Sản xuất ra hơi với chất lượng theo yêu cầu phụ thuộc vào việc kiểm soát xử lý nước để đảm bảo mức độ tinh khiết của hơi, các hạt rắn và ăn mòn. Lò hơi là bể thu gom của hệ thống lò hơi. Đấy là nơi nhận tất cả những chất bẩn của quá trình trước. Hoạt động của lò hơi, hiệu suất và tuổi thọ sử dụng là sản phẩm trực tiếp của việc lựa chọn và kiểm soát nước cấp sử dụng trong lò hơi.
Khi nước cấp vào lò hơi, nhiệt độ bay hơi và áp suất sẽ khiến các thành phần của nước hoạt động khác đi. Phần lớn các thành phần trong nước có thể hoà tan. Tuy nhiên, do có nhiệt và áp suất, phần lớn các thành phần có thể hoà tan đó lại chuyển thành chất rắn dạng hạt, có lúc dưới dạng tinh thể và có lúc dưới dạng vô định hình. Khi vượt quá ngưỡng hoà tan của các thành tố trong nước, sẽ xảy ra cặn bám. Nước lò hơi không được có cặn bám nhằm đảm bảo hoạt động truyền nhiệt hiệu quả, và không có kim loại lò hơi ăn mòn.
2.3.1 Kiếm soát cặn bám
Cặn bám có thể dẫn đến độ cứng của nước cấp và các tác nhân ăn mòn của hệ thống nước ngưng và nước cấp. Độ cứng của nước cấp có thể do hệ thống làm mềm nước không hiệu quả. Cặn bám và ăn mòn sẽ gây ra tổn thất năng lượng và làm hỏng các ống lò hơi, cản trở quá trình sản xuất hơi. Các cặn bám đóng vai trò là yếu tố cách nhiệt, làm chậm quá trình truyền nhiệt. Cặn bám nhiều trong lò hơi làm chậm quá trình truyền nhiệt, giảm đáng kể hiệu suất lò hơi. Các loại cặn bám khác nhau gây ra các ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất lò hơi. Khả năng cách nhiệt của cặn bám làm tăng nhiệt độ kim loại lò hơi và làm hỏng ống do quá nhiệt.
2.3.2 Các tạp chất gây nên cặn bám
Hóa chất quan trọng nhất trong nước ảnh hưởng đến việc tạo thành cặn bám trong lò hơi là muối can xi và magie, được gọi là muối cứng. CaCO3 và MgCO3 hoà tan trong nước tạo ra dung dịch kiềm và những muối này làm muối kiềm cứng. Chúng phân huỷ dưới tác động của nhiệt, giải phóng CO2 và tạo thành bùn mềm, xả ra ngoài. Chúng được gọi là độ cứng tạm thời có thể loại bỏ bằng cách đun lên. Canxi sulfat và magie sulfat, clorua và nitrat, vv…khi tan trong nước là trung hoà về mặt hoá học và được xem là cứng phi kiềm. Đây là các hoá chất cứng vĩnh cửu và tạo thành lớp cặn cứng trên bề mặt lò hơi, rất khó loại bỏ. Những hoá chất phi kiềm ra khỏi dung dịch do khả năng hoà tan giảm khi nhiệt độ tăng, theo nồng độ do bay hơi trong lò hơi, hoặc do thay đổi hoá chất sang một hợp chất kém tan hơn..
2.3.3 Silic oxit
Sự có mặt của silic oxit trong nước lò hơi có thể tăng lên, tạo ra cặn silic oxit cứng. Nó cũng có thể kết hợp với các muối magie tạo thành magie silicat và canxi silicat, với độ dẫn nhiệtrất thấp. Silic oxit sẽ làm tăng cặn trong cánh tua bin, sau khi được đưa vào dưới dạng giọt nước nhỏ giọt trong hơi hoặc dưới dạng dễ bay hơi trong hơi ở áp suất cao. Có hai dạng xử lý nước lò hơi là xử lý nước bên ngoài và xử lý nước bên trong.
2.3.4 Xử lý nước bên trong
Xử lý nước bên trong là cách thêm hoá chất vào lò hơi để ngăn đóng cặn. Các chất tạo thành cặn bám được chuyển thành dạng bùn và thải ra ngoài qua xả đáy. Phương pháp này chỉ dùng với lò hơi sử dụng nước cấp có độ cứng và áp suất thấp, nồng độ TDS trong nước vừa phải, và khi khối lượng nước xử lý ít. Nếu những điều kiện trên không được đáp ứng, phải xả đáy ở mức cao để có thể xả hết bùn. Như vậy sẽ không kinh tế vì có tổn thất nhiệt và nước.
Các nguồn nước khác nhau cần các loại hoá chất khác nhau. Cách này sử dụng natri cacbonat, natri aluminat, natri phosphat, natri sunfit, và các hợp chất có nguồn gốc thực vật hoặc vô cơ. Các hoá chất chuyên dụng phù hợp với các điều kiện nước khác nhau hiện có sẵn
2.3.5 Xử lý nước bên ngoài
Xử lý nước bên ngoài là cách nhằm loại bỏ các chất rắn lơ lửng, chất rắn hoà tan (đặc biệt là các ion magie và canxi là các chất chính gây ra đóng cặn lò hơi) và các khí hoà tan (O2 và CO2).
Các quá trình xử lý nước bên ngoài hiện có là:
– Trao đổi ion
– Loại bỏ không khí (cơ học và hoá học)
– Thẩm thấu ngược
– Khử khoáng
Trước khi áp dụng bất kỳ quy trình nào trong số các quy trình trên, cần loại bỏ chất rắn lơ lửng và màu của nước thô, vì những yếu tố này có thể làm bẩn các nhựa trao đổi sử dụng trong các phần xử lý tiếp theo.
Các phương pháp xử lý sơ bộ gồm có phương pháp lắng lọc sử dụng bể lắng hoặc thiết bị lọc bổ sung chất làm đông và chất keo tụ. Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp lọc cát áp suất với khí phun để loại bỏ CO2 và sắt, để loại bỏ các muối kim loại ra khỏi nước giếng khoan.
Giai đoạn đầu tiên của xử lý là khử muối cứng và muối không cứng. Nếu chỉ khử muối cứng gọi là làm mềm, còn loại bỏ toàn bộ muối ra khỏi dung dịch gọi là khử khoáng.
Các quá trình xử lý nước bên ngoài được mô tả dưới đây:
Quy trình trao đổi ion (dây chuyền làm mềm)
Trong quy trình trao đổi ion, nước được đưa qua một lớp zeolit tự nhiên hoặc nhựa thông để khử độ cứng mà không tạo thành chất kết tủa nào. Kiểu đơn
Phản ứng làm mềm:
Na2R + Ca(HCO3)2 « CaR + 2 Na(HCO3)
Phản ứng hoàn nguyên
CaR + 2 NaCl « Na2R + CaCl2
giản nhất là “trao đổi cơ bản”, trong đó các ion canxi và magie trao đổi với các ion natri. Sau khi bão hoà, ta đạt được hoàn nguyên với NaCl. Muối natri là muối tan, không đóng cặn ở lò hơi. Vì trao đổi cơ bản chỉ thay thế canxi và magie với natri, nó không làm giảm nồng độ TDS và chất lượng xả đáy. Phương pháp này cũng không làm giảm tính kiềm.
Khử khoáng là phương pháp loại bỏ hoàn toàn tất cả các muối. Có thể đạt được điều đó bằng cách sử dụng nhựa trao đổi các “cation” để trao đổi cation trong nước thô với các ion hyđrô, tạo ra HCl, H2SO4 và H2CO3. H2CO3 được khử trong một bể khử với khí thổi qua nước axít.
Theo đó, nước đi qua bình chứa “anion”, để trao đổi các anion với axít vô cơ (v.d. H2SO4), tạo ra nước. Cần hoàn nguyên anion và cation theo định kỳ, sử dụng điển hình là các axít vô cơ (hoàn nguyên anion) và xút (hoàn nguyên cation). Lựa chọn nhựa trao đổi các anion chuẩn sẽ giúp loại bỏ silic oxit.
Có thể sử dụng các quy trình trao đổi ion để khử khoáng toàn phần, nếu cần, như với các lò hơi của nhà máy điện lớn.
Loại bỏ không khí
Ở phương pháp loại bỏ không khí, các khí hoà tan như O2 và CO2 được loại bỏ bằng cách đun sơ bộ nước cấp trước khi đưa vào lò hơi. Tất cả các loại nước tự nhiên đều chứa khí hoà tan. Một số khí nhất định như như O2 và CO2 làm tăng ăn mòn nhiều. Khi đun trong lò hơi, CO2 và O2 được giải phóng dưới dạng khí, kết hợp với H2O tạo thành H2CO3.loại bỏ O2 và CO2 và các khí khác trong nước cấp lò hơi là rất quan trọng đối với tuổi thọ của thiết bị lò cũng như sự an toàn khi vận hành. H2CO3 ăn mòn kim loại, giảm tuổi thọ của thiết bị và ống. Nó cũng làm tan sắt (Fe), khi quay trở lại lò hơi, chất này sẽ kết tủa, tạo cặn bám lò hơi và ống. Cặn sắt không chỉ làm giảm tuổi thọ của thiết bị mà còn tăng lượng năng lượng cần sử dụng để truyền nhiệt.
Loại bỏ không khí cơ học
Loại bỏ không khí cơ học để loại bỏ các khí hoà tan thường được sử dụng trước khi thêm chất tẩy oxy.Loại bỏ không khí cơ học dựa trên quy luật vật lý của Charles và Henry.
Một cách tóm tắt, những quy luật này chỉ ra rằng có thể loại bỏ O2 và CO2 bằng cách gia nhiệt cho nước cấp lò hơi, nhờ đó làm giảm nồng độ O2 và CO2 ở nước cấp. Phương pháp Loại bỏ không khí cơ học sử dụng kinh tế nhất tại điểm sôi của nước ở áp suất của thiết bị loại bỏ không khí. Thiết bị loại bỏ không khí cơ học có loại chân không và loại áp suất.
Thiết bị loại bỏ không khí chân không hoạt động ở mức áp suất khí quyển dưới đây, tại khoảng 82oC, và có thể giảm hàm lượng O2 trong nước xuống dưới 0,02 mg/l. Cần sử dụng bơm chân không hoặc bơm hơi để duy trì chân không.
Thiết bị loại bỏ không khí áp suất hoạt động bằng cách đưa hơi vào nước cấp qua van kiểm soát áp suất để duy trì áp suất vận hành mong muốn, vì vậy, nhiệt độ ở mức tối thiểu 105oC.
Hơi làm tăng nhiệt độ nước giải phóng O2 và CO2 ra khỏi hệ thống. Thiết bị này có thể giảm hàm lượng O2 xuống 0,005 mg/l.
Khi có hơi áp suất thấp dư, có thể lựa chọn áp suất vận hành để tận dụng hơi dư, nhờ đó, nâng cao hiệu quả kinh tế của nhiên liệu. Trong hệ thống lò hơi, hơi được ưa chuộng dùng cho loại bỏ không khí vì:
– Hơi đặc biệt không có O2 và CO2
– Hơi luôn sẵn có
– Hơi giúp gia nhiệt cần thiết để phản ứng hoàn tất
Loại bỏ không khí hoá học
Mặc dù các thiết bị loại bỏ không khí cơ học giúp giảm O2 xuống mức rất thấp (0,005 mg/l nhưng một lượng O2 rất nhỏ cũng có thể gây ra tác hại ăn mòn hệ thống. Do đó, các kinh nghiệm vận hành hợp lý cho thấy cần phải loại bỏ nốt phần C rất nhỏ đó với chất loại bỏ O2 như natri sulfit hoặc hidrazin. Natri sulfit phản ứng với O2 tạo thành natri sulfat, giúp tăng TDS trong nước lò hơi và tăng chất lượng nước cấp qua xử lý và yêu cầu xả đáy. Hidrazin phản ứng với O2 tạo thành nitơ và nước. Cách loại bỏ này luôn được sử dụng với lò hơi áp suất cao khi lương chất rắn trong nước lò hơi thấp, và không làm tăng lượng TDS trong nước.
Thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược dựa trên nguyên tắc là khi các dung dịch với nồng độ khác nhau được tách riêng bởi màng bán thấm, nước ở dung dịch nồng độ thấp hơn sẽ đi qua màng bán thấm để hoà tan với dung dịch có nồng độ cao hơn. Nếu dung dịch có nồng độ cao hơn được điều áp quy trình sẽ ngược lại và nước từ dung dịch có nồng độ cao hơn chảy ngược về nước ở dung dịch nồng độ thấp hơn. Chúng ta gọi đó là thẩm thấu ngược.
Bản chất của màng bán thấm cho phép nước thấm qua từ từ hơn so với khoáng tan. Vì nước ở dung dịch loãng hơn sẽ hoà tan với nước ở dung dịch đậm đặc hơn, nước đi qua màng sẽ tạo ra sự chênh lệch đáng kể giữa hai dung dịch. Sự chênh lệch áp suất này là thước đo sự chênh lệch nồng độ giữa hai dung dịch và được coi là mức chênh lệch áp suất thẩm thấu.
Khi áp dụng áp suất vào dung dịch đậm đặc có áp suất cao hơn cao hơn mức chênh lệch áp suất thẩm thấu, hướng của nước đi qua màng sẽ ngược lại và quy trình thẩm thấm ngược được thiết lập. Có nghĩa là, khả năng của màng đối với nước thấm qua không thay đổi, chỉ có hướng của dòng nước thay đổi.
Sơ đồ nước cấp và nước cô đặc (dòng thải) minh hoạ hệ thống thẩm thấu ngược vận hành liên tục.
Chất lượng nước được xử lý phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch phía có áp suất cao và chênh lệch áp suất qua màng. Quy trình này phù hợp với các loại nước có TDS rất cao, như nước biển.
2.3.6 Chất lượng nước cấp và lò hơi đề xuất
Các tạp chất có trong nước của lò hơi phụ thuộc vào chất lượng nước cấp không được xử lý, quá trình xử lý được sử dụng và quy trình vận hành lò hơi. Trên nguyên tắc chung, áp suất vận hành của lò hơi càng cao, mức độ nhạy cảm của lò hơi với các tạp chất càng lớn.
