CC BY
179
3. В тепловой сети есть два источника выделения накипи из воды: подпиточная вода, смешиваемая с оборотной сетевой водой и нагреваемая за счет этого, и сетевая вода после смешения с подпиточной водой, нагреваемая в водогрейном котле до требуемой температуры.
Расчетный метод определения пересыщения по карбонату кальция и гидроксиду магния в воде данного химического состава, нагретой до нужной температуры, заключается в нахождении произведения активностей ионов этих соединения в растворе. Для этого требуется найти значение активностей ионов кальция и карбонат-ионов, используя известные (по результатам анализа) концентрации всех содержащихся в растворе ионов, оп-
ределить значения коэффициентов активностей этих ионов и ионную силу раствора, а также учесть процесс термического разложения бикарбонатов, происходящий при нагревании и увеличивающий содержание ионов СО32- в нагретой воде.
Изложенный метод расчета пересыщения воды в процессе упаривания реализуется на ЭВМ. Однако в реальных условиях подготовки веды на испарительных установках процессы образования твердой фазы обычно не достигает равновесия. Поэтому следующим этапом в моделировании таких процессов должно быть определение кинетических закономерностей, связывающих пересыщение с интенсивностью накипеобразования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лапотышкина Н. П., Сазонов Р. П. Водоподготовка и водно-химический режим тепловых сетей. -М.: Энергоиздат, 1982. 200 с.
2. Мартынова О.И., Васина Л.Г., Позднякова С.А., и др. Методика расчета состава соленых вод // Тр. Моск. энерг. ин-т. 1972. вып.123. С.121-129.
3. Мартынова О.И., Васина Л.Г., Богловский А.В. Моделирование процессов образования твердой фазы при упаривании воды. // Тр. МЭИ. 1979. № 405. С. 28-35.
4. Marshall W.L., S1ucher E.U., Jonch E.U. Agucovs systems at high temperature. // J. Chem. Eng. Date. 1964. vol. 9. № 2. Р. 137-191.
5. Наумов Г.Б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л. Справочник термодинамических величин. - М.: Атомиздат. 1971. С.201.
6. Saline water conversion Report. 1963. U.S. Department of the Interior, office of Saline Water. Р. 487.
7. Jeatts Le R.B. and Marshall W.L. // The Journal of Physical Chemistry. V. 73. №1. 1969. Р. 81.
8. Fruesdell A.H. and Jones M.A. Water, a computer program for calculating chemical equilibrium of natural waters. // Journal research of the U.S Geological survey. 1974. V2. №2. Р. 233-248.
9. Громогласов А.А., Копылов А.С., Пильщиков А.П. Водоподготовка: Процессы и аппараты. - М.: Энергоатомиздат. 1990. 272 с.
10. Рыженко Б.И. Определение констант диссоциации угольной кислоты и расчет степени гидролиза НСО3- и СО32- ионов в растворах. // Геохимия. 1963. № 2. С.137-151.
11. ГаррельсМ., Крайст Ч. Л. Растворы, минералы, равновесия. - М.: Мир. 1968. 368 С.
□Автор статьи:
Ушаков Геннадий Викторович
- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твердого топлива и экологии
КузГТУ.
Тел. 3842-36-32-85, ekosys@kuzbass.net.
УДК 621.182.12: 621.311.22
Г.В. Ушаков
АНТИНАКИПНЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВОДОГРЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТ НАКИПИ И ВОПРОСЫ ИХ ПРОМЫШЛЕННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Воздействие систем теплоснабжения на окружающую среду обусловлено тем, что в паровых и водогрейных котлах, водоподогревателях, обогревательных приборах в результате физикохимических процессов, протекающих в водной среде, на поверхностях нагрева образуются твер-
дые отложения накипи. Так как теплопроводность накипи мала, то ухудшаются процессы теплопередачи, особенно от сгорающего топлива (газа, мазута, угля) к воде. В результате возрастает расход топлива и увеличиваются выбросы вредных в веществ в атмосферу и водоемы, количество твер-
Таблица 1.Основные параметры и размеры антинакипных аппаратов
Параметры и размеры Производительность аппарата, м3/ч
100 300 400
Диаметр аппарата, мм 1000 1400 1600
Потребляемая мощность кВт
Максимальное допустимое напряжение, подаваемое на электроды 24 24 24
Габариты: мм
- длина 2070 4200 3600
- ширина 1300 1850 2570
- высота 1870 2380 2570
Масса аппарата, кг 1750 3100 3050
дых продуктов сгорания твердого топлива. Кроме того, металл труб под слоем накипи перегревается и деформируется, что может привести к аварийной остановке котла и возникновению чрезвычайной ситуации.
чительными эксплуатационными расходами, которые складываются из стоимости катионита, поваренной соли и затрат на содержание обслуживающего персонала. Кроме того, в процессе регенерации ионообменных смол образуются значи-
Рис. 1 Общий вид антинакипных аппаратов производительностью 300 - 400 м3/ч 1 - корпус с эллиптическими днищами; 2 - люк для чистки электродов; 3 - штуцер для ввода (вывода) воды; 4 - графитовый анод; 5 - металлический катод; 6 - опора
В настоящее время защита котлов и других тепловых агрегатов от накипи достигается, в основном, путем удаления ионов накипеобразовате-лей (катионов кальция и магния) из подпиточной воды в установках химводоподготовки. Для этих целей на предприятиях теплоэнергетики широко используется умягчение воды №-
катионированием, которое осуществляется путем пропускания ее через слой зернистого катионита в натриевой форме. В результате ионы Ca2+ и Mg2+ обмениваются на ионы натрия, присутствующие в катионите. Отработанный катионит регенерируют раствором поваренной соли.
Умягчение подпиточной воды связано со зна-
тельные количества отработанных регенерационных растворов (до 10 % от объема воды, подвергнутой умягчению). Эти растворы содержат 5-7 %-ный раствор хлорида натрия с примесями ионов кальция и магния и для повторного использования непригодны.
Утилизация отработанных регенерационных растворов водоподготовительных установок требует значительных затрат, поэтому они сбрасываются в канализацию, а затем в природные водоемы, нанося существенный вред окружающей среде. По этим причинам на ряде котельных установки водоподготовки подпиточной воды либо вообще отсутствуют, либо работают неудовлетво-
рительно. В наибольшей степени это касается малых и средних котельных в сельской местности и рабочих поселках.
Для таких котельных перспективным, представляющим практический интерес, являются без-реагентные методы защиты водогрейного оборудования от накипи с использованием физических полей - магнитного, ультразвукового и электрического [1-3].
Для промышленной реализации процесса обработки воды постоянным электрическим полем в системах теплоснабжения сетях нами разработаны антинакипные аппараты различной производительности [4, 5]. Все конструктивные решения, использованные при создании аппаратов, были унифицированы и создана серия, состоящая из четырех антинакипных аппаратов производитель-
разработаны технические условия. Основные параметры и размеры этих аппаратов приведены в табл. 1, а общий вид аппаратов производительностью 300 - 400 м3/ч - на рис. 1.
С использованием антинакипных аппаратов разработаны промышленные антинакипные установки стабилизационной обработки воды электрическим полем различной производительности по сетевой воде (от 100 до 700 м3/ч) для отопительных котельных. На рис. 2 приведена технологическая схема такой установки.
По данной схеме разработана проектнотехническая документация для ряда отопительных котельных Кемеровской области, Красноярского края Туруханск, пос. Новоселово), Амурской области (г. Тында) и других областей РФ.
Опыт практической эксплуатации котельных, оснащенных установками антинакипной обработки воды постоянным электрическим полем и систем теплоснабжения жилых домов за период с 1985 года по настоящее время показал, то в результате антинакипной обработки сетевой воды постоянным электрическим полем достигаются следующие результаты [6, 7]:
1. Увеличивается срок службы котлов. В котельной пос. Кедровка до пуска установки антинакипной обработки воды котлы заменялись один раз в два года. С момента пуска установки антинакипной обработки воды в котлы замене не подвергались в течение 4-х и более лет.
2. Улучшаются условия работы тепловых магистралей и внутриквартальный сетей и уменьшается количество ремонтов теплосетей.
3. Сокращается расход реагентов на подго-
товку воды и уменьшается объем сточных вод. В котельной № 45 г. Кемерово до пуска в работу антинакипной установки подпитка тепловой сети осуществлялась водой после №-
катионитовых фильтров 1-ой ступени умягчения, имеющей жесткость 0,8 ммоль/дм3. После пуска установки в работу подпитка тепловой сети осуществляется неумягченной водой из реки Томи с жесткостью 1,8-2,2 мг-экв/л. В результате были достигнуты следующие техникоэкономические и экологические результаты:
- уменьшилась нагрузка на №-
катионитовые фильтры первой ступени установки химводоподготовки на 70-100 м3/ч;
- сократился расход поваренной соли на регенерацию №-катионитовых фильтров на 110 тонн в год;
- уменьшилось количество отработанных регенерационных солевых растворов, сбрасываемых в канализацию.
Антинакипные аппараты следует отнести к опасным производственными объектам по следующим признакам [8, 9]:
- в процессе электролиза воды, протекающего в антинакипном аппарате образуется водород, который образует взрывоопасную смесь с воздухом с нижним пределом взрываемости 4 %
об.;
- тепловые сети, оснащенные антинакипными аппаратами, являются замкнутыми водными системами, работающими под давлением более 0,07 МПа.
Использование антинакипных аппаратов для стабилизационной обработки воды электрическим полем в водогрейных котельных и тепловых пунктах требует оценки их промышленной безопасности, связанной, в первую очередь, с выделением
ностью 100, 200 и 300 и 400 м3/ч. На эти аппараты
Рис. 2 Технологическая схема установки антинакипной обработки воды электрическим полем для водогрейной отопительной котельной 1- буферная емкость подпиточной воды; 2 - котел для подогрева подпиточной воды; 3 - котел для подогрева сетевой воды; 4, 5 - антинакипные аппараты; 6, 7 - источники постоянного электрического тока; 8 - токоподводы к анодам из графита; 9 - токоподвод к катодам из металла;
10 - запорная арматура
водорода.
По объединенному закону Фарадея количество водорода, выделяющегося на катодах антина-кипного аппарата в единицу времени равно
Ьт = А I,
э
где Ьт - масса водорода, выделяющегося в анти-накипном аппарате, г/ч; АЭ - электрохимический эквивалент водорода, равный 0,0376 г/(А-ч), I -сила тока проходящего через антинакипный аппа-
аппаратах приведены в табл. 2.
Таким образом, процесс антинакипного аппарата сопровождается выделением на катодах газообразного водорода. В тепловых сетях с открыт водоразбором этот водород полностью растворим в сетевой воде при атмосферном давлении и не представляет опасности для эксплуатации аппарата [9]. Но, в определенных условиях водород может накапливаться в аппарате в количестве, превышающем его растворимость его раствори-
Таблица 2 . Результаты расчета количества водорода, выделяющегося в антинакипных аппаратах
Наименование показателей Производительность м3/ч аппарата,
100 300 400
Суммарная площадь поверхностей анода, м2 0,324 0,69 0,69
Сила тока через антинакипный аппарат, А: - плотность анодного тока, 5 А/м2; 16,2 34,5 41,4
- плотность анодного тока 10 А/м2; 32,4 69,0 82,8
- плотность анодного тока 15 А/м2 48,6 103,5 124,2
Количество водорода, выделяющегося в антинакипном аппарате, г/ч: - плотность анодного тока, 5 А/м2; 0,61 1,30 1,56
- плотность анодного тока 10 А/м2; 1,22 2,59 3,11
- плотность анодного тока 15 А/м2 1,83 3,89 4,67
рат, А.
Суммарный ток, проходящий через антина-кипный аппарат равен:
I = ік п¥к (Nк -1),
где 1к - катодная плотность тока, А/м2; рк - суммарная площадь поверхностей катода, м2; N -количество катодов в антинакипном аппарате; п -число электродных блоков в антинакипном аппарате.
Плотности катодного и анодного токов взаимосвязаны
Fa _ І a Fk nF
где Ра - суммарная поверхность анодов в антинакипном аппарате, м2; іа - плотность анодного
тока, А/м2; Пр - отношение площади катода к
площади анода.
Исходные данные и результаты расчета количества водорода, выделяющегося в антинакипных
мость в воде. Тогда, при опорожнении антинакип-ного аппарата водород будет переходить из водной фазы в газовую и в объеме аппарата может образоваться взрывоопасная смесь водорода и воздуха.
Анализ вопроса промышленной безопасности эксплуатации антинакипных аппаратов показал, что такая ситуация возможна в двух случаях:
1. При эксплуатации аппарата в замкнутой системе теплоснабжения, когда ее подпитка составляет менее 3 % от расхода сетевой воды [10].
2. При прекращении подачи сетевой воды через антинакипный аппарат и не отключении от электрической сети источника постоянного тока, подающего напряжение на электроды аппарата [11].
Для избежания возникновения аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией антинакипных аппаратов, необходимо учитывать характер работы тепловых сетей (отрытый или замкнутый), величину их подпитки, а также соблюдать правила эксплуатации этих аппаратов, обеспечивающих их промышленную безопасность [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушаков Г. В. Антинакипная обработка сетевой воды электрическим полем в тепловых сетях. // Теплоэнергетика. 2008. № 7. С. 35-35.
2. Ushakov G.V. Environmentally safe scale resist method to protect boiler and water heating equipment in heating system. // European Journal of Natural History. - London-Moskau. - 2007, №2. - P. 139-141.
3. Ушаков Г.В. Защита тепловых сетей от отложений накипи. Вестн. Кузбасс. гос. технич. ун-та. Кемерово. 2000, № 1, с.57-60.
4. Ушаков Г.В. Антинакипной аппарат для защиты систем оборотного водоснабжения от отложений
солей жесткости. - Вестн. Кузбас. гос. технич. ун-та. Кемерово. 2006, №6, с. 124-127 .
5. Ушаков Г.В. Антинакипной аппарат для защиты котельного и водогрейного оборудования от накипи. Химия IX век: новые технологии, новые продукты. Материалы IX Международной научнопрактической конференции. - Кемерово, 16-19 мая 2006 г., с. 49 - 52.
6. Ушаков Г.В. Эффективность защиты котельного и водогрейного оборудования от накипи обработкой сетевой воды постоянным электрическим полем. Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы. Сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006, с. 155-158.
7. Ушаков Г.В. Внутрикотловая обработка воды электрическим полем - эффективный метод защиты котельного и водогрейного оборудования от накипи в системах теплоснабжения. Природные и интеллектуальная ресурсы Сибири. «СИБРЕСУРС -2006». Материалы XI Международной научнопрактической конференции. - Кемерово, ГУ КузГТУ, 23-24 ноября 2006 г, с. 267 - 269.
8. Ушаков Г.В. Антинакипная обработка воды постоянным электрическим полем и вопросы промышленной безопасности. Сб. статей VII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - С. 192-193.
9. Ушаков Г.В. Промышленная безопасность антинакипных аппаратов в тепловых сетях с открытым водоразбором. Экология и безопасность жизнедеятельности. Сб. статей VI Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - С. 145-147.
10. Ушаков Г.В. Безопасная работа антинакипных аппаратов в закрытых тепловых сетях. Сб. статей VII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - С. 189-191.
11. Ушаков Г.В. Безопасность антинакипного аппарата в процессе его опорожнения и вскрытия. Сб. статей VII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - С. 191-192.
12. Ушаков Г. В. Основные правила эксплуатации антинакипных аппаратов для обработки сетевой воды электрическим полем в водогрейных котельных. Природные и интеллектуальная ресурсы Сибири. «СИБРЕСУРС -2006». Материалы XI Международной научно-практической конференции. - Кемерово, ГУ КузГТУ, 23-24 ноября 2006 г, с. 271 - 273.
□ Автор статьи:
Ушаков Геннадий Викторович
- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ.
Тел. 3842-36-32-85, ekosvs@kuzbass.net.
