Научная статья на тему 'Антинакипные аппараты для защиты водогрейного оборудования от накипи и вопросы их промышленной безопасности'

Антинакипные аппараты для защиты водогрейного оборудования от накипи и вопросы их промышленной безопасности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
477
128
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АНТИНАКИПНЫЕ АППАРАТЫ / ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ / ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ / DEVICES AGAINST A SCUM / HEAT SUPPLIES / ELECTRIC FIELD

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Ушаков Геннадий Викторович

Приведена схема антинакипной установки для защиты водогрейного оборудования от накипи обработкой сетевой воды постоянным электрическим полем и конструкция антинакипного аппарата. Приведены результаты промышленной эксплуатации этих установок. Рассмотерены вопросы промышленной безопасности антинакипных аппаратов и даны рекомендации по их безопасной эксплуатации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Ушаков Геннадий Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Devices for protection of the water-heating equipment against a scum and questions of their industrial safety

The scheme of installation of processing of network water by constant electric field and a design of the device for protection of the water-heating equipment against a scum is resulted. Results of commercial operation of installations are resulted. Questions of industrial safety of installations are considered and recommendations about their safe operation are given.

Текст научной работы на тему «Антинакипные аппараты для защиты водогрейного оборудования от накипи и вопросы их промышленной безопасности»

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, [email protected].

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].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.