UNIVERSITATEA TEHNIC
A MOLDOVEI
INSTALA II DE CAZANETRATAREA APEI N INSTALA IILE ENERGETICENote
de curs
Chi in u 2006
UNIVERSITATEA TEHNIC
A MOLDOVEI
FACULTATEA ENERGETIC
Catedra termotehnic i management n energetic
INSTALA II DE CAZANE TRATAREA APEI N INSTALA IILE ENERGETICENote
de curs
Chi in u 2006 1
Prezenta lucrare con ine descrierea proceselor i utilajului de
prelucrare a apei la centralele termice, centralele termoelectrice
i n re elele termice. Ea este predestinat studen ilor de la
specialitatea 1902 Termoenergetica cu studii la zi i f r frecven
.
Alc tuitor: conf. univ., dr. Aurel Gu u Redactor responsabil:
conf. univ., dr. N. Baboi Recenzent: prof. univ., dr. hab. V.
Mustea
U. T. M., 2006
2
1. Apa n exploat ri energeticen exploat rile energetice apa se
folose te n calitate de: 1) agent termic (purt tor de energie,
caloportor) n sisteme i instala ii de nc lzire, de alimentare cu ap
cald menajer , n procese tehnologice; 2) agent de r cire n motoare,
compresoare, condensatoare ale turbinelor i n instala ii
frigorifice, sisteme de condi ionare .a.; 3) agent motor (agent de
lucru) n instala ii de for cu abur. Folosirea larg a apei se l mure
te printr-un ir de factori. Primul, ce este necesar de men ionat, r
spndirea apei n natur i accesibilitatea ei pretutindeni. Alt factor
const n inofensivitatea apei, att pentru organismele vii
(netoxicitatea) ct i pentru diverse materiale. Un factor decisiv
pentru procesele tehnice l constituie propriet ile termofizice
favorabile ale apei, principalele dintre care sunt capacitatea
termic specific i c ldura de vaporizare. Capacitatea de c ldur
masic este de 1,5...35 de ori mai mare dect la alte substan e: - ap
4,19 kJ/(kgK), - uleiuri 2,30 kJ/(kgK), - aer 1, 0 kJ/(kgK), -
plumb 0,13 kJ/(kgK). Superioritatea capacit ii termice volumice
este i mai pronun at : - apa 1000 kJ/(m3K), - aerul - 1,29
kJ/(m3K). C ldura latent de transfer de faz (vaporizare condensare)
de asemenea este mai mare de ct la alte substan e (la presiuni
utilizate n sistemele de nc lzire sau r cire): - apa 2000...2400
kJ/kg, - amoniacul 500...1200 kJ/kg, - freonii 30...300 kJ/kg.
3
Conductivitatea termic a apei este mai mare, iar viscozitatea -
mai mic de ct la alte fluide, ceea ce intensific transferul de c
ldur i mic oreaz pierderile de sarcin n aparate, instala ii i
conducte de transport. Un factor favorabil este i faptul, c
transferul de faz lichid-gaz se efectueaz la parametri convenabili
pentru procesele i instala iile tehnice. n instala ii apa este
folosit , de regul , n circuit nchis i se ia din sursele naturale n
dou scopuri: 1. pentru umplerea sistemului la pornire, 2. ca adaos
la recuperarea cheltuielilor tehnologice i a pierderilor de ap i
abur. Cheltuieli au loc n sistemele de r cire prin evaporarea apei
n turnuri de r cire sau bazine i lacuri deschise, la folosirea apei
sau aburului pentru umezirea materialelor etc. Pierderile sunt
legate de scurgerile prin neetan eit i, sp l rile periodice ale
utilajului, la pane de utilaj etc. Pot fi enumerate urm toarele
feluri de ap ntlnite n instala iile energetice: - ap brut apa cu
caracteristici i impurit i din nsu i sursele naturale; - ap tehnic
apa natural dup nl turarea impurit ilor mecanice; este utilizat n
sistemele de r cire, antiincendiare; - ap potabil apa natural dup
nl turarea impurit ilor mecanice i biologice (bacterii, viru i
etc.) i care ndepline te condi iile sanitare respective; se
utilizeaz n menaj (ap rece i ap cald ) i n procese tehnologice ale
industriei alimentare; - ap tratat chimic apa tehnic dup tratarea
chimic n scopul nl tur rii impurit ilor dizolvate; se utilizeaz n
instala iile de cazane, re elele termice, sistemele de r cire prin
evaporare nemijlocit pe suprafe ele r cite; - condensat apa ob inut
prin condensarea aburului utilizat n instala iile energetice sau
tehnologice; 4
-
-
ap de adaos apa tratat chimic care se adaug pentru restituirea
cheltuielilor i pierderilor de ap n sistem; ap de alimentare
amestecul de condensat cu ap de adaos care, dup degazare, se folose
te pentru alimentarea cazanelor; ap de cazan apa cu con inut sporit
de s ruri, care circul n interiorul cazanelor de abur; purj apa de
cazan curat sau mpreun cu n molul de s ruri format n interiorul
cazanului; ap de re ea apa tratat chimic i degazat care se folose
te n re elele termice de transport i distribu ie; ap rezidual , de
canalizare scurgerile i devers rile de la procesele tehnologice, sp
l ri, menaj.
2. Apa natural
i impurit ile ei
Apa brut sau natural se ia din dou surse: 1. de suprafa (ruri,
lacuri), se caracterizeaz prin varia ia n timp a temperaturii i con
inutului de impurit i; 2. subterane (sonde) temperatura i con
inutul de s ruri sunt constante n timp. Deosebesc impurit i
naturale i tehnice. Impurit ile naturale nimeresc n ap din mediul
ambiant. La ele se refer : - impurit ile biologice (microorganisme
ce se dezvolt n apele cu temperatur mai mare dect cea obi nuit
pentru zona dat , ele, de obicei, dndui apei o culoare brun sau
verzuie; - impurit ile mecanice: sol, nisip, lut, humus, r m i e de
la descompunerea substan elor organice, inclusiv i a impurit ilor
biologice; dup dimensiunea particulelor (H, n m) impurit ile
mecanice se deosebesc: o grosiere - H> 1,0; 5
o fine 0,11,0; o coloidale - H 1 g/l. Duritatea apei exprim con
inutul n ap a cationilor de calciu Ca2+ i de magneziu Mg2+, care la
temperaturi ridicate formeaz cu anionii CO32 - , SO32 - i cu SiO2
depuneri tari pe suprafe ele de schimb de c ldur . Se exprim n mg
CaO/l, sau n greut i echivalente a s rii date ntr-un litru mval/l.
n unele ri se folose te de asemenea gradul de duritate 0d, avnd
echivalente 7concentra?ia, mg/l
diferite, astfel, n Germania i Fran a, 1 0d = 10 mg CaO/l, iar n
Anglia, 1 0d = 7 mg CaO/l. n func ie de anionii cu care sunt lega i
Ca i Mg deosebesc: - duritate temporar dt, care reprezint
totalitatea ionilor de calciu i magneziu con inu i n bicarbona ii
de calciu i magneziu (de aceea mai este numit i duritate carbonatic
); temporar se nume te datorit faptului c aceste s ruri la
temperaturi apropiate de satura ie se descompun conform rela iilor:
Ca(HCO3)2 p CaCO3 + CO2 + H2O, Mg(HCO3)2 p MgCO3 + CO2 + H2O; (1)
(2)
CaCO3 este pu in solubil i precipit , MgCO3 fiind mai solubil ,
este supus reac iei de hidroliz : MgCO3 + H2O p Mg(OH)2 + CO2, (3)
Mg(OH)2 este foarte pu in solubil i precipit ; - duritate permanent
(necarbonatic ) dp, produs a ionilor de Ca i Mg n celelalte s ruri
ca: sulfatul de calciu sau magneziu (Ca, Mg SO4), silicatul de
calciu sau magneziu (CaSiO3,Mg SiO3), clorura de calciu sau
magneziu (CaCl2, Mg Cl2); - duritate total , reprezentnd suma celor
dou : d = dt + dp. Dup con inutul de duritate apele naturale se
clasific n modul urm tor: - de duritate mic - d < 2 mval/l, - de
duritate medie d = 2...5 mval/l, - dure d = 5...10 mval/l, - foarte
dure d >10 mval/l. Alcalinitatea (A) apei se datoreaz prezen ei
ionilor de (CO32 -), hidroxid (OH-), silica i bicarbonat (HCO3-),
carbonat (HSiO3-, SiO32 -) i fosfat (HPO4-, HPO42 -, PO43 -).
Alcalinitatea A poate fi exprimat n mval/l. Alcalinitatea se mai
poate exprima 8
prin concentra ia ionilor de hidrogen (H+), prezen i ca urmare a
disocierii apei cu indicele pH. pH-ul apei prezint logaritmul cu
semn opus al concentra iei de ioni de hidrogen. Constanta de
disociere a apei la temperatura de 20 oC este de 10-14, adic 1
litru (kg) de ap con ine 10 7 gram ioni de hidrogen (H+) i acela i
num r de hidroxili (OH-). Deci, la starea normal a apei pH =
-lg(10-7) = 7. Reac ia apei se consider : - acid la pH = 1...3, -
slab acid la pH = 3...6, - neutr la pH = 7, - slab bazic la pH =
7...10, - bazic la pH =10...14. Con inutul de bioxid de siliciu
SiO2, este dizolvat n apele naturale n cantit i de 3...12 mg/l,
rareori, mai mult, dar poate ajunge i la 50...60 mg/l. Con inutul
de ioni de fier, ce se g sesc n apele naturale, dar nimeresc n ap i
condensat i n rezultatul la coroziunii conductelor i a utilajului.
Con inut de gaze dizolvate. Gazele dizolvate n ap se mpart n: - u
or solubile CO2, NH3, H2S, HCl, SO2 i SO3; - moderat solubile O2 i
N2; - greu solubile - CO, H2, CH4 i alte hidrocarburi. Concentra ia
gazelor dizolvate se exprim n mg/l. Cea mai mare parte a cantit ii
de gaze dizolvate nimere te n ap pe cale natural din aerul
atmosferic i din straturile subterane. O parte ns (O2, CO2, H2) se
formeaz n instala iile energetice (vezi formulele (1, 2, 3).
4. Ac iunea impurit ilor asupra utilajuluiImpurit i mecanice,
biologice i uleiurile se manifest ca depuneri n filtre, arm tur ,
conducte, ceea ce m re te rezisten a hidraulic a utilajului,
deregleaz func ionarea lui, n vaporizator particip la formarea
depunerilor secundare. 9
Substan ele solide dizolvate au solubilitatea dependent de
temperatur (fig.2 i fig.3) i la nc lzire se elimin din ap . O parte
din aceste substan e se 80 cristalizeaz n volumul de ap , Ca S O
formnd n mol, alta - se 60 depune pe suprafa a de schimb Ca S iO de
c ldur sub form de piatr 40 de cazan crust . Depunerile mic oreaz
transferul de Ca C0 20 c ldur ceea ce are dou urm ri M g (O H)
grave: reducerea productivit ii4
C,m l g/
3
3
2
0 150 200 250 300 t , 0C 350
60 50 40 N a2 S O 4 C, % 30 20 10 N a3P O 4
Fig.2. Varia ia solubilit ii substan elor principale care
formeaz crust func ie de temperatura apei.
cazanului i supranc lzirea evilor i, ca consecin 0 distrugerea
(arderea) lor. 0 100 200 300 400 Deosebesc depuneri t, 0 C primare
i secundare. Depunerile primare sunt Fig.3. Varia ia solubilit ii s
rurilor formate de cristalele u or solubile func ie de temperatura
s rurilor durit ii temporare apei. carbona ii de Ca i Mg, de silica
i (CaSiO3, 5CaO5SiO2H2O), ionii de Fe i alte metale. Un rol
deosebit l joac CaSiO3, care formeaz crust cu aderen puternic la
metal. Cristalele depunerilor primare servesc n calitate de centre
pentru depunerile secundare de celelalte s ruri. Printre cristale
se re in impurit ile mecanice i n molul, formnd depuneri secundare.
Depuneri secundare formeaz i substan ele organice: uleiurile, zah
rul .a. Ultimele sunt depuneri spongioase, u or de nl turat, dar cu
o conductivitate termic sc zut . 10
S rurile cu solubilitatea redus la temperaturi mai mici
(Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2) se 1 0.35 degaj din ap n 2 economizorul
cazanului, 0.8 celelalte n sistemul de 1 vaporizare. 0.6 n volum se
0.4 cristalizeaz s rurile de Na i alte metale (NaCl, Na2SiO3, 0.2
FeSO4, Al(SO4)3 .a., 0 formnd n mol. n unele 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
cazuri, mai ales la deregl ri d va de circula ie, depuneri pot
forma i a a compu i ca Na3PO4, Na2SO3 .a.). CaCO3 Fig.4. Dependen a
grosimii stratului n majoritatea cazurilor se de depuneri timp de
un an (8000 h) degaj n volum. N molul, n de duritatea apei i
intensitatea fluxului de c ldur : afar de faptul c contribuie la
formarea depunerilor 1 q =500 kW/m2, 2 - q =1000 kW/m2. secundare,
precipitndu-se poate nfunda evile dac nu este eliminat la timp prin
purjarea periodic . C derea de temperatur n stratul de depuneri se
determin din rela ia: qH (t ! , (4) P n care: q este intensitatea
fluxului de c ldur , pe suprafe ele de vaporizare q = 0,5...1,5
W/m2; H - grosimea stratului de depuneri H, n m; conductivitatea
termic a depunerilor, care are valori pentru: depunerile bogate n
silica i - P!0,06...0,23 W/(mK), depunerile care con in uleiuri
-P!0,10...0,20 W/(mK), depunerile bogate n carbona i de Ca
-P!0,5...7,0 W/(mK), depunerile bogate n sulfat de Ca -P!2,3...3,5
W/(mK). 11
Grosimea stratului de depuneri H, n mm, poate fi apreciat cu
formula: Xkcq 2 H ! , (5) V n care: X este durata de func ionare a
cazanului, n h; k coeficient adimensional care depinde de compozi
ia depunerilor: la predominarea s rurilor de Ca i Mg k = 1,310-13,
la predominarea oxizilor de Fe k = 5,710-14; c concentra ia n apa
de cazan a substan elor care formeaz depuneri, c = 1...5 mg/l; V
densitatea depunerilor: depuneri bogate n silica i - V!300...1200
kg/m3, n carbona i i sulfa i de Ca - V!2000 kg/m3, bogate n oxizi
de fier - V!3000 kg/m3. n tamburul cazanului o parte de s ruri se
ridic spre suprafa a apei, de unde pot fi antrenate de abur i
transportate n supranc lzitorul de abur. Bazele dizolvate, n cantit
i mici, protejeaz suprafe ele cazanelor contra coroziunii. n cantit
i mari, ns , bazele aduc la formarea spumei la suprafa a apei n
tambur, ceea ce nlesne te antrenarea s rurilor spre supranc lzitor.
n unele cazuri bazele provoac coroziunea alcalin a suprafe elor
cazanelor. Gazele dizolvate O2 i CO2 aduc la coroziunea interioar a
suprafe elor de schimb de c ldur ale cazanelor i are ca urmare: -
defectarea suprafe elor, - impurificarea apei cu ioni de Fe.
12
5. Metode de evitare, reducere i lichidare a ac iunii impurit
ilor apei asupra utilajuluiPentru ca apa s fie eficient folosit n
instala iile de cazane, ea i utilajul sunt expuse unui ir de opera
ii. 1. Tratarea preliminar a apei se efectueaz nainte de a fi
introdus apa n cazan i include opera iile: - filtrarea mecanic
pentru excluderea impurit ilor mecanice; - limpezirea prin nl
turarea impurit ilor coloidale; - eliminarea substan elor uleioase;
- eliminarea ionilor de Fe; - eliminarea compu ilor de Si; -
dedurizare i eliminarea altor s ruri; - degazarea apei. 2. Tratarea
apei n interiorul cazanului. 3. Purjarea continu i periodic a
cazanului. Pentru a proteja suprafe ele cazanelor i a altor utilaje
se iau urm toarele m suri: 1. Protejarea suprafe elor prin
acoperirea lor cu pelicule din substan e protectoare. 2. M suri
constructive de reducere a ac iunilor negative: - utilizarea
metalelor antiaderente, - vaporizarea n trepte (tamburul mp r it n
dou zone ), - amplasarea zonei cu depuneri sporite de s ruri spre
domeniul cu temperaturi ne periculoase ale gazelor. 3. Sp larea
periodic a suprafe elor cu solu ii slabe de acid. 4. Cur area
mecanic a suprafe elor. 5. Conservarea cazanelor pe perioada de sta
ionare. Aceste opera ii i m suri vor fi studiate n paragrafele urm
toare.
13
6. Norme de calitate a apeiLa fiecare etap a ciclului apa este
expus anumitor condi ii de puritate. Unele norme pentru apa de
alimentare sunt trecute n tabelul 1. Norme de calitate a apei de
alimentare Tabelul 1 Tipul cazanului i presiunea CAF mici P < 4
MPa P u10 MPa Str batere for at Trans- Duriparen a, tatea, mm g/l
20 1000 40 40 ---99 0 99,99 7099 8099 95>99 8099 99,99
n prezent instala iile cu membrane se utilizeaz n schemele de
tratare a apei ale instala iilor de cazane, la tratarea apelor
uzate .a.
9. Eliminarea din ap i condensat a substan elor uleioase
(dezuleierea)Caracterul de impurificare a apei i condensatului cu
substan e uleioase poate fi diferit. La impurificarea aburului
acestea se afl n condensat sub form dispersat i chiar 23
coloidal . La nimerirea lor n ap sau condensat uleiurile se afl
sub form de pic turi sau particule relativ mari. n primul caz,
uneori, se recurge la coagulare. n general, se utilizeaz instala ii
speciale. Cele mai simple construc ii au instala iile pentru
captarea uleiurilor aflate n ap sub form de particule mari, care n
volum de ap deschis fa de mediul ambiant se ridic la suprafa a
apei. O astfel de instala ie este prezentat n fig. 8. Ea este
constituit dintr-un rezervor nchis, unit cu atmosfera printr-un z
vor hidraulic, n interiorul c ruia se afl un vas cilindric r
sturnat. Substan ele uleioase se elimin din rezervor de pe suprafa
a apei. Apa cur at se evacueaz din vasul interior. Volumul Fig. 8.
Captator de substan e rezervorului trebuie s uleioase: asigure
durata de aflare a 1 rezervor, 2 vas interior, apei n el nu mai pu
in de 3 introducerea apei impurificate, 20...30 minute. 4 z vor
hidraulic, 5 eliminarea Pentru cur area de uleiului, 6 extragerea
apei cur ate, ulei a condensatului i apei n 7 racord de golire.
Fig. 9. Schema instala iei pentru eliminarea din ap substan elor
uleioase:
i condensat a
1 captator de ulei, 2 filtru de limpezire, 3 rezervor de
condensat, 4 filtre de sorb ie, 5 pompe.
24
care acesta se afl n stare dispersat , se folosesc instala ii cu
filtre n una sau dou trepte (fig. 9). Apa trecut prin captatorul de
ulei este dirijat de o pomp la prima treapt a filtrului de
presiune. n calitate de umplutur se folose te cocs sau antracit cu
dimensiunea particulelor 1...2 mm i n l imea stratului de 1,2...1,5
m. Pentru sporirea eficacit ii procesului n stratul filtrant se
adaog hidroxid de aluminiu, care adsoarbe pic turile de ulei. Dup
rezervorul intermediar al instala iei condensatul se vehiculeaz la
treapta a doua a filtrului pentru cur area profund . Filtrele de
presiune sunt nc rcate cu c rbune activat cu granula ia de
1,0...3,5 mm. Capacitatea de re inere a uleiului de c tre umplutura
filtrului la temperatura de 90...100 0C este de 25...35 %, iar la
50...60 0C - de 15...25 % din masa uscat a umpluturii. Umplutura nu
poate fi sp lat sau regenerat i de aceea la epuizarea capacit ii de
absorb ie ea se nlocuie te cu alta proasp t . Vremea epuiz rii se
determin dup rezisten a hidraulic a filtrului ((P > 100 kPa).
Pentru eliminarea uleiului se aplic , de asemenea, filtrarea prin
suprafe e aluvionate cu praf de filtrare. Ca suprafe e se folosesc
cilindri din ceramic poroas , pnze pe carcase din plas metalic .a.
Pelicula filtrant aluvionat se formeaz prin sp larea suprafe ei cu
o suspensie de praf din diatomit sau c rbune activat.
10. Eliminarea ionilor de fierIonii de fier nimeresc n apa
natural dac n calea apei freatice nimeresc z c minte de fier sau s
ruri care-i con in. n condensat ionii de Fe p trund pe cale tehnic
n urma coroziunii conductelor i a utilajului. Daunele aduse instala
iilor se manifest prin depunerea pe ioni ii filtrelor de tratare
chimic a apei, depuneri care nu se nl tur la regenerare, i
participarea la depunerile de crust n evile de fierbere ale
cazanelor. Concentra ia ionilor de fier n condensat, de obicei,
este de ordinea 0,05...0,5 mg/l dar poate fi i destul de mare,
atingnd 25
valoarea de 0,5...2,0 g/l. n apele subterane con inutul lor de
obicei nu dep e te 5...7 mg/l. Pentru a reduce concentra ia ionilor
de fier n condensat, n primul rnd, trebuie de luat m suri de
evitare pe ct posibil a coroziunii utilajului. La concentra ii mari
oxizii de fier se afl n condensat sub form de particule suspendate
i pentru eliminarea lor se utilizeaz filtre de limpezire cu
umplutur de antracit (H= 0,5...1,2 mm), cocs (H= 0,8...1,5 mm) i c
rbune activat. Aceste filtre, la viteza de filtrare de 10...12 m/h
reduc con inutul de fier cu 40...60 %. Filtrele se spal periodic cu
condensat curat, dar trebuie de avut n vedere depunerile remanente
de fier pe particulele stratului. De aceea, periodic umplutura
trebuie sp lat cu solu ie de acid sau schimbat . Aceste filtre pot
fi utilizate ca treapt unic , dac cerin ele fa de condensat nu sunt
prea nalte i concentra ia ini ial nu este prea mare. La trat ri mai
profunde ele se folosesc ca treapt preliminar . Tratarea mai
profund se efectueaz n filtre cu celuloz . Mai des se folosesc
filtre aluvionate. Schema unei astfel de
Fig. 10. Schema instala iei de eliminare a ionilor de fier cu
filtre aluvionate cu celuloz :1 corpul filtrului, 2 elemente
filtrante, 3 amestec tor, 4 - rezervor pentru sp larea elementelor
filtrante, 5 pompe.
26
instala ii este prezentat n fig. 10. Filtrul reprezint un
rezervor cu fund conic i capac sferic. ntre flan ele corpului i
capacului se instaleaz o plac tubular pe care sunt fixate cteva
zeci de elemente filtrante. Acest tip de filtre func ioneaz ciclic.
Celuloza se f rmi eaz i ntr-un malaxor se amestec cu apa. Emulsia
se pompeaz n corpul filtrului unde se depune pe suprafa a permeabil
a elementelor filtrante. Aluvionarea se consider terminat cnd din
filtru iese ap limpede, f r fibre de celuloz . Sp larea celulozei
saturate cu fier se efectueaz prin trecerea apei n sens opus.
Pentru aceasta sunt necesare un rezervor i o pomp special .
Consumul specific de celuloz pe o unitate de suprafa filtrant este
de 0,8...1,0 kg/m2. Apa n filtru se introduce prin p r ile laterale
ale rezervorului la mai multe niveluri i dup trecerea prin suprafe
ele filtrante ale elementelor se extrage prin partea de sus a
instala iei. Se utilizeaz , de asemenea, filtre cu elemente cu
umplutur compact de celuloz . Elementul filtrant reprezint un strat
de celuloz cu grosimea de 5...10 cm amplasat ntre dou pnze
metalice. Uneori, la concentra ii mici a ionilor de fier, stratul
de celuloz de 30...50 mm se a terne nemijlocit pe umplutura
filtrului de limpezire, celuloza fiind schimbat peste fiecare
10...15 zile. n apa natural din surse subterane fierul se con ine
sub form de Fe(HCO3)2 . La contactul acesteia cu atmosfera CO2 par
ial se degaj cu formarea hidroxidului Fe(OH)2, care ulterior se
oxideaz i sedimenteaz sub form de Fe(OH)3. Acest factor prezint un
avantaj la filtrarea posterioar n filtre cu celuloz . Dac ns apa, f
r a fi cur at de ionii de fier, se introduce n filtrele de tratare
cu ioni, aerarea apei are ca urmare sporirea depunerilor de fier pe
ioni i i degradarea lor.
11. Desilicierea apeiCon inutul bioxidului de siliciu n ap
ajunge pn la 20 mg/l. Acesta, n prezen a ionilor de Ca2+ i Mg2+,
particip la 27
formarea depunerilor. La presiuni mari (>5,0 MPa) el se
dizolv n abur. La alcalinit i mici bioxidul de siliciu poate s ac
ioneze corosiv. Din apa de adaos SiO2 se nl tur prin adsorb ie pe
flocoane active de Al(OH)3, Fe(OH)3, dar mult mai eficient cu
Mg(OH)3, care poate s reac ioneze cu acidul silicilic: Mg(OH)3 +
H2SiO3 MgSiO3 + 2H2O. (14) Desilicierea se efectueaz , de obicei,
mpreun cu limpezirea i decarbonatarea apei. Desilicierea apei se
produce i la tratarea cu anioni.
12. Dedurizarea apei. MetodeDedurizarea reprezint eliminarea din
ap a ionilor de Ca2+ i Mg2+. n func ie de gradul de puritate impus,
de con inutul s rurilor de duritate i de compozi ia acestora se
utilizeaz mai multe metode de dedurizare: - metoda termic , -
tratarea cu lapte de var, - tratarea n cmp magnetic, - tratarea cu
polifosfa i, descompunere cu acizi, - tratarea prin schimb de ioni.
Fiecare din aceste metode poate fi aplicat separat, sau mpreun cu
altele. Fiecare din ele, pe lng dedurizare, ndepline te i alte
forme de tratare, decarbonatarea i/sau desilicierea, eliminarea
radicalilor acizi .a.
13. Tratarea termic a apeiSe desting dou tipuri de tratare
termic a apei: desalinizarea prin nc lzire i vaporizarea.
Demineralizarea prin nc lzire este bazat pe reducerea solubilit ii
substan elor dizolvate cu cre terea temperaturii apei (fig.2). Un
efect mai considerabil se observ la eliminarea durit ii carbonatice
a apei. Bicarbona ii disociaz n ap : 28
Ca(HCO3)2 + H2O La rndul s u 2HCO3
Ca2+ + 2(HCO3-).
(15) (16) (17) (18) (19)
H2O + CO2 + CO32-,
Ca2+ + CO32- = CaCO3 . La fel i pentru al i bicarbona i:
Mg(HCO3)2 + H2O NaHCO3 Mg(OH)2 + CO2 , NaOH + CO2 .
n rezultatul acestor reac ii se produce decarbonatarea apei prin
eliminarea gazului CO2 precum i dedurizarea prin sedimentarea n
volum a CaCO3. nc lzirea se efectueaz prin suprafa sau n volum prin
barbotarea aburului prin ap la tratarea preliminar . Procesul se
petrece la temperaturi de 102...105 0C. Durata lui este de 15...20
minute. La unele cazane mici, f r economizor, procesul se
organizeaz n interiorul cazanului. Demineralizarea prin vaporizare
const n ob inerea distilatului apei de alimentare, tratat n
preliminar prin condensarea aburului produs n instala ii speciale
(fig.11).
Fig. 11. Schema instala iei de vaporizare:1 vaporizator, 2
condensator; V abur, C condensat primar, AA ap de alimentare, D
distilat (condensat secundar), Pj purj .
Aburul de nc lzire cu parametrii redu i (abur prelevat din priza
unei turbine, sau de la un cazan special de joas presiune) cedeaz c
ldura prin pere ii evilor fierb toare ale vaporizatorului 29
apei de alimentare. Aburul generat condenseaz n condensatorul de
suprafa . n scopul men inerii bilan ului de s ruri i elimin rii n
molului format vaporizatorul este dotat cu racorduri pentru
purjare. Distilatul se folose te pentru umplerea cazanelor de nalt
presiune, mai ales a celor cu str batere for at . La centralele
nucleare se utilizeaz chiar bidistilat.
14. Tratarea apei cu varTratarea cu var la cazanele de
productivitate mic i cu presiune mic este unica metod de tratare
chimic . La presiuni medii i mari ea face parte din tratarea
preliminar , deoarece o demineralizare profund prin ea nu se poate
ob ine. n apa tratat se introduce a a numitul lapte de var cu
concentra ia acestuia de 2...10 %, n func ie de valoarea pH necesar
de la 9 la 12. n apa de var CaO se transform Fig. 12. Schema de
decarbonatare cu var: n Ca(OH)2, care 1 distribuitor de ap , 2
saturatorul apei de var, particip la 3 reactor, 4 filtru. urm
toarele reac ii cu impurit ile dizolvate: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2
Mg(HCO3)2+ 2Ca(OH)2 MgCl2 + Ca(OH)2 CO2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + H2O,
(20) (21) (22) (23) Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O, Mg(OH)2 + CaCl2, CaCO3
+ H2O .a. 30
Din aceste reac ii se vede c concomitent se produce
decarbonatarea apei. De asemenea, se reduce alcalinitatea apei, iar
prezen a ionilor de Mg reduc i con inutul de siliciu. Tratarea se
organizeaz , de obicei, n aparate cu sedimentarea precipitatului.
Durata procesului este de 15...20 minute. Ulterior apa se supune
filtr rii mecanice. Schema unei astfel de instala ii este prezentat
n fig. 12.
15. Tratarea magnetic a apeiExperimental s-a constatat c la
traversarea curentului de ap a liniilor cmpului magnetic
caracteristicile ei se modific . Modific rile mai pronun ate se
observ la apele care con in impurit i feromagnetice, un procent mai
mare de sulfat i carbonat de calciu i un con inut redus de CO2. O
parte de CaCO3 cristalizeaz n volum, astfel depunerile de crust se
reduc. Depunerile devin mai spongioase i mai u or de nl turat la
cur are i sp lare. Mecanismul acestui proces se explic par ial prin
coagularea feromagneticilor n cmpul magnetic datorit proceselor de
orientare. Particulele coagulate posed caracteristicile centrelor
de cristalizare pentru s rurile de Ca. Schema unei instala ii
pentru tratarea magnetic a apei este prezentat n fig. 13. Deoarece
partea chimic a Fig. 13. Aparat pentru tratarea procesului depinde
de magnetic a apei: con inutul multor substan e n 1 - intrarea
apei, 2 corpul aparatului, ap iar cea fizic nu este clar 3 mantaua
magnetului, 4 bobine, ntru totul, caracteristicile 5 spa iul de
lucru, 6 - ie irea apei, procesului i utilajului n 7- cleme. 31
fiecare caz, pentru fiecare surs de ap , se stabile te
experimental. Viteza apei n spa iul de lucru este de 0,5...2,0 m/s,
grosimea spa iului 2...10 mm, intensitatea cmpului magnetic pn la
400 kA/m. Tratarea magnetic nu este profund i de aceea se utilizeaz
pentru apa din re ele termice, din sisteme de r cire, pentru
instala ii de cazane cu productivit i i presiuni mici.
16. Tratarea apei prin schimb de ioni16.1. Bazele fizico-chimice
ale schimbului de ioni Tratarea prin schimb de ioni prezint
nlocuirea n ap ale unor ioni prin al ii inofensivi, sau mai pu in
ofensivi pentru utilaj. Se bazeaz pe proprietatea unor materiale,
practic insolubile n ap , de a re ine ioni din solu ii i de a-i
nlocui cu al ii la schimbarea condi iilor. Aceast proprietate a
fost descoperit n anul 1850 de Thomson i Way. Materiale schimb
toare de ioni sunt numite n general ioni i i n func ie de sarcin
pot fi cationi i sau anioni i. Ionitul (fig. 14) prezint baza solid
(matricea) care, fiind tratat cu grupe func ionale speciale, la
introducerea ionitului n solu ie permit formarea la suprafa a ei a
poten ialului respectiv i n jurul acestuia norului difuz de ioni.
Ionii din stratul (norul) difuz posed o cantitate sporit de energie
Fig. 14. Schema structurii granulei de ionit: cinetic i pot a.
cationit, b. anionit; p r si acest 1 matricea, 2 stratul de ioni
care formeaz strat, ns npoten ialul, 3 norul difuz de ioni.
32
locul lor trebuie s revin din exterior al i ioni cu aceea i
sarcin . De aceea, la schimbarea n mediul n care se afl ioni ii a
concentra iei ionilor unei substan e cu ionii alteia, ionii din
stratul difuz sunt nlocui i cu ultimii. Reac iile de schimb de ioni
sunt reversibile. Procesul n care are loc schimbul de cationi este
numit cationare, cel de anioni anionare. n procesele de cationare
ionii de duritate Ca2+ i Mg2+ se nlocuiesc cu ioni care formeaz
substan e care nu dau depuneri de crust . n func ie de ionii de
schimb deosebesc urm toarele cicluri de cationare: - ciclul de
sodiu Na+; - ciclul de hidrogen H+, - ciclul de amoniac NH4+. n
procesul de anionare n ap se nlocuiesc radicalii acizi: HCO3 , Cl-,
SO42-. n calitate de ioni de schimb n acest proces serve te grupa
hidroxilic OH-. Ioni ii pot fi substan e organice sau anorganince.
Ei au form de granule cu dimensiunile H = 0,3...2,0 mm i se
utilizeaz n straturi ale filtrelor de presiune, mai rar, n membrane
de schimb tori de ioni. Caracteristica tehnologic a ioni ilor este
capacitatea de schimb de ioni Ci, n g echivalent/l. Substan ele
anorganice cu capacitate de schimb de ioni sunt zeoli ii silica i
naturali sau artificiali de aluminiu, sodiu sau potasiu.
Capacitatea de schimb este relativ mic - Ci = 0,2...0,4 g/l. Se
folosesc numai n ciclul de sodiu, destul de rar, la temperaturi
mici deoarece exist pericolul impurific rii apei cu siliciu. Dintre
substan ele organice folosite n calitate de ioni i fac parte c
rbunele sulfonat (tratat cu acid sulfuric concentrat), r inile
fenolice i r inile polistirenice. C rbunele sulfonat se folose te n
ciclurile cu sodiu i cu hidrogen i are capacitatea de schimb - Ci =
0,25...0,35 g/l. Poate fi folosit i la temperaturi mari. R inile
fenolice se folosesc n ciclurile de cationare cu sodiu i cu
hidrogen i pot fi folosite i n ciclul cu anioni. Au capacitatea de
schimb - Ci = 0,3...0,5 g/l. 33
R inile polisterice au o capacitate foarte mare de schimb - Ci =
0,5...1,5 g/l. Se folosesc n ciclurile cu Na+, H+ i OH-. Ele, de
asemenea, permit nl turarea acidului carbonic i a bioxidului de
siliciu. Unele dintre ele absorb substan ele organice. n formulele
reac iilor chimice care descriu procesele de schimb de ioni ionitul
se noteaz cu simbolul R (r ini), mai rar I (ionit) sau M. 16.2.
Filtre cu ioni i Filtrele cu ioni i sunt analogice celor pentru
filtrarea mecanic a apei. Stratul de ionit se ncarc pe fundul
permeabil al filtrului, ocupnd 0,4...0,6 din n l imea lui. Ciclul
de filtrare este constituit din urm toarele faze: - de lucru, -
afnare, - regenerare, - sp lare. n faza de lucru are loc procesul
de schimb de ioni. Spre deosebire de filtrele mecanice, rezisten a
hidraulic (c derea de presiune) nu cre te. Apa se mi c de sus n
jos. n a a direc ie se produce i desc rcarea (s r cirea) stratului
de ionit (fig.15). Faza se termin cnd suprafa a ns r cit coboar la
fundul permeabil - Xfin. Aceasta se poate determina prin analiza
apei la ie ire concentra ia ionilor respectivi ncepe s creasc . n
practic durata ciclului de lucru 34
Fig. 15. Schema fazei de lucru a unui filtru cu schimb de
ioni:
X1...Xfin pozi ia suprafe ei ns r cite de ioni n momentul
respectiv.
este de 6...22 h. Viteza apei este de 5...20 m/h. Afnarea are ca
scop f rmi area bo urilor formate n timpul lucrului prin alipirea
ntre ele a granulelor de ionit. Se efectueaz prin pomparea apei de
jos n sus cu viteza de 10...20 m/h timp de 15...20 minute. n timpul
afn rii stratul expandeaz , n l imea lui m rindu-se cu 50...80 %.
Regenerarea const n nc rcarea ionitului cu ionii de schimb. Se
efectueaz prin trecerea prin stratul de ionit a solu iei de substan
care con ine ionii respectivi. Solu ia este preg tit n rezervoare
speciale. Volumul solu iei este de 2...3 ori mai mare dect volumul
ionitului. Consumul de reactiv poate fi determinat cu formula: Gr =
ar Ci VR , (24) unde ar este consumul specific de reactiv, n kg/g
echiv. n func ie de concentra ia solu iei i volumul stratului
durata fazei este de 15...45 minute. Regenerarea poate fi cu
deplasarea apei n aceea i direc ie ca i n ciclul de lucru sau n
sens invers generarea n contracurent. Ultima permite economisirea
reactivilor, ns cere o construc ie mai complicat a filtrelor. Sp
larea se efectueaz dup terminarea fazei de regenerare pentru a
elimina din filtru surplusul de reactiv de regenerare. Apa de sp
lare, brut sau dedurizat , se introduce prin partea de sus i se
scurge pn cnd din ea dispar ionii reactivului respectiv. Volumul
apei de sp lare este egal cu 5...10 VR. Volumul de ionit posed i
propriet ile unui strat filtrant mecanic. El re ine impurit ile
mecanice r mase n ap , sau formate prin cristalizarea unor s ruri.
De aceea periodic (1...2 ori pe s pt mn ) se efectueaz i sp larea
filtrului de n mol. Aceast sp lare se efectueaz naintea fazei de
regenerare. Bilan ul de ioni al filtrului poate fi exprimat cu ecua
ia: D(di df)Xl = VRCi , n care D este debitul apei, n t/h; di i df
duritatea apei, respectiv, ini ial 35 (25) i final , n mg/l;
Xl durata fazei, n h; VR volumul ionitului, n m3 ; Ci
capacitatea de schimb a ionitului, n g/m3. Dimensionarea filtrelor
cu schimb de ioni se efectueaz dup aceea i metodic ca i a filtrelor
mecanice (paragraful 7.1). Utiliznd formulele (7), (8) i (9),
pentru determinarea n l imii stratului de ionit HR, ob inem rela
ia:HR ! wa ( d i d f )X l Ci
,
(26)
unde wa este viteza apei, n m/h. 16.3. Cicluri de tratare Ciclul
de tratare cu sodiu se utilizeaz pentru dedurizarea apei. n filtru
se desf oar reac ii de tipul: 2Na/R + CaCl2 2Na/R + MgSO4 Ca/ R +
2NaCl; Mg/ R + Na2SO4. (27) (28)
Astfel ionii de duritate Ca2+ i Mg2+ r mn n filtru, iar cu apa
se elimin s ruri care, cristalizndu-se n volum, nu dau depuneri pe
pere ii de schimb de c ldur . De oarece masa molar a 2 ioni de Na
(2 x 23 = 46) este mai mare dect a unui ion de Ca (40) i, cu att
mai mult, a unui ion de Mg (24), salinitatea apei cre te.
Regenerarea filtrelor se efectueaz cu solu ie de 5...12 % de sare
de buc t rie NaCl. Consumul de sare este de 0,20...0,25 kg/g echiv.
Na cationarea se folose te ca metod unic de tratare chimic a apei
pentru cazanele de presiune joas i pentru re elele termice. Apele
cu duritate mare se trateaz n dou trepte. Destina ia ciclului de
tratare cu hidrogen (H cationare) este nl turarea complet a
cationilor din ap . Se folose te n complex cu alte scheme de schimb
de ioni. Schimbul de ioni se petrece conform reac iilor: 36
2H/R + CaCl2 2H/R + MgSO4 2H/R + CaCO3
Ca/ R + 2HCl; Mg/ R + H2SO4; Ca/ R + H2O +CO2 .
(29) (30) (31)
Din aceste reac ii rezult dou concluzii: 1. H cationarea spore
te aciditatea apei, 2. dup filtrul cu hidrogen este necesar
decarbonatarea apei - eliminarea din ap a bioxidului de carbon.
Suprafe ele interioare ale filtrelor necesit protec ie anticorosiv
. Decarbonatarea se efectueaz n turnuri de aerisire (fig. 16)
instalate dup filtre. Turnul are umplutura din inele Raschig. Prin
umplutur se vehiculeaz aer, care antreneaz bioxidul de carbon,
eliminndu-l din ap . Debitul aerului este de 20...30 m3 la o ton de
ap . Regenerarea filtrelor se efectueaz cu solu ie de 1...2 % de
H2SO4 sau 5...10 % de HCl. Lucrul cu acizii incomodeaz i ngreuiaz
folosirea filtrelor cu ioni de hidrogen. H-cationarea se utilizeaz
mpreun cu Na-cationarea sau Fig. 16. Instala ie pentru cu anionarea
apei. n func ie de decarbonatarea apei dup H-cationare: raportul
baz /acid n ap , filtrele se unesc n serie sau n paralel. 1 - turn
de aerisire, 2 umplutur , Ciclul de tratare cu 3 rezervor, 4
ventilator. amoniac se utilizeaz mai rar i de asemenea mpreun cu
ciclul de sodiu. Regenerarea filtrelor se efectueaz cu solu ie de
2...3 % de (NH4)2SO4. Reac iile care se produc n filtru sunt:
2NH4/R + Ca(HCO3)2 Ca/ R + 2NH4HCO3; 37 (32)
2NH4/R + CaCl2 2NH4/R + MgSO4
Ca/ R + 2NH4Cl; Ca/ R + (NH4)2SO4.
(33) (34)
n interiorul cazanului la temperaturi nalte s rurile de amoniac
se descompun cu degajarea de CO2 i amoniu NH3: NH4HCO3 (NH4)2SO4
NH4Cl NH3 + H2O + CO2 ; NH3 + H2SO4; NH3 + HCl. (35) (36) (37)
Gazele sunt antrenate de abur, iar acizii r mn n cazan,
prezentnd pericol de coroziune a suprafe elor. Ciclul de tratare cu
anioni se efectueaz pentru ndep rtarea din ap a radicalilor acizi
i, concomitent cu cationarea, produce desalinizarea complet a apei.
Regenerarea filtrelor se efectueaz cu solu ie de 2...5 % de NaOH.
Reac iile de schimb de ioni: R/ OH + ClR/ Cl + OH-; R/ SO42- +
2OH-. (38) (39) 2R/ OH + SO42-
Trecerea n ap a ionilor hidroxilici provoac cre terea pH ceea
ce, la rndul s u, duce la disocierea acizilor slabi H2CO3 i H2SiO3,
ionii c rora particip la reac ii: R/ OH + H+ + HCO3R/ OH + H +
HSiO3+ -
R/ HCO3- + H2O; R/ HSiO3 + H2O.-
(40) (41)
Astfel n filtrele cu anioni se produce concomitent
decarbonatarea i desilicierea apei. 16.4. Scheme de tratare a apei
n func ie de productivitate, presiunea din cazan i caracteristicile
ini iale ale apei brute schemele de tratare a apei difer foarte
mult de la o instala ie simpl de tratare cu var pn la complexe care
con in i instala ii de coagulare i filtrare mecanic , i filtre de
tratare cu cationi i anioni. 38
n fig. 17 este prezentat un exemplu de schem de tratare cu
coagularea n rezervoruldecantor i dedurizarea n filtru cu schimb de
ioni cu ciclu Fig. 17. Schema de principiu a instala iei de tratare
de sodiu. a apei n centrale termice cu cazane de presiune joas : nc
lzirea apei se efectueaz 1 apa brut , 2 repartizor, 3 prenc lzitor
de ap , 4 abur sau ap fierbinte, 5 preparator de coagulant, pn la 6
decantor, 7 rezervor intermediar, 8 pomp , temperatura de 9 filtru
mecanic, 10 filtru de schimb de ioni cu ciclul 0 20...30 C de
sodiu, 11 ap tratat . pentru a facilita desf urarea proceselor. Dup
aceast schem se trateaz apa din sursele naturale pentru cazane cu
presiunea pn la 4,0 MPa. Un
Fig.18. Schema de principiu a instala iei de tratare chimic
profund a apei:1 introducerea apei limpezite, 2 filtru cu ciclul H
treapta I, 3 filtru cu anioni, 4 - filtru cu ciclul H treapta II, 5
turn de aerisire, 6 evacuarea CO2, 7 ventilator, 8 rezervor, 9 pomp
, 10 filtru cu anioni, 11 ap tratat .
39
exemplu de schem de desalinizare complet a apei prin tratarea n
filtre cu schimb de cationi i anioni este prezentat n fig. 18. n
astfel de scheme pot fi introduse i filtre cu ciclul de sodiu sau
de amoniu. Deoarece filtrele func ioneaz ciclic, n sistemele de
tratare a apei la centrale fiecare din ele trebuie s fie nu mai pu
in de dou exemplare, care s poat func iona n paralel. Se utilizeaz
dou
Fig. 19. Scheme de conexare a filtrelor:a. n lan , b. circular
.
scheme de conexiune a filtrelor: conexarea n lan i circular
(fig. 19). La conexarea n lan deservirea i automatizarea sunt mai
simple de efectuat, dar scoaterea din func iune a unui element opre
te tot lan ul, pe cnd, n schemele circulare se poate lucra cu
elemente din ori ice lan al schemei, deci ultima este mai fiabil
.
17. Degazarea apei17.1. No iuni generale. Metode Scopul degaz
rii este de a elimina gazele, care au fost dizolvate n apa brut
(O2, CO2, N2, H2S, etc.) sau au ap rut la tratarea apei n central
(CO2, H2 etc.), pentru a proteja suprafe ele interioare ale
cazanului de coroziune. Pericolul principal l constituie O2 i CO2,
de i n anumite condi ii ac iuni negative pot provoca H2 i alte
gaze. Degazarea prezint ultima treapt de tratare a apei n
exteriorul cazanului. 40
Exist mai multe metode de degazare a apei: - chimic , -
electrochimic , - prin desorb ie, - termic . Metoda chimic const n
tratarea apei cu diferi i reactivi: sulfit de sodiu Na2SO3,
hidrazin N2H4 .a.: 2Na2SO3 + O2 N2H4 + O2 2Na2SO4; N2 + 2H2O. (42)
(43)
Prin aceste metode se elimin numai hidrogenul. Ele se folosesc
la tratarea de corec ie a apei. Degazarea electro70 chimic se
efectueaz la 60 traversarea apei cu 50 P=5 b a r temperatura de 70
0C a unui 40 30 pat de pan din o el sau 2 bar 20 font . n acest caz
se 1 10 produce impurificarea apei 0 cu ioni de Fe i n instala ii 0
20 40 60 80 100 120 energetice aceast metod t , 0C nu se utilizeaz
. Desorb ia oxigenu- Fig. 20. Solubilitatea oxigenului n ap lui se
efectueaz la n func ie de presiune i temperatur . barbotarea apei
cu gaze inerte fierbin i (t = 700 0C). Acestea pot fi produse de
ardere cur ate de O2. Metoda este complicat i poate aduce la m
rirea cantit ii de CO2. Din aceast cauz ea i nu se utilizeaz .
Tratarea termic se bazeaz pe proprietatea solu iilor de gaze de a-
i mic ora concentra ia de satura ie cu cre terea temperaturii. La
temperatura de fierbere concentra ia tinde spre 0 (fig. 20). Aceast
metod este cea mai simpl i mai accesibil la obiectele energetice i
de aceea este i cea mai r spndit .C , m g /l
41
17.2. Degazoare termice Apa tratat se nc lze te prin amestec cu
abur sau ap fierbinte sub presiune, i temperatur mai mare dect a
celei tratate. Instala iile n care se efectueaz procesul se numesc
degazoare. Degazorul de obicei, este compus din dou elemente
separate: coloana de degazare i recipientul (rezervorul) de stocare
a apei degazate. n func ie de presiunea de lucru deosebesc trei
tipuri de degazoare: - cu vid, - atmosferice i - cu presiune
ridicat . Degazoarele cu vid func ioneaz la presiunea absolut P =
40 kPa (ts = 70 0C) i se utilizeaz n centralele termice cu cazane
de ap fierbinte i n re elele termice. Exist mai multe construc ii
de degazoare cu vid. Una din ele este prezentat schematic n fig.
21. Apa pentru degazare se introduce n partea de sus a rezervorului
i curge sub form de uvi e printr-un Fig.21. Schema unui degazor cu
vid: 1 - corpul degazorului, 2 introducerea sistem de talere
perforate. apei pentru degazare, 3 talere Aburul se introduce prin
perforate,4 introducerea aburului sau a parte de jos, se ridic ,
apei fierbin i, 5 evacuarea apei traversnd uvi ele de ap , i
degazate, 6 evacuarea gazelor. nc lzindu-le, elimin gazele. La
introducerea apei fierbin i, aceasta, la reducerea presiunii, par
ial se vaporizeaz , aburul ridicndu-se pe acela i traseu. nc lzind
apa aburul se condenseaz . Gazele eliminate sunt extrase din partea
de sus cu un ejector cu abur sau ap . 42
Degazoarele cu vid se confec ioneaz cu productivitatea de la 5
t/h pn la 300 t/h. Degazoarele atmosferice sunt cele mai r spndite.
n centralele termice cu presiunea pn la 4,0 MPa se utilizeaz n
schema termic de baz , n cele cu presiunea mai mare pentru
degazarea apei de adaos din ciclul de baz i din re elele termice.
Ele func ioneaz la presiunea de 0,12 MPa (ts = 104,8 0C), fiind
conectate cu atmosfera printr-un z vor hidraulic cu n l imea
coloanei de ap de 2 m.
Fig.22. Schema unui degazor atmosferic:1- coloana de degazare, 2
talere perforate, 3 evacuarea gazelor, 4 - introducerea apei pentru
degazare, 5 introducerea aburului, 6 rezervor, 7 dispozitiv de
barbotare, 8 perete separator, 9 evacuarea apei degazate.
Schema unui degazor atmosferic este prezentat n fig. 22. Apa i
condensatul se introduc n partea de sus a coloanei de degazare, se
scurge n uvi e prin fundurile perforate ale talerelor n rezervorul
de stocare. uvi ele sunt traversate de aburul care le 43
nc lze te i elimin gazele din ele, care se evacueaz din partea
de sus a coloanei. Apa i condensatul se introduc n degazor cu
temperatura de 80 0C. Introducerea apei cu temperatura mai mic nr
ut e te procesul de degazare. Aburul la presiunea 0,15...0,17 MPa
se introduce prin dispozitivul de barbotare n volumul de ap din
rezervorul de acumulare. Capacitatea rezervorului este prev zut
astfel, ca apa degazat s se re in n el nu mai pu in de 20...30
min., timp ce permite descompunerea carbona ilor i degajarea
bioxidului de carbon. Pentru a nlesni acest proces, printr-un
perete special, volumul de ap din rezervor este separat n dou p r
i, care sunt unite printr-un orificiu n partea de jos a peretelui.
Evacuarea apei se efectueaz din partea opus coloanei de degazare.
Aburul se introduce n volumul de ap pentru a o nc lzi suplimentar.
O parte din abur, de la separatorul de purj , cu presiunea 0,12
MPa, se introduce n spa iul de abur pe deasupra volumului de ap .
Degazoarele cu presiune ridicat se folosesc n ciclurile centralelor
termoelectrice cu presiuni nalte. Presiunea n degazor este de
0,5...0,7 MPa (ts = 145...165 0C). Principiul de func ionare este
acela i ca i la cele precedente, ns rezervorul este mai mic,
deoarece n acest degazor se introduce apa de adaos, care de acum a
fost trecut prin degazorul atmosferic, i condensatul, care nu con
ine carbona i. 17.3. Calculul degazoarelor termice Calcularea
degazoarelor se efectueaz n baza a dou ecua ii: - ecua ia bilan
ului material, n care se compar fluxurile de ap i abur care intr n
degazor Di' , n kg/s, cu cele care iese D "j din ele:
D ! Di j
' i
" j
(44)
44
-
i ecua ia bilan ului termic, n care se compar fluxurile
respective de entalpie: N Di' hi ! D "j h j , (45)
unde: este coeficientul de re inere a c ldurii, = 0,95...0,98;
hi i hj - entalpiile specifice ale agen ilor termici respectivi, n
kJ/kg. Pentru a explicita ecua iile (44) i (45) figur m schematic
degazorul, ata ndu-i fluxurile materiale i de energie respective
(fig. 23). A adar, fluxurile de intrare sunt: - apa de adaos cu
debitul Dad i temperatura tad; - condensatul cu debitul Dc i
temperatura tc; - aburul de la expandorul de purj cu debitul Dvpj i
entalpia h; Fig.23. Schema de calcul a - aburul de nc lzire cu
debitul Dv degazorului atmosferic. i entalpia hv; fluxurile de ie
ire: - apa de alimentare cu debitul Daa i entalpia h; - aburul ie
it mpreun cu gazele eliminate, debitul Dvg i entalpia h; Pentru
schema dat ecua iile (44) i (45) vor primi forma: Dad + Dc + Dv +
Dvpj = Daa + Dvg; NDadcatad+ Dccatc +Dvhv + Dvpj h)=Daah+Dvgh. (46)
(47)
n ecua ia (47) ca este capacitatea termic specific a apei, ca =
4,19 kJ/(kg.K). La calcularea degazoarelor m rimile necunoscute
sunt: debitele aburului pentru nc lzire Dv i a apei de alimentare
Daa, 45
ele determinndu-se prin rezolvarea sistemului de ecua ii (46) i
(47). Valoarea debitului aburului evacuat mpreun cu gazele este de
1...3 % din Daa. Fluxul de c ldur con inut de acest abur constituie
6...18 %. Aburul se Fig. 24. Schema recuper rii vaporilor evacueaz
n atmosfer , evacua i: deci, aceste procente sunt 1 coloan de
degazare, 2 condensator. pierderi de ap i, respectiv, c ldur .
Pentru a reduce aceste pierderi n schema degazorului se introduce
(fig. 24) un condensator, n care aburul condenseaz , fiind r cit cu
apa de adaos, debitul lui reducndu-se pn la 0,1...0,2 %. Aceast
valoare i se folose te n ecua iile (46) i (47).
18. Tratarea apei n interiorul cazanuluiSe utilizeaz dou metode
de tratare a apei n interiorul cazanului: 1. de baz cnd tratarea
preliminar n exteriorul cazanului nu se efectueaz ; 2. de corec ie,
care se realizeaz dup trat rile exterioare. Tratarea n interior de
asemenea poate fi de dou feluri: a. termic , b. chimic . Tratarea
de baz se utilizeaz la cazanele mici, care se alimenteaz din re
elele de ap potabil . Tratarea termic se aplic ca tratare de baz ,
de regul , la cazanele ignitubulare. Schema unei astfel de instala
ii este prezentat n fig. 25. Apa de alimentare, nainte de a se
amesteca cu apa de cazan, este tratat n spa iul de abur al
cazanului. Circulnd printr-un ir de dispozitive, ea se 46
Fig.25. Instala ie de tratare termic (dedurizatorul Obrezcov) a
apei n interiorul cazanului ignitubular:1 corpul cazanului, 2
introducerea apei de alimentare, 3 - extragerea aburului, 4
deversor, 5 - uluc, 6 covat , 7 jgheab, 8 conduct de purj , 9 tub
de fl c ri.
nc lze te pn aproape de temperatura de satura ie. S rurile durit
ii carbonatice se precipit sub form de n mol i sunt evacuate prin
purjare. Tratarea chimic poate fi i de baz i de corec ie. Ea const
n introducerea reactivilor n apa de alimentare la intrare n cazan
sau nemijlocit n tamburul cazanului. Se introduc reactivii:
hidroxidul de sodiu NaOH; fosfa i de sodiu - Na3PO4, (NaPO3)n, mai
rar Na2HPO4 i NaH2PO4; hidrazina N2H4. La introducerea hidroxidului
de sodiu se produc reac iile: NaOH + MgCl2 Mg(OH)2 + 2NaCl; Mg(OH)2
+ 2NaHCO3. (48) (50) NaOH + Ca(HCO3)2 2NaOH + Mg(HCO3)2 Na2CO3 +
CaCO3 + 2H2O; (49)
CaCO3 i Mg(OH)2 , posednd o solubilitate foarte mic , se
precipit n volum sub form de n mol. Carbonatul acid de sodiu NaHCO3
se descompune: NaHCO3 Na2CO3 + H2O +CO2 . 47 (51)
Soda calcinat format , la rndul s u, ac ioneaz asupra s rurilor
de duritate: Na2CO3 + CaSO4 CaCO3 + Na2SO4 (52) Trinatriufosfatul
Na3PO4, se introduce la tratarea de corec ie: 6Na3PO4+10CaSO4+2NaOH
3Ca(PO4)2Ca(OH)2+ 10Na2SO4. (53)
Compu ii rezulta i se precipit n n mol. n plus, la tratarea cu
fosfa i, pe suprafe ele evilor se formeaz o pelicul protectoare
contra coroziunii iar depunerile devin mai afnate i mai u or de nl
turat. Tratarea cu hidrazin se folose te pentru asimilarea
oxigenului.
19. Purjarea cazanelorPurjarea prezint eliminarea unei p r i de
ap din volumul cazanului. Scopul purj rii: a. men inerea bilan ului
de s ruri n cazan, b. evacuarea n molului format la precipitarea s
rurilor dizolvate n ap . Men inerea bilan ului de s ruri se asigur
prin purjarea continu . Ea se efectueaz continuu din tamburul de
sus sau din cicloanele separatoare exterioare. Ea constituie
0,2...5,0 % din productivitatea cazanului. Cantitatea de purj se
regleaz dup con inutul de s ruri n apa de cazan care se controleaz
la cazanele mici prin analize periodice, la cele mari prin m
surarea cu aparate speciale. Evacuarea n molului se efectueaz prin
purjarea periodic . Ea se produce peste fiecare 4...8 ore din
punctele inferioare ale cazanului colectoarele sau/ i tamburul de
jos ale vaporizatorului. Dac n ap se con in s ruri u oare, n molul
48
c rora iese la suprafa a apei din tambur, purjarea periodic se
efectueaz i din tamburul de sus, de la suprafa a apei. Cantitatea
purjei continu se determin n baza bilan ului de s ruri al
vaporizatorului.s s M aa ! M pj M vs M dep. ,
(54)
s n care: M aa este masa s rurilor introduse n cazan cu apa de
alimentare, s M pj - masa s rurilor evacuate cu purja, - masa s
rurilor antrenate cu aburul, Mdep.- masa s rurilor depuse pe
suprafa a vaporizatorului. M vs i Mdep. sunt nensemnate comparativ
cu celelalte i de aceea se neglijeaz . Atunci (54) poate fi
exprimat sub forma:
Daa Caa = DpjCac,
(55)
unde: Daa i Dpj sunt debitele, respectiv ale apei de alimentare
i purjei, n kg/s; Caa i Cac concentra ia s rurilor, respectiv n apa
de alimentare i n apa de cazan, n mg/kg. Con inutul de s ruri n apa
de cazan depinde de tipul cazanului i de presiunea aburului.
Valorile admise sunt: - pentru cazane ignitubulare - Cac = 12000
mg/kg, - pentru cazane acvatubulare: la P < 3,0 MPa -
1500...3000 mg/kg, la P = 3,0 ... 6,0 MPa - 1000...1500 mg/kg, la P
= 6,0...10,0 MPa - 500...1500 mg/kg. Avnd n vedere c : Daa = Dv +
Dpj, unde Dv este productivitatea cazanului, din (55) ob inem: D pj
! Dv C aa . C ac C aa 49 (57) (56)
Procentul de purj se va calcula cu formula:
T pj !
C aa 100 . C ac C aa
(58)
Pentru a reduce pierderile de ap i c ldur cu purja se utilizeaz
expandorul de purj (vezi fig. 26). Purja la presiunea din tambur,
cu temperatura i entalpia apei saturate la aceast presiune, se
destinde pn la presiunea de 0,12 MPa, r cindu-se pn la temperatura
de 104,8 0C. C ldura degajat se consum pentru transformarea unei p
r i de ap n abur. Aburul se ndreapt la degazor, apa r mas - se r ce
te pn la temperatura de cca. 40 0C, nc lzind apa de adaos, care
vine de la instala ia de tratare a apei cu temperatura nu mai mare
de 30 0 C. La instala iile de presiune nalt destinderea purjei se
efectueaz Fig. 26. Schema n dou trepte. Presiunea n expandorul
destinderii purjei: de nalt presiune este egal cu cea din degazorul
respectiv. 1 tambur, 2 conducta de n unele sisteme apa de purj
purjare, 3 expandor de purj , 4 ventil de laminare, este folosit ca
ap de adaos pentru 5 r citorul apei de purj , re elele termice,
deoarece ea nu 6 ap de adaos spre con ine s ruri de calciu i
magneziu. degazor, 7 - . abur spre O m sur de reducere a degazor,
depunerilor de s ruri i a cantit ii de purj la cazane prezint
vaporizarea n trepte (fig. 27). Volumul de ap din tamburul
cazanului este separat cu un perete special n dou compartimente:
curat i salin. Apa de alimentare se introduce n compartimentul
curat. Purjarea compartimentului curat se produce n compartimentul
salin prin orificiul n peretele desp r itor. Purja din zona salin
se evacueaz n exterior la 50
expandorul de purj . n sec ia de ap curat concentra ia s rurilor
poate fi mai mic de ct n cazanele cu vaporizarea ntr-o treapt , iar
salinitatea apei din compartimentul salin poate fi mai mare dect de
obicei, ceea ce reduce cantitatea purjei.
Fig. 27. Schema vaporiz rii n trepte:1 tamburul cazanului, 2
introducerea apei de alimentare, 3 extragerea aburului, 4
compartimentul curat al tamburului, 5 peretele desp r itor, 6
compartimentul salin, 7 evacuarea purjei, 8 contururi de
vaporizare.
La zona curat a tamburului sunt racordate cca. 80 % din suprafa
a de schimb de c ldur a vaporizatorului. Suprafa a unit la sec ia
salin se amplaseaz n zona temperaturilor mai reduse ale gazelor.
Extragerea aburului se efectueaz din compartimentul curat al
tamburului. La unele cazane se organizeaz dou zone saline. Exist
cazane cu vaporizarea n trei trepte.
51
20. Separarea aburuluiO parte nensemnat din s ruri p trunde n
abur. S rurile se con in n pic turile de ap suspendate n aburul
umed. n cazanele energetice aburul din vaporizator nimere te n
supranc lzitorul de abur unde s rurile antrenate de abur se depun.
De i depunerile sunt incomparabil mai mici de ct n vaporizator,
daunele aduse sunt mai mari, deoarece condi iile de lucru ale
metalului supranc lzitoarelor de abur sunt cu mult mai 0 .1
dificile: coeficientul de transfer de c ldur de la eav la abur 0 .0
8 fiind de cteva ordine mai mic 0 .0 6 dect n vaporizator, r cirea
metalului n a a mod fiind mai 0 .0 4 pu in intensiv .x, 0 .1 0 .0 8
x % 0 .0 6 0 .0 4 0 .0 2 0 0 0 .0 0 .1 0 .1 0 .2 0 .2 5 5 5
0 .0 2
0 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 h, m
Fig. 28. Dependen a umidit ii aburului de n l imea spa iului de
abur.
La cazanele tehnologice, care produc abur saturat, depunerile de
s ruri se observ n Fig. 29. Dependen a umidit ii aburului de
sarcina specific armaturi, unde se produce a oglinzii de evaporare;
laminarea aburului i transformarea lui n abur D sarcina cazanului,
F aria supranc lzit, presiunea lui oglinzii de evaporare.
reducndu-se iar entalpia r mnnd constant . Aceste depuneri agraveaz
condi iile de func ionare a armaturii, nu permit nchiderea etan ,
iar dup scurgerea aburului prin neetan eit ile formate s rurile,
aderndD/F, k /
2
s
52
concomitent la supap i scaun, aduc la griparea (lipirea) lor.
Dac la armatura de nchidere-deschidere griparea ngreuneaz
deschiderea i pot duce la distrugerea acesteia, periclitarea
supapelor de siguran poate duce chiar la explozia cazanului.
Reducerea depunerilor de s ruri poate fi ob inut prin separarea
aburului de pic turi. Titlul de vapori al aburului trebuie s fie
sub 0,1 %. Reducerea se ob ine prin m suri constructive.
Fig. 30 Schemele dispozitivelor de separare a aburului n
interiorul tamburului:1 scut perforat, 2 jaluzele, 3 scut perforat
submersibil, 4 scut de izbire, 5 ciclon.
Principiile de separare a aburului sunt de dou tipuri: gravita
ional i iner ial . Separa ia gravita ional se realizeaz la
deplasarea aburului de jos n sus, cea iner ial prin schimb ri bru
te a vitezei sau sensului torentului de abur. Umiditatea depinde n
primul rnd de dimensiunile tamburului caracterizate de n l imea spa
iului de abur (fig. 28) i 53
sarcina specific a oglinzii de evaporare (fig. 29). La n l imea
spa iului sub 0,4 m i la sarcina specific a oglinzii de evaporare
peste 0,15 kg/(m2s) umiditatea aburului cre te esen ial. n tambur
se utilizeaz un ir de construc ii i dispozitive speciale, care
organizeaz separarea aburului de pic turi dup cele dou principii
(fig. 30). La acestea se refer : - scuturi perforate amplasate n
spa iul de vapori a.; - scuturi perforate submersibile c.; -
jaluzelele - b.; - scuturile de izbire d.; - cicloanele separatoare
interne e. .a. La cazanele cu diametrul tamburului relativ mic,
pentru a reduce sarcina specific a oglinzii de evaporare, o parte
din emulsia abur-ap se separ n cicloane exterioare (fig. 31).
Cicloanele exterioare reprezint cilindri verticali cu diametrul
300...500 mm i n l imea 2,0...3,0 m. Emulsia ap -abur se introduce
tangen ial la jum tate din n l imea ciclonului ntr-o camer special
, aburul eliminnduse din partea de sus, iar apa din cea de jos.
Ciclonul este Fig. 31. Ciclon separator exterior: prev zut cu
purjare continu . V abur, Pj purj , A ap , VA Aburul se ndreapt n
spa iul emulsie ap -abur. de abur al tamburului, apa n colectoarele
de jos ale vaporizatorului. 54
La reducerea con inutului de s ruri n pic turi i, deci, la
antrenarea s rurilor n abur, contribuie considerabil i vaporizarea
n trepte, de oarece cantitatea major de abur se formeaz n
compartimentul curat, salinitatea apei n care este mai mic . Fig.
32. Schema instala iei de Pentru reducerea umidit ii sp lare a
aburului cu apa de aburului i a con inutului de s ruri alimentare.
n pic turi se mai utilizeaz sp larea aburului n tambur cu apa de
alimentare (fig. 32). Apa de alimentare se introduce n partea de
sus a tamburului, n spa iul de abur, ntr-o covat format din mai
multe uluce, n spa iul dintre care se ridic aburul. uvi ele de abur
sunt ntoarse spre suprafa a apei i pic turile de ap , avnd iner ie
mai mare, nimeresc n apa de alimentare cu care se ntorc n apa de
cazan.
21. Tratarea suprafe elor interioare ale cazanelorTratarea
suprafe elor interioare se efectueaz cu mai multe scopuri: - ndep
rtarea zgurii de sudur , a impurit ilor nimerite n evi la montare
sau reparare, - ndep rtarea depunerilor ap rute n timpul func ion
rii ndelungate a cazanului, - protejarea suprafe elor cazanului
contra coroziunii i depunerilor n timpul lucrului, - protejarea
suprafe elor cazanului contra coroziunii la sta ion ri de diferit
durat . Cur area cazanelor dup montare i repara ii se efectueaz n
mai multe etape. Mai nti se efectueaz suflarea cu 55
abur sub presiune de la alt cazan, apoi sp larea cu ap i sp
larea cu solu ie de 5...10 % de acid clorhidric, sau solu ie din
mai mul i acizi inclusiv i acidul citric. Solu ia de acid cu
temperatura de 60...80 0C se vehiculeaz cu viteza de 1,5...2,5 m/s.
Pentru sp lare se monteaz o schem de conducte special cu rezervoare
i pompe respective. Dup sp larea cu acid suprafe ele se
neutralizeaz prin limpezire (sp lare) cu ap desalinizat sau
condensat n care se introduce 1 % de sod sau amoniac. Solu ia se
vehiculeaz prin cazan mai multe ore. ndep rtarea depunerilor de
crust se efectueaz periodic, dup 5...15 mii de ore de func ionare a
cazanului. La unele cazane, la care suprafe ele sunt accesibile,
acestea se cur mecanic. n general, cur area se efectueaz prin sp
larea chimic descris mai sus. La cazanele mari dup sp lare se taie
o por iune de eav pentru a controla eficien a procesului. Se
efectueaz , de asemenea, i ndep rtarea depunerilor n timpul
lucrului cazanului. Tratarea const n func ionarea cazanului timp de
cteva sute de ore cu con inut sporit de trifosfat n tambur i
purjare m rit . Pentru prentmpinarea coroziunii suprafe elor, dup
sp larea cu acid i limpezirea suprafe elor, cazanul func ioneaz 3
zile cu pH > 10 i un con inut sporit de hidrazin . Acest regim
nlesne te procesul de formare pe suprafa a evilor a unui strat
protector de magnetit Fe3O4. Pentru a proteja de coroziune
conductele de condensat se introduc amine, care formeaz pe suprafe
e pelicule protectoare. De asemenea, sunt elaborate materiale, care
formeaz pe suprafa a evilor pelicule antiaderente pentru
prentmpinarea depunerii crustei. Protejarea suprafe elor cazanului
contra coroziunii la sta ion ri de diferit durat se efectueaz prin
conservarea lor. La sta ion ri pe perioade scurte de timp, bun oar
, cnd cazanul se afl n rezerv , el se las umplut cu ap de
alimentare i, pentru excluderea p trunderii oxigenului, se men ine
o suprapresiune anumit . La sta ion ri ndelungate se aplic
conservarea uscat . Dup de ertarea cazanului de ap , el se usuc cu
o surs slab de c ldur n focar. Poate fi folosit i uscarea prin
suflare cu aer comprimat. n vremea sta ion rii, pentru absorb ia
umidit ii din 56
aer, n tambur se instaleaz tevi cu substan e absorbante (de
obicei, silicagel). Conservarea uscat poate fi efectuat , de
asemenea, prin umplerea volumului cazanului cu azot din
butelii.
BIBLIOGRAFIELa preg tirea notelor de curs au fost folosite urm
toarele surse bibliografice: 1. N.A.P noiu. Cazane de abur. Editura
didactic i pedagogic Bucure ti, 1983. 2. F.Caras. Tratarea apei i a
aburului n instala iile termoenergetice. Editura tehnic - Bucure
ti, 1967. 3. . . , . . , . . . . , 1985. 4. . . , . . . . , . 1969.
5. . . , . . . . , 1991. 6. . . , . . , . . . : . , 1990. 7. .
.http://www.aquafilter.ru/about/about.htm,
8.
. . http://www.pool-stroy.ru/about.htm
57
Cuprins1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Apa n exploat ri
energetice....................................... Apa natural i
impurit ile ei.................................... Indici de
calitate ai apei............................................. Ac
iunea impurit ilor asupra utilajului..................... Metode de
evitare, reducere i lichidare a ac iunii impurit ilor apei asupra
utilajului............................. Norme de calitate a
apei............................................ Limpezirea
apei.......................................................... 3 5
7 10 13 14 14 15 18 22 23 25 27 28 28 30 31 32 32 34 36 38 40 40 42
44 46 48 52 55 57
7.1. Eliminarea impurit ilor mecnice.. 7.2. Eliminarea impurit
ilor coloidale................ 8. Cur area apei cu
membrane...................................... 9. Eliminarea din ap
i condensat a substan elor uleioase (dezuleierea)..
...................... 10. Eliminarea ionilor de
fier................................... ... 11. Desilicierea
apei......................................................... 12.
Dedurizarea apei. Metode..........................................
13. Tratarea termic a
apei............................................... 14. Tratarea
apei cu var.................................................... 15.
Tratarea magnetic a apei...........................................
Tratarea apei prin schimb de ioni...............................
16. 16.1. Bazele fizico-chimice ale schimbului de ioni............
16.2. Filtre cu ioni
i.............................................................
16.3. Cicluri de
tratare.........................................................
16.4 Scheme de tratare a
apei............................................. 17. Degazarea
apei...........................................................
17.1. No iuni generale.
Metode.......................................... 17.2. Degazoare
termice..................................................... 17.3
Calculul degazoarelor termice...................................
18. Tratarea apei n interiorul cazanului..........................
19. Purjarea
cazanelor...................................................... 20.
Separarea aburului............................... .. 21. Tratarea
suprafe elor interioare ale cazanelor............
Bibliografie............ ....................... 58
59
