Способ термоумягчения и обезжелезивания воды

 

Изобретение относится к термическому умягчению и обезжелезиванию соленых и жестких вод и может быть использовано при переработке природных вод, в частности при подготовке питательной воды для паровых и водогрейных котлов, а также для приготовления питьевой воды. Способ осуществляют кипячением воды в деаэраторе, при котором происходит растворение металла корпуса и узлов деаэратора с образованием гидроксида металла, выполняющего функцию стабилизатора солей жесткости. Деаэратор снабжен устройством для отделения осадка, а нагрев воды в деаэраторе осуществляют паром и продувочной водой из котла с использованием содержащейся в ней щелочи и закисного железа для умягчения и стабилизации воды. На колонну деаэратора установлена царга с насадкой из углеродистой стали, или алюминия, или латуни, или их смеси в форме листов или стружки. Устройство для отделения осадка выполнено в виде заборного патрубка с торцом забора выше слоя осадка, защищенного отбойными перегородками. После деаэратора воду направляют в осветлители, в качестве которых могут быть использованы корпуса ионообменных фильтров, заполненных при необходимости кварцевым песком. Для финишного умягчения осветленной воды используют ионообменный фильтр, причем воду после деаэратора и осветлителя охлаждают до 40°С, например, в теплообменнике подогрева исходной воды. Для нагрева и кипячения можно использовать содержащую закись железа природную воду. Технический эффект - снижение энергетических издержек, упрощение аппаратурного оформления и удешевление технологии. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к термическому умягчению и обезжелезиванию воды и может быть использовано при подготовке питательной воды для паровых и водогрейных котлов, а также для приготовления питьевой воды.

Классические способы умягчения воды связаны, как правило, с применением щелочи, которая переводит соли жесткости в осадок, удаляемый из системы (Лукин Г.Я., Колесник Н.Н. Опреснительные установки промыслового флота. -М., 1970, с.201). Расход щелочи можно уменьшить, а технологию удешевить, если в воду дополнительно ввести окись железа (А.Ф.Соловьев и др. А.с. 981255, М. кл.С 02 F 5/04, 1982). Известна попытка заменить дорогой целевой компонент - щелочь на дешевый бросовый щелочной отход - золу природного твердого топлива. Однако с золой и ржавчиной - оксидами железа вносится грязь, исключающая возможность глубокого умягчения воды, необходимого для паровых котлов (А.И.Баулин и др. А.с.912685, М.кл. С 02 F5/00, 1982).

Известно применение для умягчения воды алюминий-содержащих реагентов, которые, как и в случае с железом вводят в воду вместе с щелочью (Э.П.Ржечицкий и др. Способ умягчения магнийсодержащей воды. А.с. 881006, М. кл.С 02 F 5/00, 1981). Однако, по-видимому, алюминий срабатывает слабее, чем железо, т.к. авторы претендуют только на умягчение магнийсодержащих вод. Значительно шире известно применение алюминийсодержащих солей Al₂(SO₄)₃·18H₂O в качестве коагулянта, ускоряющего выпадение кристаллов карбоната в осадок. В соответствии с результатами медицинских исследований, повышение концентрации Al в воде может вызывать значительные осложнения в работе организма человека и животных, в первую очередь, нервной системы. В связи с этим американским обществом окружающей среды US EРА и другими международными организациями вводятся значительно более жесткие нормы содержания Аl в воде по сравнению с ныне действующими: 0,05 вместо 0,5 мг/л (Соломенцева И.М., Величанская Л.А., Герасименко И.Г. Проблема остаточного алюминия в очищенной воде. Химия и технология воды, № 6, 1991, с.513). Применение реагентов можно исключить, если производить общеизвестное опреснение - дистилляцию солесодержащей воды. Недостатки способа - высокие энергетические потери, большие потери воды с рассолом, а также экологические издержки, связанные со сбросом рассола и засолением водоемов и земель.

Расход воды можно снизить, если рассол обработать известью, отделить осадок и смешать фильтрат с дистиллятом (В.В.Мищенко и др. Способ очистки кислых сточных вод, А.с. 990967, М.кл. С 02 F 1/04, 1963). В этом способе велики энергетические издержки, т.к. для получения концентрированного рассола требуется многокорпусная выпарная установка. Кроме того, введение извести приносит в воду дополнительные трудноудаляемые примеси.

Известна термическая обработка питательной воды для тепловых сетей предложенная проф. С.Ф.Копьевым (Стоцкий Л.Р. Машинист котельных на жидком и газообразном топливе.-М.: Недра, 1975, с.328). Сырая вода нагревается до кипения и дегазируется от углекислого газа. Из-за недостатка СО₂ идет распад бикарбонатов с образованием осадка СаСО₃ и Mg(OH)₂ вследствие увеличившейся щелочности воды. Глубокого умягчения воды добиться не удается, т.к. при контакте воды с воздухом в аккумуляторном баке вода жадно поглощает СО₂ и возвращается в исходное состояние.

Проблему глубокого термического умягчения воды удалось решить в патенте № 2115630, кл. 6 С 02 F 5/08, принятом за прототип. По данному патенту в воду вводится реагент, смесь кипятится с удалением газов и паров, в частности, углекислоты. В качестве реагентов используют ионы Al и Fе, получаемые в электрокоагуляторе при электролитическом растворении алюминиевых и железных электродов. Регламентируется состав реагентов и время кипячения. При подготовке котловой воды термообработку воды в соответствии с п.8 формулы ведут в котле, причем предполагается, что хлопья гидроксидов и солей жесткости не приставляют опасности для котла и системы. Однако данное утверждение справедливо только отчасти для водогрейных котлов. В паровых котлах осадок накапливается в застойных пазухах и может представлять опасность. Кроме того, электролитический способ генерации реагентов требует применения электрокоагулятора и выпрямителя, обслуживание которых достаточно сложно. По патенту регламентируется достаточно интенсивное кипячение воды, что не всегда возможно для случая водогрейных котлов, где температура может не дойти до температуры кипения.

Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков и создание способа, обеспечивающего глубокое умягчение воды как для паровых, так и для водогрейных котлов, а также для приготовления питьевой воды с исключением сложного реагентного хозяйства и электрокоагуляторов.

Предлагаемый способ осуществляют кипячением воды в деаэраторе, при котором происходит растворение металла корпуса и узлов деаэратора с образованием гидроксида металла, выполняющего функцию стабилизатора солей жесткости, при этом деаэратор снабжен устройством для отделения осадка, а нагрев воды в деаэраторе осуществляют паром и продувочной водой из котла с использованием содержащейся в ней щелочи и закисного железа для умягчения и стабилизации воды. Количество образуемого в деаэраторе закисного железа можно увеличить до потребного, установив на колонку деаэратора царгу с насадкой из углеродистой стали, или алюминия, или латуни, или их смеси в форме листов или стружки. Устройство для отделения осадка выполнено в виде заборного патрубка с торцом забора выше слоя осадка и защищенного отбойными перегородками. После деаэратора воду направляют в осветлители, в качестве которых могут быть использованы корпуса ионообменных фильтров, заполненные при необходимости кварцевым песком. Исследования показали, что предлагаемый способ термического умягчения и обезжелезивания обеспечивает степень умягчения, требуемую как для водогрейных, так и для паровых котлов. Однако для предельных, ответственных случаев целесообразно не противопоставление, а сочетание термического и ионообменного способов. Поэтому в предлагаемом способе для финишного умягчения осветленной воды используют ионообменный фильтр, причем воду после деаэратора и осветлителя охлаждают до 40°С, например, в теплообменнике подогрева исходной воды. Установка финишного фильтра не умаляет заслуг блока термоумягчения, в котором аналогично ионообменным фильтрам 1-й ступени удаляется более 90% солей жесткости. Количество регенераций и соли для финишной ступени на порядок меньше, чем для первой ступени. Охлаждение необходимо, чтобы не сжечь смолу.

На фиг.1 представлена схема установки, на которой реализован заявляемый способ.

На фиг.2 представлены кривые умягчения для различных условий образования реагента.

На фиг.3 представлена динамика изменения концентрации железа при обработке воды в деаэраторе, осветлителе и аккумуляторном баке.

Установка по фиг.1 включает штуцер подачи исходной меди 1, теплообменники подогрева исходной воды 2, 3, деаэратор 4 с колонкой 5 и с насадочной царгой 15, барботером 6 с входным патрубком 21, с устройством для отделения осадка 7, осветлитель 8, кварцевый фильтр 9, ионообменный фильтр 10 и теплообменник 11. Теплообменники 2 и 3 ступенчато нагревают исходную воду двумя потоками теплоносителей - 17 от осветлителя 8 или кварцевого фильтра 9 и потоком 18 из котла. Царга 15 заполнена насадкой 16 из углеродистой стали, или алюминия, или латуни, или их смеси в форме листов или стружки и эксплуатируется при температуре воды, кипящей в деаэраторе. Отгоняемые из воды агрессивные углекислота и кислород растворяют насадку. Царга 15 снабжена патрубком 19 входа исходной подогретой воды, патрубком 20 подачи пара или горячей воды из котла и патрубком 14 выхода удаляемых агрессивных газов. Устройство для отделения осадка 7 выполнено в виде заборного патрубка 23 с торцом забора выше слоя осадка и защищенного отбойными перегородками 24. Осветлитель 8 снабжен патрубком входа суспензии 25 и вентилями сброса осадка в канализацию 26, забора осветленной воды 27, подачи осветленной воды на охлаждение 28 или подачи воды на финишное осветление 29. Кварцевый фильтр 9 заполнен кварцевым песком 30 и снабжен вентилями сброса осадка в канализацию 31, забора осветленной воды 32 иди подачи воды на охлаждение 33. Ионообменный фильтр 10 заполнен ионообменной смолой или сульфоуглем 34 и снабжен патрубками входа осветленной воды 35, выхода умягченной воды 36 и вентилем сброса промывочной воды в канализацию 12. Теплообменник 11 нагревает умягченную воду конденсатом перед подачей в котел - линия 13.

Заявляемый способ реализует на описанной установке следующим образом. Исходную жесткую воду подают через вентиль 1 в теплообменники поз.2 и 3, где она нагревается до температуры 75°С. Теплоносителем в теплообменнике 2 является вода из осветлителя или из кварцевого фильтра, охлаждаемая до температуры менее 40°С перед подачей на ионообменный фильтр 10. Теплоносителем в теплообменнике 3 является вода или пар из котла. Далее вода подается в колонку деаэратора 5, где нагревается паром и продувочной водой из котла до кипения. При интенсивном кипячении из воды удаляется углекислота и оставшийся кислород, повышается щелочность и идет связывание солей жесткости в труднорастворимые карбонаты СаСО₃. Карбонаты сорбируются гидроксидами Fe(ОН)₃ и Аl(OН)₃, делая процесс умягчения необратимым. Кроме солей временной жесткости гидроксиды сорбируют и соли постоянной жесткости, чем данный способ существенно отличается от известных способов термоумягчения, где частично удаляется только временная жесткость. Образовавшаяся суспензия разделяется в аккумуляторном баке деаэратора, причем осадок удаляется из патрубка 22, а светлая жидкость, пройдя через устройство для отделения осадка 7, 24, подается через патрубок 23 на дальнейшую обработку. При интенсивном удалении из воды кислых газов идет растворение металла корпуса и тарелок деаэратора. При этом образуется закисное железо, которое окисляется до трехвалентного и превращается в гидроксиды. Еще более интенсивное кипячение, чем в деаэраторе, ждет в котле, где образуется пар, с которым удаляются остаточные кислые газы, идет повышение щелочности и образование закисного железа. Упомянутые щелочь и реагент отбираются с продувочной водой и направляются в патрубок 20 деаэратора. Анализ продувочной воды показал, что в паровых котлах щелочность может подняться до 15 /мг-экв/кг, т.е. имеем резерв химического щелочного умягчения (Справочник по котельным установкам малой производительности.-М.: ЭАИ, 1989, с.52). При недостаточном количестве закисного железа и алюминия на колонку 5 деаэратора 4 устанавливается царга 15 с насадкой 16, эксплуатируемой при кипячении воды в условиях отгонки агрессивных газов углекислоты и кислорода, растворяющих насадку, т.е. процесс образования гидроксидов идет более интенсивно. Ревизия паровых котлов показала, что в застойных зонах накапливаются залежи ржавого железистого осадка. Считается, что железо исходной воды убирается ионообменной смолой. Факт накопления железа в котле объясняется образованием железа в деаэраторе и в самом котле. По упомянутому способу все названное железо удаляется и используется целенаправленно для умягчения и стабилизации воды. Также нецелесообразно удалять железо из исходной воды на ионообменном фильтре, т.к. железо является ядом, отравляющим смолу. Более логично использовать закисное железо природной воды как готовый реагент, исключающий применение электрокоагуляторов.

Возможность использования природного закисного железа северной воды как реагента показана в прилагаемом акте приемочных испытаний центральной городской котельной г.Белоярский. Факт образования дополнительного железа в деаэраторе при удалении кислых газов также отмечен в этом акте и на фиг.3.

Если разделяющая способность аккумуляторного бака деаэратора недостаточна для удаления осадка, следует применить штатные отстойники или осветлители. Однако при модернизации котельной, связанной с заменой ионитного умягчения на термическое, целесообразно использовать корпуса ионообменных фильтров как осветлители при минимальной их доработке - см. поз.8 фиг.1. В этот осветлитель и направляется вода из деаэратора 4. Если одного осветлителя недостаточно, можно поставить на параллельную или последовательную работу все корпуса ионообменных фильтров первой и второй ступеней. Если и эта мера недостаточна, один корпус можно засыпать кварцевым песком, т.е. реализовать кварцевый фильтр.

При необходимости глубокого умягчения, а также при желании подстраховаться целесообразно для финишного умягчения воды применить ионообменный фильтр. Он будет работать в режиме ионообменного фильтра второй ступени, т.е. снимать не более 10% солей жесткости, а основные 90% обеспечит термотехнология. Пропорционально уменьшению количества солей уменьшится количество регенераций, т.е. приблизительно в 10 раз. Осветленную воду перед подачей на ионообмен необходимо охладить до 40°С, например, в теплообменнике поз.2, использовав ее для подогрева исходной воды.

Пример 1

Исследовали влияние на умягчение растворение металла латунного корпуса при интенсивном кипячении воды краснодарской водопроводной при закрытой крышке в зависимости от времени кипячения - табл.1, фиг.2, кривая 1. Жесткость воды снизилась на 3,6 мг-экв/кг.

Пример 2

Исследовали влияние на умягчение количества образованных ионов железа при растворении железной насадки в латунной емкости с закрытой крышкой при температуре воды 40°С с последующим удалением насадки и кипячением воды, насыщенной ионами. Количество ионов определяли по времени пребывания экспозиции ионов в воде - τ_э, которое составляло 5 и 30 мин. Изменяли удельную поверхность насадки: f₁ = 30 м²/м³, а f₂ = 60 м²/м³ воды. Вода краснодарская водопроводная.

Для режимов 1, 3-7 температура воды составляла +50°С, для режима 8 - 100°С. Жесткость исходной воды для всех режимов составляла 5,6 /мг-экв/кг/. Результаты представлены в табл.1 и на фиг.2 - кривые 2, 3, 4.

На фиг.2 кривая 2 характеризует степень умягчения воды при τ_э = 5 мин, f₁ = 30 /м²/м³ воды/, кривые 3 и 4 - τ_э = 30 мин, f₁ = 30 м²/м³ воды/, причем кривая 3 снята с открытой крышкой емкости, а кривая 4 – с закрытой.

С увеличением времени пребывания жесткость воды по сравнению с базовой кривой 1 снизилась на 0,7 единицы, причем "закрытый" процесс эффективней "открытого".

Пример 3

Условия по примеру 2. Половину железной насадки заменили на алюминиевую. При f₁ = 30 м²/м³ воды жесткость по сравнению с базой снизилась на 1,0 единицу - кривая 5, а при f₂ = 60 м²/м³ воды на 1,6 - кривая 6 и составила 0,4 мг-экв/кг, что приемлемо для водогрейных котлов - табл.1, фиг.2, кривые 5 и 6.

Пример 4

Условия по примеру 3. В воду ввели 10% продувочной воды из котла с щелочностью 15 мг-экв/кг. Остаточная жесткость составила 0,004 мг-экв - кривая 7, что приемлемо для паровых котлов (табл.1, фиг.2, кр.7).

Пример 5

Исследовали влияние на умягчение количества генерируемых ионов при кипячении в латунном корпусе смеси 50% алюминиевой и 50% железной насадки с отгонкой кислых паров через отверстия в крышке аппарата. Удельное соотношение насадки к объему воды составляло f₂ = 60 м²/м³ воды.

Отбор пробы производился через 30 мин от начала кипячения. Моделировался случай с насадочной царгой на колонне деаэратора. Результаты представлены на фиг.2 кривая 8, которая практически идентична кривой 7, но получена без подачи продувочной воды. Остаточная жесткость составила 0,005 мг-экв/кг, что приемлемо для паровых котлов.

Пример 6

В промышленной установке по фиг.1 исследовали динамику изменения концентрации железа при обработке воды в деаэраторе, осветлителе и аккумуляторном баке по заявляемому способу. Проверяли эффективность использования природного закисного железа северной воды (г.Белоярск, Тюменской области), а также возможность и эффективность образования дополнительного железа при деаэрации кислых газов и растворении металла корпуса и узлов. Результаты представлены в табл.2, на фиг.3 и в прилагаемом акте, в частности в п.5.

Применен вакуумный деаэратор, температура кипячения воды составляла 60 и 90°С. Проверяли два типа воды с исходной концентрацией железа Fe₁ = 1650 и Fe₂ = 5800 мкг/кг.

Из анализа кривых следует, что при любом типе воды в деаэраторе генерируется дополнительное железо. При обработке суспензии концентрация железа падает до норм, регламентируемых правилами Котлонадзора, т.е. происходит обезжелезивание основного и дополнительного железа. Ионообменный способ убирал на смоле только основное железо, а дополнительное оседало в застойных пазухах котла. Предлагаемый способ выгодно отличается от известных способов Na и Н-катионирования также по составу получаемой после умягчения воды.

При Na-катионировании в умягченной воде содержатся бикарбонаты, которые термически распадаются в деаэраторе и котле с образованием щелочи, что для ряда производств недопустимо.

При Н-катионировании умягченная вода получается кислой, что также во многих случаях недопустимо.

Параллельное Na- и Н-катионирование усредняет рН, не усложняет технологию и оборудование.

При термоумягчении при отгонке кислых газов в деаэраторе увеличивается рН, но образовавшаяся щелочь расходуется на образование гидроксидов и карбонатов кальция, так что рН остается нейтральным. Из анализа кривых фиг.2 следует, что эффективность умягчения воды пропорциональна количеству введенных в раствор ионов металла. Однако в формуле изобретения предпочтение отдано образованию ионов металла при растворении металла корпуса и узлов деаэратора, а также насадки царги деаэратора кипячением воды взамен менее эффективного образования ионов металла в металлостружечном фильтре при температуре воды менее 75°С. На основании анализа результатов экспериментов, а также из анализа акта приемочных испытаний модернизированной по термотехнологии котельной были сделаны выводы об эффективности предлагаемого способа термоумягчения и обезжелезивания воды. Управлением Северо-Кавказского округа Госгортехнадзора России дано разрешение на применение предлагаемого способа для водогрейных и паровых котлов.

Формула изобретения

1. Способ термоумягчения и обезжелезивания воды, включающий нагрев и кипячение воды с удалением из нее кислых реагентов и осадка, отличающийся тем, что способ осуществляют кипячением воды в деаэраторе, при котором происходит растворение металла корпуса и узлов деаэратора с образованием гидроксида металла, выполняющего функцию стабилизатора солей жесткости, при этом деаэратор снабжен устройством для отделения осадка, а нагрев воды в деаэраторе осуществляют паром и продувочной водой из котла с использованием содержащейся в ней щелочи и закисного железа для умягчения и стабилизации воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на колонну деаэратора установлена царга с насадкой из углеродистой стали, или алюминия, или латуни, или их смеси в форме листов или стружки.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что устройство для отделения осадка выполнено в виде заборного патрубка с торцом забора выше слоя осадка и защищенного отбойными перегородками.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что после деаэратора воду направляют в осветлители, в качестве которых могут быть использованы корпуса ионообменных фильтров, заполненных, при необходимости, кварцевым песком.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для финишного умягчения осветленной воды используют ионообменный фильтр, причем воду после деаэратора и осветлителя охлаждают до 40°С, например, в теплообменнике подогрева исходной воды.

6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что для нагрева и кипячения используют содержащую закись железа природную воду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3