XỬ LÝ NƯỚC NỒI HƠI TÀU THỦY

Trong quá trình đó nếu nớc nồi hơi lẫn nhiều tạp chất thì mật độ các tạp chất sẽ tăng dần lên, chúng sẽ đọng dới đáy nồi hơi, bám trên các bề mặt trao đổi nhiệt hoặc lơ lửng trên bề mặt

ThS Lê Văn Điểm

nớc nồi hơi và xử lý nớc nồi hơi

1 nớc cấp nồi hơi

I.1 Yêu cầu đối với nớc cấp nồi hơi

Khi hệ thống nồi hơi hoạt động nớc và hơi nớc luôn tuần hoàn trong hệ thống Nớc biến thành hơi tại nồi hơi đợc đa đi sử dụng, sau đó hơi thải lại đợc ngng tụ lại

và đa trở lại nồi hơi Trong quá trình đó nếu nớc nồi hơi lẫn nhiều tạp chất thì mật độ các tạp chất sẽ tăng dần lên, chúng sẽ đọng dới đáy nồi hơi, bám trên các bề mặt trao

đổi nhiệt hoặc lơ lửng trên bề mặt sinh hơi Điều này một mặt sẽ làm giảm năng suất sinh hơi, giảm chất lợng hơi, mặt khác sẽ làm giảm cờng độ trao nhiệt tại các bề mặt trao đổi nhiệt dẫn tới quá nhiệt các bề mặt trao đổi nhiệt này, giảm tuổi thọ thậm chí gây cháy hỏng nồi hơi Vì vậy nớc sử dụng cho nồi hơi phải đảm bảo có độ tinh khiết cao, ít tạp chất, đặc biệt là đối với các nồi hơi ống nớc có ống cong và các nồi hơi thông số cao

Tạp chất trong nớc nồi hơi có thể bao gồm:

1 Các tạp chất vô cơ không hoà tan nh bùn, đất sét, cát, rỉ sắt; các tạp chất hữu cơ

nh xác động vật, thực vật, các loại dầu, chất béo Các tạp chất này có thể kết tủa hoặc không kết tủa Các tạp chất này có thể gây ra hiện tợng bùng sôi, một số loại dầu và chất béo có thể gây ăn mòn

2 Các tạp chất khí hoà tan gồm có ôxy, nitơ, oxít cácbon, trong đó ôxy và oxít cácbon gây ra ăn mòn kim loại

3 Các tạp chất dễ hoà tan thờng là các muối, các hydrôxit

- Các muối calcium bicarbonate (Ca(HCO3)2), magnesium bicarbonate (Mg(HCO3)2) giải phóng khí CO2 khi bị đun nóng và tạo thành các kết tủa mềm có thể xả ra ngoài

- Muối calcium chloride (CaCl) gây đóng cáu cặn nhng thờng tác dụng với MgSO4 sinh ra MgCl gây ăn mòn kim loại

- Calcium nitrate (CaNO3) gây ăn mòn khi xuất hiện với hàm lợng lớn

- Magnesium chloride (MgCl) gây đóng cáu cặn và ăn mòn kim loại mạnh

- Magnesium sulphate (MgSO4) ăn mòn kim loại mạnh khi tác dụng với các muối chloride

- Magnesium nitrate MgNO3 gây đóng cáu cặn và ăn mòn

- Sodium chloride (NaCl) gây bùng sôi khi suất hiện với mật độ lớn

4 Các tạp chất khó hoà tan bao gồm:

- Calcium carbonate (CaCO3) sinh ra cáu cặn mềm và bùn

- Calcium sulphate (CaSO4) sinh ra cáu cặn cứng ảnh hởng tới sự trao nhiệt

- Magnesium carbonate (MgCO3) sinh ra cáu cặn và có thể gây bùng sôi

- Silicic acid tác dụng với calcium, sodium, magnesium tạo thành cáu cặn

ảnh hởng tới sự trao nhiệt

- Các muối nhôm, sắt và các hydroxit sắt sinh ra bùn và gây bùng sôi, giảm chất lợng nớc nồi hơi

Dới đây liệt kê một số tác hại do tạp chất trong nớc nồi hơi gây ra

- Cáu cặn bám trên các bề mặt trao nhiệt làm giảm cờng độ trao nhiệt dẫn tới giảm hiệu suất sinh hơi, tăng nhiệt độ khói lò, tăng chi phí nhiên liệu

- Cáu cặn làm cho cờng độ trao nhiệt kém dẫn tới quá nhiệt các bệ mặt trao nhiệt, giảm tuổi thọ nồi hơi

- Một số khí hoà tan trong nớc đặc biệt là oxy gây ăn mòn kim loại

- Tạp chất nổi trên bề mặt bốc hơi làm giảm cờng độ bay hơi, giảm chất l-ợng hơi hoặc gây ra hiện tl-ợng bùng sôi

I.2 Tiêu chuẩn nớc cấp nồi hơi

Để giảm các tác hại do tạp chất trong nớc nồi hơi gây ra cần phải khống chế hàm lợng các tạp chất trong nớc cáng nhỏ càng tốt, đặc biệt là đối với các nồi hơi có

áp suất, nhiệt độ cao Các giá trị hàm lợng tạp chất cho phép trong nớc nồi hơi cũng khác nhau tuỳ theo kiểu loại nồi hơi và chỉ nên coi là các giá trị tham khảo Việc kiểm tra thờng xuyên chất lợng nớc nồi hơi là cần thiết để kịp thời điều chỉnh chất l-ợng nớc Dới đây chỉ ra tiêu chuẩn của nớc cấp nồi hơi và nớc nồi hơi theo tiêu chuẩn của Nhật bản đang đợc sử dụng trên các tàu thủy hiện nay

nớc ngng tụ Nớc chng cất vànớc ngng tụ Nớc cấp

-Nớc nồi

hơi

Trong đó một số tiêu chuẩn đợc định nghĩa nh sau

- Độ pH: là lợng ion H+ trong nớc Nớc đợc coi là trung tính khi có độ pH bằng 7 Nếu pH lớn hơn 7, nớc có tính kiềm Ngợc lại khi pH nhỏ hơn 7, nớc có tính axit

- Độ cứng: đợc định nghĩa là lợng Ca và Mg có trong nớc quy đổi ra CaCO3 Nếu trong 1 lít nớc có 1 mg CaO, với phân tử lợng của CaO là 56; của CaCO3 là 100, lợng Ca quy đổi ra CaCO3 là 1.56/100 = 0.56 ppm Độ cứng

đợc chia ra độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu Độ cứng tạm thời là l-ợng muối bicarbonate của Ca và Mg (CaHCO3, MgHCO3) Các muối này

sẽ bị phân hủy thành CaCO3, MgCO3 kết tủa dới dạng cáu bùn dễ dàng xả

ra ngoài Độ cứng vĩnh cửu là tổng các muối cứng khác ngoài các muối cứng tạm thời kể trên Các muối này có thể là MgSO4, CaSO4, MgCl2, CaCl2, MgSiO3, CaSiO3, v.v., các muối này rất khó loại trừ và gây ra cáu cặn trong nồi hơi

- Hàm lợng ion chloride: là lợng ion Cl trong các muối MgCl2, NaCl, CaCl2 Thành phần này cùng với nớc gây ra ăn mòn Hàm lợng Cl còn đợc dùng

để xác định lợng cặn khô

2 ảnh hởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi

ảnh hởng của tạp chất gây ra cho nồi hơi có thể chia ra làm ba loại: gây cáu cặn; ăn mòn; và tạp chất cuốn theo hơi Dới đây sẽ chỉ ra cơ chế gây ra các hiện tợng trên

2.1 Cơ chế hình thành cáu cặn

Cơ chế hình thành cáu cặn có sự khác biệt đối với nồi hơi thấp áp và nồi hơi cao áp Đối với nồi hơi thấp áp, nớc sử dụng cho nồi hơi thờng là nớc công nghiệp, nớc đợc làm mềm hoặc nớc chng cất ở đây các chất gây ra sự hình thành cáu cặn

chủ yếu là các thành phần cứng và silica Khi các thành phần cứng và silica hoà tan trong nớc đợc cấp vào nồi hơi dới tác dụng của nhiệt độ cao và các phản ứng hoá học chúng phân rã thành các chất không hoà tan bám lên các bề mặt trao nhiệt Thêm vào đó tại nơi tiếp xúc với các bề mặt trao nhiệt có nhiệt độ cao các thành phần có khả năng hoà tan kém kết tủa và bám lên các bề mặt trao nhiệt khi có hàm l ợng lớn hơn hàm lợng bão hoà Các lớp cáu cặn này có khả năng dẫn nhiệt rất kém (khoảng 0.2 - 1kcal/m.h.0C) không chỉ làm giảm hiệu suất nhiệt mà còn gây quá nhiệt cục bộ làm giòn hoặc cháy hỏng các bề mặt trao nhiệt

Để giảm sự đóng cáu cặn nồi hơi cần phải kiểm soát chất lợng nớc nồi hơi bằng các biện pháp sau:

- Xử lý loại trừ các thành phần cứng bằng các bộ làm mềm nớc

- Sử dụng các hoá chất xử lý nớc và hoà tan cặn

- Kiểm soát chặt chẽ hàm lợng các tạp chất

Đối với các nồi hơi cao áp, tải nhiệt càng cao thì khả năng đóng cáu cặn càng tăng Vì vậy những nồi hơi này thờng sử dụng nớc chng cất là nớc có chất lợng cao Khi đó các chất gây đóng cáu cặn thờng là các thành phần mang theo từ nớc cấp và nớc ngng tụ nh các oxit sắt và các chất nh đồng, nikel, kẽm và hợp kim của chúng Các thành phần này lẫn vào nớc cấp do ăn mòn tại các thiết bị sử dụng trong hệ thống nh đờng ống, bầu ngng Cáu cặn hình thành từ các oxit sắt có hệ số dẫn nhiệt nhỏ (khoảng 1 kcal/m.h.0C) làm giảm cờng độ trao nhiệt, giảm tuổi thọ nồi hơi Để giảm tác hại do cáu cặn gây nên ở nồi hơi cao áp cần thực hiện các biện pháp sau:

- Cần giảm tối đa lợng tạp chất mang theo từ nớc cấp và nớc ngng bằng cách sử dụng các biện pháp xử lý nớc cấp nồi nh độ pH, các chất loại bỏ sắt

- Định kỳ kiểm tra các bề mặt trao nhiệt tại những nơi có tải nhiệt cao, xem xét mức độ đóng cáu cặn để áp dụng các hoá chất tẩy rửa phù hợp

2.2 Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt

Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp

Cơ chế ăn mòn ở nồi hơi thấp áp và nồi hơi cao áp cũng khác nhau ở nồi hơi thấp áp các tác nhân gây phản ứng ăn mòn bao gồm độ pH, lợng khí O2, CO2 hoà tan; các chất hoà tan khác; mật độ các chất hoà tan; nhiệt độ; tốc độ chảy Tuy nhiên các tác nhân chính gây ăn mòn ở nồi hơi thấp áp là các khí hoà tan và độ pH

Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp có thể chia ra ba vùng: ăn mòn trên đờng nớc cấp; ăn mòn trong nồi hơi; và ăn mòn trên đờng nớc ngng

Ăn mòn trên đờng nớc cấp thờng là ăn mòn điện hoá Nếu nớc cấp nồi là

trung tính hoặc có tính kiềm nhng chứa các khí hoà tan nh oxy thì kim loại sẽ bị ăn mòn theo các phản ứng sau:

Fe  Fe2+ + 2e

H2O + 1/2O2 + 2e  2OH

-Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2

Hydroxit sắt hai tạo ra sẽ tác dụng tiếp với oxy hoà tan để tạo thành hydroxit sắt ba Fe(OH)3 còn đợc gọi là rỉ vàng và phản ứng cứ thế tiếp tục

Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4 Fe(OH)3

Ăn mòn bên trong nồi hơi ở các nồi hơi thấp áp gây ra bởi lợng oxy hoà tan

hoặc chất gây ăn mòn khác Nếu do lợng oxy hoà tan, cơ chế ăn mòn nh sau:

Bình thờng bề mặt kim loại đợc bao phủ bởi một lớp oxit sắt nh là lớp màng bảo vệ Nếu do lý do nào đó lớp màng này bị phá vỡ (do chất lợng nớc kém, ứng suất nhiệt), bề mặt thép sẽ tiếp xúc với nớc và các phân tử sắt bị oxy hoá thành ion sắt

Fe2+ Nếu trong nớc có oxy, sắt sẽ bị ăn mòn nh các phản ứng đã chỉ trên Hydroxit sắt tạo thành sẽ bám lên bề mặt bị ăn mòn Khi đó nồng độ oxy tại bề mặt bị ăn mòn

sẽ nhỏ hơn nồng độ oxy ở các vùng lân cận và sẽ hình thành 'pin nồng độ oxy' cục

bộ ở vùng có nồng độ oxy cao có trữ lợng điện cao hơn và các phân tử sắt ở vùng tiếp xúc với nớc có nồng độ oxy thấp sẽ bị ăn mòn Còn ở vùng có nồng độ oxy cao

sẽ có phản ứng sau:

2H+ + 2e = H2

H2 + 1/2O2 = H2O Hình dới mô tả cơ chế ăn mòn trong nồi hơi

Khi trong nớc nồi hơi có các chất gây ăn mòn nh oxit sắt, oxit đồng, chúng

lắng đọng ở các vùng kém tuần hoàn và dới đáy nồi hơi và bám thành cáu cặn trên

các bề mặt trao nhiệt có tải nhiệt cao Điều này gây ra ăn mòn do sự hình thành 'pin

nồng độ oxy' nh đã nói trên

Ăn mòn trên đờng nớc ngng thờng gây ra do sự xuất hiện của oxit cácbon Khi

trong nớc cấp nồi hơi có các muối carbonate và bicarbonate, chúng sẽ bị phân rã dới

tác dụng của nhiệt độ cao sinh ra khí oxit cacbon

2NaHCO3  Na2CO3 + H2O+ CO2

Na2CO3 + H2O  2NaOH + CO2

Khí oxit cacbon này theo hơi nớc và cuối cùng hoà tan vào nớc ngng tạo

thành carbonic acid (H2CO3)

CO2 + H2O  H2CO3

H2CO3 = H++ HCO3

-HCO3- = H+ + CO3

2-Axit này ăn mòn kim loại nh sau:

Fe + 2 H2CO3  Fe(HCO3)2 + H2

Nếu trong nớc ngng có oxy thì,

Fe(HCO3)2 + 1/2O2  Fe2O3 + 4CO2 + 2H2O

Để tránh ăn mòn cần áp dụng các biện pháp sau:

- Sử dụng các bộ khử khí để loại trừ các khí không hoà tan, đặc biệt là oxy

trong nớc cấp

- Kiểm soát độ pH và hàm lợng kiềm trong nớc chặt chẽ

- Tránh các chất gây ăn mòn lẫn trong nớc bằng cách khai thác hợp lý các

thiết bị phụ

Ăn mòn ở nồi hơi cao áp

Ăn mòn trên đờng nớc cấp: ở nồi hơi cao áp thờng sử dụng nớc chng cất làm

nớc cấp và áp dụng bộ khử khí nên ăn mòn trên đờng nớc cấp là rất ít do nhiệt độ nớc

cấp khá thấp Tuy nhiên phần hệ thống sau bộ khử khí có nhiệt độ cao hơn có thể bị

ăn mòn nếu khai thác bộ khử khí không hợp lý hoặc xử lý nớc không tốt Để giảm ăn

mòn trên đờng nớc cấp cần phải làm tốt việc xử lý nớc cấp nhằm điều chỉnh độ pH,

lợng oxy hoà tan, và các tạp chất rắn gây ăn mòn

Ăn mòn trong nồi hơi có thể do lợng oxy hoà tan, các tạp chất rắn hoặc do

hàm lợng kiềm cao

Vì nồi hơi cao áp sử dụng nớc chng cất có qua bộ khử khí nên thờng ít xảy ra

ăn mòn do lợng oxy hoà tan Tuy nhiên ăn mòn thờng xảy ra ở thời gian khởi động

hay khi tải nồi hơi thấp vì khi đó hoạt động của bộ khử khí bị hạn chế Để giảm hiện

tợng ăn mòn này nên điều chỉnh độ pH của nớc nồi hơi tăng lên khi khởi động hoặc

ở chế độ nhỏ tải vì sự ăn mòn giảm khi độ pH tăng Đồng thời tăng liều lợng hoá

chất xử lý ôxy hoà tan

Cơ chế gây ăn mòn do lợng kiềm cao nh sau: nếu có bề mặt trao nhiệt nào đó

bị quá nhiệt do tải nhiệt cao, tại đó các tạp chất có khả năng hoà tan thấp lắng đọng

trên bề mặt, còn các tạp chất dễ hoà tan nh NaOH tập trung xung quanh Khi mật độ

của chúng đạt xấp xỉ 20% thì quá trình ăn mòn kim loại xảy ra mạnh theo phản ứng

sau:

Fe + 2NaOH  Na2FeO2 + H2

3Na2FeO2 + 4H2O  6NaOH + Fe3O4 + H2

3Na2FeO2 + 3H2O + 1/2O2  6NaOH + Fe3O4

Fe Anode Fe

màng bảo vệ

Fe2+ Cathode Fe2+

Fe Anode Fe

màng bảo vệ

Fe2+ Cathode Fe2+

Các hợp chất kiềm khác nh K3PO4, K2HPO4 cũng gây ăn mòn Để tránh ăn mòn do kiềm gây ra cần xử lý hàm lợng phosphate để trung hoà lợng kiềm d

Ăn mòn do các tạp chất mang vào từ đờng nớc cấp nh nớc biển dò lọt vào nớc cấp diễn ra nh sau: magnesium chloride có trong nớc biển

MgCl2 + 2H2O  Mg(OH)2 + 2HCl 2HCl + Fe  FeCl2 + H2

Hai hợp chất tạo thành lại hoá hợp với nhau giải phóng MgCl2, và quá trình ăn mòn diễn ra lặp đi lặp lại

FeCl2 + Mg(OH)2  MgCl2 + Fe(OH)2

2.3 Hiện tợng tạp chất và các hạt nớc cuốn theo vào hơi

Hiện tợng tạp chất và nớc cuốn theo vào hơi có thể chia làm hai loại: bốc hơi mãnh liệt và bùng sôi

Hiện tợng bốc hơi mãnh liệt xảy ra khi tăng tải tiêu dùng hơi đột ngột dẫn tới

áp suất trong không gian hơi giảm đột ngột làm một lợng nớc bị cuốn theo lẫn vào hơi nớc

Bùng sôi là hiện tợng trong nớc nồi hơi suất hiện bong bóng hơi Các bóng hơi này kéo theo một lợng nớc và các tạp chất cuốn vào hơi nớc Hiện tợng này th-ờng xảy ra khi trong nớc lẫn váng dầu hoặc hàm lợng các tạp chất lơ lửng trên hoặc gần khu vực mặt nớc quá lớn

Các hiện tợng trên gây ra các tác hại sau:

- Gây ra biến động mạnh mức nớc nồi hơi và thờng khó xác định mức nớc nồi trên ống thủy

- Các tạp chất có thể cuốn vào các thiết bị nh van an toàn, ống thủy, thiết bị chỉ báo mức nớc từ xa, ống nối áp kế gây sai số các thiết bị trên

- Một lợng nớc cuốn theo hơi đọng lại trên các đoạn ống, thiết bị gây hiện t-ợng búa nớc (water hammer) làm tắc các ống, thậm chí vỡ ống

- Khi xảy ra bùng sôi mức nớc nồi hơi có thể sụt bất ngờ gây bảo vệ ngắt nồi hơi

- ở các nồi hơi áp suất cao cấp hơi cho tuabin, các tạp chất rắn cuốn theo hơi gây đóng cáu cặn trên cánh tuabin, làm giảm hiệu suất tuabin

Để tránh hiện tợng trên cần chú ý tránh thay đổi tải nồi hơi đột ngột, không khai thác nồi hơi với mức nớc nồi quá cao Đặc biệt cần tuân thủ chặt chẽ quy trình giám sát, xử lý nớc nồi hơi

Khi thấy xảy ra hiện tợng trên cần làm các bớc sau:

- Nếu mức nớc nồi quá cao cần xả bớt để duy trì mức nớc bình thờng

- Đóng van hơi chính sau đó mở từ từ Nếu hiện tợng gây ra do tăng tải nồi hơi đột ngột, cần giảm cờng độ đốt nhiên liệu để mức nớc ổn định sau đó tăng từ từ

- Nếu mật độ tạp chất trong nớc quá cao, cần tăng cờng gạn mặt, xả đáy để giảm mật độ tạp chất

- Kiểm tra lại sự hoạt động của van an toàn, xả nớc đến áp kế, ống thủy để khẳng định sự làm việc bình thờng của chúng

3 xử lý nớc nồi hơi

3.1 Xử lý nớc ngoài nồi hơi

Trong nớc cấp nồi hơi có thể chứa nhiều tạp chất Nếu nớc không đợc xử lý, các tạp chất này sẽ gây rất nhiều tác hại làm giảm hiệu quả khai thác nồi hơi nh đã

đề cập ở phần trớc Xử lý nớc nồi hơi có thể chia ra xử lý dùng thiết bị và xử lý dùng hoá chất Đối với nớc trớc khi cấp vào nồi hơi có thể áp dụng các phơng pháp xử lý sau: lắng nớc, lọc nớc, trao đổi ion, khử khí

Lọc nớc cấp nồi

Nớc cấp nồi hơi thờng bao gồm một lợng nớc mới bổ xung (từ nớc công nghiệp hoặc máy chng cất nớc) còn lại là nớc ngng tụ Trong nớc ngng tụ có lẫn các

tạp chất, còn trong nớc ngng tụ có thể lẫn các tạp chất nh oxit kim loại, dầu Để lọc các tạp chất này trớc khi cấp vào nồi hơi thờng sử dụng thiệt bị lọc trọng lực dới áp suất môi trờng gọi là két vách (cascade tank) mô tả ở hình dới

Khi đi qua két vách, các tạp chất nổi nh váng dầu, nổi lên, tạp chất rắn lắng xuống đáy và đợc giữ lại Nớc sạch đi qua các vách chắn tràn vào phin lọc than, ở

đay một số tạp chất hoà tan bị hấp thụ Sau đó nớc đợc dẫn qua phin lọc tinh để lọc các tạp chất nhỏ trớc khi đợc bơm cấp nớc cấp trở lại nồi hơi

Thiết bị làm mềm nớc

Thiết bị làm mềm nớc thờng sử dụng các chất trao đổi ion nh đá bọt, một số loại nhựa Các chất này thờng đợc ký hiệu chung là R Trao đổi ion có thể chia ra trao đổi ion dơng và trao đổi ion âm nh:

- Trao đổi ion dơng natri: R-Na2,

- Trao đổi ion dơng hydro: R-H2,

- Trao đổi ion dơng âm hydroxit: R-OH, Hình dới đây mô tả mô hình

làm mềm nớc bằng trao đổi ion

Ví dụ phản ứng trao đổi ion

d-ơng natri nh sau:

CaSO4 + R-Na2  R-Ca + Na2SO4 (phản ứng làm mềm) Khi các ion Ca2+ đợc thay thế bởi các ion Na+, có thể dùng NaCl để tái sinh chất trao đổi ion nh sau:

R-Ca + 2NaCl  R-Na2 + CaCl2 (phản ứng tái sinh)

Thiết bị chng cất nớc

Một trong những phơng pháp đảm bảo chất lợng nớc cấp nồi hơi là sử dụng

n-ớc chng cất Thiết bị chng cất trên tàu thủy thờng sử dụng năng lợng thải từ nn-ớc làm mát máy chính để chng cất nớc ngọt từ nớc biển phục vụ cho sinh hoạt và cho các máy móc khác Nớc chng cất từ các thiết bị chng cất hiện đại có chất lợng rất tốt, nồng độ muối thờng nhỏ hơn 1 phần triệu (1ppm) và rất ít các tạp chất có hại nên sử dụng rất tốt cho nồi hơi Chi tiết về thiết bị chng cất nớc ngọt sẽ đợc nghiên cứu trong môn học khác

Thiết bị khử khí

Thiết bị khử khí đợc dùng để loại trừ các khí hoà tan nh oxy, oxit cacbon mà

là các tác nhân chính gây ăn mòn kim loại Thiết bị khử khí áp dụng nguyên lý cơ bản là hàm lợng khí hoà tan trong nớc sẽ bằng không khi nớc ở tại điểm sôi Có thể

có thiết bị khử khí kiểu chân không hoặc thiết bị khử khí kiểu hâm nóng Dới tàu thủy thờng áp dụng thiết bị khử khí kiểu hâm nóng Nớc cấp nồi đợc phun vào buồng khử khí dới dạng tia nớc Nớc này tiếp xúc trực tiếp với hơi nớc phun vào lấy từ nồi hơi tăng nhiệt độ đến nhiệt độ bão hoà (khoảng 105 - 1250C) Nớc đã đợc khử khí có nồng độ khí hoà tan nhỏ hơn 0.007mg/l Khí hoà tan đợc tách ra sẽ thoát ra ngoài mang theo một lợng nhỏ hơi nớc

Mg2+ HCO-3

Ca 2+ Cl

-Na + SO

-4

HCO

-3

Na- Cl-

SO

-4 NaCl

n ớc ng ng

n ớc bổ

xung

tới bơm cấp mặt tách

3.2 Xử lý nớc trong nồi hơi

Việc xử lý nớc ngoài nồi cho dù có đợc thực hiện tốt cũng không thể loại hết các tạp chất có hại Do vậy cần áp dụng xử lý nớc bằng hoá chất

3.2.1 Các loại hoá chất xử lý nớc nồi hơi

Các hoá chất cơ bản dùng để xử lý nớc nồi hơi đợc tóm tắt trong bảng dới Việc xử lý nớc bằng hoá chất nhằm đạt đợc các mục đích sau:

- Các thành phần dễ đóng cáu cặn đợc chuyển thành cặn bùn xả ra ngoài bằng con đờng xả đáy

- Độ pH của nớc nồi hơi đợc điều chỉnh để có nồng độ kiềm phù hợp tránh

ăn mòn

- Loại trừ các khí không hoà tan nh oxy, oxit cacbon tránh ăn mòn

- Loại trừ ăn mòn trên đờng nớc ngng do khí oxit cacbon và oxy

- Tránh các tạp chất lẫn vào hơi đảm bảo chất lợng hơi

Hoá chất điều chỉnh độ pH

và nồng độ kiềm trong nớc

cấp và nớc nồi hơi, tránh

cáu cặn, ăn mòn

Sodium hydroxide Sodium carbonate Sodium phosphate Sodium dihydrogen phosphate Sodium hexametaphosphate Phosphoric acid

Sodium tripolyphosphate Sulfuric acid

NaOH

Na2CO3

Na3PO4

NaH2PO3

(NaPO2)6

H3PO4

H2SO4`

Hoá chất làm mềm: chống

cáu cặn bằng cách làm

mất độ cứng, tạo thành các

chất không hoà tan lắng

xuống đáy

Sodium hydroxide Sodium phosphate Potasium phosphate Sodium hydrogenphosphate Sodium polyphosphate

NaOH

Na3PO4

K3PO4

Na2HPO4

Hoá chất hoà tan cặn: hoà

tan cặn để cặn lắng xuống

và xả ra ngoài tránh đóng

cáu cặn

Synthetic polymer Tannin

Lignin Starch Hoá chất khử khí: khử các

khí hoà tan trong nớc,

tránh ăn mòn

Sodium sulfite Sodium hydrogen sulfite Hydrazine

Saccharoid Tannin

Na2SO4

N2H4

Hoá chất chống bùng sôi Surfactant

Hoá chất chống ăn mòn do

CO2 trên đờng nớc ngng AmmoniaMorpholine

Cyclohexylamine Alkylamine

NH3

3.2.2 Các hoá chất gốc phosphate dùng cho nồi hơi thấp áp

Các hoá chất gốc phosphate xử lý nớc dùng cho nồi hơi thấp áp bao gồm: sodium phospate (Na3PO4); sodium hydrogenphosphate (Na2HPO4); sodium dihydrogenphosphate (NaH2PO4); sodium hexameta phosphate (Na3PO4)6; sodium tripolyphosphate (Na5P3O10); và một số tác nhân kiềm khác nh sodium hydrite (NaOH) Chúng giúp tránh cáu cặn bằng cách tác dụng với các thành phần cứng (Ca2+, Mg2+) để tạo thành các chất hoà tan và giữ cho các tạp chất silica hoà tan

Dới đây trình bày các phản ứng phân hủy các thành phần cứng khi không xử

lý hoá chất và có xử lý phosphate

Khi không xử lý hoá chất:

CaSO4 + Na2CO3  CaCO3(kết tủa) + Na2SO4

Mg(HCO3)2 + SiO2  MgSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O

SiO2 + Ca(HCO3)2  CaSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O

SiO2 + Mg(HCO3)2  MgSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O

Các thành phần CaCO3, CaSiO3, MgSiO3 dễ dàng kết tủa bám trên các bề mặt trao đổi nhiệt tạo thành cáu cặn

Nếu dùng các hoá chất gốc phosphate, sẽ có các phản ứng sau:

10Ca(HCO3)2 + 6Na3PO4 + 2NaOH  [CaCa3(PO4)2]3.Ca(OH)2+10CO2+10H2O 10CaSO4 + 6Na3PO4 + 2NaOH  [CaCa3(PO4)2]3.Ca(OH)2 + 10Na2SO4

Mg(HCO3)2 + 2NaOH  Mg(OH)2 + Na2CO3 + CO2 + H2O

MgCl2 + 2NaOH  Mg(OH)2 + NaCl

SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O

Các sản phẩm tạo thành từ các phơng trình trên đều là những chất hoà tan Trong các phơng trình trên, các chất có gạch chân là các hoá chất sử dụng Các

ph-ơng trình trên cũng cho phép xác định lợng hoá chất cần sử dụng nếu biết hàm lợng các tạp chất trong nớc nồi hơi

3.2.3 Các hoá chất hoà tan cặn bùn

Khi sử dụng hoá chất các chất tạo thành sau phản ứng đều là các chất hoà tan

và đợc xả ra ngoài bằng xả đáy Tuy nhiên một phần nhỏ có thể vẫn lắng đọng trên các bề mặt trao nhiệt, đặc biệt là ở các vùng ít lu động nh đáy nồi hơi Để tránh hiện tợng này ngời ta dùng một số hoá chất hoà tan cặn nh tannin, starch, synthetic polymer

3.2.4 Các chất khử ôxy

Các chất khử ôxy nhằm làm giảm lợng oxy hoà tan, tránh ăn mòn Các hoá chất khử ôxy phổ biến là sodium sulfite (Na2SO3) và hydrazine (N2H4)

Với sodium sulfite phản ứng khử ôxy nh sau:

2Na2SO3 + O2  2Na2SO4

Phản ứng này diễn ra chậm ở nhiệt độ thấp nhng tăng nhanh khi nhiệt độ đạt trên 500C Tuy nhiên sodium sulfite bị phân rã ở nhiệt độ cao tạo thành Na2S và SO2

là các chất gây ăn mòn nồi hơi và đờng nớc ngng Phản ứng phân rã nh sau:

Na2SO3 + H2O  2NaOH + SO2

4Na2SO3  Na2S + 3Na2SO4

Vì vậy sodium sulfite không đợc dùng cho các nồi hơi cao áp

Với hydrazine phản ứng khử ôxy nh sau:

N2H4 + O2  N2 + 2H2O hoặc 6Fe2O3 + N2H4  4Fe3O4 + N2 + H2O

4Fe3O4 + O2  6Fe2O3

Sản phẩm của các phản ứng trên đều là khí nitơ và nớc nên lợng tạp chất rắn hoà tan không tăng Do vậy hydrazine đợc sử dụng rất tốt cho nồi hơi cao áp và cả nồi hơi thấp áp Tuy nhiên ở nhiệt độ khoảng 2200C, hydrazine bị phân hủy theo phản ứng sau:

3N2H4  4NH3 + N2

Sản phẩm ammonia gây ăn mòn các vật liệu đồng sử dụng trong hệ thống và trên đờng nớc ngng Vì vậy cần chú ý không sử dụng quá liều lợng hydrazine

3.2.5 Xả mặt và xả đáy nồi hơi

Khi nồi hơi hoạt động một số tạp chất bị phân hủy dới tác dụng của nhiệt độ hoặc hoá chất xử lý nớc nồi Chúng thờng tồn tại ở dạng cặn bùn lắng dới đáy nồi hơi Các tạp chất này đợc xả ra ngoài qua hệ thống xả đáy Một số tạp chất khác lơ lửng ở khu vực bề mặt bay hơi, nồng độ của chúng tăng dần làm giảm hiệu quả khai thác nồi hơi Để tránh tác hại chúng đợc xả ra ngoài qua hệ thống xả mặt Thông th-ờng hệ thống gạn xả đợc thiết kế để xả định kỳ bằng tay Một số nồi hơi công suất lớn có thể đợc trang bị hệ thống xả tự động Thông thờng công việc gạn xả đợc thực hiện hàng ngày Tuy nhiên tuỳ theo chất lợng nớc nồi hơi mà chu kỳ gạn xả có thể thay đổi cho phù hợp Các bớc cơ bản để gạn xả nh sau:

- Việc tiến hành gạn xả nên thực hiện khi nồi hơi ở tải thấp

- Trớc khi xả cấp nớc nồi hơi đến mức cao

- Thực hiện xả mặt bằng cách mở từ từ van xả mặt đến khi mức nớc nồi giảm xuống mức nớc trung bình

- Cấp nớc cho tới khi đến mức nớc cao

- Thực hiện xả đáy bằng cách mở, đóng các van xả đáy vài lần

- Khi xả nớc nồi chú ý không đợc để mức nớc xuống thấp dới mức nớc báo

động

- Lợng nớc xả ra ở một lần gạn xả nên vào khoảng 150 - 200mm mức nớc (xem ống thủy)

4 hoá nghiệm nớc nồi hơi

Việc xử lý nớc nồi hơi thực chất là kiểm soát hàm lợng một số chất trong nớc nồi hơi trong giá trị cho phép nh: độ pH; hàm lợng kiềm (điều chỉnh hàm lợng kiềm cũng là gián tiếp điều chỉnh độ pH); hàm lợng ion chloride; hàm lợng ion phosphate hàm lợng ion sulfite, hydrazine; hàm lợng silica Để làm đợc điều này trớc hết cần thực hiện hoá nghiệm nớc nồi hơi để xác định hàm lợng các chất cần điều chỉnh, từ

đó quyết định phơng pháp xử lý nớc Dới đây trình bày một số thao tác và một số bài hoá nghiệm cũng nh liều lợng một số hóa chất dùng xử lý nớc Các bài hoá nghiệm này đợc đa ra bởi hãng ashland chemical ameroid và đang đợc áp dụng rộng rãi cho các nồi hơi phụ trên các tàu thủy hiện nay với áp suất làm việc đến 32kg/cm2

4.1 Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ

Mẫu thử đợc lấy tại các van lấy mẫu trên nồi hơi hoặc trên đờng nớc ngng Việc lấy mẫu nên tuân thủ các hớng dẫn sau:

- Mở van lấy mẫu xả nớc ra từ 7 - 10 phút để rửa sạch đoạn van, ống lấy mẫu

- Nên mở van lấy mẫu trong suốt thời gian hoá nghiệm; các mẫu thử cho mỗi bài hoá nghiệm đợc lấy ngay từ van lấy mẫu Các dụng cụ hoá nghiệm phải đợc rửa kỹ bằng chính nớc đem hoá nghiệm Nếu việc thử bị trì hoãn thì mẫu nớc phải đợc đậy kín

- Mẫu thử phải đợc lọc qua phin lọc giấy (filter paper) để lọc sạch các tạp chất rắn Tấm giấy lọc đợc gấp thành hình côn để đặt đợc vào phễu lọc

- Mẫu thử cần đợc làm nguội đến nhiệt độ khoảng 250C trớc khi đem hoá nghiệm

- Để đảm bảo độ chính xác, các hoá chất dùng cho hoá nghiệm phải đợc bảo quản cẩn thận trọng các lọ kín, để nơi khô ráo, mát

4.2 Các bài hoá nghiệm cơ bản

Xác định hàm lợng phosphate d

- Lấy 5ml mẫu thử đã đợc lọc, làm mát vào ống thử phosphate

- Đổ molybdate vào ống cho đến vạch 17.5ml

- Cho thêm một thìa bột Dry Stannous Chloride vào ống thử

- Đậy kín rồi lắc đều Để sau 5 phút

- So sánh với hộp màu mẫu để xác định hàm lợng phosphate d

Tuỳ thuộc hàm lợng phosphate d có thể sử dụng ADJUNCT-BTM để xử lý ADJUNCT-BTM là một dạng hợp chất phosphate ở dạng bột dùng để xử lý hàm lợng cứng trong nớc, chống đóng cáu cặn Hoá chất này sẽ tác dụng với các thành phần cứng (Ca2+, Mg2+) tạo thành cặn mềm không có khả năng bám vào các bề mặt trao nhiệt Liều lợng ADJUNCT-BTM nh sau:

20-40ppm thoả mãn, không cần xử lý

Xác định hàm lợng kiềm Phenolphthalein ("P" Alkalinity)

Hàm lợng kiềm đợc tính là lợng axit cần thiết cấp vào để đạt độ pH nhất định nào đó Hàm lợng kiềm đợc chia ra hàm lợng kiềm phenolphthalein (độ kiềm "P")

và hàm lợng kiềm tổng (độ kiềm "M") Độ kiềm "P" là lợng axit cần thiết để đạt tới trạng thái trung tính ở độ pH 8.3; còn độ kiềm "M" là lợng axit cần thiết để đạt tới trạng thái trung tính ở độ pH 4.8

Khi xác định hàm lợng kiềm, phenolphthalein đợc dùng làm chất chỉ thị đối với độ kiềm "P"; còn Methyl red đợc dùng cho độ kiềm tổng Vì vậy có ký hiệu độ kiềm "P" và độ kiềm "M" (độ kiềm "M" đôi khi còn đợc gọi là độ kiềm "T" - Total Alkalinity)

- Lấy 50ml mẫu nớc đã đợc lọc, làm mát rồi đổ vào bát thử

- Nhỏ vào bát 4 giọt phenolphthalein

- Nếu nớc chuyển sang màu hồng là có tính kiềm; nếu không thì không mang tính kiềm

- Nhỏ từ từ axít sulfuric N/10 vào hỗn hợp và liên tục khuấy đều cho đến khi màu hồng biến mất Hỗn hợp trở về trạng thái trung tính

- Xác định lợng axit sulfuric đã sử dụng (xem trên ống buret) rồi suy ra hàm lợng kiềm theo bảng dới Giữ mẫu thử để xác định hàm lợng kiềm tổng Sau khi có kết quả, sử dụng hoá chất xử lý hàm lợng kiềm GCTM theo liều l-ợng ghi trong bảng GCTM là một hợp chất kiềm cô đặc ở dạng lỏng dùng để trung hoà axit, chống ăn mòn GCTM tạo ra môi trờng có độ pH hợp lý, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng giữa các chất cứng với các hoá chất xử lý phosphate

Lợng sulfuric acid N/10

(ml) phenolphthalein (ppm)Hàm lợng kiềm Liều lợng hoá chất GC

TM

(lít/tấn nớc)

Xác định hàm lợng kiềm tổng ("M" Alkalinity)

- Cho 3 giọt chất chỉ thị độ kiềm tổng vào mẫu thử thu đợc khi xác định độ kiềm "P" Mẫu thử sẽ chuyển sang màu xanh

- Cho tiếp axit sulfuric N/10 vào mẫu thử và khuấy đều cho đến khi chuyển sang màu hồng

- Xác định lợng axit sulfuric đã sử dụng (xem trên ống buret) rồi suy ra hàm lợng kiềm tổng Hàm lợng kiềm tổng phải nhỏ hơn hai lần hàm lợng kiềm

"P" và thờng chỉ dùng để tham khảo

Xác định hàm lợng chloride

- Lấy 2ml mẫu thử đã đợc lọc, làm mát vào ống thử chloride

- Nhỏ 3 giọt phenolphthalein vào mẫu thử, mẫu thử chuyển thành màu hồng nếu có tính kiềm

- Nhỏ từng giọt axit sulfuric cho đến khi màu hồng biến mất Nhỏ thêm một giọt nữa

- Nhỏ 6 giọt potassium chromate, mẫu thử sẽ có màu vàng

- Nhỏ từng giọt Silver Nitrate (nitrat bạc) N/10 vào mẫu thử cho đến khi chuyển thành màu da cam