Методы водоподготовки в энергетике

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени И.Т.Трубилина
Кафедра применения электроэнергии
Реферат
Методы водоподготовки в энергетике
Выполнил:
студент гр. ЭС2101
Власов Иван
Проверила:
Пестунова С.А.
Краснодар 2022
Содержание
Введение
2
1. Выбор источника и производительности водоподготовки
4
2. Показатели качества воды
5
3. Методы очистки воды
7
4. Метод дистилляции
8
5. Электродиализ
12
6. Хлорирование
13
7. Озонирование
14
8. Безреагентные методы
15
9. Очистка воды от растворенных газов
19
10. Удаление свободной углекислоты
20
11. Деаэрация в деаэраторах атмосферного и пониженного давления
21
12. Химические методы удаления газов из воды
22
13. Методы обеззараживания воды
24
Заключение
25
Список литературы
26
2
Введение
Вода - ценнейший природный ресурс. Огромное значение вода имеет в
промышленном и сельскохозяйственном производстве. Для удовлетворения
разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке
электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной
физико-химической обработки её. Качественная водоподготовка,
рациональный водно-химический режим – это:
1. Гарант надёжности, экономичности, безаварийности теплоэнергетического
оборудования и тепловых сетей.
2. Обеспеченность предупреждения образования всех видов отложений и
коррозионных повреждений на внутренних поверхностях
теплоэнергетического оборудования, элементах трассы сетевой воды,
включая отопительные приборы;
3. Экономия сжигаемого топлива, так как образующиеся отложения на
поверхности нагрева обладают высоким термическим сопротивлением, что
вызывает большие потери топлива.
4. Уменьшение сбрасываемых экологических загрязнителей от
теплоэнергетических объектов в биосферу, отрицательно влияющих на
здоровье населения (экологическая безопасность).
Одновременно с очисткой природной воды на электростанциях необходимо
решать комплексно вопросы, связанные с утилизацией различными методами
образующихся при этом сточных вод. Такое решение является мерой защиты
от загрязнения природных источников питьевого и промышленного
водоснабжения.
Выбор метода обработки воды, составление общей схемы
технологического процесса при применении различных методов,
определение требований, предъявляемых к качеству её, существенно зависят
от состава исходных вод, типа электростанции, применяемого основного
оборудования.
На тепловых электростанциях применяются различные методы
обработки воды, однако в основном их можно разделить на безреагентные,
или физические методы и методы в которых используются различные
препараты (химические реагенты). Безреагентные (физические) методы
применяются как отдельные этапы в общем технологическом процессе
обработки воды, и как самостоятельные методы, обеспечивающие получение
воды требуемого качества. Применяя химическую обработку (включая также
3
методы ионного обмена), можно получить как умягчённую, так и
глубокообессоленную воду.
1. Выбор источника и производительности водоподготовки
На ТЭС с производственными отборами наряду с внутренними потерями
существуют потери пара и конденсата в технологических процессах у
потребителей теплоты. Эти потери должны восполняться добавочной водой,
подготавливаемой на ВПУ, по качеству сопоставляемой с качеством
питательной воды котлов. ВПУ для подпитки тепловых сетей. Для
приготовления добавочной и подпиточной вод на электростанциях
применяют:
Воды поверхностных источников
Воды артезианских скважин
Воды прямоточных и циркуляционных систем охлаждения конденсаторов
турбин;
Так, если водоисточником является артезианская вода, в которой
практически отсутствуют ГДП и органические вещества, то отпадает
необходимость в предварительной ее коагуляции. Однако такая вода обычно
содержит большое количество ионов двухвалентного железа, что приводит к
необходимости применять методы предварительного его удаления из воды
перед последующей обработкой. Преимуществом артезианской воды перед
поверхностной является ее стабильный состав во все времена года, что в
значительной степени облегчает эксплуатацию водоподготовительной
установки. При заборе воды из поверхностного источника следует
учитывать, что качество воды в нем меняется не только по сезонам, но и по
годам. Так, весной и осенью в такой воде возрастают концентрации ГДП и
органических веществ и уменьшается солесодержание, в летние и зимние
месяцы — наоборот. Эти обстоятельства следует учитывать при
проектировании схемы обработки воды из поверхностных источников, так
как водоподготовительная установка (ВПУ) рассчитывается применительно к
максимальным концентрациям того или иного вещества в природной воде. В
некоторых случаях при соответствующем технико-экономическом
обосновании возможно использование в качестве исходной для ВПУ воды из
прямоточных или оборотных систем водоснабжения, а также очищенных
сточных вод ТЭС . Место забора воды следует располагать по возможности
дальше от места сброса сточных вод соседних предприятий.
Производительность ВПУ должна быть достаточной для покрытия потерь
4
воды и пара в схеме ТЭС, а также для расхода воды и пара на различные
технологические нужды электростанции.
2. Показатели качества воды
Качество воды характеризуется прозрачностью (содержанием
взвешенных веществ), сухим остатком, жесткостью, щелочностью,
окисляемостью.
Сухой остаток содержит общее количество растворенных в воде
веществ: кальция, магния, натрия, аммония, железа, алюминия и др., которые
остаются после выпаривания воды и высушивания остатка при 110°С. Сухой
остаток выражают в миллиграммах на килограмм или в микрограммах на
килограмм.
Жесткость воды характеризуется суммарным содержанием в воде солей
кальция и магния, являющихся накипеобразователями. Различают жесткость
общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную).
Общая жесткость представляет собой сумму величин временной и
постоянной жесткости и характеризуется суммой содержания в воде
кальциевых и магниевых солей: сернокислых (СаSО4 и МgSО4), хлористых
(СаС12 и МgС12), азотнокислых (Са(NО3)2 и Мg(NО3)2), кремнекислых
(СаSiO3 и МgSiO3), фосфорнокислых (Са3(РО4)2 и Мg(РО4)2),
двууглекислых (Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2).
Временная жесткость характеризуется содержанием в воде бикарбонатов
кальция и магния Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2. Постоянная жесткость
обусловливается содержанием указанных выше солей кальция и магния, за
исключением двууглекислых.
Для определения величины жесткости в настоящее время установлена
единица показателя жесткости — миллиграмм-эквивалент на 1 кг раствора
(мг-экв/кг) или микрограмм-эквивалент на 1 кг раствора (мкг-экв/кг); 1 мгэкв/кг жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/кг иона кальция Са +
или 12,16 мг/кг иона магния Мg2 +.
Щелочность воды характеризуется содержанием в ней щелочных
соединений. Сюда относят гидраты, например NаОН — едкий натр,
карбонаты Nа2СО3 — кальцинированная сода, бикарбонаты NаНСО3,
Na3РО4 и др. Величина щелочности воды равна суммарной концентрации в
ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных, фосфатных и других
анионов слабых кислот, выраженной в эквивалентных единицах (мг-экв/кг
или мкг-экв/кг). В зависимости от преобладающего наличия в воде анионов
5
тех или иных солей различают щелочность: гидратную (концентрация в воде
гидроксильных анионов ОН), карбонатную (концентрация карбонатных
анионов CO3²¯) и бикарбонатную (концентрация бикарбонатных анионов
НСОз³¯.).
Окисляемость воды характеризуется наличием в воде кислорода и двуокиси
углерода, выраженных в миллиграммах или микрограммах на килограмм.
В зависимости от характера использования воды различными потребителями
определяются и показатели, необходимые для качественной и
количественной характеристики воды.
Важнейшими показателями качества воды для использования ее в
теплоэнергетике являются;
– концентрация грубодисперсных веществ (ГДП);
– концентрация истинно-растворимых примесей (ионный состав);
– концентрация коррозионно-активных газов;
– концентрация ионов водорода;
– технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный
остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная
электропроводность и т.д.
Рассмотрим воду реки Шексна г.Череповец со следующими показателями
ГДП мг/дм3 15
Содержание ионов: Na++K+ = 9.2мг/дм3 ,=97.62мг/дм3, =2 мг/дм3
=0 мг/дм3, SiO2 +=6.9 мг/дм3
Сухой остаток 288 мг/дм3
Окисляемость ---0
Щёлочность 2мг-экв/дм3
Жёсткость Ж0=3,9мг-экв/дм3, ЖСа=2,7мг-экв/дм3
Если очистка воды от тяжёлых ГДП может быть принципиально
осуществлена обычным отслаиванием, время которого определяется
размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за счёт их
особого свойства(агрегативной устойчивости) могут быть выделены из воды
только методом коагуляции.
6
3. Методы очистки воды
Разнообразие примесей, которые должны быть удалены из воды, а также
методов, применяемых при ее обработке на котельных и ТЭС, усложняют
поиск оптимальных решений при выборе схем и аппаратов в каждом
конкретном случае.
Поэтому очевидна необходимость классификации методов очистки и
удаляемых примесей. Наиболее известны классификации Л.А. Кульского и
М.И. Лапшина. В основе классификации Л.А. Кульского лежит различие
характера удаляемых примесей. Загрязненные воды представляют собой
гомогенные или гетерогенные системы, которые соответственно
подразделяются на ионные, молекулярные, коллоидные растворы и взвеси. К
каждой из четырех групп вод (систем) подобраны соответствующие наиболее
эффективные методы очистки воды, области их применения, состав
очистных сооружений и т.д. Однако в этой классификации не учитывается
характер отдельных примесей.
В классификации М.И. Лапшина, наоборот, основным классификационным
признаком является характер и состояние удаляемых при очистке примесей;
при этом методы очистки подразделяются на следующие группы:
методы непосредственного выделения примесей, например отстаивание;
методы выделения примесей с изменением фазового состояния воды или
примеси, например деаэрация;
методы превращения примесей, например образование труднорастворимых
соединений (известкование);
биохимические методы.
Обе классификации имеют достоинства и недостатки, но дополняя друг
друга, помогают выбору оптимального решения схем ВПУ на котельных и
ТЭС с точки зрения как повышения эффективности очистки воды, так и
возможности утилизации извлеченных из нее при очистке примесей для
предотвращения загрязнений окружающей среды. Многообразие примесей в
природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для
подпитки котлов организуется в несколько стадий на ВПУ.
На начальном этапе из воды выделяются грубодисперсные и коллоидные
вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность этой воды. На
дальнейших этапах производится очистка воды от истинно-растворимых
примесей.
7
4. Метод дистилляции
Обработка высокоминерализованных
вод и растворов может осуществляться, во-первых, удалением из воды
растворенных примесей, что реализуется, как правило, без фазовых
переходов растворителя (воды) в парообразное или твердое состояние; вовторых, методом извлечения из раствора молекул Н2О, основанным на
изменении их агрегатного состояния (методом дистилляции).
Организовав процесс кипения водных растворов,
можно разделить растворитель (воду) и содержащиеся в ней примеси.
Дистилляция (термическое обессоливание) реализуется в испарительных
установках в которых вода за счет получения теплоты от подводимого в
нагревательную систему первичного пара превращается во вторичный пар,
который затем конденсируется. Первичный пар обычно отбирается от
паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме
испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной)
водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь
незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет
капельного уноса испаряемой воды (концентрата).
Многоступенчатые испарительные установки обычно используются на
ТЭЦ с большими общими и внешними потерями пара и конденсата.
Одноступенчатые испарительные установки применяются на
КЭС при небольших потерях (1–3 %) и включаются
в схемы переработки сточных вод ВПУ при запрещенных сбросах.
Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества,
загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из
испарителя с отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат
вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих
примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды
(концентрата).
Принципиальная схема испарительной
установки:
1 – линия подвода первичного пара;
2 – греющая секция;
3 – корпус испарителя;
4 – линия отводаобразующегося (вторичного) пара;
5 – конденсатор;
8
6 – линия отвода конденсата первичного пара;
7 – линия подвода питательной воды;
8 – линия продувки;
9 – линия опорожнения;
10 – линия отвода дистиллята
Опыт эксплуатации испарителей при питании солоноватыми
или солеными водами показывает на серьезные затруднения,
возникающие из-за быстрого образования накипи на теплопередающих
поверхностях, снижения коэффициента теплопередачи и уменьшения
эффективности работы испарителей.
Предотвращение накипеобразования в испарительных установках
осуществляется




физическими методами
химическими,
конструктивными
технологическими методами
6.3 Обратный осмос. Принцип обратного осмоса основан на явлении осмоса
– самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую
мембрану в раствор. Чтобы осуществить обработку
высокоминерализованной воды обратным осмосом, нужно, создав (в отсеке с
раствором) избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить
молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в
направлении, противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны
высокоминерализованной воды в отсек чистой воды. Преимущество
обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких
фазовых превращений, однако для достижения длительного срока службы
полупроницаемых мембран необходима предварительная глубокая очистка
воды от коллоидных и глубокодисперсных примесей.
Несмотря на кажущуюся простоту процессов, характеризующих
обратный осмос, до настоящего времени не сформировался единый взгляд на
механизм переноса молекул растворителя через мембраны. Из-за
невозможности создания реальных изопористых мембран в них имеются
более крупные поры, через которые частично могут проникать
гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность
(избирательность) процесса переноса.
9
Чтобы осуществить обработку высокоминерализованной воды обратным
осмосом, нужно, создав (в отсеке с раствором) избыточное давление,
превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать
через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном
прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек
чистой воды
Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:
а) начало осмотического переноса; б) равновесное состояние; в) обратный
осмос;
1 – пресная вода; 2 – солёная вода; 3 – мембрана
Преимущество обратного осмоса перед дистилляцией связано с
отсутствием энергоемких фазовых превращений, однако для достижения
длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима
предварительная глубокая очистка воды от коллоидных и
глубокодисперсных примесей.
Несмотря на кажущуюся простоту процессов, характеризующих обратный
осмос, до настоящего времени не сформировался единый взгляд на механизм
переноса молекул растворителя через мембраны, но большинство
исследователей поддерживают гиперфильтрационную гипотезу. Согласно
этой капиллярно-фильтрационной модели в полупроницаемой мембране
имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды ( ), но
недостаточным для прохождения гидратированных ионов ( ) и молекул
растворенных веществ.
Из-за невозможности создания реальных изопористых мембран в них
имеются более крупные поры, через которые частично могут проникать
гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность
(избирательность) процесса переноса. Гидратная оболочка ионов
увеличивается, как известно, с возрастанием заряда ионов, а в ряду
одинаковой валентности – с уменьшением кристалло-графического радиуса
иона. С позиции капиллярно-фильтрационной модели с возрастанием
степени гидратации ионов должна увеличиваться эффективность их
задержки. Это подтверждается результатом работы установок обратного
осмоса с ацетилцеллюлозными мембранами, в которых порядок задержки
ионов соответствует лиотропному ряду (как при ионном обмене).
Изложенное показывает, что эффективность процесса обратного осмоса
определяется главным образом свойствами мембран, которые должны
10
характеризоваться высокой разделяющей способностью, селективностью и
удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически
прочными, иметь низкую стоимость.
Перечисленные марки мембран обладают различной селективностью и
проницаемостью. Мембраны типа МГА находят применение для опреснения
водных сред при рН = 5–8, в кислых и щелочных средах такие мембраны
подвергаются гидролизу, оказывающему отрицательное воздействие на их
характеристики, мембраны типа МГЭ – для обессоливания водных растворов
с рН = 1–14, мембраны типа МГП – для разделения и концентрирования
агрессивных сред, содержащих органические растворители, с рН = 1–12 при
температуре до 150 °С.
11
5. Электродиализ
Электродиализ – процесс удаления из растворов (проводников второго
рода) ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле
постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленное
движение ионов растворенных солей, а также ионов Н+ и ОН-, причем
катионы движутся к катоду, а анионы к аноду. При достижении катода
катионы восстанавливаются в соответствии с катодными реакциями.
Для предотвращения переноса ионов Н+ и ОН-, образующихся по реакциям),
электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран,
проницаемых только для катионов или только для анионов.
При направленном движении ионов к соответствующим электродам катионы,
встречающие на своем пути катионопроницаемую мембрану К, свободно
проникают через нее. В то же время для анионов эти мембраны являются
практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов
через анионопроницаемую мембрану А, одновременно препятствующую
переносу катионов.
12
6 Хлорирование
Хлорирование для обеззараживания воды хлорированием на
водоочистных комплексах используют хлорную известь, хлор и eгo
производные, под действием которых бактерии, находящиеся в воде,
погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы
клеток. Хлор действует и на органические вещества, окисляя их.
Способ дезинфекции воды – первичное хлорирование. В настоящее время
этим методом обеззараживается 98,6 % воды. Причина этого заключается в
повышенной эффективности обеззараживания воды и экономичности
технологического процесса в сравнении с другими существующими
способами. Хлорирование позволяет не только очистить воду от
нежелательных органических и биологических примесей, но и полностью
удалить растворенные соли железа и марганца. Другое важнейшее
преимущество
этого
способа
–
его
способность
обеспечить
микробиологическую безопасность воды при ее транспортировании
пользователю благодаря эффекту последействия быть увеличена вдвое.
Хлорирование воды осуществляется жидким (газообразным) хлором. На
малых водоочистных комплексах (до 3000 м 3 /сут) допускается применение
хлорной извести. При плюсовых температурах и атмосферном давлении хлор
Представляет собой газ зеленоватожелтого цвета с удушливым запахом и
плотностью, значительно большей, чем плотность воздуха (в 1,5...2,5 раза в
зависимости от температуры).
Гидролиз хлора происходит в соответствии с уравнением
C1 2 + H2O ↔ НСl + HCIO,
с образованием хлорноватистой кислоты, которая диссоциирует на соляную
кислоту и атомарный кислород (в нейтральной или щелочной среде),
обладающий сильными окислительными свойствами.
13
7 Озонирование
Одним из наиболее сильных окислителей, уничтожающих бактерии, споры и
вирусы (в частности, вирусы полиомиелита), является озон. Несомненным
преимуществом озонирования является и то, что при этом одновременно с
обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и
улучшение вкусовых качеств. Озон не изменяет природныее свойства воды, так как
eгo избыток (непрореагировавший озон) через несколько минут превращается в
кислород. Озон О3 используемый для озонирования, получают из атмосферного
воздуха в аппаратах, называемых озонаторами, в результате воздействия на нeгo
«тихого» (т. е. рассеянного без искр) электрического заряда, сопровождающегося
выделением озона.
С гигиенической точки зрения озонирование воды – один из лучших способов
обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания воды оно
обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие
высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.
Ограничениями для распространения технологии озонирования являются
высокая стоимость оборудования, большой расход электроэнергии, значительные
производственные расходы, а также необходимость высококвалифицированного
оборудования. Последний факт обусловил использование озона лишь при
централизованном
водоснабжении.
Другим
существенным
недостатком
озонирования явялется токсичность озона. Предельно допустимое содержание
этого газа в воздухе производственных помещений - 0,1 г/м3. К тому же существует
опасность взрыва озоновоздушной смеси.
14
8 Безреагентные методы
Они основаны на том, что энергия образования кристаллов на
нерастворенных частицах примеси меньше, чем энергия самопроизвольного
возникновения центров кристаллизации. Кристаллизация на веществестабилизаторе протекает при меньшем пересыщении раствора. За счет
множества центров кристаллизации происходит осаждение избыточного
сверх растворимости количества накипеобразователей. В качестве
стабилизатора применяют дробленые материалы: известняк, мрамор,
естественную накипь и песок, через фильтрующий слой которых
циркулирует испаряемая вода. Высота фильтра должна составлять 1,8–2 м,
скорость подъема рассола во избежание уноса стабилизирующего материала
не должна превышать 35 м/ч. Применение контактной стабилизации
позволяет уменьшить количество накипи в испарителе на 80–90 %, но
конструкционное воплощение этого процесса достаточно сложно. Метод
кристаллизационной затравки является частным случаем контактной
стабилизации и основан на добавлении в испаряемую воду тонкодисперсных
порошков.
Недостаток метода – неизбежное прикипание затравки и накипи к
теплопередающей поверхности, работающей в режиме кипения, поэтому этот
метод можно применять главным образом в некипящих испарителях.
8.1 Магнитная обработка морской воды заключается в прокачивании ее через
аппарат, в котором создается магнитное поле. Сущность метода состоит в
том, что при пересечении водой магнитных силовых линий
накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды.
Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке. Известно, что
магнитными аппаратами оснащены некоторые установки, которые в тех
случаях, когда солесодержащая вода нестабильна, т. е. пересыщена по
СаСО3, работают эффективно. Содержащиеся в природных водах, которые
транспортируются по стальным трубам, ферромагнитные продукты коррозии
и коллоидные частицы, обладающие электрическим зарядом и магнитным
моментом, накапливаются в магнитном поле, создаваемом магнитным
аппаратом. Увеличение концентрации твердой микрофазы в зазоре
магнитного аппарата способствует кристаллизации карбоната кальция из
нестабильной воды в ее объеме, в результате чего уменьшается скорость
образования накипи, но увеличивается концентрация шлама при дальнейшем
нагреве и испарении воды, подвергнутой магнитной обработке. Так как
химический и дисперсный составы примесей природной воды меняются по
сезонам и районам, а степень пересыщения воды по СаСО3 зависит также от
15
температуры, то эффективность магнитной обработки может изменяться в
широких пределах вплоть до нулевых значений, в зависимости oт совпадения
факторов, влияющих на процесс. Это подтверждается противоречивыми
результатами, полученными при эксплуатации магнитных аппаратов в
схемах тепловых сетей и котельных. В сравнении с умягчением воды
основными преимуществами ее магнитной обработки являются простота,
дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных
расходов.
Магнитный аппарат монтируется к трубопроводам в вертикальном или
горизонтальном положении с помощью переходных муфт. Скорость
движения воды в зазоре не должна превышать 1 м/с. Процесс работы
аппаратов может сопровождаться загрязнением проходного зазора
механическими главным образом ферромагнитными примесями. Поэтому
аппараты с постоянными магнитами необходимо периодически разбирать и
чистить. Оксиды железа из аппаратов с электромагнитными удаляют,
отключив их от сети.
8.2 Ультразвуковая обработка при испарении воды может создавать за счет
упругих механических колебаний среды условия значительных энергий,
приводящие к нарушению кинетики кристаллизации в пристенном слое.
Действие ультразвуковых волн на поверхность нагрева может возбуждать на
границе кристаллических связей с поверхностью знакопеременные изгибные
усилия, вызывающие в конечном счете отслаивание накипи. Механизм
воздействия ультразвука на накипеобразование окончательно не установлен.
8.3 Обратный осмос. Принцип обратного осмоса основан на явлении осмоса
– самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую
мембрану в раствор. Чтобы осуществить обработку
высокоминерализованной воды обратным осмосом, нужно, создав (в отсеке с
раствором) избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить
молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в
направлении, противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны
высокоминерализованной воды в отсек чистой воды. Преимущество
обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких
фазовых превращений, однако для достижения длительного срока службы
полупроницаемых мембран необходима предварительная глубокая очистка
воды от коллоидных и глубокодисперсных примесей.
Несмотря на кажущуюся простоту процессов, характеризующих
обратный осмос, до настоящего времени не сформировался единый взгляд на
механизм переноса молекул растворителя через мембраны. Из-за
невозможности создания реальных изопористых мембран в них имеются
16
более крупные поры, через которые частично могут проникать
гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность
(избирательность) процесса переноса.
Чтобы осуществить обработку высокоминерализованной воды обратным
осмосом, нужно, создав (в отсеке с раствором) избыточное давление,
превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать
через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном
прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек
чистой воды
Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:
а) начало осмотического переноса; б) равновесное состояние; в) обратный
осмос;
1 – пресная вода; 2 – солёная вода; 3 – мембрана
Преимущество обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием
энергоемких фазовых превращений, однако для достижения длительного
срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная
глубокая очистка воды от коллоидных и глубокодисперсных примесей.
Несмотря на кажущуюся простоту процессов, характеризующих обратный
осмос, до настоящего времени не сформировался единый взгляд на механизм
переноса молекул растворителя через мембраны, но большинство
исследователей поддерживают гиперфильтрационную гипотезу. Согласно
этой капиллярно-фильтрационной модели в полупроницаемой мембране
имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды ( ), но
недостаточным для прохождения гидратированных ионов ( ) и молекул
растворенных веществ.
Из-за невозможности создания реальных изопористых мембран в них
имеются более крупные поры, через которые частично могут проникать
гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность
(избирательность) процесса переноса. Гидратная оболочка ионов
увеличивается, как известно, с возрастанием заряда ионов, а в ряду
одинаковой валентности – с уменьшением кристалло-графического радиуса
иона. С позиции капиллярно-фильтрационной модели с возрастанием
степени гидратации ионов должна увеличиваться эффективность их
задержки. Это подтверждается результатом работы установок обратного
осмоса с ацетилцеллюлозными мембранами, в которых порядок задержки
ионов соответствует лиотропному ряду (как при ионном обмене).
17
Изложенное показывает, что эффективность процесса обратного осмоса
определяется главным образом свойствами мембран, которые должны
характеризоваться высокой разделяющей способностью, селективностью и
удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически
прочными, иметь низкую стоимость.
Перечисленные марки мембран обладают различной селективностью и
проницаемостью. Мембраны типа МГА находят применение для опреснения
водных сред при рН = 5–8, в кислых и щелочных средах такие мембраны
подвергаются гидролизу, оказывающему отрицательное воздействие на их
характеристики, мембраны типа МГЭ – для обессоливания водных растворов
с рН = 1–14, мембраны типа МГП – для разделения и концентрирования
агрессивных сред, содержащих органические растворители, с рН = 1–12 при
температуре до 150 °С.
8.4 Электродиализ – процесс удаления из растворов (проводников второго
рода) ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле
постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленное
движение ионов растворенных солей, а также ионов Н+ и ОН-, причем
катионы движутся к катоду, а анионы к аноду. При достижении катода
катионы восстанавливаются в соответствии с катодными реакциями,
При направленном движении ионов к соответствующим электродам катионы,
встречающие на своем пути катионопроницаемую мембрану К, свободно
проникают через нее. В то же время для анионов эти мембраны являются
практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов
через анионопроницаемую мембрану А, одновременно препятствующую
переносу катионов.
18
9 Очистка воды от растворенных газов
Удаление из воды растворенных газов – важная часть комплексного
технологического процесса обработки воды, реализуемого на ТЭС и АЭС.
Необходимость этого процесса вызвана стремлением уменьшить
интенсивность коррозии внутренних поверхностей теплосилового
оборудования под действием растворенных в теплоносителе агрессивных
газов. Кроме того, наличие в воде растворенной углекислоты отрицательно
сказывается на эффективности работы анионитных фильтров, установленных
в схеме очистки добавочной воды.
Один из основных потоков, подвергаемых дегазации – питательная вода
котлов. Однако растворенные газы удаляют и из потоков, не являющихся
непосредственно рабочим телом. Такими потоками являются химически
очищенная вода, подпиточная вода тепловых сетей, конденсат пара,
возвращаемый в тепловой цикл станции от внешних потребителей,
охлаждающая вода конденсаторов турбин. Наиболее эффективный способ
удаления растворенных газов из воды – десорбция.
Эффект дегазации можно повысить, увеличив удельную поверхность
раздела фаз пара и воды. В этом случае при прочих равных условиях
увеличивают время контакта воды с паром, не содержащим удаляемого из
воды газа. На эффект дегазации существенно влияет повышение
температуры воды, это обусловлено тем, что с повышением температуры
уменьшается коэффициент абсорбции газа водой.
19
10 Удаление свободной углекислоты
Удаление из воды свободной углекислоты методом аэрации широко
применяют на ВПУ ТЭС и АЭС. Использование термической деаэрации для
удаления углекислоты в этих схемах нежелательно вследствие нагревания
воды, которую пришлось бы после этого охлаждать для очистки в
последующих ступенях схемы водоподготовки. Сущность метода аэрации
заключается в продувании воздуха, свободного от углекислоты, через воду.
Таким образом, при использовании данного метода, так же как и при
термической деаэрации воды, над поверхностью обрабатываемой воды
создается атмосфера, в которой парциальное давление углекислоты
ничтожно мало по сравнению с парциальным давлением углекислоты в воде.
Удаление углекислоты производят в аппаратах, называемых
декарбонизаторами, а сам процесс носит название декарбонизации.
Декарбонизацию проводят в аппаратах как пленочного, так и барботажного
типа.
Удаление кислорода из воды производится десорбционными (физическими)
и химическими методами.
Десорбционный метод удаления кислорода реализуется в термических
деаэраторах, в которых происходит нагрев воды паром до температуры ее
кипения при одновременном равномерном разбрызгивании жидкости и
удалении из нее растворенных газов.
20
11 Деаэрация в деаэраторах атмосферного и пониженного давления
Деаэраторы атмосферного давления, точнее работающие под небольшим
избыточным давлением, применяются на ТЭС для деаэрации питательной
воды паровых котлов, испарителей, паропреобразователей, подпиточной
воды теплосетей (с охлаждением в водо-водяных теплообменниках), а также
для предварительной деаэрации загазованных составных частей питательной
воды паровых котлов ВД и СВД (обессоленная вода, бойлерный конденсат,
дистиллят, дренажи, конденсат из запасных баков – БЗК и др.), если их
нельзя направить для предварительной деаэрации в конденсаторы турбин.
Защитные устройства – гидрозатворы – для предотвращения заброса воды из
деаэраторного бака во внезапно остановившуюся турбину применяются на
ТЭС.
Вакуумная деаэрация может применяться при температуре 40–80 °С и
абсолютном давлении 0,0075–0,05 МПа. Вакуум создается и поддерживается
водяными эжекторами типов ЭВ-1, ЭВ-75, а при большой
производительности (более 400 м3/ч) еще и паровыми эжекторами,
например, типа ЭП-3-25/75 ХТГЗ, а также вакуум-насосами. Наиболее
целесообразна последовательная установка эжекторов: сначала парового
(первой ступени), а затем водяного, выполняющего одновременно роль
конденсатора. Водяной эжектор работает на деаэрируемой воде, подаваемой
затем в деаэратор.
21
12 Химические методы удаления газов из воды
Как следует из закона Генри, применение физических методов позволяет
удалять газ из воды лишь до известного предела, но не всегда имеется
возможность и необходимость устанавливать достаточно сложные аппараты
для удаления газов из воды. Поэтому на ТЭС повсеместно используются
химические методы обработки питательной и подпиточной воды, которые
можно подразделить на две группы: методы связывания газов путем
пропуска воды через материалы, реагирующие с газами, и методы
связывания газов путем ввода сильных восстановителей. Связывание газов
различными материалами проводится в процессах фильтрования воды. Так,
при пропускании воды через слой стальных стружек кислород связывается
металлом по реакции
3Fe + 202↔Fe304,
причем стехиометрическое количество металла для связывания 1 кг 02
составляет 2,6 кг, а с учетом неполного его износа — около 6 кг. Для полного
обескислороживания воды при 333—343 К достаточно 5—6 мин ее контакта
с металлом. Такой метод используется для обескислороживания подпиточной
воды.
Недостатком его является ограничение по карбонатной жесткости воды
(не более 0,5 — 1 мг-экв/кг.) Если использовать в качестве фильтрующей
среды мраморную крошку СаС03 или магномассу СаСО3 и MgO, то,
пропуская через них воду, можно перевести свободнорастворенный С02 в
ионную форму, например
СаСОз • MgO + ЗС02 + 2Н2О↔Са(НСО3)+Mg(HCO3)2
Этот метод иногда применяют в сочетании с десорбционным или
сталестружечным обескислороживанием для связывания С02 в целях защиты
оборудования от коррозии. При удалении кислорода из питательной воды
путем деаэрации остаточные концентрации его в воде в зависимости от типа
деаэратора составляют 10—50 мкг/кг. Этот остаточный кислород удаляют
введением в воду сильных восстановителей. Для обескислороживания
питательной воды барабанных котлов низкого и среднего давления
применяют сульфит натрия, при введении
которого кислород связывается согласно реакции
2Na2S03 + 02↔2Na2S04
22
с образованием хорошо растворимого и неопасного в коррозионном
отношении сульфата натрия.
При сульфитировании увеличивается солесодержание питательной воды,
поэтому его нельзя применять как метод обработки питательной воды
прямоточных котлов. В этом случае применяют гидразин в виде
гидразингидрата, который при взаимодействии с кислородом окисляется до
безвредных веществ без повышения солесодержания воды:
N2H4-2H20 + 02↔4H20 + N2.
Гидразин вводится в воду с избытком против стехиометрического с учетом
того, что часть его расходуется на восстановление высших окислов железа и
меди из отложений на трубах, например
6Fe203 + N2H4↔N2 + 2H20 + 4Fe304
2Cu20 + N2H4↔N2 + 2H20 + 4Cu
Следует иметь в виду, что соединения гидразина высокотоксичны, а
гидразингидрат при концентрации выше 40% горюч. Поэтому при работе с
гидразином на ТЭС должны приниматься специальные меры безопасности.
23
13 Методы обеззараживания воды
13.1 Хлорирование для обеззараживания воды хлорированием на
водоочистных комплексах используют хлорную известь, хлор и eгo
производные, под действием которых бактерии, находящиеся в воде,
погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы
клеток. Хлор действует и на органические вещества, окисляя их.
Способ дезинфекции воды – первичное хлорирование. В настоящее время
этим методом обеззараживается 98,6 % воды. Причина этого заключается в
повышенной эффективности обеззараживания воды и экономичности
технологического процесса в сравнении с другими существующими
способами. Хлорирование позволяет не только очистить воду от
нежелательных органических и биологических примесей, но и полностью
удалить растворенные соли железа и марганца. Другое важнейшее
преимущество этого способа – его способность обеспечить
микробиологическую безопасность воды при ее транспортировании
пользователю благодаря эффекту последействия быть увеличена вдвое.
24
8 Заключение
В данной работе я подробно постаралсь рассмотреть все способы
очистки воды применяемых в теплоэнергетике. Их плюсы и недостатки. Во
многих случаях наиболее эффективным оказывается комплексное
применение реагентных и безреагентных методов обеззараживания воды.
Сочетание УФ-обеззараживания с последующим хлорированием малыми
дозами обеспечивает как высочайшую степень очистки, так и отсутствие
вторичного биозагрязнения воды.
А также делаем вывод что при определённых показателях используемой
воды на ТЭС подбираются самые оптимальные необходимые конкретно для
нашей воды методы её очистки.
25
9 Список литературы
1. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподrотовка: Учебн. пособие ДЛЯ
вузов. М. Издательство Mry, 1996 r. 680 с; 178 ил.
2. Э.П. Гужулев, В.В. Шалай, В.И. и др. Водоподготовка и воднохимические режимы в теплоэнергетике: Учеб. пособие / Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2005. – 384 с
3. Стерман Л. С, Покровский В. Н. Физические и химические методы
обработки воды на ТЭС: Учебник для вузов.— М.: Энергоатомиздат,
1991.—
328 с:
4. Водоподготовка в энергетике: Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков
В.Ф.М-Издательский дом МЭИ,2006.
5. Общая химия. Глинка Н.Л. 30-е изд., испр. - М.: Интеграл-Пресс, 2003.
6. Лифшиц О.В.Справочник по водоподготовке котельных установок.- М.:
Энергия,1976.
7. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. Учебник для вузов. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1976.
8. http://www.bestreferat.ru/referat-61979.html
9. http://www.o8ode.ru/article/planetwa/rekuche/purewater/metody_o4ictki_ct
o4nyh_vod.htm
10.http://www.erudition.ru/referat/ref/id.31379_1.html
26