|
Большая часть воды, подаваемой на
нужды промышленного производства, используется в охлаждающих системах
прямоточного и оборотного водоснабжения. В отечественной и зарубежной практике
основньрли абонентами охлаждающей воды являются предприятия черной
металлургии, химической и нефтехимической промышленности, теплоэнергетики.
Требования к качеству охлаждающей воды определяются
условиями ее использования в конкретных технологических схемах с учетом
специфики производства. Тем не менее все они сводятся к обеспечению
высокоэффективной работы теплообменного оборудования, инженерных сооружений и
коммуникаций, входящих в состав оборотного комплекса. Для успешной реализации
этой задачи необходимо осуществлять проведение таких водных режимов, при
которых на поверхности охлаждающих элементов и в самой системе практически не
должно возникать активных коррозионных процессов и образования каких-либо
солевых, механических и биологических отложений. В противном случае
нарушаются нормальные условия теплопередачи, вызывающие снижение
производительности основных технологических потоков и оборудования, а также
качества вырабатываемой продукции; увеличиваются энергетические затраты
циркуляционных насосных станций на преодоление дополнительных гидравлических
сопротивлений в охлаждающих контурах; резко ухудшаются эксплуатационные
характеристики оборотных систем; происходит разрушение конструкционных
материалов.
При использовании в оборотных системах очищенных и
доочищенных сточных вод приходится соблюдать необходимые
санитарно-гигиенические требования по созданию безопасной токсикологической и
эпидемиологической обстановки на предприятиях и на прилегающих к ним
территориях.
Водный режим оборотных систем существенно отличается от
режима прямоточных систем. Многократный нагрев оборотной воды и ее
последующее охлаждение в градирнях и брызгальных бассейнах приводит к потерям
равновесной углекислоты и отложению на поверхности теплообменников и
холодильников главным образом кальциевых карбонатных отложений в соответствии
с реакцией
Природные воды, используемые в схемах технического
водоснабжения, в которых не происходит выпадания солей карбонатной жесткости
при температуре 40—60 °С принято называть термостабильными. Для оценки
термостабильности оборотной воды применяют шестибалльную шкалу.
Практически карбонатная жесткость термостабильных вод не
превосходит 2—3 мг-экв/л для оборотного водоснабжения и 4 мг-экв/л — для
прямоточного.
Ограниченно термостабильные—природные воды, вызывающие
карбонатные отложения только по мере накопления солей кальция в результате
упаривания, имеют карбонатную жесткость не более 4 мг-экв/л.
Нетермостабильные — воды с карбонатной жесткостью свыше 4
мг-экв/л, у которых при относительно небольшом нагревании сразу же
наблюдается выпадание СаСОз-
При работе оборотных систем с ограниченными добавками
подпиточной воды, а следовательно, при больших коэффициентах концентрирования
солей содержание сульфата кальция достигает предела растворимости в
циркуляционной воде, и он в зависимости от температуры воды и наличия в ней
определенных примесей может выпадать из раствора в виде дигидрата CaS04-2H20
и ангидрита CaS04.
Скорость отложения карбоната кальция и других солей не
должна превышать соответствующих пределов, поэтому требуется ограничить
карбонатную жесткость и содержание сульфатов в виде расходуемой на подпитку
охлаждающих оборотных систем. Кроме того, в оборотной и добавочной воде
лимитируется концентрация взвешенных веществ, так как взвешенные вещества
могут формировать в теплообменниках слой отложений, снижая таким образом
коэффициент теплопередачи. При скорости движения жидкости 1 м/с и
концентрациях гру- бодиспергированных примесей в оборотной воде 150мг/л и
1000 мг/л коэффициент теплопередачи снижается соответственно на 20 и 35 %. В
свою очередь, увеличение скорости, движения воды в трубках теплообменных
аппаратов приводит к уменьшению интенсивности образования механических
отложений. По некоторым данным, минимальная самоочищающая скорость движения
жидкости, обеспечивающая вынос и транспортирование механических примесей
(песка, накипи и других взвесей) крупностью 0,1—4 мм из охлаждаемых
элементов, составляет 0,01—0,5 м/с. При наличии в оборотной воде окалины
скорость циркуляционного потока должна быть не менее 0,8—1 м/с.
Источником загрязнений оборотной воды взвешенными
веществами являются неосветленные воды поверхностных водоемов, вторичные
продукты деструкции коррозионных и карбонатных отложений, биообрастаний, а
также пыль минерального и органического происхождения, проникающая в
охладители из атмосферного воздуха. Концентрация пыли в воздухе зависит от
регионального фактора, степени 'загрязненности воздуха выбросами промышленных
предприятий, почвенно-кли- матических условий, скорости ветра и т. д.
Концентрацию взвешенных веществ, вносимых в оборотную воду из воздуха,
возможно прогнозировать исходя из формулы
Взвешенные вещества, например, такие, как песок,
осаждаются в пазухах холодильников, забивают трубную систему теплообменников,
отлагаются на отдельных участках коммуникаций, а мелкодисперсные включения,
входящие в состав карбонатных и сульфатных отложений, вызывают повышение их
прочностных характеристик.
Итак, допустимая концентрация взвешенных веществ в
циркуляционной воде зависит от гидравлической крупности частиц и от скорости
движения воды в теплообмен- ных аппаратах. Исходя из требований по содержанию
взвешенных веществ, предъявляемых к качеству оборотной воды, можно определить
их максимально допустимую концентрацию в подпиточной воде и таким образом
установить оптимальное количество механических примесей, подлежащих выводу из
системы.
Накопление взвешенных веществ в холодильниках и
коммуникациях наблюдается также при развитии биологических обрастаний,
которые аккумулируют механические примеси, находящиеся в оборотной воде.
В состав биологических обрастаний входят разнообразные
бактерии, водоросли, грибы, простейшие и более сложные организмы животного
происхождения, принадлежащие к различным систематическим группам. На развитие
биоценоза существенное влияние оказывают физико-химические и бактериологические
показатели качества воды источников водоснабжения, погодно-клима- тические
условия, сезонность, характер производства, технологическая схема охлаждения
и обработки оборотной воды и т. д. С увеличением содержания в оборотной воде
органических соединений, растворенного кислорода, а также биогенных элементов
интенсивность биообрастаний резко возрастает.
В закрытых теплообменных аппаратах и коммуникациях в
биоценоз обрастаний входят слизеобразующие и нитчатые формы, а также серо- и
железобактерии.
К серобактериям относятся бесцветные нитчатые, крупные
овальные и круглые бактерии, спириллы, для развития которых необходимы
сероводород и кислород. Серобактерии в процессе жизнедеятельности окисляют
H2S до S и при недостатке сероводорода выделяют серную кислоту, которая
вызывает сульфатную коррозию, приводящую к разрушению деревянных и
железобетонных конструкций.
Железобактерии извлекают из воды растворенное записное
железо и окисляют его до образования малорастворимого гидрата железа,
забивающего трубопроводы. Вид железобактерий, преобладающих в системах
оборотного водоснабжения, в большей степени зависит от содержания в воде
органических веществ. При перман- ганатной окисляемости до 5—7 мг/л и
значениях рН, близких к нейтральному в железистых водах, в основном
развиваются одноклеточные железобактерии — гал- лионелла. При окисляемости
порядка 17 мг/л в обрастаниях доминирующее место принадлежит нитчатым
бактериям— лептотрикс. При наличии в воде безазотистых органических веществ
основную массу биообрастаний составляет кладотрикс.
Роль железобактерий в биокоррозии металлов окончательно не
изучена, тем не менее под обрастаниями железобактерий на поверхности металла
встречаются каверны диаметром до 15 мм и глубиной до 7 мм.
В анаэробных условиях, имеющих место в плотных густых
обрастаниях, развиваются сульфатредуцирующие бактерии.
Сульфатвосстанавливающие бактерии окисляют органические вещества кислородом
сульфатов и восстанавливаемая при этом сера (до H2S) превращается в
малорастворимые сульфиды железа. Отлагающиеся на внутренней поверхности
трубопроводов характерные черные хлопья разносятся потоком циркуляционной
воды по всему тракту.
Аналогичная ситуация складывается при изменении условий
существования либо направленном воздействии Приводящих к гибели и отмиранию биообрастаний,
вследствие чего также происходит образование сероводорода и-усиление
электрохимической коррозии металла.
При развитии обрастаний из моллюсков, ракообразных и
других организмов, строящих известковые раковины, возможно отложение
карбонатов на стенках труб и внутри холодильников.
В теплообменных аппаратах открытого типа и охладителях в
формировании биоценоза принимают участие бактерии, зеленые и сине-зеленые
водоросли, простейшие одноклеточные организмы, черви, коловратки и грибы.
Последние вместе с илообразующими бактериями разрушают деревянные конструкции
градирен.
Серьезные помехи при эксплуатации открытых систем
оборотного водоснабжения создают водоросли. Они оказывают значительное
влияние на химический состав оборотной воды, так как в процессе фотосинтеза
способны поглощать растворенную в воде углекислоту и выделять кислород. В
связи с этим в охлаждающих системах в течение суток наблюдаются циклические
колебания рН, стабильности и коррозионной активности оборотной воды. Кроме
того, водоросли могут являться питательной средой для других представителей
биоценоза, стимулируя таким образом их дальнейшее развитие и рост. При
обрастании водорослями оросителей и водоуловителей охлаждающая способность,
градирен снижается более чем на 15 %.
Зарастание охлаждающих водоемов растительностью приводит к
сокращению поверхности испарения и повышению температуры оборотной воды,
поступающей в теплообменники.
Таким образом, развивающиеся на теплообменных поверхностях
аппаратов, в коммуникациях и охладителях биологические обрастания снижают
эффективность работы оборотных систем технического водоснабжения, вызывают
биологическую коррозию металлов, оказывают разрушающее воздействие на
деревянные и железобетонные конструкции, сокращая срок их эксплуатации.
Поэтому величина скорости роста биологических обрастаний теплообменных
аппаратов так же, как и других сооружений оборотных систем, должна быть
ограничена допустимой величиной. Для удовлетворения этих требований
необходимо лимитировать содержание органических веществ и биогенных
соединений как в оборотной, так и в подпитывающей воде.
Охлаждающая вода не должна вызывать коррозию
конструкционных материалов трубопроводов, теплообменников и отдельных
сооружений, элементов градирен, выполненных из углеродистой стали и других
материалов. Оценка общей коррозионной стойкости металлов производится по
принятой в СССР десятибалльной шкале.
По внешним признакам различают общую и местную формы
коррозионных повреждений. Общая коррозия носит равномерный характер и
распространяется по всей поверхности металла. Местная коррозия вызывает
разрушение лишь на отдельных участках металла и может быть язвенной
(питтинговой), точечной и в виде пятен.
Одной из причин коррозии металлов является их
термодинамическая неустойчивость в различных средах, в том числе и водных. В
процессе коррозии металлы переходят в оксиды, которые термодинамически более
устойчивы по сравнению с чистыми металлами. Коррозионные процессы не могут
быть полностью предотвращены, поэтому для обеспечения надежной работы оборотных
систем необходимо, чтобы она протекала равномерно с невысокой интенсивностью.
Такие условия можно создать, совместно решая задачи рационального
аппаратурного оформления охлаждающих систем и выбора соответствующих
конструкционных материалов.
В процессе эксплуатации охлаждающих систем разрушение
металла происходит в основном под действием электрохимической коррозии, что
приводит к переходу значительных количеств продуктов коррозии в
циркуляционную воду. На интенсивность коррозии существенное влияние оказывают
величина рН оборотной воды и содержание в ней растворенного кислорода. В
щелочной среде при значениях рН>8 коррозия углеродистой стали уменьшается
вследствие образования на поверхности металла плотной нерастворимой пленки
гидроокиси. При пониженных значениях рН в присутствии свободной агрессивной
углекислоты происходит растворение защитных карбонатных и окисных пленок.
Экспериментально установлено, что скорость коррозии малоуглеродистой стали,
являющейся основным конструкционным материалом теплообменного оборудования,
усиливается с ростом концентрации сульфатов и хлорид-ионов в оборотной воде.
При увеличении содержания сульфатов с 50 до 2500 мг/л скорость коррозии стали
увеличивается в два раза. Повышение концентрации хлоридов в присутствии
небольших количеств сероводорода, аммиака, нитритов приводит к разрушению
латунных конденсаторных трубок в результате их обесцинкования.
С увеличением скорости движения воды интенсивность
коррозии возрастает, однако в дальнейшем более равномерное распределение
кислорода по поверхности металла способствует его пассивации. При более
высоких скоростях потока и наличии в воде взвешенных веществ и абразивных
примесей происходит механическое разрушение защитных пленок.
Повышение концентрации растворимых солей в оборотной воде приводит
к увеличению электропроводности воды и активизации коррозионных процессов;
причем в мягкой воде, содержащей растворенный кислород, коррозия
конструкционных материалов значительно выше, чем в жесткой воде аналогичной
минерализации, что вызвано меньшей буферной емкостью мягких вод. В отсутствии
ингибиторов предельное солесодержание оборотной воды не рекомендуют допускать
выше 2 кг/м3, хотя иногда минерализация оборотной воды превышает эту величину
и достигает 3 кг/м3.
Из сопоставления требований к качеству воды в охлаждающих
системах оборотного водоснабжения () следует, что, несмотря на значительное
расхождение по отдельным позициям, в целом показатели близки.
В настоящее время все шире проявляется тенденция
использования доочищенных городских сточных вод для промышленных нужд, в том
числе для пополнения оборотных систем охлаждения.
Наличие в этих водах повышенного содержания биогенных
веществ может привести, с одной стороны, к снижению низкотемпературного
накипеобразования под воздействием фосфатов и органических веществ,
замедляющих кристаллизацию СаС03, а с другой, к усилению биологических
обрастаний под воздействием этих же примесей. С целью улучшения качества
доочищенных сточных вод, по-видимому, придется их дополнительно обрабатывать
хлором, известью и коагулянтом, а в некоторых случаях проводить и
стабилизационную обработку.
|
