Модернизация систем водяного охлаждения печного оборудования предприятий цветной металлургии

На предприятиях цветной металлургии для плавки медных и никелевых концентратов применяют автогенные печи Ванюкова. Плавка производится в шлакоштейновой ванне печи, куда подаётся кислородно-воздушная смесь. Процесс плавки требует непрерывной и надёжной работы системы охлаждения кессонированных элементов печи.

Специалисты ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ» выполнили обследования на предприятиях цветной металлургии России и Казахстана и выявили ряд общих технологических проблем, которые существенно затрудняют эксплуатацию систем охлаждения печей Ванюкова. Именно поэтому эксперты предприятия разработали технические решения для обеспечения их надёжности и эффективности.

Для охлаждения печей применяют, как правило, двухконтурную систему водоснабжения, показанную на рис. 1.

В кессоны печи подают химически очищенную воду первого (закрытого) контура, которую охлаждают в кожухотрубных теплообменниках водой второго (открытого) контура. Его нагретую воду охлаждают, как правило, на испарительных вентиляторных градирнях или в брызгальных бассейнах. Этот контур пополняется из природного источника: реки или водохранилища.

Обследование системы водоснабжения для охлаждения печей одного из предприятий Казахстана показало следующее.

1. Внутренняя поверхность труб в теплообменниках, по которым циркулирует вода открытого контура, покрывается значительным слоем отложений карбоната кальция, продуктов коррозии и природных минеральных частиц, что увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает коэффициент теплопередачи (рис. 2).
2. Внешняя поверхность труб также покрыта продуктами коррозии, поскольку в закрытом контуре для охлаждения кессонов используется химочищенная вода с относительно высоким содержанием кислорода и углекислого газа (рис. 3).
3. Установленные вентиляторные градирни открытого контура не обеспечивают необходимый теплосъём и нуждаются в реконструкции с целью увеличения производительности и снижения капельного уноса.

Состав подпиточной воды открытого контура охлаждения кожухотрубных теплообменников приведён в табл. 1.

Состав воды, циркулирующей в контурах системы охлаждения печи, приведён в табл. 2.
Карбонатный индекс (И_к=Щ_об x Ж_Са) для подпиточной воды открытого контура равен:
И_к=4,5×2,4=11,0 (мг-экв/дм³)²

В соответствии с нормативными требованиями [1], предельное значение величины карбонатного индекса подпиточной воды для открытой системы теплоснабжения равно 4. При большем значении повышается вероятность образования отложений карбонатов с интенсивностью более 0,1 г/(м²·ч). Склонность воды к выделению карбоната кальция подтверждает величина рассчитанного индекса Ланжелье, равная 1,0.

Таким образом, анализ состава подпиточной воды (табл. 1) свидетельствует о том, что она нестабильна, в процессе использования (при нагреве и упаривании) склонна давать солевые отложения на поверхностях теплообменного оборудования и поэтому нуждается в специальной обработке.

Действительно, как показала практика эксплуатации трубчатых теплообменников, установленных в контурах оборотной системы водоснабжения печи Ванюкова, их приходится выводить на очистку от образовавшихся отложений каждые два месяца.

Кондиционирование (деаэрацию и ингибирование) для подавления коррозии труб и оборудования должна проходить также и химочищенная вода закрытого контура. Её коррозионная активность связана с высоким содержанием кислорода и углекислого газа.

Ввиду постоянно изменяющихся условий в системах оборотного водоснабжения нарушается баланс растворённых в воде солей и происходит выпадение в осадок солей жесткости, в первую очередь карбоната кальция (CaCO₃). Вместе с солями кремниевой кислоты они в значительной степени становятся главной причиной образования отложений на стенках труб и оборудования.

Вследствие прогрессирующего обрастания солевыми отложениями теплопередающих поверхностей теплообменной аппаратуры и труб возрастают потери тепла и нарушаются технологические процессы вплоть до аварийной остановки основного технологического оборудования.

Национально организованный водно-химический режим эксплуатации системы оборотного водоснабжения должен обеспечивать надёжную эксплуатацию всех её элементов за счёт предотвращения как любых типов отложений на поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводов, так и всех типов коррозионных повреждений. Для обеспечения требований к качеству воды необходима специальная физико-химическая обработка природной воды (химводоподготовка), включающая следующие технологические стадии:

• очистка воды от взвеси, органических веществ и соединений железа,
• умягчение или частичная деминерализация,
• удаление из воды агрессивных газов (О₂ и СО₂),
• коррекционная обработка (ингибиторы, серная кислота).

В отличие от подготовки питательной воды для котлов и сетевой воды в системах отопления, для рассматриваемых охлаждающих систем отсутствуют общие правила обработки подпиточной и оборотной воды. В настоящее время подпитка закрытого контура осуществляется химически очищенной умягчённой водой (натрий-катионирование).

Опыт эксплуатации кожухотрубных теплообменников показывает, что внешняя поверхность труб, омываемых умягчённой водой, подвержена кислородной коррозии. В качестве метода борьбы с этим процессом возможен вариант охлаждения деаэрированной умягчённой водой.

Для реализации технологической системы получения деаэрированной воды может быть предусмотрена установка деаэратора, теплообменника для охлаждения воды после деаэрации со 105 до 50 ⁰С, ёмкостного и насосного оборудования. Однако использование деаэрированной воды при повышенном солесодержании не может гарантировать полную защиту от коррозии. Поэтому для повышения надёжности дополнительно должно быть предусмотрено дозирование ингибитора коррозии.

Отсюда следует, что организация указанного сложного процесса деаэрирования связана с приобретением и установкой дорогостоящего оборудования и требует повышенных эксплуатационных затрат. Поэтому в качестве альтернативного варианта для удаления кислорода из умягчённой воды предлагается использовать реагентный метод.

Снизить концентрацию растворённого кислорода можно с помощь реагентов-восстановителей, таких как сульфит натрия, метабисульфит натрия, оксид серы (IV, VI), гидразин и другие реагенты на их основе. При введении в воду избытка восстановителя содержание растворённого кислорода может быть снижено до значений порядка 0,001 мг/дм³.

Для связывания кислорода в воде контура предложено использовать реагент на основе катализированного сульфита натрия. Подобные соединения применяют в системах водоснабжения низкого и среднего давления различных энергообъектов. Дозирование указанных реагентов-восстановителей позволяет отказаться от дорогостоящего дополнительного оборудования, которое применяется в схеме с деаэратором.

Результаты обследования позволили выявить ряд других проблем в работе открытого контура охлаждения: вода коррозионна и склонна к отложениям карбоната кальция; имеются признаки биологических загрязнений; при охлаждении на градирне в воду попадают частицы пыли из воздуха, которые совместно с карбонатом кальция и взвешенными веществами подпиточной воды формируют отложения, накапливающиеся в трубном пространстве теплообменных аппаратов. Для уменьшения в этом контуре скорости коррозии, предотвращения образования минеральных отложений и развития биологических процессов предлагается использовать стабилизационную обработку воды ингибитором.

В настоящее время для устранения коррозии и солеотложения в системах оборотного водоснабжения разных предприятий нашли широкое применение ингибиторы на основе органофосфонатов. Специалисты НПФ «ЭКО-ПРОЕКТ» испытали в лаборатории один из реагентов этого класса. В ходе экспериментов пробу подпиточной воды обрабатывали раствором ингибитора, после чего упаривали в несколько раз, моделируя концентрирование воды в открытом контуре.

В упаренной воде определяли скорость электрохимической коррозии стали и оценивали её склонность к образованию карбонатных отложений. Стабильность воды оценивали по изменению расчётной и фактической концентрации кальция и величины щёлочности упаренной воды. Результаты представлены в табл. 3.

Показатели упаренной без реагентов воды свидетельствуют о её склонности к отложениям.
Изменение скорости электрохимической коррозии стали в зависимости от коэффициента концентрирования представлено на рис. 4.

Из полученных данных следует, что в присутствии ингибитора скорость коррозии в упаренной воде существенно ниже, чем в воде, не обработанной реагентом. Таким образом, использование реагентов-ингибиторов позволит надёжно подавить процесс образования карбонатных отложений и снизить скорость коррозии до нормативных значений.

Источниками поступления взвешенных веществ в открытые контуры охлаждения печи является пыль, захватываемая водой на градирнях, и загрязнения подпиточной воды из поверхностного источника. Для очистки оборотной воды от взвешенных веществ предусматривается фильтрование её части через зернистую загрузку (кварцевый песок) либо через тонкую перегородку: перфорированную сетку или щелевые каналы.

Опыт эксплуатации показывает, что фильтрование через зернистый слой имеет наиболее широкую область применения. Метод имеет различное аппаратурное оформление (безнапорные и напорные скорые фильтры, многослойные фильтры и др.).

Всесторонне эффективным, по опыту НПФ «ЭКО-ПРОЕКТ», является вариант, основанный на использовании самопромывающихся песчаных фильтров, поскольку он наиболее прост, не требует от эксплутационного персонала высокой квалификации, а грязную промывную воду из фильтров данного типа можно равномерно, без залповых сбросов отводить на узел очистки или в систему производственно-дождевой канализации для последующей переработки и использования в системе водного хозяйства предприятия [2].

Для обеспечения рекомендованной концентрации взвешенных веществ в оборотной воде (до 10 мг/м³) и исключения накопления взвеси в резервуарах и бассейнах градирен достаточно очищать на песчаных фильтрах от 5 до 7% от её расхода, что и рассчитывается балансовым методом. Указанное подтверждено опытом промышленной эксплуатации систем оборотного водоснабжения с самопромывающимися фильтрами, разработанными и производимыми ООО «Предприятие «НПФ «ЭКО-ПРОЕКТ» (рис. 5).

Ориентируясь на данные, приведённые выше, специалисты предложили схему системы оборотного водоснабжения печи Ванюкова. Рекомендуемое решение представлено на рис. 6.

Выводы

Реализация разработанных Группой компаний «ЭКО-ПРОЕКТ» технических решений позволит решить основные проблемы и обеспечить эффективную эксплуатацию системы оборотного водоснабжения печей Ванюкова:

• снизить скорость коррозии и образования солевых отложений в технологическом оборудовании и трубопроводах до допустимой величины, что обеспечит паспортные характеристики работы теплообменных аппаратов;
• уменьшить, вплоть до исключения, накопление грязевых отложений в резервуарах, бассейнах градирен и межтрубном пространстве теплообменников;
• существенно увеличить межремонтный период работы теплообменных аппаратов;
• сократить эксплуатационные, в том числе энергетические, затраты.

Для получения максимального технологического и экономического эффекта перед разработкой проектной и рабочей документации по реконструкции системы оборотного водоснабжения следует выполнить её обследование, лабораторные и желательно опытно-промышленные испытания.

Текст: Галкин Юрий Анатольевич, директор ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ», доктор технических наук, профессор кафедры «Водное хозяйство и технология воды» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина;
Басков Евгений Михайлович, директор ООО «Предприятие «НПФ ЭКО-ПРОЕКТ»;
Уласовец Евгений Аркадьевич, главный инженер, канд. техн. наук, ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ»;
Обадин Дмитрий Николаевич, начальник экспериментально-наладочного отдела, канд. техн. наук, ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ»;
Царев Николай Сергеевич, ведущий инженер-технолог, канд. техн. наук, ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ», доцент кафедры «Водное хозяйство и технология воды» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина;
Ермаков Денис Владимирович, заместитель главного инженера, Ph.DTechEng, ООО «Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ».

Литература

1. РД 34.37.504-83. Нормы качества подпиточной и сетевой воды тепловых сетей
2. Галкин Ю. А. Технология очистки сточных вод производственно-дождевой системы канализации на основе принципа динамического регулирования // Водоснабжение и санитарная техника. 2024. № 12. С. 32-42.