Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные сравнительные характеристики и показатели электрохимического способа водоподготовки

Казимиров Е.К., ООО "Азов";

Казимиров О.Е., ОАО "Дизель";

Кочев А.Г., ТГС ННГАСУ;

Лучинкина А.Е., ННГАСУ

Способы водоподготовки для энергетических объектов с целью достижения нормативного показателя накипеобразования можно подразделить на два основных вида:

- химические - с использованием реагентов

- нехимические - без использования реагентов

Химические способы, например ионообменный и комплексонатный, имеют исторически более длительный период использования и совершенствования. Так, начиная с 40-х годов прошлого столетия, комплексонатный способ прошел стадии от использования неорганических фосфатов до применения органических фосфатов, а затем фосфатов бинарного действия, содержащих фосфаты и цинк. В настоящее время имеются коммерческие предложения об использовании более 200 наименований антинакипинов, выпускаемых промышленностью. Не вдаваясь в детальный анализ показателей химических способов водоподготовки, отметим два основных фактора:

- экологический

- эксплуатационный

Наличие экологической проблемы при использовании традиционных ионообменных способов водоподготовки общепризнано. Показательной, например, является статья Я. Щелокова, в которой, обсуждая использование традиционного способа Na-катионирования в Свердловской области, отмечается что по данным "Свердловскэнерго" на обработку подпиточной воды ежегодно расходовалось свыше 1000 т серной кислоты, 3000 т поваренной соли, 100 т катионита, а в водоемы сбрасывалось 900000 мі солевых растворов.

Мнения об экологичности комплексонатных способов полярны. На Наш взгляд, при использовании комплексонатного способа загрязнение окружающей среды минимизировано только для энергетических объектов с малым объемом подпиточной воды, а следовательно, и стоков. Именно для таких объектов использование комплексонатного способа зачастую оправдано.

Для объектов с большим объемом подпиточной воды, а это в первую очередь системы горячего водоснабжения и оборотного водопользования, вопросы фактического загрязнения окружающей среды крайне актуальны.

При рассмотрении экологичности объекта недостаточно соблюдение требования о том, чтобы концентрация комплексона в сетевой воде соответствовала норме ПДК (предельно-допустимой концентрации).

Необходима общая оценка сброса токсичных ингредиентов и их влияние на загрязнение поверхностных водоемов.

Если принять дозу реагента 5 мг/л (0,005 кг/мі), а количество подпитки единичного объекта ГВС - 10 мі/ч, то количество реагента в стоке из системы ГВС составит:

0,005 * 10 * 24 * 30 * 12 = 4320 кг/год

Важно отметить, что большинство поверхностных водоемов РФ уже имеют превышения ПДК по органическим компонентам, фосфору и цинку, содержащихся в комплексонатном реагенте (таблица 1).

В разработанной на уровне Правительства РФ "Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года" признано, что "Большинство водохозяйственных участков Российской Федерации характеризуются высокой степенью загрязнения водных объектов и низким качеством воды. Наиболее напряженная обстановка сложилась в бассейнах рек Волги, Оби, Енисея, Амура, Северной Двины и Печоры, загрязнены так же поверхностные воды бассейнов рек Дона, Кубани, Терека и бассейна Балтийского моря".

Эксплуатационный фактор связан с необходимостью единичного подбора комплексонного реагента применительно к конкретному энергообъекту и поддержания концентрационного его параметра в сетевой воде путем дозирования реагента на базе данных регламентированного аналитического контроля. Особая сложность в реализации аналитического контроля возникает на региональных, децентрализованных энергообъектах.

Параллельно с промышленным использованием и совершенствованием химических способов водоподготовки был накоплен опыт по разработке и использованию нехимических способов и аппаратов, предотвращающих накипеобразования на энергетических объектах.

В настоящее время подавляющее большинство нехимических способов и аппаратов водоподготовки имеют коммерческие названия ("Water King", "Термит", "Конвекторы воды - КВ", "Anti Ca++", "Максимир", "Аквадер", "Hidro Flow", "Biostat-Combi" и др.), из которых сложно понять какой именно физический процесс лежит в основе данного устройства.

Особенно важным является их сравнительный анализ по спектру действия, наличию процесса релаксации, капитальным и эксплуатационным затратам с учетом основного и вспомогательного оборудования и, особенно, эффективности работы.

Все нехимические способы водоподготовки объединяет, помимо отсутствия вводимых реагентов, создание активных центров кристаллизации накипеобразующих солей в объеме сетевой воды. Принимая данный фактор общности, полезно рассмотреть целый ряд практических вопросов:

1. Каков механизм образования центров кристаллизации, их природа и роль?

2. Каково количество центров кристаллизации и их дееспособность во времени?

3. Какова скорость агрегирования частиц, выпадающих в сетевой воде, и их размеры?

4. Где улавливаются агрегированные частицы накипеобразующих солей?

5. Возможно ли проведение усредненного материального баланса выделившихся и уловленных частиц на установке водоподготовки?

Рассмотрим данные вопросы в сравнительном варианте на примере электрохимического способа водоподготовки (аппараты типа АЭ-А).

Рисунок 1 Основные элементы аппарата закрытого типа: 1. Электродная кассета; 2. Графитированный анод; 3. Ограничитель потока; 4.Стальной катод; 5. Корпус аппарата; 6. Фланец входа; 7. Фланец выхода; 8. Фланец крышки

Основной частью электрохимического аппарата (рис.1) является электродная кассета. При оптимальной плотности тока в прикатодной зоне за счет электрохимической реакции:

2H₂O + 4O₂ + 4e = 4OH- (1)

образуется щелочная среда со значение рН = 11-12 .

В данной щелочной среде растворенные в воде бикарбонаты кальция и магния переходят в нерастворимые карбонаты за счет реакции:

Са₂₊ + HCO_-3 + OH- > CaCO₃v + Н₂О (2)

На данной стадии образуются миллиарды мономолекул и наночастиц карбоната кальция, которых с избытком хватает для дальнейшего инициирования агрегативного связывания солей накипи, выделяющихся в сетевой воде теплоагрегатов в процессе ее нагрева и транспортировки до и после потребителя. Таким образом, обеспечивается безнакипной режим теплопередающих поверхностей как самих теплоагрегатов (котел, теплообменник), так и теплотрасс.

Магнитные, электромагнитные, ультразвуковые, акустические устройства создают в сетевой воде структурно-энергетические центры кристаллизации, которым свойственен элемент затухания (релаксации) во времени и расстоянии от точки воздействия, а так же при наличии узлов разрыва струи или функционирования мощных сетевых насосов. По данным различных авторов, зона действия выше приведенных неэлектрохимических способов обработки составляет от десятка до нескольких сотен метров от точки приложения.

При использовании магнитного, электромагнитного, акустического воздействия нет однозначной трактовки механизма образования центров кристаллизации. Наиболее часто авторы, использующие данные виды воздействия, постулируют образование энергетически активных центров, в которых образуется карбонат кальция в форме арагонита, имеющего слабую адгезию к теплопередающим поверхностям и малую когезию между кристаллами. Однако, если не удалять их из теплосети, то арагонитная форма карбоната кальция с течением времени переходит в более стабильную модификацию - кальцитную, а это чревато вторичным накипеобразованием на теплопередающих поверхностях.

По нашим данным, переход от одной модификации в другую в реальном цикле теплоагрегат - потребитель - теплоагрегат может протекать в течение 8-16 часов.

Имеется большой объем исследовательских данных о статике и динамике образования и роста кристаллов карбоната кальция без использования "затравки" (генерированных центров кристаллизации). Так, исследование кинетики образования полиморфных агрегатов карбоната кальция в пересыщенных растворах позволил установить:

- время зародышеобразования ? 40 минут

- максимальные размеры кристаллов осадка (кальцита) - 136*10-7мкм

- время роста агрегатов - 40-240 минут

Опытные данные, полученные на модельной электрохимической установке выявили значительное ускорение времени зародышеобразования и времени роста агрегатов за счет коагуляционного влияния электрических полей.

Процессы образования центров кристаллизации начинаются практически сразу после включения тока. Этот фактор позволяет избежать необходимости предварительной обработки сетевой воды после сезонной или аварийной (с утечкой) остановки теплоагрегатов.

К указанному выше следует добавить еще три наиболее существенных отличия электрохимического способа от аналогов. Первый связан с вопросом о том, что делать с выделившимися в центрах кристаллизации взвешенными частицами накипи. При использовании магнитных, электромагнитных, акустических аппаратов для их удаления нужна или дополнительная продувка (сброс и дополнительная подпитка) или соответствующие фильтры. На практике в большинстве случаев не используется ни то, ни другое, а выделенные накипеобразующие соли высаживаются на различных участках теплосети или вызывают "вторичное" загрязнение теплопередающих поверхностей.

Примечательно, что в коммерческих предложениях обычно указывается стоимость только аппарата.

Нами исследован дисперный состав отложений накипи с использованием электронного микроскопа Jeol JSM-6490 с энергодисперсным рентгеновским микроанализатором JNCA 350 (рис.2).

С учетом дисперсности для улова неагрегированных частиц (зародыши активного центра) необходимы такие типы фильтра, как мембраны, активированный микропористый уголь, а для улавливания агломератов дополнительно можно использовать мелкозернистый диатомитовый порошок. При реализации стадии фильтрации в непрерывном процессе возникают вопросы потери давления, регенерации и утилизации материалов фильтра. водоподготовка накипеобразование электрохимический

Все данные вопросы отпадают при использовании электрохимического способа. Электрохимический аппарат подключается в тепловой сети до сетевого насоса и подпитки в байпасном варианте (рис.4, рис.5).

Рисунок 4. Принципиальная схема обвязки аппарата: 1. Аппарат типа АЭ-А; 2. Блок сетевых насосов; 3. Вентили в обвязке аппарата; А - теплотрасса сетевой воды от потребителя (обработка); Б - трубопровод подачи необработанной воды (городской или локальный водозабор); В - теплотрасса подачи сетевой воды в теплоагрегат (котел, теплообменник) и далее потребителю

Рисунок 5. Аппараты АЭ-А-200, работающие в котельной № 12 "Тепловые сети г. Балашихи", Московская область

Вся сетевая вода после теплоагрегатов и потребителя проходит через аппарат, в котором при определенной плотности тока накипеобразующие соли дисперсностью 5-40 мкм количественно улавливаются на катодной пластине аппарата. На рис.6 показана электродная кассета с уловленными солями жесткости в аппарате типа АЭ- А-120.

Чистка электродных кассет при помощи элементарного скребка от уловленных солей жесткости осуществляется в зависимости от карбонатной жесткости сетевой воды и температурного графика через 2-4 месяца эксплуатации. Продолжительность чистки составляет 4-5 часов (2 работника) (рис.7). При этом вследствие байпасного подключения к сети остановка теплоагрегатов не производится.

Второе существенное отличие электрохимического способа от аналогов заключается в том, что в аппарате улавливаются не только накипеобразующие соли кальция и магния, а так же суспензии солей трехвалентного железа, силикатсодержащие частицы, биочастицы и др. таким образом, аппарат выполняет функции и грязевика. Данный вывод подтверждается опытом работы и анализом состава уловленной взвеси в аппарате на нескольких сотен энергообъектах.

Третий отличительный фактор заключается в том, что при использовании электрохимического способа эффективность работы можно подтвердить материальным балансом. Рассмотрим на простом примере: карбонатная жесткость подпиточной воды из городского водопровода (Ж-исх) 5 г*экв/мі, жесткость сетевой воды (Ж-с) 3 г*экв/мі, величина подпитки 10 мі/ч, тогда количество выделяющейся накипи (G) за три месяца составит:

G = (5 - 3) * 10 * 24 * 30 * 3 = 43200 г = 43,2 кг

Если при чистке аппарата выгружено 43,2 кг солей (в пересчете на Са), то схождение реального завеса и расчетного составляет 100%. По опыту, схождение реальных и расчетных данных (без учета солей железа, силикатов и др.) составляет не менее 80%.

Для аналогов критерием оценки эффективности обработки является только чистота теплопередающей поверхности, а чистота теплотрасс, коммуникаций потребителя не учитывается. Легко прогнозируется вариант, когда при чистой теплопередающей поверхности зарастает накипью какой- либо участок теплотрассы или, например, полотенцесушитель у потребителя.

Если вернуться к вопросу схождения реальных и расчетных данных, то, как показывает опыт установки электрохимических аппаратов в действующих котельных, в первый год эксплуатации расчетные показатели меньше реальных, что связано с вымыванием старых отложений как в теплоагрегатах, так и теплотрассе. Факт очистки теплосистем от старой накипи зафиксирован актами на действующих объектах.

При большом многообразии коммерческих предложений по аппаратам нехимического действия особенно важным критерием является их сравнительный анализ. Учитывая это в Германии разработана и действует стандартная методика сравнительной оценки. Согласно данной методике тестируются как минимум два аппарата водоподготовки, установленных в сети контрольного энергетического объекта. Результаты работы сравниваются с показателями работы того же объекта без использования водоподготовки. Эффективность работы оценивается по значению параметра F, который определяется по формуле:

F = (Мнеобр. - Мобр.) / Мнеобр.,

где Мнеобр. - средняя масса ионов кальция и магния, осевшая на теплопередающих поверхностях энергообъекта, работающего без установки водоподготовки;

Мобр. - средняя масса ионов кальция и магния, осевшая на теплопередающих поверхностях энергообъекта с обработкой воды конкретным способом (аппаратом).

Способ (аппарат) рекомендуется к применению при условии, что F > 0,8. Согласно данным, полученным в Германии для нескольких десятков протестированных аппаратов, этому критерию соответствуют только единицы. Примечательно, что данное условие намного превысили электрохимические аппараты.

Электрохимические аппараты в Германии начали выпускать несколько лет назад, в то время как ООО "Азов" имеет опыт их разработки и внедрения более 15 лет. За указанный период электрохимические аппараты типа АЭ-А установлены более чем на 700 энергетических объектах.

Вероятно, важно остановиться и на вопросе энергозатрат при работе электрохимического аппарата, т.к. оппоненты или говорят вообще о больших расходах электроэнергии, или приводят нереальные цифры, например 0,2-0,5 кВт/ч на 1 мі воды, при этом, не указывая какой воды (подпиточной или сетевой) и за какую единицу времени.

Приводим производственные данные:

Аппарат АЭ-А-350 производительностью 350 мі/ч по сетевой воде (сетевой насос 350 мі/ч - примерно котлоагрегат на 4-7 Гкал) потребляет 1 кВт/ч электроэнергии. При подпитке 10 мі/ч имеем следующие расходные данные: 0,003 кВт/ч на 1 мі/ч сетевой воды и в пересчете на подпиточную воду - 0,1 кВт/ч.

Контроль за работой аппарата типа АЭ-А осуществляется по показателю расчетного тока, оптимальный интервал которого указывается в режимной карте при пуско-налодочных работах. Снятие показателя рабочего тока может осуществляться в постоянном режиме на пульте управления теплоагрегатами или визуально аппаратчиком по амперметру блока питания, поставляемого в комплекте с аппаратом.

Для систем отопления и ГВС выпускается пять модификаций аппарата АЭ-А: 25,80,120,200,350. В монтажной практике используется, например, или один аппарат АЭ-А-350 (при мощности сетевых насосов 350 мі/ч) или блок аппаратов, например, три аппарата АЭ-А-350 (при мощности сетевых насосов 1000 мі/ч).

Использование электрохимических аппаратов ограничено и требует дополнительных условий:

- для обеспечения безнакипной работы жаротрубных котлов. При наличии жаротрубных котлов аппараты АЭ-А используются при условии организации двухконтурной схемы (котлоагрегат-теплообменник и теплообменник-потребитель) во втором контуре.

- при значениях рН подпиточной воды менее 7,2 и карбонатной жесткости при этом менее 2,0 мг*экв/л. В этих условиях аппарат АЭ-А используется совместно с аппаратом коррекции рН.

- при температурных режимах работы котлоагрегатов более 115 0С (паровые котлы).

Аппарат используется только во втором контуре: теплообменник-потребитель. При этом подпитка второго контура осуществляется необработанной водой из источника водоснабжения.

Литература

1. Казимиров Е.К., Казимиров О.Е. Теоретические и практические аспекты использования электрохимического антинакипного способа водоподготовки. // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. № 4, 2008 - с. 48-54.

2. Едаков А.И., Казимиров Е.К. Новейшие решения: водоподготовка на небольших котельных, работающих по температурному графику 95/700С. // Новости теплоснабжения, № 5, 2008 - с. 49-51.

Размещено на Allbest.ru