Технологические схемы и конструкции паровых котлов: устройство, принцип работы, схема и эксплуатация

Из самого названия понятно, что это агрегат, который вырабатывает насыщенный пар, используемый в дальнейшем в системе отопления дома или квартиры. При этом работа паровой системы основана на том, что пар имеет давление выше атмосферного. По сути, это обычный отопительный котел, который может работать на любом виде топлива. Если такой вид теплогенератора решено установить в городской квартире, то оптимальный вариант топлива — это газ.

Скажем прямо — конструкция парового котла достаточно сложна, поэтому стоит рассмотреть ее в общих чертах. Сам котел состоит из двух частей, верхняя из которых — это барабан, наполненный водой. Система подачи воды может быть любой. К примеру, из водопровода или из любого резервуара с помощью насоса. От барабана вниз проложены трубы, по которым будет двигаться вода. Они называются опускными. Запомните — эти трубы не нагреваются.

Опускные трубы соединяются с коллекторами, от которых вверх идут подъемные трубопроводы. То есть получается система, напоминающая соединяющиеся сосуды. Это и есть принцип работы парового котла. Именно подъемные трубы создают поверхности нагрева, которые проходят через зону, где сжигается топливо. В них образуется пароводяная смесь, но это еще не чистый пар для системы парового отопления. Необходимо провести разделение.

Этот процесс проходит в так называемых сепараторах. Смесь поступает туда по трубам и разделяется на воду и пар. Вода стекает в барабан, а пар подается в паропровод, соединяющий сепаратор и пароперегреватель. Здесь пар доводится до необходимой температуры и давления. После чего он поступает на паровую турбину, которая гонит его в отопительную систему.

Технология изготовления парового котла

Что понадобится для изготовления такой системы?

• Листовой металл из нержавейки толщиной 1 мм.
• Трубы разного диаметра из нержавеющей стали — 100–120 мм, 10–30 мм.
• Предохранительный клапан.
• Асбест в виде листов.

В первую очередь необходимо раздобыть чертежи парового котла. Это сегодня не проблема, поскольку они есть в свободном доступе в интернете. Вторая задача — определиться с мощностью прибора. Все будет зависеть от системы парового отопления, размеров частного дома, количества радиаторов в нем и так далее. Разобраться с этим вопросом помогут другие статьи на нашем сайте. Третье — нужно выбрать форму агрегата. Она может быть круглой, квадратной или прямоугольной.

Для простоты изготовления можно взять трубу длиной 100–110 см. Она и будет корпусом агрегата. Обратите внимание, что толщина стенки должна быть не меньше 2,5 мм. Очень важный момент — это устройство топки и подвод к ней жаровых и дымогарных трубок.

Камеру сгорания лучше всего сделать из листов нержавеющей стали, в которых просверливаются отверстия под описанные трубки. Их концы обязательно вальцуются, чтобы создать плотное примыкание к поверхностям. Для лучшей герметизации и повышения прочности соединения трубки стоит заварить, используя аргоновую сварку. Если этими навыками вы не владеете, можно приварить их постоянными электродами.

После этого нужно с помощью сварки подсоединить коллектор для труб и установить предохранительный клапан. Утепление агрегата проводится асбестовыми листами. На этом можно считать, что работа выполнена. Затем система парового отопления и котел соединяются.

На чем работают паровые агрегаты?

Мы уже упоминали о том, что проблем с выбором топлива для паровых котлов нет. Но если речь идет об эффективной и удобной эксплуатации системы парового отопления, то оптимальный вариант — это газ. С ним меньше возни, и можно создать автоматизированную систему. Она сама будет контролировать все процессы, связанные с температурным режимом, подачей газа, эффективностью использования топлива и его экономией.

Паровые котлы, работающие на дровах или солярке, а также электрические аналоги функционируют по такому же принципу, хотя в конструктивном плане есть и достаточно серьезные отличия. Особенно это касается топки и форсунок. Последние, к примеру, в котлах, работающих на дровах или электричестве, полностью отсутствуют. Но в большинстве случаев мастера, которые собирают котлы своими руками, стараются подогнать их или под газовые горелки, или под дизельные форсунки.

У потребителей всегда есть альтернатива выбора. Можно купить готовый агрегат, а можно сделать его самостоятельно. Но давайте смотреть правде в глаза. Схема парового котла достаточно сложна, и разобраться в ней, не зная элементарных принципов, по которым работает агрегат, не получится. К тому же придется приобрести специальные материалы, соответствующие нормам и требованиям по созданию этого отопительного прибора. Здесь потребуются прочные жаростойкие металлические изделия. Плюс ко всему необходимо будет провести очень точные расчеты.

Добавим, что паровые котлы, работающие в системе отопления дома или квартиры, особенно газовые, должны оснащаться блоком безопасности. Это не просто печь или камин, и здесь все связано с паром высокой температуры, который подается в систему под давлением. Поэтому автоматическая система контроля — важная и неотъемлемая составляющая.

Конечно, говорить о том, что любой человек может изготовить своими руками паровой агрегат, нельзя. Но знать принцип работы устройства, его конструктивные особенности, тонкости эксплуатации и прочие моменты каждый просто обязан. Это относится к тем, кто решился у себя в доме установить именно эту модель.

: типы и конструкции

Джо Фарсетта, Certified Master Inspector® и Certified Commercial Inspector

Паровые котлы могут быть простыми или сложными, в зависимости от их применения, имеющегося топлива, а также конкретных требований и требований, включая давление и объем пара. Паровые системы в коммерческих и промышленных условиях обычно требуют услуг лицензированного профессионального инженера на этапах проектирования и установки. Соответствие и безопасность конструкции, установки и эксплуатации имеют решающее значение.Общие условия эксплуатации действующей паровой установки могут входить в сферу ответственности инспектора, в зависимости от конкретной инспекционной работы и взаимно согласованного объема работ.

Типы котлов

Пожарный котел

Один из самых основных типов котлов, жаротрубный котел также является одной из самых старых конструкций.

Горелка выпускает пламя в трубу, погруженную в воду, содержащуюся в основном резервуаре самого котла. Может быть несколько пожарных трубок.Тепло пламени передается воде, нагревая ее до точки кипения. Образующийся пар улавливается в пространстве над водой и выходит через выпускное отверстие для пара для любых целей, для которых он предназначен, будь то нагрев радиатора или движение локомотива. Но поскольку в этом общем сосуде содержатся и пар, и вода, давление пара несколько ограничено. В случае, если главный сосуд поддастся повышенному давлению, превышающему его возможности, могут быть катастрофические последствия.

В сфере жаротрубных котлов есть два основных типа. Эти типы зависят от физического расположения печи (производство пламени). Их называют внешними и внутренними печами.

Каждый из двух основных типов включает подмножества. Например, есть три типа наружных топок:

1. Котел трубчатый пожаротрубный с горизонтальным возвратом;
2. котел топочный топочный топочный; и
3. компактный жаротрубный котел.

Для внутренних печей существует два подмножества:

1. горизонтальный трубчатый; и
2. вертикальный трубчатый жаротрубный котел.

Рассмотрим работу трубчатого жаротрубного котла с горизонтальным возвратом. В этой конфигурации большой паровой барабан установлен горизонтально внутри корпуса и опорных конструкций. Из печи выходят несколько дымовых труб, которые также расположены горизонтально внутри барабана. В этом есть смысл, поскольку барабан расположен горизонтально. Когда барабан наполняется водой, трубки погружаются в воду.

Топливо сжигается в печи, нагревая газы, проходящие через трубы, передавая тепло воде, которая, в свою очередь, нагревает воду до точки кипения.Отработанные газы проходят через дымовые трубы и попадают в дымовую коробку, соединенную с выхлопной трубой. Однако, как пар производится в барабане, так и давление. В системе под давлением вода закипает при более высокой температуре. Следовательно, чем больше давление пара создается внутри барабана, тем выше температура кипения воды, что приводит к снижению выработки пара в целом. По сути, котел управляется саморегулированием за счет давления пара, которое он создает во время своей работы.

Типы пожаротрубных котлов с внутренней топкой

Внутренние жаротрубные котлы характеризуются наличием топки внутри блока.Они включают следующее.

Пожарный котел Корниш

Этот тип котла включает в себя гладкую цилиндрическую оболочку и единственную тепловую трубу, проходящую через ее центр. Он имеет единственный выхлопной дымоход, соединенный с единственной тепловой трубкой.

Ланкаширский пожаротрубный котел

Конструкция котла Ланкашира аналогична котлу Корнуолла, за исключением того, что он имеет две внутренние дымовые трубы и два дымохода.

Ланкаширский пожаротрубный котел

Локомотивный пожаротрубный котел

Тепловозный котел устаревшей конструкции.Первоначально находившиеся в паровозах, древесина или уголь сжигали в камере сгорания (топке). Агрегат с горизонтальной трубной конструкцией, это было прочное оборудование с высокой паропроизводительностью.

Вертикальный пожаротрубный котел

Вертикальный трубчатый котел — это простой котел с вертикальной цилиндрической конструкцией. Он включает в себя поперечные трубы, а топка расположена в нижней части котла. Кожухи сгорания выходят через верхнюю часть агрегата через дымоход.

Пожарный котел Cochran

Котел Cochran также является котлом вертикального типа многотрубной конструкции.Он включает в себя несколько горизонтальных пожарных труб.

Погружной пожаротрубный котел

Котлы данного типа имеют горизонтальную однопроходную конструкцию. Пламя загоняется в соответствующие трубки малого диаметра. Несколько трубок малого диаметра по отдельности погружаются в воду. На каждое сопло имеется по одной трубке.

Водотрубные котлы

Водотрубные котлы — это прогресс в технологии производства пара. Она отличается от технологии с дымогарными трубами тем, что пламя из топки попадает в большую изолированную зону, где оно буквально отражается от задней стенки и распределяет тепло более равномерно и эффективно, что снижает затраты на топливо.Пожарные трубы посылают пламя в трубы, погруженные в воду, а не в камеру. Поскольку меньше воды для парового взрыва в случае отказа, операции намного безопаснее, а установку легче осматривать и обслуживать.

Внутри камеры находится ряд трубок с водой. Трубки проходят по длине котла. Трубки герметичны и выдерживают давление индивидуально, не затрагивая соседние трубки. Тепло передается через металлические трубки воде, протекающей через них.

Это заметное отличие от жаротрубных котлов, в которых вода, используемая для создания пара, будет окружать источник тепла. В водотрубных котлах тепло окружает водяные трубы. Это приводит к меньшей нагрузке на котел как единое целое по сравнению с конструкциями с дымогарными трубами.

Вода, нагретая внутри трубок, поднимается к верхней части котла и в паровой барабан. Обычно процесс занимает всего несколько минут. Пар производится с высокой скоростью. Эффекты нагрева и охлаждения создают состояние, известное как термическое сифонирование, которое обеспечивает циркуляцию воды в бойлере.Эффективность работы котла позволяет ему занимать меньшую занимаемую площадь, чем агрегаты с дымогарными трубами. Водотрубные котлы в основном используются для производства пара при более высоких давлениях и больших объемах.

Детали водотрубного котла

Водотрубные котлы обычно включают в себя следующие компоненты:

• кожух котла, являющийся внешним цилиндрическим элементом сосуда высокого давления;
• грязевой барабан в пространстве на дне емкости для воды.Здесь в конечном итоге собираются примеси, образующиеся в результате превращения воды в газ. Также здесь происходит донная продувка;
• сетчатый фильтр, который представляет собой фильтр, отфильтровывающий любые твердые элементы;
• смотровое стекло для наблюдения за уровнем воды; и
• Горелка, являющаяся источником огня, нагревающего воду

Разница между пожаротрубными котлами и водотрубными котлами

Между этими типами котлов много различий.На базовом уровне один из них погружает огонь в воду, а другой — в воду, погруженную в огонь. Это единственное наиболее разительное различие между двумя дизайнами. Также есть различия в производительности.

Рабочее давление, циклы производства пара, материалы, используемые в производстве, физические размеры, эффективность, погрузочно-разгрузочные работы, а также стоимость обслуживания и эксплуатации — все это факторы, определяющие различия между жаротрубными котлами и водотрубными котлами.

Дополнительно:

• Конструкция водяной трубки позволяет использовать более высокий диапазон давления.
• Колебания нагрузки в пожарной трубе нелегко компенсировать, в то время как колебания в водяной трубе легко компенсируются.
• Водотрубные котлы могут занимать меньше физического места для агрегатов большой мощности.
• Водотрубные котлы могут иметь КПД 90% по сравнению с пределом 75% для конструкций с дымогарными трубами.
• Конструкция водотрубных котлов обычно более сложная, чем у жаротрубных котлов, и обычно требуется больше обслуживания.
• Для эффективной работы водотрубных котлов требуется опыт, по сравнению с жаротрубными агрегатами, которые требуют небольшого опыта или вообще не требуют его.

Преимущества и недостатки

Жаротрубный котел имеет определенные преимущества, в том числе его компактную конструкцию. Также дешевле приобрести водотрубный котел. Однако он также имеет явные недостатки, в том числе ограничение давления пара, которое он способен производить. Вода и пар хранятся в одном сосуде; Итак, поскольку пожарные трубы пытаются нагреть сосуд, полный воды, для того, чтобы вода нагрелась, требуется больше времени. Однако самым большим недостатком является возможность поломки барабана (сосуда) и сильного взрыва.

Жаротрубные котлы оснащены манометром и указателем уровня воды. Он может быть оборудован петлей Хартфорда, а может и не быть, в зависимости от того, как конденсат возвращается в установку. Конденсатные насосы исключают необходимость в контуре.

Большинство небольших паровых котлов предварительно упакованы и представляют собой жаротрубные блоки. Они построены на заводе и физически малы. Их можно относительно легко изготовить, отгрузить, распаковать и установить. Большинство из них продается на внутреннем рынке с использованием природного газа.

С другой стороны, водотрубные котлы устанавливаются на крупнотоннажных предприятиях. Большинство из них собираются и изготавливаются в полевых условиях, поскольку такие элементы, как воздуховоды, стальные опоры и гасители вибрации, также должны быть построены в полевых условиях. Вытяжные трубы, в отличие от простых дымоходов, также требуются большую часть времени. Из-за огромных размеров и веса компонентов практически невозможно отправить систему в собранном виде. Основным топливом для этих установок также является природный газ, хотя дробленый уголь также иногда используется в промышленных условиях.

Котлы паровые электрические

Электрические паровые котлы в основном используют резистивные нагревательные элементы для нагрева воды и производства пара. Их часто можно увидеть на небольших предприятиях, которые могут включать прачечные, предприятия пищевой промышленности и больницы, хотя в больнице, скорее всего, есть паровая установка.

Хотя этот тип котла более дорог в эксплуатации, чем его аналоги, работающие на топливе, он пользуется популярностью из-за своей простоты. Тепловая эффективность напрямую связана со стоимостью электроэнергии.Хотя электрические паровые котлы технически эффективны и «экологичны» из-за нулевых выбросов от сжигания топлива, их эксплуатация может быть дорогостоящей. в зависимости от местных тарифов на электроэнергию. Кроме того, выработка электроэнергии часто приводит к сжиганию топлива на уровне электростанции, поэтому при выработке электроэнергии для «топлива» эти котлы образуются выхлопные газы.

Предлагаются комплектные электрические паровые котлы для производства пара низкого и высокого давления мощностью не менее 165 л.с.Они часто встречаются при развертывании для конкретных приложений, включая производство или упаковку продуктов питания и напитков. Электрические бойлеры также часто используются в процессах стерилизации.

Инспектор может увидеть в одном и том же месте большой коммерческий паровой котел, работающий на топливе, и меньший электрический котел. В зависимости от потребности в паре, которая в зимние месяцы обычно высока, многие предприятия дополняют свои паровые установки электрическими установками меньшего размера. Когда потребность в паре ниже, некоторые предприятия отключают свой более крупный котел и переключаются на меньший электрический агрегат.Это может быть связано с высокими расходами на топливо или необходимостью технического обслуживания или ремонта. Тем не менее, не удивляйтесь, если присутствуют два типа систем.

Хотя основной котел установки обычно подает пар и горячую воду для комфортного обогрева и увлажнения, могут быть случаи, когда установка электрического котла для локального обогрева при расширении установки может оказаться рентабельной. Точно так же электрические котлы идеально подходят для новых технологических объектов, где большие котлы, работающие на ископаемом топливе, нецелесообразны или не требуются.

Принципы генерации пара в основном те же, с электрическими резистивными нагревательными элементами, которые нагревают воду для производства пара. Эти агрегаты имеют многие из тех же рабочих компонентов, что и обычные котлы, за исключением горелки, дымохода и выхлопных труб. Электродные системы также являются электрическими, но они полагаются на воду в качестве проводника. В этих системах вода становится заряженной, поэтому существует много проблем с безопасностью, связанных с работой котла со встроенным электродом.

Обычно небольшие коммерческие паровые котлы применяются в небольших коммерческих помещениях, таких как оздоровительные курорты, где часто есть парогенераторы для использования в парных.Паровой котел отличается от парогенератора, который, как правило, имеет небольшие размеры и рассчитан на одно ограниченное применение.

Техническое обслуживание электрокотлов минимально, помимо регулярных проверок уровня воды и ежемесячных проверок электропроводки. Как и все котлы, они требуют мер по борьбе с накипью и периодической продувки для поддержания их эффективности. Замена нагревательного элемента при необходимости легко осуществляется через дверцу котла.

Дополнительные ресурсы для коммерческих инспекторов:
Коммерческие паровые котлы: грунтовка
Механика паровых котлов и их применение в коммерческих и промышленных помещениях

(PDF) РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ГЛАВНЫХ СУДОВЫХ КОТЛОВ

0С [3,6]).Поэтому паротурбинные энергосистемы используются в основном на судах СПГ

, где газ для питания котлов подается непосредственно из грузовых танков.

Современные двухтопливные двигатели внутреннего сгорания также позволяют сжигать газ. Однако для мощных тихоходных двигателей

требуются гораздо более высокие параметры (давление

равнялось от 200 МПа до 250 МПа и температура 40 0С). Также необходимо построить дополнительную систему газового топлива с криогенным сжиженным газом

резервуарами, насосами, теплообменниками и компрессорами;

 Доказано, что газовые котлы работают с 4.На 5% ниже КПД,

, что повлияет на КПД энергосистемы паровой турбины. К преимуществам газа

в качестве топлива относятся: использование газа, испаренного естественным путем, отсутствие

посткаталитических продуктов, используемых в процессе переработки сырой нефти, вызывающих высокотемпературную коррозию

, более высокое качество сгорания, приводящее к снижению потеря

неполного сгорания. Таким образом, на теплообменной поверхности

накапливается меньше шлама и уменьшается объем выделяемых вредных компонентов выхлопных газов на

;

 Дальнейшее развитие конструкции котла будет направлено на повышение эффективности естественной циркуляции и теплообмена.

БЛАГОДАРНОСТИ

Этот результат исследования был достигнут в рамках исследовательского проекта

№. 2 / S / IESO / 2018 Финансируется из субсидии Министерства науки и высшего образования Польши

для уставной деятельности Морского

Щецинского университета.

ССЫЛКИ

[1] Behrendt C., Struktura floty statków do przewozu gazu skroplonego, Logistyka,

Poland, no. 3 CD № 1, стр.297-304, 2015;

[2] Берендт К., Условия рекуперации тепла морских отходов в отходах тепла судов

Системы рекуперации, Журнал машиностроения и технического обслуживания, Польша, нет.

4/2017 (107), стр. 141–147, 2017;

[3] Ито М., Хираока К., Мацумото С. и Цумура К., Разработка высокоэффективной

(Ультра паровая турбина). Mitsubishi Heavy Industries Ltd.

Технический обзор, Япония, Vol.44 № 3, стр 1-6, 2007;

[4] Косовски К. Судовые турбинные электростанции. Термодинамические циклы. Издатель:

Фонд развития морской индустрии, Польша, 2005 г .;

[5] Muślewski., Pająk M., Landowski B. and ółtowski B., A Method for

Determining the Usability Potential of Ship Steam Boilers, Polish Maritime Research,

Poland, No. 4 (92) Vol. . 23, с. 105–111, 2016;

[6] Накасэ Т., Учида Х., Ямагути Д., Ито Т., Проблема с давлением пара 12 МПа (изб.)

Морской котел промежуточного нагрева типа UTR-II для газовозов СПГ, Kawasaki Heavy Industries Ship

Engineering, Japan, no. 166, стр. 12-19, 2008;

[7] Rokicki, H., Urządzenia kotłowe. Przykłady obliczeniowe, Издательство: Гданьск

Технический университет, 1996;

[8] http://www.greenspower.co.uk/shipserv.com/ShipServ/pages/attachments/61285/Mar

ine% 20Boiler% 20Brochure.pdf;

[9] http: // steamesteem.com /? котлы / горение-инженерия-v2m8.html;

[10] http://global.kawasaki.com/en/energy/solutions/energy_plants/marine.html.

Паровые котлы 101 — Полное руководство по паровой технологии

Паровой котел — это сосуд под давлением, который передает тепло воде для производства пара для различных применений.

Это руководство предоставит исчерпывающий и простой обзор того, что делают котлы, как работают котлы, и как выбрать безопасный, надежный и эффективный паровой котел.

Содержание

Как работают котлы?

Паровые котлы производят энергию пара под давлением, нагревая воду до точки кипения с использованием горючего источника топлива.

Как нагревается вода, зависит от того, топочный это или водотрубный котел. Основные различия между ними можно найти в их названиях.

В дымогарном котле источник горючего топлива находится внутри трубы, окруженной сосудом, наполненным водой.Трубка постепенно нагревает воду вокруг себя, в конечном итоге образуя пар.

В водотрубном котле вода содержится в нескольких трубках, и тепло от источника горючего топлива подводится к внешней стороне трубок для производства пара.

Анатомия котельной системы

• Сосуд под давлением : Сосуд под давлением содержит газы или жидкости при высоких температурах, обычно под высоким давлением. В котле сосуд высокого давления изготавливается из высокопрочного материала, часто из стали.
• Горелка : Горелка обеспечивает тепло котлу за счет сжигания топлива и кислорода. Источники топлива включают природный газ, пропан низкого давления, нефть № 2, уголь и другие виды топлива.
• Трубы : В водотрубных котлах металлические трубы, расположенные внутри котла, содержат воду и нагреваются снаружи. В дымовых котлах нагретый газ проходит через одну или несколько трубок, нагревая воду, окружающую трубы.
• Экономайзер : Экономайзер — это механизм теплообмена, который передает тепловую энергию, которая в противном случае теряется в выхлопных газах, и использует эту энергию для нагрева воды, поступающей в котел.Следовательно, для нагрева поступающей воды требуется меньше дополнительной энергии, что делает котел более эффективным.
• Бак деаэратора : Деаэраторы представляют собой резервуары с питательной водой под давлением, в которых используется давление и тепло для удаления кислорода и других растворенных газов (в частности, диоксида углерода) из воды, подаваемой в котел. В противном случае растворенный кислород и углекислый газ могут вызвать серьезную коррозию котла.
• Теплообменник : Теплообменник передает тепло от одного вещества к другому без прямого взаимодействия этих веществ.В бойлере тепло горячего газа передается воде через теплообменник.
• Панель управления : Панель управления позволяет операторам управлять настройками котла, такими как температура и давление. Панели управления коммерческими и промышленными котлами включают подробную аналитику.
• Резервуар питательной воды : Резервуар питательной воды — это сборный резервуар, который подает воду, используемую котлом для создания пара. Бак питательной воды — это место, где очищенная вода собирается, а затем перекачивается в котел.Котельные химикаты, которые удаляют кислород и защищают металлы внутри котла, впрыскиваются и смешиваются в резервуаре питательной воды. Установки с линиями возврата конденсата могут собирать конденсатную воду из пара, который опускается ниже точки котла, и возвращать ее в систему для повторного улавливания очищенной воды.
• Система сгорания : Система сгорания работает путем объединения воздуха и топлива, а затем воспламенения смеси с выделением тепла. Обеспечение правильного баланса воздуха и топлива — важный компонент системы сжигания котла.
• Система обратного осмоса : Обратный осмос работает с использованием насоса высокого давления для увеличения давления на стороне неочищенной воды обратного осмоса и проталкивания воды через полупроницаемую мембрану обратного осмоса, оставляя почти все (от 95% до 99%). %) растворенных примесей в отходящем потоке.
• Системы химического мониторинга : Тщательно контролируемое добавление химикатов может улучшить работу котла. Системы химического мониторинга точно контролируют химические уровни и обеспечивают постоянный анализ.
• Виды топлива : Топливо для сжигания является основным источником тепла в котле. Обычными источниками топлива являются газ, нефть и уголь. Когда используется уголь, его часто измельчают и нагревают для повышения эффективности. Реже может использоваться биомасса, такая как древесная щепа или другие природные материалы.
• Водоподготовка: Вода, используемая в котлах, должна быть очищена перед подачей в котел, чтобы продлить срок службы котла. Установки для смягчения воды и системы обратного осмоса помогают подготовить воду, удаляя растворенные твердые частицы, такие как кальций и магний, чтобы снизить вероятность образования накипи в бойлере.Резервуары с питательной водой также являются частью системы водоподготовки, поскольку они используют тепло для уменьшения количества растворенных газов в воде, которые могут способствовать окислению и коррозии внутри котла.

Противопожарные котлы и водотрубные котлы

Как упоминалось ранее, два основных типа котлов, которые вы найдете сегодня на рынке, — это пожаротрубные котлы и водотрубные котлы. Давайте подробнее рассмотрим, как работает каждый тип.

Пожарные котлы

Как следует из названия, в котлах с дымовыми трубами пламя проходит через закрытую трубку.Пламя нагревает окружающий газ. Это тепло передается через стенки трубы, нагревая воду, содержащуюся в сосуде, до образования пара.

Firetube долгая история. В конце концов, они приводили в действие некоторые из первых в мире паровозов. Из-за огромного сохраняемого давления и присущей им неэффективности все больше промышленных процессов обращаются к водотрубным котлам для большей безопасности и эффективности.

Водотрубные котлы

В водотрубных котлах печь нагревает газ, по которому циркулируют трубы, содержащие воду.Тепло передается через стенки трубок, нагревая воду внутри труб до образования пара. Водотрубные котлы, как правило, способны создавать значительно большее давление, чем дымогарные котлы.

Поскольку водотрубные котлы не содержат больших объемов воды, присущий им риск меньше, чем водотрубные котлы. Водотрубные котлы также намного более эффективны, что делает их предпочтительным выбором для интенсивных промышленных процессов.

Общие приложения котлов

Паровые котлы используются в большом количестве жилых, коммерческих и промышленных предприятий.

Котлы, предназначенные для бытового и коммерческого использования, обычно имеют самую низкую мощность. Они подходят для использования в небольших зданиях и сооружениях, не требующих большого количества пара.

Промышленные котлы могут обрабатывать широкий спектр промышленных процессов, требующих большей мощности. Вы можете найти промышленные котлы в различных местах, включая больницы, университетские городки, химические заводы, пивоварни, предприятия пищевой промышленности и производственные предприятия.На заводах по производству автомобилей пар используется для вулканизации резины для шин и других применений.

В производстве пищевых продуктов и пивоварении бесчисленные процессы требуют использования пара как при непосредственном производстве пищевых продуктов, так и при стерилизации оборудования и контейнеров. Высокотемпературный пар также используется для обеспечения безопасности пищевых продуктов за счет пастеризации.

Котлы против водонагревателей и печей

Котлы, водонагреватели и печи вырабатывают тепло, но они различаются по конструкции и функциям.Откроем различия:

• Котлы нагревают воду в резервуаре под давлением для создания пара. Многие объекты устанавливают давление пара, которое напрямую зависит от температуры пара, которую можно регулировать для широкого спектра коммерческих и промышленных применений. При использовании в домашних условиях для центрального отопления пар может эффективно распределяться по радиаторам для обогрева дома. Котлы различаются по сложности и конструкции в зависимости от их конкретного назначения.
• По сравнению с бойлерами, водонагреватели более просты.Их единственная функция — нагревать воду. Обычно вода хранится в резервуаре и нагревается с помощью нагревательных стержней. В качестве альтернативы, водонагреватели быстрого приготовления быстро нагревают воду без резервуара для хранения.
• Вместо нагрева воды печи нагревают воздух, циркулирующий в доме или здании. Топливо горит, чтобы нагреть теплообменник, который нагревает воздух, прежде чем он распределяется через ряд вентиляционных отверстий. Температура печи контролируется термостатом.

КПД котла

КПД котла напрямую влияет на стоимость эксплуатации котла в течение его срока службы.

Эффективность котла повышается за счет оптимизации способа использования котла. В конечном итоге, однако, конструкция котельной системы во многом определяет эффективность ее работы.

Функционально котлы можно рассматривать как теплообменные механизмы. Котел вырабатывает тепло и в конечном итоге передает это тепло воде — чем меньше тепловой энергии теряется в процессе, тем эффективнее котел.

Эффективность преобразования топлива в пар в сравнении с эффективностью при эксплуатации

Двумя отраслевыми стандартами измерения эффективности являются эффективность преобразования топлива в пар и эффективность в процессе эксплуатации.Эффективность преобразования топлива в пар, также известная как годовая эффективность использования топлива (AFUE), измеряет эффективность сгорания. То есть какой процент энергии превращается в пар. Ограничение эффективности преобразования топлива в пар состоит в том, что она дает вам возможность измерить эффективность только тогда, когда котел работает на полную мощность. Фактически, большинство котлов не всегда работают на полную мощность. Вот почему важно учитывать эффективность эксплуатации, которая относится к общей эффективности котла при его повседневной работе.

Коэффициент диапазона изменения котла

Еще одним важным показателем эксплуатационной эффективности является динамический диапазон котла. Бойлеры с высоким диапазоном изменения диапазона обеспечивают гибкость и способность производить меньшее количество пара, чем максимальная мощность. Это позволяет предприятиям отклоняться от максимальной паропроизводительности и экономить ресурсы, уменьшая мощность котла, чтобы эффективно соответствовать потребностям предприятия в подаче пара.

Рейтинг NOx

NOx — это общий термин для группы оксидов азота, ответственных за смог и загрязнение воздуха (оксид азота и диоксид азота).Любая форма сгорания может привести к выбросам NOx. Поскольку котлы сжигают топливо для производства тепла, образуются NOx. Выбросы NOx регулируются, поскольку они могут нанести вред здоровью человека и окружающей среде.

Котлы Miura производят меньше NOx за счет снижения температуры пламени. С повышением температуры происходит образование NOx.

Самые эффективные котлы

Традиционным котлам с дымовыми трубами может потребоваться много времени, чтобы нагреться и начать генерировать пар, при этом потребляя при этом большое количество топлива.В отличие от водогрейных котлов водотрубные котлы более эффективны, поскольку пониженное содержание воды означает, что меньше энергии используется для нагрева системы в начале работы.

Для большей эффективности рассмотрите модульную котельную систему. Вместо одного массивного котла модульные котельные системы представляют собой группу небольших котлов, которые работают вместе, чтобы точно удовлетворить ваши потребности в паре.

По сути, каждый котел в модульной котельной системе работает независимо. Независимые котлы объединяются в единую систему с одним главным контроллером, который включает или выключает их по мере необходимости для удовлетворения спроса.Все модули могут работать одновременно, или отдельные модули могут быть выключены и быстро перезапущены по мере необходимости. Это означает, что вы производите пар только тогда, когда он вам нужен.

В Miura America мы специализируемся на модульных водотрубных котельных. Преимущества использования котельной системы Miura:

• Каждый модуль запускается менее чем за пять минут, что делает систему более гибкой и теплоэффективной.
• Модульные котельные меньшего размера занимают меньше площади.
• Вы можете чередовать использование отдельных блоков, чтобы уменьшить износ.
• Операторы могут отключать отдельные котлы, когда они не нужны для экономии топлива.
• Если один блок перестает работать, остальные продолжают работать. Меньше шансов простоя.
• Система полностью масштабируема. При необходимости вы можете добавить больше единиц.

Безопасность котла

На заре паровой энергетики котлы были нестабильными и не всегда надежно сконструированными. Взрывы котлов были обычным явлением, приводя к травмам и даже смерти.

Сегодня при проектировании котлов соблюдаются строгие правила техники безопасности при производстве и использовании котлов. Давайте рассмотрим краткую историю безопасности котла и определим самый безопасный вариант котла, доступный в настоящее время.

Безопасность котлов на протяжении десятилетий

Самые ранние взрывы котлов были вызваны поломкой частей сосуда высокого давления из-за коррозии или плохого качества сборки.

Переломный момент в регулировании котлов наступил после катастрофы на обувной фабрике Гровера в 1905 году.Котел, расположенный на обувной фабрике RB Grover в Броктоне, штат Массачусетс, взорвался, что привело к многочисленным травмам и человеческим жертвам.

В течение десятилетий, предшествовавших катастрофе, не существовало надежных инструкций по эксплуатации котлов, а инспекции промышленной безопасности проводились редко. В результате произошли тысячи взрывов котлов.

После успешной кампании Американского общества инженеров-механиков (ASME) по убеждению промышленников в необходимости регулирования, Массачусетс в 1907 году принял закон, регулирующий использование котлов.Эти государственные законы в конечном итоге послужат основой для национального кодекса безопасности.

Первый свод правил ASME по котлам и сосудам под давлением был опубликован в 1915 году. Сегодня ASME выпустило 28 книг, охватывающих широкий спектр эксплуатационных вопросов и насчитывающих десятки тысяч страниц.

Самые безопасные современные котлы практически исключают возможность катастрофического отказа, создавая гораздо более безопасную рабочую среду.

Итак, какой самый безопасный котел на рынке?

Современные котлы имеют прочную конструкцию с дополнительными функциями для предотвращения коррозии и повреждений, которые могут вызвать проблемы с безопасностью.Эффективный мониторинг и надежные меры безопасности необходимы для обеспечения постоянной безопасности, особенно в коммерческих и промышленных применениях.

С точки зрения конструкции котла самым безопасным типом котла является водотрубный котел, так как он рассчитан на работу с меньшим объемом воды, чем водогрейный котел. Кроме того, если водотрубный котел выходит из строя, этот отказ будет локализован внутри труб, а не взорвется наружу, как отказ водотрубного котла.

также должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать вероятность теплового удара или даже исключить его.Термический шок возникает, когда холодная вода поступает в бойлер и вступает в реакцию с чрезвычайно горячей водой, уже находящейся в бойлере. Последующее быстрое сжатие и расширение компонентов может привести к катастрофическому отказу. Некоторые меры могут быть приняты для снижения вероятности теплового удара (например, сокращение суточных рабочих циклов). Тем не менее, в идеале котел должен быть спроектирован так, чтобы при любых условиях не происходило теплового удара.

Техническое обслуживание и мониторинг котла

Эффективный мониторинг и обслуживание котлов до того, как возникнут какие-либо проблемы, помогут обеспечить безопасность и производительность вашего предприятия.

Химическая очистка воды

Химическая обработка воды используется для уменьшения содержания растворенного кислорода в воде или обработки металлических поверхностей для предотвращения разрушения. Использование этих методов обработки позволяет контролировать pH, предотвращать образование накипи, уменьшать количество коррозионных ионов и обеспечивать надежную работу котла.

Смягчители воды

Умягчители воды удаляют твердые металлы (особенно кальций и магний) из воды, используемой в бойлере. Жесткая вода может вызвать накопление накипи и со временем повредить компоненты котла.

Контроллеры и системы мониторинга

Современные контроллеры котлов включают в себя сложные средства диагностики, которые помогают пользователям определять потенциальные проблемы до того, как они перерастут в серьезные. Комплексные системы мониторинга могут предоставить аналитику по всему, от текущего давления пара до жесткости воды.

Подробнее о паровых котлах

Для получения более информативной информации о паровых котлах подпишитесь на нашу рассылку новостей или свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о наших модульных системах водотрубных котлов.

Особенности разработки и поддержания водно-химического режима паровых котлов низкого давления с использованием мембранных технологий

Иван Тихонов

Водно-химический режим (ВХР) паровых котлов должен обеспечивать эффективную и надежную работу котельной. Фактически это достигается созданием условий, исключающих возможные процессы образования накипи или различных коррозионных повреждений оборудования и трубопроводов.Эти условия создаются с помощью систем водоподготовки, а также организацией правильной работы парового котла и термического деаэратора.

20 лет назад основной технологией очистки воды, которая применялась в паровых котлах низкого давления, была ионообменная технология. Технология Na-умягчения получила наибольшее распространение благодаря простоте эксплуатации, невысокой стоимости оборудования и доступности реагентов. Умягченная Na вода потенциально содержит большое количество щелочи и эффективно противодействует коррозии углекислого газа при кипении, что благоприятно сказывается на работе паровых котлов.В то же время данная технология имеет ряд существенных недостатков. Существует большое количество высокоминерализованных сточных вод, и умягчение не снижает, а лишь немного увеличивает количество соли в воде. Также широко распространены технологии ионного обмена H — OH. Но эти технологии довольно сложны в эксплуатации, требуют использования чрезвычайно опасных реагентов и образуют большое количество агрессивных сточных вод. Эти технологии можно использовать только в достаточно больших котлах с квалифицированным обслуживающим персоналом и собственной лабораторией.Забегая вперед, скажу, что, на мой взгляд, на практике использование H-OH ионообменных технологий для паровых котлов низкого и среднего давления в качестве основного этапа водоподготовки не оправдано и должно быть заменено на воду обратного осмоса. технология опреснения.

Этого нельзя сказать о Na – умягчении. Как уже упоминалось, вода, умягченная Na, потенциально может образовывать щелочь, но она содержит большое количество соли и способствует образованию большого количества углекислого газа в паре, который получается из такой воды.Однако до появления технологии опреснения обратным осмосом многие считали и до сих пор считают, что умягчение Na-водой для паровых котлов низкого давления является почти идеальной технологией. Такой подход требует согласования с некоторыми серьезными недостатками данной технологии, такими как чрезвычайно высокая коррозионная активность пара и конденсата и высокая величина непрерывной продувки парового котла. Последнее условие требует утилизации вторичного пара и охлаждения и утилизации достаточно большого количества котловой воды, что значительно усложняет тепловую схему котельной.Таким образом, необходимо быть готовым к высокой коррозионной активности конденсата, периодическим расходам на замену или ремонт оборудования и трубопроводов пароконденсатного трубопровода.

Здесь следует отметить, что автор рассматривает современную паровую котельную низкого давления как имеющую наиболее простую и надежную тепловую схему, с практически полной автоматизацией, при этом имея высокий КПД и, соответственно, минимально возможную стоимость производимого пара (тепла). ).

Надо сказать, что каждая котельная индивидуальна, как отпечатки пальцев человека.И эта индивидуальность определяется в первую очередь составом исходной воды, а также технологическими особенностями использования пара и возврата конденсата. То есть индивидуальность определяется физико-химическими изменениями воды в результате предварительной обработки, кипячения, условий конденсации, условий возврата конденсата и т. Д. Таким образом, котельные, работающие на одном составе и источнике воды, но с разными схемы возврата конденсата или без возврата конденсата имеют разные показатели водно-химического режима и сталкиваются с разными проблемами в процессе эксплуатации.Этот факт следует учитывать при внедрении новых технологий водоподготовки в структуру водоочистных сооружений котельной и не следует довольствоваться только соответствием подготовленной воды требованиям нормативных документов, разработанных в древности, в России. которые такие технологии не предназначены для использования. Таким образом, при внедрении новой технологии очистки воды необходимо определить возможное влияние подготовленной воды на всю котельную, включая систему возврата конденсата.

В данной статье будет предпринята попытка определить место обратноосмотической технологии обессоливания воды в составе БВС парового котла, а также показать достоинства и недостатки эксплуатации аналогичных БВС.

Последние 20 лет активно развиваются технологии опреснения воды обратным осмосом. Это связано с изобретением рулонных мембранных элементов с тангенциальной фильтрацией воды. Эта технология имеет неоспоримые преимущества перед ионообменными технологиями, но также имеет ряд недостатков.Прежде всего, образуется большое количество сточных вод. Классический подход к эксплуатации таких систем гласит, что для получения одного кубометра деминерализованной воды в канализацию необходимо сбросить 0,4-0,5 м3 концентрата. Кроме того, если водоподготовка парового котла имеет только осмотическую установку и исходная вода не содержит ионов Na + K, в этом случае даже при соблюдении условия жесткость питательной воды не более 0,02 мг- экв / л, будет наблюдаться чрезвычайно высокая коррозия парового котла.Если не предпринять никаких корректирующих действий, котел потребует капитального ремонта в кратчайшие сроки. Более подробно механизм этого процесса будет рассмотрен ниже. Но можно сказать, что к недостаткам осмотических систем также можно отнести определенные трудности в понимании места этих систем в структуре ВКМ котла по сравнению с достаточно хорошо изученной технологией Na-умягчения.

Рассмотрим паровой котел низкого давления, использующий только Na-умягчение подпиточной воды.Это самый распространенный WCM.

Основные параметры качества питательной воды для паровых котлов низкого давления:

— прозрачность, см

— жесткость общая, мг-экв / л

— значение pH

— растворенный кислород, мг / л (ppm)

— железо общее, мг / л (ppm)

— кремнезем, мг / л (ppm)

— соленость, мг / л (ppm)

— щелочность общая, мг-экв / л

Прозрачность воды — параметр, количественно характеризующий количество взвешенных и органических веществ в воде.Стандартный параметр для этого значения обычно достигается путем фильтрации воды через зернистую загрузку.

Общая жесткость воды характеризует склонность воды к образованию твердого осадка (накипи). Поддержание нормативов общей жесткости питательной воды ниже 0,02 мг-экв / л исключает образование твердых отложений в котле.

Значение pH — это параметр, определяющий наличие свободной двуокиси углерода в воде или присутствие бикарбонатов, карбонатов или гидроксил-иона.Значение pH питательной воды должно быть более 8,5.

Растворенный кислород в питательной воде способствует коррозии питающего тракта котла, котла и тракта конденсата пара. Эта коррозия происходит при кислородной деполяризации. Содержание растворенного кислорода в питательной воде должно быть менее 50 мкг / л (ppb).

Общее количество железа в питательной воде должно быть ниже 0,5 мг / л. Железо не образует твердых отложений в котле, но при высоких значениях pH котловая вода коагулируется в котловой воде (особенно при наличии органических веществ и высокой скорости испарения) и вызывает засорение измерительных электродов, стекол контроля уровня и непрерывную продувку. линия в котле.

Количество кремнезема в питательной воде паровых котлов низкого давления напрямую российскими стандартами не регламентируется, но указано, что отношение каустической соды к кремниевой кислоте в котловой воде должно быть 1,5. Поскольку присутствие гидроксил-иона в котловой воде (pH котловой воды более 10,3) поддерживает кремний в ионизированном состоянии и не допускает образования твердых отложений кремниевой кислоты. При этом значении pH образуется тальк.

Для солености и общей щелочности воды нет специальных нормативов.Эти значения определяются двумя параметрами. Это относительная щелочность питательной воды и величина непрерывной продувки парового котла.

Некоторые производители котлов также указывают в инструкции по эксплуатации, что содержание связанной двуокиси углерода в воде должно быть менее 25 мг / л [1]. Это означает, что общая щелочность питательной воды не должна превышать 0,6 мг-экв / л.

Для примера рассмотрим WCM парового котла низкого давления. В качестве источника водоснабжения используется вода из поверхностного источника.

Исходная (подпиточная) вода должна быть предварительно профильтрована через гранулированную загрузку для соответствия требованиям прозрачности. Современные зернистые загрузки могут обеспечить степень фильтрации до 20 микрон, что означает, что все частицы размером более 20 микрон будут удалены из воды. Таким образом, в воде останутся все органические вещества, которые распадаются в котле и могут вызвать образование накипи и пенообразование в котловой воде. Однако коагуляция воды для котлов низкого давления не предусмотрена из-за сложности процесса.

Затем осветленная (подпиточная) вода пропускается через установку Na-умягчения. Проходя через ионообменник, двухвалентные ионы Ca и Mg заменяются одновалентным ионом Na. Количество ионов в этом процессе не меняется, но ионы жесткости, вызывающие образование накипи в котле, заменяются ионами натрия. При этом анионный состав воды не меняется. Соответственно, после установки Na – умягчения ионный состав воды будет состоять из бикарбоната натрия, хлорида натрия и сульфата натрия.

Значение pH воды сразу после умягчения Na не меняется, потому что соотношение между бикарбонат-ионом и свободным диоксидом углерода не меняется.

Для получения воды глубокой умягчения Na-умягчение воды проводится в два этапа.

Далее умягченная (подпиточная) вода направляется в колонну термического деаэратора. В деаэраторной колонне из подпиточной воды удаляются кислород и свободный углекислый газ. От эффективности этого процесса фактически зависит эффективность всей котельной.Дело в том, что значение pH воды определяется соотношением разных форм угольной кислоты. В деаэраторной колонне свободный диоксид углерода удаляется, но бикарбонат-ион (связанная с ним форма диоксида углерода) остается. В результате соотношение бикарбонат-иона и свободного углекислого газа увеличивается, а pH воды увеличивается и при правильной работе деаэраторной колонны pH воды достигает 8,4-8,5. Таким образом, в деаэрированной воде не должно быть не только кислорода, но и свободной углекислоты.

В случае возврата конденсата подпиточная вода смешивается с конденсатом в деаэраторной колонне. Эта вода является питательной для парового котла. Возвращаемый конденсат также должен соответствовать требованиям к питательной воде.

Питательная вода, попадая в котел, начинает испаряться. В результате содержание солей в котловой воде постоянно увеличивается. Часть котловой воды удаляется путем непрерывной и периодической продувки, тем самым поддерживая соленость котловой воды на уровне не более 3000 мг / л.Требуется, чтобы непрерывная продувка парового котла не превышала 10% его паропроизводительности. Это означает, что соленость питательной воды не должна превышать 300 мг / л. Если соленость подпиточной воды после умягчения натрием превышает 300 мг / л, необходимо предусмотреть опреснительную установку как часть системы водоподготовки. Если питательная вода с соленостью более 300 мг / л смешивается с конденсатом для получения питательной воды с соленостью менее 300 мг / л, такая вода может подаваться в паровой котел и не требуется снижать соленость. подпиточной воды.

На самом деле такой WCM довольно неэффективен и несовершенный, но используется повсеместно из-за простоты и дешевизны используемых технологий.

Дело в том, что такой WCM не учитывает такой параметр, как связанный углекислый газ. Связанный диоксид углерода (ион бикарбоната) в питательной воде переходит в свободный диоксид углерода в котле и уносится с паром, а затем переходит в конденсат. Диоксид углерода в свободной форме в конденсате вызывает активную коррозию пароконденсатного тракта и оборудования.Возвратный конденсат содержит большое количество растворенного железа до 2 и более мг / л. Для котлов низкого давления с учетом стоимости и сложности процесса очистка конденсата не предусмотрена. Использование аммиака в паре для связывания диоксида углерода в бикарбонат (тем самым снижая коррозионные свойства конденсата) в подавляющем большинстве случаев для паровых технологических котлов низкого давления неприменимо. Соответственно, железо из конденсата с питательной водой поступает в котел, где испаряется и выпадает в осадок.Эксплуатация котла с таким ВСМ вызывает значительные затруднения, связанные с постоянными отключениями измерительных электродов, стаканов контроля уровня, перекрытием питающей и продувочной магистралей котла и т. Д.

Связанный диоксид углерода (ион бикарбоната) должен учитываться в требованиях к питательной воде, и его значение в питательной воде должно быть не более 0,6 мг-экв / л. Для этого требуется либо большая часть возвратного конденсата, либо применение технологии для снижения щелочности подпиточной воды.Для этого можно использовать катион воды. Но практика показала, что работа таких устройств в паровых котлах низкого давления практически невозможна. Это требует тщательного контроля за такими установками и высока вероятность коррозионного повреждения котла и питающего тракта.

Таким образом, преимущества WCM с Na – умягчением можно отнести к простоте и дешевизне обработки, а к недостаткам можно отнести образование большого количества соленых сточных вод, значительные потери тепла при продувке котла. , значительная коррозия оборудования и трубопроводов пароконденсатного трубопровода.

WCM котла с опреснением воды по технологии обратного осмоса практически не имеет этих недостатков. Эта технология позволяет удалять соли из подпиточной воды без использования химического превращения растворенного вещества в воде. По сути, это физический метод обессоливания воды. Основным недостатком процесса обратного осмоса опреснения является образование большого количества слабоминерализованных сточных вод. Фактически, исходная вода с помощью полупроницаемой мембраны разделяется на 2 потока.Один поток — это пермеат, а другой — концентрат. Пермеат — обессоленная вода, концентрат — вода с высокой соленостью, сбрасываемая в канализацию. Процесс опреснения воды обратным осмосом обеспечивает практически полное отсутствие солей в пермеате, т.е. е. пермеат имеет соленость около 1-5% от исходной солености. В результате соленость пермеата составляет в среднем от 5 до 20 мг / л и, что особенно важно, количество бикарбонат-иона в пермеате составляет от 0.05 до 0,3 мг-экв / л. Таким образом, обратный осмос обеспечивает практически полное отсутствие потерь тепла при непрерывной продувке котла при любой доле возврата конденсата, а также минимальном количестве углекислого газа в паре и конденсате. Тем не менее, необходимо понимать, какие технологические особенности будут присутствовать в WCM котельной при использовании систем обратного осмоса.

Первый опыт автора по эксплуатации обратного осмоса в паровой котельной оказался неудачным, но показал, как организовать технологическую схему водоподготовки в будущем.Дело в том, что при реконструкции паровой котельной с котлами ДЕ и ДКВР предполагалось заменить Na-умягчение воды на обратное осмотическое опреснение воды. Произведена замена, и через полгода паровой котел ДЕ 6.5-14 потребовал капитального ремонта. В трубном пучке котла обнаружены многочисленные дыры. Чтобы понять, чем вызвана такая активная коррозия котла, необходимо понять, как свободная углекислота и кислород ведут себя в воде на каждом этапе водоподготовки.

Надо сказать, что деаэрации воды в котельной не было. Вода после опреснения обратным осмосом направлялась в резервуар для хранения воды с барботированием пара. Деаэраторная колонка на баке отсутствовала. Температура воды в баке поддерживалась на уровне 75-80 ° С, чтобы не допустить выхода из строя подающих насосов. Таким образом, весь свободный диоксид углерода и кислород из исходной воды перешел в резервуар для воды. В баке нет условий для эффективного удаления этих газов, и они попали в котел в количестве намного большем, чем нормативное.В котле была сильная углекислотная и кислородная коррозия. Но возникает вопрос, почему до установки обратного осмоса котел проработал 8 лет на Na-умягчении и не нуждался в ремонте в тех же условиях отсутствия надлежащей деаэрации. Дело в том, что вода, умягченная Na, увеличивает значение pH при условии удаления из воды углекислого газа (1). Чем интенсивнее отгонка углекислого газа, тем выше становится значение pH из-за образования NaOH.Это условие полностью исключает возникновение углекислотной коррозии в котле и частично снижает кислородную коррозию.

NaHCO ₃ NaOH + CO ₂ ^газ (1)

Как можно видеть, бикарбонат натрия в питательной воде превращается в едкий натр и повышает pH котловой воды.

Если для очистки воды используется только система опреснения обратным осмосом, формальное значение жесткости пермеата может быть менее 0,02 мг-экв / л, но в такой воде практически не будет бикарбоната натрия, будет присутствовать только бикарбонат кальция.Когда такая вода кипит, значение pH котловой воды не будет выше 8,5. Гидроксильный ион не образуется (2).

Ca (HCO ₃ ) ₂ CaCO _{3 (осадки)} + H ₂ CO ₃ (2)

Как видно, бикарбонат кальция осаждается в виде карбоната кальция с образованием растворенной формы диоксида углерода в котле. Свободный углекислый газ удаляется паром, но pH котловой воды не поднимается выше 8.5 — 8,8. Когда в котел поступает питательная вода с низким pH, при высоких температурах происходит интенсивная углекислотная коррозия котла. Поскольку в котловой воде нет гидратов, связывающих диоксид углерода, поступающий из питательной воды, в бикарбонат (уравнение 1).

Проще говоря, для правильной WCM котла необходимо, чтобы питательная вода содержала бикарбонат натрия. Количество бикарбоната натрия (A _{, подача} , мг-экв / л) должно соответствовать количеству соли в исходной воде (S _{, подача} , мг / л).Отношение бикарбоната к минерализации питательной воды называется относительной щелочностью питательной воды (A _raf ,%).

A _raf = 40 * A _подача * 100 / S _подача ,% (3)

Если относительная щелочность меньше 5%, происходит коррозия парового котла активной двуокисью углерода. Если относительная щелочность превышает 50%, может наблюдаться щелочная межкристаллитная коррозия котла.

Относительная щелочность питательной воды для описанного случая с котлом DE составляла 1.5%.

Можно сказать, что обратное осмосное опреснение воды в конструкции паровых котлов низкого давления следует применять в сочетании с Na-умягчением. То есть опреснение обратным осмосом не является полной заменой Na — умягчения для котлов низкого давления.

При работе по комбинированной схеме водоподготовки (обратный осмос + умягчение) величина относительной щелочности будет такой же (примерно от 15 до 40%), как при работе только на умягчении. То есть значение относительной щелочности будет оптимальным, а вода имеет низкую соленость, что значительно снижает количество продувки котла, при этом повышается качество пара и конденсата.

Для котлов высокого давления, требующих подпитки деминерализованной водой, вполне применима технология двухступенчатого осмоса с последующей коррекцией пермеата.

Сделаем небольшое отступление. Если в качестве источника воды для котельной использовать артезианскую скважину, то эта вода, скорее всего, будет содержать натрий и калий, а также кальций и магний. Это позволит использовать для очистки воды только обратный осмос, если мембрана будет обеспечивать стандартное значение жесткости ниже 0.02 мг-экв / л. Но на практике трудно достичь такого низкого значения жесткости на одной стадии осмоса, и необходимо использовать Na-умягчение, по крайней мере, для смягчения пермеата.

В своей практике я использовал обратное осмосное опреснение воды без Na — умягчения для небольшого парогенератора (0,5 т / ч), работающего на артезианской воде. Из-за объективной невозможности организации сложной системы водоподготовки и отсутствия обслуживающего персонала в парогенераторе было решено использовать только автоматизированную установку обратного осмоса.Вода имела следующий состав: соленость около 650 мг / л, жесткость около 7 мг-экв / л, щелочность-6,0 мг-экв / л, pH-7,8 и содержание кислорода около 3,5 мг / л. Возврат конденсата отсутствовал. Использование только Na-умягчения в этом случае было невозможно. В результате работы осмоса была получена следующая ВКМ парогенератора. Осмотическая вода (пермеат) имела следующий состав: соленость 11 мг / л, жесткость около 0,05-0,06 мг-экв / л, pH 6,2-6,3. Поскольку деаэратор не был предусмотрен, а его установка была объективно невозможна, я настоятельно рекомендовал добавить каустическую соду в емкость для пермеата.Делать это было некому и, соответственно, этого не делали. Тем не менее, после двухнедельной работы парогенератора на осмотической воде из исходной артезианской воды значение pH котловой воды сохранялось на уровне 9,8-10,5. Питающие трубы парогенератора и резервуар пермеата изготовлены из полимерного материала и не подвержены коррозии. В течение первых нескольких дней во время продувки контрольных стекол было обнаружено очень большое количество железа, что свидетельствовало о значительной коррозии котла.Но как только pH котловой воды повысился до 10,3, активные коррозионные процессы прекратились. В настоящее время этот котел эксплуатируется более 5 лет. Несмотря на то, что его «предшественник», работавший без водоподготовки, примерно раз в месяц полностью забивался карбонатом кальция и требовал постоянного кипячения лимонной кислотой, не говоря уже об огромных перерасходах газа. Тем не менее, полученный WCM не является нормативным и существует вероятность сквозной коррозии тепловой трубы и выхода из строя парогенератора до истечения указанного срока службы.

Необходимо учесть еще один момент, связанный с работой систем опреснения обратным осмосом: почему пермеат имеет низкий pH и как он влияет на WCM котельной.

При фильтрации воды через полупроницаемую мембрану растворенные в воде ионы практически не проходят через мембрану, поскольку находятся в гидратированном состоянии, т.е. имеют связь с молекулами воды. В результате диаметр гидратированного иона больше диаметра пор в мембране, с учетом связанного слоя воды на поверхности мембраны, гидратированный ион не переносится через мембрану и остается в ней. концентрат.Растворенные газы свободно проходят через мембрану, поскольку они не имеют заряда и не подвергаются гидратации водой. Размер молекулы газа меньше размера поры в мембране. Таким образом, пермеат содержит такое же количество диоксида углерода, что и исходная вода, а количество бикарбонат-иона значительно меньше (около 1-5% от исходного количества бикарбоната). В физическом смысле мы можем сказать, что ион бикарбоната — это щелочной остаток от растворения угольной кислоты.Соответственно, если мы удалим щелочной компонент из-за фильтрации, оставив кислый (углекислый газ проходит через мембрану), в этом случае pH пермеата значительно снизится. Это хорошо показывает уравнение Хендерсона-Хассельбалха для диссоциации угольной кислоты H ₂ CO ₃ H + НCO ₃

(4)

Например, если количество бикарбоната в исходной воде составляет 2,0 ммоль / л, в пермеате 0,12 ммоль / л, количество диоксида углерода в исходной воде составляет 10 мг / л (0.227 ммоль / л) значение pH пермеата можно рассчитать по формуле (4).

Значение pH исходной воды:

Как видите, пермеат имеет низкий pH из-за уменьшения количества бикарбоната и постоянного количества угольной кислоты. Общее количество связанной угольной кислоты в виде бикарбонат-иона уменьшилось с 2 ммоль / л до 0,12 ммоль / л. Это означает, что пар и конденсат будут содержать примерно на 95% меньше углекислого газа, чем при использовании только установки умягчения Na.Это важное преимущество использования осмотических систем в WCM котлов.

Тогда нужно только избегать углекислотной коррозии питающего тракта парового котла. Для этого осмотическая вода должна быть направлена ​​в деаэраторную колонну для удаления углекислого газа и кислорода. При этом термический деаэратор должен работать исправно, а не только как резервуар для хранения воды.

Если значение pH деаэрированной воды меньше 8,4-8,5, необходимо выяснить причины этого, а не начинать дозирование каустической соды в деаэрированную воду.Каустическая сода свяжет свободный углекислый газ в бикарбонат, который в котле превратится в углекислый газ и уйдет с паром.

Причинами низкого pH деаэрированной воды могут быть:

• Недостаточный подогрев подпиточной воды перед деаэраторной колонкой;
• Недостаточный поток пара на зеркало;
• Недостаточная подача пара на барботаж;
• возврат конденсата не в деаэрационную колонну и деаэраторный бак;
• расход очищенной воды через деаэраторную колонну больше проектного.

Зная особенности систем обратного осмоса опреснения воды, мы можем предложить две концепции их применения в составе ВКМ паровых котлов низкого давления.

В первой схеме исходная вода проходит через фильтр осветления, затем поступает в установку ионообменной установки, а затем умягченная вода подается на опреснение обратным осмосом. После осмоса пермеат поступает в термический деаэратор (рис.1).

Во второй схеме исходная вода, проходя через фильтр осветления, сразу направляется на обратноосмотическое обессоливание, затем пермеат поступает в установку Na – умягчения.После умягчения вода поступает в термический деаэратор (рис. 2). Этот вариант требует дополнительного резервуара и насосной станции.

В обеих схемах полученный состав подпиточной воды полностью соответствует требованиям стандартов и позволяет проводить ВКМ котла с минимальным содержанием углекислого газа в конденсате и очень низкими тепловыми потерями при продувке котла.

Однако эти две схемы принципиально отличаются по организации работы системы обратного осмоса.

В первой схеме идет предварительное умягчение воды. Ионы, образующие накипь, извлекаются из воды. Соответственно, практически полностью исключено образование отложений карбоната кальция на мембране. Это условие может значительно снизить количество концентрата, выгружаемого из установки обратного осмоса. Количество концентрата может составлять всего 10% от количества исходной воды. В этом случае необходимо убедиться в отсутствии в исходной воде коагулянтов.Так что содержание железа в исходной воде должно быть не более 0,05 мг / л. Главный недостаток первого варианта — большой расход соли на регенерацию умягчителя.

Во второй схеме исходная вода, обычно в состоянии равновесия диоксида углерода, начнет концентрироваться в мембране за счет солей, которые немедленно увеличивают концентрацию бикарбоната кальция без увеличения концентрации диоксида углерода. Соответственно, на мембране начнет образовываться твердый осадок карбоната кальция.Это обстоятельство требует применения ингибиторов седиментации. Стоит сказать, что качественные ингибиторы довольно дороги. В этом случае в любом случае сброс концентрата составит не менее 25% от количества исходной воды. Главное преимущество второго варианта — это минимальные затраты соли при эксплуатации умягчителя в качестве корректирующей ступени. Вторая схема также применима, если исходная вода имеет высокую жесткость и относительно низкую щелочность. В этом случае будут большие затраты, связанные с умягчением.Более эффективно использовать дозировку соляной кислоты для разрушения карбонатов перед осмосом. Это обеспечит отсутствие отложений на мембране. В этом случае необходимо будет предусмотреть этап обезуглероживания пермеата. Для этого можно использовать мембранный контактор.

Эффективность первой схемы можно повысить, если использовать не дорогую таблетированную соль, а техническую соль (галит) для регенерации блока умягчения. Это требует простого технического решения для предварительной фильтрации полученного насыщенного солевого раствора. Артикул: Иван Тихонов — Использование технической соли (минерального галита) в технологии регенерации современных автоматических Na-умягчающих фильтров www.tiwater.info. В этом случае стоимость технической соли будет соизмерима со стоимостью ингибитора седиментации. Кроме того, система по первой схеме гораздо более вариативна и имеет ряд существенных преимуществ, о которых рассказывается в отдельной статье. Артикул: Иван Тихонов — Дегазация воды с помощью обратноосмотических мембран tiwater.Информация.

Необходимо учитывать тот факт, что при подаче подпиточной воды (пермеата) непосредственно в деаэратор после осмоса в линии подпитки перед деаэратором может возникнуть избыточное противодавление (до 2 бар). В этих условиях для поддержания пропускной способности установки обессоливания по пермеату необходимо обеспечить резерв по давлению воды на входе в установку обессоливания. Необходимо выбрать более мощный насос, чтобы компенсировать противодавление и поддерживать производительность по пермеату.

В любом случае, как уже было сказано выше, каждый котел достаточно индивидуален и в каждом конкретном случае требует тщательного анализа всех факторов и выбора наиболее оптимального варианта. В то же время использование опреснения обратным осмосом совместно с Na-умягчением в различных вариантах их сочетания представляется наиболее применимой современной технологией водоподготовки в составе МОУ паровой котельной низкого давления.

Заключение:

1. Использование обратноосмотической технологии опреснения воды в конструкции паровых котлов позволяет обеспечить эффективную и безаварийную работу ВКМ котельной, и такая ВКМ имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с использованием только технологии Na-умягчения. .
2. Обратноосмотическая технология обессоливания воды в составе ВКМ паровых котлов низкого давления не является конкурентом Na-умягчению. Эти технологии должны работать вместе, чтобы обеспечить максимальную эффективность друг друга и всей WCM котельной.
3. Обратный осмос WCM котла неправильно сравнивается с Na — умягчением WCM. Технология Na-умягчения не обеспечивает ряд важных параметров для управления WCM котла.
4. Неправильное управление процессом термической деаэрации и обезуглероживания подпиточной воды при применении мембранной технологии может быть причиной коррозионных повреждений элементов питающего контура парового котла, а также быть причиной высокое содержание железа в котловой воде.
5. Использование щелочных реагентов для увеличения значения pH питательной воды может указывать на неправильную работу термического деаэратора.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Список литературы

1. Viessmann VITOMAX 200-HS Руководство по эксплуатации и обслуживанию

Справочник по воде — Ионный обмен и деминерализация воды

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов.Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами. Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы. Перегрев, вызванный накоплением накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам трубок, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям. Ионы жесткости, такие как кальций и магний, необходимо удалить из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для бойлера. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая диоксид углерода и кремнезем.Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники обменивают один ион на другой, временно удерживают его, а затем переводят в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в водопроводе заменяются более приемлемыми ионами. Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных смягчителях воды.Хотя алюмосиликатные материалы сегодня используются редко, термин «цеолитный пластификатор» обычно используется для описания любого процесса катионообмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен природным материалом под названием Greensand. Greensand имел более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его большая физическая стабильность делала его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество обменных ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора.Обычно он выражается в килограммах на кубический фут в виде карбоната кальция.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды из сульфированного угля, называемой углеродистым цеолитом, расширила применение ионного обмена до работы водородного цикла, что позволило снизить щелочность, а также жесткость.Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новую анионную смолу использовали с катионной смолой с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить из нее все растворенные соли) воду. Однако ранние аниониты были нестабильны и не могли удалять такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная кислоты.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации сшитого стирола с дивинилбензолом.Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы до сих пор используются в большинстве приложений для ионного обмена. Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы многими способами, чтобы соответствовать требованиям конкретных применений и обеспечить более длительный срок службы смолы.Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макроретикулярной или макропористой структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на Рисунке 8-1, имеют проницаемую мембранную структуру. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства приложений. Однако в некоторых случаях физическая прочность и химическая стойкость, необходимые для структуры смолы, превышают возможности типичной гелевой структуры. Макроретикулярные смолы имеют дискретные поры в матрице полистирол-дивинилбензол с высокой степенью сшивки.Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и окислительным агентам. Макроретикулярные анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. Помимо полистирол-дивинилбензольных смол (рис. 8-3), существуют более новые смолы с акриловой структурой, которая увеличивает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы.Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только одна из ионных разновидностей подвижна. Другая ионная группа присоединена к структуре гранул. На рис. 8-4 схематически изображен шарик сильнокислой катионообменной смолы, ионные центры которого состоят из неподвижных анионных (SO ₃ ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na ⁺ ). Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы.Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, прикрепленные к шарику смолы, определяют функциональную способность смолы. Смолы для промышленной водоочистки подразделяются на четыре основные категории:

• Сильный кислотный катион (SAC)
• Катион слабой кислоты (WAC)
• Сильный основной анион (SBA)
• Слабый основной анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты.Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие им основания. Эти смолы используются в большинстве приложений умягчения и полной деминерализации. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для дещелачивания, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

SAC получают свои функциональные возможности из групп сульфоновой кислоты (HSO ₃ ¯). При использовании в деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена обратима.Когда его емкость исчерпана, смолу можно регенерировать с избытком минеральной кислоты.

Сильные кислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий в качестве подвижного иона) для смягчения и в водородном цикле для декатионизации.

Катионообменные смолы со слабой кислотой получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть отработанную смолу WAC в регенерированную форму.Смолы WAC не могут удалить все катионы из большинства источников воды. Их главное достоинство — высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, требуемой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы утилизации.

Слабокислые катионные смолы используются в основном для умягчения и обезщелачивания жестких и щелочных вод, часто в сочетании с полировальными системами SAC с натриевым циклом.В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

SBA получают свои функциональные возможности из функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа четвертичных аммониевых групп, называемые типом I и типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой.Смола типа I имеет большую стабильность, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого регенерирующего химического вещества.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае катионных смол, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода, для возврата смолы в гидроксидную форму.

Слабая основная функциональность смолы происходит из первичных (R-NH ₂ ), вторичных (R-NHR ‘) или третичных (R-NR’ ₂ ) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, о чем свидетельствует следующая реакция:

НАТРИЙ ЦЕОЛИТ РАЗМЯГЧЕНИЕ

Умягчение цеолита натрия — наиболее широко применяемый вид ионного обмена. При умягчении цеолита вода, содержащая накипеобразующие ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме.В смоле ионы жесткости обмениваются с натрием, и натрий диффундирует в основной водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, может затем использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы размягчения цеолитов

Удаление жесткости с воды путем умягчения цеолита описывается следующей реакцией:

Вода из правильно эксплуатируемого цеолитового умягчителя почти не имеет определяемой жесткости.Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

На рис. 8-5 показан типичный профиль жесткости сточных вод цеолитового умягчителя в течение рабочего цикла. После последнего ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не исчерпается. При истощении резко возрастает жесткость сточных вод, и требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% -ным раствором хлорида натрия, и регенерацию проводят по следующему уравнению:

Во время регенерации используется большой избыток регенерирующего агента (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле).Элюированная жесткость удаляется из умягчителя в отработанном рассоле и путем промывки.

После регенерации в смоле остается небольшая остаточная твердость. Если смолу оставить в емкости с застоявшейся водой, некоторая жесткость будет распространяться в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, вытекающая из цеолитного умягчителя, может содержать жесткость, даже если она была недавно регенерирована. Через несколько минут протекания жесткость смывается из смягчителя, и очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от скорости потока умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В Таблице 8-1 показано влияние уровня регенерации на умягчающую способность гелеобразной сильной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается с увеличением дозировки регенерирующего агента, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Следовательно, эксплуатационные расходы умягчителя возрастают с увеличением уровня регенерации.Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение регенерирующей соли на 150% обеспечивает только 67% -ное увеличение рабочей емкости.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу.

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из резервуара для замены умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы.Обычно резервуар для умягчителя представляет собой вертикальный стальной резервуар высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на Рисунке 8-6. Основные характеристики умягчительного сосуда включают впускную систему распределения, свободное пространство над бортом, систему распределения регенерации, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора нижнего дренажа.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это предотвращает попадание воды в проточные каналы в слое смолы, что снизит производительность системы и качество сточных вод.Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора / ступицы с распределяющими боковыми / радиальными перегородками или простых перегородок, которые направляют поток воды равномерно по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на слой или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт позволяет смоле расширяться во время этапа регенерации с обратной промывкой без потери смолы.Он должен составлять минимум 50% объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерирующего агента обычно представляет собой систему, расположенную на стороне коллектора, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхом слоя смолы предотвращает разбавление регенерирующего агента водой в свободном пространстве. Это также сокращает количество воды и время, необходимое для вытеснения и быстрого ополаскивания. Распределитель регенератора должен быть прикреплен к конструкции резервуара, чтобы предотвратить поломку и последующее просачивание регенерирующего агента.

Вода смягчается слоем сильнокислой катионообменной смолы в натриевой форме. Необходимое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Для всех систем рекомендуется минимальная глубина станины 24 дюйма.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды для обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению смолой или ее потере.

Несмотря на то, что используются несколько конструкций нижнего дренажа, существует два основных типа — заполнитель и удерживающий смолу. Система подпитки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, гранулированного гравия или антрацита), которая поддерживает смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подпитки. Пока поддерживающие слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из емкости.Удерживающий смолу коллектор, такой как экранированный боковой фильтр или сетчатый фильтр из профильной проволоки, дороже, чем система подпитки, но защищает от потерь смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляют поток воды и регенерирующего агента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапанов включает в себя шесть основных клапанов: вход и выход для обслуживания, вход и выход для обратной промывки, вход для регенерации и слив для регенерации / промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды.В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многопортовый клапан. Когда клапан вращается в серии фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток так же, как и гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить эксплуатационные ошибки, вызванные открытием неправильного клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения порта.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли / измерения рассола и оборудования для контроля разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.Оборудование для растворения / измерения предназначено для обеспечения правильного количества концентрированного рассола (приблизительно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенной соли в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления наполнением и опорожнением бака подачи, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эдукционной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной концентрации регенератора (8-10% NaCl).Рассол также можно перекачивать из резервуара для концентрированной соли и смешивать с разбавляющей водой для обеспечения желаемой силы регенерации.

Работа умягчителя

Натриево-цеолитный умягчитель работает через два основных цикла: цикл обслуживания, в котором производится мягкая вода для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при ее исчерпании.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную систему распределения и протекает через слой.Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в основную воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и отводится. Поток технической воды в умягчитель должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить резкие скачки и частые операции включения-выключения.

Из-за требований к смоле и конструкции резервуаров операция умягчения наиболее эффективна при поддержании рабочего расхода от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при 15-20 галлонах в минуту / фут².Непрерывная работа сверх рекомендованных производителем пределов может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному снижению твердости и утечке твердости. Работа со скоростью потока ниже рекомендованной производителем также может отрицательно повлиять на характеристики умягчителя. При низких скоростях потока вода не распределяется в достаточной степени, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда умягчитель закончился, смолу необходимо регенерировать. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы.Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодический отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители до их исчерпания на основе заранее определенного периода времени или количества обработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Часто они работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие агрегаты находятся в эксплуатации.Это обеспечивает непрерывный поток мягкой воды. Перед вводом в эксплуатацию резервного смягчителя необходимо промыть устройство, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время выдержки.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленное ополаскивание) и быстрое ополаскивание.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды заставляет взвешенный материал накапливаться на слое смолы.Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через фильтрующее оборудование выше по потоку. На этапе обратной промывки удаляется накопленный материал и классифицируется слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из нижнего дренажного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы, а также классифицировать смолу. В соответствии с классификацией смолы более мелкие шарики располагаются наверху устройства, а более крупные шарики оседают на дно.Это улучшает распределение регенерирующего химического вещества и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сток из выпускного отверстия обратной промывки не станет прозрачным. Потока обратной промывки должно быть достаточно, чтобы увеличить объем слоя смолы на 50% или более, в зависимости от доступного надводного щита. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению постели и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока при обратной промывке обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячая среда) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует соблюдать рекомендации каждого производителя.Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения постели холодной водой требуется меньший поток, чем теплой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока корректировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки — это фильтрованная неочищенная вода. Вода, выходящая из выпускного отверстия для обратной промывки, не изменяется по химическому составу, но может содержать взвешенные твердые частицы. В целях экономии воды стоки обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтрующий поток для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий рассол. Поток рассола входит в установку через распределитель регенератора и течет вниз через слой смолы с медленной скоростью (обычно от 0,5 до 1 галлона в минуту на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через нижний дренаж и отправляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между рассолом и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола, крепость раствора во время подачи рассола должна составлять 10%.

Displacement (Медленная промывка). После введения регенерирующего рассола через систему распределения регенерирующего агента продолжается медленный поток воды. Этот поток воды вытесняет регенерирующий агент через слой с желаемой скоростью потока. Этап замещения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенерирующего агента с дном слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно такой же, как и при разбавлении концентрированного рассола.Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной, чтобы позволить примерно одному объему слоя смолы пройти через установку. Это создает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрая промывка. После завершения промывки вытеснением вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет оставшийся рассол, а также любую остаточную жесткость со слоя смолы. Скорость потока при быстрой промывке обычно составляет 1.5 и 2 галлона в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью использования умягчителя.

Изначально промывные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость смягчителя смывается перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель может быть возвращен в эксплуатацию, как только жесткость достигает заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока хлориды или проводимость сточных вод не приблизятся к уровням на входе. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время технического обслуживания.Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое ополаскивание, известное как техническое ополаскивание, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время ожидания.

ГОРЯЧЕЕ СМЯГЧЕНИЕ НА ЦЕОЛИТЕ

Цеолитные умягчители можно использовать для удаления остаточной жесткости в сточных водах, образующихся в результате горячей обработки извести или известково-содового умягчителя. Горячий технологический поток проходит через фильтры, а затем через слой сильнокислой катионитовой смолы в натриевой форме (рис. 8-7).Оборудование и работа умягчителя с горячим цеолитом идентичны умягчителю температуры окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и приборы должны быть пригодны для работы при высокой температуре (220-250 ° F). Стандартную прочную катионную смолу можно использовать при температурах до 270 ° F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после горячего умягчителя важно спроектировать систему так, чтобы исключить скачки потока в установке для горячей извести.Обычные конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для горячей извести и расширенных медленных промывок цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Области применения и преимущества

Образование накипи и отложений в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога при мойке создали большой спрос на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны удовлетворить этот спрос с экономической точки зрения, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов.Умягчение цеолита натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

• Обработанная вода имеет очень низкую склонность к образованию накипи, потому что умягчение цеолита снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
• проста в эксплуатации и надежна; автоматические и полуавтоматические регуляторы регенерации доступны по разумной цене
• соль недорогая и простая в обращении
• Отходы ила не образуются; как правило, утилизация отходов не проблема
• в определенных пределах, колебания расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
• , поскольку эффективная работа может быть достигнута в установках практически любого размера, пластификаторы на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок.

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают количество растворенной жесткости в воде, общее содержание твердых веществ, щелочность и диоксид кремния в воде остаются неизменными.Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой горячего смягчителя извести и соды. Заводы, которые заменили свои горячие умягчители только цеолитными умягчителями, столкнулись с проблемами, связанными с диоксидом кремния и уровнями щелочности в своих котлах.

Поскольку смола является очень эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия неэффективно работают с мутной водой. Продолжительная работа с входящей мутностью, превышающей 1,0 JTU, вызывает засорение слоя, короткие периоды обслуживания и низкое качество сточных вод.Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные источники воды перед использованием необходимо очистить и отфильтровать.

Смола может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе нормальной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными пластификаторами, правильная работа оборудования и тщательный контроль pH осветлителя необходимы для хороших характеристик пластификатора.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных водопроводов, является сильным окислителем и должен быть удален перед размягчением цеолита фильтрацией активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательных вод котлов высокого давления и многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. Помимо удаления жесткости, эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, кремнезем, щелочность и минеральные анионы (Cl, SO ₄ ²¯, NO ₃ ¯).

Деминерализация воды — это удаление практически всех неорганических солей посредством ионного обмена. В этом процессе сильнокислая катионная смола в водородной форме превращает растворенные соли в их соответствующие кислоты, а сильнокислая анионная смола в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, аналогичную по качеству дистилляционной, при более низкой стоимости большинства пресных вод.

Принципы деминерализации

Система деминерализатора состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают элемент сильного катиона кислоты и элемент сильного аниона основания.Катионная смола обменивает водород на катионы сырой воды, как показано следующими реакциями:

Показателем общей концентрации сильных кислот в сточных водах катионов является свободная минеральная кислотность (FMA). При типичном запуске службы содержимое FMA большую часть времени стабильно, как показано на рис. 8-8. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA из теплообменника была бы равна теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник.Количество утечки натрия зависит от уровня регенерации, скорости потока и соотношения натрия к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается с увеличением отношения натрия к общему количеству катионов.

Когда катионообменная установка близка к исчерпанию, FMA в сточных водах резко падает, указывая на то, что теплообменник следует вывести из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать кислотным раствором, который возвращает центры обмена в водородную форму.Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Для предотвращения этого случая серную кислоту обычно наносят с высокой скоростью потока (1 галлон / мин на квадратный фут смолы) и начальной концентрацией 2% или меньше. Концентрация кислоты постепенно увеличивается до 6-8% до полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота.Это требует использования специальных строительных материалов в системе регенерации. Как и в случае установки с натриевым цеолитом, требуется избыток регенерирующего агента (серной или соляной кислоты) до трех раз по сравнению с теоретической дозой.

Для завершения процесса деминерализации вода из блока катионов пропускается через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на высокоионизированные минеральные ионы, так и на более слабоионизированные угольные и кремниевые кислоты, как показано ниже:

Указанные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды.В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионных единиц — это натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионных единицах. Следовательно, pH стока двухслойной системы катион-анионного деминерализатора является слабощелочным. Каустик, образующийся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозировки регенерирующего агента.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет кремнезем, а также другие растворенные твердые вещества. Сточный диоксид кремния и проводимость являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. В конце быстрой промывки и диоксид кремния, и проводимость низкие, как показано на Рисунке 8-9.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко повышается. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает.Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормального рабочего цикла большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид больше не доступен, а натрий из катионита превращается в силикат натрия, который имеет гораздо меньшую проводимость, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионной смолы проникают более проводящие минеральные ионы, вызывая последующее увеличение проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора необходимо немедленно вывести установку из эксплуатации. Если деминерализатору разрешено оставаться в эксплуатации после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрирования кремнезема в анионной смоле во время рабочего цикла.

Аниониты с сильным основанием регенерируются 4% -ным раствором гидроксида натрия. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации.Для улучшения удаления диоксида кремния из слоя смолы регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120 ° F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление кремнезема также улучшается за счет стадии предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплого каустика.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионо-анионной деминерализации, аналогично тому, которое используется при умягчении цеолита. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионно-стойких материалов (или покрыты ими).Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации деминерализаторов являются более сложными, чтобы учесть такие улучшения, как ступенчатая регенерация кислоты и теплой щелочи.

Деминерализаторы действуют аналогично цеолитным пластификаторам. Нормы расхода для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с некоторыми видами воды.Анионная смола намного легче катионной. Следовательно, скорости потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионных смол, и на расширение анионной смолы влияет температура воды больше, чем на расширение катионита. Вода, используемая на каждой стадии регенерации анионной смолы, не должна быть жесткой, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочной анионной смолы.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы кремнезема обычно используются для контроля качества воды в сточных водах, содержащих анионы, и определения необходимости регенерации.В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над коллекторами нижнего дренажа для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет проникновение диоксида кремния в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого использования. Деминерализованная вода широко используется в питательной воде котлов высокого давления и во многих технологических водах. Качество производимой воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть ее стоимости.Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонок, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие ионообменные системы, деминерализаторам для эффективного функционирования требуется фильтрованная вода. Загрязняющие смолы и разлагающие вещества, такие как железо и хлор, следует избегать или удалять до деминерализации. Анионные смолы очень чувствительны к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды.Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или инертные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котловая вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, похожие на те, которые поступают в котел в растворимой форме. Как таковые, они могут образовывать отложения на поверхности трубок и улетучиваться в пар.

ДЕАЛКАЛИЗАЦИЯ

Часто рабочие условия котла или процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых частиц.Умягчение цеолита не снижает щелочность, а деминерализация обходится слишком дорого. В этих ситуациях используется процесс дещелачивания. Дещелачивание натриевого цеолита / водородного цеолита (разделенный поток), дещелачивание хлорид-анионами и дещелачивание слабокислых катионов являются наиболее часто используемыми процессами.

Цеолит натрия / водородный цеолит (разделенный поток) Дещелачивание

В дещелачителе с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия.Остальная часть протекает через узел сильнокислотного катиона в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяется с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды с установки водородного цеолита содержат угольную кислоту, полученную из щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислотность в выходящем потоке водородного цеолита превращает карбонат натрия и бикарбонатную щелочность в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота нестабильна в воде.Он образует углекислый газ и воду. Смешанные сточные воды направляются в декарбонизатор или дегазатор, где диоксид углерода удаляется из воды встречным потоком воздуха. На рис. 8-10 показана типичная система дещелачивания разделенного потока.

Требуемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать путем контроля процентного содержания цеолита натрия и водородного цеолита в воде. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с водородным цеолитом снижает щелочность.

Помимо снижения щелочности, дещелочитель с разделенным потоком снижает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для вод с высокой щелочностью, потому что проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрации в котле.

Дещелачивание цеолита натрия / хлорид-аниона

Сильноосновная анионная смола в хлоридной форме может использоваться для снижения щелочности воды. Вода проходит через цеолитный умягчитель, а затем через анионный блок, который заменяет карбонатные, бикарбонатные, сульфатные и нитрат-ионы хлорид-ионами, как показано в следующих реакциях:

Хлорид-анион-дещелачитель снижает щелочность примерно на 90%, но не снижает общее содержание твердых веществ.Когда смола близка к истощению, щелочность очищенной воды быстро возрастает, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитный умягчитель регенерируют, как описано ранее. Кроме того, анионная смола также регенерируется рассолом хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий рассол добавляют небольшое количество каустической соды, чтобы улучшить удаление щелочности.

Обесщелачивание катионов слабой кислоты

Другой метод обезщелачивания использует слабокислые катионные смолы.Слабокислотные смолы по действию схожи с сильнокислотными катионными смолами, но обмениваются только катионами, которые связаны со щелочностью, как показывают следующие реакции:

, где Z представляет собой смолу. Образовавшаяся угольная кислота (H ₂ CO ₃ ) удаляется декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный приток для слабокислой катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба показателя выражаются в ppm как CaCO ₃ ).В воде с более высокой щелочностью, чем жесткостью, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, имеющих жесткость больше, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать с помощью умягчителя на основе цеолита натрия, чтобы удалить жесткость. Во время начальной части цикла обслуживания слабых кислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы связаны с обменом минеральных анионов, образуя небольшие количества минеральных кислот в сточных водах. По мере продолжения цикла обслуживания в сточных водах появляется щелочность.Когда щелочность сточных вод превышает 10% щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5% -ным раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна быть ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабый кислотный обмен катионита очень эффективен. Следовательно, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных в течение рабочего цикла.

Если материалы конструкции для оборудования, находящегося ниже по потоку, или всего процесса в целом не могут выдерживать минеральную кислотность, присутствующую в начальных частях рабочего цикла, солевой раствор пропускается через регенерированную слабокислотную смолу перед заключительной промывкой.Этот раствор удаляет минеральную кислотность без значительного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для дещелачивания слабых кислотных катионов, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном из вариантов стандартной конструкции используется слой слабокислой смолы поверх сильнокислой катионитовой смолы. Поскольку он легче, на нем остается слабокислая смола. Слоистую систему смол регенерируют серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия.Солевой раствор превращает сильнокислотную смолу в натриевую форму. Эта смола затем действует как мягчитель для полировки.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием диоксида углерода и воды, а диоксид углерода удаляется в декарбонаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, поскольку чрезмерная подача кислоты или нарушение системы контроля pH может привести к образованию кислой питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов.Требуются надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача каустика после декарбонизации.

Преимущества и ограничения систем дещелачивания

Системы ионообменной дещелачивания производят воду с низкой жесткостью и низкой щелочностью по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и катионами слабых кислот также снижают общее количество растворенных твердых веществ.Помимо этих преимуществ необходимо учитывать следующие недостатки:

• Дещелочники не удаляют всю щелочность и не влияют на содержание кремнезема в воде
Дещелачиватели
• требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
• вода, полученная в системе дещелачивания, использующей декарбонизатор с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально коррозионная

ПРОТИВОПРОВОДНАЯ И ДЕИОНИЗАЦИЯ СМЕШАННОЙ СЛОЙ

Из-за увеличения рабочего давления котла и производства продуктов, требующих чистой воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут производить катионно-анионные деминерализаторы.Поэтому возникла необходимость изменить стандартный процесс деминерализации для повышения чистоты очищенной воды. Наиболее значительные улучшения в чистоте деминерализованной воды были достигнуты с помощью противоточных катионообменников и теплообменников со смешанным слоем.

Противоточные катионообменники

В обычной системе деминерализатора поток регенерирующего агента идет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как параллельная работа и является основой для большинства конструкций ионообменных систем.Во время регенерации прямоточного устройства загрязняющие вещества перемещаются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя подверглась воздействию свежего регенерирующего агента, он подвергается высокой регенерации. Когда вода протекает через смолу во время эксплуатации, катионы сначала обмениваются в верхней части слоя, а затем движутся вниз через смолу, когда слой истощается.Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионизированную воду, прежде чем она покинет сосуд. Эта утечка натрия попадает в анионный блок, где при анионном обмене образуется щелочь, повышая pH и проводимость деминерализованной воды.

В противоточном регенерированном катионите регенерирующий агент течет в направлении, противоположном рабочему потоку. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой.В результате смола с наиболее высокой степенью регенерации находится там, где техническая вода выходит из резервуара. Сильно регенерированная смола удаляет низкий уровень загрязнителей, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем может обеспечить прямоточная конструкция. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее сильно регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенерирующего агента. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

Теплообменники смешанного типа

В теплообменнике со смешанным слоем катионная и анионная смолы смешаны в одном сосуде.Когда вода протекает через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные фракции катионов и анионов, как показано на Рисунке 8-12. Смолу отделяют обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола оседает поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь вводится через распределители над слоем смолы. Потоки регенерирующего агента встречаются на границе между катионом и анионной смолой и выходят через коллектор, расположенный на границе раздела смолы.После введения регенерирующего агента и промывки вытеснением для смешивания смол используются воздух и вода. Затем смолы промываются, и установка готова к работе.

Противоточные системы и системы со смешанным слоем производят более чистую воду, чем традиционные катионо-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Это особенно актуально для агрегата со смешанной кроватью.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный процесс катион-анион был изменен во многих системах, чтобы уменьшить использование дорогостоящих регенераторов и образование отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабоосновных смол, щелочных отходов с сильным щелочным анионом (для регенерации слабых основных анионитов) и регенерацию части отработанного щелочного раствора для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на Рисунке 8-13.

Декарбонаторы и дегазаторы

Декарбонаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они снижают количество щелочи, требуемой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капельки с помощью разбрызгивателей, поддонов или упаковки в декарбонаторе. Затем вода протекает через воздушный поток, идущий в противоположном направлении. Угольная кислота, присутствующая в сточных водах катионов, диссоциирует на диоксид углерода и воду.Двуокись углерода удаляется из воды воздухом, уменьшая нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонизаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонну, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает содержание двуокиси углерода до менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды.Однако вакуумные дегазаторы дороже в приобретении и эксплуатации, чем декарбонаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабые основные смолы

Смолы со слабой функциональностью имеют гораздо более высокую эффективность регенерации, чем их аналоги с сильной функциональностью. Слабокислые катионные смолы, как описано в разделе о дещелачивании, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабые основные смолы обмениваются с анионами минеральных кислот (SO ₄ ², Cl, NO ₃ ¯) в растворе сильной кислоты.Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрическая, для удаления 1 кг ионов (как CaCO ₃ ) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO ₃ ). Для сильных смол требуется в три-четыре раза больше регенерирующего агента для того же удаления загрязнений.

Смолы со слабым основанием настолько эффективны, что на практике обычно регенерируют обменник со слабым основанием с помощью части «отработанного» каустика от регенерации смолы с сильным основным анионом.Первая фракция каустика из сильного основного элемента отправляется в отходы, чтобы предотвратить загрязнение слабой основной смолы диоксидом кремния. Оставшийся каустик используется для регенерации слабой основной смолы. Дополнительной особенностью смол со слабой базой является их способность удерживать природные органические материалы, которые загрязняют смолы с сильной основой, и выделять их во время цикла регенерации. Из-за этой способности смолы со слабым основанием обычно используются для защиты смол с сильным основанием от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенеранта

Из-за высокой стоимости каустической соды и возрастающих проблем с удалением отходов многие системы деминерализации теперь оснащены функцией регенерации каустической соды.Система регенерации использует часть отработанной щелочи от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. За повторно используемым каустиком следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик утилизируется для использования в следующей регенерации. Обычно серную кислоту не регенерируют, поскольку она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

ПОЛИРОВКА КОНДЕНСАТА

Использование ионного обмена не ограничивается технологической и подпиткой котловой воды.Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызвать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему через утечки конденсатора и уплотнения насоса или унос котловой воды в пар. Очистители конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство полировальных машин для конденсата на бумажных фабриках работают при температурах, приближающихся к 200 ° F, что исключает использование анионной смолы.Катионная смола, которая устойчива до температур выше 270 ° F, используется для полировки конденсата в глубоких слоях в этих областях. Смолу регенерируют рассолом хлорида натрия, как в умягчителе цеолита. В ситуациях, когда утечка натрия из полировальной машины отрицательно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или на чистоту воды, оперирующей паром, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Производительность полира для глубокого слоя (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высока по сравнению с обычным пластификатором.Допускаются высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо и медь в виде твердых частиц удаляются фильтрацией, а растворенные загрязнения уменьшаются путем обмена на натрий или амин в смоле.

Полировщик конденсата с глубоким слоем катионита регенерируется с использованием 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы аналогично тому, как это используется для регенерации традиционного цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для удаления железа.Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается чуть ниже поверхности слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления вызываются высокими рабочими расходами и содержанием твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам.При полировке конденсата в глубоком слое следует использовать гелеобразную или макросетчатую смолу премиум-класса.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140 ° F, что является максимальной непрерывной рабочей температурой для анионной смолы. Кроме того, поток через установку обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту / фут².

Ионообменные смолы также используются как часть системы фильтрации предварительного покрытия, как показано на Рисунке 8-14, для полировки конденсата.Смолу измельчают и смешивают с суспензией, которую используют для покрытия отдельных перегородок в сосуде фильтра. Порошковая смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения посредством ионного обмена. Когда фильтрующий материал забивается, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрываются свежей суспензией порошкообразной смолы.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ИОННОГО ОБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, проблемы действительно возникают в системах ионного обмена.Проблемы обычно приводят к низкому качеству сточных вод, сокращению продолжительности обслуживания или повышенному расходу регенерирующего агента. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, продолжительности пробега или расхода регенератора.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких пробегов (Рисунок 8-15) и некачественных стоков (Рисунок 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы деминерализации.Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды оказывают значительное влияние как на продолжительность цикла, так и на качество сточных вод, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод со временем сильно меняется. Повышение жесткости воды для умягчителя на основе цеолита натрия на 10% приводит к сокращению продолжительности рабочего цикла на 10%. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализации.Для выявления таких отклонений необходимо проводить регулярный химический анализ воды, поступающей в ионообменники.

Другие причины операционных проблем ионного обмена включают:

• Неправильная регенерация, вызванная неправильным потоком, временем или концентрацией регенератора. При регенерации ионообменных смол следует соблюдать рекомендации производителя.
• Каналы, возникающие в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки.Это вызывает преждевременное истощение, даже если большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
• Загрязнение или разложение смолы из-за некачественного регенерирующего агента.
• Невозможность удаления диоксида кремния из смолы, что может быть результатом низкой температуры каустической соды регенерирующего агента. Это может привести к повышенной утечке диоксида кремния и сокращению сроков обслуживания.
• Избыточные примеси в смоле из-за предыдущей работы после истощающих нагрузок. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем предназначено для удаления при обычной регенерации, после продолжительного технического обслуживания требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

Типичные механические проблемы, связанные с системами ионного обмена, включают:

• Негерметичные клапаны, вызывающие некачественные сточные воды и длительные полоскания.
• Распределитель сломан или забит, что приводит к протеканию.
• Потеря смолы из-за чрезмерной обратной промывки или неисправности фильтра нижнего дренажа или опорной среды.
• Катионная смола в анионном блоке, вызывающая увеличенное время ополаскивания и утечку натрия в деминерализованную воду.
• Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. КИПиА в зоне деминерализатора следует регулярно проверять.

ОТРАСИВАНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ СМОЛЫ

Смола может загрязняться загрязнениями, которые препятствуют процессу обмена. На рис. 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение.Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем со временем разрушают смолу. Это наиболее частая причина загрязнения и деградации ионообменных систем, которая обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может существовать в воде в виде неорганической соли двух или трехвалентного железа или в виде изолированного органического комплекса. Двухвалентное железо обменивается на смолу, но трехвалентное железо нерастворимо и не растворяется.Трехвалентное железо покрывает катионную смолу, препятствуя обмену. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионный элемент и загрязняет анионную смолу. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в некоторых колодезных водах, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия, возникающего в результате использования алюмината квасцов или натрия при осветлении или смягчении осаждением.Алюминиевый флок, проходящий через фильтры, покрывает смолу умягчителем на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой кислотой или щелочью. Обычно алюминий не является загрязнителем в системе деминерализатора, потому что он удаляется из смолы во время нормальной регенерации.

Осадки твердости . Осадки твердости проходят через фильтр из смягчителя осаждения или образуются после фильтрации путем последующего осаждения. Они осаждают гнилостные смолы, используемые для размягчения натриевого цеолита.Их удаляют кислотой.

Сульфатные осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в установке с сильным катионом кислоты, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если серная кислота используется в качестве регенерирующего агента, и она вводится в слишком высокой концентрации или слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняя смолу. После образования сульфата кальция его повторно растворить очень трудно; поэтому смолу, загрязненную сульфатом кальция, обычно выбрасывают.Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным замачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария даже менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислоты.

Нефтяное обрастание . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к участкам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу.Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое обрастание. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без технологического потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезному засорению слоя смолы и даже к механическим повреждениям из-за чрезмерного падения давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных установках является проблемой, следует использовать постоянный поток оборотной воды, чтобы минимизировать проблему.В тяжелых условиях может потребоваться применение подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Обрастание кремнезема . Загрязнение кремнеземом может происходить в смолах с сильным основным анионом, если температура регенерирующего агента слишком низкая, или в смолах со слабым основанием, если щелочь, вытекающая из блока SBA, используемого для регенерации элемента со слабым основанием, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH полимеризация диоксида кремния может происходить в смоле со слабым основанием. Это также может быть проблемой из-за отработанной анионной смолы с сильным основанием.Загрязнение кремнеземом удаляется путем длительного замачивания в теплой (120 ° F) каустической соде.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окисляющие вещества, такие как хлор, разрушают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают сшивки дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения воздействия катионная смола начинает терять свою сферическую форму и жесткость, вызывая ее уплотнение во время эксплуатации.Это уплотнение увеличивает перепад давления в слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора в сырой воде анионная смола не подвергается прямому воздействию, потому что хлор потребляется катионной смолой. Однако расположенные ниже по потоку смолы с сильным основанием на анионе загрязняются определенными продуктами разложения окисленной катионной смолы.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом фильтрацией с активированным углем или сульфитом натрия.Приблизительно 1,8 ppm сульфита натрия требуется для потребления 1 ppm хлора.

Вода, насыщенная кислородом, такая как вода, обнаруженная после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение участков сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Он также ускоряет разложение из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическое разложение происходит, если анионная смола перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100 ° F, и анионных смол с сильным основанием типа II, которые имеют температурный предел 105 ° F в форме гидроксида.

Органическое обрастание

Органическое загрязнение — наиболее распространенная и дорогая форма загрязнения и разложения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживается только небольшое количество органических веществ. Однако поверхностные воды могут содержать сотни миллионных долей природного и антропогенного органического вещества. Естественная органика происходит из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплекс тяжелых металлов, таких как железо. Эти загрязнители включают дубильные вещества, дубильную кислоту, гуминовую кислоту и фульвокислоту.

Первоначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Это засорение приводит к длительному окончательному ополаскиванию и снижает способность к расщеплению соли. По мере того как засорение продолжает оставаться на смоле, оно начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы к расщеплению солей. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения демонстрирует высокую общую емкость, но пониженную способность к расщеплению солей.На этом этапе очистка от смолы все еще может вернуть некоторую, но не всю потерянную рабочую мощность. Потеря способности расщеплять соли снижает способность смолы удалять кремнезем и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионной смолы свидетельствует цвет сточных вод из анионного блока во время регенерации, который варьируется от чайного до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую проводимость и более низкий pH.

Профилактика . Для уменьшения загрязнения органическими веществами используются, по отдельности или в комбинации, следующие методы:

• Предварительное хлорирование и осветление.Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью средства для удаления органических веществ.
• Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность удалять органический материал и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
• Макропористая и слабая основная смола перед сильной основной смолой. Слабое основание или макропористая смола абсорбирует органический материал и элюируется во время регенерации.
• Специальные смолы.Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам, программа регулярных проверок и очистки ионообменной системы помогает продлить срок службы анионной смолы. В большинстве процедур очистки используется одно из следующего:

• Горячий (120 ° F) рассол и каустик. Для улучшения очистки могут быть добавлены мягкие окислители или солюбилизирующие агенты.
• Кислота соляная.Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
• Растворы гипохлорита натрия 0,25-0,5%. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно разлагает смолу. Чистка гипохлоритом считается крайней мерой.

Важно очистить смолу с органическими загрязнениями до того, как произойдет чрезмерное необратимое разрушение участков сильного основания. Очистка после того, как произошла необратимая деградация, удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает работу устройства.За состоянием смолы следует внимательно следить, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛ

Для отслеживания состояния ионообменной смолы и определения наилучшего времени для ее очистки необходимо периодически брать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровни загрязнения и способность выполнять требуемый ионный обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Следовательно, пробы следует собирать на разных уровнях в слое, либо следует использовать зерновой захват или полую трубу для получения «керновой» пробы.Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенератора и отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, трещин или сломанных шариков. Также необходимо проверить его физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Уровень органических и неорганических загрязняющих веществ в смоле следует определять и сравнивать с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы.Наконец, следует измерить расщепление солей и общую емкость на образцах анионной смолы, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула сульфокислотной катионной смолы (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Рисунок 8-10. Умягчитель разделенного потока натриевого цеолита / водородного цеолита.

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества сточных вод в системе деминерализатора с двумя слоями.

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Комплексный термический и структурный переходный анализ выходного коллектора пара котла с помощью специального алгоритма и моделирования методом конечных элементов

Автор

• Марцин Пиларчик

  (Департамент энергетики и технологического проектирования, Норвежский университет науки и технологий – NTNU, 7491 Тронхейм, Норвегия)

• Богдан Венгловски

  (Департамент энергетики Краковского технологического университета, Ал.Jana Pawła II 37, 31-864 Краков, Польша)

• Ларс О. Норд

  (Департамент энергетики и технологического проектирования, Норвежский университет науки и технологий – NTNU, 7491 Тронхейм, Норвегия)

Реферат

Увеличение доли возобновляемых источников энергии на энергетических рынках влияет на повседневную работу тепловых энергоблоков. Энергоблоки большой мощности чаще используются для балансировки электрических сетей, поэтому паровые котлы подвержены неблагоприятным переходным состояниям.Целью данной работы было выполнение термического и структурного анализа выходного парового коллектора котла производительностью 650 ∙ 10 3 кг / ч (180 кг / с) свежего пара. На основе измеренных значений давления пара и температуры на внешней поверхности детали были определены поля переходных температур с помощью алгоритма, который позволяет определять распределения переходных напряжений на внутренней и внешней поверхностях, а также в областях концентрации напряжений. Параллельно было выполнено моделирование методом конечных элементов.Сравнение полученных результатов с анализом методом конечных элементов показало удовлетворительное согласие. Анализ показал, что время пуска может быть сокращено, так как суммарное напряжение не превышало допустимых значений при штатном пуске анализируемого энергоблока. Алгоритм оказался эффективным и простым для реализации в реальных системах управления энергоблоками. Численный подход, использованный в представленном алгоритме, также позволил определить зависящее от времени и места значение скорости нагрева, которое может быть использовано в качестве входных данных для системы управления энергоблоком.

Предлагаемое цитирование

Скачать полный текст от издателя

Ссылки на IDEAS

1. Ферруцца, Давиде и Корн, Мартин Рихл и Хаглинд, Фредрик, 2019 г.« Проектирование парогенераторов коллектора и змеевика для концентрирования солнечной энергии с учетом требований малоцикловой усталости », Прикладная энергия, Elsevier, т. 236 (C), страницы 793-803.
2. Талер, Ян и Зима, Веслав и Оклонь, Павел и Грондзил, Славомир и Талер, Давид и Цебула, Артур и Яремкевич, Магдалена и Корзень, Анна и Цисек, Петр и Качмарский, Кароль и Каролевски, 2019. « Математическая модель сверхкритического энергетического котла для моделирования быстрых изменений тепловой нагрузки котла », Энергия, Elsevier, т.175 (C), страницы 580-592.
3. Роблес, Эйдер и Аро-Ларроде, Марта и Сантос-Муджика, Майдер и Эчегараи, Агурцане и Тедески, Элизабетта, 2019. « Сравнительный анализ европейских сетевых кодексов, относящихся к установкам возобновляемой энергии на море », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 102 (C), страницы 171-185.
4. Талер, Ян и Венгловски, Богдан и Талер, Давид и Собота, Томаш и Дзерва, Петр и Троян, Марцин и Мадейски, Павел и Пиларчик, Марцин, 2015.« Определение пусковых кривых для котла с естественной циркуляцией на основе анализа распределения напряжений в компонентах критического давления », Энергия, Elsevier, т. 92 (P1), страницы 153-159.