Tkc q3 chuong 08 he thong cham hoa chat (rev 3)

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHÂM HÓA CHẤT Hệ thống châm hóa chất có chức năng bổ sung một lượng chính xác các loại hóa chất cần thiết vào trong chu trình nước tuần hoàn để duy trì nồng độ hóa

HỆ THỐNG CHÂM HÓA CHẤT

8

1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHÂM HÓA CHẤT 1

2 TIÊU CHÍ THIẾT KẾ 2

2.1 Thông số đầu vào, yêu cầu đầu ra 2

2.2 Tiêu chuẩn áp dụng 2

3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 3

3.1 Lựa chọn công nghệ 3

3.2 Lựa chọn cấu hình 9

4 PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

4.1 Phụ lục 10

4.2 Tài liệu tham khảo 10

1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHÂM HÓA CHẤT

Hệ thống châm hóa chất có chức năng bổ sung một lượng chính xác các loại hóa chất cần thiết vào trong chu trình nước tuần hoàn để duy trì nồng độ hóa chất trong giới hạn phù hợp Khi nồng độ các hóa chất không được đảm bảo có thể dẫn tới kết tủa, ăn mòn trong lò hơi, turbine làm giảm khả năng truyền nhiệt, tăng chi phí vận hành bảo dưỡng Loại hóa chất được dùng để bổ sung và vị trí bổ sung tùy thuộc vào phương pháp sử dụng và chế độ vận hành (sẽ được phân tích kỹ ở phần lựa chọn công nghệ), thông thường vị trí bổ sung hóa chất là sau hệ thống xử lý nước ngưng và đầu vào của bơm cấp nước cho lò hơi Hình 8.1 là một ví dụ về việc bổ sung amonia và hydrazin cho hệ thống

Hình 8.1: Ví dụ về hệ thống châm hóa chất

Mục đích chính của việc châm hóa chất là để giảm thiểu sự kết tủa, ăn mòn Khi châm hóa chất sẽ giảm thiểu được lượng chất nhiễm bẩn (do vật liệu bị ăn mòn hòa tan vào nước) đi vào chu trình nước tuần hoàn Các nhiễm bẩn xâm nhập vào chủ yếu do sự rò

rỉ của thiết bị ngưng tụ (cả khí và nước) và nước bổ sung có chất lượng thấp Những chất nhiễm bẩn khác có thể từ hoạt động bảo dưỡng (sơn, hòa tan, quá trình rửa…) và

từ chính hoạt động châm hóa chất

Trong các chu trình nhiệt hiện đại, turbine hơi là phần nhạy cảm nhất với các chất nhiễm bẩn Nhìn chung, các chất nhiễm bẩn sẽ tập trung lại những khu vực nhất định của turbine do độ tan của các chất giảm khi nhiệt độ và áp suất hơi giảm Nếu độ tinh

khiết của hóa chất và nước tuần hoàn đạt yêu cầu thì các thiết bị trong chu trình sẽ được bảo vệ

Có rất nhiều dạng phá hủy xảy ra đối với các thiết bị trong chu trình hơi do việc sử dụng hóa chất không phù hợp Đối với lò hơi, các phá hủy này bao gồm sự ăn mòn của kiềm, sự phá hủy bởi hydrogen và nứt do ăn mòn ứng suất (stress corossion cracking) Hóa chất cũng có thể tấn công trong hệ thống nước cấp bao gồm nứt do ăn mòn ứng suất và ăn mòn mài mòn (erosion corossion)

2.1 Thông số đầu vào, yêu cầu đầu ra

Nồng độ hóa chất (ppm) theo “Hướng dẫn xử lý hóa chất chu trình cho nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch của EPRI: OT, 2005”

Amonia

pH 9,5 khi AVT (Khoảng điều chỉnh: 9,2 – 9,6)

pH 8,5 khi OT (Khoảng điều chỉnh: 8,0 – 8,5)

AVT: All volatile treatment

OT: Oxygenated treatment

Dựa vào nồng độ hóa chất và lưu lượng nước cấp cho lò hơi ta dễ dàng tính được lượng hóa chất bổ sung cho nước đầu vào

2.2 Tiêu chuẩn áp dụng

Hệ thống bổ sung hóa chất sẽ được thiết kế theo các tiêu chuẩn sau:

 API 675

3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

3.1 Lựa chọn công nghệ

Xử lý bằng hóa chất được chia làm hai khu vực khác nhau: xử lý cho lò hơi và xử lý cho chu trình Xử lý hóa chất cho lò hơi được thực hiện bằng cách châm những hóa chất không bay hơi Xử lý hóa chất cho toàn chu trình bao gồm turbine, hệ thống nước ngưng, hệ thống nước cấp cho lò hơi, thông thường đòi hỏi sử dụng các hóa chất bay hơi

Hơi nước tạo thành trong lò hơi và đi vào turbine Độ tinh khiết của hơi phụ thuộc vào quá trình châm hóa cho nước lò hơi và chất lượng nước đầu vào Nước đầu vào được bơm vào lò hơi và được gia nhiệt đến trạng thái hơi quá nhiệt trước khi đi vào turbine Phương pháp xử lý hóa chất cho lò hơi phụ thuộc vào loại lò hơi sử dụng trong chu trình Phương pháp xử lý phải đảm bảo được yêu cầu giảm thiểu ăn mòn đối với vật liệu lò hơi, giảm thiểu sự lắng đọng của các chất nhiễm bẩn và cung cấp hơi có chất lượng phù hợp với turbine

Tất cả các chất rắn hòa tan trong nước đều bị cô đặc (tăng nồng độ) khi được gia nhiệt trong lò hơi Khi nồng độ vượt quá độ tan của các chất rắn hòa tan sẽ gây ra sự lắng đọng tại các khu vực có dòng nhiệt cao của lò hơi Chất lắng đọng phổ biến nhất là những sản phẩm của quá trình ăn mòn từ hệ thống nước ngưng và nước cấp Các thành phần gây ra độ cứng (Ca2+ và Mg2+), nếu có mặt trong nước cấp, sẽ làm tăng sự lắng đọng chất rắn vì khả năng hóa tan ngược, có nghĩa là những vật liệu này sẽ ít tan hơn ở nhiệt độ cao so với nhiệt độ thấp Ngoài ra, calcium còn có thể tạo nên những cáu cặn cứng rắn Cáu cặn hình thành từ những vật liệu này tạo nên một lớp cách nhiệt bên trong lò hơi Nhưng lớp cáu cặn này sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt và có thể gây

ra quá nhiệt và phá hủy ống bên trong lò hơi

Sự ăn mòn vật liệu lò hơi là không mong muốn vì gây ra các mất mát vật liệu cấu trúc

và cản trở quá trình truyền nhiệt do tạo ra các oxide kim loại dẫn nhiệt kém Sự cách nhiệt của các sản phẩm ăn mòn có thể phá hủy ống do quá nhiệt Ngoài việc gây ra sự cách nhiệt, những chất lắng đọng này cũng tham gia vào quá trình ăn mòn kiềm và các dạng ăn mòn khác dưới dạng hiện tượng lắng đọng, tất cả các quá trình này đều gây hại trong một thời gian dài sử dụng

Việc duy trì độ tinh khiết hơi ảnh hưởng đến lượng hóa chất cho phép thêm vào lò hơi

và chất lượng nước cấp yêu cầu cho lò hơi Xử lý hóa chất lò hơi cho lò hơi sử dụng bao hơi và lò hơi trực lưu (không sử dụng bao hơi) sẽ được thảo luận ở phần sau

1 Lò hơi sử dụng bao hơi (Drum-type boiler)

Chức năng cơ bản của bao hơi là tách hơi ra khỏi pha lỏng Nước cấp đi vào lò hơi được gia nhiệt đến điểm sôi trong lò hơi Đối với lò hơi sừ dụng bao hơi, hỗn hợp lỏng và hơi được tạo ra bên trong ống, tập trung lại trong bao hơi và tách pha tại đây, hơi sau khi tách sẽ được gia nhiệt đến trạng thái quá nhiệt và đi vào turbine Việc tách pha làm tăng nồng độ các chất nhiễm bẩn hòa tan trong phần nước còn lại trong bao hơi

Phương pháp xả đáy từ lò hơi được sử dụng để kiểm soát và loại bỏ các chất rắn hòa tan khi nồng độ cao Với chất lượng nước cấp phù hợp, lượng xả đáy có thể giới hạn ít hơn 1% lưu lượng nước cấp Lưu lượng xả đáy cần được giảm thiểu để giảm tổn thất nhiệt và lượng nước tinh khiết bổ sung cho lò hơi

Một chức năng khác của bao hơi là cung cấp hơi có chất lượng phù hợp cho turbine Sự tinh khiết của hơi bị ảnh hưởng bởi sự lôi cuốn lỏng và lôi cuốn hơi

Sự lôi cuốn lỏng là sự lôi cuốn vật lý khi hơi bay khỏi bao hơi cuốn theo các giọt nước nhỏ Điều này dẫn đến sự nhiễm bẩn của hơi do nước trong bao hơi có nồng

độ cao các chất hòa tan

Sự lôi cuốn hơi là kết quả của việc bay hơi các loại hóa chất trong nước bao hơi làm nhiễm bẩn hơi vào turbine Mức độ bay hơi phụ thuộc loại hóa chất bổ sung,

áp suất bao hơi và nồng độ các chất nhiễm bẩn trong nước bao hơi Sự bay hơi silica là vấn đề khó khăn phổ biến vì độ tan khá cao của silica trong hơi tại áp suất lò hơi trung gian Do đó, các nhà sản xuất turbine đã đưa ra những giới hạn chặt chẽ về nồng độ silica trong hơi khoảng 10ug/L hoặc ít hơn Hình 8.2 cung cấp các hướng dẫn về nồng độ silica cho phép trong nước

Hình 8.2: Nồng độ tối đa silica (SiO2) cho phép trong nước lò hơi

tại các giá trị pH khác nhau

Nồng độ chất rắn trong hơi từ quá trình bay hơi và quá trình lôi cuốn lỏng phải được giới hạn để đảm bảo yêu cầu của nhà sản xuất turbine Vì cả hai quá trình trên đều bị ảnh hưởng bởi nước trong bao hơi lò hơi, do đó nồng độ trong nước bao hơi phải được kiểm soát

Để giảm thiểu sự ăn mòn, mội trường bên trong lò hơi cần dược giám sát chặt chẽ Điều này được thực hiện bằng cách duy trì pH tối thiểu bằng 9 cho lò hơi cao áp hoặc giá trị cao hơn cho lò hơi có áp suất thấp hơn Đối với lò hơi có bao hơi, người ta thường nâng pH bằng cách bổ sung muối natri photphat Muối natri photphat thêm vào sẽ thực hiện hai mục tiêu chính là: dung dịch natri photphat được lựa chọn phù hợp tạo ra một môi trường kiềm giúp nâng pH trong nước lò hơi, và gốc photphat ức chế hoặc kết hợp với canxi làm giảm khà năng lắng đọng của canxi trên bề mặt truyền nhiệt

Có ba loại muối natri photphat được sử dụng cho nước lò hơi là: mononatri photphat (tỷ lệ Na/PO4 là 1), dinatri photphat (tỷ lệ Na/PO4 là 2), trinatri photphat (tỷ lệ Na/PO4 là 3) Các loại muối này được sử dụng kết hợp với nhau để duy trì

tỷ lệ natri và photphat trong khoảng 2,4 đến 2,7

Trong một số trường hợp, kiềm đuọc sử dụng thay cho muối photphat để duy trì môi trường base trong lò hơi Tuy nhiên như đã trình bày, chất kiềm có khả năng gây ra sự đục khoét, ăn mòn trên bề mặt vật liệu

Đề khắc phục nhược điểm của các loại hóa chất trên cũng như đưa ra quá trình xử

lý thích hợp cho loại lò hơi hiện đại hơn – lò hơi trực lưu, phương pháp xử lý bay hơi hoàn toàn (all volatile treatment) sẽ được thảo luận trong phần sau

2 Lò hơi trực lưu (Once-through boiler)

Lò hơi trực lưu là loại lò hơi không sử dụng bao hơi Hơi được tạo ra trong các ống lò hơi và thu lại trong một ống góp trước quá nhiệt và đi vào turbine Vì không có bộ phận thu gom hỗn hợp lỏng và hơi nên sẽ không có việc làm tăng nồng độ các chất rắn, chất nhiễm bẩn trong lỏng, từ đó không có quá trình xả đáy như lò hơi có bao hơi Lò hơi trực lưu thường được vận hành ở điều kiện siêu tới hạn Dù là lò hơi dưới tới hạn hay siêu tới hạn thì các chất nhiễm bẩn đi vào lò hơi cũng có thể lắng đọng trong lò hơi hoặc đi qua lò hơi vào turbine Vì không

có sự tách pha trong lò hơi trực lưu nên nước đầu vào lò hơi phải có độ tinh khiết rất cao để đáp ứng yêu cầu của turbine

Để bảo vệ lò hơi không bị ăn mòn khi tiếp xúc với nước có độ tinh khiết cao, giá trị pH cao được yêu cầu để giảm thiểu sự ăn mòn Lò hơi trực lưu không sử dung bao hơi và không có quá trình xả đáy nên không thể sử dụng hóa chất không bay hơi như muối photphat để làm tăng pH Các hóa chất rắn không được loại bỏ sẽ lắng đọng bên trong ống, tạo ra những vùng quá nhiệt làm hư hỏng ống lò hơi Với yêu cầu làm tăng pH và không phải là chất rắn, lựa chọn thích hợp nhất là các hợp chất amine (thường là amonia NH3) Phương pháp này được gọi là xử lý bay hơi hoàn toàn (all volatile treatment – AVT)

Do nhu cầu sử dụng nước cấp có độ tinh khiết cao nên lò hơi trực lưu cần có hệ thống xử lý nước ngưng để loại bỏ các chất nhiễm bẩn cũng như hóa chất thêm vào Hệ thống xử lý nước sẽ được trình bày ở một chương khác trong tài liệu này

Xử lý bay hơi hoàn toàn cũng có thể sử dụng cho lò hơi có bao hơi Khi đó, tương tự như lò hơi trực lưu, chu trình nhiệt cũng cần lắp đặt hệ thống xử lý nước ngưng

1 Phương pháp xử lý truyền thống

Phương pháp điển hình giảm thiểu sự ăn mòn là nâng cao pH tạo môi trường có tính khử Để duy trì được môi trường khử, khí oxygen là tác nhân oxy hóa chính cần loại bỏ Việc loại bỏ oxygen cũng như các khí không ngưng khác được thực hiện trong thiết bị ngưng tụ và bộ xả khí Ngoài ra, tác nhân khử như hydrazine (NH2-NH2) được thêm vào để loại bỏ oxygen mà cả thiết bị ngưng tụ và bộ xả khí không loại bỏ được Môi trường có tính khử tạo nên một lớp oxide sắt từ bao phủ

bề mặt thép

Để giảm thiểu sự ăn mòn mài mòn cần làm giảm độ tan của oxide sắt từ trong nước Hình 8.3 cho thấy độ tan của oxide sắt từ là hàm của pH Từ hình này có thể thấy rõ ràng độ tan nhỏ nhất của oxide sắt từ làm ít nhiễm bẩn sắt vào trong chu trình hơi khi pH của chu trình được duy trì trong khoảng 9,5 Điều này cũng

có thể đạt được bằng cách thêm amine như amonia Những loại amine như morpholine hoặc cyclohexylamine có thể sử dụng trong chu trình áp suất thấp hơn Tuy nhiên, nhữngloại amine này sẽ bị phân hủy trong chu trình vận hành ở

áp suất trên 1500 psig (10 340 kPa) và do đó không được sử dụng ở chu trình áp suất cao hơn Thông thường, đối với các hệ thống có châm hydrazin, sự tồn tại của amonia trong chu trình vẫn có thể xảy ra do amonia là sản phẩm phân hủy từ hydrazin

Hình 8.3: Ảnh hưởng của pH đến độ tan của sắt

Hợp kim đồng đôi khi cũng được sử dụng làm chế tạo các thiết bị trong chu trình nhiệt, thông thường là ống ngưng tụ và cũng có thể là ống gia nhiệt nước cấp Hình 8.4 mô tả mối liên hệ giữa độ tan của hợp kim đồng và pH Để giảm thiểu

độ tan của đồng, làm giảm lượng đồng nhiễm bẩn đi vào chu trình, pH chu trình nên duy trì trong khoảng 8,5

Hình 8.4: Sự ăn mòn của amonia đối với hợp kim đồng

trong nước có độ tinh khiết cao

Ta có thể nhận thấy sự mâu thuẫn trong việc tìm ra pH vận hành phù hợp, vì để bảo vệ vật liệu thép cần pH khoảng 9,5, còn bảo vệ vật liệu đồng cần pH khoảng 8,5 Do đó, để dung hòa hai mục tiêu trên người ta thường điều hòa pH trong khoảng 9 và giới hạn kiểm soát từ 8,8 đến 9,2 Với khoảng pH được kiểm soát, quá trình ăn mòn không được giới hạn tới mức thấp nhất cho cả hai loại vật liệu, điều này không có lợi trong thời gian dài sử dụng Để tránh gây khó khăn trong việc tìm môi trường phù hợp cho các loại vật liệu, một số chu trình sử dụng toàn

bộ vật liệu từ các hợp kim của thép

2 Xử lý oxy hóa (Oxygenated treatment - OT)

Một phương pháp thay thế được phát triển ở Đức trong những năm đầu 1970 sử dụng cho lò hơi trực lưu Mặc dù ban đầu OT được phát triển để sử dụng cho lò hơi trực lưu, nhưng nó cũng có thể xem xét sử dụng giới hạn đối với lò hơi có bao hơi

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp OT là châm oxygen hoặc các chất oxy hóa cùng với amonia vào chu trình sử dụng toàn bộ vật liệu bằng thép Trong môi trường có tính oxy hóa, một lớp bảo vệ khác được hình thành trên bề mặt vật liệu thép Lớp bảo vệ này có thành phần là hydroxide sắt che phủ lớp cơ sở bên trong

là oxide sắt từ Hình 8.5 mô tả độ tan tương đối của oxide sắt từ và hydroxide sắt Các khảo sát từ các nhà máy đã sử dụng phương pháp OT cho thấy nó có thời gian vận hành lâu hơn đáng kể so với các nhà máy sử dụng phương pháp AVT

mà không cần quá trình làm sạch bằng hóa chất để loại bỏ các chất lắng đọng có nguồn gốc từ sắt bị ăn mòn

Hình 8.5: Độ tan hydroxide sắt theo nhiệt độ

Trong phương pháp xử lý oxy hóa, oxygen được thêm vào nước sau quá trình xử

lý nước ngưng hoặc đầu vào bơm cấp lò hơi hoặc có thể cả hai vị trí OT có thể

sử dụng tốt trong một khoảng pH khá rộng nên không cần phải nâng pH lên cao hơn 9 như phương pháp AVT nên có thể sử dụng ở pH từ 8-8,5, do đó tiết kiệm được lượng amonia sử dụng Khi áp dụng phương pháp này, vật liệu đồng có thể được sử dụng cho thiết bị ngưng tụ nhưng sau hệ thống thống xử xử lý nước

ngưng sử dụng vật liệu đồng có thể gây ra ăn mòn làm tăng lượng đồng đi vào trong nước chu trình Đây cũng là hạn chế của phương pháp OT Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy nhiệt điện hiện nay đều rất hạn chế sử dụng vật liệu đồng do một

số hạn chế của vật liệu này

Tương tự như phương pháp AVT, OT cũng yêu cầu chất lượng nước đầu vào có

độ tinh khiết rất cao và cần có hệ thống xử lý nước ngưng để làm sạch nước trước khi cấp lại lò hơi Hình 8.6 so sánh giữa hai phương pháp AVT và OT

Hình 8.6: So sánh giữa AVT và OT

Hai phương pháp AVT và OT là hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Hai hóa chất chính được sử dụng là amonia (do tính kiềm và khả năng bay hơi không để lại cáu cặn trong lò hơi) và oxygen (giúp oxy hóa bề mặt thép tạo lớp hydroxide sắt ít tan bảo vệ bề mặt) Nhìn chung, OT có nhiều ưu diểm hơn so với AVT về lượng hóa chất sử dụng ít hơn, tiết kiệm chi phí, hạn chế được sự ăn mòn nhiều hơn Tuy nhiên, OT lại có những yêu cầu nghiêm ngặt hơn

về chất lượng nước đầu vào, độ dẫn cation nhỏ hơn Do đó, sẽ có một số trường hợp chế độ OT hoạt động không hiệu quả như: Khi khởi động, lượng hơi vào turbine chưa ổn ổn định, lượng hơi cấp vào thiết bị khử khí không đủ, làm giảm hiệu quả thiết bị, giảm chất lượng nước đầu vào hoặc trong trường hợp có sự cố

rò rỉ thiết thiết bị ngưng tụ làm nhiễm bẩn nước đầu vào,…

Từ những phân tích trên, tác giả đề xuất sử dụng kết hợp cả hai phương pháp AVT và OT Trong đó, chế độ OT sẽ được sử dụng khi vận hành bình thường, chế độ AVT các trường hợp khởi động, dừng hệ thống, tải thấp, bảo trì hoặc có

sự cố

3.2 Lựa chọn cấu hình

Hệ thống châm hóa chất được đề xuất gồm hai hệ thống chính: hệ thống châm amonia

và hệ thống châm oxygen Với mỗi tổ máy, cấu hình được đề xuất như sau:

 1 x 100%: Bể chứa amonia

 1 x 100%: Bể chứ pha loãng amonia (có cánh khuấy)