Методы обработки охлаждающей воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки российской федерации

Филиал федерального государственного бюджетного

Образовательного учреждения высшего образования

«национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Направление 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

профиль «Энергообеспечение предприятий»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Физико-химические основы подготовки воды и топлива»

на тему «Методы обработки охлаждающей воды»

Cмоленск 2015

Оглавление

Введение

1. Стабилизация охлаждающей воды

2. Обработка охлаждающей воды в магнитном и акустическом полях

3. Предотвращение биологических обрастаний системы охлаждения

4. Озонирование охлаждающей воды

Заключение

Список использованных источников

Введение

Основная часть воды, потребляемой ТЭС, используется для охлаждения. Требования к качеству охлаждающей воды сводятся к тому, чтобы она имела температуру, обеспечивающую нормальный вакуум в конденсаторах, и не вызывала образования в системе охлаждения отложений минерального и биологического характера, а также коррозии оборудования. Естественно, что при больших расходах охлаждающей воды неправомерно ставить вопрос об ее тщательной очистке с удалением всех примесей, склонных к образованию отложений.

Для охлаждения конденсаторов используются как прямоточные, так и оборотные системы водоснабжения.

Для предотвращения образования минеральных отложений в конденсаторах в оборотных системах охлаждения применяют продувку системы, обработку воды реагентами, обработку воды в магнитном и акустическом полях. Для предотвращения образования биологических отложений в обоих видах охлаждающих систем применяют обработку воды сильными окислителями.

Проблемы коррозии и накипи решаются с помощью ингибиторов и успешно применяются до настоящего времени. Образование биопленки приводит к снижению теплоотдачи, росту коррозии и как следствие увеличение эксплуатационных расходов. Образование биопленки происходит из-за повышения температуры, из-за примесей, поступающих с добавляемой водой и окружающим воздухом. Для бактерицидной обработки воды и контроля микроорганизмов в охлаждающей воде используются биоциды. Биоциды- это активные вещества и/или составы содержащие один или более активных ингредиентов предназначенный для уничтожения или нейтрализации вредных микроорганизмов с помощью химической реакции[4]. Биоциды можно разделить на две группы

окисляемые

не окисляемые

Не окисляемые биоциды достаточно стойки и обеспечивают долговременную защиту от биообрастаний, в связи с чем сбросная вода, обработанная таким способом должна постоянно подвергаться тестированию на токсичность. Проведение таких анализов достаточно сложно и дорого, что приводит к отказу от их использования.

К окисляемым биоцидам относятся такие высокоактивные соединения как хлорфенолы, нитрохлорбензол, органические соединения серы и др. Очевидно, что данные вещества реагируют не только с микро, но и с макро органическими клетками, что способствует образованию токсических веществ, представляющих угрозу окружающей среде. В связи с этим данные органические соединения были запрещены в различных странах Западной Европы и США. Это заставило искать альтернативные методы борьбы с биообрастанием.

1. Стабилизация охлаждающей воды

В оборотной системе охлаждения вследствие упаривания некоторой части воды происходит повышение ее солесодержания. Кроме того, процесс охлаждения воды в градирнях сопровождается десорбцией С02, приводящей к повышению pH, частичной диссоциации ионов НСОз и обогащению воды ионами СО2-. При соответствующей концентрации ионов Са2+ в охлаждающей воде создаются условия для образования отложений по тракту охлаждающей воды в форме СаСОэ, т. е. вода становится нестабильной по содержанию карбоната кальция. Для образования СаСОэ необходимо некоторое пересыщение раствора. Однако в процессе образования твердой фазы СаСОэ оказывают ингибирующее действие присутствующие в воде органические вещества. Поэтому условия осаждения СаСОэ в охлаждающих системах в каждом конкретном случае определяют экспериментально. Из сказанного выше следует, что основным мероприятием для предотвращения образования отложения СаСОэ является стабилизация воды.

Наиболее распространенным методом стабилизации охлаждающей воды является продувка систем водяного охлаждения, т. е. отвод части оборотной воды с заменой ее свежей. При продувке происходит общее понижение концентрации всех примесей, в том числе хлоридов и сульфатов, что, в частности, способствует ослаблению процессов коррозии в оборотной системе охлаждения. Вывод солей из оборотной системы осуществляется за счет организованной продувки и потерь при капельном уносе из градирни. Унос солей в результате испарения воды ничтожен и во внимание не принимается. Продувка является простейшим противонакипным мероприятием, однако она целесообразна лишь в случае, когда затраты на перекачку воды и оборудование для продувки не превышают затрат на другие способы коррекции оборотной воды [4].

Обычно стабилизация охлаждающей воды совмещает комплекс мероприятий, включающих как продувку, так и обработку воды химическими реагентами. К химическим методам обработки охлаждающей воды относятся подкисление, рекарбонизация, фосфатирование.

Подкисление воды проводится с целью частичного снижения карбонатной жесткости воды до значения, равного или несколько ниже Жх пр. Для этого используется серная кислота как наиболее дешевый и доступный реагент.

Процесс подкисления нежелателен при большой щелочности исходной воды, так как при этом значительно повышается концентрация сульфатов в обработанной воде и возрастает опасность образования отложений CaS04 в трубках конденсаторов и усиления сульфатной коррозии бетона -- основного материала современных градирен.

Предотвращения процесса гидролиза бикарбонатов с образованием СОз можно добиться при помощи восполнения десорбированного в градирне С02 до равновесной его концентрации в охлаждающей воде. Так как стабилизация воды в этом случае происходит в результате насыщения ее углекислым газом, процесс называется рекарбонизацией воды. В качестве источника углекислоты на ТЭС используют продукты сгорания топлива. Следует подчеркнуть, что при рекарбонизации не происходит заметного увеличения солесодержания воды, так как увеличение концентрации свободной углекислоты в охлаждающей воде необходимо лишь для предотвращения распада бикарбонатов. Это обстоятельство в условиях сброса воды в естественные водоемы значительно уменьшает их загрязнение примесями.

Основной технологической операцией при введении С02 в воду является организация процесса его растворения. В технических устройствах степень использования С02 составляет 40--60%. При обороте воды в градирне происходит непрерывная десорбция растворенного С02, поэтому требуется такой же непрерывный ввод газа в циркулирующую воду. Продукты сгорания отбираются за дымососом и очищаются от золы в сухих мультициклонах.

Фосфатирование охлаждающей воды производится с целью торможения процесса образования твердой фазы СаСОэ из пересыщенных растворов. Адсорбируясь на поверхности зародышевых кристаллов СаСОэ, фосфаты тормозят их дальнейший рост, увеличивают степень пересыщения раствора и тем самым стабилизируют воду. Для этой цели применяют гексаметафосфат натрия, триполифосфат, тетраполифосфат. Избыточная концентрация фосфатов в воде позволяет сохранить безнакипный режим работы оборотной системы. Существенным достоинством фосфатирования является понижение агрессивности охлаждающей воды, а, следовательно, и интенсивности коррозии [2].

2. Обработка охлаждающей воды в магнитном и акустическом полях

Экспериментально установлено, что при наложении магнитного поля на нестабильную по карбонату кальция воду, содержащую ферромагнитные примеси, происходит снижение образования отложений на теплопередающих поверхностях. Механизм этого явления объясняется коагуляцией ферромагнетиков в магнитном поле за счет процессов ориентации. Скоагулированные до размеров 0,01--0,04 мкм ферромагнитные коллоидные частицы намагничиваются и агрегируют до размеров, позволяющих им приобретать функции центров кристаллизации. На этих центрах происходит кристаллизация СаСОэ из пересыщенных нестабильных растворов. В отсутствие пересыщения агрегаты ферромагнетиков, образованные при воздействии магнитного поля, недолговечны и распадаются через 5--6 с по выходе из магнитного поля. Ферромагнитные окислы железа обычно присутствуют в воде в концентрации 0,15--0,25 мг/кг, достаточной для требований магнитной обработки воды. Кроме того, в оборотной системе охлаждения вода нестабильна из-за процесса десорбции. Поэтому охлаждающую воду можно обрабатывать в магнитном поле.

Аппарат для магнитной обработки устанавливают на линии добавочной воды, а также на оборотной воде, пропуская через них 90% объема охлаждающей воды. Установка аппаратов на обороте воды целесообразна, так как при этом вода проходит через магнитное поле многократно.

Аппараты с постоянными магнитами удобны и дешевы, но напряженность поля в них невелика. Более широкие возможности применения имеют аппараты с электромагнитами, позволяющими создавать магнитное поле с напряженностью до 40 104 А/м. Обрабатываемая вода проходит через кольцевое сечение между корпусом и внутренним источником магнитного поля. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью, которая составляет 1,15--1,3 м/с, т. е. интенсивность обработки воды очень высока.

Имеется опыт обработки охлаждающей воды в акустическом поле. Для этой цели применяются аппараты с использованием ультразвуковых колебаний (частота 10--20 кГц). Механизм действия акустического поля заключается в возникновении кавитации, которая способствует, с одной стороны, нарушению процесса кристаллизации, а с другой -- разрушению ультразвуковыми волнами уже образовавшейся накипи на поверхности нагрева. Акустические аппараты состоят из импульсного генератора, источника ультразвуковых колебаний и преобразователя, который крепится к объекту и преобразует акустические колебания генератора в механические. К достоинствам акустических аппаратов следует отнести компактность и малую потребляемую мощность [4].

3. Предотвращение биологических обрастаний системы охлаждения

Биологические обрастания в трубах конденсаторов особенно характерны для прямоточных систем охлаждения. Развитию бактерий в трубках конденсаторов благоприятствует умеренная температура, а также наличие в воде кислорода и питательных веществ. Биологические обрастания обычно представлены различными видами бактерий, грибками и диатомовыми водорослями, которые образуют на стенках трубок слизистую пленку. В водоводах биологические обрастания представлены в основном ракушками. Малая теплопроводность слизистых пленок значительно ухудшает эффективность процесса конденсации пара, а колонии ракушек забивают водоводы, увеличивая их гидравлическое сопротивление [2].

Борьба с биологическими обрастаниями обычно ведется путем периодической обработки воды сильными окислителями. На практике для этого применяют в основном газообразный хлор и его производные. В воде хлор образует хлорноватистую и соляную кислоты. Равновесие реакции устанавливается в зависимости от значения pH воды. С повышением pH реакция смещается вправо, а при pH = 5,6 кислота диссоциирует с образованием гипохлорита. Воздействие на бактерии кислоты в 70--80 раз выше, чем гипохлорита, и поэтому ввод хлора в воду будет эффективен лишь при pH = 7. Это важно, так как обработка окислителями обычно сочетается с другими видами ее обработки.

Необходимое количество хлора для обработки воды устанавливается опытным путем. Чтобы подавить жизнедеятельность микроорганизмов, достаточен избыток хлора 0,1--0,3 мг/кг. Установлено, что бактерии чрезвычайно склонны к адаптации и изменению обстановки при постоянной подаче окислителя. Поэтому хлор подают периодически, причем продолжительность каждого периода ввода хлора и интервалы между ними определяют эмпирически в зависимости от степени загрязнения воды органическими веществами. В настоящее время наибольшее распространение получили вакуумные хлораторы, при применении которых жидкий хлор подается из баллона и очищается от примесей на фильтрате, а затем через редуктор, понижающий давление газа, вводится в смеситель, где смешивается с водой. Полученная хлорная вода забирается эжектором и вводится в охлажденную воду. Для борьбы с ракушками хлорирование недостаточно эффективно. Для этой цели применяется медный купорос CuS04 в количестве 2 мг/кг воды [5].

4. Озонирование охлаждающей воды

В настоящее время применяются более экологически безопасные биоциды такие как хлор, диоксид хлора, перекись водорода, и озон. Хлор - один из наиболее химически активных элементов и вступает в реакцию со множеством соединений даже при комнатной температуре. Однако в результате реакции образуются АОГ (адсорбируемые органические галогенпроизводные) такие как трихлорэтилен, хлороформ, хлоральгидрат, четерххлористый углерод, дихлорэтан и др., которые являются сильными канцерогенными веществами. Риск образования органических соединений хлора можно снизить, если в качестве биоцида применять диоксид хлора ClO2. Поскольку ClO2 это химическое соединение, которое не проявляет длительной стабильности, его нужно заново вырабатывать каждый раз незадолго перед применением. Размеры инвестиций настолько высоки, что, за редким исключением, ClO2 не применяется в охлаждающих системах.

Самый простой в использовании биоцид - это биоцид на основе перекиси водорода H2O2. Однако благодаря значительной степени разложения этого продукта в охлаждающей воде и большого расхода продукта, биоцид на основе перекиси водорода рекомендуется использовать в небольших охлаждающих системах [3].

В начале 1990-х годов компания «WEDECO» совместно с «Hoechst» и «Messer» занимаясь исследованием возможных сфер применения озона пришли к выводу, что наиболее эффективно применение озона для обеззараживания охлаждающей воды в системах предприятий. Компания провела подробное исследование возможности использования озона для различных применений. Вскоре метод предотвращения биологического обрастания внутренних поверхностей в промышленных охлаждающих системах с помощью озона был признан одним из самых многообещающих. После проведения пилотных испытаний в масштабе 1:1, включающих запись соответствующих параметров воды, коррозионные измерения, оценку безопасности и удобства эксплуатации, в компании Hoechst приняли решение о смене существующей технологии очистки с применением биоцидов (органические биоциды, газообразный хлор, гипохлорит) на озоновую очистку. охлаждающий вода конденсатор озонирование

В промежутке с 1995 по 2005 г.г. компания WEDECO поставила 8 озоновых систем, которые с тех пор успешно работают в замкнутых системах охлаждения для предотвращения образования биопленки. Охлаждающие контуры состоят из охлаждающих камер с воздушным охлаждением, обеспечивающих водой различных потребителей, таких как оборудование для химического производства, установки для разделения воздуха для подачи кислорода и азота, а также энергетические системы.

Различные охлаждающие контуры имеют расход воды от 1000 до 16000 мі/ч. Озоновые системы WEDECO используют технический кислород, подводящийся к производственной площадке, либо осушенный воздух для установок производительностью 700-4000 г/ч [1].

Введение озона с малыми дозировками в воду охлаждающего контура позволяет предотвратить биологическое обрастание внутри охлаждающих систем и технологических теплообменников. Чистая система охлаждения обеспечивает экономию энергии, обусловленную лучшей теплопередачей, значительное снижение затрат на технические обслуживание, а также увеличение срока службы оборудования и трубопроводов. С тех пор, как соли перестали попадать в охлаждающий контур, уменьшилось количество необходимой подпиточной воды, а также была достигнута наибольшая эффективность цикла при меньших расходах ингибиторов.

Важной мотивацией, помимо предотвращения биологического обрастания, было соответствие государственным нормам безопасности, относящимся к адсорбируемым органическим галогенпроизводным с концентрацией менее 500 мкг/мі и химической потребностью в кислороде (ХПК) 40 мг/л при разгрузке охлаждающего контура, а также контроль размножения легионелл.

В соответствии с тенденцией увеличения уровня автоматизации, при котором требуется все меньше ручных операций по управлению оборудованием, полностью автоматическая работа озоновых систем и минимальная потребность в техническом обслуживании приобретает все большее значение.

Озон, обладая сильными окислительными свойствами, прекрасно обеспечивает дезинфекцию и снижает уровень имеющихся загрязнений в охлаждающей воде вызванных, например, подпиточной водой. Также при правильном применение, озон способен повысить эффективность антикоррозийных и противонакипных ингибиторов [1].

При использовании озона, в результате его взаимодействия с органическими соединениями, как правило не образуется каких-либо побочных продуктов реакции таких как АОГ или ТГМ (тригалогенметан). При этом постоянно снижается уровень ХПК в воде. При использовании гипохлорита или биоцидов на основе хлора во время таких утечек результатом будет резко увеличенный уровень АОГ. В результате применение в качестве биоцида- озона, наблюдалось снижение скорости коррозии. Озон так же является достаточно сильным дезинфикантом. По своим дезинфицирующим свойствам он значительно превосходить традиционные средства. Механизм воздействия озона на бактерии сильно отличается от такого широко используемого в настоящее время хлора. Дело в том, что молекулы озона разрушают оболочку клетки и открывают доступ воде, что приводит к гибели клетки. Озон достаточно успешно борется с бактериями и вирусами, с которыми не справляются другие агенты, в частности с таким опасным как вирус легионеллы.

Озонирование охлаждающей воды является, в целом, менее дорогостоящим, чем применение органических биоцидов. Гипохлорит, в сочетании с био-диспергирующими сурфактантами, хлор-стабилизаторами или бромом, находится почти в том же ценовом диапазоне. На первый взгляд, использование только хлора без дополнительных химических веществ, кажется более дешевым способом обработки, однако, это приводит к увеличению уровня АОГ в расходуемой воде.

Так как общие расходы зависят от объема потребляемой энергии, принадлежностей/химикатов, обслуживания и затрат на инвестиции /амортизацию, то пропорция и местные расходы по каждой позиции в отдельности играют важную роль в определении наиболее экономичного способа обработки. Следует так же отметить и то обстоятельство, что для производства озона необходим только кислород и электроэнергия. Благодаря тому, что озон является не стойким элементом (срок «жизни» озона не велик) его необходимо производить не посредственно на месте применения, что исключает затраты на его транспортировку и хранение.

Система озонирования может бать легко смонтирована либо встроена в уже имеющуюся систему. В зависимости от конструкции системы охлаждения озон может подаваться в различные точки и разными способами. Как правило он подается после циркуляционного насоса путем бокового впрыска, его также можно добавлять в подпиточную воду или путем диспергации в резервуаре с охлаждающей водой. Необходимая доза озона колеблется от 0.05 до 0.3 гО3/м3. Определение дозы озона главным образом зависит от:

- качества и количества подпиточной воды (поверхностная вода, скважинная вода, и т.д.)

- вида системы охлаждающей воды (открытая замкнутая система, прямоточная система, и т.д.)

- температуры охлаждающей воды

- использования других химических веществ и прочего.

Немаловажную роль в снижении затрат является уменьшение частоты обратных промывок фильтров, что приводит к существенному сокращению объема потребляемой воды.

Суммируя оценку стоимости и эффективности применения, мы получаем следующие ее составляющие:

1. Сокращение расходов по сбросу сбросной воды, связанных с сокращением уровня ХПК и АОГ в сбросной воде охлаждающей камеры.

2. Увеличение эффективности процесса (при снижении затрат) за счет лучшей теплопередачи благодаря сохранению чистоты системы.

3. Уменьшение объема как подпиточной, так и сбросной воды благодаря снижению периодичности промывки фильтра.

4. Сокращение расходов на обслуживание за счет исключения времени простоя на очистку ввиду повышения качества воды.

5. Сокращение расходов на управление производственным процессом и привлечение ремонтного персонала.

Учитывая вышеперечисленные косвенные статьи экономии, озонирование получается менее дорогостоящим, чем обработка с применением органических биоцидов, гипохлорита и, в большинстве случаев, еще более экономичными, чем обработка хлором. Также следует отметить бесспорные экологические преимущества использования озона.

В результате применение в качестве биоцида -озона получаем:

- долговременную защиту от микробиологии (самый низкий показатель роста);

- возможность непрерывного дозирования > озон не вызывает у микробиологи привыкания в отличие от биоцидов;

- снижение эксплуатационных расходов;

- повышение промышленной безопасности;

- отсутствие необходимости хранения/загрузки/переливания опасных химических веществ;

- сокращение численности сотрудников за счет непрерывного автоматического контроля за функционированием системы;

- гарантированный уровень ХПК и АОГ ниже предельных значений;

- более низкий уровень энергопотребления для обеспечения циркуляции охлаждающей воды;

- улучшение теплопередачи;

- очень хорошая глубина прозрачности;

- скорость коррозии менее 0,1 мм / год.

Устройство озоновой установки

Семь систем WEDECO EFFIZON SMO/SMA, установленных на площадке, используют в производстве технический кислород и генерируют озон с массовой долей 10%, и одна установка в качестве исходного газа использует осушенный и отфильтрованный воздух. Системы оснащены всем оборудованием, необходимым для работы в автоматическом режиме с подачей сигналов на включение/выключение с удаленного диспетчерского пункта. Установки состоят из следующих элементов: генератор озона, насосная система инжекции, анализаторы озона в газовой фазе, детектор озона в окружающем воздухе и устройство управления технологическим процессом, основанное на контроллерах Siemens S5/S7 [1].

Заключение

Озон является отличной заменой антисептиков в системах рециркуляции охлаждающей воды на тепловых и электростанциях, в промышленности. Законодательство многих стран ограничивает использование хлоросодержащих веществ, что сокращает возможность использования традиционных антисептиков. Применение озона совместно с другими реагентами позволяет решать старые проблемы современными методами, не загрязняющими окружающую среду. Свободный рост численности бактерий, водорослей, плесени и моллюсков приводит к образованию отложений в системе трубопроводов, теплообменниках и градирнях. Вода содержит такие микробиологические загрязнения, как AOX (адсорбируемые органические галогены), которые растворяются полностью и без остатка благодаря окислению с озоном. Озон - это эффективное и безвредное для окружающей среды средство обработки, являющийся превосходной альтернативой обычным биоцидам. Это самый сильный, технически производимый окислитель, подходящий как для дезинфекции (уничтожение вирусов и бактерий), так и для окисления органических загрязнителей. Озон, растворённый в циркулирующей охлаждающей воде, снижает содержание веществ, путём их окисления. Нежелательные вторичные реакции или увеличение солесодержания при этом не происходит. Только кислород является побочным продуктом процессов окисления и распада молекулы озона.

С самого начала озон разрушающе действует непосредственно на клеточную мембрану микроорганизмов, вирусов, бактерий и паразитов, которые не могут к нему приспособиться. Таким образом, нет необходимости в периодическом изменении типов и доз применяемых биоцидов. Ещё одним преимуществом озонирования является полное удаление микробиологического загрязнения в системах труб, в градирнях и теплообменниках.

Кроме того, показатели AOX и ХПК в воде значительно снижаются.

Как показывает практика, наиболее частые повреждения, причиной которых становится коррозия, происходят вследствие свободного роста биомассы (MIC). Озон эффективно предотвращает образование биологических отложений в системе, и таким образом снижается риск появления потенциально опасных частиц коррозии.

Основные преимущества:

- Удаление и предотвращение биологических загрязнений

- Инактивация легионеллы

- После озонирования не образуется никаких экологически вредных побочных продуктов либо остатков

- Высокая способность воды к охлаждению, благодаря чистым поверхностям теплообмена в градирнях

- Более эффективный процесс теплообмена

- Нет необходимости в проведении дополнительной очистки системы после простоев в работе

- Нет необходимости в хранении и применении опасных химических веществ (реагентов)

- Озонирование даёт значительное снижение солесодержания

- Экономическая эффективность применения озона

Установки озонирования уже много лет успешно используются в системах охлаждения самых разнообразных производств. Они могут быть интегрированы в системы охлаждения без каких-либо особых усилий - в качестве системы под ключ. Расходы на обслуживание и управление сведено к минимуму благодаря полностью автоматическому режиму работы системы.

Список использованных источников

1. Кузьминкин А.Л. Озонирование охлаждающей воды, Материалы IV Конференция «Современные технологии водоподготовки и защиты оборудования от коррозии и накипеобразования», 2015г.

2. Стерман Л.С., Покровский В.Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС, Учебник для вузов.-- М.: Энергоатомиздат, 2009.-- 328 с

3. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка: Учебн. пособие для вузов. - Москва: Издательство МГУ, 2006. - 680 с

Размещено на Allbest.ru