ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И БОРЬБА С НИМИ
Наличие в охлаждающей воде органических и минеральных примесей вызывает образование отложений в теплообменном оборудовании.
В зависимости от физико-химических и гидробиологических показателей этой воды отложения могут состоять:
- из механических взвесей (ил, песок и т.д.);
- из химических соединений (углекислые соли, окислы кремния, полуторные окислы и т.д.);
- из организмов, развитие которых свойственно теплообменной аппаратуре (зооглейные и нитчатые бактерии и другие организмы).
В большинстве случаев, как видно из табл.15, на электростанциях встречаются смешанные отложения минерального и органического характера и обычно с преобладанием какого-то одного вида. При определении метода борьбы с отложениями в конденсаторах часто ориентируются лишь на преобладающий их вид. В то же время наличие в трубках конденсаторов второстепенных отложений может в такой же степени вызывать ухудшение вакуума. Особенно это относится к электростанциям, где преобладают отложения минерального характера с небольшой примесью органических веществ. Но теплопроводность органических отложений гораздо меньше, чем минеральных. Поэтому незначительный слой органических отложений по ущербу для ГРХ может быть эквивалентен преобладающему минеральному слою.
Очевидно, что при определении метода борьбы с загрязнением конденсаторов важно установить характер отложений и выявить их качественный и количественный состав. Наиболее объективные данные по характеристике отложений могут быть получены микробиологическим и химическим анализами их. Микробиологические анализы отложений могут быть выполнены в лабораториях при санэпидстанциях или биологами других организаций по методике, разработанной А.С. Разумовым. Согласно этой методике (несколько дополненной автором), пробу для анализа отбирают при помощи шомпола с резиновым наконечником (рис.45) либо резиновой или деревянной пробки, на конце которой прикреплены резиновые диски, которые протакливаются сквозь трубку конденсатора. Все отложения тщательно собирают в фарфоровый стакан, расположенный с противоположной стороны конденсатора против просвечиваемой трубки.
Рис. 45. Шомпол для отбора проб из конденсатора:
1 - гайка, 2 - металлическая шайба; 3 - резиновая шайба по внутреннему диаметру трубки конденсатора; 4 - металлический стержень; 5 - общий вид шомпола в сборе
Отложения необходимо собирать из такого количества трубок, чтобы общий объем их составлял ~100-500 мл. Если конденсатор двухходовой, необходимо отбирать отложения из первого и второго ходов. Отобранные пробы должны быть снабжены следующими сведениями: дата отбора проб; название теплообменника с указаниєм его номера; дата начала эксплуатации теплообменника; ход, из которого отбирались отложения; место (правая, левая сторона, верх, низ или середина); внутренний диаметр трубок; длина трубок; срок работы теплообменника с момента последней его чистки (механической, химической и т. п.); при наличии накипи указать ее толщину; марка сплава, из которого изготовлены трубки применяемые методы борьбы с органическими и минеральными отложениями (хлорирование, подкисление и т. д.); температура воды на входе, и выходе из теплообменника с момента последней чистки до даты отбора отложений и другие сведения, например химический состав циркуляционной воды, ее загрязнения и т. д.
Микроскопический анализ проб желательно производить тотчас после их отбора. При отсутствии микробиологов сразу после отбора проб производится их фиксирование путем добавки 40%-ного формалина в количестве 0, 1% от объема пробы. Фиксированные пробы доставляются в биологические лаборатории, где производится их микроскопический анализ. Проба отложений, подлежащая анализу, тщательно перемешивается, после чего отбирается 10-20 мл осадка в колбу, в которую добавляют около 10 мл вода и взбалтывают. Дают пробе отстояться в течение 0, 5 мин (допускается 1-2-5 мин), сливают взвесь с осадка в другую колбу. Такое взмучивание осадка производится ещё два раза. Взвесь во второй колбе оставляют отстаиваться на 5-10 мин, после чего сливают с осадка в третью колбу.
Из полученных трех фракций приготавливаются препараты, которые рассматриваются под микроскопом (неокрашенные и после окраски).
Для выявления в отложениях бактериальной флоры необходимо произвести окраску препаратов. С этой целью на стекло наносят небольшое количество материала из второй и третьей колб (фракций) и изготовляют обычный пазок. Подсушив препараты опускают в ванночку с 1-2%-ным раствором желтой кровяной соли на 1-2мин удаляют фильтровальной бумагой остатки реактива с препарата; погружают в такую же ванночку с 5%-ной соляной кислотой на 1-2 мин; промывают водой; погружают в ванночку с 1%-ным эритрозином на 5%-ной карболовой воде на 15-30 мин; промывают водой, подсушивают, наносят каплю иммерсионного масла, накрывают покровным стеклом и исследуют под микроскопом.
В препарате в красный цвет окрашиваются бактерии, планктонные организмы, растительные и животные остатки, в синий цветотложения железа.
При просмотре препаратов отмечают (количественно и качественно) зооглейные и нитчатые бактерии, водные грибки, планктонные организмы и др.
Осадки отложений из первой и второй фракций, кроме того, анализируются под лупой и при малых увеличениях микроскопа для выявления более крупных компонентов органического и минерального характера. Для уточнения состава отложений помимо микроскопирования окрашенных эритрозином препаратов целесообразно провести простые микрохимические реакции для выявления в отложениях карбоната кальция, крахмала, клетчатки, капель масла и слизистых оболочек водорослей и бактерий. Эти реакции производятся следующим образом.
Обнаружение карбоната кальция. На предметное стекло наносится капля осадка, которую накрывают покровным стеклом. С одной стороны к краю покровного стекла наносят каплю раствора серной кислоты (5%-ной), а с другой - плоской фильтровальной бумагой просасывают воду под покровное стекло. Выделение пузырьков газа (С0г) и образование игольчатых кристалликов (гипса) указывает на наличие в осадке углекислой извести.
Реакция на крахмал. Через препарат, изготовленный, как описано выше, просасывается фильтровальной бумагой капля раствора Люголя (в 10-20 мл дистиллированной воды растворяют 2 г йодистого калия и I г кристаллического йода й разбавляют водой до 300 мл; хранится в склянке из темного стекла). Зерна крахмала окрашиваются в голубой, фиолетовый или черно-синий цвет.
Реакция на клетчатку. К капле осадка на предметом стекле добавляют одну каплю раствора Люголя; через 1-2 мин ее удаляют фильтровальной бумагой, наносят каплю концентрированной серной кислоты, разбавленной в отношении 1:1 глицерином, и накрывают покровным стеклом. Волокна растительного происхождения (хлопковые, льняные и вискозные) разбухают и синеют. Волокна древесины лиственных и хвойных пород, а такие животных тканей почти не меняют формы и имеют желтую окраску.
Капли масла (растительного, животного и минерального) определяются по интенсивной окраске в оранжевый цвет Суданом (3 г краски "Sudan" растворяется в 100 мл спирта и разбавляется равным объемом глицерина).
Обнаружение слизистых оболочек вокруг некоторых водорослей и у бактериальных зооглей производится добавлением к капле осадка одной капли черной туши, разбавленной дистиллированной водой в отношении 1:5. Препарат накрывают покровным стеклом и удаляют излишки воды отсасыванием фильтровальной бумагой. Скопления слизи ярко выделяются на темном фоне препарата.
Часть отложений из трубок конденсаторов, отобранных путем проталкивания резиновых дисков сквозь трубку, отделяется и передается в химическую лабораторию для анализа. По химическому составу отложений также можно определить их характер, особенно по наличию органических и минеральных веществ. Если отложения содержат большое количество окислов кальция и магния, то это характеризует их как минеральные.
Органические отложения характеризуются большими потерями при прокаливании при небольшом содержании окислов кальция. Однако определение. органических отложений по величине потерь при прокаливании может оказаться ошибочным, если при химическом анализе не учитывается количество СО2, выделяющееся при разложении карбонатов.
Известно, что методика, по которой производится химический анализ отложений, включает в себя их прокаливание. При этом происходят следующие процессы: сгорают органические вещества, разлагаются карбонаты с выделением свободной углекислоты и образованием окислов металлов, улетучивается гидратная и кристаллизационная влага, происходят различные окислительно-восстановительные процессы.
Отсюда видно, что величина потерь при прокаливании складывается из летучих веществ, входящих в состав органических и минеральных компонентов, составляющих отложения. Поскольку все процессы, происходящие при прокаливании, учесть количественно аналитическим и расчетным путем невозможно, считают, что основными компонентами, составляющими величину потерь, являются углекислота минеральных солей и летучие вещества от сгорания органических веществ. Однако в большинстве случаев при анализе отложений учитывается только общее количество потерь при прокаливании. Поэтому с целью определения характера отложений следует аналитически или расчетно определять величину выделяющейся углекислоты. Вычитая из общих потерь при прокаливании найденное количество углекислоты, определим приближенную величину органических веществ. При аналитическом методе двуокись углерода, выделяющаяся при разложении карбоната, определяется на кальциметре (методика приводится Ю. М. Кострикиным в Инструкции по анализу воды, пара, накипи и отложений в теплосиловом хозяйстве. Госэнергоиздат, 1963 ).
Если аналитически нельзя определить двуокись углерода, ее следует найти расчетным путем. Зная количество окислов кальция, находят эквивалентное ему количество выделившейся свободной углекислоты по уравнению СаСО3~СаО +СО2. Из 100 весовых частей карбоната кальция выделяются 56 частей СаО и 44 части СО2.
Следовательно, зная процентное содержание окислов кальция в отложениях, можно определить процент выделившейся углекислоты. Например, количество СаО в отложениях равно 34%, количество СО2
будет соответственно равно
Потери при прокаливании в этих отложениях составляют 49, 4%. Величина органических веществ будет равна 49, 4 - 27, 1 = 22, 3%. Определенная таким путем двуокись углерода характеризует количественное содержание ее, получающееся при разложении углекислого кальция. Но в отложениях бывает и окись магния, а потому точно определить величину СО2 расчетным путем очень трудно, так как магний может быть в виде Мn(ОН)2 и МnСО3. Но поскольку магний выпадает в отложениях в большинстве случаев в виде Мn(ОН)2, количеством выделившейся двуокиси углерода из углекислого магния можно пренебречь.
Загрязнения трубок конденсаторов по химическому составу отложений характеризуются данными анализа отложений ряда электростанций (см.табл.15). Первые 14 проб отложений отобраны при помощи шомпола, проталкивающего резиновые диски или наконечники сквозь трубки конденсаторов, остальные 7 проб получены соскабливанием отложений из вырезанных трубок.
Преобладание в отложениях органических веществ над минеральными наблюдаются в конденсаторах Курганской, Красногорской, Львовской, Добротворской, Смолевичской и Харьковской электростанций, где потери при прокаливании составляют 37-60%, а окислы кальция 3-9%. Выделившаяся при разложении карбонатов углекислота колеблется в пределах 2, 2-7, 3%. Содержание органических веществ в этих отложениях составляет 35-54%.
При преобладании минеральных отложений содержится 34-58% окислов кальция и магния.
Потери при прокаливании могут быть обусловлены не только растительными и животными организмами, но также и торфяными взвесями. Наличие торфяных компонентов в отложениях можно обнаружить микрохимической реакцией и последующим микроскопированием, знание физико-химических качеств охлаждающей воды и донных отложений водохранилища-охладителя помогает разобраться в характере отложений.
Потери при прокаливании при этом также велика и составляет 36-49%. Однако эта величина соответствует в основном выделившейся углекислоте (27-43%) и небольшой примеси органических веществ. Такие отложения наблюдались в трубках конденсаторов Барабинской, Мироновской, Змиевской, Старобешевской и Симферопольской ГРЭС.
Химический анализ отложений, отобранных из конденсаторов Старобешевской и Змиевской ГРЭС, показывает, что величина потерь при прокаливании в данном случае возрастает за счет преобладания органических веществ. Из многолетнего опыта ЮО ОРГРЭС известно, что если при отборе проталкиванием резиновых дисков через трубки конденсаторов в отложениях содержится более 9-15% окислов кальция, то можно считать, что, несмотря на большие потери при прокаливании, преобладающими загрязнениями являются минеральные отложения. Эти данные подтверждаются химическим анализом отложений, отобранных соскабливанием с вырезанных трубок, (см.табл.15, данные анализов отложений на электростанциях Орехово-Зуевской, Новокуйбышевской, Омской ТЭЦ-3). Потери при прокаливании здесь составляют 20-26%, окись кремния - 24-34%, окислы кальция и магния - 4-7%, полуторные окислы - 16-29%. Такие отложения можно характеризовать как илистые, наносные.
Методы борьбы с органическими отложениями в трубках конденсаторов известны (л.49, 55, 57, 70-74]. Необходимо лишь отметить, что при загрязнении трубок конденсаторов растительной флорой и при преобладании органической части отложений следует вводить хлор в течение меньшею времени и с небольшими интервалами между его подачами. Например, хлор следует вводить в течение 30-40 мин' через каждые 12 ч. И наоборот, при преобладании минеральных отложений с небольшой примесью органических либо при наличии торфяных или илистых отложений следует увеличить интервалы до 24-36 ч и время введения хлора в воду до 60-70 мин. Таким хлорированием будет уничтожаться бактериальная флора, при наличии которой взвешенные вещества склеиваются между собой и с минеральными отложениями. С уничтожением бактерий можно ожидать изменения физического состояния налетов, уменьшения их связанности и выноса взвешенных веществ током воды из трубок конденсаторов.
Уничтожение, бактериальной флоры может способствовать уменьшению карбонатных отложений. Это подтверждается литературными данными, из которых следует, что образование кальция может происходить вследствие биохимических процессов. Так, по данным [Л.75]), процесс выделения кальция бактериями происходит следующим
образом: сначала наблюдается появление аморфного карбоната, потом коллоида-кальцита, а затем наступает его кристаллизация. Внутри, кристаллов обнаруживаются бактерии.
И, наконец, при обработке воды хлором, особенно большими дозами, происходит переход части карбонатной жесткости в некарбонатную в результате образования соляной кислоты в взаимодействия ее с бикарбонатами воды
Однако количество образующейся соляной кислоты настолько незначительно, что не может исключить накипеобразования, но в какой-то мере может способствовать уменьшению образования карбонатных отложений.
Из приведенных данных следует, что хлорирование целесообразно как для уничтожения растительных и животных организмов, участвующих в образовании отложений, так и для уменьшения наносных (механических) отложений.
Методы борьбы с накипеобразованием на тепловых электростанциях сводятся в основном к обработке воды химическими реагентами, обеспечивающими содержание бикарбонатов в растворенном состоянии. Другие виды борьбы с накипеобразованием заключаются в снижении концентрации бикарбонатов в охлаждающей воде и в изменении их структуры.
В настоящее время на электростанциях используются следующие реагентные методы борьбы с накипеобразованием:
- стабилизация растворенных в воде бикарбонатов кальция и магния введением фосфатных соединений (фосфатирование);
- уменьшение карбонатной жесткости охлаждающей воды обработкой ее кислотой (подкисление);
- обработка воды дымовыми газами котлов, заключающаяся в насыщении охлаждающей воды газами, причем одновременно происходит стабилизация бикарбонатов охлаждающей воды углекислотой и подкисление ее сернистой или серной кислотой.
Из физических методов экспериментально применяется магнитная и ультразвуковая обработка воды.
Все перечисленные методы применимы и дают положительные результаты в оборотных системах водоснабжения, где в качестве охладителей используются градирни или брызгальные бассейны. Но если для охлаждения отработавшего пара используется вода из больших водохранилищ, особенно проточных, и при этом расходуются большие количества воды, то перечисленные методы не применяются, за исключением, обработки воды дымовыми газами.
При больших расходах воды для борьбы с накипеобразованием требуется введение большого количества химических реагентов, а это т трудоемкое и громоздкое мероприятие. Кроме того, в случае применения фосфатов в дозе 1, 0-1, 5 мг/л возрастают дополнительные расход воды на продувку водохранилища и создаются благоприятные условия для развития водной растительности, так как фосфор является биогенным веществом.
Кроме, перечисленных методов, для борьбы с накипеобразованием используется также водообмен в водохранилище весной. Сущность метода водообмена, предложенного Н.Т.Наталюк, Ю.И.Лазаренко и Б.А.Шиманским, заключается в том, что к началу половодья из водохранилища-охладителя сбрасывается часть воды с более высокой минерализацией и заменяется в половодье маломинерализованной водой из источника, пополняющего водохранилище. Количество заменяемой воды назначается после разбавления воды, оставшейся в водохранилище, и с учетом возрастания минерализации соблюдался безнакипный режим на протяжении всего года.
Здесь необходимо отметить, что при проектировании водохранилищ-охладителей и расчете прогноза минерализации Теплоэлектропроект предлагает сброс воды из водохранилища (продувка). Фактически дело обстоит так, что в большинстве случаев величина сброса определяется водным балансом, а солевой режим при этом, если и учитывают, то исходят лишь из общей минерализации, без учета роста карбонатной жесткости и предельно допустимой ее величины, обеспечивающей безнакипный режим в системе охлаждения. Сброс воды на большинстве водохранилищ-охладителей приурочивается к самому половодью, т.е. сбрасываются талые воды, хотя целесообразен максимально-возможный сброс наиболее минерализованной воды перед половодьем с тем, чтобы задержать или накачать наибольшее количество пресных талых вод.
Однако величина сброса должна быть в пределах гарантированного заполнения его весной. Если подачей обеспеченного весеннего стока не гарантируется заполнение водохранилища до НПУ, то сброс недопустим.
В следующем месяце карбонатная жесткость по прогнозу минерализации должна вырасти также на 0, 15 мг-зкв/л по сравнению с предыдущим. Следовательно, кислоты для снижения ее до предела понадобится столько же.
Итак, учитывая возрастание карбонатной жесткости посезонно или помесячно, можно определить потребное количество серной кислоты за год для снижения карбонатной жесткости до предельно-допустимой при безнакипном режиме.
