Современные технологии подготовки воды для систем горячего водоснабжения (ГВС)
Современные технологии подготовки воды для систем горячего водоснабжения (ГВС). Доклад сделан на семинаре «Современные материалы и технологии реконструкции цехов химводоподготовки котельной».
В настоящее время для обеспечения потребителей широко применяются системы централизованного теплоснабжения, которые подразделяются на:
- теплосети с открытым водоразбором (открытая теплосеть)
- закрытые теплосети с промежуточными теплообменниками, расположенными в абонентских районах.
В последние годы также получают распространение и децентрализованные, индивидуальные системы отопления и горячего водоснабжения.
Основными задачами водоподготовки и рациональной организации вводно-химического режима котлов, парогенераторов, тракта питательной воды и тепловых сетей являются:
- предотвращение образования на поверхностях нагрева котлов, теплообменников и др. частей теплофикационных систем отложений накипи, окислов железа и т.п.,
- защита от коррозии конструкционных металлов основного и вспомогательного оборудования теплофикационных систем в условиях их контакта с водой и паром, а также при нахождении в резерве, длительном простое или на консервации.
Все вышеперечисленные мероприятия желательно проводить при минимальных капитальных затратах и с минимальными эксплуатационными расходами.
Требования по качеству подпиточной и сетевой воды устанавливаются в зависимости от типа теплосети:
Для теплосети с открытым водоразбором обработанная вода должна отвечать:
требованиям для воды хозяйственно-питьевого назначения, качество которой регламентируется СанПИН 2.1.4.559-96., в частности ГОСТ «Вода питьевая». Величина общей жесткости не должна превышать 7 мг-экв/л, железа - 0,3 мг/л, значение рН 9,0.
Качество воды для закрытой сети определяется видом применяемого теплофикационного оборудования (котла, бойлера и т.п.). К качеству воды для закрытой сети в связи с отсутствием непосредственного водоразбора на нужды населения предъявляются менее строгие требования, основной задачей является обеспечение безнакипного режима работы применяемого теплофикационного оборудования (котлы, бойлера) и нормативно допустимого уровня коррозионной активности. Так, может быть допустимым повышение значения рН до 10,5 при одновременном глубоком умягчении, определяющим показателем является значение карбонатного индекса, который в свою очередь определяет допустимый уровень накипеобразования - не выше 0,1.
Основным показателем безнакипного режима является величина карбонатного индекса - произведения общей щелочности на кальциевую жесткость, который имеет различные значения для данного температурного режима.
Обычно, основными нормативными документами, определяющими требования к качеству воды, являются:
- РД 24.031.120-91, РД10-165-97, РД10-179-98 – для параметров качества подпиточной воды
- СНиП II-35-76 «Котельные установки. Нормы проектирования»
- СНиП 2-04-07-86 «Тепловые сети»
- ПТЭ для электростанций и тепловых сетей РФ РД 34.20.501- 2002 и др.
Кроме этого, следует руководствоваться также рекомендациями производителей конкретного оборудования.
В последнее время с приходом на рынок зарубежных производителей, российских компаний активно занимающихся продвижением новых технологий и материалов для водоподготовки, наметилась тенденция для данных целей считать основными, современными способами подготовки воды, следующие:
- умягчение Na-катионированием с применением современных методов ионного обмена, с использование новых типов фильтрующих материалов и соответствующих им конструкций фильтров;
- декарбонизация воды с применением современных новых типов фильтрующих материалов(слабокислотных катионитов) и соответствующих им конструкций фильтров взамен Н - катионированием с «голодной» регенерацией
- очистка воды с применением мембранных технологий подготовки воды;
- применение программ химической обработки подпиточной воды с помощью дозирования современных более эффективных реагентов (ингибиторов коррозии, дисперсантов и ингибиторов солеотложения)
- также комбинирование всех вышеупомянутых методов
- альтернативные способы - в основном различные так называемые «преобразователи солей жёсткости» основанные на физических методах обработки воды
В данной статье мы представим только некоторую информацию об опыте применения первых двух ионообменных способах - умягчением Na-катионированием и декарбонизацией воды с применением современных новых типов фильтрующих материалов (слабокислотных катионитов).
1. УМЯГЧЕНИЕ.
Сегодня метод одноступенчатого параллельно-точного Na-катионирования применяется наиболее широко. Данный процесс реализуется в фильтрах (различной конструкции и размеров в зависимости от производительности, требований к проведению самого процесса и т.п.). Сам ионообменный процесс происходит при фильтровании воды через слой ионообменной смолы (представляющей собой сильнокислотный катионит в Na-форме), загруженный в фильтр и периодически, по истощению, регенерируемый раствором поваренной соли. При этом происходит замена солей кальция (Ca2+), магния (Mg2+) на натрий (Na+) по следующей схеме:
Таким образом, вместо кальция (Ca2+), магния (Mg2+), вводится эквивалентное количество натрия (Na+). В результате получается умягченная вода, но при этом щелочность исходной воды практически не меняется в ходе обработки, а в случае ее повышенного значения вода будет обладать усиленными коррозионными свойствами вследствие разложения щелочности при нагреве. В качестве фильтрующих загрузок обычно служат сильнокислотные катиониты типа КУ2-8 или сульфоуголь, регенерируемые поваренной солью.
Недостатками данного метода является:
- повышенный (обычно трехкратный) расход реагента (соли NaCl) по отношению к стехиометрии
- повышенный расход воды на собственные нужды
- повышенное содержание в сбросных водах хлоридов и натрия зачастую превышающих нормы.
- для получения глубоко умягчённой воды требуется вторая ступень
Современные способы ионирования и использование новых типов катионитов позволяют существенно оптимизировать процесс Na - катиониования – снизить расход реагентов на регенерацию, уменьшить расход воды на собственные нужды, сократить количество задействованного оборудования (фильтров). К таким методам относится противоточное катионирование, при котором поток фильтрата и регенерационного потока имеют противоположные направления. В частности, используется практически весь объем фильтра под загрузку катионита. Процент собственных нужд снижается до 3-4 %, расход соли уменьшается на 15-20 %. Появляется возможность получать фильтрат после первой ступени с качеством воды по жесткости не выше 10 –15 мкг-экв/л, то есть вторая ступень катионирования устраняется. Но стоит заметить, что данная технология требует высокой степени организации эксплуатации и желательна автоматизация технологических процессов.
Рис.1. Схема выполнения противоточного ионирования по технологии UPCORE
Сегодня, кроме традиционно применяемых для умягчения в муниципальных котельных катионита КУ2-8 и сульфоугля, на рынке появились новые зарубежные материалы - более стабильные по качеству и поставляемые в Na-форме.
Особо следует отметить, что перевод катионита из одной формы в другую непосредственно у потребителя приводит не только к повышенным трудозатратам и дополнительному расходу воды и реагентов, но и зачастую приводит к снижению эксплуатационных показателей, в первую очередь, динамической обменной ёмкости. Объяснением этому служит сама процедура перевода из Н-формы в Na-форму, при которой вначале необходимо «истощить» катионит, слив кислую воду в канализацию (что приводит не только к загрязнению сточных вод, но и к коррозии трубопроводов), а только затем дважды отрегенерировать раствором поваренной соли перевести в Na-форму. Следует отметить также, что сильнокислотный катионит в Н-форме при пропускании через него исходной воды до «истощения» кроме солей жёсткости захватывает из неё и другие ионы, в том числе ионы металлов (железа, алюминия и т.д.), которые при последующей регенерации раствором поваренной соли не удаляются. Следовательно, часть функциональных групп заблокирована, в результате чего обменная емкость катионита после таких процедур снижается. Этих негативных процессов не происходит в случае применения для процессов умягчения воды специально, в заводских условиях, изготовленных катионитов в Na-форме.
Дальнейшим усовершенствованием противоточных процессов послужила разработка и поставка на рынок ионитов в виде моносфер, т.е. смол имеющих узкий фракционный эффективный состав гранул (количество частиц эффективного размера -около 05-0.6 мм достигает 95 %, тогда как у обычных ионитов оно составляет примерно 40 - 45 %).
Однако, неплохих результатов можно достигнуть, если применить катиониты и с обычным грансоставом (0.3-1.2 мм), но изготавливаемыми и поставляемыми потребителям в Na-форме. В частности, для умягчения воды в котельной № 2 г. Нефтегорска был применён сильнокислотный катионит Тульсион Т-42 в Na-форме, с фракционным составом 0.3-1.2 мм.
Катионит Тульсион Т-42 для процессов умягчения может поставляться сразу в Na-форме (в отличие от отечественных катионитов типа КУ2-8, обычно поставляемых в Н–форме), поэтому не требует трудоёмких и материалоёмких процессов по переводу из Н в Na- форму, т.к. эта процедура специальным образом выполняется во время производства катионита. Всё это позволяет производить фильтрование более эффективно и с более высокими скоростями.
CИЛЬНОКИСЛОТНЫЙ КАТИОНИТ ТУЛСИОН Т- 42
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
| Наименование | Характеристика |
| Характеристика | Высокоактивная гелевая смола |
| Тип | Сильнокислотный |
| Функциональная группа | Сульфоновая |
| Структура матрицы | Сополимер полистирола |
| Ионная форма | Na+/H+ |
| Внешний вид | Сферические зерна янтарного цвета |
| Размер частиц, мм | 0.3 - 1.2 |
| Общая обменная емкость, мг.экв/мл | 1.8 – Н + форма 2.0 – Na + форма |
| Влажность, % масс. | 45% Na+ форма 52% H+ форма |
| Диапазон рН | 0-14 |
| Растворимость | Нерастворима в обычных растворителях |
| Плотность, г/л | 830÷870 Na+ форма 800÷840 H+ форма |
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
| Наименование | Характеристика | |
| Максимальная рабочая температура | 120?С для H+ формы 140?С для Na+ формы | |
| Толщина слоя смолы (min) | 600 мм | |
| Максимальный рабочий расход | 120 м3/час/м3 | |
| Набухание при обратной промывке | 40÷75% | |
| Расход обратной промывки при 40-75% набухания при 25?С | 10÷16 м3/час/м3 | |
| Регенерант | HCl и H2SO4 для H+ формы NaCl для Na+ формы | |
| Степень регенерации | 40÷160 г HCl/л 50÷160 г H2SO4/л 60÷160 г NaCl/л | |
| Концентрация регенеранта | 1,5÷5,0% для H2SO4/л 4÷8 для NaCl | |
| Расход при регенерации | 2÷16 м3/час/м3 | |
| Время регенерации | 20÷60 мин. | |
| Расход при промывке: медленная быстрая | Расход регенерации Рабочий расход | |
| Объем промывки | 3÷50 м3/м3 | |
УПАКОВКА: Смола расфасовывается в 25 килограммовые / 25 литровые водонепроницаемые мешки из полиэтилена и полипропилена и загружается в 20 – футовые морские контейнеры. Один контейнер вмещает 19000 кг катионита Т-42 в товарном виде
2. ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ
При подготовке подпиточной воды для систем ГВС, применяется также технология подготовки воды Н - катионированием с «голодной» регенерацией.
Технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией позволяет существенно снизить карбонатную жесткость воды с частичным уменьшением некарбонатной. Все ионы водорода, вводимые в катионит с регенерационным раствором, полностью задерживаются, и вследствие этого в отработанных сточных водах кислота практически отсутствует. Расход регенерирующего реагента - серной кислоты является стехиометрическим, т.е. расчетным. Недостатками данного метода при использовании сульфоугля или КУ2-8 в Н-форме (отечественные специальные слабокислотные катиониты широкого распространения не получили) является пониженные эксплутационные характеристики, в частности:
- низкая скорость фильтрования (до 10 м/ч)
- низкая обменная емкость (200-250 г-экв /м3), как следствие
- большие затраты реагентов и воды на собственные нужды
- увеличенное количество фильтров
- трудность в управлении процессом (особенно в случае применения КУ2-8) и, как следствие, нестабильное качество воды
Сегодня, на рынке появились зарубежные слабокислотные катиониты, зачастую называемые карбоксильными катионитами которые специально созданы для удаления карбонатной жёсткости т.е. декарбонизации. К ним в частности относится слабокислотный катионит Тульсион СХО-12, от индийской компании «THERMAX Ltd».
При ионообменном способе декарбонизации воды на слабокислотном карбоксильном катионите к водородной форме (как наиболее экономичном) происходит замена солей кальция (Ca2+), магния (Mg2+) на водород (Н+) по следующей схеме:
Таким образом, вместо кальция (Ca2+), магния (Mg2+), вводится эквивалентное количество водорода (Н+). Далее анионы HCO3- взаимодействуют с образующимися катионами Н+ по реакции:
HCO3- + H+ - H2O + CO2 ↑
В результате происходит снижение концентрации бикарбонатов путём их «разрушения» и образование в результате углекислого газа. При этом, происходит снижение рН воды. Далее, для стабилизации рН воды требуется её отдувка на дегазаторе
Основные характеристики слабокислотного катионита TULSION CXO – 12 MP
Tulsion CXO – 12 MP высшего качества макропористый слабокислотный катионит на основе акрилат-ДВБ, поставляемый в Н-форме.
Tulsion CXO – 12 MP обладает превосходной физической и химической стабильностью, а также низкой набухаемостью гранул при ионных переходах.
|
|
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
|
|
Примером тому, каким образом, можно внедрить современные технологии подготовки подпиточной воды для открытых систем ГВС, служит проведённая летом 2005 года реконструкция цеха ХВО котельной МУП «Нефтегорскжилсервис» в г. Нефтегорск Самарской области.
Данная котельная производит до 300 м3/час воды для отопления и ГВС всего города. Система ГВС является открытой, т.е. вода после подготовки и нагрева напрямую поступает к потребителям – в дома и квартиры жителей города. Технология подготовки воды для ГВС заключалась в Н - катионировании с «голодной» регенерацией на сульфоугле (производительность по очищенной воде до 260 м3/час) , либо сильнокислотном катионите КУ2-8 с последующим умягчением части воды для паровых котлов на установке двухступенчатого Na-катионирования (производительность по очищенной воде 40 м3/час). Фильтровальное, насосное оборудование, запорная арматура, трубопроводы и т.п. цеха ХВО данной котельной не подвергались капитальному ремонту либо замене в течение последних 20 лет, вследствие чего их изношенность достигла критического уровня.
Внешний вид ХВО до реконструкции представлен на фото 1.
Фото.1. Цех ХВО до реконструкции
По согласованию с заказчиком, была разработана новая технологическая схема, предусматривающая применение процесса декарбонизации на слабокислотном катионите взамен Н-катионирования с «голодной регенерацией» и умягчения на сильнокислотном катионите, поставляемом сразу в Na – форме вместо катионита КУ2-8. Учитывая, что источником исходной воды служит питьевая хлорированная вода из городского водопровода, для повышения срока службы катионитов предусмотрена предварительная очистка в виде фильтра ∅3.4 м заполненного активированным углём. После этого вода поступает на три фильтра декарбонизации ∅3.4 м, заполненные слабокислотным катионитом, один/два в работе, один в резерве. Образовавшийся углекислый газ после ионообменника отдувается в дегазаторе (декарбонизаторе) и поступает через деаэратор на нагрев. Часть декарбонизированной воды (40 м3/час из максимальных 300 м3/час) поступает на установку двухстадийного умягчения - для получения подпиточной воды паровых котлов.
Принципиальная схема представлена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная технологическая схема модернизированной ХВО котельной МУП «Нефтегорскжилсервис»
Реализация превосходных свойств современных фильтрующих материалов и технологий ионного обмена предъявляет особые требования к конструкции фильтров, и в первую очередь к организации дренажных систем фильтров. Лучшие результаты достигаются, когда конструкция фильтра изначально предназначена, т.е. спроектирована и изготовлена под конкретный процесс. Например, для противоточных схем ионного обмена однозначно лучшие расчётные параметры будут достигнуты, если нижняя и верхняя распредсистемы будут выполнены в виде определенного количества колпачков расположенных на плоских так называемых «ложных днищах». В тоже время в огромном количестве станций химводоочистки (ХВО) в различных котельных используются старые прямоточные фильтры, а средств на замену на новые и современные аппараты недостаточно. В этом случае, актуальным становится реконструкция ХВО. Таким образом, согласно разработанной технологической схеме кроме применения новых фильтрующих материалов, было запланировано также:
- применение дополнительно инертных фильтрационных материалов
- применение трубопроводов из полимерных материалов
- применение комплекса современных контрольно - измерительных приборов и регулирующей арматуры
- применение запорной арматуры импортного производства
- применение насосов- дозаторов для подачи раствора кислоты на регенерацию слабокислотного катионита взамен эжектора
- восстановление корпусов фильтров, баков и т.п. с применением современных материалов, нанесение новых антикоррозионных покрытий на внутренние поверхности, соприкасающиеся с водой и реагентами
- изготовление и монтаж верхних распредсистем, ремонт и модернизация нижних распредсистем фильтров
- реставрация системы регенерации Na-катионитных фильтров, начиная от резервуара мокрого хранения, фильтрования рассола на песчаных фильтрах, заканчивая ёмкостью-мерником.
Схема фильтрования во всех случаях прямоточная, а принцип реконструкции прямоточных фильтров с организацией верхней распредсистемыи инертным слоем для повышения эффективности фильтрования и отмывки катионита представлен на рис.2.
Следует отметить, что система ГВС г. Нефтегорск является открытой системой. Соответственно, качество подпиточной воды должно отвечать требованиям СанПИН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» и ГОСТ ГОСТ2874-82 «Вода питьевая», а применяемые фильтрующие и другие материалы, оборудование контактирующие с водой должны быть соответствующим образом сертифицированы. Поэтому в данном проекте были применены сертифицированные по «питьевым» стандартам РФ катиониты Тульсион Т42 и Тульсион СХО12.
Рис.2. Схема реконструкции прямоточных фильтров с организацией верхней распредсистемы и инертным слоем для повышения эффективности фильтрования и отмывки катионита
Ремонтно-восстановительные и монтажные работы по реализации технологической схемы были выполнены ООО «Самэнвиро» (г. Самара), пусконаладочные работы производились ООО «СВТ».
Особо следует отметить, что в данном проекте имеющиеся старые фильтры были сохранены и отреставрированы ООО «Самэнвиро» с применением современных материалов от немецкой фирмы Telve Beschichtungssysteme e.к, . Это позволило заказчику сэкономить значительные средства (до 50%) по сравнению с закупкой новых фильтров, а также полностью исключить затраты на соответствующие строительно-монтажные работы по их заменеВнешний вид ХВО после реконструкции представлен на фото 2,3,4.
Фото 2. Цех ХВО после реконструкции
Фото 3. Вновь установленная верхняя распредсистема фильтра
Ниже представлены расчетные показатели итогов применения карбоксильного катионита на котельной №2 г. Нефтегорска.
Ниже представлены расчетные показатели итогов применения карбоксильного катионита на котельной №2 г. Нефтегорска.
Качество исходной воды - Жо -7,5 мг-экв/л ; Що –6,5 мг-экв/л
Таб.1
| №/№ | Наименование показателей | Размерность | Сульфоуголь | Карбоксильный катионит | Примечание |
| 1 | Производительность ВПУ | м3/час | 200 | 200 | |
| 2 | Диаметр фильтров | мм | 3400 | 3400 | |
| 3 | Высота слоя катионита | м | 2,0 | 1,5 | |
| 4 | Объем катионита | м3 | 18 | 13,5 | |
| 5 | Скорость фильтрования | м(м3/ч) | 10 (100) | 25 (230) | |
| 6 | Рабочая обменная емкость | г-экв/м3 | 300 | 1600* | *емкость является расчетной |
| 7 | Количество фильтров в работе | шт. | 2 | 1 | |
| 8 | Величина фильтроцикла | м3 | 900 | 3600 | |
| 9 | Количество регенераций в сутки | шт. | 5,3 | 1,3 | |
| 10 | Расход кислоты на регенерацию | кг | 270 | 800 | |
| 11 | Расход кислоты в сутки | кг | 1450 | 1050 | |
| 12 | Расход воды на одну регенерацию | м3 | 160 | 250* | * при расчетной дозе кислоты |
| 13 | Расход воды в сутки | м3 | 320 | 325 |
В результате внедрения карбоксильного катионита удалось снизить:
- количество работающих фильтров в два раза
- количество регенераций в 4 раза
- количество кислоты в сутки снизилось на 27 %
- появилась возможность (в зависимости от дозы кислоты и процента подмеса сырой воды) получать химочищенную воду с нормативным качеством для различных температурных режимов на котлах.
Применение же сильнокислотного катионита в Na – форме ТулсионТ42 в совокупности с организованной системой механической фильтрации подготовки регенеранта - рассола поваренной соли NaCl, также позволило снизить эксплуатационные расходы – объём воды на собственные нужды и количество поваренной соли на регенерацию до 10 %.
Опыт применения Тульсион Т-42 в Na-форме для процессов умягчения показал также его эффективность по сравнению с некоторыми другими катионитами.
В качестве примера в таб.2 приведены усреднённые данные пусконаладочных работ по внедрению сильнокислотного катионита Тульсион Т-42 в Na-форме в ОАО «Энергонефть» г. Отрадный, а в таб.3 приведены эксплуатационные данные работы катионита Тулсион Т-42 (Na-форма) на ВПУ Энгельсской ТЭЦ-3 ОАО «Саратовэнерго».
Таб.2. Эксплутационные данные натрий катионитового фильтра
1 ступени диаметром 1000 мм, загруженного КУ2-8
(ООО "Энергонефть Самара" цех № 7 котельная № 4.)
| Ж исх. воды | фильтро цикл (м3) | режим регенераций | конц. NaCl (%) | кол-во NaCl (кг) | уд.расход NaCl (г/г-экв) | V загр. смолы (м3) |
| 12,1 | 60 | прямо - точный | 6 | 150 | 300 | 1,6 |
| 11,5 | 70 | 6 | 150 | 300 | 1,6 | |
| 11,8 | 70 | 6 | 150 | 300 | 1,6 |
Эксплутационные данные натрий катионитового фильтра 1 ступени диаметром 1000мм, после замены катионита на Тулсион Т-42 (Na-форма).
| Ж исх. воды | фильтро цикл (м3) | режим регенераций | конц. NaCl (%) | кол-во NaCl (кг) | уд.расход NaCl (г/г-экв) | V загр. смолы (м3) |
| 12,1 | 60 | прямо - | 6 | 150 | 300 | 1,6 |
| 11,5 | 70 | 6 | 150 | 300 | 1,6 | |
| 11,8 | 70 | 6 | 150 | 300 | 1,6 |
Таб.3. Эксплуатационные данные работы катионита Тулсион Т-42 (Na-форма) на ВПУ Энгельсской ТЭЦ-3 ОАО «Саратовэнерго» (период 2004 – 2005 гг.) в сравнении с катионитом КУ2-8
|
Тип фильтра |
Средний фильтро цикл (м3) | Высота загрузки (м) | Объем загрузки (м3) | Удельная выработка воды (т/м3 загрузки) | Удельный расход поваренной соли (г/м3 выр. воды) | Расход воды на собственные нужды (м3) | % собственных нужды |
| Прямоточные фильтры O 3,0 м | |||||||
| Na1 (КУ2-8) | 4724 | 1,8 | 12,6 | 375 | 190,5 | 150 | 3,1 |
| Na1 (Тулсион Т-42) | 5895 | 1,4 | 10,0 | 582,5 | 154,5 | 2,5 | |
| Противоточные фильтры O 2,0 м | |||||||
| Na1пр (КУ2-8) | 3728 | 2,0 | 6,3 | 595 | 188 | 75 | 1,74 |
| Na1пр (Тулсион Т-42) | 4160 | 2,0 | 6,3 | 660 | 168,3 | 1,56 | |
Во всех случаях данный катионит применялся взамен катионита КУ2-8 российского производства.
Проанализировав представленные данные очевидно, что во всех случаях данный катионит более эффективен в эксплуатации. Межрегенерационный период (продолжительность фильтроцикла) увеличился за счёт более высокой обменной ёмкости, а удельные расходы регенеранта снизились.
Поставщиком данных материалов является компания ООО «СВТ-ЦЕНТР», г. Самара.
Более подробную информацию о водоподготовительных установках и способах решения Вашей проблемы, а также об условиях сотрудничества можно получить, сделав запрос или обратившись в офис компании.
Группа Компаний «СВТ»:
Режим работы: понедельник - пятница, 900 - 1800