Các phương pháp xử lý nước cấp cho lò hơi


I. Các phương pháp xử lý nước cấp cho lò hơi:

1. Ý nghĩa của việc xử lý nước cấp cho lò hơi:

– Chất lượng nước cung cấp cho lò hơi có ý nghĩa quan trọng đối với việc vận hành an toàn và kinh tế của lò hơi.

– Đối với các nhà máy nhiệt điện hơi ngưng hơi, nước cấp cho lò hơi chủ yếu là nước ngưng trong bình ngưng tụ của tua bin, là một loại nước có chỉ tiêu chất lượng cao. Đồng thời chúng ta phải bổ sung thêm vào đó một lượng nước cấp bù vào phần hơi nước đã thất thoát trong quá trình làm việc.

 Đối với các nhà máy nhiệt điện sử dụng tuabin có cửa trích dùng hơi nước để hâm nước hoặc các mục đích công nghiệp khác, chúng ta phải bổ sung lượng nước rất lớn, có khi 100% trong thành phần nước cấp cho lò.

– Những lượng nước cấp này đa số được lấy từ thiên nhiên như sông ngòi, ao hồ, đôi khi cả nước biển. Vì vậy, trước khi vào lò hơi chúng phải được xử lý cẩn thận để đạt được các chỉ tiêu sử dụng trong lò hơi.

2. Các tạp chất có trong nước cấp trước khi qua xử lý và ảnh hưởng của chúng:

a) Những tạp chất không tan trong nước:

– Những hạt có kích thước dưới 0,0001mm hầu như không có khả năng lắng đọng lại mà lơ lửng trong nước, gọi là những hạt keo. Những tạp chất này ảnh hưởng đến độ trong của nước, làm cho nước đục, chúng củng là nguyên nhân hình thành nên lớp cáu bẩn bám trên thành trong của ống, tạo nên lớp cách nhiệt hạn chế, giảm hiệu suất của lò hơi. Hơi nước có lẫn tạp chất vào tuabin sẽ làm giảm tuổi thọ của tuabin và dễ gây hư hỏng.

b) Những tạp chất hòa tan trong nước:

– Đa số các tạp chất hòa tan trong nước dưới tác dụng của lưỡng cực đều bị phân ly thành các ion tự do: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3, SO42-, Cl… Sau đây ta khảo sát khả năng phân ly thành ion các chất hòa tan trong nước:

+ Độ cứng của nước:

– Độ cứng của nước được đặc trưng bởi tổng nồng độ của các ion kim loại có chứa trong nước. Trong đó phổ biến nhất là 2 ion Mg2+ và Ca2+. Đơn vị là mgđl/l hoặc là microgram µgđl/l.

Ở Đức 1 đơn vị độ cứng(oH)         = 10mg CaO/l

Ở Pháp 1 đơn vị độ cứng    = 10mg CaCO3/l

Ở Anh  1 đơn vị độ cứng    = 10mg CaCO3 /0,7l

Ở Mỹ 1 đơn vị độ cứng       = 17mg CaCO3/l

– Phân loại: 2 loại cơ bản

Độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời)

Độ cứng phicabonat (độ cứng vĩnh viễn)

– Cách xác định độ cứng toàn phần của H2O:

– Ảnh hưởng:

to

Trong đều kiện nhiệt độ và áp suất khá cao của lò hơi

2HCO3 = CO2- + CO2↑+ H2O

CO32- + Ca2+  = CaCO3

Mg(HCO3)2  = Mg(OH)2↓ + 2CO2

Sinh khí CO2 có hại, tạo kết tủa CaCO3 làm nên lớp bám bẩn trên thành ống và ngăn cản quá trình trao đổi nhiệt.

Đối với độ cứng vĩnh viễn, khi H2O bay hơi, nồng độ muối tăng lên và nó trở thành lớp cáu bẩn bám lên thành trong ống. Đồng thời các lớp cáu này thúc đẩy nhanh quá trình ăn mòn của bề mặt đốt, thể hiện dưới dạng ăn mòn cục bộ gây nên hố sâu và kẽ nứt.

+ Nồng độ ion H+:

– Đây là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng của H2O. Trong tổng số các phân tử nước, có 1/107 phân tử H2O phân ly thành ion H+ và OH.

H2O = H+ + OH

– Để đánh giá chất lượng nước theo [H+]có trong nước,ta dựa vào độ pH của  nước đánh giá:

pH = – lg [H+]

[H+] [OH] = 14

– Nước có pH < 5,5 là H2O có tính axít mạnh

– Nước có pH = 5,5 ÷ 6,5 có tính axít yếu

– Nước có pH = 6,5 ÷ 7,5 có tính trung tính

– Nước có pH = 7,5 ÷ 8,5 có tính kiềm yếu

– Nước có pH > 8,5 có tính kiềm mạnh

– Độ pH của H2O ảnh  hưởng đến độ phân ly của các axít hòa tan trong nước

Vd:  7 < pH < 11: H2SiO3 = H+ + HSiO3

pH ≥ 11: HSiO3 = H+ + SiO3

Điều này là dễ  hiểu vì pH càng lớn [H+] càng ít, thì khả năng phân ly của các axít càng mạnh để tăng [H+] trong nước.

Vì vậy việc khảo sát độ pH phần nào có ý nghĩa trong việc khảo sát quá trình tạo nên cặn trong lò hơi. Tùy theo cách phân ly của axít mà các cation có thể kết hợp với các anion tạo thành các muối có độ tan khác nhau.

+ Các chất khí hòa tan trong nước: ngoài các tạp chất hòa tan trong nước tồn tại dưới dạng các ion tự do, trong nước còn có sự hòa lẫn từ các khí do không khí mang vào hoặc do phản ứng nhiệt phân các muối ở nhiệt độ, áp suất cao của lò hơi.

+ O2 trong nước: O2 được đưa vào trong nước là từ không khí, O2 là chất có tính oxi hóa mạnh đặc biệt ở nhiệt độ cao quá trình oxi hóa do O2 gây ra càng mãnh liệt nên quá trình ăn mòn các đường ống và các thiết bị nhanh chóng.

+ CO2 hòa tan trong nước cũng từ không khí hoặc phản ứng nhiệt phân các muối cacbonat. CO2 không là chất có tính oxi hóa nhưng ở nhiệt độ cao nó đóng vai trò là chất xúc tác thúc đẩy phản ứng oxi hóa diễn ra nhanh hơn.

+ Ngoài ra, nếu trong nước có lẫn H2S thì không tốt do H2S có thể ăn mòn phần lớn các kim loại.

+ Trong không khí cũng có tồn tại N2, nhưng ở trạng thái tự do, N2 hoạt động hóa học kém nên ít ảnh hưởng.

3. Các phương pháp xử lý nước trước khi đưa vào lò hơi:

Khử muối hòa lẫn vào trong nước:

Xử lý nước bằng phương pháp lắng cặn:

Đây là một trong những phương pháp xử lý nước bằng hóa chất, chủ yếu phổ biến trong các lò hơi nhỏ dùng trong công nghiệp, hoặc là biện pháp xử lý sơ bộ nước được lấy từ nguồn có độ cứng cao. Tùy vào từng loại phương pháp xử lý mà ta sử dụng các loại hóa chất tương ứng.

Vd:         Phương pháp xử lý                                     Hóa chất

Vôi hóa                                         Chỉ dùng vôi

Vôi xôđa                                    CaO + Na2CO3

Xút                                            NaOH

Xút-xôđa                                   NaOH + Na2CO3

Xút-vôi                                                NaOH + CaO

Xét các phản ứng hóa học xảy ra như sau:

+ Khi chỉ dùng vôi:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 à 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2 + 2CaCO3↓+ 2H2O

MgCl2 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2↓ + CaCl2

MgSO4 + Ca(OH)2 à Mg(OH)2↓+ CaSO4

CO2 + Ca(OH)2 à CaCO3↓ + H2O

Từ các phương trình trên, chỉ có các muối có gốc CO32- hoạc HCO3 tạo được muối CaCO3 còn các muối có gốc phi cacbonat thì vôi không khử được các độ cứng này

Viết gọn lại khi dùng vôi: Ca2+ + CO32- à CaCO3

+ Khi dùng xút:

Ca(HCO3)2 + 2NaOH à CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O (1)

Mg(HCO3)2 + 2NaOH à MgCO3↓ + Na2CO3 + 2H20 (2)

MaCO3 + 2NaOH à Mg(OH)2↓ + Na2CO3                          (3)

MgCl2 + 2NaOH à Mg(OH)2↓ + 2NaCl                   (4)

CO2 + 2NaOH à Na2CO3 + H2O                              (5)

CaCl2 + Na2CO3 à CaCO3↓ + 2NaCl                       (6)

CaSO4 + Na2CO3 à CaCO3↓ + Na2SO4                    (7)

Ta thấy tùy vào lượng sôda được sinh ra từ phản ứng (1), (2), (3) và (5) mà độ cứng của nước được khử tốt hay không

– Nếu lượng CO32- tạo ra từ phản ứng trên không đủ tham gia cho các phản ứng (6), (7) thì ta cần bổ sung thêm sôda Na2CO3. Khi đó ta có phản ứng xút-sôda

– Nếu lượng CO32- tạo ra thừa, ta thêm vào CaO để liên kết với ion thừa này. Khi đó ta có phản ứng xút-vôi

Các muối không tan, kết tủa sẽ được lắng tụ lại và tách ra khỏi nước trước khi đưa vào lò.

Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi cation:

+ Thông qua việc trao đổi cation của các vật chất hòa tan trong nước có khả năng sinh cáu trong lò với cation của vật chất không tan trong nước tạo nên muối mới tan trong nước và không tạo cáu trong lò. Trong đó sử dụng 3 loại cationit như sau: Na+, H+, NH4+ ký hiệu là NaR, NH4R, HR. R là gốc của cationit không hòa tan trong H2O, đóng vai trò của anion

+ Khi dùng cationit natri:

Ca(HCO3)2 + 2NaR à CaR2 + 2NaHCO3

Mg(HCO3)2 + 2NaR à MgR2 + 2NaHCO3

CaCl2 + 2NaR à CaR2 + 2NaCl

MgCl2 + 2NaR à MgR2 + 2NaCl

CaSO4  + 2NaR à CaR2 + Na2SO4

MgSO4  + 2NaR à MgR2 + Na2SO4

+ Khi dùng cationit hydro:

Ca(HCO3)2 + 2HR à CaR2 + 2CO2↑+ 2H2O

Mg(HCO3)2 + 2HR à MgR2 + 2CO2↑+ 2H2O

CaCl2 + 2HR à CaR2 + 2HCl

MgSO+ 2HR à MgR2 + H2SO4

NaCl + HR à NaR + HCl

+ Khi dùng cationit amoni:

Ca(HCO3)2 + 2NH4R à CaR2 + 2NH4HCO3

Mg(HCO3)2 + 2NH4R à MgR2 + 2NH4HCO3

CaCl2 + 2NH4R à CaR2 + 2NH4Cl

MgSO+ 2NH4R à MgR2 + (NH4)2SO4

Na2SO4 + 2NH4R à 2NaR + (NH4)2SO4

+ Ưu điểm: ta có thể khử được gần như cả độ cứng cacbonat và phi cacbonat (độ cứng còn lại nhỏ) khi trao đổi bằng cationit natri. Tuy nhiên, rõ ràng độ kiềm và các thành phần anion khác là hầu như không đổi. Khi sử dụng cationit hydro, độ kiềm và độ cứng được khử nhưng lại cho ra các axit và CO2 không phù hợp để cung cấp vào lò hơi. Vì vậy người ta thường kết hợp 2 phương pháp cationit natri và hydro (khử tính kiềm trước, khử độ cứng sau)

to

Trong phương pháp xử lý nước bằng cationit amoni thì khử được độ cứng, độ kiềm, tuy nhiên các muối tạo ra nếu tiếp tục đưa vào lò thì sẽ dễ xảy ra phản ứng nhiệt phân.

to

Vd: NH4HCO3   → NH3↑ + H2O + CO2

NH4Cl         → NH3↑ + HCl

Việc tạo ra các khí NH3 và axit là hoàn toàn không có lợi. Vì vậy trong thực tế, ta cũng áp dụng phương pháp này kèm theo phương pháp xử lý bằng cationit natri.

Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi anion:

Nguyên tắc này cũng giống như phương pháp trao đổi cation. Anion của muối và axit trao đổi với anion của anionit theo phản ứng:

RaOH + H2SO4 à RaSO4 + H2O

RaOH + HCl     à RaCl + H2O

Ở đây các anion OH. Cũng có thể sử dụng các anion Ra2CO3, RaHCO3. Từ đó ta khử được các axit có trong H2O. Ngoài ra người ta còn kết hợp biện pháp này với phương pháp trao đổi cationit hydro để đạt dược chất lượng nước đúng như yêu cầu.

4. Xử lý nước trong lò hơi:

Để ngăn ngừa việc sinh cáu trong lò hơi, người ta dùng 2 phương pháp xử lý như sau:

+ Hạn chế tới mức tối thiểu số lượng những vật chất có trong nước có khả năng sinh ra cáu trong lò trước khi đưa vào lò (đã được giới thiệu kỹ ở phần trên).

+ Biến những vật chất có khả năng sinh cáu trong lò (do H2O cấp chưa được xử lý hết) thành những vật tách ra ở pha cứng dưới dạng bùn rồi dùng phương pháp xả lò để xà chúng ra khỏi lò. Phương pháp này gọi là xử lý nước bên trong lò

Nguyên tắc:

– Cho các chất đóng cáu đưa vào trong lò để cho vật chất khi tách ra pha cứng sẽ ở dạng bùn.

+ Dùng NaOH, Na2CO3, Na3PO4.12H2O, Na2HPO4.12H2O trong đó photphat được sử dụng rộng rãi, nó được gọi là chế độ photphat hóa nước lò.

+ Dùng những chất có khả năng lơ lửng trong nước lò để trở thành trung tâm tinh thể hóa và do đó hạn chế quá trình tinh thể hóa của pha cứng trên bề mặt kim loại.

+ Những vật chất đưa vào lò tạo lớp màng che phủ kim loại, hạn chế quá trình tinh thể hóa trên bề mặt kim loại

– Dùng nhiệt để phân hủy nhiệt ở một số chất hòa tan, tạo nên những vật chất khó tách ra ở pha cứng dạng bùn.

a) Chế độ photphat nước lò:

– Chủ yếu được dùng để xử lý cáu Ca trong nước, một ít trường hợp có thể dùng cho cả cáu Mg.

– Nếu pH ≥ 10, [OH] trong nước cao, nước có tính kiềm, trong nước khi hòa tan natri photphat rất dễ tạo ra sự tương tác giữa các ion PO43-, Ca2+ và OH tạo ra hydroxyl apatit Ca10(PO4)6(OH)2 là liên kết khó tan, rất dễ tách ra ở dạng bùn.

– Đối với [OH] trong H2O, ta không cần phải thêm vào, tự bản thân trong nước sẽ xảy ra phản ứng sau:

+ Phản ứng thủy phân silicat, photphat, cacbonat:

SiO32- + H2O   ←  H2SiO3 + 2OH

PO43- + 3H2O  ←  H3PO4 + 3OH

CO32- + H2O   ←   CO2 + 2OH

+ Phản ứng phân hủy bicacbonat:

HCO3   →  CO2 + OH

– Hydroxyl apatit là chất có hệ số hòa tan âm. Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào độ kiềm của nước. Kiềm tăng, ít tan. Khi môi trường có độ kiềm yếu (pH < 7.5 ÷ 8), các ion photphat sẽ liên kết với Ca tạo Ca3(PO4)2 là loại cáu bám chắc trên bề mặt đốt. Đưa photphat vào lò, người ta thường đưa vào bao hơi chứ không đưa vào từ trong nước cấp.

– Nếu (PO4)3- thừa lớn, nó có thể tiếp tục kết hợp với Mg tạo Mg3(PO4)2, là một loại cáu tinh thể chắc, có độ dẫn nhiệt bé. Nếu trong nước có (SiO3)2- lúc đó phản ứng xảy ra theo hướng khác.

3Mg2+ + 2SiO32- + 2OH + H2O à 3MgO.2SiO2.2H2O

3MgO.2SiO2.2H2O: secpentin, cũng giống như hydroxyl apatit, tách ra ở pha cứng dưới dạng bùn.

– Nồng độ của các anion tạo nên cáu (SiO32-, SO42-…) càng lớn thì nồng độ ion PO43- yêu cầu càng lớn.

– Các sơ đồ đưa photphat vào lò là:

+ Sơ đồ tập trung: dễ tạo cáu cứng Ca3(PO4)2 trong đường nước cấp nhất là khi nước cấp có độ cứng lớn. Đối với lò nhỏ, chỉ sử dụng khi độ cứng < 5 mgđl/l.

+ Sơ đồ phân tán: được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện.

b) Làm mềm nước bên trong lò bằng nhiệt:

– Nước cấp trước khi hỗn hợp với nước lò được đưa vào trong một thiết bị gia nhiệt đặt trong lò được gọi là thiết bị làm mềm nước bằng nhiệt trong lò.

to

– Có sự trao đổi nhiệt lượng trong hơi bão hòa ra khỏi lò và nước cấp. Tại to này xảy ra các phản ứng nhiệt phân.

Ca(HCO3)2   →  CaCO3↓ + H2O + CO2

to

Mg(HCO3)2 + H2O → Mg(OH)2↓ + H2O + 2CO2

– Còn các muối ít tan CaSO4 ở nhiêt độ cao cũng giảm độ tan vì vậy có một phần những liên kết này tách ra khỏi nước trong thiết bị làm mềm.

– Những vật chất tách ra khỏi nước trong thiết bị làm mềm được tập trung lại và xả ra khỏi lò.

– Thích hợp sử dụng cho lò hơi có D = 1.2 tấn/h, p= 12 ÷ 15 bar. Hiệu quả cao khi độ cứng cacbonat cao và các độ cứng phi cacbonat nhỏ (Hc/Ho ≥ 0.85). Nếu tỷ số không đảm bảo có thể dùng thêm hóa chất để nâng cao chất lượng nước và tăng thời gian sử dụng lò.

Ưu điểm

–       Do thiết bị nằm ở trạng thái cân bằng áp suất nên cấu tạo rất đơn giản không đòi hỏi gì về điều kiện bền, việc đỡ giữ các chi tiết không cần hàn;

–       Vận hành tự động, chỉ tiêu kinh tế vận hành cao vì không phải chi một số lượng lớn hóa chất như các phương pháp khác. Lượng nhiệt dùng để gia nhiệt nước cấp coi như không bị mất đi.

II.Sơ đồ cấp nước cho lò hơi:

 

  • Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng nguồn hơi tư lò hơi luôn luôn thay đổi theo thời gian trong ngày. Do đó khi làm việc, lò hơi phải có khả năng thay đổi tải làm việc phù hợp với yêu cầu.

  • Hệ thống cấp nước cho lò hơi sẽ đóng một vai trò quan trọng để thực hiện nhiêm vụ trên.

1.Các chi tiết được sử dụng trong hệ thống cấp nước:

  • Bơm lỏng ngưng ( condensate pump ): bơm lượng nước ngưng tụ sau bình ngưng (condenser ) vào bình khử khí ( deaearator).
  • Bơm cấp nước chính ( boiler main pump ): bơm nước từ bình khử khí đến bộ hâm nước hoặc vào lò hơi. Đối với các lò hơi sử dụng trong công nghiệp hoặc công suất nhỏ, có thể truyền động bởi động cơ điện. Trong các nhà máy nhiệt điện công suất lớn, các bơm này được truyền động bằng turbine riêng để dễ dàng thay đổi số vòng quay.
  • Van một chiều ( Check valve ): chỉ cho hơi hoăc lỏng duy chuyển theo một chiều nhất định.
  • Các dạng van này là:
  • Van an toàn: đảm bảo hệ thống vận hành an toàn.
  • Van chính ( Stop valve ): ngưng nguồn cung cấp hơi hay nước trong các trường hợp khẩn cấp.

Các loại van thường được sử dụng:

  • Ngoài ra ta còn sử dụng các loại van như van điều chỉnh ( Regulator or control valve ), van tuần hoàn ( Recirc valve ), van nối tắt ( Bypass valve ), các loại van tiết lưu ( meter or throttle valve).
  • Điều khiển một cấp ( one element control ):

–       Điều khiển theo mức: ( level control )

2 thoughts on “Các phương pháp xử lý nước cấp cho lò hơi

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s