Технология химводоочистки для производства тепла и энергии

Введение

 

На современных ТЭЦ (теплоэлектроцентраль) оборудование эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭЦ является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта. Таким образом, качество обработки воды тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью энергетических установок.

Вода является, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей обработки (очистки) используется для следующих целей:

а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, испарителях, паропреобразователях;

б) для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара;

в) для охлаждения различных аппаратов ТЭЦ;

г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.

Цель данного курсового проекта – разработать малоотходную технологию химводоочистки для производства тепла и энергии на ТЭЦ.

Задачи курсового проекта:

1. Создание технологической схемы химводоочистки для подпитки паровых котлов.
2. Расчет материального баланса.

    3  Выбор основного  оборудования химводоочистки.

      1 Физико-химическая характеристика процесса

 

1.1 Сезонные изменения качества  исходной воды и требования к умягченной воде

          Исходная вода - вода реки Чепцы, поэтому её качественный состав значительно меняется в зависимости от времени года и атмосферных осадков.

    Зимой, когда река покрыта льдом и питается почти одними грунтовыми водами (ключами), вода имеет наибольшее солесодержание (300-400 мг/л) и наибольшую жесткость (4-5 моль/л). Прозрачность её высокая более 70 см по «шрифту». Содержание железа (Fе) – 400 мкг/л.

   В период весенних паводков и осенних дождей, солесодержание, жесткость и прозрачность воды резко снижается (солесодержание 100-150 мг/л, жесткость общая 0,9-1,6 ммоль/л, прозрачность по «шрифту» от 0 до 10 см. Содержание железа (Fе) находится в пределах 8000-72000 мкг/л.

   В летнее время вода изменяет свой состав в зависимости от количества поступающих в неё атмосферных осадков (дождей). Общая щелочность, характеризующаяся наличием в воде бикарбонатов Са, Mg, Nа и К - находятся в пределах 0,9-4,5 ммоль/л. Содержание сульфатов и хлоридов небольшое и не представляет опасности для работы котлов ТЭЦ.

Нормы показателей качества химочищенной (умягченной) воды:

1. жесткость общая, мкг-экв/дм3………………………………...не более 10;
2. щелочность общая, мкг-экв/дм ……………………………….…200-800;
3. хлориды, мг/л………………………………………………….не более 30;
4. углекислота, мг/л……………………………………………….не более 5;
5. прозрачность, см по "шрифту"……………………………….не менее 70.

 

 

 

 

 

1.2 Существующие методы ионного умягчения воды

Обработка воды методами ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Материалы, обладающие свойством обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойством обменивать анионы,- анионитами. Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводят регенерацию, следующими методами:

а) Nа-катионирование - метод обработки воды основан на пропуске обрабатываемой воды через Nа-форму катионита, для чего предварительно катионит регенерируется поваренной солью (NаCI);

б) Н-катионирование - метод основан на пропуске обрабатываемой воды через катионит, отрегенерированный кислотой. В процессе фильтрования катионы, содержащиеся в обрабатываемой воде, обмениваются на ионы водорода, содержащиеся в катионите;

в) Н-катионитные фильтры в схеме параллельного Н-Nа – катионирования. Все технологические схемы Н-Nа-катионирования воды преследуют цель умягчать воду и одновременно снижать её щелочность и солесодержание, а также удалять образующуюся углекислоту. Схему параллельного Н-Nа-катионирования следует применять, когда нельзя использовать технологию Н-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров;

г) Н-катионирование с «голодной» регенерацией - регенерируются только верхние слои, а нижние остаются в солевых формах и содержат Са2+,Мg2+,Nа+.В ниже лежащих неотрегенерированных слоях катионита ионы водорода образовавшихся минеральных кислот обмениваются на ионы Са2+,Мg2+,Nа+. Происходит нейтрализация кислотности воды и при этом восстанавливается её некарбонатная жёсткость, а зона слоя, содержащего ионы Н+, смещается постепенно книзу;

д) NH4-катионирование - обрабатываемая вода фильтруется через слой катионита, отрегенерированный солями аммония. Содержащийся в катионите ион аммония обменивается на катионы Са2+, Мg2+, Nа2+;

е) Nа-Сl-ионирование - метод основывается на применение катионита в  Nа-форме и анионита в СI –форме; регенерация обоих ионитов проводится раствором поваренной соли. СI-ионирование осуществляется после предварительного Nа-катионирования.

 

 

1.3 Физико-химические процессы умягчения воды

Сущность процесса Na-катионирования

При фильтровании воды через Nа-катионит происходит замена содержащихся в ней катионов Са и Мg на обменные катионы Nа, которыми заряжен катионит:

2NaP+ Са2+=СаР2 + 2Nа+,

2NaP + Мg2+= МgР2 + 2Nа+,             (1.1)

где Р - неизменяемая часть катионита (матрица).

Изменение солевого состава в процессе Nа-катионирования:

- соли карбонатной жесткости:

Са(НСО3)2 + 2NаР = СаР2 + 2NаНСО3,

Мg(НСОз)2 + 2NаР = МgР2 + 2NаНСО3,           (1.2)

- соли некарбонатной жесткости:

СаSО4 + 2NаР = СаР2 + Nа2SO4,

МgSО4 + 2NаР = МgР2 + Nа2SO4,   (1.3)

СаС12 + 2NаР = СаР2 + 2NаС1,

МgС12 + 2NаР = МgР2 + 2NаС1.

В процессе Nа-катионирования осуществляется перевод труднорастворимых солей Са и Мg в водорастворимые -натриевые, неспособные образовывать накипь в котлах. Вместо солей карбонатной жесткости в фильтрате образуются бикарбонаты натрия или калия, поэтому умягченная вода имеет щелочную реакцию.

Сущность процесса Н-катионирования

При Н- катионировании катионы кальция (Са) и магния (Мg), содержащихся в воде, обмениваются на катионы Н, которыми заряжен катионит:

2НР + Са2+ = СаР2 + 2Н+,

2НР + Мg2+ = МgР2 + 2Н+ .   (1.4)

Изменение солевого состава умягченной воды в процессе Н-катионироваиия выражается следующими реакциями:

 

- соли карбонатной (временной) жесткости:

Са(НСО3)2 + 2НР+ = СаР2 + 2Н2О + 2СО2,

Мg(НС03)2 + 2НР+ = МgР2 + 2Н2О + 2С02,           (1.5)

- соли некарбонатной (постоянной) жесткости:

СаSО4 + 2НР+ = СаР2 + Н2SО4,

МgS04 + 2НР+ = МgР2 + Н2SО4,   (1.6)

СаС12 + 2НР+ = СаР2 + 2НС1,

МgС12 + 2НР+ = МgР2 + 2НС1,

- натриевые соли:

NаНСОз  + НР = NаР + Н2О + СО2,

NaCl + НР - NаР + НС1,     (1.7)

Na2SO + 2НР = 2NаР + Н2SО4.

Таким образом, при Н-катионировании происходит не только умягчение воды, т.е. удаление из воды катионов Са и Мg, но и частичная деминерализация воды благодаря образованию свободных минеральных кислот, которые придают кислотность умягченной воде. Таким образом, при Н-катионировании происходит не только умягчение воды, т.е. удаление из воды катионов Са и Мg, но и частичная деминерализация воды благодаря образованию свободных минеральных кислот, которые придают кислотность умягченной воде.

Во время умягчения воды на Н-катионитовых фильтрах кислотность умягченной воды непрерывно понижается, доходит до ноля, затем фильтр дает уже щелочную воду, щелочность которой непрерывно растет, хотя фильтрат (умягченная вода) еще имеет небольшую остаточную жесткость. Причина перехода "кислого" фильтра в "щелочную" фазу объясняется следующим: в сырой воде, кроме катионов Са и Мg присутствуют также катионы Nа. Катионы Са и Мg при прохождении через Н-катионит преимущественно поглощаются в верхних слоях сульфоугля, а катионы Nа - в нижних (реакция 1.7).

По мере истощения верхних слоев сульфоугля зона поглощения Са и Мg опускается ниже и достигает зоны, где ранее были поглощены сульфоуглем катионы Nа. В этот период катионы Са и Мg начинают вытеснять катионы Nа (реакции 1.2; 1.3), вследствие чего фильтрат постепенно переходит из "кислой" фазы в "щелочную". Щелочность фильтрата к концу этого периода может достигнуть величины щелочности сырой воды. Поступающий в фильтрат бикарбонат натрия и придает воде щелочную реакцию.

Кислую Н-катионированную воду, получаемую во время "кислой" фазы, недопустимо применять для питания котлов без нейтрализации ее кислотности. Поэтому перед использованием кислой воды ее смешивают с щелочной водой, получаемой с Nа-катионитовых фильтров с таким расчетом, чтобы вода имела избыток щелочности 200-800 мкг-экв/дм3.

Смешивание кислой и щелочной воды происходит в трубопроводе, идущем на декарбонизаторы. При смешивании Н-Nа- катионированной воды происходит нейтрализация минеральных кислот:

НС1 + NаНСОз = NаС1 + Н2О + СО2,

Н2SО4 +2NаНСО3 = Nа2SО4 + 2Н2О +2СО2.

 

 

2 Технологическая и эксплуатационная характеристика процесса

 

2.1 Описание существующей технологической схемы для подпитки паровых котлов

Исходная вода - вода реки Чепцы, поэтому ее качественный состав значительно меняется в зависимости от времени года и атмосферных осадков.

Водоподготовительная установка предназначена для получения из сырой воды химически очищенной (ХОВ): осветленной, умягченной и декарбонизированной, т.е. пригодной для подпитки паровых котлов. Производительность установки 350м3/час (технологическая схема химводоотчистки  для  подпитки  паровых  котлов ТЭЦ приведена на рисунке 1).

Сырая вода насосами береговой насосной подается по напорным циркуляционным линиям (правой и левой) в конденсаторы турбин, после чего, несколько подогретая, по сбросным циркуляционным трубопроводам (правому и левому) сливается в реку. Часть воды поступает на охлаждение в брызгальный бассейн для технического водоснабжения предприятия. Трубопроводы правого и левого сброса соединены перемычкой, из которой выходит трубопровод среднего сброса.

Теплообменник , служит для подогрева сырой воды до температуры 20-25°С. Сырая вода на пароводяной теплообменник, подается насосами сырой воды .

В трубопровод подогретой сырой воды подается коагулят для осветления методом коагуляции.

Коагуляция. В технологии осветления сырой воды применение коагуляции позволяет удалять из нее коллоидно-дисперсные вещества, обуславливающие цветность воды, и взвешенные частицы органического и минерального происхождения, обуславливающие мутность воды. Эти вещества отрицательно влияют на процесс умягчения воды, способствуют вспениванию котловой воды и образованию накипи на поверхностях нагрева.

Процесс коагуляции протекает непосредственно в осветлителях (1) производительностью по 150 м / час каждый.

Сырая вода с коагулянтом из распределительного коллектора поступает в центральную часть осветлителей, в воздухоотделители. Из воздухоотделителя вода опускается вниз по центральной трубе и поступает по разделительным трубам в зону шламообразования (зона взвешенного осадка).

В воздухоотделители насосами-дозаторами подается раствор полиакриламида (ПАА), количество которого задается также на основании пробной коагуляции. Благодаря большому объему зоны шламообразования и установленным в ней решеткам, вода имеет небольшую скорость восходящего потока, тем самым создаются хорошие условия для образования и осаждения скоагулированного шлама. В этой зоне ранее скоагулированные хлопья коллоидных веществ под действием ПАА укрупняются и уплотняются, образуя шлам, часть которого оседает на дно осветлителя (зона плотного осадка), а другая часть остается во взвешенном состоянии, являясь как бы фильтром для механических взвесей, поступающих с водой и ускорителем хлопьеобразования (коагуляции). Вода, поднимаясь в верхнюю часть зоны шламообразования, частично осветляется, направляется в короба верхней решетки, а затем по сливной трубе идет в два бака-сборника осветленной воды (2) , которые расположены рядом с осветлителями.

Из баков-сборников коагулированная и частично осветленная вода насосами коагулированной воды подается для дальнейшей обработки.

Устройство насосов коагулированной воды аналогично устройству насосов сырой воды. Эксплуатация, пуск в работу производится аналогично насосам сырой воды. Исключение составляет заполнение насоса водой. Насосы коагулированной воды работают под заливом, поэтому для заполнения насоса водой необходимо открыть задвижку на всосе, открыть воздушник и выпустить воздух из насоса. После этого насос готов к пуску.

Фильтрование на механических фильтра.Осветление воды есть процесс отделения ее от механических взвесей и коллоидных веществ, присутствующих в коагулированной воде. Без осветления воды механические примеси и коллоидные вещества могут вызвать нежелательные последствия:

а) появление шламовой накипи на внутренних поверхностях нагрева котла;

б) ухудшение качества пара за счет мелкой взвеси, собирающейся при работе котла на поверхности зеркала испарения.

Процесс осветления воды осуществляется на напорных однопоточных механических (кварцевых) фильтрах (3), в которых загружен кварцевый песок. Поступая на фильтр, мутная вода проходит через этот песок оставляет на его поверхности и в порах песка осадок отфильтрованных механических взвесей и коллоидных веществ, и выходит из фильтра прозрачной.