Водоподготовка для водогрейных жаротрубных котлов

М. Иванов, к.х.н.

Важность соблюдения водно-химического режима при эксплуатации водогрейного жаротрубного котла обусловлена его конструктивными особенностями. В первую очередь это вызвано высокой плотностью тепловых потоков, проходящих через стенки жаровых труб, которая примерно в 3–4 раза превосходит этот показатель для водотрубных котлов, позволив значительно уменьшить габаритные размеры современных жаротрубных водогрейных котлоагрегатов.

---

Высокие значения плотности теплового потока, проходящие через нагревательную стенку жаровой трубы, вызывают значительные тепловые нагрузки. Если не производить интенсивный съем тепла за счет его передачи нагреваемой воде, произойдет перегрев жаровых труб, который опасен тем, что может привести к вздутию стенки, ее деформации или искривлению жаровой трубы. 

Обычно жаровые трубы изготовляются из углеродистых сталей. Такие марки сталей чаще всего не содержат легирующих компонентов. Преимущественно для жаровых труб применяют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Эти материалы достаточно устойчивы к высоким температурным нагрузкам и при правильной эксплуатации могут прослужить более десятка лет. Однако жаровые трубы из низкоуглеродистых марок сталей очень чувствительны к перегреву. Их перегрев часто может возникнуть вследствие недостаточного съема тепла, который возникает при образовании слоя накипи или минерального отложения. В этом случае не только замедляется нагрев воды, но и резко повышается температура металлической стенки. Зачастую возникающие термические сопротивления так воздействуют на материал стенки, что большинство марок углеродистых сталей не может их выдержать. Как показали практические наблюдения, слой минеральных отложений на жаровой трубе толщиной в 1 мм увеличивает t стенки на 100–120 ^о С. При толщине слоя отложений уже в 3 мм температура поверхности металлической жаровой трубы может достигать более 500 ^о С. В этих условиях углеродистая сталь обычно теряет прочность, и возникает опасность разрыва жаровой трубы. 

Основной составляющей как накипи, так и минеральных отложений являются карбонаты, сульфаты, силикаты и фосфаты кальция и магния. В исходной воде из водоисточника соли кальция и магния (содержание которых трактуется как жесткость воды) находятся в растворимом состоянии. Однако в результате нагрева воды или длительного ее стояния в застойных зонах, эти соли претерпевают химические превращения, теряют растворимость и осаждаются на нагревательных поверхностях. Поэтому для безаварийной и надежной работы жаротрубных водогрейных котлов необходимо обязательное умягчение питательной воды. 

Согласно документу «Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов, организация водно-химического режима и химического контроля. РД 24.031.120-91» допустимая жесткость воды должна составлять не более 0,7 мг-экв/ л. Однако этот регламентируемый уровень жесткости воды достаточно высок и не позволяет безопасно эксплуатировать водогрейные жаротрубные котлы длительное время. Уровень жесткости питательной воды не должен превышать тех норм, которые установлены для воды, снабжающей паровые котлы (не выше 0,015 мг-экв/л в соответствии с документом «Методические указания по надзору за водно-химическим режимом паровых и водогрейных котлов. РД 10-165-97»). Но по ряду практических наблюдений эти требования считаются несколько завышенными, и предельное значение жесткости воды может находиться в районе 0,1 мг-экв/л. Такое значение остаточной жесткости питательной воды может быть достигнуто при водоподготовке после одноступенчатого натрий-катионирования, которое входит в традиционную схему водоподготовки ( рис. 1 ). 

Обычно технологическая схема процесса водоподготовки определяется исходя из качества исходной воды. Так, если забор воды производится из системы централизованного водоснабжения, процесс водоочистки в некоторой степени упрощается, поскольку при поступлении воды в систему водопровода она уже подвергалась ряду очистных мероприятий. В этом случае водоподготовка для водогрейных жаротрубных котлов будет основана на понижении жесткости воды путем ионообменной фильтрации. Если же вода забирается из открытого водоисточника, то процесс очистки воды начинается с удаления из нее грубых механических примесей в виде песка, мелких частиц и взвесей. Эти примеси, обуславливающие мутность и цветность воды, удаляются с помощью фильтрования (на песчаных фильтрах, рис. 2 ). При дальнейшем умягчении воды с помощью ионообменной фильтрации на катионитах ( рис. 3, 4 ) допускается использовать только воду, содержание взвесей в которой составляет не более 8 мг/л, а цветность не превышает 30 градусов. 

В зависимости от требуемой величины остаточной жесткости натрий-катионирование может быть одноступенчатым или двухступенчатым. В основе этих ионообменных методов лежат следующие химические процессы. Перед началом умягчения катионит находится в натриевой форме; при фильтрации через него воды, содержащей в качестве примесей бикарбонаты, хлориды, сульфаты и силикаты кальция и магния, начинает происходить ионный обмен, обусловленный тем, что в водной среде эти соединения диссоциируют, и при прохождении через ионообменную смолу воды, катионы кальция и магния начинают связываться с полимерной матрицей. Вместо поглощенных катионов этих щелочноземельных металлов, в воде за счет ионного обмена будут находиться ионы натрия, которые с большинством анионов образуют водорастворимые соли. 

 

[ Катионит ] ^2- * 2Na ⁺      + Ca (H CO ₃ ) ₂ + Mg (H CO ₃ ) ₂   →

→ [ Катионит ] ^2- *Ca ⁺² /[Катионит ] ^2- * 2Mg ⁺²     + 2 Na (H CO ₃ )

[ Катионит ] ^2- * 2Na ⁺      + Ca Cl ₂ + Mg Cl  ₂  →

→ [ Катионит ] ^2- *Ca ⁺² /[Катионит ] ^2- * 2Mg ⁺²     + 2 Na Cl 

[ Катионит ] ^2- * 2Na ⁺      + Ca SO ₄   + Mg SO ₄  →

→ [ Катионит ] ^2- *Ca ⁺² /[Катионит ] ^2- * 2Mg ⁺²     + 2 Na ₂ (SO ₄ ) 

[ Катионит ] ^2- * 2Na ⁺      + Ca SiO ₃   + Mg Si O ₃  →

→ [ Катионит ] ^2- *Ca ⁺² /[Катионит ] ^2- * 2Mg ⁺²     + 2 Na ₂ SiO ₃  

Изменение концентрации солей в воде после натрий-катионирования  почти не происходит, а наблюдается просто изменение их качественного состава. При одностадийном натрий-катионировании происходит понижение жесткости до 0,1–0,2 мг-экв/л, а при двухступенчатом остаточная жесткость воды обычно составляет 0,01–0,02 мг-экв/л.

Для проведения натрий-катионирования используются различные виды катионитов. В практике ионообменного умягчения воды для водогрейных котлов широкое распространение получили сильнокислотные катиониты с активной сульфогруппой:

     O H                          OH                            

   /                                /                              

~S -- OH       →     ~ S -- O ^--     + H ⁺

     \ O H                      \   OH                             

К числу таких сильнокислотных катионообменных материалов можно отнести различные виды сульфоуглей, например, сульфоуголь сорта «СК-1, крупный», который является самым дешевым. К этому же виду ионообменных смол относятся и катиониты КУ-1, КУ-2 КУ-2-8, КУ-2-8 чС. Среди этого перечня важно отметить, что ионообменная смола марки КУ-2 является наиболее термостойкой. Характерной особенностью  сильнокислотных катионитов является то, что  в пределах изменения уровня рН от 1,5 до 10,0 они очень мало изменяют свою обменную емкость. 

Кроме этого для натрий-катионирования применяют и слабокислотные катиониты, в которых активной группой является карбоксильная:

      O                         О

    //                          //

~C - OH     →    ~ С О ^--      +   H ⁺

К числу слабокислотных катионитов относятся ионообменные смолы марок КБ-4, КБ-4-П2, Амберлайт-50 и Зеролит 225. Слабокислотные катиониты способны к ионному обмену только в щелочных средах, то есть при рН > 7,0. При значениях уровня рН < 7,0 резко понижается обменная емкость катионита. Вызвано это в основном тем, что в кислых средах происходит подавление процесса диссоциации карбоксильной группы и ионный обмен затрудняется. 

Для подготовки воды водогрейных жаротрубных котлов целесообразно применять блочно-модульные водоподготовительные установки, которые выпускаются различными отечественными и зарубежными производителями и обычно маркируются как ВПУ, БВПУ с указанием бренда и серийного индекса. В большинстве случаев они имеют производительность от 0,4 до 12 м ³ /ч. В зависимости от производительности блочно-модульные установки имеют длину 1,50–2,57 м, высоту 1,56–2,57 м и ширину 0,87–1,87 м. 

Обычно в комплект такой установки входит фильтрационный аппарат с катионообменной смолой, бак для раствора, верхнее и нижнее дренажное распределительное устройство, трубопроводы, арматура, фундаментная рама, крепеж и манометры, а также насос с электродвигателем. В некоторых моделях также предусмотрен осветлительный фильтр. Работа таких блочных установок заключается в следующем. Сначала исходная вода поступает на осветлительный фильтр. После этой предварительной очистки она направляется в верхнюю часть фильтра через верхнее распределительное устройство. Пройдя через слой катионита сверху вниз, вода умягчается, и поступает в питательный бак. После достижения истощения катионита установку отключают, а отработанную ионообменную смолу направляют на регенерацию, перед которой слой катионита предварительно взрыхляют с помощью подачи воды снизу через нижнее распределительное устройство. Регенерацию сорбента проводят 6-8 % раствором хлорида натрия. При такой промывке поглощенные катионы кальция и магния вымываются раствором поваренной соли за счет того, что концентрация хлористого натрия значительно выше:

[Катионит] ^2- * Me ⁺²      + Na Cl   → [ Катионит ] ^- *Na ⁺   + Me Cl ₂     

Таким образом, катионит возвращается в исходное состояние, пригодное для умягчения воды. 

Кроме метода натрий-катионирования в ряде случаев, особенно для блочно-модульных котельных мощностью до 10 МВт, при умягчении воды целесообразно использовать комплексонатную обработку (подробнее об этом методе см. «Водоподготовка в системе ГВС и целесообразность ее применения», ПКМ 1/16 2013, стр. 44-47). В этом случае в питательную воду котлов с помощью дозирующих устройств подают комплексоны, которые образуют прочные кластеры с катионами кальция и магния. Полученные устойчивые молекулярные образования заставляют соли жесткости находиться в растворенном состоянии, поэтому на поверхности оборудования не образовываются отложения, препятствующие теплопередаче. Однако такая обработка не всегда обеспечивает необходимое качество получаемой воды. 

Конечно, для очистки воды от солей жесткости можно использовать и системы обратного осмоса, которые одновременно с умягчением воды позволяют проводить ее обессоливание. Однако высокая стоимость данного оборудования часто не позволяет его использовать, особенно для котлов малой и средней мощности, поскольку в этом случае возрастает срок окупаемости данного оборудования.

http://www.aqua-therm.ru/