Bể Cấp và Xử Lý Nước Cấp

Tất cả các khía cạnh thiết kế, chế tạo và vận hành bể cấp và thiết bị khử khí một phần, bao gồm các phép tính.

Tầm quan trọng của bể cấp lò hơi, nơi nước cấp lò hơi và nước bù được lưu trữ và ngưng tụ được hồi về, thường bị đánh giá thấp. Hầu hết các thiết bị trong nhà lò hơi đều được dự phòng, nhưng hiếm khi có hai bể cấp và thiết bị quan trọng này thường được xem xét cuối cùng trong quá trình thiết kế. Bể cấp là nơi gặp gỡ chính của nước bù lạnh và ngưng tụ hồi về. Tốt nhất nếu cả hai, cùng với hơi flash từ hệ thống xả đáy, chảy qua các ống phun được lắp cách xa dưới mực nước trong bể cấp nước. Các ống phun phải được làm bằng thép không gỉ và được hỗ trợ đầy đủ.

Nhiệt độ vận hành

Điều quan trọng là nước trong bể cấp được duy trì ở nhiệt độ đủ cao để giảm thiểu hàm lượng oxy hòa tan và các khí khác. Mối tương quan giữa nhiệt độ nước và hàm lượng oxy trong bể cấp có thể thấy trong Hình 3.11.1. Nếu tỷ lệ nước bù cao được sử dụng, gia nhiệt nước cấp có thể giảm đáng kể lượng hóa chất khử oxy cần thiết. Ví dụ 3.11.1 Tiết kiệm chi phí liên quan đến việc giảm oxy hòa tan trong nước cấp bằng cách gia nhiệt. Cơ sở tính toán:

• Liều lượng tiêu chuẩn cho natri sunfit là 8 ppm cho mỗi 1 ppm oxy hòa tan.
• Thường thêm 4 ppm bổ sung để duy trì dự trữ trong lò hơi.
• Natri sunfit dạng lỏng có xúc tác điển hình chỉ chứa 45% natri sunfit. Cho ví dụ Tính toán 1 Tính toán 2 Tiết kiệm chi phí hàng năm Rõ ràng có chi phí liên quan đến việc gia nhiệt bể cấp, nhưng vì nhiệt độ nước sẽ được tăng cùng lượng bên trong lò hơi, đây không phải năng lượng bổ sung, chỉ là cùng năng lượng được sử dụng ở nơi khác. Tổn thất thực sự duy nhất là tổn thất nhiệt thêm từ chính bể cấp. Miễn là bể cấp được cách nhiệt đúng cách, tổn thất nhiệt thêm này sẽ gần như không đáng kể. Một tiết kiệm quan trọng bổ sung là giảm lượng natri sunfit được thêm vào nước cấp lò hơi. Điều này sẽ giảm lượng xả đáy cần thiết, và tiết kiệm này sẽ bù đắp hơn cả tổn thất nhiệt nhỏ thêm từ bể cấp lò hơi. Để tránh hư hại cho chính lò hơi Lò hơi bị sốc nhiệt khi nước lạnh được đưa vào các bề mặt nóng của tường lò hơi và các ống. Nước cấp nóng hơn có nghĩa là chênh lệch nhiệt độ thấp hơn và ít nguy cơ sốc nhiệt hơn. Để duy trì sản lượng thiết kế Nhiệt độ nước cấp lò hơi càng thấp, càng cần nhiều nhiệt trong lò hơi để tạo hơi. Điều quan trọng là duy trì nhiệt độ bể cấp càng cao càng tốt, để duy trì sản lượng lò hơi cần thiết.

Xâm thực bơm cấp lò hơi

Cảnh báo: tốc độ hồi ngưng tụ rất cao (thường trên 80%) có thể dẫn đến nhiệt độ nước cấp quá cao, và xâm thực trong bơm cấp. Nếu nước gần nhiệt độ sôi đi vào bơm, nó có xu hướng bốc flash thành hơi ở vùng áp suất thấp tại tâm cánh bơm. Nếu điều này xảy ra, bong bóng hơi được hình thành khi áp suất giảm dưới áp suất hơi nước. Khi áp suất tăng trở lại, các bong bóng này sẽ sụp đổ và nước chảy vào chỗ trống tạo ra ở vận tốc rất cao. Đây được gọi là ‘xâm thực’; nó ồn ào và có thể hư hại nghiêm trọng bơm. Để tránh vấn đề này, cần thiết phải cung cấp Cột dương Hút Ròng (NPSH) tốt nhất có thể cho bơm để áp suất tĩnh càng cao càng tốt. Điều này được hỗ trợ rất nhiều bằng cách đặt bể cấp càng cao càng tốt phía trên lò hơi, và tính cỡ hào phóng đường ống hút đến bơm cấp (Hình 3.11.2).

Thiết kế bể cấp

Bể cấp (Hình 3.11.3) có thể ảnh hưởng đến cách vận hành toàn bộ nhà lò hơi theo nhiều cách. Bằng thiết kế cẩn thận bể cấp và các hệ thống liên quan, tiết kiệm đáng kể có thể đạt được về năng lượng và hóa chất xử lý nước cùng với tăng độ tin cậy vận hành. Trong khi bể cấp hình trụ, cả đứng và ngang, không phải là hiếm ở các nơi khác trên thế giới, hình chữ nhật được sử dụng thường xuyên nhất tại Anh. Điều này thường cung cấp thể tích lưu trữ nước tối đa cho diện tích sàn mà nó chiếm. Vật liệu bể cấp:

• Gang - Bể gang thường được lắp ráp từ các phần hình chữ nhật: Vấn đề thường phát sinh từ rò rỉ tại mối nối phần, và chúng dễ bị ăn mòn.
• Thép carbon - Có lẽ vật liệu xây dựng phổ biến nhất cho bể cấp: Không phủ, nó là vật liệu chi phí thấp nhưng cực kỳ dễ bị ăn mòn. Điểm yếu này có thể cải thiện bằng cách áp dụng lớp phủ phù hợp lên bề mặt, nhưng chi phí này có thể nhiều hơn chi phí bể, đặc biệt vì lớp phủ cũng sẽ cần bảo trì thường xuyên.
• Nhựa - Vật liệu này thường không phù hợp cho bể cấp do chi phí cao của vật liệu có thể chịu được nhiệt độ tương đối cao liên quan. Tuy nhiên, nhựa là vật liệu phù hợp cho bể nước bù lạnh.
• Thép không gỉ austenit - Tuổi thọ tăng của bể cấp được làm đúng cách bằng vật liệu này sẽ luôn biện minh cho chi phí ban đầu cao hơn. Loại 304L thường được chọn là loại thép không gỉ phù hợp nhất. Dung tích bể cấp Bể cấp cung cấp dự trữ nước để bù đắp khi nguồn cấp nước bù bị gián đoạn. Thực hành truyền thống là có bể cấp với dung tích đủ cho phép một giờ tạo hơi ở công suất bay hơi tối đa của lò hơi. Đối với nhà máy lớn hơn, điều này có thể không thực tế và thay thế có thể là bể cấp ‘giếng nóng’ nhỏ hơn với lưu trữ nước đã xử lý lạnh bổ sung. Nó cũng phải có đủ dung tích trên mức làm việc bình thường để chứa bất kỳ đợt tăng đột biến nào trong tốc độ hồi ngưng tụ. Dung tích này được gọi là ‘khoảng trống’. Tốc độ hồi ngưng tụ cao có thể xảy ra khi khởi động khi ngưng tụ nằm trong nhà máy và đường ống đột ngột hồi về bể, nơi nó có thể mất ra cống qua tràn. Nếu điều này xảy ra, có thể nên xem xét hệ thống hồi ngưng tụ, để kiểm soát tốc độ hồi và tránh lãng phí.

Chế tạo bể cấp

Các ghi chú sau có thể hữu ích trong thiết kế bể cấp:

• Gia cường- Bể phải được hàn đầy đủ và rất quan trọng khi sử dụng gia cường đầy đủ để tăng cường các mặt và đỉnh bể và cung cấp hỗ trợ đủ cho đáy. Không làm như vậy sẽ dẫn đến uốn cong quá mức và hỏng sớm.
• Kết nối đường ống- Tất cả kết nối đường ống mặt bích phải nhô ra ít nhất 150 mm để tạo điều kiện cách nhiệt. Tất cả kết nối ren phải nhô ra ít nhất 20 mm.
• Móc nâng- Cần thiết phải lắp móc nâng để cho phép lắp đặt an toàn và dễ dàng.

Đường ống bể cấp

Hồi ngưng tụ Khi hơi được tạo ra, nước trong lò hơi bay hơi và được thay thế bằng cách bơm nước cấp vào lò hơi. Khi hơi đi quanh hệ thống đến các thiết bị sử dụng hơi khác nhau, nó chuyển trạng thái trở lại thành ngưng tụ, về cơ bản là nước nóng chất lượng rất tốt. Trừ khi ô nhiễm có thể xảy ra (có thể do quy trình), ngưng tụ này là nước cấp lò hơi lý tưởng. Do đó, có ý nghĩa kinh tế khi hồi lại càng nhiều càng tốt để tái sử dụng. Trong thực tế, gần như không thể hồi lại tất cả ngưng tụ; một phần hơi có thể đã được phun trực tiếp vào quy trình cho các ứng dụng như tạo ẩm và phun hơi, và thường sẽ có tổn thất nước từ chính lò hơi, ví dụ, qua xả đáy. Nước bù (đã xử lý hóa chất) do đó sẽ phải được đưa vào hệ thống để duy trì mức làm việc đúng. Hồi ngưng tụ đại diện cho tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn trong nhà lò hơi. Ngưng tụ có hàm lượng nhiệt cao và khoảng 1% nhiên liệu ít hơn cần thiết cho mỗi 6°C tăng nhiệt độ trong bể cấp. Hình 3.11.5(a) cho thấy sự hình thành hơi ở 10 bar g khi lò hơi được cấp nước cấp lạnh ở 10°C. Phần ở đáy biểu đồ đại diện cho entanpi (42 kJ/kg) có trong nước cấp. Thêm 740 kJ/kg năng lượng nhiệt phải được thêm vào nước trong lò hơi trước khi đạt nhiệt độ bão hòa ở 10 bar g. Hình 3.11.5(b) lại cho thấy sự hình thành hơi ở 10 bar g, nhưng lần này lò hơi được cấp nước cấp gia nhiệt đến 70°C bằng cách hồi thêm ngưng tụ. Tăng entanpi chứa trong nước cấp có nghĩa là lò hơi bây giờ chỉ cần thêm 489 kJ/kg năng lượng nhiệt để đưa lên nhiệt độ bão hòa ở 10 bar g. Điều này thể hiện tiết kiệm 9,2% năng lượng cần thiết để tạo hơi ở cùng áp suất này. Ngưng tụ hồi về thực tế là nước tinh khiết và điều này không chỉ tiết kiệm chi phí nước mà còn cả hóa chất xử lý nước, giảm tổn thất liên quan đến xả đáy. Nếu ngưng tụ có áp suất được hồi về thì hơi flash sẽ được giải phóng trong bể cấp. Hơi flash này cần được ngưng tụ để đảm bảo rằng cả nhiệt và hàm lượng nước đều được thu hồi. Phương pháp truyền thống để làm điều này là đưa vào bể cấp qua các ống phun, nhưng phương pháp hiện đại và hiệu quả hơn là sử dụng đầu khử khí ngưng tụ flash nơi nước bù lạnh, ngưng tụ hồi về và hơi flash được trộn (xem Hình 3.11.6). Hơi flash từ hệ thống thu hồi nhiệt Hệ thống thu hồi nhiệt có thể, ví dụ, thu hồi hơi flash từ xả đáy lò hơi. Đây là cơ hội khác để sử dụng nhiệt thu hồi để nâng nhiệt độ bể cấp và do đó tiết kiệm nhiên liệu. Giống như ngưng tụ có áp suất, hơi flash cần được ngưng tụ. Truyền thống, điều này được thực hiện bằng ống phun, nhưng phương pháp hiện đại và hiệu quả hơn nhiều là đầu khử khí ngưng tụ flash. Nước bù Đây là nước lạnh từ nhà máy xử lý nước bù đắp bất kỳ tổn thất nào trong hệ thống. Nhiều nhà máy xử lý nước cần lưu lượng đáng kể qua chúng để đạt hiệu suất tối ưu. Lưu lượng ‘nhỏ giọt’ do điều khiển điều biến vào bể cấp có thể, ví dụ, có tác động xấu đến hiệu suất của thiết bị làm mềm. Vì lý do này, bể nước bù lạnh nhỏ bằng nhựa hoặc thép mạ kẽm thường được lắp. Lưu lượng từ thiết bị làm mềm được điều khiển ‘bật/tắt’ vào bể bù. Từ đó van điều biến kiểm soát lưu lượng vào bể cấp. Loại lắp đặt này dẫn đến vận hành ‘mượt mà hơn’ của nhà máy lò hơi. Để tránh nước bù tương đối lạnh chìm trực tiếp xuống đáy bể (nơi nó sẽ được hút trực tiếp vào đường ống nước cấp lò hơi), và để đảm bảo phân phối nhiệt độ đều, thực hành phổ biến là phun nước bù vào bể cấp ở mức cao hơn. Phun hơi Như đã đề cập trước đó, có lợi thế đáng kể khi duy trì nội dung bể cấp ở nhiệt độ cao. Một trong những cách tiện lợi nhất để đạt nhiệt độ cao hơn này là bằng cách phun hơi vào bể cấp. Cửa thông hơi Bể cấp phải được thông hơi để ngăn bất kỳ sự tích tụ áp suất nào. Theo hướng dẫn, cửa thông hơi sẽ có kích thước từ DN80 trên bể 2.000 lít đến DN250 trên bể 30.000 lít. Cửa thông hơi nên được lắp đầu thông hơi, tích hợp lá chắn bên trong để tách hơi ẩm khỏi hơi để xả qua kết nối xả. Tràn Nên được lắp ống nước chữ U để ngăn mất hơi flash. Đầu ra bơm cấp Nếu đầu ra từ đáy bể cấp nên có ống nhô trong 50 mm để ngăn bất kỳ bụi bẩn nào ở đáy bể đi vào đường ống. Nên được tính cỡ hào phóng để tổn thất ma sát được giảm thiểu, và cột dương hút ròng (NPSH) cho bơm cấp được tối đa hóa. Xả Kết nối xả nên được lắp ở đáy bể cấp để tạo điều kiện xả để kiểm tra. Cách nhiệt Bể cấp phải được cách nhiệt đầy đủ để ngăn tổn thất nhiệt. Nên tìm lời khuyên từ chuyên gia cách nhiệt có uy tín trong việc chọn vật liệu đúng và độ dày kinh tế. Cửa kiểm tra Cửa kiểm tra có kích thước đầy đủ nên được lắp để cho phép kiểm tra bên ngoài và lắp thiết bị phụ trợ, khi phù hợp. Kiểm soát mực nước Truyền thống, kiểm soát phao đã được sử dụng cho ứng dụng này. Kiểm soát hiện đại sử dụng đầu dò mực nước, sẽ cho tín hiệu đầu ra để điều biến van điều khiển. Không chỉ loại hệ thống này cần ít bảo trì hơn mà, với việc sử dụng bộ điều khiển phù hợp, một đầu dò duy nhất có thể tích hợp báo động mực nước và thiết bị chỉ báo từ xa. Đầu dò mực nước có thể được sắp xếp để báo hiệu mực nước cao, mực nước làm việc bình thường (hoặc điều khiển), và mực nước thấp. Tín hiệu từ đầu dò có thể được liên kết với van điều khiển trên nguồn cấp nước bù lạnh. Đầu dò được lắp ống bảo vệ bên trong bể cấp để bảo vệ khỏi hỗn loạn, có thể dẫn đến đọc sai. Chỉ báo mực nước tại chỗ hoặc ống thủy mực nước trên bể cấp được khuyến nghị, cho phép xem nội dung cho mục đích xác nhận, và cho căn chỉnh đầu dò mực nước. Đồng hồ nhiệt độ Đây có thể là thiết bị đọc tại chỗ hoặc từ xa.

Thiết bị khử khí

Đầu khử khí khí quyển Đơn vị trộn của đầu khử khí tập hợp tất cả các dòng vào. Nó trộn nước bù lạnh có hàm lượng oxy cao với hơi flash từ ngưng tụ và hệ thống thu hồi nhiệt xả đáy. Oxy và các khí khác được giải phóng từ nước lạnh và có thể được loại bỏ tự động qua cửa thông hơi trước khi nước đi vào bể cấp chính. Đầu khử khí giảm đáng kể lượng hơi mà bình thường được dự kiến phát ra từ bể trong điều kiện làm việc. Vì điều này, bể khử khí khí quyển được thiết kế đúng cách với đầu khử khí yêu cầu ít dung tích thông hơi hơn bể thông thường với nắp thông hơi. Thông thường, kích thước thông hơi trên bể khử khí khí quyển thay đổi từ DN80 trên bể 2.000 L, đến DN250 trên bể 30.000 L. Thiết bị khử khí có áp suất Trên nhà máy lò hơi lớn hơn, thiết bị khử khí có áp suất đôi khi được lắp đặt và hơi trực tiếp được sử dụng để đưa nước cấp lên khoảng 105°C để loại bỏ oxy. Thiết bị khử khí có áp suất thường hiệu quả nhiệt và sẽ giảm oxy hòa tan đến mức rất thấp. Thiết bị khử khí có áp suất:

• Phải được lắp kiểm soát và thiết bị an toàn.
• Được phân loại là bình áp lực, và sẽ yêu cầu kiểm tra chính thức định kỳ. Điều này có nghĩa là thiết bị khử khí có áp suất đắt tiền, và chỉ được biện minh trong nhà lò hơi rất lớn. Nếu thiết bị khử khí có áp suất được xem xét, hiệu suất tải một phần (hoặc dải điều chỉnh hiệu quả) phải được điều tra. Đánh giá chi tiết về thiết bị khử khí có áp suất được trình bày trong Mô-đun 21 của Khối này. Xử lý điều kiện Đây là xử lý bổ sung hỗ trợ xử lý bên ngoài, (ví dụ, hệ thống trao đổi base) và thường được thực hiện bằng cách thêm hóa chất với liều lượng đo được, vào bể cấp nước hoặc đường ống cấp nước trước khi đi vào lò hơi. Xử lý hóa chất cần thiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
• Các tạp chất vốn có trong nước bù và độ cứng của nó.
• Thể tích ngưng tụ hồi về để tái sử dụng và chất lượng của nó về giá trị pH, hàm lượng TDS, và độ cứng.
• Thiết kế lò hơi và điều kiện vận hành của nó. Quyết định loại chế độ hóa chất và hệ thống xử lý nước là vấn đề cho chuyên gia xử lý nước có tay nghề, người nên luôn được tham vấn. Mục đích của xử lý điều kiện là tăng cường xử lý nước thô sau khi đã được xử lý尽可能 bởi nhà máy xử lý nước chính. Nó đảm bảo chất lượng vì,不可避免, sẽ có một số tạp chất tìm đường qua hệ thống xử lý chính. Các mục tiêu của xử lý nước là:
• Ngăn hình thành cặn từ mức độ cứng còn sót lại thấp có thể đã thoát khỏi xử lý. Natri photphat thường được sử dụng cho điều này, và khiến độ cứng kết tủa xuống đáy lò hơi nơi có thể xả đáy.
• Xử lý bất kỳ tạp chất cụ thể nào hiện có. Chúng sẽ là các chất cụ thể cho các ứng dụng cụ thể.
• Duy trì cân bằng hóa chất đúng trong nước lò hơi - để ngăn ăn mòn cần phải có tính kiềm nhẹ và không axit. Thông thường dung dịch xút 1% sẽ được sử dụng để đạt pH mục tiêu từ 9 đến 11. Tiêu chuẩn Anh BS 2486 khuyến nghị pH 10,5 - 12,0 cho lò hơi vỏ @ 10 bar, pH 9 chỉ có thể được sử dụng trong lò hơi áp suất cao hơn.
• Điều kiện bất kỳ chất lơ lửng nào. Đây sẽ là chất keo tụ hoặc chất kết dính, sẽ khiến chất lơ lửng kết tụ và chìm xuống đáy lò hơi từ nơi có thể xả đáy.
• Cung cấp bảo vệ chống tạo bọt.
• Loại bỏ dấu vết khí hòa tan. Chúng chủ yếu là oxy và carbon dioxide và sự hiện diện của các khí hòa tan này trong nhà máy lò hơi và hệ thống sẽ gây ăn mòn. Do đó, cần loại bỏ và/hoặc trung hòa chúng nếu muốn ngăn hư hại. Carbon dioxide Carbon dioxide hòa tan thường có trong nước cấp ở dạng axit carbonic và điều này khiến mức pH giảm. Kiểm soát pH đúng sẽ khắc phục điều này nhưng carbon dioxide cũng được giải phóng trong lò hơi do gia nhiệt carbonate và bicarbonate. Chúng phân hủy thành xút với giải phóng carbon dioxide. Điều này có thể cần được xử lý bằng cách sử dụng chất ức chế ăn mòn ngưng tụ, để ngăn tấn công ăn mòn hệ thống ngưng tụ. Oxy Khí hòa tan có hại nhất là oxy, có thể gây lõm kim loại. Lượng rất nhỏ oxy có thể gây hư hại nghiêm trọng. Nó có thể được loại bỏ cả bằng cơ khí và hóa học. Lượng oxy hòa tan hiện có phụ thuộc vào nhiệt độ nước cấp; nhiệt độ nước cấp càng thấp, lượng oxy hòa tan càng lớn. Bất kỳ oxy còn sót lại sau đó được xử lý bằng cách thêm chất khử oxy hóa chất như natri sunfit có xúc tác. 8 ppm natri sunfit đủ để xử lý 1 ppm oxy hòa tan. Tuy nhiên, thường thêm (hoặc ‘dự trữ’) 4 ppm natri sunfit bổ sung vì:
• Có nguy cơ hư hại ăn mòn đáng kể.
• Hệ thống liều lượng hóa chất thường là ‘vòng mở’ với mẫu nước được lấy theo khoảng thời gian, và điều chỉnh được thực hiện cho tốc độ liều lượng.
• Có lo ngại về phân tán hoàn toàn hóa chất, có thể do phương pháp phun, dòng tuần hoàn, hoặc phân tầng trong bể cấp. Tổng tốc độ liều lượng, do đó, là 8 ppm natri sunfit cho mỗi 1 ppm oxy hòa tan cộng 4 ppm. Các chất khử oxy khác liên quan đến hợp chất hữu cơ hoặc hydrazine. Tuy nhiên, loại sau được cho là gây ung thư, và thường không được sử dụng trong nhà máy áp suất thấp và trung bình. Các ‘xử lý bên trong’ khác để cung cấp bảo vệ cho lò hơi và hệ thống ngưng tụ có thể bao gồm:
• Amin trung hòa - Chúng có tác dụng trung hòa trên axit được tạo ra bởi dung dịch carbon dioxide trong ngưng tụ.
• Amin tạo màng - Chúng tạo màng hấp thụ dầu, đẩy lùi nước trên bề mặt kim loại chống lại cả carbon dioxide và oxy. Chi tiết hơn về chủ đề phức tạp này có sẵn từ sổ tay xử lý nước và chuyên gia xử lý nước; đây là vấn đề rất cần lời khuyên chuyên gia và phân tích chuyên nghiệp. Tuy nhiên, có một hoặc hai lĩnh vực cần giải thích thêm:
• Chương trình xử lý nước lò hơi chính nhằm thay đổi muối tạo cặn thành bùn mềm hoặc di động. Chất điều kiện bùn sử dụng trong liều lượng hóa chất ngăn các chất rắn này bám trên bề mặt kim loại và giữ chúng lơ lửng.
• Dưới áp suất và nhiệt độ cao, silica có thể gây vấn đề thực sự vì nó có thể kết hợp với bề mặt gia nhiệt kim loại để gây điểm nóng. Polymer tổng hợp đặc biệt có thể ngăn vấn đề này.
• Mức kiềm trong lò hơi đặc biệt quan trọng và chúng được kiểm soát bằng cách thêm natri hydroxit. Duy trì mức pH từ 10,5 - 12 sẽ tránh các vấn đề ăn mòn bằng cách cung cấp điều kiện ổn định cho sự hình thành màng magnetite (Fe3O4) ở lớp mỏng, đặc trên bề mặt kim loại, bảo vệ chúng khỏi tấn công ăn mòn. Hóa chất được thêm trong quá trình xử lý điều kiện sẽ tăng mức TDS trong nước lò hơi và tốc độ xả đáy cao hơn sẽ được yêu cầu.