CC BY
86
ТЕПЛОТЕХНИКА
УДК 621.187.12
А.В. Неведров, Г.А. Солодов, А.В. Папин
КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ АНТИНАКИПНОЙ ВОДОПОДГОТОВКИ
ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Стабильное снабжение населения теплом является одним из обязательных условий обеспечения жизнедеятельности человека в бытовых условиях. Эта проблема особенно актуальна для Кузбасса, где отопительный сезон длится девять месяцев в году. Забота о снабжении промышленных предприятий и населения теплом и горячей водой ложится на системы теплоснабжения предприятий жилищно-коммунального хозяйства.
В системах теплоснабжения используется горячая вода, которую нагревают в котлах отопительных котельных или водяных подогревателях тепловых пунктов. Для возмещения потерь горячей воды, связанных с ее бытовым и производственным использованием системы горячего водоснабжения подпитывают свежей водой из природных источников.
Вода из большинства таких источников в Кузбассе имеет повышенное содержание растворенных солей кальция и магния, в результате чего имеют высокую склонность к образованию накипи. Образование слоя накипи на теплопередающих поверхностях нагрева указанных теплоисточников приводит к ухудшению коэффициента теплопередачи и снижению их мощности и теплопро-изводительности, снижению эффективности использования и перерасходу топлива, увеличению количества продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу [1].
Из выше сказанного, очевидно, что перед использованием для подпитки тепловых сетей и котлов вода должна подвергаться обработке с целью снижения ее способности к отложению накипи.
В России, как и в подавляющем большинстве других стран, обработка подпиточной воды в 75% случаев из 100 осуществляется методом умягчения воды на ионообменных фильтрах [2].
Этот метод требует значительных капитальных вложений, многочисленного эксплуатационного и ремонтного персонала, а также усложняет и затрудняет автоматизацию водоподготовительных установок. В результате работы ионообменных установок образуется большое количество отработанных регенерационных растворов, содержащих опасные для окружающей среды химические вещества. Большая часть этих растворов в виде жидких стоков оказывается в прилегающих поверхно-
стных водоемах, ухудшая экологическую обстановку.
Известные методы решения проблемы отработанных регенерационных растворов требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат.
В условиях ухудшения состояния водных объектов постоянно повышаются требования контролирующих органов к качеству сбросных вод и все чаще возникают проблемы при согласовании сброса не только загрязненных, но и нормативночистых стоков[3].
Поэтому в последнее время предприятиями тепловой энергетики проявляется все больший интерес к физическим методам водоподготовки (обработка воды магнитным, электрическим, ультразвуковым полями). Эти методы водоподго-товки позволяют защитить теплофикационное оборудование от накипи. Они не требуют громоздких сооружений, специальных контрольных лабораторий и не лимитируют количество обрабатываемой воды.
Но самое главное преимущество физических способов водоподготовки состоит в том, что они не связаны с применением химических реагентов и с образованием значительных количеств неути-лизируемых отходов. Применение физических методов водоподготовки на предприятиях тепловой энергетики исключает загрязнение водоемов этими предприятиями и повышает их экологическую безопасность.
В основе обработки воды магнитным полем лежат изменения физико-химических свойств воды, возникающие при прохождении потока в межполюсном пространстве аппарата перпендикулярно магнитным силовым линиям. Изменения эти наблюдаются в воде, пересыщенной накипе-образователем и в присутствии ферромагнитных окислов железа. В воде, обработанной магнитным полем, жесткость воды не изменяется. Но характер выделяющихся твердых частиц становится иным. В омагниченной воде кристаллизация происходит не на поверхности нагрева, а в массе воды с образованием тонкодисперсного шлама, подлежащего удалению при продувке[4,5].
При воздействии ультразвукового акустического поля на накипеобразование, с одной стороны, возникают явления, обусловленные вибрацией
металлической поверхности и накипи: нарушается процесс кристаллизации, снижается прочность связи между образовавшейся накипью и металлом. Благодаря этому в подслой проникает вода, образуется пар, под давлением которого происходит вспучивание и отслаивание накипи. С другой стороны, ультразвук может способствовать агрегированию высокодисперсных частиц карбоната кальция, а в некоторых случаях и оказывать дробящее действие на выделившиеся частицы твердой фазы. В конечном итоге при воздействии ультразвука процесс кристаллизации приводит к образованию шлама, который удаляется продув-кой[6].
Обработка воды постоянным электрическим полем заключается в пропускании ее через систему плоских электродов - анодов и катодов, на которые от внешнего источника подается постоянное напряжение.
Поток воды с осадком карбоната кальция поступает в антинакипной аппарат, где подвергается действию постоянного электрического поля. Под влиянием поля в аппарате и в системе протекают механические, химические и электрохимические процессы[7]. В постоянном электрическом поле твердые частицы карбоната кальция и гидрооксида магния перемещаются из потока воды к поверхности катодов. На поверхности катодов происходит отложение осадка солей накипеобразова-телей. Удаление этих осадков накипеобразовате-лей из аппарата осуществляется механической чисткой во время его остановки, которая производится один раз в месяц или реже.
В лабораторных условиях нами были проведены исследования о влиянии каждого из физических полей на снижение накипеобразования на поверхности водогрейного оборудования. Исследования проводились на воде, имеющей общую жесткость 6,5 мг-экв/л, содержащей 4,3 мг-экв/л ионов кальция и 2,2 мг-экв/л ионов магния. Количество подпиточной воды составляло 20 % сетевой, поверхность нагревательного элемента -5,610-3 м2.
Количество накипи, выделившейся на поверхности нагревательного элемента, определялось весовым методом. Через определенные промежутки времени работы установки проводилось взвешивание нагревательного элемента, и по разности масс нагревательного элемента двух последовательных измерений определялась масса накипи, образовавшейся за данный промежуток времени.
Затем был определен противонакипный эффект обработки воды физическими полями. Полученные результаты представлены в табл.1.
Из табл.1 видно, что наибольший противона-кипный эффект достигается при обработке воды электрическим полем.
Но одна только стабилизационная обработка сетевой и подпиточной воды электрическим полем не обеспечивает полную защиту теплофикацион-
ного оборудования от накипи. Поэтому необходимо искать способы повышения противонакипного эффекта обработки воды электрическим полем.
Для решения данной задачи были проведены исследования по изучению совместного воздействия физических полей на процесс накипеобразо-вания в теплофикационном оборудовании предприятий тепловой энергетики.
Было изучено влияние на накипеобразование совместной обработки воды двумя физическими полями в различных их сочетаниях и последовательностях. Эксперименты проводились при выше описанных условиях.
Таблица 1. Противонакипные эффекты обработки воды физическими полями
Способ обработки Противонакипный эффект, %
Магнитное поле 54
Электрическое поле 72
Ультразвуковое поле 58
Таблица 2. Результаты комбинированного воздействия физических полей на накипеобразование
Способ обработки Противонакипный эффект, %
электрическое поле -магнитное поле 81,5
магнитное поле -электрическое поле 84,9
электрическое поле -ультразвуковое поле 85,8
ультразвуковое поле -электрическое поле 87,1
магнитное поле -ультразвуковое поле 60,3
ультразвуковое поле -магнитное поле 62,4
На основании экспериментальных данных был определен противонакипный эффект обработки воды совместно двумя физическими полями. Полученные результаты представлены в табл.2.
Данные табл.2 показывают, что наибольший противонакипный эффект при комбинированной обработке воды физическими полями был получен при совместном воздействии ультразвукового поля и электрического поля. Этому соответствует наибольший противонакипный эффект, который равен 87,1%.
Предполагается, что повышение противона-кипного эффекта в условиях совместного воздействия нескольких физических полей на процесс накипеобразования является прямым следствием суммарного воздействия, сопровождающегося увеличением концентрации центров кристаллизации. При обработке воды в последовательности: ультразвуковое поле - электрическое поле происходит следующий процесс. При прохождении во-
ды через аппарат обработки воды ультразвуковым полем происходит увеличение концентрации центров кристаллизации. Микроанализ частиц твердой фазы показал, что в этом случае частицы мельче, а концентрация их больше, чем при раздельной обработке воды этими полями. А образующиеся крупные частицы накипеобразователей осаждаются на катодах аппарата обработки воды электрическим полем.
Выводы
Антинакипная водоподготовка с помощью физических полей (электрическое, магнитное и ультразвуковое поля) является наиболее экологи-
чески безопасным способом водоподготовки и позволяет эффективно защищать водогрейное оборудование от накипи.
Наибольший противонакипный эффект водоподготовки с применением физических полей достигается при воздействии электрического поля.
Противонакипный эффект водоподготовки в системах теплоснабжения повышается при совместном воздействии физических полей на обрабатываемую воду. Наибольшую защиту водогрейного оборудования от накипи обеспечивает совместная обработка воды ультразвуковым и электрическим полями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ушаков Г.В. Защита тепловых сетей от отложений накипи // Вестник КузГТУ. 2000. №1. С. 57-60.
2. Юрчевский Е.Б. Современное отечественное водоподготовительное оборудование для обессолива-ния и умягчения воды на ТЭС // Теплоэнергетика. 2002. №3. С. 62-67.
3. Седлов А.С., Шищенко В.В., Ильина Н.П. Промышленное освоение и унификация малоотходной технологии термохимического умягчения и обессоливания воды // Теплоэнергетика. 2001. №3. С. 28-33.
4. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. - Киев: Наук.думка, 1991. 542 с.
5. ГульковА.Н. Применение магнитной обработки воды. - М.: Энергия, 1990. 179 с.
6. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. - М.: Энергия, 1977. 312 с.
7. Неведров А.В., Трясунов Б.Г., Ушаков Г.В. Обработка воды электрическим полем для защиты поверхностей водогрейного оборудования от накипи // Вестн. КузГТУ. 2002. №3. С. 66-68.
УДК 621.187.12
А.В. Неведров, Г.А. Солодов, А.В. Папин
БЕЗРЕАГЕНТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Анализ причин аварий при эксплуатации водогрейного оборудования в системах теплоснабжения показал, что одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций является отложение накипи на стенках этого оборудования. Ликвидация аварий требует больших материальных и трудовых затрат. В результате аварий население и промышленные предприятия могут остаться без тепла и горячей воды на длительный срок.
Для защиты водогрейного оборудования от накипи воду перед использованием подвергают водоподготовке, с целью снижения ее накипеобразующей способности. За счет снижения накипеобразования методами водоподготовки повышается безопасность и эффективность работы водогрейного оборудо-
вания.
Существует несколько методов водоподготовки для снижения накипеобразующей способности воды: ионообменное умягчение воды, реагентное умягчение воды, умягчение воды электродиализом, ингибирование солей жесткости, обработка воды физическими полями (электрическим, магнитным и ультразвуковым полем).
В России, как и в подавляющем большинстве других стран, наиболее распространенным способом водоподготовки для тепловых сетей является ионообменное умягчение воды [1]. Этот способ водоподготов-ки позволяет значительно снизить содержание солей жесткости в воде. Однако этот метод имеет существенные недостатки: 1) большие капитальные
вложения и эксплуатационные
затраты; 2) образование сточных вод, в которых содержатся хлориды кальция, магния, натрия и другие химические соединения в концентрациях, значительно превышающих предельно допустимые. Эти сточные воды, попадая в водоемы, наносят им большой ущерб.
В последнее время постоянно повышаются требования контролирующих органов к качеству сбросных вод. Поэтому проявляется все больший интерес к безреагентным методам обработки воды (обработка воды электрическим, магнитным, ультразвуковым полями). Эти методы не связаны с применением химических реагентов, не требуют больших затрат на во-доподготовку, исключают загрязнение водоемов, являются экологически безопасными и позволяют защитить водогрей-
Рис.1. Схема лабораторной установки антинакипной обработки воды: 1 - исследуемая вода; 2 - термостат; 3 - насос; 4, 13, 15 -термометры; 5 - П-образная трубка для охлаждающей воды; 6
- вентиль; 7, 8, 9 - аппараты для обработки воды ультразвуковым, магнитным и электрическим полями соответственно; 10 -стеклянный тройник; 11 - нагревательная ячейка; 12- электрический нагревательный элемент; 14 - резиновая пробка
ное оборудование от накипи [2].
С целью выявления эффективности антинакипной обработки воды каждым физическим полем был проведен ряд исследований. В работе использовали установку, изображенную на рис.1.
Исследования проводились на воде, имеющей общую жесткость 6,5 ммоль/л. Поверхность нагревательного элемента составляла 5,6-10-3 м2. Скорость движения воды в трубках составляла 0,3 м/с. Исходная вода из термостата по трубкам подавалась в аппараты для обработки физическими полями. Из аппаратов вода поступала в нагревательную ячейку со съемным электрическим нагревательным элементом. Из ячейки горячая вода поступала обратно в термостат, но перед термостатом отбиралось 20 % об. воды. Такое же количество исходной воды (20 % об.) добавлялось в термостат. Температура воды перед котлом поддерживалась в пределах 60-65°С, а после котла в пределах 90-95°С.
Обработка воды магнитным полем осуществлялась при напряженности магнитного поля 5-11 -104 А/м. Плотность электрического тока изменялась в пределах 3,5-14 А/м2. Частота импульсов ультразвукового поля составляла 20-40 Гц.
Количество накипи, выделившейся на поверхности нагревательного элемента, определялось весовым методом. Через определенные промежутки времени работы установки проводилось взвешивание нагревательного элемента, и по разности масс нагревательного элемента двух последовательных измерений определялась масса накипи, образовавшейся за данный промежуток времени.
Затем был определен проти-вонакипный эффект обработки воды физическими полями. Полученные результаты представлены в табл.1.
Из табл.1 видно, что наибольший противонакипный эффект достигается при обработке
воды электрическим полем.
Для защиты водогрейного оборудования от накипи в системах теплоснабжения были разработаны установки антина-кипной обработки воды электрическим полем. Схема установки антинакипной обработки воды электрическим полем в системе теплоснабжения представлена на рис. 2.
Установка антинакипной обработки воды электрическим полем состоит из антинакипно-го аппарата и источника постоянного тока. Аппарат устанавливается в системах теплоснабжения на линии возвратной сетевой воды перед водогрейными
котлами или водяными подогревателями (бойлерами).
Аппарат представляет собой герметично закрытую емкость, в которой смонтирована система плоских электродов, на ко-
Таблица 1. Противонакипные эффекты обработки воды физическими полями
Способ обработки Противо-накипный эффект, %
Магнитное поле 54
Электрическое поле 72
Ультразвуковое поле 58
Таблица 2. Противонакипные эффекты обработки воды
Способ обработки Противо-накипный эффект, % масс.
Ультразвуковое поле - магнитное поле -электрическое поле 89,7
Магнитное поле - ультразвуковое поле -электрическое поле 87,3
Электрическое поле - магнитное поле -ультразвуковое поле 88,8
Электрическое поле - ультразвуковое поле -магнитное поле 89,2
Ультразвуковое поле - электрическое поле -магнитное поле 87,8
Магнитное поле - электрическое поле -ультразвуковое поле 88,3
торые подается напряжение постоянного тока [3]. Корпус аппарата и катоды изготовлены из углеродистой стали, а аноды из графита.
Циркуляционную воду пропускают через антинакипный аппарат, на электроды которого подают от источника постоянного тока разность потенциалов большую, чем термо-ЭДС. Благодаря этому на электродах осаждается практически вся накипь, которая осела бы в водогрейном оборудовании [4]. Поскольку величина термо-ЭДС очень мала, то достаточно небольшого напряжения, чтобы достичь высокого эффекта предотвращения накипеобразова-ния в водогрейном оборудовании.
Опыт практической эксплуатации установок стабилизационной обработки воды электрическим полем на котельных Кемеровской области
показал, что в результате анти-накипной обработки оборотной воды достигнуты следующие результаты:
- прекратилось забивание кипятильных труб отложениями накипи, сократилось количество
прогаров кипятильных труб котлов. В результате этого повысилась безопасность водогрейного оборудования.
- в результате снижения слоя накипи повысилась тепло-производительность водогрейного оборудования примерно на 25 %, снизились расход топлива и количество продуктов сгорания топлива на 6 %. Прекратился сброс вредных сточных вод в водоем. В конечном итоге эти факторы повысили эффективность работы водогрейного оборудования и экологическую безопасность предприятий.
- увеличился срок службы котлов примерно в 1,5 раза, сократилось количество работ по ремонту и замене кипятильных и экранных труб. Улучшились условия работы тепловых сетей, уменьшилось количество внеплановых ремонтов тепловых сетей.
Но одна только стабилизационная обработка сетевой и подпиточной воды электрическим полем не обеспечивает полную защиту теплофикационного оборудования от накипи. Поэтому необходимо искать способы повышения противона-кипного эффекта обработки воды электрическим полем.
Для решения данной задачи были проведены исследования по изучению совместного воздействия физических полей на процесс накипеобразования в
Рис.2. Схема установки антинакипной обработки воды электрическим полем в системе теплоснабжения
теплофикационном оборудовании предприятий тепловой энергетики.
Было изучено влияние на накипеобразование совместной обработки воды тремя физическими полями в различных их последовательностях. Эксперименты проводились при выше описанных условиях для обработки воды одним физическим полем.
На основании экспериментальных данных был определен противонакипный эффект обработки воды совместно тремя физическими полями. Полученные результаты представлены в табл.2.
Данные табл.2 показывают, что наибольший противонакип-ный эффект при обработке воды физическими полями был получен при совместном воздействии ультразвукового, электрического и магнитного полей в следующей последовательности: ультразвуковое поле
- магнитное поле - электрическое поле. Этому соответствует наибольший противонакипный эффект, который равен 89,7 %.
Предполагается, что повышение противонакипного эффекта в условиях совместного воздействия нескольких физических полей на процесс наки-пеобразования является прямым следствием суммарного воздей-
ствия, сопровождающегося увеличением концентрации центров кристаллизации. При обработке воды в последовательности: ультразвуковое поле - магнитное поле - электрическое поле происходит следующий процесс. При прохождении воды через аппараты обработки воды ультразвуковым полем и магнитным полем происходит увеличение концентрации центров кристаллизации. Микроанализ частиц твердой фазы показал, что в этом случае частицы мельче, а концентрация их больше, чем при раздельной обработке воды этими полями. А образующиеся крупные частицы накипеобразователей осаждаются на катодах аппарата обработки воды электрическим полем.
Выводы
Безреагентные методы во-доподготовки являются самыми экологически безопасными. Эти методы позволяют отказаться от применения химикатов. Применение этих методов исключает загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок.
При обработке воды индивидуальными физическими полями (магнитным, ультразвуковым и электрическим полями) наибольшую защиту водогрейного оборудования от накипи
при оптимальных условиях обеспечивает обработка воды электрическим полем. В этом случае противонакипный эффект водоподготовки достигает 72 %.
Внедрение установок стабилизационной обработки воды на предприятиях теплоэнергетики Кемеровской области позволило повысить безопасность водогрейного оборудования,
увеличить его теплопроизводи-тельность на 25 %, снизить расход топлива на 6 %, увеличить срок службы котлов в 1,5 раза, сократить сброс вредных сточных вод в водоемы.
Разработаны способы увеличения противонакипного эффекта обработки воды безреа-гентными методами и за счет этого повышения безопасности и эффективности водогрейного оборудования в системах теплоснабжения. Установлено, что совместная обработка воды несколькими физическими полями повышает противонакипный эффект. При комплексной обработке воды наибольший проти-вонакипный эффект дает совместная обработка воды в следующей последовательности:
ультразвуковое поле - магнитное поле - электрическое поле. Он составляет 89,7 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юрчевский Е.Б. Современное отечественное водоподготовительное оборудование для обессолива-ния и умягчения воды на ТЭС // Теплоэнергетика. 2002. №3. С. 62-67.
2. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. - М.: Энергия, 1977. 312 с.
3. Неведров А.В., Трясунов Б.Г., Ушаков Г.В. Обработка воды электрическим полем для защиты поверхностей водогрейного оборудования от накипи // Вестн.КузГТУ. 2002. №3. С. 66-68.
4. Неведров А.В., Ушаков Г.В. Сравнительный анализ физических методов обработки воды для уменьшения накипеобразования // Теплоэнергетика. 2003. №11. С. 62-64.
□ Авторы статей:
Неведров Александр Викторович
- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твердого топлива и экологии.
Солодов Геннадий Афанасьевич
- докт. техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии твердого топлива и экологии.
Папин
Андрей Владимирович
- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твердого топлива и экологии.
