Проектирование производственно-отопительной котельной с котлами ДКВР 6,5-13

Твердые вещества, содержащиеся в  воде, разделяют на механически взвешенные примеси, состоящие из минеральных и иногда органических частиц, коллоидно-растворенные вещества и истинно растворенные вещества. Количество вещества, растворенного в единице раствора (воде), определяет концентрацию раствора и обычно выражается в миллиграммах на килограмм раствора (мг/кг).

Вода, как и всякая жидкость, может  растворять только определенное количество того или иного вещества, образуя  при этом насыщенный раствор, а избыточное количество вещества остается в нерастворенном состоянии и выпадает в осадок.

Различают вещества, хорошо и плохо  растворимые в воде. К веществам, хорошо растворимым в воде, относят хлориды (соли хлористоводородной кислоты) СаС₁₂, МgС₁₂, КаС₁, к плохо растворимым — сульфиды (соли серной кислоты) СаSО₄, МgSО₄, N₃SO₄ и силикаты (соли кремниевой кислоты) СаSiO₃, МgSiO₃. Присутствие сульфидов и силикатов в воде приводит к образованию твердой накипи на поверхности нагрева котлов.

Растворимость веществ зависит  от температуры жидкости, в которой  они растворяются. Различают вещества, у которых растворимость увеличивается  с ростом температуры, например СаС₁₂, МgС₁₂, Мg(NO₃)₂, Са(NO₃)₂, и у которых уменьшается, например СаSО₄, СаSiO₃, МgSiO₃.

2. Показатели  качества воды

Качество воды характеризуется  прозрачностью (содержанием взвешенных веществ), сухим остатком, жесткостью, щелочностью, окисляемостью.

Сухой   остаток   содержит   общее    количество растворенных  в  воде   веществ: кальция, магния, натрия, аммония, железа, алюминия и  др., которые остаются после выпаривания  воды и высушивания остатка при 110°С. Сухой остаток выражают  в  миллиграммах на килограмм или в микрограммах на килограмм.

Жесткость воды характеризуется суммарным  содержанием в воде солей кальция  и магния, являющихся накипеобразователями. Различают жесткость общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную).

Общая жесткость представляет собой  сумму величин временной и  постоянной жесткости и характеризуется  суммой содержания в воде кальциевых и магниевых солей: сернокислых (СаSО₄ и МgSО₄), хлористых (СаС₁₂ и МgС₁₂), азотнокислых (Са(NО₃)₂ и Мg(NО₃)₂), кремнекислых (СаSiO₃ и МgSiO₃), фосфорнокислых (Са₃(РО₄)₂ и Мg(РО₄)₂), двууглекислых (Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂).

Временная жесткость характеризуется  содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂. Постоянная жесткость обусловливается содержанием указанных выше солей кальция и магния, за исключением двууглекислых.

Для определения величины жесткости  в настоящее время установлена  единица показателя жесткости —  миллиграмм-эквивалент на 1 кг раствора (мг-экв/кг) или микрограмм-эквивалент на 1 кг раствора (мкг-экв/кг); 1 мг-экв/кг жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/кг иона кальция Са ⁺ или 12,16 мг/кг иона магния Мg^{2 +}.

Щелочность воды характеризуется  содержанием в ней щелочных соединений. Сюда относят гидраты, например NаОН — едкий натр, карбонаты Nа₂СО₃ — кальцинированная сода, бикарбонаты NаНСО₃, Na₃РО₄ и др. Величина щелочности воды равна суммарной концентрации в ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных, фосфатных и других анионов слабых кислот, выраженной в эквивалентных единицах (мг-экв/кг или мкг-экв/кг). В зависимости от преобладающего наличия в воде анионов тех или иных солей различают щелочность: гидратную (концентрация в воде гидроксильных анионов ОН), карбонатную (концентрация карбонатных анионов CO3²¯) и бикарбонатную (концентрация бикарбонатных анионов НСОз³¯.).

Окисляемость воды характеризуется  наличием в воде кислорода и двуокиси углерода, выраженных в миллиграммах или микрограммах на килограмм.

 

Таблица 2.2.1. – Химический состав воды р.Клязьма при отборе пробы в  г.Владимир.

Взвешенные вещества, мг/кг	Сухой остаток, мг/кг	Щелочность, мг-экв/кг	Жесткость, мг-экв/кг		Содержание катионов и анионов  в воде, мг/кг
			карбонатная	общая	Ca2+	Mg2+	Na+	Fe3+	HCO3-	SO42-	Cl-	NO3-	SlО32-
8	347	2,6	2,6	3,2	47	10,3	34,7	-	158,7	52,7	21,7	1,2	16,6

 

Вода, подготовленная для питания  котельной установки, не должна давать отложений шлама и накипи, разъедать  стенки котла и его вспомогательные  поверхности нагрева, а также  вспениваться.

3. Обработка воды для паровых котлов

Исходными данными для выбора оборудования предварительной водоочистки является:

• величина продувки котла;
• содержание углекислоты в паре;
• относительная щелочность котловой воды.

Обработка воды для водогрейных  котлов включает в себя следующие  основные этапы:

• удаление взвешенных частиц;
• удаление железа;
• умягчение, предотвращение накипеобразования;
• предотвращение коррозии (удаление кислорода и углекислого газа из питающей воды с помощью деаэраторов различных конструкций. Применение деаэратора позволяет существенно снизить содержание свободного кислорода (до 0,02 мг/кг), остальное же количество должно связываться химическим способом).

 

2.3.1 Удаление механических примесей  с помощью фильтров

Для удаления осаждаемых (песок, окислы железа, соли CaCO₃ и другие тяжелые частицы) и взвешенных частиц (мелкая глина, грязь и органические вещества) используются механические фильтры различных конструкций.

При незначительных механических загрязнениях (до 5,0 мг/кг), можно устанавливать  компактные фильтры картриджного типа (сменные или промывные), основные достоинства которых - малые габариты, высокие скорость и глубина фильтрации.

При содержании в воде взвешенных частиц более 15 мг/л, целесообразно  осуществлять фильтрацию на напорных фильтрах с комбинированным слоем (песок + антрацит).

Отфильтрованные частицы, по мере необходимости, удаляются из слоя противоточной  промывкой.

Для проектируемой котельной применяем  напорные фильтры с комбинированным  слоем, т.к. применение картриджных  фильтров нецелесообразно (содержание взвешенных веществ в осветляемой  воде 8,0мг/кг).

 

2.3.2 Умягчение воды методом ионного  обмена

Наиболее распространенным способом очистки воды для ее последующего использования в качестве теплоносителя  являются методы ионного обмена. Сущность этих методов заключается в том, что вода фильтруется через специальный  материал, называемый ионитом. Этот материал имеет способность изменять ионный состав воды в нужном направлении. С  электрохимической точки зрения молекулы ионита представляют собой  твердый электролит. В зависимости  от того какой заряд несет диффузионный слой,  иониты разделяются на катиониты  и аниониты.

Наиболее распространенными катионитами  являются: сульфоуголь и ионообменные смолы КУ 1, КУ 2. Наиболее распространенные аниониты: АН-31, АВ-17, АВ-18. В зависимости от качества исходной воды и требований к качеству обработанной воды в практике применяют следующие методы ионного обмена: натрий-катионирование, водород-катионирование, хлор-ионирование, аммоний-катионирование.

 

Na-катионирование - наиболее распространенный метод обработки воды. Заключается в фильтровании ее через слой катионита, содержащего обменный ион натрия.

При этом протекают следующие реакции:

Са(НСО)₃ + 2NaR ® СаR₂ + 2NaНСО₃                                             

Mg(НСО)₃ + 2NaR ® MgR₂ + 2NaНСО₃                                             

CaCl₂ + 2NaR ® СаR₂ + 2NaCl                                                            

MgSO₄ + 2NaR ® MgR₂ + Na₂SO₄                                                       

Как видно из приведенных реакций, кальциевые и магниевые соли, содержащиеся  в воде, вступают в обменные реакции  с катионитом, замещая в нем  натрий и, тем самым, умягчая воду. Вместо кальциевых и магниевых солей  в обрабатываемой воде образуется эквивалентное  количество легко растворимых натриевых солей. Следовательно, солесодержание при обработке воды не снижается, а несколько увеличивается. Щелочность воды и анионный состав при Na-катионировании не изменяются.

Эксплуатация катионитного фильтра  сводится к последовательному проведению следующих операций: умягчение, взрыхление, регенерация, отмывка.

Основная операция процесса – умягчение. При умягчении происходит реакция  обмена катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на катионы Na⁺. По мере прохождения ионного обмена катионит истощается и уплотняется, обменные реакции замедляются вплоть до проскока катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в обработанную воду. Для восстановления обменной способности катионита его взрыхляют и регенерируют. Взрыхление осуществляется обратным потоком воды, подаваемой из бака, расположенного выше фильтра, или с помощью насоса. Регенерация осуществляется раствором поваренной соли NaCl. Последней операцией является отмывка (промывка) катионита от остаточных продуктов регенерации.

В практике применяются две схемы  умягчения воды по методу Na-катионирования: одноступенчатая и двухступенчатая.

Одноступенчатым Na-катионированием  можно получить воду с остаточной жесткостью до 0,1 мг-экв/кг. При необходимости  более глубокого умягченния воды (до 0,01 – 0,02 мг-экв/кг) следует применять двухступенчатое (последовательное) Na-катионирование.

Число ступеней катионирования определяется требованиями к обработанной воде; так для паровых экранированных котлов, где требуется глубокое умягчение  воды, целесообразно применение схемы двухступенчатого Na-катионирования; для горячего водоснабжения, требуется частичное умягчение воды, достаточно одной ступени катионирования.

 

Н-катионирование. Обработка воды методом Н-катионирования состоит в фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода. Протекающие в водородном фильтре реакции сводятся к замене катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и Na⁺ на катион водорода. При этом протекают следующие химические реакции:

Ca(HCO₃)₂ + 2НR ® СаR₂ + 2Н₂O + СО₂­                                          

Mg(HCO₃)₂ + 2НR ® MgR₂ + 2Н₂O + СО₂­                                        

CaCl₂ + 2НR ® CaR₂ + 2HCl                                                                

MgSO₄+2НR® MgR₂ + H₂SO₄                                                             

NaCl + НR ® NaR + HCl                                                                    

Na₂SO₄ +2НR ® 2NaR + H₂SO₄                                                         

2HR + Na₂SiO₃ ® 2NaR + H₂SiO₃                                                      

Следовательно, присутствующие в воде соли (сульфаты, хлориды и др.) превращаются в процессе ионного обмена в кислоты (серную, соляную и др.), т.е. обработанная вода имеет кислую реакцию (рН<7), что недопустимо. Поэтому Н-катионирование всегда совмещается с Na-катионированием, которое обуславливает щелочную реакцию обработанной воды.

Принцип работы Н-катионитного фильтра  аналогичен работе Na-катионитного фильтра. Регенерация фильтра производится раствором серной кислоты.

Различают следующие схемы Н-Na-катионирования:

• Н-Na-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров;
• параллельное Н-Na-катионирование;
• последовательное Н-Na-катионирование;
• совместное Н-Na-катионирование.

Н-Na-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров применяется для обработки  вод с повышенной карбонатной  жесткостью при сравнительно малом  содержании солей натрия.