Расчет расхода подпиточной воды для водоохлаждающего (циркуляционного) контура мокрой градирни

Тихонов И.А.

Расход подпиточной воды для мокрой градирни определяется химическим составом подпиточной воды.

Отвод тепла в мокрой градирне происходит за счет испарения части воды водоохлаждающего контура градирни. В результате испарения тепло отводится от охлаждающей воды. Данный процесс с точки зрения теплопередачи является высокоэффективным. Но что происходит с химическим составом воды в мокрой градирне?

Происходит следующий процесс. В результате контакта капель или пленки воды стекающей по поверхности оросителя с воздухом, прогоняемым через градирню, из воды удаляется углекислота. В воздухе содержится около 0,4-0,5 мг/л углекислого газа. Соответственно в процессе контакта достигается равновесие по углекислоте между воздухом и водой. Для подавляющего большинства поверхностных и подземных вод значение углекислого газа в них равное 0,5 мг/л будет соответствовать значению рН выше 8,0. Поэтому для эффективно работающих мокрых градирен рН воды контура градирни должен быть выше 8,0. Для гидрокарбонатных вод значение рН будет возрастать до 8,5. Более того если значение рН воды в контуре градирни ниже 8,0 значит процесс испарения воды и соответственно отвода тепла проходит недостаточно эффективно, и градирня не обеспечивает высокую эффективность процесса охлаждения воды. Это не относится к тем градирням где в контур дозируется кислота.

В результате получается следующая ситуация. Даже имея незначительные концентрации кальция и бикарбоната вода контура градирни будет иметь склонность к отложению карбоната кальция, т.к. углекислота поддерживающее углекислотное равновесие в подпиточной (исходной) воде не может обеспечить данное равновесие в контуре (потому что она отгоняется в градирне с воздухом). Фактически это говорит о том, что в 99% случае в контуре водоохлаждающего устройства будет происходить выделение твердого карбоната кальция. Данная ситуация усугубляется тем, что значение рН воды в контуре слишком низкое (8,0-8,5) чтобы обеспечить выделение карбоната кальция в шлам. Для этого требуются значение рН более 11,0. Поэтому практически весь карбонат кальция будет равномерно откладываться на трубопроводах, теплообменной аппаратуре и в большей степени на оросителе градирни.

Данная ситуация решается тем, что большинство производителей градирен указывают, что индекс Ланжелье должен быть не более 1,0. В этом случае возможно применение ингибиторов солеобразования. В любом случае при таком значении индекса насыщение возможна вполне эффективная работа с периодическими запланированными кислотными промывками теплообменного оборудования. Важно при выборе оборудования учесть хотя бы 10% запас по тепловой мощности градирни и теплообменников.

Второй важный показатель качества воды контура градирни — это сухой остаток или солесодержание, или минеральный остаток. Формально эти показатели немного различаются, но для градирни можно принять их одинаковыми по смыслу. Данный параметр устанавливается производителями градирен примерно на отметке 2100 мг/л. Этот параметр говорит о том во сколько раз воду в градирне можно упарить.

Получается, к примеру, что если солесодержание исходной воды 400 мг/л, то кратность упаривания в контуре градирни составит 2100/400=5,25. Солесодержание воды контура градирни увеличится в 5,25 раза по сравнению с подпиточной водой. Соответственно увеличится в пять раз концентрация каждого иона. Таким образом подпиточную воду необходимо готовить таким образом, чтобы увеличение концентрации ионов не приводило в контуре градирни к активному осадкообразованию карбоната кальция.

Сейчас я писал довольно очевидные вещи, чтобы подвести к одному очень интересному выводу – при каком химическом составе исходной воды обратноосмотическое обессоливание подпиточной воды для градирни становится выгодным и даже необходимым. Дело в том, что при обратноосмотическом обессоливании воды образуется достаточно большое количество сбросных вод. Фактически подпитывая контур градирни напрямую (без обратного осмоса) эта же вода сбрасывается в канализацию, только уже непосредственно из градирни.

Тем не менее обратный осмос дает преимущества того, что кратность циркуляции в контуре градирни может достигать достаточно больших значений. Поэтому сброс воды с градирни в случае использования обратного осмоса будет минимален. При этом реагенты для контроля осадка будут тратиться только в установку обратного осмоса. Поэтому еще одно преимущество в том, что обратный осмос требует меньше реагентов для контроля осадкообразования при прочих равных условиях чем расход реагентов напрямую в циркуляционный контур градирни.

Что же лучше, обессолить воду перед градирней или сбрасывать больше воды из градирни?

На рисунке 1 представлена схема работы мокрой градирни.

Рисунок 1.

Исходная вода с солесодержанием 400 мг/л поступает в чашу градирни. Вода из чаши градирни нагревается в теплообменнике и поступает на орошение в градирню. В результате орошения часть воды испаряется и отводится тепло от воды. Для восстановления испарившейся воды градирня подпитывается исходной водой. Очевидно, что конденсат испарившейся воды будет иметь солесодержание близкое к нулю. Соответственно, в градирне будут накапливаться соли, т.к. солесодержание подпиточной воды не равно нулю. Установим предел солесодержания воды контура градирни или продувочной воды равный 2100 мг/л. Составим материальный баланс градирни по солесодержанию в расчете на 1 тонну испаренной воды. Получаем,

(X+1) * TDS_(source)= X * TDS_(purge) + 1 * TDS_(vapor)

Где,

1 – одна тонна испаренной в градирне воды, т.

Х – расход (доля) продувочной воды, образовавшейся при испарении 1 тонны воды в градирне, т

 TDS_(source) – солесодержание исходной (подпиточной) воды, мг/л.

TDS_(purge) – солесодержание продувочной воды, мг/л.

TDS_(vapor) = 0 — солесодержание конденсата выпара градирни, мг/л.

В результате преобразования получаем,

Используя эту формулу рассчитаем расход подпиточной воды при условии, что солесодержание исходной воды равно 400 мг/л и солесодержание продувочной воды равно 2100 мг/л.

Получаем,

Х=400/(2100-400) = 0,235 или 0,235*100% = 23,5 %.

Получается, что на 1 тонну выпара мы должны сбросить с продувкой 235 литров воды или 23,5 % от одной тонны.

В результате расход подпиточной (исходной) воды будет равен

Х+1 = 0,235+1=1,235 т

Как мы видим, если в данном случае использовать предварительное обратноосмотическое обессоливание исходной воды, то, т.к. расход концентрата осмоса будет около 30% от исходной воды, расход подпиточной воды с учетом осмоса будет равен 1,3 т.

В данном случае экономии воды не наблюдается. И это при том, что даже в случае подпитки градирни осмотической водой кратность циркуляции вряд ли удастся сделать выше 10. Т.е. в любом случае на 1 тонну выпара необходимо будет слить 100 кг продувки.

В таблице 1 представлен расчет расхода подпиточной воды в зависимости от солесодержания исходной воды.

В качестве исходных данных было принято, что в градирне испаряется 10 т/час (V_выпар) воды. Тепловая мощность такой градирни около Q=6 МВТ. Для каждого солесодержания исходной воды был рассчитан процент продувки в зависимости от испаряющейся 10 т/ч воды в градирне (Х). При условии того, что в градирне продувка не может быть менее 10 % в столбце «Х (реал)» представлен реальный процент продувки. Затем рассчитан расход продувочной воды теоретический и реальный (V_продув; V_пр(р)) и расход подпитки теоретический и реальный (V_подпит; V_под(р)). В последнем столбце представлена экономия или перерасход по потреблению воды градирней в случае применения обратного осмоса для подготовки воды перед градирней. Принято, что расход концентрата с осмоса составит 30 % от расхода исходной воды.

Таблица 1

TDS(source)	TDS(purge)	X	X (реал)	Q	V выпар	V продув	V пр (р)	V подпит	V под (р)	Экономия
мг/л	мг/л	%	%	мВт	т/ч	т/ч	т/ч	т/ч	т/ч	т/час
20	2100	0,962	10	6,11	10	0,096154	1	10,09615	11	-4,7
50	2100	2,439	10	6,11	10	0,243902	1	10,2439	11	-4,7
100	2100	5	10	6,11	10	0,5	1	10,5	11	-4,7
200	2100	10,53	10,52	6,11	10	1,052632	1,052	11,05263	11,052	-4,648
400	2100	23,53	23,53	6,11	10	2,352941	2,353	12,35294	12,353	-3,347
600	2100	40	40	6,11	10	4	4	14	14	-1,7
800	2100	61,54	61,53	6,11	10	6,153846	6,153	16,15385	16,153	0,453
1000	2100	90,91	90,9	6,11	10	9,090909	9,09	19,09091	19,09	3,39
1200	2100	133,3	133,33	6,11	10	13,33333	13,333	23,33333	23,333	7,633
1400	2100	200	200	6,11	10	20	20	30	30	14,3
1600	2100	320	320	6,11	10	32	32	42	42	26,3
1800	2100	600	600	6,11	10	60	60	70	70	54,3
2000	2100	2000	2000	6,11	10	200	200	210	210	194,3

На рисунке 2 представлены графики расхода подпитки и экономии/перерасхода воды в зависимости от солесодержания исходной воды.

Как мы можем видеть, до солесодержания исходной 750 мг/л, в случае применения обратного осмоса, будет наблюдаться только перерасход воды на градирню. При солесодержании выше чем 750 мг/л начинает появляться экономия воды. И при солесодержании около 1000 мг/л экономия, при применении обратного осмоса, составит около 3,5 т/час (для градирни Q = 6,0 МВТ). В зависимости от стоимости исходной воды плюс стоимости утилизации сточной воды, а также числа часов работы оборудования в год может получится значительная сумма средств «слитых в трубу». В данном случае применение обратного осмоса в зависимости от стоимости воды и числа часов работы может быть оправдано. Необходимо еще учесть, что контролировать процесс образования осадка проще на обратном осмосе чем в контуре градирни. Тем более что в контуре градирни будет требоваться значительно большая концентрация реагентов и соответственно расход реагентов, т.к. индекс Ланжелье в контуре значительно выше, чем по линии концентрата в установке обратного осмоса.

Рисунок 2

При солесодержании исходной воды 1500 мг/л применение обратного осмоса является просто необходимостью продиктованной здравым смыслом.

С уважением

Иван Тихонов

06.06.2021 г.