Результат интеллектуальной деятельности: Установка для нетермической деаэрации воды

Изобретение относится к теплоэнергетике в области защиты теплообменного оборудования, котлов, трубопроводов и других металлических элементов на электростанциях, в котельных, на промышленных предприятиях при производстве пара, получении горячей воды для водопроводных сетей, получении обессоленной и умягченной воды для подпитки паровых котлов.

Решаемая изобретением техническая задача заключается необходимости проведения обязательной химводоподготовки воды для приведения ее качества в соответствие с требованиями потребителя путем коррекции ее химических свойств, что позволяет остановить коррозию и образование накипи в котле и трубопроводе всей отопительной системы и продлить срок эксплуатации дорогостоящего оборудования. Химводоподготовка воды в основном сводится к умягчению воды, что предотвращает накипи, а также к деаэрации питательной воды в котельной, которая представляет собой этот технологический процесс водоподготовки для котельных, в результате которого происходит удаление агрессивных газов (кислорода и свободного углекислого газа) из воды, а также хлора, который попадает в теплосеть вместе с водопроводной водой.

Большинство способов обескислороживания воды основаны на термический и вакуумной деаэрации, которая существенно повышает энергозатраты при подготовке воды и требует применения габаритного оборудования.

Атмосферный деаэратор имеет основной недостаток - необходимость нагрева воды до 102-104°С, что невозможно без наличия парового котла, дополнительные потери при энтальпии и выпаривании в результате технологического процесса, как следствие - перерасход газа.

Вакуумный деаэратор в котельной имеет ряд недостатков:

- резкое снижение качества деаэрации при нагрузках деаэратора выше 50%;

- снижение качества деаэрированной воды при переменных нагрузках;

- потери пара на обеспечение вакуума паровыми эжекторами;

- дополнительные расходы электроэнергии на создание вакуума в деаэраторе;

- высокие затраты труда на обслуживание и ремонт деаэраторов.

Реагентная обработка воды (сульфатирование) также имеет недостатки:

- необходимость постоянно покупать реагенты;

- раствор интенсивно поглощает кислород как в воде, так и из окружающего воздуха и через трое суток его нужно менять на новый (что никогда не происходит на практике и в сеть дозируют уже неработающий раствор сульфита натрия);

- скорость вступления в реакцию сульфита натрия с кислородом очень длительна по времени (до 7 минут) и неподготовленная вода полностью проходит через котел, нанося вред, и уже после прохождения вступает в полную реакцию непосредственно в тепловой сети;

- за счет дозированного добавления реагента в воду возрастает минерализация воды, что приводит к электрохимической и биохимической коррозии всей системы отопления.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен способ получения фильтрующего материала и деаэрации воды по патенту Украины №99903, основанный на фильтровании воды через смесь катионита и анионита, обработанную соединениями железа, щелочью, сульфитом и тиосульфатом натрия.

Недостатком данного способа является использование растворов сульфата железа концентрацией 5-10%, тиосульфата натрия, сульфита натрия и щелочи при обработке смеси катионита и анионита, что приводит к образованию больших объемов жидких отходов, которые сложно утилизировать. Кроме того, вследствие заполнения пор ионообменного материала гидроксидом железа (III) в процессе его использования при обескислороживании воды и повторных регенерациях резко снижается поглотительная способность ионита по кислороду при возрастании количества фильтроциклов. При 3-х-4-x фильтроциклах емкость фильтрующего материала по кислороду снижается в 3-5 раз.

Известна загрузка для биофильтров по патенту РФ №2021214, содержащая плоский пористый элемент, установленный в жесткой рамке, отличающаяся тем, что плоский элемент выполнен из материала редоксид с высокоразвитой разветвленной открытой пористой структурой в форме многоугольных пластин или дисков с отношением площади поверхности Sпов.п пор в плоском элементе к общей площади поверхности плоского элемента Sпов.п.э (2-3)⋅103, при этом отношение толщины δ плоского элемента к его большему характерному размеру а равно 0,05-0,15, рамка выполнена из соединенных между собой корпуса и крышки с окнами на всех их гранях, а плоский пористый элемент установлен в рамке с возможностью поджатая его к опорным площадкам корпуса и крышки.

Известен способ удаления из воды кислорода по патенту РФ №2217382, заключающийся в фильтрации воды, содержащей растворенный кислород, через ионит с последующей регенерацией, характеризующийся тем, что фильтрацию осуществляют через высокоосновный анионит AM гелевой структуры в SO₃-форме, а регенерацию отработанного анионита производят раствором сульфита натрия с концентрацией не выше 8%. Время контакта исходной воды с ионитом составляет не менее 7,5 мин.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.

К недостаткам данного метода следует отнести использование концентрированных растворов сульфита натрия при регенерации ионита, что приводит к образованию значительных объемов жидких отходов и значительных потерь сульфита натрия, который при регенерации используется в значительных излишках от стехиометрического количества. Такие растворы загрязнены десорбованными хлоридами или сульфатами, поэтому непригодные для повторного использования.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности удаления кислорода из воды при фильтровании через анионит в сульфитной форме при снижении потерь сульфита в процессах регенерации анионита, повышение эффективности его использования и минимизации объемов жидких отходов в процессах получения и регенерации фильтрующего материала.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Установка для осуществления вышеописанного способа нетермической деаэрации воды, включающая средства для фильтрации обрабатываемой воды, содержащей растворенный кислород, через фильтрующий материал с последующей регенерацией, характеризуется тем, что средства для фильтрации обрабатываемой воды через фильтрующий материал выполнены в виде двух последовательно соединенных адсорбционных фильтров - фильтр-преаэратор и фильтр-деаэратор, заполненных фильтрующим материалом с высокоразвитой разветвленной открытой пористой структурой, кроме того установка содержит узел приготовления и подачи регенерационного раствора, включающий расходный бак и насос-дозатор для подачи реагента на фильтр, трубопровод подачи водопроводной воды на фильтры и в расходный бак, трубопровод подачи натрий-катионированной воды для регенерации фильтров, трубопровод сброса отработанного регенерационного раствора в смеситель для его разведения до заданной концентрации и трубопровод для подачи деаэрированной воды потребителям.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- установка снабжена совокупностью пробоотборных средств и манометров для контроля за работой оборудования.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что при использовании заявленной установки достигается глубокое обескислороживание питательной воды и остаточная концентрация кислорода снижается до нормативных величин. При применении данного оборудования очевиден ряд преимуществ, по сравнению с аналогами:

- нет необходимости в дополнительном нагреве воды, по сравнению с атмосферными или вакуумными деаэраторами, что экономит количество потребления газа на 10% и позволяет до 4 раз снизить затраты на деаэрацию подпиточной воды;

- нет необходимости в постоянном использовании электроэнергии для бесперебойной работы вакуумных насосов, по сравнению с вакуумными деаэраторами, что экономит количество потребляемой электроэнергии на 98%;

- отсутствует необходимость в постоянном использовании дорогостоящего расходного материала по сравнению с химическими деаэраторами, что значительно снижает эксплуатационные затраты;

- загрузочный материал в фильтрах - редоксид, требует замены 1 раз в 10 лет, и не является расходным материалом;

- расходный материал для технологического процесса регенерации, является доступным и выпускается на территории РФ;

- применяемые в технологическом процессе реагенты полностью безвредны для человека, при условии соблюдения элементарных мер предосторожности (ГОСТ 6981-94, 55064-2012, 12.1.005-88);

- использование данного оборудования не требует никаких дополнительных мер по очистке стоков. Образующиеся в результате применения оборудования стоки являются нейтральными и соответствуют требованиям санитарно-эпидемиологической службы (ГОСТ 12.4.016 и 12.1.007). Использование данного оборудования не требует установки дополнительной системы вентиляции в связи с отсутствием выделения вредных испарений в процессе эксплуатации оборудования.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена технологическая схема заявленной установки.

На блок-схеме позициями обозначены: 1 - фильтр-преаэратор, 2 - фильтр-деаэратор,, 3 - расходный бак, 4 - насос-дозатор, 5 - смеситель, 6 - трубопровод подачи водопроводной воды на фильтры, 7 - трубопровод подачи натрий-катионированной воды для регенерации фильтров, 8 - трубопровод подачи водопроводной воды в расходный бак, 9 - трубопровод сброса отработанного регенерационного раствора в смеситель для его разведения до заданной концентрации, 10 - трубопровод сброса разведенного отработанного регенерационного раствор в канализацию, 11 - трубопровод для подачи деаэрированной воды потребителям.

Заявленная установка работает следующим образом.

Водопроводную воду в по трубопроводу 8 в расчетном количестве подают в расходный бак 3. В этот же бак засыпают расчетное количество пиросульфита (метабисульфита) натрия. С помощью насоса-дозатора 4 воду в расходном баке 3 рециркулируют до полного растворения метабисульфита натрия. Метабисульфит натрия поступает в цех в мешках весом 25,5 кг. Реагент первого сорта содержит основного компонента 95,0%, второго сорта - 92,5%.

Перед подачей раствора метабисульфита в фильтрах 1 и 2 проводят вспушивание редоксида. Вспушивание проводят при интенсивной подаче воды снизу-вверх по трубопроводу 6. Интенсивность подачи воды q_пр.=3-4 дм³/м²с. Время вспушивания 5-7 мин. Раствор метабисульфита натрия подают по трубопроводу 7 и фильтруют последовательно через фильтры 1 и 2 со скоростью 1,5 м/час. Подача раствора из расходного бака 3 в фильтры 1 и 2 осуществляют с помощью насоса-дозатора 4. Отработанный регенерационный раствор по трубопроводу 9 подают в смеситель 5, где его смешивают с водопроводной водой, разводят до уровня минерализации <1000 мг/дм³ и по трубопроводу 10 сбрасывают в канализацию. Трубопровод 11 обеспечивает подачу обработанной деаэрированной воды потребителям. Система трубопроводов и арматуры заявленной установки позволяет осуществить распределение потоков исходной и обработанной воды, регенерационных и промывных растворов в необходимых направлениях при работе установки.

Заявленная установка для удаления кислорода из воды основана на использовании фильтрующих материалов с высокоразвитой разветвленной открытой пористой структурой, например, редоксида или сорбента «Оксисорб», которые эффективно поглощает кислород из воды при низких температурах (от 10 до 30°С) и имеет емкость по кислороду в 2-3 раза выше по сравнению с другими материалами.

Использование в установке предварительных узлов деаэрации при низких температурах позволяет повысить длительность фильтроцикла в 3-4 раза в сравнении с аналогами. Объем деаэрированной воды на загрузке объемом 1 м³ достигает 40-80 тыс. м³.

Оригинальность фильтрующей загрузки в преаэраторе состоит в том, что в процессе ее использования нет необходимости в регенерации используемых сорбентов.

Используемые сорбенты обеспечивают полное удаление кислорода из воды при низких температурах, эффективно связывает растворенный в воде кислород, углекислый газ, а разработанный новый способ его регенерации обеспечивает полное восстановление его емкости по кислороду.

Заявленная установка может быть реализована с использованием известного оборудования, технических и технологических средств и эффективно использована для удаления из воды растворенных газов, и, тем самым, предотвращения развития коррозионных процессов металлических конструкций энергетического оборудования и тепловых сетей теплотрасс (защита котлов и тепловых сетей от коррозии).