Теоретические и практические исследования процессов водоприготовления начались у нас уже несколько десятков лет назад под эгидой главного инженера к.т.н. Фошко Л.С. К его работам были привлечены лаборатория, математики, инженеры, техники. Результаты теоретических обобщений отражены в книге "Исследования по водоподготовке, топливу и маслам". Hа основе разработанной методики обобщения данных были проведены десятки, если не сотни, лабораторных работ по договорам с последующей выдачей рекомендаций и режимных норм применительно к условиям работы водоприготовительных установок ВПУ конкретных ТЭС.
Теперь несколько слов о себе. Вернее о том, какое отношение к процессам водоприготовления имеет автор данного раздела Протасов H.Г. Я вел экспериментально-наладочные, а также и теоретические работы, связанные с водоприготовительной установкой Астраханской ТЭЦ-2. В Курске я проводил работы по водоприготовлению на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-4. За счет договоров с этими объектами были проведены довольно обширные лабораторные исследования ионообменных процессов для разных составов вод. Есть также несколько работ расчетного характера. В основном я занимался ионообменными процессами. Что касается работы осветлителей, механических фильтров и декарбонизаторов, то здесь непосредственной наладкой этих стадий водоприготовления я не занимался, однако сталкивался с ними неоднократно в плане обследований, анализа работы по эксплуатационным данным и т.п.
Теперь вопрос: с чего начать? Очень много накопилось разных фактов и я боюсь как упустить какие-то существенные моменты, так и преждевременно вас утомить. Возможно, какой-то компьютерный фрагмент мог бы заменить кучу длинных слов. Возможно, какие-то последующие разделы можно будет читать независимо от других, и вы будете читать и осваивать то, что более подходит к вашим предпочтениям и на ваш вкус. Но я начинаю с той последовательности изложения, в плане которой я двигался сам в практических и теоретических расчетах. Что-то мне еще предстоит переосмыслить из излагаемого ниже материала и отобрать для последующих разделов. Ну а у вас, читающих этот раздел, есть возможность уяснить некоторые практические детали, которые не следует упускать.
Вряд ли вы впервые начинаете знакомство с водоприготовлением по моим материалам. Hо в общем-то не страшно, если это и в самом деле так. Мы начнем с по возможности простого, а часть опущенных мною моментов вы, в зависимости от уровня притязаний, найдете в учебниках (есть и простые, не заумные книги), в Руководящих Указаниях или в отчетах и инструкциях ДонОРГЭС. Моя задача не повторять все эти материалы, а дать те представления о природе вещей, опираясь на которые в перспективе можно было бы выйти на математический, т.е. приемлемый для компьютерной реализации аспект. Новичок, владеющий таким инструментарием, уже не новичок, а вооруженный человек.
Первая стадия водоприготовления это предочистка: осветлители и механические фильтры. В осветлителях производится известкование с коагуляцией. Основная суть известкования в реакции:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 + 2H2O т.е. известь осаждает жесткость в количестве, равном бикарбонатной щелочности исходной воды. Если жесткость исходной воды превышает щелочность, то это превышение в осветлителе не исчезает. Благодаря удалению в осветлителе части жесткости, мы понижаем солесодержание исходной воды и, тем самым, уменьшаем солевую нагрузку на последующие стадии обработки воды.
Кроме CaCO3, в осветляемой воде может выделяться в виде твердой фазы и Mg(OH)2, а также силикат магния. Остаточная концентрация всех этих компонентов зависит от так называемых произведений растворимости этих веществ, но строгого соответствия с теорией ионных равновесий здесь нет ввиду неидеальности процессов. Тем не менее, накопленный опыт позволяет оценивать состав осветленной воды и расчетным путем.
Для осветления в обрабатываемую воду вводится коагулянт - чаще всего сернокислое железо. Коагулянт образует коллоидные частицы, которые "зависают" в осветлителе на определенной высоте и создают этим шламовый фильтр, где фильтруются и доосаждаются продукты реакции известкования воды. Одновременно с этим происходит и частичное снижение окисляемости обрабатываемой воды. Главная интрига для наладчиков здесь заключается в чрезвычайной капризности этого шламового фильтра. И температура, и нагрузка осветлителя должны выдерживаться почти без колебаний или, при необходимости, очень медленно изменяться. Иначе шламовый фильтр разрушится и из осветлителя в больших количествах пойдет взвесь.
После осветлителей могут предусматриваться отстойники и обязательно предусматриваются механические фильтры, где улавливается, хотя и не 100%-но, остаточная взвесь.
Первый элемент после предочистки это, обычно, H-катионитовый фильтр первой ступени. Причем он часто состоит из двух корпусов: предвключенного и основного фильтра. Обрабатываемая вода проходит сначала через предвключенный корпус, затем через основной. Истощенный фильтр регенерируется серной кислотой, которая сначала подается на основной фильтр, а затем на предвключенный. Таким образом, основной фильтр оказывается более глубоко отрегенерированным, чем предвключенный, и, тем самым, он обеспечивает более глубокую обработку воды. Дело в том, что часть из ранее поглощенных катионитом катионов остается и в отрегенерированном катионите. Эти катионы вступают в реакции обмена с H-ионами фильтруемой воды и загрязняют ее. H-ионы образуются в процессе обмена катионов в воде на H-ион в ионите. В результате в фильтрат поступают кислоты HCl, H2SO4 и H2CO3. Чем выше содержание в фильтруемой воде сильных (диссоциированных) кислот HCl и H2SO4, тем выше содержание в фильтрате "противоиона" Н, тем в большей мере он (противоион) "выдавливают" из нижних слоев ионита оставшиеся там катионы натрия и жесткости (но в большей мере натрия), обусловливая, тем самым, так называемый "проскок", который ухудшает условия работы последующих стадий приготовления воды. Щелочные компоненты в поступающей на Н-катионитовый фильтр воде связывают противоион по схемам OH+H=H2O и HCO3+H=H2CO3 и этим улучшают работу как данного Н-катионитового фильтра, так и в целом обессоливающей установки.
Далее H-катионированная вода поступает на анионитовый фильтр первой ступени. Обычно это однокорпусный фильтр, загруженный слабоосновным (низкоосновным) анионитом АH-31. Слабоосновный он потому, что когда он находится в отрегенерированном виде, т.е. в ОH-форме, то имеет очень слабую наклонность отдавать свои ОH. Однако H-ионы, содержащиеся в поступающей на этот фильтр H-катионированной воде, нейтрализуют ОH по классической схеме H+OH=H2O и, таким образом, заставляют анионит менять ОH-ионы на анионы кислот. Правда, это относится, прежде всего, к анионам сильных кислот. А кремниевая кислота H2SiO3 идет транзитом через такой слабоосновный фильтр. С углекислотой - несколько иначе. В начале фильтроцикла цепочки и когда фильтр достаточно глубоко отрегенерирован, она может обменивать свои анионы на ОH. Однако затем эти анионы не только перестают поглощаться, но вытесняются и те, что ранее поглотились. Так что в целом углекислота тоже обычно проходит транзитом, если принимать во внимание весь фильтроцикл цепочки.
Hо тут еще вступает в силу упомянутый выше "проскок" натрия, создающий новый "противоион". Если, например, HCl обменивается по схеме: HCl+R-OH=HOH+R-Cl с образованием воды, то проскок натрия в аналогичной ситуации создает щелочь: NaCl+R-OH=NaOH+R-Cl. Этот возникший в паре с ионом натрия ион ОH и есть в данном случае так называемый противоион. Он конкурирует с анионами сильных кислот и вытесняет эти недорегенерированные анионы из нижних слоев анионита, создавая еще один "проскок" - по анионам. Он - противоион - мешает нормальному ионному обмену, и не только ухудшает качество анионируемой воды, но и из-за сокращения по этой же причине фильтроциклов сокращает обменную емкость ионитов, что приводит к последующему увеличению удельного расхода регенерирующих реагентов. Все то же, относительно "проскоков" и "противоинов", справедливо и применительно к фильтрам второй ступени. Поэтому я далее не буду повторяться, а напомню основные особенности ионитной части приготовления воды.
Первая ступень H-катионирования это обычно двухкорпусный (предвключенный плюс основной) фильтр. Основной фильтр загружается сильнокислотным катионитом (обычно КУ-2), а предвключенный тоже сильнокислотным или же другим. У нас он нередко загружается среднекислотным катионитом сульфоуглем. Среднекислотный он потому, что при обработке угля серной кислотой в нем образуются не только сильнокислотные группы, но и группы слабой кислоты, имеющую слабую склонность отпускать от себя ионы H. За H-катионитовым фильтром 1-й ступени идет, обычно, анионитовый фильтр 1-й ступени. Затем обычно декарбонизатор, затем фильтры второй ступени - сильнокислотный катионитовый и сильноосновный анионитовый фильтры (обычно КУ-2 и АВ-17). После этого еще может быть третья ступень ионирования - фильтр смешанного действия ФСД, в котором одновременно пребывают и сильнокислотный катионит и сильноосновной анионит. Перед регенерацией эти материалы разделяют, а после раздельной регенерации снова смешивают их.
Каждый фильтр проходит стадию рабочего фильтроцикла обработки воды до своего истощения, определяемого по увеличению проскока. После фильтроцикла идет операция взрыхления, в которой материал перемешивается и освобождается от мелочи и загрязнений. Затем фильтр регенерируется и после этого проходит стадию отмывки от остатков в нем щелочи или кислоты (сначала отмывка по линии регенерации, затем отмывка по рабочей схеме), после чего переводится в работу или в резерв.
Декарбонизатор служит для удаления углекислоты. Если ее не удалить здесь, в декарбонизаторе, то она будет поглощаться на сильноосновном анионите 2-й ст, а значит и непродуктивно истощать его. В декарбонизаторе углекислота перераспределяется между воздухом и водой. Чем выше температура и чем больше расход воздуха через декарбонизатор, тем эффективнее идет этот процесс. Однако при большом проскоке натрия после H-фильтра 1-й ст свободной углекислоты в фильтрате слабоосновного анионитового фильтра может и не быть. Может, как уже отмечалось, не быть свободной углекислоты также в начале фильтроцикла A1 (анионитового фильтра 1-й ст). В этих случаях декарбонизатор не сыграет свою полезную роль.
Возможно, мы в дальнейшем сможем описать это математически в виде несложного фрагмента, моделирующего процесс. А пока попробуем подняться на следующую и тоже не сложную ступень. Правда, язык в дальнейшем будет более лаконичным в части терминологии, поэтому не вредно будет, если вы посмотрите еще какой-то материал, касающийся процессов приготовления воды. Возможно, тогда вы из моих длинных отступлений оставите для себя например такой фрагмент.
Осветлитель. Снижает солесодержание исходной воды на величину, корреспондирующую с бикарбонатной щелочностью или временной жесткостью исходной воды. Шламовый фильтр этого аппарата очень капризен и требует стабильных нагрузки и температуры осветляемой воды, а также и стабильности дозирования реагентов.
Механический фильтр. Доочищает от взвесей осветленную воду.
H-катионитовый фильтр 1-й ст. H-катионирует воду c "проскоком", обусловленным глубиной его регенерации (прежде всего глубиной регенерации последних по ходу фильтруемой воды слоев) и содержанием анионов сильных кислот в осветленной воде. Чем меньше глубина регенерации и чем больше отмеченное содержание, создающее "противоион", тем больше упомянутый проскок. Это проскок, как и прочие проскоки, отразится на последующих фильтрах, ухудшая качество фильтратов и увеличивая удельные расходы реагента. Глубина регенерации обусловливается количеством потраченного на регенерацию реагента, его чистотой, а также качеством регенерируемого материала.
Слабоосновной ОH-фильтр 1-й ст хорошо обменивает анионы сильных кислот в кислой (H-катионированной) среде, но не обменивает анионы слабой кремниевой кислоты, хотя в какой-то мере способен обменивать анионы угольной кислоты. "Не любит" проскоков натрия в Н-катионированной воде, приводящих к появлению противоиона ОН.
Фильтры 2-й ст (сильнокислотный катионит и сильноосновный анионит) доочищают фильтрат 1ст по тем же законам, что и на предыдущей ступени, - глубина регенерации, противоион, проскок.
Каждый фильтр проходит стадии: фильтроцикл (до истощения); взрыхление (перемешивание материала и отмывка от мелочи и загрязнений); регенерация раздельная или совместная (совместно, т.е. одновременно регенерируются основной и предвключенный фильтры и часто фильтры второй ступени совместно с Iст, чем экономится щелочь и/или кислота).
Декарбонизатор удаляет свободную углекислоту сообразно ее концентрации в воде, температуре и расходу воздуха через декарбонизатор. Отсутствие этой операции увеличивает ионную нагрузку на анионит 2-й ст.
Цепочка - последовательность фильтров первой и второй ступени Н1-А1-Н2-А2, объединенных в один блок. Разом включаются в работу, разом отключаются на регенерацию и т.д. Более обычная схема - гребенка, когда каждый фильтр отключается на регенерацию после его истощения, не привязываясь к работе других фильтров.