Водоподготовка в теплоэнергетике

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.

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 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.

6.4 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, например:

;
.

Анодные реакции:

;
;
.

Для предотвращения переноса ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся по реакциям (8.3) и (8.6), электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов (рис. 8.3).

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.

 

Принципиальная схема  многокамерного электродиализатора

7 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.

8 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.

9 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.

 

 

 

Струйно-барботажный деаэратор атмосферного давления  (ДСА-ДА):

1 – деаэраторный бак, 2 – деаэрационная колонка, 3 – барботер "домик", 4, 5 – верхняя и нижняя тарелки, 6 – фланцевый разъем, 7 – гидрозатвор-перелив, 9 – отвод выпара в охладитель, 10 – подвод химически обработанной воды, 11, 12 – подвод холодного и горячего конденсата, 13, 14 – подвод основного и барботажного пара, 15 – отвод деаэрированной воды, 16 – опорожнение, 17 – лестница, 18 – направляющий лист

При коагуляции воды без  известкования вакуумный деаэратор  может быть установлен на ВПУ после ввода реагентов, так как это позволяет уменьшить содержание в воде кислорода и СО₂, выделившейся при коагуляции.

В схемах с параллельным или последовательным Н-Na-катионированием или голодным Н-катионированием деаэратор целесообразно устанавливать вместо декарбонизатора после смешивания кислой воды со щелочной.

10 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

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.

11 Методы обеззараживания воды.

 

11.1 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.