Надежность и эффективность работы теплоэнергетического оборудования и состояние тепловых сетей напрямую зависят от правильного ведения водно-химического режима и водоподготовки как его важнейшей составной части. В отечественной «малой энергетике» водоподготовка, к сожалению, далеко не всегда находится на должном уровне.

Основные проблемы этого следующие. В котельных, как правило, не хватает квалифицированного обслуживающего персонала, отсутствуют необходимые приборы и оборудование для определения качества воды и пара, что зачастую приводит к самым неприятным последствиям. До некоторой степени «уравновесить» низкий уровень эксплуатации можно за счет применения надежного автоматизированного водоподготовительного оборудования, ассортимент которого на рынке достаточно велик (к сожалению, только импортного).

В остальном эта проблема имеет организационный характер. Попытки решить ее при помощи сервисного обслуживания не всегда приводят к успеху по той причине, что фирмы, осуществляющие такое обслуживание, обычно подразумевают под сервисом проведение ежемесячного анализа и замену вышедших из строя деталей. Между тем при нарушении водно-химического режима за месяц котел может полностью выйти из строя. Поэтому сервисное обслуживание должно обязательно включать оснащение котельной приборами, обучение персонала проведению элементарных анализов и действиям при отклонениях качества воды от нормы.

В старых котельных эксплуатируется водоочистное оборудование, давно выработавшее ресурс. Технически эта проблема решается просто. «Старые» фильтры умягчения обычно рассчитывались на работу с сульфоуглем и с перспективой наращивания мощности, они сильно переразмерены, и на их место можно установить современное малогабаритное оборудование, позволяющее проводить водоподготовку по полной схеме — с предочисткой и коррекционной обработкой.

В новых котельных во многих случаях по разным причинам устанавливаются системы, не обеспечивающие получения воды необходимого качества.

В общем виде водоподготовка включает следующие стадии: предварительная очистка от взвесей, коллоидов, органики, железа и т.п.; умягчение или деминерализация; удаление агрессивных газов О2 и СО2; коррекционная обработка.

На каждой из этих стадий совершаются свои ошибки: предочистка часто работает неэффективно или вообще отсутствует; установки умягчения/деминерализации не рассчитываются индивидуально, а подбираются по каталогам поставщиков или неоправданно подменяются комплексонной обработкой (заодно компрометируется этот метод, который на самом деле весьма эффективен, но при строго определенных условиях) или магнитной обработкой (которая тоже имеет право на существование, но не вместо водоподготовки); далеко не все котельные имеют деаэраторы, а там, где они установлены, не всегда отлажен режим их работы; коррекционная обработка воды практически нигде не ведется. Далее остановимся более подробно на проблемах водоподготовки.

Предварительная очистка воды

В качестве источников водоснабжения для котельных используются муниципальные водопроводы, артезианские скважины и водоемы. Как правило, водопроводную воду можно подавать на установку водоподготовки для подпитки котлов и теплосетей без всякой предочистки. Единственное, что нужно контролировать — это остаточный активный хлор (если вода хлорированная). Допустимая концентрация активного хлора перед установкой умягчения — 1 мг/л, что редко бывает в муниципальных сетях, поэтому воду перед умягчением обычно не дехлорируют. Если же используется обратный осмос или химобессоливание, то воду нужно полностью дехлорировать: хлор разрушает обратноосмотические мембраны и аниониты. Самый надежный метод дехлорирования — это фильтрование через активированный уголь (линейная скорость — до 15 м/ч).

Корпуса фильтров должны быть изготовлены из пластика или стали с полимерным (эпоксидным, резиновым) покрытием, поскольку даже корпуса из оцинкованной и нержавеющей стали при контакте с активированным углем подвергаются гальванохимической коррозии (последние — по швам). Иногда для дехлорирования применяется дозирование восстановителей, но этот метод требует определенной культуры производства: по аппаратурному оформлению и реагентам он аналогичен химическому обескислороживанию, о котором речь пойдет ниже.

Вода из подземных источников, в основном, имеет повышенное содержание железа, которое также может присутствовать в водопроводной воде вследствие коррозии труб. Максимальная концентрация железа в воде, поступающей на установку умягчения, составляет 0,5 мг/л, при превышении этого значения обменная емкость катионита необратимо падает вследствие блокирования функциональных групп осадком окисленных форм железа. Существуют специальные реагенты для отмывки ионитов от железа, но, в конечном счете, проще наладить обезжелезивание.

В воде, поступающей на установку обратного осмоса, содержание железа не должно превышать 0,1 мг/л (питьевая норма — 0,3 мг/л). При большей концентрации железа мембраны зарастают осадком и требуют более частой кислотной промывки, что снижает срок их службы.

Нормативы содержания железа в подпиточной воде котлов и теплосетей известны специалистам, и останавливаться на них нет необходимости. Если для водоподготовки применяется умягчение, химобессоливание или обратный осмос, то концентрация железа в очищенной воде будет близка к нулю. Если же вместо умягчения применяется комплексонная обработка, то при наличии в воде железа это нужно делать с большой осторожностью. По моему опыту, предел содержания в воде железа при котором возможна обработка воды комплексонами без умягчения, — 0,5 мг/л. При большей концентрации происходит зашламление котлов, а для жаротрубных котлов комплексонная обработка вообще не рекомендуется.

Установки обезжелезивания включают в себя систему окисления двухвалентного железа и осветлительный фильтр, загруженный тем или иным фильтрующим материалом. Для окисления железа при рН ≥ 6,8 применяется аэрация компрессором или эжектором, при более низком рН — дозирование перманганата калия или гипохлорита натрия; хорошие результаты дает сочетание аэрации и дозирования окислителя.

В качестве фильтрующей загрузки могут применяться инертные (антрацит, кварцевый песок, FAG) или каталитические материалы, ускоряющие процесс окисления и повышающие глубину обезжелезивания (BIRM, MTM, AMDX и др.). Загрузки обязательно должны быть фракционированными, а фильтры — иметь верхний щелевой дренаж, что позволяет предотвратить вынос загрузки при промывке и работать при высоте слоя, равной ⅔ цилиндрической части. Часто приходится сталкиваться с тем, что в фильтры загружают антрацит и «песок» фракциями 3–5 мм. Понятно, что эффективность обезжелезивания на таких загрузках будет невелика. При хорошей дренажной системе даже в крупные фильтры можно и нужно загружать песок и антрацит с размером зерен ≈ 1 мм. Линейная скорость воды при обезжелезивании не должна превышать 10 м/ч на инертной загрузке и 12 м/ч на каталитической загрузке. При определенном составе воды линейная скорость может быть значительно ниже, а технология — сложнее. Так, для обезжелезивания подземных вод ЯмалоНенецкого АО во многих случаях требуется дозирование окислителя, коагулянта и флокулянта, а скорость фильтрования должна составлять 4–5 м/ч [1].

Очень перспективна для котельных технология одновременного обезжелезивания и умягчения подземной воды на синтетическом цеолите Crystal-Right. Этот материал имеет высокую катионообменную емкость (до 800 мг÷экв/л) и способен удалять из воды не только катионы жесткости, но также Fe2+ и Mn2+ по ионообменному механизму, т.е. без введения окислителей. Регенерация проводится раствором поваренной соли, как в обычных установках умягчения. В отличие от обычных катионообменных смол, работающих на воде с железом, Crystal-Right полностью восстанавливает свою обменную емкость после регенерации. Воды поверхностных источников обычно имеют повышенную мутность и содержат органические вещества различного происхождения, обусловливающие их окисляемость и цветность, а также стабилизирующие коллоидные примеси. Наличие в питательной воде котлов взвесей и органики приводит к коррозии и отложениям на поверхностях нагрева и в трубопроводах. Кроме того, органические вещества необратимо снижают обменную емкость анионитов и вызывают обрастание и деградацию обратноосмотических мембран.

Поверхностная вода характеризуется резкими изменениями качества. Наибольшая загрязненность наблюдается в периоды роста водорослей и в периоды паводков и затяжных дождей. Кроме того, состав воды может существенно меняться в течение коротких промежутков времени: например, во время сильного дождя щелочность воды может упасть в несколько раз, а мутность, наоборот, многократно возрасти. Эти факторы необходимо учитывать при разработке схем водоподготовки и эксплуатации установок.

На ТЭЦ типовая схема предочистки поверхностных вод включает известкование с коагуляцией в осветлителях с взвешенным слоем осадка и осветлительное фильтрование. Данная технология, безусловно, эффективна, но вряд ли может использоваться в небольших котельных.

Стандартная схема предочистки поверхностной воды для небольших котельных включает дозирование гипохлорита натрия, коагулянта и осветлительное фильтрование в режиме контактной коагуляции. Если температура воды может быть очень низкой (зимой в реке она ненамного выше нуля), то желательно дозировать еще и флокулянт, чтобы избежать проскока коагулянта в фильтрат.

В качестве коагулянта и флокулянта лучше всего использовать не сульфат алюминия и полиакриламид, а современные реагенты. Как загрузка наиболее эффективен FAG, за ним следует антрацит, далее — песок мелких фракций. Высота слоя загрузки должна быть не менее 1,2 м, при этом скорость фильтрования в рабочем режиме не должна превышать 4–4,5 м/ч. При высоте слоя 2 м скорость фильтрования можно увеличить в полтора раза.

Перед подачей воды на дальнейшую очистку или в котлы обязательно проводится дехлорирование. При относительно небольшом содержании взвесей и органики — если вода идет на водогрейные котлы, а дальнейшая очистка предусматривает только умягчение — предочистка может ограничиваться осветлительным фильтрованием без дозирования реагентов.

Умягчение

Обычно подготовка подпиточной воды в котельных производится методом натрий-катионирования. Для водогрейных котельных умягчение воды осуществляется в одну ступень (остаточная жесткость 0,1–0,2 мг÷экв/л), для паровых — в две ступени (остаточная жесткость 0,01 мг÷экв/л). Установки с противоточной регенерацией, позволяющие достичь глубокого умягчения в одну ступень, неактуальны для небольших котельных, так как требуют очень хорошей предочистки и высокого уровня эксплуатации.

Установка умягчения включает фильтр с блоком управления, загруженный сильнокислотным катионитом в натриевой форме, а также бак для регенерационного раствора поваренной соли. Для котельных обычно применяются установки непрерывного действия, которые включают в себя два или более попеременно работающих фильтра, обеспечивающих постоянную подачу подпиточной воды.

При наличии в котельной бака запаса химочищенной воды можно применять установки периодического действия, состоящие из одного фильтра, в период регенерации которого подпитка котла производится из бака запаса. Применение полностью автоматизированных установок умягчения очень актуально для небольших котельных, где проблематично найти квалифицированный обслуживающий персонал.

Для регенерации ионообменной смолы в малогабаритных установках умягчения применяется таблетированная поваренная соль, которая засыпается непосредственно в солевые баки установок умягчения. Эта единственная операция, проводимая вручную.

Для крупногабаритных установок использование таблетированной соли может оказаться экономически невыгодным. В таких случаях следует применять пищевую поваренную соль, не содержащую йода, или, в крайнем случае, техническую поваренную соль, которая должна быть отфильтрована от посторонних включений перед поступлением на регенерацию.

Распространенная ошибка при умягчении заключается в том, что установку выбирают по данным из рекламных проспектов поставщиков вместо того, чтобы рассчитывать исходя из конкретного состава воды и требуемого фильтроцикла.

Применение углеродистой, оцинкованной и нержавеющей стали для изготовления корпусов фильтров, трубопроводов и арматуры, соприкасающихся с соленой водой, недопустимо, хотя встречается достаточно часто.

При высокой жесткости исходной воды (от 10–15 мг÷экв/л) и сравнительно большой потребности в подпиточной воде (начиная с нескольких кубометров в час) становится выгодным применение нанофильтрации. По аппаратурному оформлению установки нанофильтрации аналогичны установкам обратного осмоса, о которых речь пойдет ниже.

Единственное отличие заключается в размере пор мембран. У нанофильтрационных мембран поры более крупные, за счет чего при нанофильтрации удаляются преимущественно многовалентные ионы, к которым относятся катионы жесткости.

В ряде регионов вода доступных источников водоснабжения имеет настолько высокую жесткость, что применение ионообменных и мембранных технологий для ее очистки становится весьма затруднительным или просто невозможным. Особенно это характерно для Среднего Поволжья и Ростовской области, где нередки воды с жесткостью 35 мг÷экв/л и более. В таких случаях хорошим выходом из положения может оказаться реагентное умягчение в вихревых реакторах [2].

Процесс осуществляется с дозированием в исходную воду известкового раствора или едкого натра. При использовании известкового раствора удаляются карбонатная кальциевая жесткость и щелочность и происходит частичное обессоливание воды. При использовании едкого натра удаляются карбонатная и некарбонатная кальциевая жесткость в эквивалентных количествах.

Для реализации процесса создаются условия в виде наличия зернистой контактной среды, частицы которой служат центрами кристаллизации. Процесс проводят в аппаратах, получивших название «спиракторы», или вихревые реакторы, имеющих высокие гидравлические нагрузки и небольшие объемы.
Обработка воды в вихревых реакторах заканчивается всего за 7–15 минут, выгружаемый осадок (крупка) имеет влажность 15–25% и не требует обезвоживания. В России серийно выпускаются вихревые реакторы производительностью от 10 до 100 м3/ч.

Применение вихревых реакторов очень перспективно в плане подготовки воды для горячего водоснабжения, так как обработанная вода является некоррозионноактивной (рН до 9) и стабильной.

1. Савочкин А.Ю. Очистка подземных вод в нефтегазодобывающем регионе Тюменской области // Газовая промышленность, № 8/2005.
2. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев П.И. Реагентное умягчение природной воды в вихревых реакторах // Электрические станции, № 9/2005.

Автор: А.Ю. САВОЧКИН, главный технолог, «Группа компаний Национальные водные ресурсы»