b) Nhược điểm của đồ án (thuyết minh, bản vẽ,…):
1.2. Sự xuất hiện của cáu cặn và các chất lắng đọng trong lò hơi
1.2.1. Giới thiệu chung
Những tạp chất không tan trong nước
Những hạt có kích thước dưới 0.0001 mm hầu như không có khả năng lắng đọng lại mà lơ lừng trong nước, gọi là những hạt keo. Những tạp chất này ảnh hưởng đến độ trong của nước, làm cho nước đục, chúng cũng là nguyên nhân hình thành nên lớp cáu cặn 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 dễ gây hư hỏng.
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-…
Cáu cặn và các chất lắng đọng có thể hình thành trên bất cứ bề mặt thiết bị nào tiếp xúc với nước, đặc biệt trên thành ống lò hơi. Các cáu cặn của lò hơi hình thành bởi các tạp chất kết tủa tách ra từ nước trên bề mặt truyền nhiệt của lò hoặc bởi các chất lơ lửng trong nước lắng xuống bề mặt lò, trở nên cứng và bám chặt vào bề mặt. Sự bay hơi nước trong lò là nguyên nhân dẫn đến các tạp chất này ngày càng lắng đọng dày thêm.
Đối với nước lò hơi chưa xử lý, sự hình thành cáu cặn được ví như là 1 xu hướng “trở lại bản chất” của vật chất. Khi các hạt khoáng tách ra từ nước, chúng tạo thành chất rắn có cấu trúc tinh thể. Những thành phần thường tìm thấy phổ biến trong cáu là Canxi cacbonat, Canxi photphat, Magie hydroxit, Magie Silicat… Loại cáu cặn thông
Cáu cacbonat thường có hình hạt nhỏ và đôi khi rất xốp. Loại cáu này có thể dễ dàng xác định bằng cách ngâm nó vào dung dịch axit. Khi đó, bọt khí CO2 sẽ xuất hiện và đi lên thoát khỏi dung dịch từ phần cáu cặn dưới đáy.
Các cáu Sulphat thì cứng hơn và đặc hơn cáu cacbonat. Cáu sulphate thì giòn và không sủi bọt trong dung dịch axit. Còn cáu Silica nhìn tương tự như sứ. Loại cáu này rất giòn, không tan trong axit và tan chậm trong môi trường kiềm. Cáu silica rất khó loại bỏ, muốn loại bỏ phải dùng HF với nhiều rủi ro tiềm tàng khi sử dụng.
Các chất lắng đọng trong lò có thể bắt nguồn từ các tạp chất sẵn có trong nước cấp lò hơi. Các chất lắng đọng của sắt có màu sẫm. Đó là sản phẩm của quá trình ăn mòn và cũng có thể do hàm lượng sắt cao từ nước nguồn. Đôi khi các chất lắng đọng tụ lại với nhau thành khối nén chặt nhìn tương tự như cáu cặn nhưng vẫn mang tính chất vốn có của nó.
1.2.2. Hậu quả hiện tượng cáu cặn
Hậu quả lớn nhất của hiện tượng cáu cặn là sự quá nhiệt có thể dẫn đến ống lửa bị nứt gãy. Độ dẫn nhiệt của lớp cáu xốp chỉ tương tự như độ dẫn nhiệt của gạch cách nhiệt. Vì thế lớp cáu đóng vai trò như một lớp cách nhiệt và ngăn cản sự truyền nhiệt hiệu quả qua các ống lửa đến khối nước sôi sục chứa trong lò. Sự giảm sút của độ dẫn nhiệt cũng đồng nghĩa với hiệu quả thấp của lò, gây nên hiện tượng quá nhiệt và có thể làm cho các ống lửa mềm đi, phồng lên và nứt gãy vì vật liệu chế tạo ống lửa phải làm việc ở một nhiệt độ quá ngưỡng cho phép.
Đối với lò hơi ống nước, cáu cặn trong lò còn có thể gây nghẹt hoặc là vật cản trên đường bay hơi hạn chế sự bay hơi của nước trong ống, cũng gây nên sự quá nhiệt của ống.
Các chất lắng đọng đi vào lò từ nước cấp lò (là hỗn hợp của nước nguồn và nước ngưng tụ) và bị “cô đặc” lên nhiều lần trong lò hơi. Kết quả là sự lắng đọng các chất đó
đọng là các chất cách nhiệt, nên sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ gây ra nứt gãy. Các chất này cũng hạn chế tốc độ bay hơi của nước. Và khi nước bị hạn chế bay hơi lại góp phần vào hiện tượng quá nhiệt, làm sôi lớp màng mỏng sát bề mặt lò và thúc đẩy quá trình lắng đọng.
Một khía cạnh quan trọng khác là hiện tượng ăn mòn có thể xảy ra bên dưới lớp cáu cặn. Nói chung, lớp cáu cặn và sự lắng đọng sẽ gây nên: Tiêu thụ nhiên liệu tăng do hiệu quả truyền nhiệt kém, nứt gãy đường ống do quá nhiệt,tăng thời gian chết máy do sửa chữa lò, tăng chi phí sửa lò, bảo trì lò, giảm tuổi thọ lò hơi, nguy hiểm đến tính mạng con người do hiện tượng nổ lò.
1.2.3. Các phương pháp loại bỏ cặn bám trong lò hơi
Để ngăn ngừa việc sinh cáu trong lò hơi, người ta dùng hai phương pháp xử lí 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.
- Biến những vật chất có khả năng sinh cáu trong lò (Do nước chưa được xử lí hết) thành những vật tách ra ở pha cứng dưới dạng bùn rồi dùng phương pháp xả lò để xả chúng ra khỏi lò. Phương pháp này gọi là xử lí nước bên trong lò.
1.2.4. Giảm độ cứng , giảm chất rắn lơ lửng trong nước:
Phương pháp cơ học: là sử dụng các bình lắng và lọc để tách các chất lơ lửng ra khỏi nước. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ lọc được những tạp chất có đường kính lớn
Phương pháp trao đổi cation: là thực hiện quá trình trao đổi giữa các cation của tạp chất hòa tan trong nước, có khả năng sinh cáu trong lò với các cation của hạt cationit, để tạo nên những vật chất mới tan trong nước nhưng không tạo thành cáu trong lò. Cationit là những hạt nhựa tổng hợp có gốc R ngậm các cation, không tan trong nước. Như vậy các cation dễ đóng cáu cặn được giữ lại, còn các cation dễ hoà tan thì đi theo nước cấp vào lò. Phương pháp này đạt hiệu quả cao nên được sử dụng rộng rãi trong nồi hơi.
Trong thực tế thường dùng ba loại cationit sau: cationit natri (NaR), cationit hydro (HR), cationit amôn (NH4R).
Khi dùng NaR thì toàn bộ độ cứng của nước được khử, song độ kiềm và các thành phần anion khác trong nước không thay đổi; và có phản ứng xảy ra như sau:
2NaR+ Ca(HCO3)2 -> CaR2 + 2NaHCO3.
2NaR+ Mg(HCO3)2 -> MgR2 + 2NaHCO3.
2NaR+ CaCl2 -> CaR2 + 2NaCl.
2NaR+ MgCl2 -> MgR2 + 2NaCl.
2NaR+ CaSO4 -> CaR2 + Na2SO4.
2NaR+ MgSO4 -> CaR2 + Na2SO4.
Khi dùng HR thì độ cứng của nước được khử nhưng khi đó H+ sẽ tạo thành axit, làm mòn ống nồi hơi. Nên trong thực tế, khi dùng HR người ta dùng thêm NaR.
Khi dùng NH4R thì độ cứng còn rất nhỏ, nhưng tạo thành chất NH3 và acid gây ăn mòn kim loại nên cũng vậy, khi dùng NH4R người ta dùng thêm NaR.
Sau một thời gian làm việc, các cationit sẽ mất dần các cation, nghĩa là các cationit mất dần khả năng trao đổi. Vì vậy để phục hồi khả năng làm việc của các cationit cần
phải cho chúng trao đổi với những chất có khả năng cung cấp lại các cationit ban đầu. Quá trình đó được gọi là quá trình hoàn nguyên cationit.
Để hoàn nguyên cationit natri, người ta dùng dung dịch muối NaCl có nồng độ 28%. CaR2 + 2NaCl -> CaCl2 + NaR
MgR2 + 2NaCl -> MgCl2 + NaR
Quá trình hoàn nguyên mất khoảng 60 phút và gồm các giai đoạn sau:
- Rửa ngược: loại bỏ phần cặn rắn không tan nằm trên, không được rửa quá nhanh để tránh nhựa bị cuốn đi theo dòng nước
- Rửa bằng nước muối sạch khoảng 30 phút - Dùng nước mềm rửa nước muối
- Kết thúc quá trình rửa và kiểm tra độ cứng.
Hiện nay, các bộ trao đổi cation khử độ cứng của nước thường chỉ đạt 2 – 3˚ Mỹ, nghĩa là chỉ gần đạt theo yêu cầu. Chính vì thế, sau bộ làm mềm nước, người ta bổ sung thêm hóa chất, cũng là để đáp ứng được các chỉ tiêu còn lại.
1.2.5. Tăng độ pH
Độ pH được điều chỉnh bằng hóa chất xử lý nước, chủ yếu là gốc Na+
Để tránh ăn mòn do axít phải duy trì độ pH nước nồi hơi ở phạm vi thích hợp để tạo một hệ đệm chứa cả các thành phần NaOH và muối phốt-phát.
nhất định, hàm lượng chất khí tan trong nước tỷ lệ với áp suất riêng phần của chất khí đó trên mặt nước.
1.3. Các phương pháp làm mềm nước cấp lò hơi
Nước cấp ban đầu đa số là nước cứng có chứa một hàm lượng Ca2+ và Mg2+ , đây là các cation có tính tan không tốt, có nhiều muối kết tủa gây hại cho các điều kiện sản xuất như: Nước cứng có thể kết tủa thành chất không hòa tan bám vào thành ống, chẳng hạn khi đưa vào nồi hơi sẽ ngày càng cô đặc hơn bám vào các thành ống và balong của nồi hơi làm giảm hiệu suất truyền nhiệt của nồi hơi, gây tiêu hao nhiên liệu, Nguy hiểm hơn có thể làm tắc ngẻn, nứt gảy các ống nhiệt gây nổ do quá nhiệt.
=> Chất lượng nước cấp vào lò hơi đóng một vai trò rất quan trọng đối với việc đảm bảo sự an toàn khi lò hơi vận hành, quyết định hiệu quả làm việc của lò hơi.
Để làm giảm thành phần đóng cáu cặn trong nồi hơi ta phải làm "mềm" nước cứng thông qua nhiều phương pháp như sử dụng hóa chất, gia nhiệt và trao đổi ion khử ion Ca2+, Mg2+.
1.3.1. Phương pháp làm mềm nước bằng gia nhiệt
Phương pháp này dùng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic. Tuy nhiên khi đun nước nóng chỉ khử được khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat, còn lượng CaCO3 hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước.
1.3.2. Phương pháp làm mềm nước bằng vôi
Phương pháp này mặc dù có thể làm giảm thành phần Mg2+ trong nước nhưng lại tạo ra một lượng CaSO4, CaCl2 tương đương do đó chỉ được dùng để làm mềm nước cứng tạm thời chứ không có ý nghĩa đối với nước cứng vĩnh viễn và nước cứng toàn phần. Phương pháp này chỉ dùng tạm thời.
Để làm mềm nước cứng vĩnh cửu người ta có thể sử dụng soda Na2CO3. Tuy nhiên phương pháp này lại bất tiện khi sử dụng và mất khá nhiều công sức để gạn lọc những cặn lắng để lấy nước ra sử dụng
1.3.4. Phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion
Phương pháp dùng trao đổi ion được ứng dụng rất phổ biến trong hệ thống nồi hơi, phương pháp dựa trên nguyên tắc trao đổi ion giữa các ion có trong nước cứng với ion Na+ hoặc H+ của hạt nhựa trao đổi ion. Khi các hạt nhựa đã hết khả năng trao đổi, người ta phải “hoàn nguyên” tức là phục hồi lại các ion dương cho nó. Đối với nhựa Na+người ta dùng muối ăn NaCl, đối với nhựa H+ người ta dùng axit.
Quy trình xử lí nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion thường sẽ trải qua 4 giai đoạn sau.
Giai đoạn 1: nước cứng chảy qua, các vật liệu lọc trong hệ thống lọc nước: Các vật liệu lọc này hoạt động như một nam châm, thu hút toàn bộ các ion Ca2+ và Mg2+ (tác nhân gây cứng nước) trao đổi với các ion Na+ hoặc H+ có sẵn trong vật liệu
Giai đoạn 2: Vật liệu lọc bị bão hòa: Khi vật liệu lọc bị bão hòa với các ion khoáng chất thì nó cần được xả và nạp lại. Quá trình này được gọi là quá trình tái tạo và được kiểm soát bởi 1 van điều khiển trên nắp của bình. Van điều khiển này là bộ não của toàn hệ thống.
Giai đoạn 3: Tái tạo: Trong quá trình này, một thùng chứa nước muối sẽ bơm nước muối sang cột xử lý, rửa sạch vật liệu lọc đang trong trạng thái bão hòa các chất canxi và magiê.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NƯỚC THỦY CỤC CẤP CHO LÒ HƠI
2.1. Tiêu chuẩn nước cấp vào lò hơi
Hiện nay đã có rất nhiều quy định về nước sử dụng cho lò hơi được nhà nước ban hành mục đích để đạt được mục tiêu ngăn ngừa cáu bẩn, bám cặn và ống không bị mòn trong quá trình sử dụng. Một số tiêu chuẩn nước cấp lò hơi tiêu biểu như: TCVN 7704 - 2007 của Việt Nam , ASME của Mỹ, JIS B 8223-2006 hay EN 12 952-12 cho lò hơi ống nước và EN 12 953 -10 cho lò hơi ống lửa của Cộng đồng Châu Âu.
Stt Chỉ tiêu Đơn vị Nước cấp vào nồi Nước trong nồi Mẫu thử Tiêu chuẩn Mẫu thử Tiêu chuẩn 1 Độ trong suốt Cm 0 – 40 2 Độ pH (ở 250oC) 8,5 – 10,5 10,5÷11,5 3 Độ cứng µgdl/kg < 20 4 Lượng sắt tổng µg/kg < 300 5 Ô-xy hòa tan µgdl/kg < 50 6 Chất gốc dầu lửa mg/kg < 3 7 Độ dẫn điện µS/cm < 1000 < 7000 8 Độ kiềm tổng (m) mgdl/kg 5÷20 9 Phốt-phát dư mg/kg 30÷60 10 Hàm lượng sun- phít mg/kg 20÷40
11 Si-li-cat hòa tan <0,3 * độ kiềm
Cộng: chỉ tiêu 7 6
Stt Chỉ tiêu Đơn vị Nước cấp vào nồi Nước trong nồi
Mẫu thử Tiêu chuẩn Mẫu thử Tiêu chuẩn 1 Độ pH (ở 250oC) 8,5 – 10,5 10,5 – 11,5 2 Độ dẫn điện µS/cm < 1000 < 4000 3 Lượng sắt tổng mg/l < 300 4 Độ cứng 0 Mỹ < 2 5 Kiềm hỗn hợp (p) mg/kg 5 – 20 6 Phốt phát dư mg/kg 30 – 60 7 Hàm lượng sun- phít mg/kg 20 – 40 8 Khí hòa tan mg/l < 100 Cộng: chỉ tiêu 5 5
Stt Chỉ tiêu Đơn vị
Nước cấp vào nồi Nước trong nồi Mẫu thử Tiêu chuẩn Mẫu thử Tiêu chuẩn 1 Độ pH (ở 250oC) 8,5 – 10,5 10,5 – 12,0 2 Tổng lượng khoáng mg/l < 1000 < 2560 3 Lượng sắt tổng mg/l < 0,3 < 0,5 4 Độ cứng mgCaCO3/l < 2 < 10 5 Độ kiềm tổng (m) mgCaCO3/l < 500 < 800 6 Kiềm hỗn hợp (p) mgCaCO3/l < 100 < 500 7 Clorua (Cl-) mg/l < 250 < 500 8 Ô-xy hòa tan mg/l < 0,1
Cộng: chỉ tiêu 8
2.2. Tiêu chuẩn nước đầu ra thủy cục
STT Tên thông số Đơn vị tính Ngưỡng giới hạn
cho phép Các thông số nhóm A
Thông số vi sinh vật
1. Coliform CFU/100 mL <>
2. E.Coli hoặc Conform chịu nhiệt CFU/100 mL <>
Thông số cảm quan và vô cơ
3. Arsenic (As)(*) mg/L 0.01
4. Clo dư tự do(**) mg/L Trong khoảng 0,2 - 1,0
5. Độ đục NTU 2
6. Màu sắc TCU 15
7. Mùi, vị - Không có mùi, vị lạ
8. pH - Trong khoảng 6,0-8,5
Các thông số nhóm B
Thông số vi sinh vật
9. Tụ cầu vàng
(Staphylococcus aureus) CFU/ 100mL <>
10. Trực khuẩn mủ xanh
(Ps. Aeruginosa) CFU/ 100mL <>
Thông số vô cơ
11. Amoni (NH3 và NH4+ tính theo N) mg/L 0,3
12. Antimon (Sb) mg/L 0,02
13. Bari (Bs) mg/L 0,7
14 Bor tính chung cho cả Borat và axit
Boric (B) mg/L 0,3
16. Chì (Plumbum) (Pb) mg/L 0,01 17. Chì số pecmanganat mg/L 2 18. Chloride (Cl-)(***) mg/L 250 (hoặc 300) 19. Chromi (Cr) mg/L 0,05 20. Đồng (Cuprum) (Cu) mg/L 1 21. Độ cứng, tính theo CaCO3 mg/L 300 22. Fluor (F) mg/L 1,5 23. Kẽm (Zincum) (Zn) mg/L 2 24. Mangan (Mn) mg/L 0,1 25. Natri (Na) mg/L 200
26. Nhôm (Aluminium) (Al) mg/L 0.2
27. Nickel (Ni) mg/L 0,07
28. Nitrat (NO3- tính theo N) mg/L 2
29. Nitrit (NO2- tính theo N) mg/L 0,05
30. Sắt (Ferrum) (Fe) mg/L 0,3
31. Seleni (Se) mg/L 0,01
32. Sunphat mg/L 250
33. Sunfua mg/L 0,05
34. Thủy ngân (Hydrargyrum) (Hg) mg/L 0,001
35. Tổng chất rắn hòa tan (TDS) mg/L 1000
36. Xyanua (CN) mg/L 0,05
Thông số hữu cơ a. Nhóm Alkan clo hóa
41. Diclorometan µg/L 20 42. Tetracloroeten µg/L 40 43. Tricloroeten µg/L 20 44. Vinyl clorua µg/L 0,3 b. Hydrocacbua thơm 45. Benzen µg/L 10 46. Etylbenzen µg/L 300
47. Phenol và dẫn xuất của Phenol µg/L 1
48. Styren µg/L 20
49. Toluen µg/L I 700
50. Xylen µg/L 500
c. Nhóm Benzen Clo hóa