Термические деаэраторы воды

Галустов В.С., заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор.

Впервые деаэраторы стали применяться в большей энергетике в начале минувшего столетия. Эти противоточные массообменные аппараты, заимствованные из химической промышленности, поначалу были только пленочными и представляли собой цилиндрическую колонну с вертикальными пластинами или кольцами Рашига. Их можно изредка встретить на энергопредприятиях, построенных еще по плану ГОЭЛРО. Примерно в 1950-е гг. появились барботажные колонны (колонки) с провально-переливными тарелками.

Следует отметить, что такие тарелки являются самыми примитивными и в химической промышленности практически не встречаются, в энергетике же они остались самыми распространенными до настоящего времени.

С 1998 г. в России и некоторых странах СНГ активно рекламируются щелевые деаэраторы фирмы «Кварк», струйные циклон-деаэраторные головки «Фисоник», вакуум-атмосферные деаэраторы «Авакс» и некоторые другие. Судя по рекламе, они не требуют подвода пара и обладают прочими достоинствами. Все эти аппараты относятся к струйной технике и, кроме деаэрации, предлагаются для использования в ряде других процессов.

С 1970-х гг. применяются прямоточные распылительные деаэраторы группы «Туман» (ДАПР, ДВПР), разработки НПО «Политехника», обладающие своими достоинствами.

Процесс деаэрации.

С точки зрения процессов массообмена термическая деаэрация воды относится к случаям десорбции труднорастворимых газов (О2 и СО2) в условиях, когда за счет нагревания воды до температуры насы-щения их растворимость практически равна нулю. Нетрудно показать, что при этом в отношении величины движущей силы процесса между противотоком и прямотоком практически нет никакой разницы, что позволяет использовать преимущества последнего.

Деаэрация может быть атмосферной, вакуумной и повышенного давления. Последняя применяется в схемах регенерации паровых турбин, а по закономерностям процессов и конструктивным решениям аппаратов ничем не отличается от атмосферной, с той лишь разницей, что к прочностным показателям корпуса колонки предъявляются более жесткие требования.

Греющей средой при деаэрации во всех случаях является водяной пар. Однако если при атмосферной деаэрации он берется от внешнего источника, то при вакуумной – образуется в результате вскипания специально подаваемой в колонку воды, перегретой по отношению к рабочему давлению. Известны случаи использования под вакуумом греющего пара, но это, скорее, исключение, чем правило.

При деаэрации воды с температурой, превышающей температуру насыщения (режим перегретой воды), в колонке вскипает деаэрируемая вода. В этом случае пар необходим только для образования выпара.

Независимо от давления в колонке процесс деаэрации можно разделить на три стадии: подогрев воды до температуры насыщения, собственно деаэрация, т.е. выделение газов из воды в паровую среду (выпар), и охлаждение выпара (утилизация тепла избыточного пара).

Указанные процессы протекают на развитой тем или иным способом поверхности контакта фаз (воды и пара). В традиционных барботажных деаэраторах – поверхность пузырьков пара, барботирующего сквозь слой воды на тарелках, а также, в незначительной мере, поверхность струй воды; в упомянутых выше струйных аппаратах – поверхность струй (плоских и цилиндрических); в аппаратах «Туман» – поверхность капель, образованных при распыливании деаэрируемой воды специальными форсунками.

Деаэраторы (сравнительная оценка).

Известно, что поверхность контакта, образующаяся при распыливании жидкой фазы (при прочих равных условиях) на порядок выше поверхности барботажных пузырей и на 2–3 порядка поверхности, разворачиваемой в виде пленок и струй.

При подаче воды в барботажный деаэратор разница между температурой ее нагрева и температурой насыщения не должна превышать 20–30 °С (в атмосферных аппаратах температура подаваемой воды должна быть не ниже 70–80 °С), в противном случае работа установки может сопровождаться гидравлическими ударами. На верхних тарелках деаэратора вода нагревается до температуры насыщения; стекая ниже, она освобождается от растворенных газов. Выпар направляется в отдельно стоящий охладитель (обычно – поверхностный кожухотрубный теплообменник).

В деаэраторах «Туман» все три стадии совмещены, а способ развития поверхности контакта фаз и организации их движения в принципе исключают возникновение гидроударов. В этой связи вода в колонку может подаваться с любой заданной температурой, и уже на расстоянии 100–150 мм (участок струйнокапельного подогрева) от форсунок она прогревается до температуры насыщения, а при дальнейшем движении (1200–1500 мм) деаэрируется до нормативного уровня. Охлаждение выпара также сопровождается практически полной деаэрацией охлаждающей воды. Это позволило выполнить колонки «Туман» со встроенным охладителем выпара.

Все струйные деаэраторы требуют обязательного предварительного перегрева деаэрируемой воды выше температуры насыщения. В табл. приведены данные (взятые из рекламных материалов фирмы «Кварк»), иллюстрирующие зависимость остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде от температуры, с которой она поступает в струйный деаэратор.

На наш взгляд, эти цифры выглядят излишне оптимистичными, хотя и отражают очевидную закономерность. Только при температуре выше 100 °C вода частично вскипает, образуя ту самую паровую атмосферу (выпар), в которую и могут перейти растворенные газы, и то при условии атмосферного давления в деаэра-торе. Подключение охладителя выпара картину усугубит и потребует большего (до 106–108 °С) перегрева воды. Вероятно, по этой причине о судьбе выпара разработчики струйных деаэраторов предпочитают не говорить, полагая, очевидно, что он весь выбрасывается в атмосферу.

Итак, барботажные деаэраторы требуют частичного подогрева воды и установки охладителя выпара (для исключения потерь тепла и конденсата греющего пара). Струйные деаэраторы требуют предварительного перегрева воды на 4–8 градусов выше температуры насыщения, а их работа сопровождается потерями с выпаром тепла и конденсата паров вскипания. Совмещая в себе три единицы оборудования, прямоточные распылительные деаэраторы типа «Туман» исключают потери с выпаром. Они позволяют организовать процесс деаэрации примерно в два раза дешевле, чем по традиционной технологии, требующей, кроме собственно деаэратора, наличия подогревателя воды, охладителя выпара и предохранительного устройства.

Отметим: атмосферные деаэраторы зарубежных фирм принципиально не отличаются от отечественных. Все они – противоточные и (в большинстве своем) барботажные. Их высокая стоимость не компенсируется более эстетичным внешним оформлением.

Проблемы вакуумной деаэрации.

Вакуумная деаэрация получила распространение в период широкомасштабной теплофикации населенных пунктов и развернутого строительства водогрейных котельных. Отсутствие в котельной источника пара (паровых котлов) делает вакуумную деаэрацию, на первый взгляд, безальтернативной, что не совсем так.

Кроме того, в промышленных (на предприятиях, где не требуется пар для технологических нужд), городских и районных котельных получила распространение практика перевода паровых котлов в водогрейный режим. Отказ от производства пара упрощал взаимоотношения с органами котлонадзора, а обосновывался снижением затрат на собственные нужды (экономией топлива). Последнее – очевидное заблуждение, ведь создание и поддержание вакуума требуют затрат энергии. Проблемы, связанные с вакуумной деаэрацией, не ограничиваются перечисленными; условно их можно разделить на технологические, экономические и конструктивные.

Первой из технологических проблем следует назвать значительное усложнение технологической схемы деаэрационной установки, обусловленное необходимостью вакуумной ветви, которая обычно включает либо паровой эжектор с поверхностным теплообменником, конденсатоотводчиком, запорной арматурой и т.д., либо водоструйный эжектор с холодильником, газоотделителем, насосом и т.д. (редко при малой производительности используются вакуум-насосы).

Более сложная технологическая схема с целым рядом дополнительных параметров, включающих разряжение в колонке, давление и температуру пара до и после эжектора, его расход и пр., влечет за собой значительное усложнение управляемости и схемы автоматизации установки. Последнее усугубляется еще и тем, что некоторые параметры взаимообусловлены, например, разряжение и температура насыщения.

Недогрев деаэрируемой воды до температуры насыщения в вакуумных деаэраторах ведет к значительно большим значениям равновесного (предельного остаточного) содержания кислорода в обработанной воде, по сравнению с атмосферной деаэрацией. И чем глубже разряжение, тем круче эта зависимость. Так, недогрев на один градус в атмосферном деаэраторе соответствует 30 мкг/л (что в большинстве случаев меньше норматива – 50 мкг/л), а в вакуумном при разряжении 86 кПа – 60 мкг/л. Отметим также сложность наладки и эксплуатации вакуумной деаэрационной установки.

Об экономических проблемах. Как уже отмечалось, создание и поддержание вакуума требуют дополнительных капитальных (эжектор, теплообменник, трубопроводы и т.д.) и эксплуатационных затрат. Независимо от типа вакуумного деаэратора, корпус его колонки испытывает значительно большие нагрузки, чем в аппарате атмосферного типа, что приводит к ее удорожанию. Следует упомянуть и о дорогостоящей по капитальным и эксплуатационным затратам схеме автоматизации вакуумного деаэратора.

Конструктивные проблемы, кроме повышенных требований к прочности корпуса, связаны с типом колонки. Как и атмосферные, их можно разделить на противоточные и прямоточные. Из противоточных первыми начали применяться вертикальные двухступенчатые струйно-барботажные колонки ДВ, разработанные в ЦКТИ и представляющие собой модификацию традиционных атмосферных колонок. Позже в УралВТИ были разработаны горизонтальные колонки ДСВ, которые к настоящему времени получили наибольшее распространение, особенно в большой энергетике. Отметим также: конструкции традиционных атмосферных (ДА, ДСА) и вакуумных (ДВ, ДСВ) колонок значительно отличаются: атмосферный деаэратор не может работать в вакуумном режиме, а вакуумный – в атмосферном.

Из прямоточных следует упомянуть струйные деаэраторы, которые в отношении режима можно считать универсальными, так как в любом случае требуют подачи перегретой воды и конструктивно (в том числе и по части недостатков) от атмосферных аналогов не отличаются. Прямоточные распылительные колонки ДВПР (рис.) группы «Туман» могут работать в любом режиме, в том числе и перегретой воды. Они значительно проще по конструкции, удобнее в обслуживании и ремонте.

Наличие в конструкции этих аппаратов эффективного охладителя выпара позволяет, с одной стороны, обеспечивать высокий (30–50 и более кг/т) внутренний удельный расход выпара, а с другой – свести к минимуму объем отсасываемых эжектором пара, что позволяет обойтись эжектором меньшей мощности и снизить затраты на создание вакуума.

Ввод в колонку как деаэрируемой, так и перегретой воды в виде скоростного потока капель обуславливает возможность подключения к одному эжектору любого числа колонок, что упрощает и удешевляет схему. Колонки ДВПР отличают также стабильность эксплуатационных характеристик, легкий запуск и быстрый выход на рабочий режим, что обусловлено отсутствием в них инерционной массы воды. Нет в данном случае и жесткой привязки температуры деаэрированной воды к температуре насыщения.

Главный вывод из обсуждения проблем вакуумной деаэрации состоит в том, что во всех случаях, когда есть возможность использовать атмосферную деаэрацию, от вакуумной следует отказываться.

Даже в чисто водогрейных котельных оправдана установка небольшого парогенератора, что и практикуется за рубежом, например в США, где вакуумная деаэрация не применяется вообще.

Если же все-таки решено использовать вакуумную деаэрацию, следует, прежде всего, избежать ошибок технологии. Для стабильной и устойчивой работы схемы вакуумный режим (особенно с колонками ДВ и ДСВ) должен быть максимально мягким; деаэрацию следует осуществлять при неглубоком разряжении, соответствующем температуре насыщения 80–90 °С.