Термическая деаэрация воды
Опубликовано: 11 июня 2010 г.
1110
М. Иванов, к. х. н.
В любой жидкости, находящейся в открытом резервуаре, растворено определенное количество газов. Не является исключением и вода. Состав растворенных в ней газов может быть разным, но в основном это азот, кислород и углекислый газ. В наибольшем количестве – от 15 до 40 мг/л – в воде содержится азот. Однако этот газ инертный, и его присутствие особого вреда не приносит, чего нельзя сказать о кислороде и углекислом газе, которые становятся причиной коррозии, особенно при повышенных температурах.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Газы попадают в воду различными путями: при прямом контакте с воздухом атмосферы, после проникновения в системы через некоторые материалы, особенно пластик, и в процессе реализации различных стадий водоподготовки – охлаждения в градирнях, фильтрации и др. Поэтому в течение всего времени использования воды в качестве теплоносителя ее нужно постоянно подвергать дегазации. Когда речь идет об удалении из воды газов, входящих в состав воздуха, применяется термин «деаэрация».
Деаэрация воды может осуществляться термическим, химическим, мембранным и другими методами. Наиболее старая и одновременно распространенная в наши технология – термическая деаэрация воды.
Еще в XVIII в. британский физик Вильям Генри доказал, что количество растворенных газов определяется температурой и давлением жидкости. Растворимость газа в воде уменьшается с ростом температуры и понижением внешнего давления. Однако переусердствовать с нагревом и созданием разряжения также нельзя, поскольку это вызовет интенсивное парообразование, смешивание которого с воздухом сводит на нет все попытки деаэрации воды. Деаэрацию проводят в условиях, когда обеспечивается достаточная скорость процесса, а интенсивное парообразование еще не началось. Это достигается варьированием температуры и давления. Термическая деаэрация может быть осуществлена при повышенной температуре и повышенном, атмосферном и пониженном давлении.
Нагрев деаэрируемой воды до состояния насыщения при деаэрации с повышенным или атмосферным давлением производится с помощью водяного пара, а при осуществлении вакуумной деаэрации обычно используется перегретая вода.
Деаэрация – гетерофазный массообменный процесс, в котором растворенные газы воды переходят в газовую фазу водяного пара. Этот процесс может проходить в тонких слоях воды, но более эффективное его протекание наблюдается в мелкокапельном состоянии. Часто для перевода воды в требуемое состояние используется барботаж водяного пара через тонкий слой обрабатываемой воды.
Технология деаэрации реализуется в аппаратах, основной элемент которых – деаэрационные колонки, где, собственно, и происходит удаление из воды газов. Эти колонки бывают вертикальными и горизонтальными. Наиболее распространенны вертикальные. В них обрабатываемая вода поступает сверху, разбрызгивается с помощью распылительных приспособлений, а водяной пар подается снизу.
В деаэрационных колонках имеются дырчатые переливные тарелки, которые не только увеличивают время контакта деаэрированной воды с паром, но и переводят деаэрируемую воду в капельное состояние. Колонки такой конструкции применяются в аппаратах всех видов. Но при работе под вакуумом или с повышенным давлением к прочности оборудования предъявляются более высокие требования, чем в случае с аппаратами атмосферного типа.
Удаляемые газы переходят в водяной пар и выносятся из аппарата. Отработанный пар (его называют выпаром) удаляется из деаэратора. В некоторых моделях, сконструированных с учетом проблем энергосбережения, производится утилизация тепла выпара.
В аппаратах повышенного давления деаэрация протекает при рабочем давлении выше 1,7 атм. Это позволяет ограничить процесс парообразования при относительно высокой температуре нагрева. Деаэраторы повышенного давления применяются для удаления газов из питательной воды парогенераторов на тепловых и атомных электростанциях, в схемах мощных (до 1200 МВт) энергетических турбоустановок. Такие аппараты обычно состоят из бака, обеспечивающего запас воды для работы питательных насосов, и одной или двух колонок деаэрации. Процесс реализуется за счет отбора части водяного пара от энергетических установок.
Деаэраторы атмосферного давления применяются на тепловых электростанциях и в котельных – для подготовки питательной воды для паровых котлов и подпиточной воды систем теплоснабжения.
Как правило, в комплект такого деаэратора входит колонка, бак для воды, гидрозатвор (предохранительное устройство) и охладитель выпара. Нагрев обрабатываемой воды также производится с помощью пара, отобранного из системы.
Несколько иная картина наблюдается при деаэрации с пониженным давлением. В этом случае нагрев производится подачей горячей воды, которая при разряжении, созданном вакуумными насосами, вскипает, образуя пар. Этот пар контактирует с обрабатываемой водой и производит удаление растворенных газов. В ряде конструкций вакуумных деаэраторов используются деаэрационные колонки, а иногда достичь необходимого для удаления газов парообразования позволяет интенсивная циркуляция деаэрированной воды.
В вакуумных деаэраторах процесс удаления газов из воды осуществляется при давлении, обычно равном 0,2–0,3 атм. Чаще всего такие агрегаты применяются в котельных с водогрейными котлами для систем теплоснабжения и ГВС, во всех случаях при отсутствии пара. Деаэраторы данного типа имеют небольшие габаритные размеры.
Обычно вакуумные деаэраторы состоят из бака и установленной на нем деаэрационной колонки. За счет того, что кипение воды при разряжении достигается при более низкой температуре, чем в обычных условиях, оптимальная температура вакуумной деаэрации составляет 60 °С, а максимальная температура – 90 °С. Последнее связано с тем, что при повышении температуры одновременно с дегазацией будет происходить и испарение воды. Вероятно, этим и обусловлен основной недостаток вакуумных деаэраторов: остаточная концентрация кислорода в воде, прошедшей в них обработку, выше, чем в альтернативных вариантах.
Работа деаэраторов всех перечисленных видов производится в периодическом режиме. Сначала, например, из системы отопления закачивается в бак деаэратора определенное количество воды для обработки. Затем эту воду подвергают деаэрации путем многократного пропускания через колонку деаэратора. Циркуляция обрабатываемой воды в замкнутой системе деаэратора производится до определенного времени, или тех пор, пока не будет достигнуто требуемое остаточное содержание газов. Обработанную воду возвращают в систему, а оттуда отбирают новую порцию теплоносителя. Если деаэрации подвергается подпиточная вода, то в бак деаэратора закачивают воду после водоподготовки, а затем производят ее дегазацию и направляют в систему.
В связи с особенностями описанного режима работы деаэратора, такое распространенное понятие, как производительность, то есть количество воды, обрабатываемой в единицу времени, приобретает несколько иной смысл. В данном случае под производительностью следует понимать способность оборудования пропускать через деаэрационную колонку в процессе дегазации определенное количество воды в единицу времени.
На российском рынке присутствую термические деаэраторы, выпускаемые главным образом отечественными производителями. Они в основном различаются по величине рабочего давления, производительности и габаритным размерам. Среди крупнейших и старейших отечественных производителей следует отметить НПО ЦКТИ (Санкт-Петербург), предлагающее аппараты для небольших котельных и оборудование для тепловых и атомных электростанций (производительность – от 1,0 до 6 000 м3/ч; объем бака – от 0,75 до 400 м3).
В качестве примера отечественных деаэраторов атмосферного давления можно рассмотреть аппараты ООО «Сибпромэнерго» (Бийск, Алтайский край). В их состав входит деаэраторный бак – горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами, патрубками подключений и арматурой. Он устанавливается на опорах. Сверху на баке монтируется деаэрационная колонка, которая представляет собой цилиндрическую обечайку с эллиптическим днищем, патрубками для подвода и отвода рабочей среды. Для обеспечения безопасной эксплуатации деаэратора в нем предусмотрено предохранительное устройство в виде гидрозатвора, предотвращающего повышение давления выше допустимого и возрастания уровня воды выше заданного. Производительность аппаратов – от 5 до 50 м3/ч; объем бака – от 2,0 до 15,0 м3. В деаэраторах данного типа применена двухступенчатая схема дегазации: первая ступень – барботажная, вторая – струйная.
Достаточно широкое распространение получили также конструкции деаэраторов, в которых вместо деаэрационной колонки с переливными тарелками используется эжектор или сопло. Один из производителей такого оборудования – НПО «Новые Технологии» (Санкт-Петербург), выпускающее струйные вихревые деаэраторы. Действие этого аппарата основано на создании вращательного движения потока деаэрируемой воды после выхода из сопла специальной конструкции. В центре вращения образуется зона разряжения, что приводит к образованию пузырьков газа. В данном случае также образуется выпар, который удаляется из установки. Струйные деаэраторы имеют производительность от 1 до 300 м3/ч и могут работать как в атмосферном, так и вакуумном режимах. В первом случае перед поступлением в сопло вода нагревается до температуры 102–104, а в вакуумном деаэраторе – до 40–80 °С. Остаточное содержание кислорода в зависимости от температуры и давления обработки воды колеблется от 50 до 18 мкг/л, причем более высокая концентрация соответствует условиям проведения вакуумной деаэрации. Преимуществами такого вида аппаратов являются малые размеры и отсутствие необходимости в подаче водяного пара для барботирования.
Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» # 1(41) 2008