Ключевое звено
Мы с вами знаем, что врачебная ошибка скажется на пациенте довольно скоро. Ошибки же учителей могут дать о себе знать через несколько лет, а то и десятилетий. Но от этого они не перестают быть менее опасными…
Что-то подобное можно сказать и о теплоснабжении. Ошибки теплотехников, как правило, сказываются сразу же после пуска системы теплоснабжения. Ошибки же специалистов по водоподготовке (химиков) могут проявиться не сразу, а через несколько недель, месяцев или даже лет. Но их последствия могут быть не менее тяжёлыми. Более того, эта «мина замедленного действия», связанная с химическим составом теплоносителя, может «сдетонировать» в самое неподходящее время.
Основным теплоносителем системы теплоснабжения и рабочим телом на ТЭЦ и ГРЭС, которые в крупных городах и промышленных центрах являются её ключевым «звеном», является вода. Она имеет высокую теплоёмкость, сравнительно низкую вязкость, недорога, нетоксична и обладает рядом удобных для теплоснабжения свойств. Но главное – она доступна практически в любой точке России.
Но одна из основных проблем – это проблема качества воды, её пригодность быть теплоносителем в системах теплоснабжения.
Химическая формула воды известна каждому, но вода, если даже не учитывать взвешенные и растворённые в ней вещества, – это не простая механическая смесь молекул Н2О, а сложный «полимер», в котором молекулы за счёт водородных связей образуют ассоциаты (нестойкие соединения), что и определяет её уникальные физико-химические свойства.
Так, максимальная плотность воды при атмосферном давлении имеет место при 4°С, а лёд (твёрдая фаза воды) имеет больший удельный объём, чем вода. Ещё одно уникальное свойство воды, связанное с её структурой и очень мешающее её использованию как теплоносителя, – это высокая способность воды к растворению различных газов и твёрдых веществ, в частности, – различных солей.
Растворимость многих твёрдых веществ в воде сильно зависит от температуры. Поэтому такие вещества могут в одних местах теплосети растворяться, а в других – выпадать в осадок.
Состав примесей, которые присутствуют в воде, идущей на заполнение и подпитку систем теплоснабжения, зависит, в основном, от трёх факторов:
- места забора воды;
- времени года забора воды;
- способов подготовки воды перед её подачей в систему теплоснабжения.
Для систем теплоснабжения используются либо открытые источники (реки, пруды, озёра), либо закрытые (подземные скважины), а также различные технические (ливневые) воды производств.
Подготовка воды является неотъемлемой частью технологического процесса в любой котельной или ТЭЦ. Она обходится дорого и поэтому на предприятиях ведётся жёсткий контроль за её расходом.
Природная вода.
Поговорим о природной воде, как о сырье для подпитки теплосетей.
Все мы помним о круговороте воды в природе. Но вода, выпавшая на землю в виде дождя, может стекать в открытые водоёмы минуя стадию подземной фильтрации и захватывая с поверхности разный «мусор»: остатки растений, частички почвы, минеральные, органические удобрения и прочее.
Вода же, прошедшая стадию подземной фильтрации, с одной стороны, освобождается от поверхностного «мусора», а с другой – обогащается солями, присутствующими в подземных пластах.
Продолжительность подземной фильтрации поверхностной воды может достигать десятки лет. За это время все органические примеси поверхностной воды, микроорганизмы и бактерии в присутствии растворённого кислорода успевают медленно окислиться и разложиться на воду Н2О и углекислый газ СО2.
Чтобы представить состав воды, прошедшей подземную фильтрацию, можно взять в руки бутылку с минеральной водой из ближайшего магазина и взглянуть на её этикетку. Лабораторный анализ химического состава воды проводится официально для каждого источника теплоснабжения и его данные являются определяющими в выборе системы водоподготовки.
В почве много известняка, состоящего преимущественно из карбоната кальция CaCO3, которым обогащаются подземные воды.
Эта труднорастворимая соль и составляет львиную долю накипи и отложений на теплопередающих поверхностях водогрейных бойлеров, теплообменных аппаратов и энергетических котлов.
В подземных пластах содержатся также соли магния и сульфаты, да и идиома «Соль земли» имеет чёткое гидрологическое обоснование – наличие в почве вкраплений каменной соли – галита (NaCl), которая обогащает воду катионами натрия Na+ и анионами хлора Cl–. Обогащается вода и сульфатами. Углекислый газ, образуемый в воде, слегка подкисляет воду и превращает карбонат-ион CO32– в бикарбонат-ион HCO3–. Соли, попадающие в воду, диссоциируют (распадаются) на катионы и анионы.
Итак, основные катионы в воде – это катионы натрия Na+, кальция Са2+ и магния Mg2+; основные анионы – это хлориды Cl–, сульфаты SO42− и гидрокарбонаты НСО3–. Суммарное содержание катионов кальция и магния в природной воде – это её жёсткость. Она измеряется в ммоль/cм3 (старая единица – мг-экв/л). (Моль – количество положительных зарядов катионов Са2+ и Mg2+, равное числу Авогадро (6,02∙1023).
Но жёсткость (катионы кальция и магния) воды – это одна из частей накипи. Вторая – это анионы, однако не все: так раствор хлористого кальция или магния накипи не даёт.
А какие анионы в воде формируют накипь на теплопередающих поверхностях?
Это, в первую очередь, – гидрокарбонат НСО3–. При нагреве воды он разлагается и переходит в форму карбоната СО32–, который, соединяясь с катионами кальция, образует низкотемпературную «карбонатную накипь» СaCO3. Этот процесс интенсифицируется при кипении и испарении воды. При испарении может образовываться также высокотемпературная накипь – сульфат кальция CaSO4 и гидроокись магния Mg(OH)2.
Предотвращение накипеобразования
Так каковы основные методы по предотвращению накипеобразования?
Прежде всего природную воду необходимо умягчить. Основным способом умягчения воды для теплосетей является на сегодня метод ионного обмена, в частности Na-катионирование. В этом случае вода пропускается через фильтр, заполненный синтетической органической смолой, которая способна обменивать свои ионы на ионы из окружающего их раствора: ионы кальция и магния будут задержаны, а вместо них в воду будут пущены катионы натрия. Такие ионообменные фильтры нужно периодически регенерировать – пропускать через них раствор хлористого натрия NaCl (поваренной соли), выдавливающий из фильтра катионы кальция и магния и заменяя их на катионы натрия.
В некоторых случаях исходную сырую воду при этом могут дополнительно подвергать предочистке – известкованию и коагуляции.
Известкование – это добавление в воду гашёной извести Са(ОН)2, что приводит к снижению её щёлочности (содержание бикарбонатов) и жёсткости.
Для коагуляции коллоидных примесей воды в неё добавляют сульфат алюминия или железа. Эти соединения образуют новые коллоиды, которые «сцепляясь» с «природными органическими», образуют шлам, который отделяется от воды. Кстати говоря, коллоидные взвешенные примеси воды могут выступать в качестве центров кристаллизации в толще потока воды и «отбирать» накипь у теплопередающих поверхностей. Но при этом необходимо учитывать, что наличие коллоидных примесей недопустимо в случае открытой схемы горячего водоснабжения (ГВС) или для нужд холодного водоснабжения.
В воде можно оставить кальций и магний, убрав из неё второй источник низкотемпературной накипи – бикарбонаты – путём известкования воды, но это можно сделать и простым подкислением воды – добавляя в неё соляную или серную кислоту. Бикарбонаты превратятся в углекислый газ, который можно удалить из воды посредством отдувки в декарбонизаторе. Но подкисление – это очень рискованная технология борьбы с накипью: при незначительном превышении необходимой дозы кислота в теплоносителе вызовет интенсивную коррозию трубопроводов тепловой сети – антипод накипеобразования. Специалисты нередко сталкиваются с тем, что после химических промывок в теплосети или системе отопления начинается утечка. Здесь бывает трудно разобраться, что явилось причиной этого крайне нежелательного явления – коррозия металла под действием кислоты или растворение «пробок» накипи в корродированой трубе. Причиной коррозии также могут быть и неаккуратно проведённые химические промывки оборудования в целях удаления накипи. Кислота снимает с металла защитную оксидную плёнку, которую обязательно нужно восстанавливать после обработки поверхностей теплообмена кислотой – т.е. пассивировать металл.
Растворённый кислород и углекислота также являются причиной коррозии металла систем теплоснабжения. Поэтому подпиточную воду приходится подвергать химической или термической дегазации.
Но основной способ борьбы с отложениями на теплопередающих поверхностях можно кратко описать так – в циркулирующую в теплосети воду часто добавляют фосфаты и другие реагенты, присутствие которых в воде приводит к тому, что блокируются центры кристаллизации для выпадения твёрдой фазы накипи на теплопередающих поверхностях (в частности, подогревателях сетевой воды и ГВС). Такие присадки по своей сути – это поверхностно-активные вещества, которые обволакивают поверхности и препятствуют отложениям на них. Эти присадки могут быть патентованными или непатентованными, но они могут быть достаточно дорогими и вредными для окружающей среды, чтобы заставлять думать об их оптимальных дозах.
Описанные выше способы борьбы с накипью основаны на использовании различных реагентов. А где реагенты, там и нежелательные стоки. Кроме того, реагентные способы требуют довольно сложных дозирующих устройств, регулировки и контроля. Из-за этого теплотехники обращаются к безреагентным способам предотвращения накипеобразования.
Существует ряд «самоочищающихся» теплообменников (ТО).
Например, кожухотрубные теплообменники с профилированными трубками, в которых поток среды «турбулизируется» (закручивается) и таким образом не даёт оседать накипи на стенках.
Также поверхности теплообмена могут обрабатывать специальными покрытиями, к которым отложения не «прикипают».
К безреагентным методам снижения накипеобразования можно отнести и мембранные методы подготовки сырой воды для подпитки теплосетей. Мембраны позволяют задерживать грубодисперсные и коллоидные примеси воды (ультрафильтрация), микроорганизмы, бактерии, а также ионы растворённых солей (обратный осмос). Но эта технология ещё достаточно дорога для большинства теплоснабжающих организаций, которые пока обходятся отстойниками, осветлителями и фильтрами – механическими и Na-катионитными.
Некоторые специалисты считают, что обратный осмос – процесс полного обессоливания воды, который необходим для энергетических паровых котлов высокого давления, излишен для тепловых сетей и паровых котлов низкого давления. С этим можно согласиться, если провести экономический анализ работы системы теплоснабжения и стоимости подготовки подпиточной воды.
В некоторых случаях в качестве теплоносителя можно использовать не воду, которая при возникновении аварийной ситуации может замёрзнуть и разорвать трубопроводы, а альтернативные теплоносители. «Охлаждающие и греющие жидкости» кондиционеров, холодильников и прочего подобного оборудования содержат и смазочные компоненты, и ингибиторы коррозии.
Сюда же можно отнести и магнитную обработку воды, но это – отдельная тема для статьи, которая выложена на нашем сайте.
Вывод
От правильно налаженной системы водоподготовки полностью зависит работа всей системы теплоснабжения города или объекта. При этом специалистам обязательно не только знать технологические особенности и работу оборудования химводоочистки своего предприятия, но и иметь представление о механизмах, влияющих на качество воды в процессе её подготовки для систем отопления и ГВС.