CC BY
48
BucTOHHu-fcBpunencKun журнал передивын TeHHunuruO ISSN 1729-S774
.......... .. ...... .............. .. . .................... .. .. :: :: ::
---------------------□ □------------------------
Розглянуті фактори, що впливають на інтенсивність накипоутворення в системах теплопостачання.
Використання слабокислотних катіонітів для підготовки підживлювальної води теплових мереж забезпечує скорочення використання реагентів та зменшення скидів засолених стоків в поверхневі водойми.
Наведені результати дослідження процесу пом’якшення регенераційних стічних вод вапном та содою. Для зменшення жорсткості стічних вод до величин < 3 мгекв/дм3 необхідне точне дозування реагентів
Ключові слова: теплові мережі, накипоутворення, карбонатний індекс, стічні води, слабокислотні катіоніти, реагенти, пом’якшення
□----------------------------------------□
Рассмотрены факторы, определяющие интенсивность накипеобразования в системах теплоснабжения.
Применение слабокислотных катионитов для подготовки подпиточной воды теплосети обеспечивает сокращение использования реагентов и снижение массы сбрасываемых солей в поверхностные водоемы.
Приведены результаты исследования процесса умягчения отработанных регенерационных растворов содой и известью. Для снижения жесткости сточных вод до величин < 3 мг^экв/дм3 требуется точная дозировка реагентов
Ключевые слова: тепловые сети, накипеобра-зование, карбонатный индекс, слабокислотные катиониты, реагенты, умягчение ---------------------□ □------------------------
УДК 628.3
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НАКИПЕ-ОБРАЗОВАНИЯ И СНИЖЕНИЕ СБРОСА ЗАСОЛЕННЫХ СТОКОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОФИКАЦИИ
С. П. Высоцкий
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности Автомобильно-дорожный институт «Донецкий национальный технический университет» ул. Кирова, 51, г. Горловка, Украина, 84646 E-mail: sp.vysotskiy@gmail.com
А. В. Вари вода Директор
ООО «Межрегиональный центр нефтегазовых технологий» ул. Чернышевская, 13, оф. 902, г. Харьков, 61057 E-mail: o.varyvoda@gmail.com
1. Введение
В процессах генерации электрической энергии на тепловых и атомных электростанциях, а также тепловой энергии на коммунальных и производственных котельных основным теплоносителем является вода.
При использовании воды происходит концентрирование солей за счет ее упаривания в оборотных циклах. Кроме этого в воду добавляются реагенты, используемые для регенерации фильтров водоподготовительных установок. В мировой практике прослеживается тенденция к утилизации и повторному использованию воды или сбрасываемых растворов [1, 2].
2. Постановка проблемы
Основными проблемами, которые возникают при эксплуатации оборотных циклов, в том числе теплофикационных систем, являются накипеобразование, увеличение интенсивности коррозионных процессов и сброс засоленных стоков в поверхностные водоемы.
3. Литературный обзор
Основными катионами, которые содержатся в природных водах, являются кальций, магний и натрий; основными анионами - гидрокарбонат, сульфаты и хлориды. Все соединения натрия являются хорошо растворимыми, высокую растворимость имеют и хлорсодержащие соединения. Кроме этого, эти соединения имеют положительный температурный коэффициент растворимости (растворимость увеличивается с повышением температуры). Для соединений MgCO3, СаС03, Mg(OH)2 и CaSO4 характерно малое произведение растворимости (ПР). Кроме этого эти соединения имеют отрицательный коэффициент растворимости, с увеличением температуры ПР уменьшается. Произведение растворимости основных накипеобразователей представлены в табл. 1.
При обработке представленных в указанной таблице данных в полулогарифмических координатах с использованием Compertz-уравнений получаем значение ПР для карбоната кальция [3, 4]:
3
ПРсаС03 = 5,77 10-5 ■ ехр(3,4 103ф-0,095, (1)
с коэффициентом корреляции Я2 = 0,9857.
И для сульфата кальция:
ПРоазо, = 2,17 10-5 ■ ехр(3,6Ю3^)-0,056 , (2)
с коэффициентом корреляции Я2 = 0,9902.
Таблица 1
Произведение растворимости основных накипеобразователей [5]
Температура °С 25 50 100 150 200
ПР(Са804)40-5 ангидрит 3,7 1,9 0,31 0,027 0,0014
ПР^С03)-10-6 7,9 1,8 0,098 0,0052 0,003
ПР(СаС03>10-9 4,4 2,2 0,47 0,053 0,0043
ПР^(0Н)2>10-12 6,6 6,4 4,1 1,3 0,32
ПР(Са804-2Н20)-10-5 гіпс 2,54 2,1 1 - -
ческой эксплуатации (ПТЭ) карбонатного индекса от температуры для разных подогревателей показана на рис. 1 [6].
£
сС
3.5
.».0
5
I
О
ю
о.
1.5
0.5
\
\ \ \ ** п эдогр N еватє У1И
\ \ N. V \
\ \ ч \ \ ■
\ \ \ ч \
Во до грейнь котлы 1 1 е \ \ \ \
X
70 90 1
10 130 150
1>МПЄ|)ЯТУ|)Я. I. С
Вода поступает в теплоэнергетические установки после систем ее предварительной подготовки. Необходимость предварительной водоподготовки обусловлена требованиями предотвращения отложений накипи на тепло- и массообменных поверхностях оборудования. Известно, что каждая доля миллиметра накипи, что образуется на поверхности нагрева, приводит к ухудшению коэффициента теплопередачи и, соответственно, к увеличению удельных затрат топлива.
При появлении накипи на внутренней поверхности труб увеличивается температура внешней поверхности металла вследствие низкой теплопроводности накипи. В табл. 2 представлены данные, характеризующие влияние отложений и температуры внешней поверхности труб на повышение температуры стенок труб в результате образования отложений.
Таблица 2
Влияние температуры отложений на перегрев стенок трубопроводов
Температура внешней поверхности трубы, °С 410 450 560
Толщина отложений, мм 0,11 0,17 0,28
Повышение температуры стенок трубы в результате образования отложений, °С 50 90 198
Основным видом отложений, образующихся на поверхностях нагрева при подогреве воды в тепловых сетях, являются карбонат кальция. Последний образуется при подогреве воды, содержащей соли карбонатной жесткости, в результате гидролиза соединений Са(НСО3)2 при повышении температуры по схеме:
Са(НС03)2 СаС03| + Н20 + 2С02.
(3)
Допустимая величина интенсивности отложений в теплофикационных системах принята 0,11 г/м2-ч [6].
Для предотвращения «критических» отложений в практике организации водно-химического режима систем теплоснабжения введен нормативный показатель - карбонатный индекс (1к), который равен произведению кальциевой жесткости на щелочность воды. Зависимость нормируемого по правилам техни-
Рис. 1. Зависимость карбонатного индекса 1к от температуры t для теплосетей
4. Предотвращение накипеобразования в системах теплофикации
Интенсивность накипеобразования в открытых системах со свободным отводом углекислого газа, которая характерна для повсеместно применяемых в промышленности оборотных систем охлаждения, пропорциональна произведению концентраций катионов кальция на квадрат щелочности воды. Указанная зависимость представлена на рис. 2 [6].
%
О Ж'
4 О уГ
“ 50 100 150 200 250 300
Са-Щ2
Рис. 2. Зависимость степени накипеобразования q от концентрации произведения Са-Щ2
Для снижения интенсивности накипеобразо-вания в тепловых сетях используют, как правило, умягчение подпиточной воды в натрий-катионитных фильтрах. При этом катионы кальция и магния заменяются на катионы натрия. Ионообменная смола после истощения подвергается регенерации 5-8 %-ным раствором поваренной соли с избытком регенеранта 2,5-3 г-экв/г-экв поглощенных ионов. В процессе умягчения из подпиточной воды удаляются как катионы
Е
кальция, которые являются источником накипеобра-зования так и катионы магния, которые практически не участвуют в процессе образования накипи при температуре подогрева воды до 150 °С. Регенерационные растворы, сбрасываемые в поверхностные водоемы приводят к их засолению и деградации.
Получаемый в процессе ионного обмена гидрокарбонат натрия подвергается термической диссоциации с образованием углекислого газа и карбоната натрия по схеме:
2№НС03 :
№2СОз + Н2СО3.
/ \ Н2О со2
(4)
Углекислый газ, поступающий в тепловые сети, вызывает коррозию теплообменной аппаратуры и магистралей разводки сетевой воды.
Более предпочтительным техническим решением является использование в схемах подготовки под-питочной воды теплосети слабокислотных (карбоксильных) катионитов. Последние имеют способность обменивать катионы жесткости на ион водорода пропорционально щелочности исходной воды.
Такое решение обеспечивает снижение карбонатного индекса за счет одновременного уменьшения содержания катионов жесткости и щелочности воды, так как процесс ионного обмена протекает по схеме:
Са(НС03)2 + 2Ж СаЯ2 + Н2С03.
/ \
Н2О со2
Образующийся в фильтрате углекислый газ уда ля-ется в декарбонизаторе. Фильтры, загруженные карбоксильным катионитом, способны регенерироваться с удельными расходами регенеранта, близкими к стехиометрическим значениям, - 1,0—1,5 г-экв/г-экв.
Единственным недостатком является необходимость использования для регенерации фильтров более агрессивных по сравнению с поваренной солью растворов слабой серной кислоты (0,5-1 %). Учитывая стехиометрическое количество реагента, не требуется нейтрализация избытка кислоты.
Так как в процессе ионного обмена происходит снижение обоих компонентов карбонатного индекса, необходимая степень снижения жесткости меньше на величину снижения щелочности обрабатываемой воды «ДЩ». Необходимая степень снижения щелочности и жесткости находится из следующего уравнения:
(Са - ДЩ) (Щ - ДЩ) < 1к
(5)
Решая указанное уравнение относительно «ДЩ», получаем:
ЛЩ = +1к -Са Щ (6)
Так, например, при жесткости исходной воды 7 мг-экв/дм3, кальциевой жесткости 5 мг-экв/дм3, щелочности исходной воды 4 мг-экв/дм3 и карбонатном индексе 2,5 (мг-экв/дм3)2 необходимая величина снижения щелочности и, соответственно, жесткости ис-
ходной воды составит 2,84 мг-экв/дм3. При этом при подготовке воды методом натрий-катионирования на каждые 100 т/ч обрабатываемой воды суточный расход поваренной соли составит:
G=т.Q.Ж.d.Э ■ 10-3 = 24 100 ■ 7 ■ 3 ■ 58,5 ■ 10-3 = 2948 кг.
Расход серной кислоты при обработке воды на слабокислотном катионите составит:
G=т.Q. ДЩ^.Э 10-3 = 24 100■ 2,84 1,05■ 49 10-3 = 350,7 ,
где т - время работы фильтров в сутки (24 ч);
Q - расход обрабатываемой воды, т/ч;
Ж - жесткость исходной воды, мг-экв/дм3;
d - удельный расход реагента на регенерацию фильтров, г-экв/г-экв;
Э - эквивалентная масса реагента.
Таким образом, расход реагентов и, соответственно, сброс засоленных стоков сокращается в 8,41 раза (!).
Важным обстоятельством является снижение потребления реагентов примерно в 8 раз и сокращение больше чем в 8 раз массы солей в стоках, поступающих в поверхностные водные источники.
Кроме этого происходит перераспределение ионного состава солей в стоках. Основная масса солей находится в форме сульфатов кальция и магния. Как известно, сульфат кальция используется в качестве удобрения при солончаковых почвах. Поэтому регенерационные растворы во многих регионах могут использоваться для полива сельскохозяйственных угодий.
Такое решение соответствует применяемым в мировой практике направлениям совершенствования технологий очистки воды [7, 8].
В местах с дефицитом воды представляет интерес использование умягченных регенерационных растворов. Нами выполнены исследования процессов умягчения имитатов регенерационных растворов с использованием в качестве реагентов растворов извести и кальцинированной соды.
Для осаждения катионов жесткости из имитатов отработанных регенерационных растворов в пробы растворов объемом 1 л дозировались концентрированные растворы реагентов извести и кальцинированной соды. После тщательного перемешивания, отстаивания и фильтрации осветленных проб воды на фильтровальной бумаге (синяя лента) выполнялся анализ проб на содержание катионов кальция, магния, а также щелочности воды по традиционным методам контроля.
Учитывая способности концентрированных растворов извести (> 1000 мг-экв/дм3) к быстрому оседанию активного компонента, достаточно сложно обеспечить стехиометрическую дозировку для осаждения катионов магния с использованием традиционных насосов-дозаторов. Вследствие этого имеет место существенный разброс экспериментальных данных (табл. 3).
Однако, при налаженной системе дозирования реагентов можно обеспечить снижение жесткости регенерационных растворов повышенной концентрации до величин 2-2,5 мг-экв/дм3 при гидратной и карбонатной щелочности обработанного раствора, соответственно, 0,5-0,9 мг-экв/дм3 и 4-5 мг-экв/дм3.
3
Таблица 3
Результаты опытов по умягчению регенерационных растворов натрий-катионитных фильтров
№ п.п. Жесткость общ. Исходный раствор Объем реагентов Усло- вия опыта Жесткость обработанной воды Щелочность обработанной воды
CaCl2 MgCl2 Ca(OH)2 Na2CO3 t т Общ. Ca2+ Mg2+ OH- CO32- HCO3-
мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мл мл °С мин мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мг-экв/дм3 мг-экв/дм3
1 368 254 114 120 147 20 0 33 2,6 31,4 0,8 2,6 -
2 368 254 114 120 147 20 0 28,5 7,4 21,1 0,1 1,2 -
3 368 254 114 120 147 20 0 29,75 21 8,75 - 4,8 -
4 368 254 114 60 74 40 0 25,6 12,4 13,2 - 1 0,8
5 340 218 122 64 68 40 0 14 13,4 0,6 - 0,8 0,9
6 340 218 122 74 70 40 0 22 21 1 7,98 2,04 -
7 340 218 122 73,8 77,5 40 0 8,8 1,6 7,2 - 2,2 0,8
8 340 218 122 72,8 77,5 40 0 4 0,5 3,5 - 18 1,5
9 340 218 122 72,8 137 20 0 43,8 3,5 40,3 - 32 0,5
10 340 218 122 72,8 137 20 0 44,8 1 43,8 - 33,4 2,3
11 340 218 122 72,8 137 40 0 42,3 4 38,3 - 15 3,4
12 340 240 100 - - 40 0 29,7 2 27,7 - 15 3,4
13 340 240 100 72,8 134 40 0 13,9 11,6 2,3 - 1 0,2
14 340 240 100 72,8 140 40 0 2,2 0,3 1,9 0,6 4,4 -
15 340 240 100 72,8 140 40 0 2,2 0,35 1,85 0,5 5 -
16 340 240 100 72,8 137 40 5 13,2 5,8 7,4 - 0,66 0,04
17 340 240 100 - - 40 5 14,9 5 9,9 - 1 0,3
18 340 240 100 72,8 140 40 0 6,4 0,6 5,8 0,02 3,76 -
19 340 240 100 75 144 40 5 10,9 7 3,9 0,3 0,4 -
20 340 240 100 72,8 144 40 5 3,7 0,15 3,55 1,3 12,8 -
21 340 240 100 72 144 40 5 3,5 0,15 3,35 1,1 11,3 -
22 340 240 100 - - 40 1 2,4 0,4 2 1,1 4,6 -
23 340 240 100 - - 40 1 2 0,25 1,75 0,9 5 -
Умягченные стоки могут быть использованы в ка- 2
честве технической воды для охлаждения некоторых элементов оборудования или разбавления исходной технической водой перед использованием в системах 3
охлаждения [9, 10].
5. Выводы 4
1. Снижение интенсивности накипеобразования
и сброса засоленных стоков в теплофикацион-
ных системах может быть достигнуто за счет использования слабокислотных (карбоксильных) катионитов.
Расход реагентов на обработку воды при использовании слабокислотных катионитов сокращается более чем в 8 раз.
Определены методы расчета нагрузки фильтров, загруженных карбоксильным катионитом в зависимости от величины карбонатного индекса.
Концентрированные регенерационные растворы могут быть умягчены растворами извести и соды до остаточной жесткости 2-2,5 мг-экв/дм3 при остаточной гидратной и карбонатной щелочности, соответственно, 0,5-0,9 и 4-5 мг-экв/дм3.
Литература
1. Todd, J. The design of living technologies for waste treatment [Текст] / J. Todd, B. Josephson // Ecological engineering. - 1966. -№ 6. - P. 106-136.
2. Cauchi, R. Sustainable waste water management - treatment and re-use [Текст] / R. Cauchi // Environmental Technology, 2006. -350 p.
3. Vysotsky, S. P. Calcium carbonate formation in the water treatment systems and on the heading surfaces [Текст] / S. P. Vysotsky, A. V. Fatkulina // Проблемы экологии. - 2013. - № 1. - P. 3-13.
t
4. Висоцький, С. П. Накипоутворення в теплофікаційних системах [Текст] / С. П. Висоцький, Г. В. Фаткуліна // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2009. - № 2. - С. 99-105.
5. Балабан-Ирменин, Ю. В. Закономерности накипеобразования в водогрейном оборудовании систем теплоснабжения [Текст] / Ю. В. Балабан-Ирменин, А. В. Богловский, А. Г. Васина и др. // Энергосбережение и водоподготовка. - 2004. - № 3. - С. 10-16.
6. Правила технической эксплуатации электростанций и сетей [Текст] - Энергоиздат, 1989. - 288 с.
7. Grau, P. Mathematical modeling of wastewater treatment technologies in industrial water circuits [Текст] / P. Grau, I. Lizarralde, L. Sancho : mid term Conference (14 of June 2013, Oviedo).
8. Chamberlain, B. Designing sustainable waste water systems: Generating Design Alternatives [Текст] / B. Chamberlain, A. Zarei, H. Taheri, D. Poole [and others] // Journal of Environment Management. - 2008. - № 88 (3). - P. 437-447.
9. Helmer, R. Water pollution control [Текст] / R. Helmer, I. Hespanhol. // A Guide to the use of Water Quality Managment. -WHO/UNEP, 1997. - 39 p.
10. Pattarkine, V. M. Advanced lagoon treatment technologies for wastewater treatment [Текст] / V. M. Pattarkine, R. C. Chann, C. E. Tharp. - Water Environment Foundation, 2006. - 2991-3002 p.
УДК 691. 175.746
ДОБАВКА НА ОСНОВЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ АЛЮМОСИЛИКАТОВ ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ
---------------□ □-----------------
Наведено відомості про вплив синтезованих алюмосилікатів на властивості цементних систем. Показана ефективність застосування алюмосилікатів у вапняних і цементних системах. Встановлено прискорення строків тужавіння цементу в присутності добавок синтезованих алюмосилікатів. Виявлено аморфна структура синтезованих добавок і їх висока гідравлічна активність
Ключові слова: синтез
алюмосилікатів, фазовий склад, дисперсність, активність,
властивості цементних систем
□---------------------------□
Приведены сведения о влиянии синтезированных алюмосиликатов на свойства цементных систем. Показана эффективность применения алюмосиликатов в известковых и цементных системах. Установлено ускорение сроков схватывания цемента в присутствии добавок синтезированных алюмосиликатов. Выявлена аморфная структура синтезированных добавок и их высокая гидравлическая активность
Ключевые слова: синтез алюмосиликатов, фазовый состав, дисперсность, активность, свойства цементных систем ---------------□ □-----------------
1. Введение
Одним из приоритетов современного строительного материаловедения является разработка эффективных строительных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Решение этой задачи основывается на целенаправленном формировании структуры материала как гетерогенной, многофазной
В. И. Логанина
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* E-mail: loganin@mail.ru И. В. Жерновский Кандидат геолого-минералогических наук, доцент Кафедра строительного материаловедении, изделий и конструкций Белгородский государствнный технологический университет им. В.Г.Шухова ул. Костюкова,46, г. Белгород, Россия, 308012 E-mail: zhernovsky.igoi@mail.ru М. А. Садовникова Аспирант* E-mail: adikaevka_01@mail.ru К. В. Жегера Аспирант* E-mail: jegera@yandex.ru *Кафедра управление качеством и технологии строительного производства Пензенский государственный университет архитектуры и строительства ул. Германа Титова, 28, г. Пенза, Россия, 44028
системы сложной иерархии. Одним из направлений управления свойствами такой системы является модифицирование их структуры наноразмерными частицами [1]. Внедрение в технологию строительных материалов новых эффективных модификаторов структуры и свойств, композиционных вяжущих веществ, тонкодисперсных добавок, волокнистых наполнителей и совершенствования с учетом их воздействия структуры
