Типы топочных устройств 3 глава

Газопроводы не должны пересекать вентиляционные решетки, оконные и дверные проемы. В местах прохода людей газопроводы прокладываются на высоте не менее 2,2 м. Крепятся трубы при помощи кронштейнов, хомутов, крючьев и подвесок.

Запрещается использовать газопроводы в качестве опорных кон­струкций, заземления. Газопроводы окрашиваются водостойкими лакокрасочными материалами желтого цвета.

Рис.8.2. Схема внутренних газопроводов котельной и расположение отключающих устройств:

1 – футляр; 2 – общее отключающее устройство; 3 – кран на продувочном газопроводе; 4 – штуцер с краном для взятия пробы; 5 – продувочный газопровод; 6 – манометр; 7 – аспределительный коллектор; 8 – ответвление к котлу (опуски); 9 – отключающее устройство на опусках.

Принципиальная схема внутренних газопроводов котельной с несколькими котлами приведена на рис. 8.2. Газ по вводному газо­проводу проходит через футляр, установленный в стене помеще­ния котельной. Футляр 1 выполняется из отрезка стальной трубы, внутренний диаметр которой не менее чем на 100 мм больше диа­метра газопровода. Футляр обеспечивает независимую осадку стен и газопроводов. Общее отключающее устройство 2 предназначено для отключения всех котлов при плановом или аварийном от­ключении котельной. Отключающие устройства 9 на ответвлени­ях 8 к котлам (опусках) предназначены для отключения отдель­ных котлов.

Рис. 8.3. Схема расположения запор­ных устройств газового оборудова­ния котла с двумя горелками:

1 – газовый коллектор; 2 – ответвле­ние к котлу (опуск); 3 – отключающее устройство на опуске; 4 – ПЗК на кот­ле; 5 – регулирующая газовая заслонка; 6 – газовый запальник; 7 – ЗУ перед горелками; 8 – горелки; 9 – продувоч­ный газопровод; 10 – кран на проду­вочном газопроводе; 11 – кран к манометру; 12 – манометр

Схема расположения запорных устройств газового оборудова­ния котла с двумя горелками показана на рис. 8.3. Газ из распре­делительного газового коллектора котельной 1 по ответвлению к котлу (опуску) 2 проходит через отключающее устройство 3 на опуске, предохранительно-запорный клапан 4 (ПЗК), регулирую­щую газовую заслонку 5 и запорные устройства 7 (ЗУ) поступает в горелки 8.

Для внутренних газопроводов и для газового оборудования долж­но быть предусмотрено техническое обслуживание не реже одного раза в месяц. Текущий ремонт должен проводиться не реже одного раза в 12 месяцев в случаях, если в паспорте завода-изготовителя нет ресурса эксплуатации и нет данных о его ремонте.

Перед ремонтом газового оборудования, осмотром и ремонтом топок или газоходов, а также при выходе из работы установок сезонного действия газовое оборудование и запальные трубопро­воды должны отключаться от газопроводов с установкой заглушек после запорной аппаратуры.

Лекция №9 (2 часа)

Тема: «Водоподготовка и водно-химический режим котельного агрегата»

1 Вопросы лекции:

1.1 Физико-химические характеристики воды.

1.2 Влияние качества воды на работу котла.

1.3 Основные нормы качества воды.

1.4 Удаление механических примесей и коллоидных веществ из вод.

1.5 Основные методы умягчения и обессоливание воды.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

2.2.2 Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. -84 с.: ил.15.

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.4 Щеголев, М.М. Котельные установки : учебник для вузов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – М.: Стройиздат, 1972. – 384 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Физико-химические характеристики воды.

Источниками водоснабжения для питания котлов являются пруды, реки, озера, используются также грунтовые или артезиан­ские воды, вода из городского или поселкового водопровода. В со­ставе природных вод имеются механические примеси минераль­ного или органического происхождения, растворенные химиче­ские вещества и газы, поэтому без предварительной очистки при­родные воды непригодны для питания котлов.

Воду, используемую в паровых и водогрейных котлах, в зави­симости от участка технологической цепи, на котором она ис­пользуется, называют по-разному. Так, вода, поступающая в ко­тельную или ТЭЦ от возможных источников водоснабжения, на­зывается исходной или сырой водой. Как правило, эта вода требует предварительной химической подготовки перед использо­ванием ее для питания котлов.

Вода, поступающая для питания котлов, называется пита­тельной. Вода, подаваемая для восполнения потерь пара или расходов воды в тепловых сетях, называется подпиточной. Воду, находящуюся в испарительной системе котла, называют котловой.

Пар, получаемый в промышленных котлах, направляют в раз­личные теплоиспользующие устройства, конденсат из которых возвращается неполностью либо он настолько загрязнен, что не может быть непосредственно использован. Кроме того, часть пара и воды при наличии неплотностей теряется. В связи с этим необхо­димо систематически добавлять в тепловые сети некоторое коли­чество воды извне. В водогрейные котлы также приходится добав­лять воду из-за ее утечек в системе теплоснабжения или использо­вания потребителями.

Качество исходной, подпиточной, питательной и котловой воды характеризуется содержанием взвешенных частиц, сухим остатком, общим солесодержанием, жесткостью, щелочностью, содержани­ем кремниевой кислоты, концентрацией водородных ионов и со­держанием коррозионно-активных газов.

К взвешенным веществам относятся механические примеси, уда­ляемые из воды путем фильтрования, содержание взвешенных частиц вычисляют в миллиграммах на килограмм (мг/кг).

Общее солесодержание определяется по величине сухого остатка примесей, получающегося после испарения 1 кг профильтро­ванной воды и подсушивания этого осадка при температуре 105 °С. Общее солесодержание измеряется также в мг/кг. Находящиеся в воде соли обладают той или иной степенью ра­створимости, означающей, что в воде при каждой данной темпе­ратуре без остатка может растворяться определенная максималь­ная масса соли, которую выражают в граммах на литр (г/л). Разли­чают хорошо растворимые (более 10 г вещества в 1 л Н₂О) мало­растворимые (от 0,01 до 10 г/л) и практически не растворимые (менее 0,01 г/л) соли. К хорошо растворимым следует отнести соли щелочных металлов, хлориды (СаС1₂, MgCl₂) и т.д. Растворимость солей зависит от температуры.

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния. Различают общую Ж_о, карбонатную Ж_к и некарбонатную Ж_ик жесткость.

Карбонатная жесткость Ж_к характеризуется содержанием в воде гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ и гидрокарбонатов маг­ния Mg(HCO₃)₂. Карбонатная жесткость удаляется нагреванием воды, поэтому ее называют также временной жесткостью. При нагревании воды гидрокарбонаты Са(НСО₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ посте­пенно переходят в малорастворимую форму солей — карбонаты СаСО₃ и MgCO₃, выпадающие в виде рыхлых осадков (шлама) и удаляемые при периодической продувке. Уравнения этих реакций следующие:

Количественно карбонатная жесткость равна концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺. которая соответствует удвоенной концентра­ции гидрокарбонат-ионов (НСО₃)^-.

Некарбонатная жесткость вызвана наличием в воде всех остальных, помимо гидрокарбонатов, солей кальция и магния (на­пример, хлоридов СаСI₂, MgCl₂, сульфатов CaSO₄, MgSO₄, нит­ратов Ca(NO₃)₂, Mg(NO,)₂, различных силикатов и фосфатов каль­ция и магния и т.д.). Некарбонатная жесткость является неустра­нимой, она сохраняется при нагревании и кипячении, поэтому ее называют постоянной жесткостью. Соли постоянной жестко­сти образуют плотные отложения накипи. Количественно некар­бонатная жесткость равна концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺ за вы­четом временной (карбонатной) жесткости. В качестве анионов вы­браны (условно) сульфат-ионы SO₄, хотя в воде могут также на­ходиться, как бы по отмечено, хлориды, нитраты, различные силикаты и фосфаты кальция и магния. Так как некарбонатную же­сткость определяют через содержание CaSO₄ и MgSO₄, ее называ­ют также сульфатной жесткостью.

Общая жесткость Ж_о характеризуется суммарным содержани­ем в воде всех солей кальция и магния (хлоридов, сульфатов, гидро­карбонатов, нитратов, силикатов), т.е. складывается из карбонат­ной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости:

Ж_о = Ж_к + Ж_нк.

Количественно общую жесткость воды характеризуют через сум­марное содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺, выраженное в ммоль/кг. По жесткости все природные воды делятся на мягкие (общая же­сткость менее 2 ммоль/кг) и жесткие со средней степенью же­сткости (2... 10 ммоль/кг) и высокой степенью жесткости (более 10 ммоль/кг). Для перевода количества вещества п, моль, в его мас­су m, кг, используют формулу пМ = т, где М — молярная масса конкретного вещества, кг/моль. Для рассматриваемых солей жест­кость соответствует M(Са) = 40,08 кг/моль, M(Mg) = 24,32 кг/моль. Так как в химических процессах вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах, то на практике до сих пор широко используется понятие грамм-эквивалента — количество вещества в граммах, численно равное его химическому эквиваленту. Хими­ческий эквивалент — безразмерная величина, численно равная для водных растворов солей молярной концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺, приходящейся на вдвое большую молярную концентрацию (НСО₃)^-. Таким образом, если используют единицу измерения жесткости мг-экв/кг (миллиграмм-эквивалент на 1 кг воды), то она соответст­вует содержанию в воде 20,04 мг иона Са²⁺ или 12,16 мг иона Mg²⁺.

Щелочность характеризуется наличием в воде щелочных со­единений (NaOH — едкий натр, Na₂CO₃ — кальцинированная сода. NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, Na₃PO₄ — тринатрий-фосфат и др.).

Общая щелочность Щ_о складывается из суммы Щ_г (гидратная щелочность), Щ_[К (гидрокарбонатная), Щ_к (карбонатная), т.е.

Щелочность воды, как и ее кислотность, определяется водо­родным показателем рН. Вода является очень слабым электроли­том, и ее диссоциация происходит по реакции Н₂О↔Н⁺ + ОН^- . При температуре 25 ⁰С в чистой воде концентрация ионов водоро­да С_н+ равна концентрации гидроксид-ионов С_он-, и в свою оче­редь они равны: С_н+ = С_он^- = 10^-7 моль/л. Такая среда называется нейтральной. Десятичный логарифм концентрации ионов во­дорода, взятый с обратным знаком, назван водородным по­казателем рН, т.е. рН = -Ig[H⁺]. Таким образом, для нейтраль­ной среды рН = -lg| 10^-7| = 7.

В кислой среде С _н+ > С_он- и рН < 7, а в щелочной среде С_Н+<С_ОН- и рН > 7.

Окисляемость воды характеризуется наличием в ней органиче­ских соединений. С достаточной степенью точности ее можно оп­ределить также по потере массы сухого остатка, сожженного при 800 ⁰С. Важное значение для характеристики качества воды имеет также наличие кремнийсодержащих ионов. Присутствие растворен­ных в воде газов О₂ и СО₂ определяет в основном ее коррозионные свойства.

Вода, подготовленная для питания котла, не должна давать от­ложений шлама и накипи, разъедать внутренние стенки труб по­верхностей нагрева, а также вспениваться.

3.2 Влияние качества воды на работу котла.

Наличие примесей в питательной воде приводит к явлениям, существенно усложняющим работу котельного агрегата. В первую очередь следует выделить накипеобразование, загрязнение паро­перегревателей и турбин, внутреннюю коррозию в трубах.

Накипеобразование на внутренней поверхности обогрева­емых труб относится к наиболее нежелательным явлениям. При по­явлении накипи толщиной δ_Н на внутренней поверхности труб повы­шается температура стенки t_ст на наружной обогреваемой поверх­ности металла по причине низкой теплопроводности накипи λ_H.

Даже весьма небольшой слой накипи приводит к весьма су­щественному повышению температуры металла труб и их разрыву из-за потери механической прочности, что считается тяжелой ава­рией в котлоагрегате.

Растворение веществ в воде приводит к полной или частичной их диссоциации с образованием соответствующих ионов. Питатель­ная вода содержит в основном следующие ионы: катионы Na⁺, Са²⁺. Mg²⁺ и анионы ОН^- , Сl^-, SO^2- СО^2-₃, (HSiO₃)^-. Ион натрия Na⁺ легко образуется при растворении в воде многих природных со­единений, в их числе соли — хлорид натрия (поваренная соль) NaCl, сульфат натрия (глауберова соль) Na₂SO₄, карбонат натрия (кальцинированная сода) Na₂CO₃, гидроксид натрия (каустиче­ская сода, натровый щелок) NaOH и др.

При соприкосновении воды с горячей стенкой трубы в поверх­ностном слое вследствие испарения воды достигается состояние насыщения, и избыток вещества выпадает из раствора в осадок, образуя на стенке трубы твердые и плотные отложения — накипь. Очень твердую накипь дают силикаты CaSiO₃, и сульфаты CaSO₄ кальция.

Внутренние загрязнения на трубах пароперегревателей и лопат­ках турбин появляются при выносе солей из барабана котла с часточками влаги и вследствие растворимости некоторых солей в паре. Особая роль в загрязнении пароперегревателя и турбин принадле­жит кремнекислотам (их общая формула mSiO₂·nH₂O). С увеличе­нием давления растворимость в паре кремнекислот возрастает. Поэтому с повышением давления пара более 10 МПа значительно возрастают требования к чистоте воды и пара по их содержанию, например по содержанию ортокремниевой кислоты H₄SiO₄, моле­кулы которой образуют цепи, давая сначала вязкий осадок в виде геля (со временем формируется пористое вещество — силикагель).

В барабанах котлов и экранных трубах наблюдается щелочная коррозия, определяемая концентрацией щелочи NaOH, достига­ющей опасных значений при выпаривании котловой воды. Осо­бенно активно коррозия протекает под слоем непрочных отложе­ний (накипи и шлама).

Распространенным видом коррозии является кислородная кор­розия. Свободный кислород, содержащийся в воде, электрохими­чески взаимодействует с металлом и вызывает его разрушение. Наиболее подвержены кислородной коррозии внутренние поверх­ности труб экономайзеров.

3.3 Основные нормы качества воды.

Водно-химический режим работы котла должен обеспечивать надежность всей системы, включая питательный тракт, без по­вреждения элементов из-за отложений накипи и шлама, повыше­ния относительной щелочности (т.е. доли свободного едкого натра NaOH в общем солевом составе котловой воды) до опасных пре­делов или коррозии металла.

Все паровые котлы с естественной и многократной принуди­тельной циркуляцией паропроизводительностью 0,7 т/ч и более, все паровые прямоточные котлы, а также все водогрейные котлы должны быть оборудованы установками для докотловой обработки воды. Выбор способа обработки воды для питания котлов осуще­ствляет проектная организация.

На основании теплотехнических испытаний котлов и длитель­ного опыта их эксплуатации установлены нормы качества пита­тельной воды для водотрубных котлов с естественной циркуляцией (табл. 9.1), сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов (табл. 9.2).

Качество подпиточной и сетевой воды водогрейных котлов долж­но удовлетворять требованиям, указанным в табл. 9.2.

Нормы качества котловой воды, необходимый режим ее коррекционной обработки, режимы непрерывной и периодической продувок принимаются на основании инструкции предприятия изготовителя котла, типовых инструкций по ведению водно-хи­мического режима и других ведомственных нормативных докумен­тов или на основании результатов теплотехнических испытаний.

Качество пара зависит от его влажности и концентрации за­грязняющих котловую воду веществ. Насыщенный пар должен отвечать нормам, приведенным в табл. 9.3. В паре ограничивается содержание растворимых соединений натрия, а также свободной углекислоты Н₂СО₃ которая легко распадается на СО₂ и Н₂О.

Таблица 9.1 Нормы качества питательной воды водотрубных промышленных паровых котлов

Примечание. В числителе указаны значения для котлов, работающих на жидком топливе, в знаменателе — на других видах топлива.

Таблица 9.2 Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов

Показатель	Система теплоснабжения
открытая	закрытая
Температура сетевой воды, "С
Прозрачность по шрифту, см, не менее
Карбонатная жест­кость, mkг-экв/кг,при рН не более 8,5	800	750	375	800	750	375
Карбонатная жест­кость, мкг-экв/кг, при рН более 8,5	Не допускается	По расчету ГОСТ 108.030.47—81
Содержание раст­воренного кисло­рода, мкг/кг
Содержание соеди­нений железа (в пересчете на Fe), мкг/кг	300 -	200	250	600	500 400	375 300
Значение рН при 25 0С	7...8.5	7... И
Содержание неф­тепродуктов, мг/кг	1,0

Таблица 9.3 Предельные значения содержания примесей в насыщенном паре котлов с естественной циркуляцией

3.4 Удаление механических примесей и коллоидных веществ из вод.

В природной воде наряду с растворенными могут находиться минеральные и органические примеси, значительно различающи­еся по крупности частиц. Для удаления веществ, находящихся во взвешенном состоянии, используют методы отстаивания, фильт­рования, коагуляции. Отстаивание проводят в отстойниках, длительность процесса зависит от плотности частиц, их размера и формы. Объем отстойника обычно соответствует полуторной или удвоенной часовой производительности. Скорость осаждения мел­ких частиц невелика, и поэтому воду после отстаивания подверга­ют дальнейшему осветлению — фильтрованию.

Фильтрование заключается в пропускании воды через слой мелкозернистого материала (кварцевого песка, мрамора, доломи­та, антрацита) с размером частиц 0,6... 1мм, которым заполняют закрытые напорные фильтры.

Значительно быстрее и полнее процессы отстаивания и фильт­рования протекают при коагуляции, сущность которой за­ключается в укрупнении наиболее мелких коллоидных частиц и выделении их наряду со взвесями в осадок при добавлении к воде специальных реагентов-коагулянтов.

Наиболее эффективными коагулянтами являются соли алюми­ния и железа - сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃, сульфат железа FeSO₄·7H₂O и хлорное железо FeCl₃·6H₂О.

Доза коагулянта составляет, например, для сульфата алюми­ния 30...150 г коагулянта на 1 м³ воды. Коагуляция протекает наи­более полно при температуре воды 35...40°С. В результате коагуля­ции содержание органических веществ в воде может быть снижено на 60...80%, а кремниевой кислоты — на 25...40%.

Осветлительный фильтр представляет собой цилиндрический металлический резервуар с эллиптическими днищами, в котором на дренажном расширительном устройстве располагается слой фильтрующего материала. Вода после предварительного отстаива­ния и коагуляции или непосредственно в смеси с коагулянтом поступает в верхнюю часть фильтра через дырчатое распредели­тельное устройство. Просачиваясь со скоростью 12...15 м/ч через фильтрующий материал с высотой слоя 800...1200 мм, вода остав­ляет на его наружной поверхности и поверхности фильтра в толще взвешенные вещества и хлопья коагулянта, осветляется, после чего через дренажную систему она отводится в бак. В процессе фильтрации (обычно в течение 5...6 ч) фильтрующий материал загрязня­ется осадком, т.е. требуется его периодическая очистка. Фильтра­цию через загрязненный фильтр приостанавливают и промывают его потоком чистой отфильтрованной воды, направленным снизу вверх. Для улучшения качества промывки фильтрующего материа­ла его «взрыхляют» сжатым воздухом, подаваемым снизу под фильт­рующий материал. Осветлительный фильтр имеет два люка для за­грузки фильтрующего материала, осмотра и ремонта фильтра.

3.5 Основные методы умягчения и обессоливание воды.

Умягчение воды проводят методом осаждения и методом ион­ного обмена. Метод осаждения заключается в том, что присутству­ющие в обрабатываемой воде в растворенном состоянии накипеобразующие катионы (Са²⁺, Mg²⁺) в результате химического взаимо­действия их с вводимыми в воду реагентами (известь, сода и т.д.) или в результате термического их разложения образуют новые со­единения, малорастворимые в воде и поэтому выделяющиеся из нее в твердом состоянии. Образованные таким путем вещества уда­ляют затем из воды в процессе отстаивания и фильтрования. При умягчении воды методом, получившим название «содово-извест­ковый», не удается получить достаточно глубокого умягчения воды, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил метод ионного обмена.

Обработка воды методом ионного обмена осуществляется в фильтрах через слой зернистого материала — ионита. В процессе фильтрования ионы солей, содержащихся в воде, заменяются иона­ми, которыми насыщен ионит. В качестве обменных ионов в прак­тике водоподготовки применяются катионы натрия Na⁺, водорода Н⁺, аммония NH₄⁺, а также гидроксильные ОН^- и хлоридные Cl^- анионы.

Если зернистый материал ионита содержит катионы, он называ­ется катионитом, а фильтрация воды через слой катионита — катионированием воды. При содержании в зернистом филь­трующем материале анионов его называют анионитом, а об­работку воды — анионированием.

В зависимости от вида обменного катиона различают Na-катионирование и Н-катионирование.

При Na-катионитовом умягчении воды в результате реакций ионного обмена соли жесткости удаляются из воды, и в умягчен­ную воду переходят соли натрия, обладающие высокой раствори­мостью.

В качестве катионита на установках умягчения воды в настоя­щее время используются относительно дешевые сульфированные угли (сульфоугли) и более дорогие синтетические смолы. Сульфоуголь получают при обработке бурого или каменного угля высоко­концентрированной серной кислотой. Широкое распространение получил катионит КУ-2 на основе полистирольного синтетиче­ского материала.

Так, полная обменная способность сульфоугля составляет 500...600 г-экв/м³, а катионита КУ-2 - 1500...1700 г-экв/м³. Обычно рабочий цикл умягчения в катионитном фильтре продолжают до момента «проскока» в фильтрат солей жесткости, затем фильтра­цию приостанавливают с целью регенерации фильтра.

Катионитный фильтр (рис. 9.1) состоит из цилиндрического корпуса 3 co сферическими днищами. Загрузку катионита в фильтр ведут через верхний люк 4, а выгрузку — через нижний 5. Высота слоя катионита в зависимости от жесткости исходной воды может достигать 3...4 м. На бетонной подушке 7 устанавливается дренаж­ное устройство 6, предназначенное для равномерного распределе­ния воды, проходящей по всему сечению фильтра. Оно состоит из коллекторов и системы труб, к которым приварены патрубки с резьбой. На них навинчиваются пластмассовые либо фарфоровые колпачки с отверстиями или щелями. Для равномерного распреде­ления по поверхности катионита вода подается в фильтр через воронку 1, обращенную широким концом вверх. Регенерирующий раствор поступает в фильтр через кольцевую трубу 2, в которой имеется множество мелких отверстий.

Рис. 9.1. Кагионитный фильтр:

1 - воронка; 2 - кольцевая дырчатая трубка; 3 - корпус; 4 - верхний люк;

5 - нижний люк; 6 - дренажное устройство; 7- бетонная подушка;