Применение электрохимического способа водоподготовки для систем оборотного водоснабжения

УДК 628.194

Эффективное использование оборотного водоснабжения может быть обеспечено только при условии решения проблем накиеобразования, коррозии и биобрастания. В статье показано, к чему может привести невнимание к проблеме накипеобразования. Отмечено, что использование в водооборотной системе электрохимических антинакипных аппаратов позволяет снизить эксплуатационные расходы более чем в три раза.

Ключевые слова: водооборот, водоподготовка, электрохимический способ.

Приведем наглядный пример: в конденсаторах электростанций мощностью 100000 кВт при жесткости охлаждающей оборотной воды 4,0 мг*экв/л толщина накипи достигла 2 мм при эксплуатации летом за полтора месяца, а зимой - за три месяца, что приводило к перерасходу пара до 7,5%. Перерасход охлаждающей воды в аппаратах химических производств рассмотрен на примере обследования работы реакторов химического предприятия г. Дзержинска (рис. 1).

За десять месяцев эксплуатации реакторов проходилось проводить 12- 14 остановок технологического оборудования для чистки теплопередающих поверхностей от накипи. Средний расход охлаждающей оборотной воды между чистками увеличивался с 3,8 тыс. м3/час до 4,7 тыс. м3/час, следовательно, перерасход охлаждающей воды составил примерно 23,7%. При стоимости воды 3 руб./м3 нерациональные затраты в денежном выражении составят около 23 млн. руб. в год.

Следует отметить, что к негативному фактору перерасхода охлаждающей воды и энергоносителя из-за накипи на теплопередающих поверхностях прибавляются дополнительные расходы на механическую (химическую) чистку с остановкой технологического процесса или на дорогую замену оборудования из-за повышенного его износа при чистке. При эксплуатации теплообменников в компрессорном цехе цементного завода, использующем воду с оборотной системы, затраты на чистку превысили 800 тыс. руб. в год.

Известно, что причиной накипеобразования в системе оборотного водопользования является наличие в природной воде бикарбоната кальция, определяемого показателем карбонатной жесткости (ЖК). Величина карбонатной жесткости может варьировать в различных источниках водопользования в широком интервале от 2 до 25 мг*экв/л, чаще всего - 2-7 мг*экв/л.
Проблема накипеобразования в оборотной системе водопользования усугубляется тем, что в процессе испарения воды в градирнях концентрация солей в сетевой воде увеличивается. Кратность увеличения концентрации солей характеризуется значением коэффициента упаривания (КУ).

Расчетный показатель карбонатной жесткости можно определить по формуле:
ЖКсет = ЖКисх х Ку,
где ЖКсет, ЖКисх - карбонатная жесткость сетевой и исходной (подпиточной воды; Ку - коэффициент упаривания.

Если обычно коэффициент упаривания используется в интервале 1,2-4, то, например, при небольшой исходной концентрации карбонатной жесткости 2 мг*экв/л значение карбонатной жесткости может увеличиваться от 2,4 до 8 мг*экв/л.

Большой объем исследований процесса накипеобразования в оборотных системах позволил определить предельную величину карбонатной жесткости, выше которой проявляется негативный процесс накипеобразования. В процессе исследований выявлены различные факторы, влияющие на эту величину, однако основным можно считать температуру нагрева оборотной воды в технологическом процессе и наличие сопутствующих хлоридов и сульфатов кальция (некарбонатная жесткость определяется суммарно по хлоридам и сульфатам кальция, мг*экв/л).

На рис. 2 приведены данные по величине предельной карбонатной жесткости в зависимости от температуры и значений некарбонатной жесткости.

Показательно, что даже при минимальном значении карбонатной жесткости в исходной воде (Жк = 2 мг*экв/л) имеет место накипеобразование при использовании оборотного водоснабжения в интервале температур 35-45°С и коэффициенте упаривания более 1,4 (Жсетк = 2,8 мг*экв/л).

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что при использовании испарительного оборотного водоснабжения для исходной воды с карбонатной жесткостью более 2 мг*экв/л необходимы дополнительные мероприятия, обеспечивающие безнакипной режим работы оборудования.

Условия использования оборотного водоснабжения благоприятны для биообрастания поверхностей оборудования и трубопроводов.

Благоприятными факторами являются: температура 15-45°С, высокое содержание кислорода, наличие легко усваиваемых органических веществ и биогенных элементов (азот, фосфор). Биообрастание носит сезонный характер, причем максимальная опасность прослеживается в летний период. Именно в этот период скорость биообрастания может превышать нормативный показатель - 0,07 г/м2*час. При рассмотрении мероприятий по уменьшению биообрастания важно учитывать, что наличие взвешенных веществ в охлаждающей воде крайне нежелательно, и их содержание не должно превышать 20 мг/л, а суммарная концентрация органических веществ не должна превышать по БПК - 10 мг О2/л .

В технической литературе приводятся данные о влиянии на коррозионную активность оборотной воды различных факторов (концентрации кислорода, агрессивной углекислоты, карбонатной жесткости, содержания ионов сульфата, хлорида и органических веществ) и рекомендуется десятибалльная шкала оценки коррозионной стойкости металла в воде, согласно которой при скорости коррозии 0,045- 0,45 г/м2*час оборотную воду можно характеризовать как слабо агрессивную. Для систем теплоснабжения этот показатель жестче - 0,085 г/м2*час.

Данные опытных и опытно-промышленных испытаний оборотных систем охлаждения позволяют говорить о двух возможных вариантах снижения коррозионной активности.

Первый заключается в том, что используются относительно высокие коэффициенты упаривания (2-4) и в оборотной воде поддерживают высокие (предельные) значения карбонатной жесткости (>5) и рН (рН>8). При данных значениях и температуре 30-50°С скорость коррозии варьируется в интервале 0,1-0,2 г/м2*час, т.е. оборотная вода проявляет слабую агрессивность (по десятибалльной шкале) даже при относительно высоких концентрациях ионов хлора и сульфатов.

Второе направление снижения коррозионной активности связано с применением ингибиторов.

Все технические предложения по снижению накипеобразования, биообрастания и коррозии можно подразделить на два основных направления: с использованием и без использования химического реагента.

Первые разработки для предотвращения накипеобразования, коррозии и биообрастания были связаны с использованием химического реагента. Такие способы как известкование, подкисление, обработка дымовыми газами, добавка неорганических фосфатов и некоторые другие не прошли опытно-промышленный отбор из-за громоздкости оборудования и сложности поддержания технологических регламентов.

В настоящее время большое количество работ связано с предложением об использовании фосфорорганических реагентов (антинакипинов). В частности, цинковая соль оксиэтилендифосфоновой кислоты (Zn ОЭДФ) имеет двойное действие – уменьшает накипеообразование и коррозию до нормативных показателей.

Опыт промышленного использования антинакипинов позволяет говорить о многообразии значимых физико-химических показателей подпиточной и сетевой воды на эффективность применения данного способа. Предлагается надежность работы водоподготовки с использованием антинакипинов проверять для каждого конкретного объекта на реальной воде с использованием рекомендуемых методик.

Опыт использования химических реагентов для подавления биообрастания, таких как хлор, медный купорос, цинк-хром-фосфатные смеси, обнаружил явление адаптации биоценоза к воздействию указанных реагентов. В частности, имеются данные о динамике изменения во времени дозировок хлора для обработки оборотной воды с 2 до 10 мг/л.

При использовании химических реагентов для подавления накипеобразования, коррозии и биообрастания есть еще одна негативная сторона.

При работе испарительных градирен имеет место каплеунос, а содержащиеся в нем биоциды рассеиваются на окружающей территории, ухудшая экологическое состояние воздушного бассейна и территории региона. При экономической оценке варианта с использованием реагентов важно учесть большой объем подпиточных вод и стоимость реагента. Так, при коэффициенте упаривания 1,2 подпитка в оборотную систему мощ- ностью 1000 м3/час составляет 60 м3/час. При стоимости реагента 200 руб./кг и дозе 5 г/м3 (0,005 кг/м3) затраты составят: 60 х 0,005 х 200 х 8640 = 518 400 руб./год. К данному расчету следует добавить затраты на ежедневный аналитический контроль сетевой и подпиточной воды.

При использовании реагентов в оборотном водоснабжении приходится частично сбрасывать их с продувочными водами в поверхностные водоемы. Плата за сбор в поверхностные водоемы также облагается штрафными денежными санкциями.
По технико-экономическим показателям и экологической чистоте более перспективными представляются безреагентные способы.

В настоящее время зарубежные и российские фирмы предлагают на рынке водоподготовки целый ряд электронных способов (Water King, Hydro Flow, «Термит» и др.), электрохимические, электродиализные и мембранные аппараты.

При большом их многообразии особенно важным является их сравнительный анализ по эффективности работы, спектру действия, капительным и эксплуатационным затратам.

В Германии протестирована эффективность работы нескольких десятков электронных и электрохимических аппаратов. Обнаружено, что выбранному критерию оценки (эффективность более 80%) соответствуют лишь единицы. Примечательно, что данный барьер эффективности намного превысили аппараты электрохимического действия. Электрохимические антинакипные аппараты в Германии начали использовать несколько лет назад, в то время как в России опыт их разработки и внедрения насчитывает более 20 лет

Предлагаемые электрохимические аппараты – бифункционального действия. Они, как правило, устанавливаются в системе оборотного водоснабжения до сетевых насосов в байпасном исполнении.

В варианте монтажа аппаратов в оборотной системе производительностью 1000 м3/час в водооборотную систему не только генерируются на ночастицы - центры кристаллизации, но и полностью улавливаются выросшие на этих центрах кристаллы солей жесткости и их укрупненные конгламераты, образовавшиеся в процессе кругового движения сетевой воды. Укрупненные частицы накипеобразующих солей улавливаются в электродных кассетах аппарата.

В настоящее время выпускается пять модификаций электрохимичесого антинакипного аппарата марки АЭА производительностью 25, 80, 120, 200, 350 м3/час. В практике использования аппаратов имеются и блочные варианты подключения аппаратов общей производительности более 1000 м3/час. Габариты аппарата наибольшей производительности (350 м3/час): высота = 1,6 м (без грузоподъемной стрелы), диаметр = 1 м, вес = 900 кг.

Спектр действия электрохимического аппарата типа АЭА-О при использовании его в оборотных системах имеет следующие отличия от других безгеагентных аналогов.

Выпадающие в объеме оборотной воды накипеобразующие соли полностью улавливаются в аппарате. За два-три месяца работы аппарат улавливает (в зависимости от загрязненности сетевой воды) до 200 кг накипеобразующих солей.
В аналоговых безреагентных аппаратах выделенные в объеме оборотной воды частицы накипеобразующих солей не улавливаются, а их возможные пути накопления в системе не исследованы. В лучшем случае предлагается дополнить использование аппаратов электронного действия фильтрами доочистки или предусмотреть дополнительные продувки оборотной системы водопользования.

В электрохимических аппаратах улавливаются не только частицы накипи, но и взвеси, попадающие в систему из окружающей среды (пыль, песчинки, частицы биообрастания градирен, гидрооксиды железа, образующихся в процессе коррозии трубопроводов, и др.).

Известно, что наличие в системе взвешенных веществ увеличивает эффект биообрастания и способствует язвенной коррозии трубопроводов и оборудования.

Электронные, магнитные, акустические безагрегатные аппараты не улавливают взвешенные частицы накипеобразующих солей и инородных взвесей.

Использование антинакипных аппаратов снижает коррозионную активность сетевой воды. В соответствии с актом использования антинакипных электрохимических аппаратов в оборотной системе водяного охлаждения компрессоров шахты «Ново- Кальинская» (ОАО «СУБР») сравнительный анализ теплопередающих поверхностей показал, что без использования аппарата АЭА обнаруживаются глубокие язвы (1,2-2,5 мм), а при использовании аппарата имеются лишь разовые неглубокие питтинги (0,1-0,2 мм).

Данные по антикоррозионному воздействию электронных, магнитных, акустических аппаратов крайне ограничены и противоречивы.

Обработка воды в электрохимических аппаратах уменьшает скорость биообрастания в системе. Влияние электрохимической обработки на биообрастание исследовалось и другими авторами с использованием аналогичного по плотности тока оборудования в условиях Цымлянской ГЭС. При постоянной поляризации плотности тока 0,15-0,2 А/м2 биомасса обрастаний снизилась в 4 раза, при плотности тока 2 А/м2 - в 25 раз. Следует отметить, что в аппаратах типа АЭА при условии постоянной поляризации используется плотность тока 2-10 А/м2.

Данные о влиянии других безагрегатных способов водоподготовки на процессы биообрастания элементов оборотной системы в технологической литературе отсутствуют.

Эффективное использование аппаратов подтверждено данными по работе промышленных объектов при использовании для подпитки воды, содержащей карбонатную жесткость в широком интервале от 2 до 25 мг*экв/л. Причем, в зависимости от жесткости воды имеется расчетная методика подбора необходимой модификации аппарата или блока аппаратов.
Указанные выше безреагентные аппараты электронного типа предлагается подбирать по диаметру трубопроводов вне зависимости от жесткости подпиточной воды. При расчетном подборе электрохимического аппарата используется показатель жесткости как подпиточной, так и сетевой воды. При эффективной работе аппарата расчетное значение выпавших солей жесткости должно быть практически равно количеству накипеобразующих солей, выгружаемых из аппарата АЭА в процессе периодической чистки.

При использовании аналоговых безреагентных аппаратов материальный баланс по накипеобразующим солям провести невозможно.

Эксплуатационные затраты при использовании электрохимического аппарата в системе оборотного водоснабжения производительностью 1000 м3/час составляют не более 8000 руб./мес. или 100 тыс. руб./год. При этом расход электроэнергии для работы аппаратов применительно к оборотной системе 1000 м3 не превышая 3,5 кВт/час.

Электрохимические аппараты прошли весомую обкатку на промышленных объектах. В настоящее время имеется опыт работы аппаратов на более 800 промышленных объектах практически по всем регионам России, а также в странах СНГ.

The main advantages of electrochemical water treatment for water recycling systems

Effective use of water recycling can only be achieved by addressing problems of scale formation, corrosion and vibrathane. The article clearly shows, the consequences of inattention to the problem of scale formation. It is noted that in the water circulation system antinakipin electrochemical devices can reduce maintenance costs more than three times.

Keywords: water circulation, water conditioning, electrochemical method.

Kazimirov Evgeny Konstantinovich, Ph. D. of chemical sciences, scientific-technical director, «Azov» LLC. Russia, 606002, Nizhny Novgorod region, Dzerzhinsk, Krasnoarmeyskaya str., 17A. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Kazimirov Oleg Evgenievich, Ph. D. of technical sciences, director general «Diesel» LLC, city of Dzerzhinsk, Novgorod region. Russia.
606002, Nizhny Novgorod region, Dzerzhinsk, Krasnoarmeyskaya str., 17A.

Журнал «Вода Magazine», №1 (101), 2016 г.