Тема 6. Магнитная обработка воды

6.1 Основные закономерности метода магнитной водоподготовки

Изменения свойств воды, наблюдаемые в результате ее прохождения через узкий зазор между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), позволяют рассматривать омагничивание воды как способ ее обработки. Исследованиями многих авторов, а также промышленной практикой доказано, что магнитное поле оказывает влияние на кинетические процессы кристаллизации накипеобразователей.

Противонакипный эффект магнитной обработки обусловлен появлением в воде, прошедшей магнитное поле, многочисленных субмикроскопических и коллоидных образований, которые могут служить зародышевыми кристаллами карбоната кальция, выделяющегося при нагревании воды. Присутствие в жидкости огромного количества таких центров кристаллизации приводит к выделению карбоната кальция в объеме жидкости, а также вызывает замедление роста кристаллов, что обусловливает их высокую дисперсность. Перенесение кристаллизации основного накипеобразователя в толщу нагреваемой воды способствует предотвращению отложений на теплопередающих поверхностях оборудования. Образованию накипи вторичного происхождения препятствует высокая степень дисперсности частиц выделяющегося карбоната кальция. Система вода – карбонат кальция получается устойчивой на стадии микрокристаллов, не оседающих из потока движущейся жидкости.

Однако применение противонакипной магнитной обработки воды в настоящее время требует предварительных экспериментов для выбора оптимальных условий омагничивания воды данного состава. Такое положение вызвано прежде всего тем, что механизм действия электромагнитных полей на растворы различного состава не изучен и какие-либо количественные закономерности не найдены. Не выяснен также механизм образования зародышей кристаллов в воде после магнитной обработки.

Изложенная точка зрения на магнитную обработку природных вод вытекает из ряда экспериментальных исследований МЭИ и является в настоящее время пока единственной попыткой наиболее полного объяснения влияния магнитного поля на воду исходя из предположения, что в обрабатываемой воде присутствуют ферромагнитные окислы железа, определяющие результативность магнитной обработки как противонакипного способа водоподготовки.

6.2 Практическое применение магнитной обработки в теплосетях с непосредственным водоразбором

Практикой эксплуатации действующих промышленных магнитных установок выявлено, что магнитная обработка как способ противонакипной защиты водогрейного оборудования теплофикационных систем с непосредственным водоразбором эффективна при использовании природных вод общей минерализованностью не выше 500 мг/дм³, карбонатной и общей жесткостью до 4 ммоль/дм³.

Рис. 6.1. Схема магнитной обработки добавочной воды с предварительной коагуляцией и осветлением:

1 – насос для подачи исходной воды; 2 – смеситель; 3 – насос-дозатор коагулянта; 4 – воздухо- и грязеотделитель; 5 – контактные осветлители КО-2; 6 – бак осветлённой воды; 7 – насос для подачи осветлённой воды; 8 – электромагнитные аппараты ВТИ; 9, 10 – подогреватели I и II ступеней; 11 – деаэратор; 12 – подпиточный насос; I – исходная вода; II – раствор коагулянта; III – подпиточная вода

Магнитная обработка является одной из стадий в общей технологической схеме подготовки подпиточной воды; выбор остальных стадий очистки производится с учетом качества исходной воды. Если она поступает из открытого водоема, схема подготовки подпиточной воды включает коагуляцию и осветление с последующей магнитной обработкой и термической деаэрацией. Такая схема водоподготовки осуществлена, например, на Саратовской ГРЭС (рис. 6.1).

Необходимость в предварительной очистке обусловлена требованием доведения исходной воды до качества, соответствующего СанПиН 2.1.4.559-96 «Вода питьевая» по таким показателям, как цветность и мутность, без чего вода не может быть направлена потребителям. Согласно данным Института санитарии и гигиены им. Эрисмана, для хозяйственно-бытовых целей допускается вода, обработанная магнитным полем напряженностью до 16∙10⁴ А/м. Если исходной служит водопроводная вода, то схема подготовки подпиточной воды значительно упрощается и включает только магнитные аппараты и термический деаэратор. Упрощенная схема (рис. 6.2) длительное время эксплуатировалась на Астраханской ТЭЦ.

Рис. 6.2. Схема магнитной обработки добавочной воды без предварительной очистки:

1 – электромагнитные аппараты ВТИ; 2, 3 – подогреватели I и II ступеней; 4 – деаэратор; 5 – подпиточные насосы; 6 – бак запаса деаэрированной воды; I – исходная вода; II – подпиточная вода

Объективно эффективность применения любой схемы водоподготовки, в том числе и схем, включающих магнитную обработку, оценивается отсутствием накипи на рабочих поверхностях всех видов оборудования и трубопроводов теплосети. Присутствие карбоната кальция в нагретой воде в виде тонкодисперсной взвеси требует внимательной и умело организованной эксплуатации вспомогательного оборудования.

Поверхность нагрева теплообменников, подогревающих воду перед деаэратором до 90 °С (поз. 9 и 10 на рис. 9.13, поз. 2 и 3 на рис. 9.14), будет чистой, если их трубки не будут корродировать. В этих подогревателях трубки должны выполняться из металлов, устойчивых против кислородно-углекислотной коррозии, усиливающейся присутствием в исходной воде хлоридов и сульфатов. Если на поверхности латунных трубок подогревателя появляется шероховатость вследствие обесцинкования, то на них оседает взвесь карбоната кальция; с течением времени образуются бугорки, постепенно соединяющиеся в единый слой накипи.

В схемах с магнитными аппаратами целесообразно использовать термические деаэраторы атмосферного, типа, оборудованные барботажным устройством ЦКТИ. В них исключается зарастание спекшимся карбонатным шламом нижней поверхности последней деаэраторной тарелки, обращенной к потоку пара. Основная часть пара в деаэраторе этого типа поступает в барботажное устройство, находящееся в водяном объеме деаэратора, где прикипания карбонатной взвеси обычно не наблюдается. Некоторое количество укрупнившихся частиц, успевающих осесть на стенках бака за время пребывания в нем воды, не мешает нормальной работе деаэратора. Крупные частицы, осевшие на дно в барботажной камере и баке, необходимо периодически удалять путем продувки нижних точек деаэраторного бака.

Длительные эксплуатационные наблюдения показывают, что качество подпиточной воды после термического деаэратора в схемах с омагничиванием отвечает нормам, а именно: свободная углекислота отсутствует, содержание кислорода укладывается в пределы 10–20 мкг/дм³, а мутность составляет 1,5–2,5 мг/дм³. Концентрация взвеси, состоящей из карбоната кальция и окислов железа (при учете частиц размером более 1 мкм), не превышает 2–3 мг/дм³. Эти данные получены на промышленных установках, показатели исходной воды которых по минерализованности не превышают указанного выше предела. Многочисленные анализы подпиточной и сетевой воды на содержание взвеси дают значения одного порядка, что подтверждает отсутствие оседания взвеси из движущейся воды в теплообменниках, магистральных трубопроводах и в разводящей абонентской сети. Данные осмотров оборудования и теплосети согласуются с этими наблюдениями.

В теплофикационных установках с большим разбором горячей воды имеются запасные баки деаэрированной подпиточной воды для покрытия пиковых нагрузок. В случае пребывания воды в запасном баке в течение 12–24 ч следует ожидать укрупнения и выделения некоторого количества карбонатной взвеси на стенках бака. Равномерно покрывая поверхность бака, она защищает его от кислородной коррозии. Трудностей в эксплуатации подобное покрытие не создает, а при дренировании бака легко удаляется механически путем несильного постукивания.

Эффективность той или иной комбинированной схемы водоподготовки зависит от степени налаженности каждой стадии очистки в отдельности. Магнитная обработка не может исправить или ликвидировать огрехи неналаженного режима, работы предварительной очистки. Имевшиеся на водоочистке Саратовской ГРЭС нарушения режима предварительной очистки, особенно в паводковый период, приводили к образованию отложений на тарелках деаэратора. После устранения нарушений в работе предварительной очистки была обеспечена безнакипная работа всего водогрейного оборудования.

Для снижения мутности и цветности воды можно использовать контактные осветлители КО-2, впервые прошедшие промышленное испытание в схеме подготовки добавочной воды на Саратовской ГРЭС.

В качестве контактного осветлителя может быть взят обычный Н-катионит-ный фильтр, в нижней части которого монтируется трубчатое дренажно-распределительное устройство с отверстиями диаметром 10 мм. Поверх труб укладываются слои гравия, на которые насыпается кварцевый песок. В слое песка на глубине 250–300 мм помещается верхний водоотводящий коллектор со щелевыми колпачками. Для удаления из воды пузырьков воздуха и грубых механических примесей перед контактным осветлителем должен быть включен воздухогрязеотделитель.

Контактный осветлитель КО-2, загруженный кварцевым песком (подстилочный материал – гравий), имеет следующие технические данные:

Крупность зерен материала, мм:

фильтрующего 0,5–2,0

подстилочного 2–30

Расход коагулянта, ммоль/дм³ 0,05–0,5

Продолжительность взрыхления, мин 20–30

Интенсивность взрыхления, дм³/(см²) 10–12

Скорость фильтрования при мутности исходной воды, м/ч:

до 100 мг/дм³ 7–10

выше 100 мг/дм³ 5

Оптимальная температура исходной воды, °С 20–25 (не

ниже 3–5)

Расход воды на промывку фильтрующего материала, м³/м³ 4,5–5,0

Для противонакипной магнитной обработки воды применяются электромагнитные аппараты (ЭМА) конструкции СКВ ВТИ, изготовляемые Чебоксарским электромеханическим заводом «Энергозапчасть». Они удобны тем, что имеют широкий диапазон магнитной напряженности в рабочем зазоре, легко настраиваются на воду любого качества и надежны в эксплуатации.

В настоящее время выпускаются аппараты производительностью 15, 25 и 50 т/ч.

Электромагнитный аппарат (рис. 9.15) состоит из цилиндрического корпуса 1 (наружный магнитопровод) и сердечника 2 (внутренний магнитопровод), на который надеты намагничивающие катушки 3. Они помещены в кожух 4 из немагнитного металла, который заполнен трансформаторным маслом для охлаждения и изоляции. Корпус и кожух образуют рабочий кольцевой зазор 5, по которому проходит обрабатываемая вода. Стрелки указывают направление магнитных силовых линий. Катушки аппарата питаются через выпрямитель постоянным током. Концы обмотки катушек выведены на зажимы 8 и закрыты крышкой 7.

Кроме аппаратов конструкции СКБ ВТИ завод «Энергозапчасть» освоил выпуск аппаратов АМО-25-У4 производительностью 25 т/ч.

Через магнитные аппараты должен проходить весь поток воды, добавляемой в сеть и покрывающей расходы на горячее водоснабжение и потери в сети. В случае надобности можно устанавливать несколько параллельно работающих групп аппаратов, включая в каждую группу не более четырех аппаратов. При пуске аппарата экспериментально определяется его рабочая кривая, характеризующая зависимость напряженности магнитного поля в рабочем зазоре от силы тока в обмотке. Затем осуществляется с использованием кристаллооптического метода контроля предварительная настройка аппарата на обработку воды данного качества.

Магнитная обработка при подготовке воды для тепловых сетей с непосредственным водоразбором хорошо зарекомендовала себя на установках, в которых в качестве основных нагревателей используются скоростные сетевые подогреватели. В теплофикационных схемах с водогрейными котлами применение магнитной обработки, вероятно, будет менее надежным. В связи с переходом на использование мазута в качестве топлива для этих котлов в конвективных и экранных трубах водогрейных котлов зафиксировано явление «поверхностного кипения», что исключает возможность применения метода магнитной обработки.

Рис. 6.3. Электромагнитный аппарат для противонакипной обработки воды, разработанный СКБ ВТИ:

1 – корпус; 2 – сердечник (внутренний магнитопровод); 3 – намагничивающая катушка; 4 – кожух; 5 – рабочий зазор; 6 – сетка; 7 – крышка; 8 – зажимы; I – вход воды; II – выход воды

Принципиально конструкция этих аппаратов не отличается от конструкции аппаратов ЭМА. В аппаратах АМО-25 уменьшено количество намагничивающих катушек, что позволило снизить их массу и стоимость. Технические данные аппаратов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Технические данные электромагнитных аппаратов

Технические данные	ЭМА-15	ЭМА-25	ЭМА-50	АМО-25-У4
Производительность по воде, т/ч:
номинальная	15	25	50	25
максимальная	25	45	80	30
минимальная	10	20	35	20
Количество катушек, шт.	4	6	6	1
Скорость воды в рабочем зазоре, м/с	1,15	1,15	1,3	1,2
Сечение для прохода воды, см2	36,5	60,0	105,4	56∓5 %
Максимальная напряженность магнитного поля в рабочем зазоре, А/м	16∙104	16∙104	16∙104	24∙104
Время пересечения водой магнит-ного поля (под одним полюсом), с	0,026	0,026	0,023	0,026
Рабочее давление, Па	6∙105	6∙105	6∙105	6∙105
Масса аппарата, кг	115	213	228	75