Новый подход к решению проблем накипеобразования, коррозии и биообрастания в оборотных системах водопользования

Авторы:

Казимиров Е.К. – к.х.н., директор ООО «Азов» по Н.Т.В.

Казимиров О.Е. – к.т.н., генеральный директор ОАО «Дизель»

Решение задачи рационального использования водных ресурсов связано с реализацией систем оборотного водоснабжения. Уже сегодня объем оборотного водопользования по РФ составляет более 80% от общего водопотребления. Альтернативы дальнейшему росту доли оборотного водоснабжения, наряду с реализацией мероприятий по экономичному использованию воды, нет. При общем положительном фоне опыт использования оборотных систем водопользования выявил три основных негативных фактора. Первый заключается в наличии сброса части сетевой воды оборотного цикла в виде сточных вод (4-10% от общей производительности при коэффициенте упаривания 1-1,5) и выбросов в атмосферу (испарение и каплеунос до 0,25%).

Второй связан с высокой накипеобразующей и коррозионной активностью сетевой воды вследствие концентрирования ее ингредиентов в процессе открытого испарительного охлаждения и насыщения кислородом воздуха.

Третий выявляется в виде биологической активности сетевой воды из-за наличия питательной среды (углеродсодержащие питательные вещества), биогенных элементов (фосфора, азота и т.д.), кислорода и, как следствие, образование отложений частиц активного ила на теплопередающих поверхностях.

На Наш взгляд, решение задачи повышения эффективности работы оборотных систем должно быть неразрывно связано с учетов всех трех факторов

Для наглядности, используемые и рекомендуемые в настоящее время варианты обработки сетевой воды оборотных систем обобщены в таблице 1.

Рассмотрим на базе экосистемного подхода данные способы водоподготовки в сравнительном варианте с электрохимическим (№ 5).

Виды водоподготовки и их основные стадии

Накипеобразование

Рост накипи и, как следствие, уменьшение коэффициента теплопередачи приводит к постоянному увеличению расхода охлажденной воды в пределе до максимальной производительности сетевых насосов. При достижении их максимальной производительности для обеспечения технологических температурных параметров необходима остановка теплообменного оборудования и чистка. Перерасход сетевой воды за счет накипеотложений составляет 75-100% от расхода при чистых теплопередающих поверхностях.

Затратной является и сама чистка теплопередающих поверхностей. Так, на одном из действующей оборотной системе производительностью 1000 м3/ч на чистку трубчатых теплообменников, для охлаждения которых используется необработанная вода, затрачивается работа в объеме 2 126 чел/год на сумму около 200 000 руб/год.

Способы снижения накипеобразования до нормативного показателя можно подразделить на два класса:

1.Химические – с использованием реагентов (№ 1-3 Таблица 1)

2.Нехимические – основанные на физико-химических процессах (№ 4-5 Таблица 1)

Способ с использованием ионообменных фильтров (№ 1) в технико-экономическом отношении сложен и затратен, а в экологическом плане несовершенен. Так, согласно данным статьи Я. Щелокова, при использовании ионообменного способа в системах отопления и горячего водоснабжения, по Свердловской области расходуется ежегодно 1000 т серной кислоты, 3000 т поваренной соли, 100 т катионита, а в водоемы сбрасывается 900 000 м3 солевых стоков. Естественно для водооборотных систем, где объем подпитки на порядок выше, данные показатели резко возрастают.

Первые, альтернативые ионообменному, способы для предотвращения накипеобразования, связаны с использованием химических реагентов. Такие способы снижения накипеобразования как известкование, подкисление, обработка дымовыми газами, дозирование неорганических фосфатов и некоторые другие не прошли опытно-промышленный отбор в основном из-за громоздкости оборудования и сложности поддержания технологических регламентов.

В более поздних работах содержатся предложения по использованию фосфорорганических реагентов. В настоящее время имеются коммерческие предложения по более чем 200 наименований антинакипинов, выпускаемых промышленностью разных стран.

Не вдаваясь в детальный анализ химических способов водоподготовки (№ 1-2 Таблица 1), отметим два основных фактора:

- экологический

- эксплуатационный

Эксплуатационный фактор связан с необходимостью единичного подбора химического реагента применительно к конкретному объекту оборотного водопользования и поддержания выбранной дозы путем постоянного аналитического контроля.

Для того, чтобы подчеркнуть значимость экологического фактора достаточно провести несложный расчет. Так, фосфорорганический антинакипин бинарного действия содержит в среднем 80% основного вещества (в пересчете на РО42-) и 20% цинка. Если для водооборотных систем принять дозу 5 г/м3, а количество стоков 5%, то легко просчитать годовой сброс реагента в канализационный коллектор (поверхностный водоем) и атмосферу (Таблица 2).

Количество сброса реагента

В Таблице 3 приведены (по данным ежегодного Доклада о состоянии окружающей среды и природных ресурсов) параметры загрязненных рек Волги и Оки, которые показывают превышение предельно-допустимых концентраций по рассмотренным выше ингредиентам.

Среднегодовые показатели загрязненности водного бассейна (г. Нижний Новгород)

При использовании нехимических способов водоподготовки (№ 4-5 Таблица 2) загрязнение окружающей среды минимизировано.

Важной особенностью электрохимического способа является то, что в аппаратах типа АЭ закрытого или открытого типа (рис.1), подключенного к сетевому водопроводу в байпасном варианте (рис. 2) обрабатывается вся сетевая вода.

Рис. № 1 Промышленные электрохимические аппараты открытого (слева) и закрытого (справа) типа 1. Графитированный анод; 2. Стальной катод; 3. Разводка проводов; 4. Корпус аппарата

Рис. № 2 Принципиальная схема обвязки аппарата

1. Аппарат типа АЭ; 2. Блок сетевых насосов; 3. Вентили в обвязке аппарата;

А – теплотрасса сетевой воды от потребителя (обратка);

Б – трубопровод подачи необработанной воды (городской или локальный водозабор);

В – теплотрасса подачи сетевой воды в теплоагрегат и далее потребителю

В прикатодной зоне аппарата за счет электрохимических реакций (2H2O + 4O2 + 4e = 4OH-; Са2+ + HCO-3 + OH- → CaCO3↓ + Н2О) образуются миллиарды мономолекул и наночастиц карбоната кальция, которые служат центрами кристаллизации накипеобразующих солей в пересыщенной сетевой воде. Наличие центров кристаллизации позволяет обеспечить выпадение солей в объеме жидкости, а не на теплопередающих поверхностях и сетевых трубопроводах.

Количество уловленных в аппарате солей жесткости может прослеживаться материальным балансом на базе анализа сетевой и подпиточной воды на карбонатную жесткость.

Образование множества центров кристаллизации в аппарате обеспечивает процессы образования и роста агломератов солей жесткости в объеме водооборотной воды не только в теплообменных аппаратах, но и по всей сетевой трассе. А одновременное количественное улавливание (не менее 95%) в аппарате агломератов накипеобразующих солей обеспечивает «безнакипный» режим работы теплопередающих поверхностей.

На действующей оборотной системе производительностью 3 500 м3/ч и карбонатной жесткостью подпиточной воды 3,9 мг*экв/л из антинакипных электрохимических аппаратов выгружается при чистках 6-7 тонн в год солей жесткости (рис.3).

Рис. № 3 Кассета с уловленными солями жесткости

Основным отличием физических способов водоподготовки (№ 4 Таблица 1) заключается в том, что они устанавливаются на энергообъектах в основном на подпиточной воде, а стадии улавливания образующихся агломератов делегируют аппаратам фильтрационной очистки. Немаловажной особенностью физических способов является наличие затухания (релаксации) во времени и расстоянии от точки воздействия, а так же при наличии узлов разрыва струи и функционирования мощных сетевых насосов, что характерно для оборотных систем

Коррозия

Ингибирование коррозии по способу 1 (Таблица 1) заключается в использовании деаэраторов, требующих существенных дополнительных энергозатрат.

Проблемные стороны использования реагентов (способы № 2-3) для снижения коррозии изложены в разделе «Накипеобразование».

Сведения о влиянии физических способов обработки сетевой воды (способ № 4 Таблица 1) на коррозионную активность крайне малы и, в основном, декларированы.

На действующей оборотной системе для оценки коррозионного состояния теплопередающих поверхностей при использовании электрохимического аппарата (режим 1) в сравнении с работой их без аппарата (режим 2) использовали портативный универсальный коррозиметр «Эксперт-004» и рентгенспектральный микроанализатор «KANEBAK». Согласно сравнительным данным, при использовании электрохимической обработки отсутствует язвенная коррозия, уменьшается количество и глубина (в 3 раза) питтингов, а средняя скорость коррозии не превышала 0,1 мм/год (рис.4).

Рис. №4 Внутренняя поверхность труб, эксплуатировавшихся по режиму 1 с применением электрохимического аппарата (слева) и при обычном режиме водоподготовки (справа)

Уменьшение коррозионной активности сетевой воды связано, в первую очередь, с тем, что при электрохимической обработке извлекаются не все ионы кальция и магния, а только их доля пресыщения, то есть сохраняется их известная ингибирующая роль. Альтернативные реагентные способы используют вариант полного связывания в комплексы накипеобразущих ионов.
Во-вторых, из раствора извлекаются взвешенные частицы, в частности, нерастворимые оксиды трехвалентного железа, которые, оседая на рабочей поверхности, инициируют язвенную коррозию.

Очистка от взвешенных частиц

Установка электрохимических аппаратов непосредственно до или после сетевых насосов способствует обработке всей сетевой воды. Обратим внимание на то, что при электрохимическом осаждении улавливаются не только соли жесткости и оксиды трехвалентного железа, но и практически все взвешенные частицы (силикаты, гироксиды железа, иловые частицы и др.). Это подтверждает состав уловленной взвеси в электрохимическом аппарате на одном из промышленных объектов, приведенный в таблице 4.

Состав отложений (по сухому веществу)

При использовании электрохимических аппаратов типа АЭ в действующей водооборотной системе производительностью 3 500 м3/ч средний показатель содержания взвешенных веществ в сетевой воде в течение 2010 года составил 12,5 мг/л.
Практически важным представляется и дисперсный анализ взвеси, уловленной в электрохимическом аппарате (рис.5), полученный на электронном микроскопе Jeol JSM-6490 с энергодисперсным рентгеновским микроанализатором JNCA 350. Практическая ценность данных заключается в том, что в электрохимическом аппарате улавливаются частицы дисперностью в 5 мкм и более, то есть на уровне фильтров с микропористым активированным углем.

Рис. № 5 Дисперсность

Биообрастание

Экологическая составляющая использования биоцидов более острая, чем при использовании антинакипинов. Если в валовом сбросе в окружающую среду биоциды примерно равны с антинакипинами (см. Таблица 2), то в токсикологическом отношении они более опасны. Имеются исследования о токсичности гидроаэрозолей оборотных систем, содержащих биоциды и ухудшающих состояние воздушной среды.

Предложения по использованию биоцидов направлено на уничтожение (дезактивацию) биоценоза в сетевой воде и, в первую очередь, на охлаждающих поверхностях градирен. При этом учитываются негативные последствия развития биоценоза на самой градирне и возможность попадания взвешенных частиц и активной пленки с градирни в сетевую воду.

Как нам представляется, незаслуженно забыты данные о функционировании биопленки действующих градирен. Так при обследовании оборотных систем нефтехимического комплекса выявлено, что степень очистки оборотной воды на градирнях от органических веществ (по ХПК и БПК) составляет 35-45%, а по содержанию взвешенных веществ 23%. Отмечается возможность деструкции даже таких специфических загрязнителей, как нефтепродукты. Наличие в биосистеме градирен простейших микроорганизмов «хищников» приводит к сокращению числа бактерий. Иными словами, имеет место фактор «самоочищения».

Спрашивается, для чего губить «самоочищающий» биоэффект градирни дозированием биоцидов? Более правильным представляется учесть наличие цикличности в работе биоценоза, при котором периодически через 20-30 суток идет саморегенерация активной биопленки, в процессе которой часть ее отторгается и смывается в бассейн градирни.

Учесть – это значит поставить барьер возможному заносу более мелких частиц отработанного ила и частиц биоценоза в трубную систему теплоагрегатов.

Для этой цели предлагается воспользоваться блоком электрохимических аппаратов (рис.6).

Рис. № 6 Схемы подключения электрохимических аппаратов в оборотных системах водопользования А – Аппараты открытого типа АЭ-АВ Б – Аппараты закрытого типа АЭ-А 1. Градирня испарения; 2. Сетевые насосы;. 3. Электрохимические аппараты; 4. Потребители оборотной воды; Р1 – продувочные воды; Р2 – испарение; Р3 – брызгоунос; П - подпитка