Водоподготовка для котельных

КОТЛЫ ВОДОГРЕЙНЫЕ И ПАРОВЫЕ

Вода, одновременно являющаяся дешевым теплоносителем и универсальным растворителем, может представлять угрозу для водонагревательного и парового котлов. Риски, в первую очередь, связанны с наличием в воде определенных примесей. Решение и предотвращение проблем в работе котельного оборудования невозможно без четкого понимания их причин, а так же знания современных технологий подготовки воды.

Для котловых систем характерны три группы проблем, связанных с присутствием в воде следующих примесей:

• нерастворенных механических;
• растворенных осадкообразующих;
• коррозионноактивных.

Каждый тип примесей может служить причиной выхода из строя того или иного оборудования установки, а так же вносит свой вклад в снижение эффективности и стабильности работы котла. Использование в системах воды, не прошедшей механическую фильтрацию, приводит к наиболее грубым поломкам— выходу из строя циркуляционных насосов, уменьшению сечения, повреждению трубопроводов, запорной и регулировочной арматуры. Обычно механические примеси— это песок и глина, присутствующие как в водопроводной так и в артезианской воде, а так же продукты коррозии трубопроводов, теплопередающих поверхностей и других металлических частей, которые находятся в постоянном контакте с агрессивной водой. Растворенные примеси могут вызывать серьезные неполадки в работе энергетического оборудования, которые обуславливаются:

• образованием накипных отложений;
• коррозией котловой системы;
• вспениванием котловой воды и уносом солей с паром.

Эта группа примесей требует особого внимания, поскольку их присутствие в воде зачастую не так очевидно, как наличие механических примесей, а последствия от их воздействия на котельное оборудование могут быть весьма печальны— от снижения энергоэффективности системы, до полного ее разрушения.

Карбонатные отложения, вызываемые повышенной жесткостью воды— хорошо известный результат процессов накипеобразования, протекающем даже в неизношенном оборудовании, однако далеко не единственный. Так при нагреве воды выше 130°Срезко снижается предельнаярастворимость сульфатов кальция, что приводит образованию особоплотной накипи гипса

(см. Таблицу №1)

Образующиеся накипные отложения ухудшают теплопередачу теплообменных поверхностей, что приводит к перегреву стенок котла и снижению срока его службы, а так же к увеличению потери тепла. Ухудшение теплообмена приводит к перерасходу энергоносителей, что отражается на эксплуатационных затратах. Образование на поверхности нагрева даже незначительного по толщине (0,1-0,2мм) слоя отложений приводит к перегреву металла и, как следствие, появлению отдушин, свищей и даже разрыву труб.

Образование накипи является однозначным признаком использования в котловой системе воды низкого качества. В этом случае неизбежно развитие коррозии металлических поверхностей и накоплении вместе с накипными отложениями, продуктов окисления металлов.

В котловых системах могут происходить два типа коррозионных процессов: химическая и электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия связанна с образованием большого количества микрогальванических пар на металлических поверхностях. В большинстве случаев коррозия возникает в неплотностях металлических швов и развальцованных концов теплообменных труб; результатом таких поражений являются кольцевые трещины. Основными стимуляторами коррозии являются растворенный кислород и углекислый газ.

Если конструкции выполнены из черного металла, отклонение от диапазона рН 9-10 приводит к развитию коррозии. В случае алюминиевых конструкций превышение рН 8,3-8,5 приводит к разрушению пассивирующей пленки и коррозии металла. Особое внимание следует обращать на поведение газов в котловых системах.С повышением температуры растворимость газов снижается — происходит их десорбция из котловой воды. Этот процесс обуславливает высокую коррозионную активность кислорода и диоксида углерода. Кроме того, в процессе нагрева и испарения воды происходит разложение гидрокарбонатов на карбонаты и диоксид углерода, который уносится вместе с паром и обуславливает снижение рН и высокую коррозийную активность конденсата. Поэтому при выборе схемы химводоочистки и внутрикотловой обработки следует предусматривать способы нейтрализации кислорода у диоксида углерода.

Другой вид химической коррозии— хлоридная коррозия. Из-за своей высокой растворимости, хлориды присутствуют во всех доступных источниках водоснабжения.Они разрушаютпассивирующую пленку на поверхности металла, что стимулирует развитие вторичных коррозийных процессов. Гранично-допустимая концентрация хлоридов в воде котловых систем— 150-200 мг/л.

Накипеобразование и коррозионные процессы являются результатом использования в котловой системе воды низкого качества— химически нестабильной и агрессивной.Эксплуатировать котловые системы на такой воде экономически нецелесообразно и опасно с точки зрения техногенных рисков.

Обычно в качестве источников водоснабжения котловых систем используются водопровод или артезианские скважины. Каждый тип воды имеет свои недостатки и набор типичных проблем. Первый типичной проблемой любой воды являются соли кальция и магния, обуславливающие общую жесткость. В Российской Федерации, в зависимости от региона и типа источника водоснабжения, жесткость как водопроводной, так и артезианской вод, обычно, находится в пределах 2-20мг-экв/л.Другой типичной примесью являются растворенные соли железа, содержание которых может находиться в интервале 0,3-20 мг/л. При этом в большинстве артезианских скважин концентрация растворенного железа превышает 3 мг/л.

Котловые системы по их назначению принято подразделять на водогрейные и паровые. Для каждого типа существует свой набор требований кхимочищенной воде, которые также зависят от мощности котла и температурного режима. Требования к количеству воды для котловых систем устанавливаются на уровне, обеспечивающем эффективность и безопасность работы котла при минимальном риске образования отложений и коррозии. Разработку официальных требований осуществляют надзорные органы (Бсэнергонадзор), однако эти требования всегда мягче рекомендаций производителя, которые устанавливаются исходя из гарантийных обязательств. В Европейском Союзе требования производителей проходят всестороннюю экспертизу в органах стандартизации и профильных организациях с точки зрения эффективности и длительной эксплуатации котла. Поэтому целесообразно ориентироваться именно на эти требования.

Расход подпиточной воды для котловых систем и требования к ее качеству определяют оптимальный набор водоочистительного оборудования и схему химводоотчистки. Особое внимание во всех нормативных документах, касающихся качества подпиточной воды, уделяется таким показателям как: жесткость, РН, содержание кислорода и углекислоты.

Водогрейные котлы

Системы водогрейных котлов относятся к системам закрытого типа. В этих системах вода не должна изменять свой состав. Закрытая система заполняется химически отчищенной водой один раз и не требует постоянной подпитки. Потери обычно случаются из-за протечек в трубопроводах или вследствие ошибок в обслуживании. При правильной эксплуатации пополнение химически очищенной водой в водогрейных контурах осуществляется перед началом отопительного сезона или не чаще, чем один раз в год (исключением является аварийная ситуация).

Однако если речь идет о бытовом водогрейном котле, система химводоотчистки используется так же для постоянного холодного и горячего водоснабжения.

Обязательное условие для всех видов воды, используемой в котлах всех типов— отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для охладительных систем с предписанными рабочими температурами до 100°с большинство производителей используют упрощенные требования к качеству воды, минимизирующие только уровень общей жесткости.

Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100°С, рекомендуется использование деминерализованной или умягченной воды, и в зависимости от типа устанавливаются нормативы ее качества.

Таблица №2

Системы водоподготовки для водогрейных котлов можно классифицировать в соответствии с мощностью котельной установки и ее назначением.

Для бытовых котлов — очистка для заполнения замкнутой системы отопления, холодного и горячего водоснабжения. Она должна соответствовать требованиям производителя котельного оборудования и нормативам на питьевую воду.

Для котлов средней мощности (до 1000 кВт)— системы для периодической подпитки котлового контура, как правило с корректировкой рН и растворенного кислорода.

Для промышленных котлов— системы постоянной подпитки глубокоумягченной водой с обязательной корректировкой рН и растворенного кислорода.

Часто в качестве источника водоснабжения бытовых водогрейных котлов используется водопроводная вода с характерным набором проблем: механические примеси и повышенная жесткость. Схема отчистки, в этом случае, состоит из двух стадий: механическая фильтрация и умягчение.

Очистка от механических примесей должна осуществляться в механических фильтрах сетчатого, дискового или картриджного типа.

При выборе механического фильтра необходимо соблюдать условия— рейтинг фильтрации не выше 100 мкм, иначе высока вероятность попаданий примесей в систему водоочистки или питательную воду.

Для корректировки жесткости используют системы умягчения, основанные на применении сильнокислотных катионов в натриевой форме. Эти материалы осаждают катионы кальция и магния, обуславливающие жесткость воды, взамен выделяя эквивалентное количество ионов натрия, которые не образуют при нагревании воды нерастворимых соединений.

При использовании воды из артезианской скважины системы умягчения будут недостаточно, так как в артезианской воде обычно повышенное содержание железа и марганца. В этом случае применяется один из вариантов сорбционно-окислительных технологийкак то: аэрация с последующей сорбцией на каталитических фильтрах, хлорирование и осаждение на сорбционных фильтрах, либо использование окислительных фильтров на основе зеленого песка, регенерируемого перманганатом калия.

При использовании традиционной трехступенчатой технологии подбор оборудования и фильтрующих материалов начинается с подробного химического анализа. Его результат должен быть тщательно проанализирован специалистом-химиком, который затем правильно подберет фильтрующие материалы для каждой стадии и определит требуемую конфигурацию оборудования. Многоступенчатая технология сложна в эксплуатации, кроме того, в этом случае производится раздельная регенерация различными реагентами и отмывка трех видов загрузок, используемых в системе, что требует значительного расхода воды на собственные нужды. Для регенерации фильтров с использованием зеленого песка применяется раствор перманганата калия. Приобретение и сброс его в канализацию требует специального разрешения.

В противовес многостадийному построению системы водоподготовки специалистами украинской компании НПО «Экософт» разработана более современная и эффективная комплексная одностадийная технология на основе многокомпонентнойфильтрующей загрузки, состоящей из пяти ионообменных и сорбционных материалов, которые регенерируются раствором поваренной соли, что исключает образование высокотоксичных отходов и сокращает расходы воды на собственные нужды. Системы ХВО на базе технологии Ecomixаналогичны стандартным системам умягчения по принципу работы, аппаратурному оформлению и сервису. Для обслуживания такой системы не требуется специально подготовленный персонал.

Системы очистки для котлов средней мощности до 1000 кВт аналогичны системам для бытовых водогрейных котлов. В этом случае подготовленная вода применяется как для заполнения контура котла, так и для подпитки. Для современных котлов объем на подпитку обычно не превышает 1,5 м3/ч. Для водогрейных котлов мощностью 500-1000 кВт, как правило, надо применять реагенты длявнутрикотловой обработки. Традиционно применяют автоматически дозирующие станции для ввода реагента в предварительно подготовленную воду и реагенты для связывания кислорода (сульфит или бисульфит натрия), корректировки рН (гидроксид натрия или тринатрийфосфат). Такой подход требует наличия нескольких дозирующих станций, тщательно подготовленных растворов и постоянного контроля концентрации дозируемых веществ. При этом контроль дозирования заключается только в измерении рН котловой воды.

Очистка для промышленных водогрейных котлов— более сложная задача. Поэтому в зависимости от требований к жесткости очищенной воды могут применяться как одноступенчатые системы умягчения, так и двухступенчатые. При этом оборудование химводоподготовки должно обеспечивать непрерывную подпитку водогрейного контура, а рабочий расход подготовленной воды может варьироваться в широком диапазоне и определяется для каждой котельной индивидуально. Типичная схема подготовки состоит из механической фильтрации, ступени обезжелезивания, умягчения или комплексной отчистки (при использовании на 1-ой ступени комплексной отчистки отпадает необходимость в ступени обезжелезивания) на 1-ой ступени и умягчения на 2-ой ступени, завершающаяся деаэрацией и корректировки рН. В случае промышленных водогрейных котлов могут применяться как физические методы деаэрации и корректировки рН (вакуумные или мембранные деаэраторы), так и химические (дозирование реагентов).

Химводоочистка для паровых котлов

В отличие от водогрейных котлов, в паровом котле происходит непрерывный процесс испарения. Потери пара в парогенераторных системах неизбежны, поэтому необходимо постоянное их восполнение химочищенной водой. Примеси, поступающие в котел с химочищенной жидкостью, непрерывно накапливаются, следовательно, солесодержание в котле постоянно увеличивается. Для предотвращения перенасыщения котловой воды осуществляется замещение ее части химочищенной водой за счет непрерывной и периодической продувки. Таким образом, возникает необходимость пополнения контура очищенной водой в объеме, достаточном для компенсации продувочной воды и пара. Очевидно, что чем выше качество очищенной воды, тем меньше примесей вноситься в систему и меньше величина продувки, а значит тем выше качество пара и ниже расход энергоносителя.
К воде, используемой в системах с паровым котлом, предъявляются наиболее жесткие требования, которыепринято разделять на две группы в соответствии с типом воды— для питательной (Таблица №3) и котловой (Таблица №4).

Таблица № 3   Основные требования к качеству питательной воды.                                             

Таблица № 4  Основные требования к составу котловой воды.                                                      

При выборе схемы подготовки воды определяющим критерием является также величина непрерывной продувки котла, которая является расчетной и зависит от качества очистки, доли возврата конденсата и типа котла. Величина непрерывной продувки котла нормируется СНиПом на котельные установки. Так например, для котельных, оборудованных паровыми котлами с давлением менее 14 бар, продувка не должна превышать 10%, а для котлов с рабочим давлением до 40 бар — 5%.

В зависимости от расчетной величины продувки и минерализации исходной воды принимается решение о выборе схемы подготовки.При низкой минерализации достаточно использования двухстадийных систем комплексной очистки и умягчения, аналогичных системам водогрейного котла.В случае высокой минерализации потребуется применение комбинированной технологии, включающей стадии умягчения или комплексной отчистки и обратноосмотической деминерализации.

Если расчетная величина продувки превышает нормативную, следует снижать солесодержание химочищенной воды, то есть выбирать схему, включающую стадию деминерализации. В противном случае необходимо применять схему двуступенчатого умягчения. Следует отметить, что чем выше величина непрерывной продувки, тем выше расходы на нагрев, то есть возрастает расход энергоносителя и затраты на приготовление воды (увеличивается частота регенерации и, как следствие, увеличивается расход поваренной соли). Кроме того, высокая непрерывная продувка требует больших капитальных вложений и на компоненты парового котла. С точки зрения экономической обоснованности выбора химподготовки более выгодной оказывается схема глубокого умягчения на основе баромембранных технологий. Суть баромембранных методов состоит в пропускании воды через полупроницаемые мембраны, задерживающие примеси различного состава. Одной из наиболее прогрессивных схем деминерализации в настоящее время считается технология, включающая стадии ультрафильтрации, обратноосмотической деминерализации и электродионизации. Стадия ультрафильтрация используется для удаления взвешенных веществ, коллоидных примесей, части органических примесей (высокомолекулярную органику), а так же удаления бактерий, водорослей и прочих микроорганизмов, размер которых превышает сотые доли микронов. По своей сути ультрафильтрация является аналогом коагуляции в осветлителях и очистки на механических фильтрах, однако лишена недостатков, свойственных периодичной технологии. Так, основными преимуществами ультрафильтрационных установок являются:

• Отсутствие необходимости содержания известкового хозяйства — при эксплуатации ультрафильтрационных установок требуется только периодическая кислотная и щелочная промывка модулей, однако количество реагентов в десятки раз меньше, чем в ионообменной технологии;
• Отсутствие необходимости точного соблюдения технологических параметров (температуры, рН, скорости потока), как это требует эксплуатацияосветлителей.При этом качество очистки остается стабильно высоким и не зависит ни от условий эксплуатации, ни от человеческого фактора;
• Существенное (в 2-4 раза) сокращение производственных площадей для размещения основного и вспомогательного оборудования;
• Простота эксплуатации, возможность автоматизации процесса.

В промышленности ультрафильтрация начала применяться в 90-х годах прошлого столетия и сейчас считается наиболее эффективным методом механической очистки воды, особенно в качестве предподготовки воды в баромембранных технологиях.

В настоящее время существует несколько типов ультрафильтрационных мембран, отличающихся как технологическими особенностями, так и используемыми материалами. Наиболее прогрессивными с точки зрения эксплуатации считаются мембраны, работающие по принципу фильтрации снаружи - внутрь, позволяющие применять водо-воздушную промывку для интенсивного удаления отфильтрованных примесей. Среди материалов отдается предпочтение гидрофильным мембранам, изготовленным из механически и химически стойких полимеров (например, гидрофилизированногополивинилиденфторидаСН-PVDF).

На стадии обратноосмотической деминерализации происходит удаление из воды растворенных в ней примесей. В зависимости от требуемого качества очистки используют одно- или двухступенчатую схему. Как правило, остаточное солесодержание после первой ступени составляет 5-20 мг/л, что соответствует качеству воды после первой ступни Н/ОН ионизирования. В случае необходимости более глубокой деминерализации используют вторую ступень.

Важной особенностью применения метода обратного осмоса в технологиях подготовки в для энергетики является комплекс мер, направленных на поддержание достаточной производительности мембранных элементов в процессе их эксплуатации. Ухудшение проницаемости мембран, наблюдаемое при очистке практически любого происхождения, связано с образованием на их поверхности отложений различной природы: коллоидных и взвешенных частиц, неорганических осадков, крупных органических молекул, а так же с активностью микроорганизмов, для которых мембрана служит благоприятным субстратом. Избежать вышеупомянутых эффектов можно при соблюдении трех условий—надлежащей предварительнойподготовке воды, качественной и регулярной промывке мембранных элементов и использовании специальных реагентов—антискалантов. Антискаланты предотвращают рост кристаллов малорастворимых соединений на поверхности мембраны. Большинство современных антискалантов представляют собой смеси нескольких активных компонентов. Главным преимуществом современных антискалантов является высокая эффективность предотвращения отложения большинства труднорастворимых соединений кальция, магния, железа, марганца и кремния в широком диапазоне рН, температур и составов воды. Современные антискаланты проявляют высокую активность даже при небольших дозах 2-5 г/м3. Суммируя изложенное выше, можно выделить основные преимущества обратноосмотической деминерализации:
Исключительная надежность метода, обуславливающая стабильно высокое качество деминерализованной воды вне зависимости от сезонных колебаний качества исходной воды, технологических параметров и человеческого фактора;
Высокая экономическая эффективность— замена первой ступени ионообменной деминерализации на обратноосмотическую позволяет на 90-95% снизить потребность в кислоте и каустике, что по стоимости во много раз перекрывает увеличение затрат, связанных с расходом энергопотребления;
Как и для ультрафильтрационных систем сокращение производственных площадей и автоматизация технологических процессов;
Отдельного внимания в подготовке воды для паровых котлов заслуживает внутрикотловая обработка, основными задачами которой являются:

• Защита котлового оборудования от коррозии;
• Корректировки рН;
• Защита пароконденсатного тракта от углекислотной коррозии;
• Предупреждение накипеобразования при сбоях водоподготовки.

Традиционная схема химической коррекции состава воды требует использования нескольких реагентов, которые необходимо вводить в разных точках, четко соблюдая объемы дозирования и контролируя содержание каждого компонента в системе. С одной стороны привлекает низкая цена и доступность таких реагентов, с другой— практически показывает их существенные недостатки: сложность обеспечения полной защиты поверхностей, использование нескольких дозирующих станций, повышение солесодержания, высокий расход реагентов и необходимость постоянного трудоемкого контроля и настроек.
Современный подход к вопросу химической коррекции воды для паровых котлов представляет применение реагентов комплексного действия на основе пленкообразующих аминов. Эти реагенты одновременно:

• Корректируют рН питающей, котловой воды и конденсата;
• Образуют защитную пленку на поверхности сборника питающей воды, котлаи линии конденсата;
• Препятствуют осадкообразованию в системе;
• Частично переходят в паровую фазу и защищают пароконденсатный тракт от углекислотной коррозии за счет корректировки рН конденсата.

В состав реагента комплексного действия входят высокомолекулярные полиамины, диспергирующие полимеры инейтрализующие амины. Все компоненты имеют органическую природу, поэтому солесодержание котловой воды не повышается. Пленкообразующие амины блокируют рост кристаллов на теплопередающих поверхностях, в результате образуются аморфные осадки, которым не дают прилипнуть к поверхности диспергерующие полимеры. Впоследствии осадок легко удаляется при периодической промывке. Нейтрализующие амины работают как ингибиторы коррозии— они связывают углекислоту и обеспечивают безопасный рН. Сформированная на поверхностях пленка из полиаминов является водоотталкивающей, поэтому применение такого реагента защищает непосредственно трубы, а не просто корректирует состав жидкости.