карбонаты) меньше осаждаются на теплонапряженной поверхности.
Удобство такого способа обработки воды – возможность изменения воздействия на воду путём изменения подачи электроэнергии (мощности и силы тока).
Радиочастоты – один из классов электромагнитных волн – разделены в зависимости от частоты и длины волны на 12 диапазонов. Диапазон частот, используемых при описываемой обработке воды, – 1–10 кГц, то есть часть диапазонов инфранизких частот (0,3–3 кГц) и очень низких частот (3–30 кГц).
Как и магнитная обработка воды (на постоянных магнитах), электромагнитная применима только для воды сравнительно низких температур нагрева – не более 110–120 °С и там, где нет пристенного кипения воды. Следовательно, такая обработка не может применяться для паровых котлов, где температура нагрева воды более 110 °С. Возможно, потому, что мощность тепловых потоков через нагреваемые поверхности паровых и больших водогрейных котлов несопоставимо велика по сравнению с мощностью электромагнитного сигнала, препятствующего накипеобразованию.
Показательны во много раз отличающиеся оценки тепловых нагрузок поверхностей нагрева, при которых эффективна электромагнитная обработка воды. Разные фирмы указывают для своих аппаратов допустимые значения мощности тепловых потоков: от 25–50 до 175 кВт/м2. Но большинство фирм вообще не указывают это значение.
Физико-химические процессы радиочастотной обработки воды пока исследованы недостаточно, а добытые в исследованиях факты не получили удовлетворительной интерпретации. Как бы там ни было, претензии изготовителей аппаратов на возможность применения этого метода в широком диапазоне значений жесткости, минерализации и температуры воды, для разных котлов и теплообменников – не обоснованы.
Акустическая (ультразвуковая) обработка воды
Выше указывалось, что из-за отсутствия общепризнанных обоснованных расчетных методик выбора параметров магнитных и электромагнитных аппаратов воспроизводимость результатов обработки воды плохая. В этом отношении ультразвуковая обработка воды имеет преимущество: результаты всегда однозначные и воспроизводимые.
Ультразвуковая технология предотвращения образования отложений на теплообменной поверхности оборудования основана на ультразвуковом возбуждении механических колебаний в толще водного потока и/или в теплообменных стенках оборудования.
Частота ультразвуковых колебаний рекомендуется в диапазоне 20–25 кГц. Современные противонакипные акустические аппараты (АПУ) генерируют ультразвук с частотой 22 кГц.
Пределы применения этой технологии, сообщаемые разными фирмами-изготовителями, очень различаются:
- жесткость исходной воды (преимущественно – карбонатной) – до 5–8 и более ммоль/л (верхний предел не найден);
- температура нагреваемой воды – до 80–190 °С (теплообменники и паровые котлы низкого давления – до 1,3 МПа).
Другие параметры работы, условия применения акустических аппаратов – см. «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ», 2009, № 1.
Известны сотни объектов, где успешно действуют ультразвуковые противонакипные аппараты. Но сложность определения места установки аппаратов на оборудовании требует руководства работами специалистов фирмы-производителя.
Электрохимические методы обработки воды
Есть несколько электрохимических методов и конструкций, позволяющих предотвращать образование отложений в оборудовании (в том числе – накипь в теплогенераторах и теплообменниках), улучшать, интенсифицировать процессы флотации, коагуляции, седиментации и др.
Конструкции разные, но суть заключается в том, что под влиянием электрического поля в воде инициируются процессы электролиза: соли жесткости, соединения железа, других металлов осаждаются на катодах, а на анодах образуются углекислый газ и углекислота. Образующиеся ионы также разрушающе действуют на бактерии и другие биологические примеси воды.
Расход электроэнергии зависит прежде всего от минерализации исходной воды и расстояния между электродами.
Пределы применения предварительно рассчитать трудно: сообщаются самые разные значения температуры воды – до 70 °С и до температур питательной воды паровых котлов.
Подробно технология электрохимической обработки воды разных производителей описана: «Аква-Терм», 2003, № 2 и «Аква-Magazine», 2008, № 3.
Разработана и уже применяется электроплазменная технология очистки воды, но ее применение требует еще дополнительных исследований в реальных условиях объектов.
Другие методы обработки
Многочисленными исследованиями и уже большим опытом работы теплообменного оборудования установлено, что введение в воду некоторых веществ-комплексообразователей даёт возможность предотвращать накипеобразование.
Принципиально важно отметить, что количество вводимых комплексонов несравнимо меньше стехиометрического количества. Это обстоятельство позволяет нам характеризовать такой метод в качестве «не совсем химического» – здесь нет обмена электронами между атомами, как в «классической» химической реакции.
И, напротив, увеличение дозы комплексона больше рекомендуемых значений не всегда приводит к желаемым результатам, к тому же увеличиваются стоимость обработки воды и, в ряде случаев, значения концентраций этих веществ в сточных водах.
В этой технологии гарантированный успех достижим только при обязательном учете тепловых и гидродинамических условий работы оборудования. Необходим комплекс исследований на каждом объекте и непременный надзор квалифицированных специалистов за эксплуатацией оборудования.
Сообщения, публикации о реагентах и технологии, пределах применения этого способа обработки воды столь многочисленны, что описание его находится вне пределов данной статьи. Особенности этого способа необходимо осветить в отдельной статье.
.jpg)
Последнее замечание, безусловно, должно быть отнесено и к мембранному методу.
Все рассмотренные технологии водоподготовки, несмотря на различие в принципах и особенностях, обладают общими признаками: их энергетические мощности невелики. А мощности тепловых потоков очень сильно различаются. Может оказаться, что действие магнитных, электромагнитных, ультразвуковых импульсов, комплексонов будет недостаточно, и накипеобразующие вещества будут «успевать» осаждаться на теплообменной поверхности.
Также весьма различны скорости движения водных потоков.
Участившиеся в последние годы сообщения об авариях жаротрубных котлов – подтверждение, в частности, прямой зависимости накипеобразования от скорости водных и мощности тепловых потоков.
Современные жаротрубные котлы, в отличие от котлов производства 30–40-х гг. прошлого века, обладают хорошими показателями соотношения теплопроизводительности и габаритов, но сохранили конструктивные недостатки жаротрубных котлов: малые скорости потоков воды и наличие застойных зон.
И, наоборот, в гидронных котлах, где в медных трубах с малой шероховатостью скорость воды повышенная, накипь не образуется при прочих равных условиях: содержание ионов жесткости, температура воды и др. В этом отношении выгодно отличаются и новые конструкции водогрейных котлов «Смоленск» Дорогобужского котельного завода.
Выводы
1. Успешное и эффективное использование описанных выше технологий может быть гарантировано только тогда, когда будут исследованы и обоснованно установлены предельные условия их применения.
2. Обязательно должны быть установлены пределы:
- температуры поверхностей нагрева, в том числе повышенные местные температуры – с учетом перегрева;
- мощностей тепловых потоков на единицу площади нагретой поверхности;
- наименьшей скорости водного потока в трубах и емкостях оборудования;
- содержания в исходной воде кальция (Са2+), магния (Mg2+), железа (Fe), гидрокарбонатов (НСО3-), сульфатов (SO42-), минерализации, «органики», других возможных накипеобразователей, коррозионных агентов, ингибиторов накипеобразования (некоторая часть «органики»);
- наличие или отсутствие застойных зон.
Я. Резник
"Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №1 (11) 2012
Поделиться: