Сборник статей по организации водно-химического режима теплоэнергообъектов
Иван Тихонов

Корректор Сергей Ким

© Иван Тихонов, 2024

ISBN 978-5-0056-3826-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Основы водно-химического режима паровых котлов низкого давления

В статье по возможности просто (как представляется автору) представлены основы водно-химического режима жаротрубных паровых котлов низкого давления.

Водно-химический режим (ВХР) парового котла – это эксплуатирующийся комплекс технологических решений, направленных на обеспечение безаварийной и эффективной работы парового котла.

На самом деле достичь эффективного режима работы парового котла довольно просто. Для начала главное не утонуть в неверной и малоэффективной (а иногда и вредной) информации, которой в настоящее время заполнено информационное пространство.

Для начала пару слов о воде. Вода обладает свойством входить в состояние равновесия с окружающей ее системой или с окружающими ее условиями. Т.е. вода в реке контактирует с воздухом, с землей, подземными водами, а также поверхностным стоком. В результате достигается некое равновесие между водой и окружающими ее условиями. В процессе достижения этого равновесия вода может растворять в себе различные вещества. К примеру, вода насыщается углекислотой из воздуха или от процессов окисления органики (гниения). В результате вода получает кислую реакцию и начинает растворять известняк. Растворяя известняк, вода насыщается бикарбонатом кальция при этом увеличивая значение рН. Поэтому в воде содержатся различные типы ионов и она при этом имеет сложный газовый состав. И все это находится в равновесии для данных окружающих условий. Если, к примеру, вы посчитаете индекс Ланжелье для полноводной реки, то окажется, что он всегда будет около нуля.

Теперь представьте, что данная вода попадает в котел. Окружающие условия меняются. Вода нагревается, начинает кипеть, из нее активно начинают удаляться все газы, включая углекислоту. В результате достижения нового равновесия для данных окружающих условий вода начинает выделять из себя ионы и органику в виде накипи и шлама. При этом, нагреваясь, увеличивается подвижность кислорода и, значит, увеличивается коррозионная активность.

Соответственно, задача водоподготовки – обеспечить подготовку воды таким образом, чтобы в условиях парового котла вода не вызывала коррозии оборудования и не выделяла накипь и при этом определяла высокую энергетическую эффективность работы котла.

Котлы разделяются по давлению пара. Для котлов высокого давления требования к воде очень высокие. Но за выполнениями этих требований следит целая команда специалистов. А как быть небольшому предприятию с паровым котлом низкого давления? Создавать химическую службу ради одного котла довольно затратно. Рынок аутсорсинга на этом направлении, по крайней мере в России, отсутствует.

Проблема усугубляется еще и тем, что требования к котлам низкого давления во многом схожи с котлами высокого давления. Явно прослеживается тенденция того, что требования для котлов низкого давления были просто переписаны с котлов высокого давления (за исключением требований к качеству пара).

В результате получаем очень высокие требования к организации ВХР котельной, но на практике для небольших предприятий неэнергетического профиля наблюдаем почти полное отсутствие такового.

При этом наблюдается следующий процесс. Около 80% котельных низкого давления вообще работают без водоподготовки или с «некой» водоподготовкой, когда, как говорится, лучше уж без нее. Причем иногда котел, работающий вообще без водоподготовки, может относительно неплохо эксплуатироваться, а с водоподготовкой выходит из строя. В конце концов при отсутствии надлежащей эксплуатации успешность работы котла зависит от источника водоснабжения и качества и доли возврата конденсата.

В этих условиях я хотел бы обозначить основные принципы, при которых паровой котел низкого давления может довольно успешно работать, при этом не требовать к себе «избыточного» внимания.

Прежде всего необходимо понять, что происходит с водой в паровом котле. В котле из воды начинает эффективно удаляться углекислота с паром. В результате в воде начинают появляться карбонаты. Поэтому из воды выделяется карбонат кальция в виде накипи. Этот процесс происходит в первую очередь. Если в воде присутствуют сульфаты, то возможно выпадение в осадок сульфата кальция (гипса), т.к. котловая вода упаривается и увеличивается концентрация сульфатов и остальных солей. Но выпадение гипса происходит довольно редко (только в случаях их большой концентрации в источнике водоснабжения в условиях отсутствия системы водоподготовки). Т.к. если в воде присутствует кальций, то большая его часть выпадает в осадок с карбонатами и на сульфаты его просто не хватает. Тем не менее в воде также содержится магний, который также будет выпадать в осадок с сульфатами и гидратами.

Выпадение гипса в котле возможно еще по причине дозирования в питательную воду сульфита натрия с целью связывания кислорода. В результате в воде увеличивается концентрация сульфатов и, если установка умягчения перестает работать и в воде появляется достаточное количество кальция, возможно выпадение как карбоната, так и сульфата кальция.

Поэтому самое главное, что необходимо сделать для подготовки воды – это произвести ее умягчение. В результате в воде появятся ионы натрия вместо кальция и магния. Ионы натрия не будут выпадать в осадок, и при удалении из воды углекислоты в воде будет получаться карбонат натрия (сода), а не карбонат кальция. В котле будет происходить гидролиз карбоната натрия с образованием гидрата (ОН). В результате рН воды в котле повысится. Это и есть самое главное преимущество предварительно умягченной воды.

Котловая вода в этом случае будет иметь высокое значение рН. Если в такую воду попадет кальций, он сразу будет переведен в шлам. Не в накипь, а именно в шлам. И его можно будет удалить с периодической продувкой. Если в такую воду попадет углекислота, она сразу будет переведена в бикарбонат и отогнана с паром. Т.е. котловая вода, образованная из умягченной питательной воды, является своего рода защитным буфером котла. Проскок солей жесткости она переводит в шлам, а углекислоту нейтрализует и удаляет с паром. В этом случае возможна только кислородная коррозия. Большим плюсом также является то, что если в котловой воде содержится гидрат, то кремнекислота полностью диссоциирует и не дает накипи либо выделяется в виде удаляемого шлама.

В результате можно записать следующие мероприятия для успешного ведения ВХР парового котла низкого давления.

1. Умягчение воды.

2. Максимальный возврат конденсата.

3. Деаэрирование и декарбонизация питательной воды.

4. Обратноосмотическое обессоливание.

5. Постоянный автоматический контроль значений рН и электропроводности котловой воды.

Рассмотрим каждый пункт подробнее.

1. Умягчение воды – это основной процесс водоподготовки, который должен быть реализован для парового котла низкого давления. Конечно, можно полностью обессолить воду, а затем дозировать в нее едкий натр. Но в условиях отсутствия надлежащего химического контроля – это равносильно «убийству» котла. Процесс умягчения воды для котлов низкого давления имеет еще одно очень большое преимущество, о котором будет рассказано в пятом пункте.

2. Возврат конденсата – это крайне важная составляющая успешного ВХР. В конденсат поступает много углекислоты от разложения бикарбонатов в котле. В результате в конденсатном тракте углекислота постепенно переходит в конденсат у уменьшает его рН. Как следствие начинает происходить коррозия конденсатного тракта и конденсат насыщается продуктами коррозии. Чем ниже температура конденсата, тем больше углекислоты в нем растворится и, соответственно, больше железа перейдет в конденсат. Железо будет вызывать повышенную мутность котловой воды со всеми вытекающими последствиями. Поэтому при проектировании системы возврата конденсата крайне важно избегать линий, где возможно застаивание и захолаживание конденсата. Конденсат необходимо возвращать в головку деаэратора. Преимущества этого в том, что, первое – смешиваясь с подпиточной водой, он ее нагревает и деаэрация проходит более эффективно, второе – в деаэраторной головке из конденсата отгоняется углекислота. Если конденсат возвращать непосредственно в деаэраторный бак, то углекислота вступит в реакцию с гидратом воды в деаэраторном баке. Значение рН питательной воды упадет, и потребуется больше пара на барботаж, чтобы обеспечить требуемый рН питательной воды после деаэратора.

3. Деаэрирование и декарбонизация питательной воды происходят в деаэраторе. При этом необходимо отметить разницу в процессах деаэрирования и декарбонизации. Деаэрирование эффективно происходит только в головке деаэратора. Т.е. для эффективного деаэрирования температура воды на последней (нижней) тарелке должна быть не менее 100 ⁰С. Этого сложно достичь при отсутствии предварительного подогрева подпиточной (умягченной) воды. Поэтому если в головку поступает холодная умягченная вода, требуется большой расход пара для того, чтобы получить требуемое качество питательной воды по кислороду. Особенно в условиях переменной нагрузки, что свойственно для производственных котлов низкого давления, любой массообменный агрегат (в том числе и деаэратор) работает с очень низкой эффективностью.

Вроде бы очевидно, что необходимо организовывать предварительный подогрев умягченной воды перед деаэратором. Но то, что на бумаге выглядит как теплообменник с подводом пара и воды, на практике представляет из себя очень серьезную задачу.

Во-первых, умягченная вода является крайне коррозионной из-за смещения углекислотного баланса в сторону растворения. Поэтому при подогреве такой воды наблюдается то, что можно назвать взрывная коррозия. Поэтому допустимо использовать только нержавеющую сталь.

Во-вторых, организация работы теплообменника тоже требует очень серьезного подхода. Дело в том, что нагрев происходит паром. Подпитка деаэратора умягченной водой происходит непостоянно. Соответственно, когда расход воды через теплообменник прекращается, а регулятор пара не успевает его перекрыть, к примеру, пластинчатые теплообменники сразу разрушаются оттого, что застойная вода по водяной линии теплообменника сразу вскипает.

Все это требует очень серьезного подхода к решению, казалось бы, такой простой теплотехнической задачи.

В результате, как правило, для котлов низкого давления наблюдается значительное превышение кислорода в питательной воде. Но даже в этом случае коррозии подвержены прежде всего стальной экономайзер и питательный тракт парового котла. Попадая непосредственно в котел, кислород сразу уносится с паром. В случае, когда деаэрация отсутствует полностью, скорее всего, будет наблюдаться кислородная коррозия стального экономайзера, питательного тракта и, возможно, возвратных труб котла.

Декарбонизация питательной воды – это прежде всего удаление свободной углекислоты. Свободная углекислота довольно легко удаляется непосредственно из деаэраторного бака. Дело в том, что углекислота не может удалиться в так называемый ноль. При уменьшении ее концентрации в воде начинают появляться карбонаты и, соответственно, гидраты. Гидраты связывают свободную углекислоту в бикарбонат. В результате это позволяет избежать водородной (кислотной) коррозии питательного тракта и экономайзера котла. В любом случае в котле около 90% бикарбонатов перейдет в углекислоту, которая удалится с паром.

4. Обратноосмотическое обессоливание подпиточной воды не является обязательным требованием для работы паровых котлов низкого давления в случае большой доли возврата конденсата и (или) низкого солесодержания исходной воды. Тем не менее я крайне рекомендую использовать обратный осмос в совокупности с умягчением воды. В результате мы получаем глубокоумягченную воду с низким солесодержанием. В этом случае мы имеем небольшую продувку котла. Конденсат становится значительно менее агрессивным. Поэтому даже неграмотная организация системы возврата конденсата не является критичной. Отсутствие в воде органики не вызывает зашламление котла. Все это приводит к значительному повышению надежности работы всей котельной. В результате из-за отсутствия простоев котельной и, соответственно, всей технологической цепочки предприятие не несет убытки.

5. По котловой воде, как по крови человека, можно выяснить сразу почти все болезни. Если и не почти все, то хронические уж точно.

Основные отслеживаемые параметры котловой воды – это щелочность по фенолфталеину и метилоранжу и солесодержание. Анализ на щелочность требует наличие лаборанта и лаборатории. Измерение солесодержания котловой воды можно произвести обычным кондуктометром. По общей щелочности котловой воды и солесодержанию рассчитывают некую относительную щелочность котловой воды. Вероятно, здесь существует определенное недопонимание. Понятие относительной щелочности, т.е. отношение общей щелочности к солесодержанию пришло из ВХР котлов высокого давления. Для котлов высокого давления данный параметр важен тем, что питательная вода там полностью химически обессолена и в нее дозируется едкий натр для поднятия рН для избегания углекислотной коррозии. В результате если в воду дозируется больше едкого натра, чем требуется, это может привести к вскипанию и уносу котловой воды с паром, что критично для энергетических котлов. Для котлов низкого давления, где обессоливания воды не требуется, этот параметр абсолютно не информативен. Он вообще ни о чем не говорит и поэтому вреден, т.к. многие на него ориентируются.

Для котлов низкого давления важно значение рН котловой воды и ее электропроводность. Т.к. из-за отсутствия жестких требований к качеству пара для котлов низкого давления достаточно только умягчения воды. Дело в том, что в зависимости от состава исходной воды и кратности упаривания в котле, в случае полностью умягченной воды значение рН котловой воды будет только одно и оно будет абсолютно четко соответствовать одному значению электропроводности котловой воды. Т.е. мы можем построить график зависимости значения рН котловой воды от ее электропроводности для конкретного источника водоснабжения.

Соответственно, если значение рН котловой воды падает, но при этом значение электропроводности растет или остается таким же, это говорит о том, что в котел начинают поступать соли жесткости и требуется проверка системы умягчения.

Более подробно эта методика контроля описана в статье: Тихонов И. А., «Контроль водно-химического режима паровых котлов низкого давления с использованием значения рН котловой воды». Ссылка – https://tiwater.info/the-monitoring-of-the-water-chemical-mode-of-low-pressure-steam-boilers-using-the-ph-value-of-boiler-water/

Я понимаю, что данная методика является косвенной, но она может быть полностью автоматизирована. При этом контроль может осуществляться удаленно и непрерывно. В результате можно достаточно четко отследить все изменения в ВХР котла просто посмотрев на экран смартфона.

Учитывая особенности работы установки умягчения воды (если появляется проблема, то она начинает работать, периодически выдавая жесткую воду, что сразу будет фиксироваться в виде падения значения рН котловой воды), используя данную методику, можно хоть и косвенно, но легко понять, работает ли умягчение и требуется ли более четкий химический контроль для корректировки фильтроцикла установки умягчения. В большинстве случаев на первых порах работы котельной это позволяет понять, добавляет ли персонал соль в фидер. Бывает и такое, причем довольно часто.

Для удаленных объектов это просто незаменимо.

В заключение хочу отметить, что грамотный ВХР паровых котлов низкого давления – это прежде всего нахождение равновесия воды в зависимости от окружающих условий (условий в котле и питательном тракте) при использовании массообменных процессов (умягчение, осмос, термическая дегазация). Т.к. массообменные процессы не требуют постоянного контроля и успешно работают при относительно стабильных исходных условиях. А вот дозирование различных реагентов в качестве основного инструмента ведения ВХР крайне нежелательно. Если очень хочется, то можно использовать дозирование реагентов как корректирующих и (или) стабилизирующих в очень незначительных концентрациях. Но почти во всех случаях при отсутствии или ненадлежащей работе основной системы водоподготовки дозирование реагентов приведет к довольно негативным последствиям. Так, фосфаты и сульфаты можно дозировать только в глубокоумягченную воду. Органические реагенты могут просто зашламить котел. Сульфит натрия требует постоянного обновления раствора, т.к. расходуется на окисление кислорода воздуха. Дозирование аммиака исключает использование пара в пищевых производствах и т. д. И при этом все это требует серьезного контроля, что редко бывает организовано на небольших предприятиях неэнергетического профиля.

Оценка влияния углекислоты на Водно-химический режим паровых котельных

В статье рассматривается, как углекислотное равновесие воды влияет на организацию ВХР паровой котельной.

При проектировании и эксплуатации паровых котельных низкого давления существует ряд значительных трудностей в организации водно-химического режима (ВХР) их работы.

Водно-химический режим работы паровой котельной должен обеспечивать безаварийную и экономически эффективную эксплуатацию оборудования и трубопроводов котельной.

ВХР котельной заключается в поддержании определенного состава питательной, подпиточной, котловой воды, пара и конденсата, который не вызывает повреждения оборудования котельной либо его неэффективной эксплуатации.

Вода с растворенными в ней солями и газами представляет собой устойчивую термодинамическую систему, находящуюся в равновесии с внешними условиями. При изменении внешних условий, например, увеличении температуры воды, система пытается достичь нового равновесного состояния. При этом возможно выпадение солей в виде твердого вещества из воды или, наоборот, увеличение растворимости по какому-либо веществу или выделение растворенных газов и т. п.

Таким образом для обеспечения эффективного ведения ВХР паровой котельной необходимо исходную воду подготовить таким образом, чтобы получаемый в процессе работы состав котловой воды и конденсата не вызывал порчи оборудования.

До начала 2000-х годов основной технологией подготовки воды для паровых котельных низкого давления было глубокое Na-катионитовое умягчение исходной воды. Действительно, данная технология достаточно проста в эксплуатации, имеет низкую стоимость используемого оборудования. Качество получаемой воды во многом обеспечивает безаварийную работу парового котла и другого оборудования. К основным недостаткам данной технологии можно отнести большое количество высокоминерализированных сточных вод, образующихся в процессе регенерации установки умягчения, а также то, что данная технология не только не уменьшает общее солесодержание воды, но даже незначительно его увеличивает.

С первым недостатком фактически невозможно бороться. Количество соли сбрасываемой с установки умягчения равно количеству соли, замещенной на установке, умноженное примерно на 2. Это колоссальное количество соли при сбросе в канализацию должно быть растворено в воде с концентрацией не более 1000 мг/л. Таким образом, при солесодержании воды, поступающей на умягчение около 250 мг/л, количество сточной воды с концентрацией 1000 мг/л будет всего в два раза меньше от количества умягченной воды за фильтроцикл.

Другой способ утилизации стоков Na-катионитовой установки – это выпаривание. Что также является достаточно затратной и сложной в реализации технологией, что исключает его применение, особенно для котельных небольшой производительности.

Тем не менее, фактически не имея альтернативы, технология Na-катионитового умягчения воды повсеместно применяется уже более 100 лет.

В последние 15—20 лет в теплоэнергетике начали активно использовать технологию обратноосмотического обессоливания воды. Основной недостаток данной технологии – это высокая стоимость применяемого оборудования и, как считается, большое количество образующихся стоков. Хотя количество соли, сбрасываемой с этими стоками, примерно в два раза меньше, чем количество соли, образующейся при работе установок Na-катионитового умягчения воды. Данное обстоятельство требует внимательного рассмотрения, и этому будет посвящена отдельная статья.

Принципиальное отличие технологии обратного осмоса от умягчения состоит в том, что при обратном осмосе из воды выделяются все взвешенные и органические вещества, а также растворенные вещества в количестве примерно 96—99%.

Таким образом, обратный осмос значительно (почти полностью) уменьшает содержание растворенного вещества всех видов ионов, содержащихся в исходной воде, при том что Na-катионирование только замещает ионы кальция и магния на натрий.

В классическом понимании водно-химического режима паровых котельных значение солесодержания питательной воды влияет только на величину непрерывной продувки котла. Непрерывная продувка парового котла рассчитывается по формуле:

Аов – доля подпиточной воды;

Sов – сухой остаток обработанной воды, мг/кг;

Sкв – сухой остаток котловой воды, принимается по паспортным данным завода-изготовителя котла, мг/кг;

Чем больше доля возврата конденсата, т.е. меньше доля подпиточной воды, тем меньше процент непрерывной продувки котла. Допускается величина непрерывной продувки паровых котлов до 10% от паропроизводительности. Уменьшение непрерывной продувки котла значительно увеличивает экономию топливного газа. Таким образом, чем больше величина возврата обессоленного конденсата в котел, тем меньше величина непрерывной продувки. При значении непрерывной продувки менее 1% от нее отказываются и обеспечение нормативного солесодержания котловой воды производится только при помощи периодических продувок. При этом наблюдается значительная экономия топливного газа.

При отсутствии возврата конденсата в котел или при незначительном возврате конденсата использование обратноосмотического обессоливания подпиточной воды также позволяет отказаться от проведения непрерывной продувки котла.

Если с влиянием минерального состава воды имеется определенная ясность, то с влиянием диоксида углерода (СО₂) на ВХР паровой котельной наблюдается определенное недопонимание. И как показывает практика, при проектировании и эксплуатации паровых котельных часто не учитывается влияние СО₂, растворенного в исходной воде, на весь ВХР котельной.

В данной работе произведена попытка представить влияние диоксида углерода, растворенного в исходной воде, на ВХР котельной и приведены рекомендации по уменьшению негативного влияния углекислоты на оборудование и трубопроводы котельной.

При эксплуатации паровых котельных с неверным ВХР наиболее часто выходящее из строя оборудование относится к пароконденсатному тракту (конденсатоотводчики, регуляторы давления и т.п.). Также при неверном ВХР наиболее частым выходящим из строя оборудованием является стальной экономайзер парового котла.

Даже если при выходе данного оборудования из строя котельная остается в работе, то это влечет значительное уменьшение экономической эффективности эксплуатации котельной.

К примеру, установка дорогостоящих конденсатоотводчиков, имеющих длительный срок службы, полностью окупает себя качественным процессом отвода конденсата и длительным сроком службы. Но при неверном ВХР котельной, как показывает практика, даже самые дорогостоящие и качественные конденсатоотводчики и другое оборудование пароконденсатного тракта выходят из строя всего за полгода.

Вода может проявлять как коррозионные свойства, так и накипеобразующие по отношению к контактирующей поверхности. В процессе накипеобразования участвуют ионы жесткости, которые удаляются на этапе водоподготовки.

Элементы тепловой схемы, где вода находится при повышенном давлении и температуре: линия подпиточной воды с теплообменником перед деаэратором; деаэратор; питательная линия с насосом; экономайзер; паровой котел; пароконденсатный тракт с оборудованием.

В данных элементах тепловой схемы котельной может происходить как накипеобразование, так и коррозия. В условии отсутствия ионов жесткости в данной воде основной проблемой при эксплуатации котельной становится коррозия.

Данный тип коррозии относится к электрохимической коррозии и протекает с кислородной и водородной деполяризацией. Проще говоря, данная коррозия протекает при наличии в воде кислорода и ионов водорода.

Кислород содержится в подпиточной воде, и его количество определяется (для «чистой» воды) в зависимости от температуры воды. При нуле градусов в воде содержится 14 мг/л О₂. Это справедливо для воды, имеющей достаточно длительный контакт с атмосферой и находящейся с ней в равновесии по кислороду. Артезианские воды, не имеющие длительного контакта с атмосферой и не подвергаемые аэрации, могут содержать значительно меньше кислорода.

Таким образом, подпиточная вода всегда содержит достаточное количество кислорода для протекания коррозионных процессов. Кислородная коррозия чрезвычайно быстро протекает при вскипании воды и конденсации пара в воду, которая находится в состоянии насыщения.

Коррозия с водородной деполяризацией протекает при наличии в воде иона водорода, иначе говоря, кислоты. При растворении в воде диоксида углерода образуется угольная кислота H₂CO₃, которая диссоциирует на ионы водорода H⁺ и бикарбоната HCO⁻₃. Ион водорода и вызывает активные коррозионные процессы.

Следует отметить, что подвижность ионов водорода и молекулы кислорода в воде различается на порядок. Ион водорода гораздо более подвижен. Поэтому кислотная коррозия протекает значительно быстрее, чем кислородная и практически не зависит от гидродинамических условий. Необходимо сказать, что если имеются условия для протекания коррозии с кислородной и водородной деполяризацией одновременно, то общая скорость коррозии значительно больше, чем для коррозии только с кислородом или водородом.

При этом замечено, что вода, находящаяся в состоянии насыщения (кипения), проявляет активную коррозию именно с кислородной деполяризацией, т.к. кипящая вода способствует значительному увеличению подвижности кислорода. Водородная коррозия, наоборот, уменьшается с увеличением температуры воды. Данное обстоятельство характерно для вод типа конденсата. Автору известны случаи, когда трубопровод возврата конденсата с температурой 40 ⁰С требовал полной замены раз в полгода. При этом трубопроводы конденсата, возвращаемого с температурой 100 ⁰С и больше, не требовали такого частого ремонта, хотя содержание железа в конденсате было более 1 мг/л (довольно существенно). Вероятно, это связано с тем, что при увеличении температуры воды происходит постепенный переход угольной кислоты в газообразный диоксид углерода. При этом наибольший эффект выделения углекислоты из воды происходит при кипении воды.

Для удаления растворенных газов из воды в настоящее время используются две технологии. Термическая дегазация воды и химическая деаэрация и подщелачивание воды.

Строго говоря, удаление газов из воды происходит только при термической дегазации. При химической деаэрации и подщелачивании воды происходит только связывание растворенных газов.

Связывание кислорода происходит по реакциям:

1. При использовании сульфита натрия

2Na₂SO₃+O₂ → 2Na₂SO₄ ⠀⠀ (2)

2. При использовании гидразингидрата

N₂H₄*H₂O+O₂ → 3H₂O+N2 ⠀ (3)

Связывание углекислоты в бикарбонат-ион происходит по реакции:

NaOH+H₂СO3 = NaHCO₃+H₂O ⠀ (4)

Поэтому химическая деаэрация и подщелачивание имеют ряд существенных недостатков:

1. При проведении химической деаэрации значительно увеличивается солесодержание питательной воды. При наличии в воде кислорода в количестве 8 мг/л количество бисульфита натрия, расходуемого для его связывания, будет равно 100 мг/л (с учетом неэффективного перемешивания). Соответственно, на 100 мг/л вырастает солесодержание питательной воды и также растет непрерывная продувка парового котла. Необходимо отметить, что при использовании гидразингидрата солесодержание воды не увеличивается, но сам реагент чрезвычайно токсичен (относится к первому классу опасности), пожароопасен и требует специфических условий хранения, что исключает его применения для паровых котельных, особенно работающих на пищевых производствах.

2. При проведении химической деаэрации в воде остаются сульфиты, что связано с их избыточным дозированием для гарантированного связывания кислорода. Как правило, производители котлов достаточно жестко регламентируют содержание сульфитов в котловой воде (5—10 мг/л), что представляет значительную сложность в организации процесса дозирования сульфита натрия в питательную воду. Сульфит-ион (SO₃) является сильным восстановителем и значительно усиливает коррозионные процессы, протекающие в котле и пароконденсатном тракте путем разрушения пассивирующего слоя на поверхности металла.

3. Еще одним не всегда учитываемым моментом является то, что при дозировании сульфита натрия в воде образуется сульфат натрия Na₂SO₄, который, по сути, увеличивает содержание сульфат-иона в питательной воде, и при проскоке жесткости или постоянно повышенной жесткости в питательной воде в котле возможно образование нерастворимого сульфата кальция СaSO₄ (гипса). Типичным примером может служить питание водогрейного котла с жесткостью 0,7 мг-экв/л (допускается для котлов с температурным графиком 95/70). В этом случае значительное увеличение сульфатов в подпиточной воде может привести к образованию гипса, что впоследствии будет требовать механической очистки котла. Второй пример – это некачественная работа системы водоподготовки парового котла. В паровой котельной наблюдался постоянный проскок по жесткости питательной воды и при этом в большом объеме дозировался сульфит натрия для связывания кислорода. Зная о постоянном проскоке солей жесткости, раз в год проводилась кислотная промывка парового котла. В год после введения в технологию подготовки воды химической деаэрации, при внутреннем осмотре котла после кислотной промывки, обнаружились нерастворенные белые отложения в значительном количестве. Анализ отложений показал, что это сульфат кальция. После этого было принято решение о прекращении дозирования сульфита натрия.

4. Подщелачивание питательной воды каустической содой всего лишь связывает угольную кислоту в бикарбонат (4), который в котле снова перейдет в угольную кислоту, которая испарится с паром и впоследствии перейдет в конденсат, вызывая понижение рН конденсата и значительно увеличивая его коррозионные свойства. Таким образом, подщелачивание питательной воды всего лишь позволяет избежать углекислотной коррозии питательного тракта парового котла, но при этом увеличивает коррозионные свойства конденсата.

Термическая дегазация воды позволяет не только удалить из воды кислород и углекислоту, но и значительно уменьшить коррозионные свойства возвращаемого конденсата.

Составим материальный баланс по углекислоте тепловой схемы котельной (рис. 1, 2).

Перед составлением баланса по углекислоте необходимо обстоятельно разобраться с понятиями так называемой свободной, связанной и полусвязанной углекислоты, содержащейся в воде.

Проведем простой мысленный эксперимент. Имеется определенный объем воды. Вода условно чистая, содержит только молекулы H₂O. Значение рН такой воды 7,0. Т.е. количество ионов водорода равно количеству ионов гидроксила. Допустим, что данная вода контактирует с твердым карбонатом кальция. Карбонат кальция растворим только в воде, имеющей кислую реакцию. Другими словами, в воде, имеющей большее количество ионов водорода по отношению к ионам гидроксила. Ионы водорода могут быть введены в воду как с сильными кислотами, такими как соляная кислота, так и слабыми, такими как угольная кислота. Существует принципиальное отличие между сильными и слабыми кислотами. Так, в сильных кислотах ион водорода, отвечающий за кислую реакцию, привносится или уже существует в воде с собственным анионом (Cl, SO₄), то слабая угольная кислота, растворенная в воде, образуется из углекислого газа путем связывания гидроксил-иона молекулы воды в бикарбонат-ион, соответственно, с получением кислого остатка в виде иона водорода.

Запишем уравнение реакции растворения в воде твердого карбоната кальция (CaCO₃) при использовании угольной кислоты, поступающей в воду из воздуха от различных процессов окисления органического углерода либо от геологических процессов:

CaCO₃+H₂CO3 = Ca (HCO₃) 2⠀⠀ (5)

Протекает обратимая реакция, при которой твердый карбонат кальция (CaCO₃) переходит в растворенную форму бикарбоната кальция (Ca (НCO₃) 2). Угольная кислота в виде карбоната, ассоциированная с кальцием, и есть связанная форма углекислоты, эквивалентно равная половине бикарбоната кальция, растворенного в воде. Вторая половина бикарбоната кальция, образовавшаяся не из твердого бикарбоната кальция, а из угольной кислоты, называется полусвязанной углекислотой.

Свободная углекислота в воде находится в форме именно угольной кислоты (H₂CO₃), т.е. не связана напрямую ни с одним катионом в воде. Тем не менее именно свободная угольная кислота, являющаяся частью буферной углекислотной системы воды, и определяет текущее значение рН воды.

Вернемся к нашему эксперименту. Получается, что, пропуская через наш объем воды углекислый газ (СО₂), в воде образуется свободная углекислота (H₂CO₃), которая, реагируя с карбонатом кальция (известняком) по уравнению (5), растворяет его с образованием бикарбоната кальция, причем половина бикарбонат-иона, выраженного в эквивалентных концентрациях, относится к связанной форме углекислоты, а вторая половина к полусвязанной (пришедшей из углекислого газа). Растворение известняка будет проходить до тех пор, пока через воду будет пропускаться углекислый газ. Причем увеличение содержания в растворе бикарбонат-иона будет требовать увеличения концентрации углекислого газа в воде для поддержания процесса растворения.

После окончания пропускания углекислого газа через воду система начнет приходить в новое равновесное состояние. Закончится растворение известняка и начнется постепенное выделение растворенной свободной углекислоты в окружающий воздух. В атмосфере Земли средняя концентрация углекислого газа составляет примерно 0,4 мг/л. Соответственно, в идеальных условиях концентрация углекислого газа в воде должна достичь такой же концентрации. Но в природе в открытых проточных водоемах концентрация свободной углекислоты составляет от 2 до 5 мг/л, что соответствует значению рН 7,7—7,9. Вероятно, это связано с определенными биологическими и геологическими процессами, обеспечивающими поступление углекислого газа в воду не из атмосферы.

Таким образом, при выделении углекислоты из воды в атмосферу реакция по уравнению (5) протекает в сторону образования твердого карбоната кальция. В конце концов достигается «конечное» равновесие и вода начинает обладать ионным составом, свойственным для геологических и биологических условий данной местности. В нашем эксперименте это контакт с известняком и атмосферным воздухом.

Понимая, что такое связанная, полусвязанная и свободная углекислота в воде, рассмотрим уравнение реакций, протекающих при термической деаэрации Na-катионитовой воды. Классический подход выделяет три стадии удаления всех видов углекислоты из воды:

1. Выделение свободной СО₂ за счет кипения и отвода с паром. Данный процесс должен происходить (начинать и завершаться) в деаэрационной колонке. При условии начала кипения подпиточной воды на тарелках. Для этого должен быть обеспечен подогрев подпиточной воды перед деаэрационной колонкой. Чем выше подогрев подпиточной воды, тем раньше начинается кипение в деаэрационной колонке, тем эффективнее и полнее осуществляется отвод свободной углекислоты из подпиточной воды. В случае отсутствия кипения или позднего начала кипения подпиточной воды в деаэрационной колонке свободная углекислота может попасть в деаэраторный бак, где будет связана в бикарбонат натрия карбонатом натрия, образовавшегося там при разложении предыдущего бикарбоната натрия (по уравнению 6 процесс справа налево), и тем самым процесс выделения полусвязанной углекислоты значительно затормозится. Будет требоваться гораздо большее время пребывания воды в деаэраторном баке и гораздо больше пара придется подавать на барботаж воды.

2. На второй стадии происходит разрушение бикарбонат-иона за счет продолжающегося интенсивного отвода углекислоты из воды с образованием карбоната (6). Данный процесс происходит, как правило, в деаэраторном баке при интенсивном барботаже воды паром.

2NaHCO3 = Na₂CO₃+Н₂CO₃свобод = Na₂CO₃+CO₂газ+ Н₂О (6)

Полноту протекания данного процесса в деаэраторе можно оценить по значению рН воды после деаэратора. Значение рН воды после деаэратора будет определяться по отношению содержания карбонат-иона к гидрокарбонат-иону (уравнение Хендерсона-Хассельбальха для разложения бикарбоната HCO₃=H+CO₃)

К примеру, вода, содержащая 2 моля бикарбоната натрия (6), подвергается барботированию в деаэраторе. В результате отвода СО₂ бикарбонат-ион переходит в карбонат-ион. В зависимости от интенсивности отвода СО₂ на выходе из деаэратора в воде устанавливается равновесие между карбонатом и бикарбонатом, при этом происходит только разложение половины бикарбоната. Соответственно, в результате парового барботажа воды получаем содержание в ней 1 моля бикарбоната натрия, 0,5 моль карбоната натрия и 0,5 моль углекислого газа. Углекислый газ был отведен в атмосферу. Тогда в соответствии с (7) получаем:

Значение рН дегазированной воды после деаэратора получается 9,99. При этом в деаэраторе произведена отгонка только свободной углекислоты и разрушение и отгонка половины полусвязанной углекислоты (четвертая часть исходного бикарбоната).

Предположим, в деаэраторе разрушается не половина, а ¾ бикарбоната натрия. Тогда, получаем в результате отгонки углекислоты, остается одна четверть бикарботана, или 0,5 моля бикарбоната, и, соответственно, на 0,5 моля на карбонат, 0,5 моля на гидрат и 1 моль на углекислоту (которую отогнали в деаэраторе). В данном случае половину углекислоты удалили в деаэраторе от исходного количества бикарбоната. В данном примере в воде появляется гидрат в результате процесса гидролиза карбонатов. В данном случае уравнение (7) запишется следующим образом:

Процесс гидролиза бикарбонатов и карбонатов подробно рассмотрен в статье «Определение количества бикарбонатов, карбонатов и гидратов в воде в зависимости от значения рН воды».

Рассчитаем значение рН воды, которое необходимо получить на выходе из деаэратора, соответствующее равному (одинаковому) содержанию бикарбоната и карбоната, т.е. бикарбоната, карбоната и угольной кислоты будет равное количество – по 0,665 моля. 0,665*3= 2 моля исходного бикарбоната. Соответственно,

Значение рН=10,3 соответствует константе диссоциации бикарбоната по уравнению HCO₃ <-> H+CO₃. Т.е. количество бикарбоната равно количеству карбоната. Можно сказать, что при данном рН воды половина бикарбоната подпиточной воды разложилась в деаэраторе, но при этом отогналась только третья часть общей суммы всех форм диоксида углерода (8).

0,665NaHCO₃= 0,665Na₂CO₃+0,665CO₂газ+Н₂О ⠀⠀ (8)

– Третья стадия – продолжение отвода углекислоты из воды при интенсивном кипении, за счет чего карбонат гидролизируется с образованием углекислого газа и высвобождением гидроксил-иона из молекулы воды (9). Данный процесс не требует отвода углекислоты из воды. Это обычная реакция гидролиза технической соды в воде. Поэтому, вероятно, неправильно говорить о разрушении связанной углекислоты (карбоната) за счет отвода газообразной углекислоты. Скорее надо говорить о гидролизе технической соды в воде. Данные условия обеспечиваются как в деаэраторе, так и тем более в котле. Можно сказать, что скорость протекания реакции (9) лимитируется остаточным содержанием бикарбоната в воде, а не скоростью отвода углекислого газа в (9). А уже концентрация бикарбоната зависит от эффективности отвода растворенной углекислоты (6).

Na₂CO₃+ H₂O=2NaOH+ CO₂газ ⠀⠀ (9)

Na₂CO₃+ H₂O=NaOH+ NaHCO3 ⠀⠀ (10)

Считается, что чем выше температура и давление в котле, тем полнее происходит разложение карбонатов в котловой воде за счет условий, обеспечивающих чрезвычайно эффективный отвод углекислоты из воды. Полное разложение карбонатов получается в котлах при давлении 5 МПа [1]. Тем не менее автор считает, что разрушения карбонатов как такового нет. Происходит их гидролиз (9, 10). Соответственно, чем меньше бикарбоната в воде, тем полнее идет гидролиз карбонатов, и именно это определяет полноту разложения карбоната. Так, при работе парового котла на давлении 6 бар и подпитке котла обессоленной водой после обратного осмоса с щелочностью около 0,25 мг-экв/л в котловой воде фактически не обнаруживается бикарбонат и карбонат-ион. Только гидроксил (присутствует только фенолфталеиновая щелочность).

Обратите внимание, что после деаэратора при его нормальной работе вода имеет значение рН, как правило, около 8,5—10,0, что говорит об одновременном протекании в деаэраторе реакций (6) и (9, 10).

Таким образом, можно записать:

2NaHCO₃=Na₂CO₃+Н₂CO₃=Na₂CO₃+CO₂газ+Н₂О =

2NaOH+CO₂газ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ (11)

В результате в деаэраторе и деаэраторной колонке происходят следующие процессы. В воде ХВО, поступающей в деаэратор, как правило, содержится свободная углекислота, которая не позволяет осуществляться реакции (6), уравновешивая бикарбонат. Постепенно удаляя свободную углекислоту из воды, бикарбонат начинает переходить в карбонат. При этом карбонат гидролизируется в воде на гидроксид натрия и углекислый газ, который удаляется с паром. Гидроксид натрия повышает значение рН воды.

Итак, непосредственно в деаэраторе должна выделяться вся свободная углекислота и часть полусвязанной углекислоты. Как показано выше, при значении рН деаэрированной воды около 10 только половина полусвязанной углекислоты выделится в деаэраторе. Соответственно, оставшаяся часть перейдет в котел, где будет происходить выделение углекислоты в пар по одновременно протекающим реакциям (6) и (9, 10). В котле фактически полностью завершится переход бикарбонат-иона в карбонат (6) и, соответственно, образование гидроксида натрия из карбоната (9, 10). Полнота разложения бикарбонатов, а не как принято говорить карбонатов, в котле будет определяться величиной щелочности подпиточной воды, процентом возврата конденсата, давлением в котле.

Если предположить условия: что вся свободная углекислота выделится в деаэраторной колонке. Затем в деаэраторном баке выделится углекислота от разрушения половины полусвязанного бикарбоната; далее в котле выделится вторая половина полусвязанного бикарбоната, а также в деаэраторе и в котле будет происходить гидролиз карбоната натрия. То можно сказать, что в деаэраторе выделится количество углекислоты, равное четверти содержания бикарбонат-иона (щелочности) подпиточной воды, а в котле выделится количество углекислоты, численно равное трем четвертям значения щелочности подпиточной воды. Значение рН деаэрированной воды будет 9,99.

Запишем:

СО₂пит=3/4*Щподп, ммоль/л ⠀⠀ (9)

где СО₂пит – концентрация связанной и полусвязанной углекислоты в питательной воде;

Щподп – щелочность подпиточной воды, ммоль/л.

Запишем уравнение материального баланса по углекислоте для деаэратора (рис. 1).

(1-q) *CO₂пит+q*СО₂под=1*СО₂пит ⠀⠀ (12)

где q – доля подпитки воды ХВО или доля потери конденсата;

СО₂пит – концентрация углекислоты в питательной воде равна СО₂пар.

Данная запись уравнения материального баланса углекислоты в деаэраторе предполагает, что концентрация углекислоты в паре равна концентрации углекислоты в питательной воде. Т.е. в котле происходит полное разложение бикарбонатов и карбонатов, и возврат конденсата осуществляется в деаэраторный бак (не деаэраторную колонку) (рис. 1).

Решив уравнение, получаем

СО₂пит=СО₂под=3/4*Щподп ⠀⠀ (13)

Получается, что в случае возврата конденсата без отгонки свободной углекислоты (в деаэраторный бак) содержание углекислоты в питательной воде не зависит от доли возврата конденсата. В производственной практике автора довольно часто встречаются подобные случаи. Даже при возврате 90% конденсата в котельную, при неправильной работе деаэратора конденсат содержит большое количество углекислоты и коррозионно агрессивен.

Т.е. если щелочность подпиточной воды 2,5 ммоль/л и доля подпитки составляет всего 10%, содержание углекислоты в конденсате составит ¾*2,5=0,93 ммоль/л или 0.93*44=41мг/л, что превышает допустимое количество углекислоты в паре (20 мг/л) в 2 раза. Это говорит о том, как важно отгонять углекислоту из конденсата при возврате его в деаэратор.

Если производится отгон углекислоты из конденсата. Конденсат возвращают в деаэраторную колонку (рис. 2), тогда

(1-q) * CO₂конд + q * СО₂под =1 * СО₂пит

CO₂конд = 0

СО₂пит = q * СО₂под ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ (14)

Тогда для вышеприведенных условий

СО₂пит=0,1*3/4*2,5=0,093 ммоль/л или 4,1 мг/л.

Для значения щелочности подпиточной воды 2,5 ммоль/л в случае «идеальной» работы деаэратора, т.е. значительный подогрев исходной воды 80 ⁰С и более; использование пара на «зеркало», продувку деаэрационной колонки; использование пара на барботаж, при этом температуру воды в баке лучше поддерживать не менее 108 ⁰С; время нахождения воды в деаэрационном баке не менее 1 часа. При данном режиме работы можно получить значение рН деаэрированной воды около 10,3 (из собственного опыта эксплуатации). При этом ранее было показано, что в деаэраторе отгоняется 1/3 часть угольной кислоты. Соответственно, концентрация углекислого газа в питательной воде и, соответственно, в паре составит:

– При отсутствии возврата конденсата:

СО₂пит=1/3*2,5=0,83 ммоль/л или 36,7 мг/л.

Концентрация СО2 в паре близка к нормативу (до 20 мг/л)

– При возврате конденсата 50%:

СО₂пит=1/3*0,5*2,5=0,417 ммоль/л или 18,3 мг/л.

– При любом проценте возврата конденсата без отгонки углекислоты в деаэраторной колонке:

СО₂пит=1/3*2,5=0,83 ммоль/л или 36,7 мг/л.

Даже при «идеальной» работе деаэратора возврат конденсата без предварительной отгонки углекислоты в деаэраторной головке приводит к повышенному содержанию углекислоты в паре.

Приведенные выше примеры и расчеты предполагают полное разложение бикарбонатов и гидролиз карбонатов в котле. Тем не менее считается, что в реальных условиях, как уже было сказано, полное разложение не достигается. Для оценки степени разложения бикарбоната и гидролиза карбоната на работающем котле достаточно провести анализ на щелочность котловой воды по фенолфталеину и метилоранжу. Доля неразложившегося карбоната и бикарбоната в котле определяется долей метилоранжевой щелочности в общей щелочности котловой воды.

∂к =Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) ⠀⠀ (15)

где ∂к – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в котловой воде после отгонки части углекислоты;

Щм. о – щелочность по метилоранжу, моль/л;

Щф/ф – щелочность по фенолфталеину, моль/л.

Для пояснения рассмотрим несколько примеров.

Предположим, щелочность исходной воды составляет НСО₃ = 10 ммоль/л. Производим отгонку углекислоты. Затем производим анализ воды на щелочность по фенолфталеину и метилоранжу. В результате получаем, что количество кислоты на титрование по фенолфталеину равно 1 мл, по метилоранжу 9 мл.

Запишем схему разложения бикарбоната (процесс разложения бикарбоната описан в статье «Определение количества бикарбонатов, карбонатов и гидратов в воде в зависимости от значения рН воды»):

8,0NaHCO₃ ⇿ 1,0Na₂CO₃+1,0CO₂газ+Н₂О

Т.е. концентрация бикарбоната 8,0 ммоль/л, карбоната – 1 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 1,0 ммоль/л. Исходное количество бикарбоната было 10 ммоль/л.

Получаем:

∂к =Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) =9/ (9+1) =0,9

0,9 – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.

Т.е. только 10% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 1,0 ммоль/л.

Продолжаем отгон углекислоты из воды и получаем следующие показатели.

По результатам анализа: количество кислоты по фенолфталеину – 6 мл, по метилоранжу – 4 мл.

Запишем схему разложения бикарбоната:

2,0NaHCO₃ ⇿ 2,0Na₂CO₃+2,0CO₂газ+Н₂О <-> 4NaOH+4CO₂газ

Т.е. концентрация бикарбоната 2,0 ммоль/л, карбоната – 2,0 ммоль/л, гидрата – 4 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 2,0+4,0=6 ммоль/л.

Получаем:

∂к = Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) =4/ (6+4) = 0,4

0,4 – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.

Т.е. только 60% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 6,0 ммоль/л.

Пример из производственной практики: паровой котел. Давление пара 8 бар. Для подпитки используется Na-катионитовая вода с щелочностью – 2,0 ммоль/л. Деаэраторная головка отсутствует. Возврат конденсата непосредственно в деаэраторный бак в количестве 70% от паропроизводительности. Доля подпитки ХВО – 0,3. Температура в деаэраторном баке поддерживается при помощи барботажа на уровне 90—99 ⁰С.

Получаемая при этом щелочность котловой воды

Щф/ф = 20,0 – 21,0 ммоль/л

Щм. о= 1,5 – 2,0 ммоль/л

тогда

∂к =1,5/ (20+1,5) =0,07, или в процентах 7%.

Т.е. количество оставшегося в котловой воде бикарбоната и карбоната составит 7% от количества бикарбоната и карбоната, поступивших в котел.

Таким образом, для данного рассматриваемого примера можно записать, что концентрация углекислоты в паре составит:

СО₂пара = (1—0,07) * Щпит= 0,93*2,0 = 1,86 ммоль/л или 81,84 мг/л

Концентрация углекислоты в паре значительно превышает нормативную.

Если в данном примере установить деаэраторную колонку и производить отгонку углекислоты из конденсата при подаче его в бак, получим:

СО₂пара = 0,3 * (1—0,07) * Щпит= 0,3 * 0,93 * 2,0 = 0,558 ммоль/л или 24,5 мг/л,

что фактически соответствует требованиям норматива.

В итоге можно записать следующую формулу для расчета концентрации углекислоты в паре при условии отгонки углекислоты из возвращаемого конденсата:

СО₂пара = 44*q* (1-∂к) *Щпит= 44*q* (1-∂к) *∂д*Щподп, мг/л ⠀⠀ (16)

где

q – доля подпитки ХВО;

Щпит – щелочность питательной воды после деаэратора на котел, ммоль/л;

Щподп – щелочность подпиточной воды (на входе в деаэратор), ммоль/л;

Щпит = ∂д* Щподп, ммоль/л;

∂д – доля бикарбоната и карбоната, оставшихся в питательной воде (неразложившейся щелочности) после их частичного удаления в деаэраторе. Для работающих котлов определяется по формуле:

∂д= Щд. м.о / (Щд. ф/ф+ Щд. м.о) ⠀⠀ (17)

Щд. ф/ф, Щд. м.о – щелочность по фенолфталеину и метилоранжу деаэрированной (питательной) воды, ммоль/л.

Для предварительных расчетов при обеспечении «идеальных» условий работы деаэратора (подача пара на «зеркало» и на паровой барботаж емкости) можно принять величину этой доли, равной ∂д=0,65—0,85. При работе деаэратора без парового барботажа значение доли бикарбоната и карбоната, оставшихся в деаэрированной воде, равно 1 (∂д=1).

∂к – доля бикарбоната и карбоната, оставшихся в котловой воде. Рассчитывается по формуле (15). Для предварительных расчетов принимается в зависимости от условий работы котла, исходной щелочности и доли возврата конденсата. Можно принять, что ∂к = 0,05—0,2. Чем больше щелочность исходной воды, тем больше должна быть принята доля ∂к.

Формула для расчета концентрации углекислоты в паре при возврате конденсата непосредственно в деаэраторный бак:

СО₂пара=44* (1-∂к) * Щпит= 44 * (1-∂к) * ∂д * Щподп, мг/л ⠀⠀ (18)

Выводы:

1. Водно-химический режим паровых котельных зависит прежде всего от содержания в воде трех форм диоксида углерода. Соотношение форм диоксида углерода в воде (свободная углекислота, бикарбонат, карбонат) определяет значение рН воды и, соответственно, ее способность к отложению солей или коррозионной агрессивности. Корректируя ионный состав воды, а также количество свободной углекислоты в воде, для паровых котлов низкого давления возможно ведение эффективного ВХР без применения дополнительных химических реагентов.

2. Для обеспечения дегазации питательной воды перед паровым котлом эффективно применять термическую дегазацию. Химическую дегазацию можно использовать в исключительных случаях для котельных небольшой производительности и с соответствующим экономическим обоснованием, учитывающим риски повышенной коррозионной активности конденсата, риски с возможным недостаточно полным связыванием кислорода в питательной воде, а также потери с повышенным расходом непрерывной продувки котла. Также химическая дегазация требует производства дополнительных анализов при контроле ВХР. Возможно использование химической дегазации с использованием обратноосмотических мембран (статья – «Дегазация воды с использованием обратноосмотических мембран»). Данная технология не имеет недостатков, присущих традиционной химической дегазации.

3. Термическая деаэрация (дегазация) является важнейшей частью тепловой схемы котельной. Поддержание неверного режима работы деаэратора влечет за собой значительные экономические убытки.

4. Важнейшим параметром качественной работы деаэратора является температура воды, поступающей на деаэрацию. При температуре воды более 85 ⁰С вода быстро закипает на верхней тарелке деаэраторной колонки. Это условие определяет полноту отгонки кислорода и свободной углекислоты из воды. В случае отсутствия подогрева воды или при недостаточном подогреве деаэраторная колонка в верхней части работает не в режиме тепломасопередачи, а в режиме теплопередачи. В результате при недостаточной высоте колонки или подаче пара на зеркало кислород и свободная углекислота попадают в деаэраторный бак, при этом эффективность выделения кислорода значительно падает, а свободная углекислота частично связывается в бикарбонат. В этом случае для того, чтобы натрий-катионированная вода достигала значения рН хотя бы 8,5, будет требоваться большой расход пара на барботаж деаэраторного бака. В результате возникают большие потери с выпаром деаэратора.

5. Термическая деаэрация не обеспечивает необходимых условий для удаления связанной и полусвязанной углекислоты из воды. Поэтому данную стадию неверно рассматривать как существенно влияющую на значение концентрации углекислоты в паре и конденсате. Для уменьшения значения концентрации углекислоты в паре и конденсате необходимо использовать технологии водоподготовки, существенно уменьшающие содержание щелочности в подпиточной воде.

6. Паровой конденсат от потребителей пара необходимо возвращать в верхнюю часть деаэраторной колонки для отгонки свободной углекислоты, которая попадает в пар как продукт разложения бикарбонатов в котле.

7. Зная значение рН или фенолфталеиновую и метилоранжевую щелочность питательной воды после деаэратора можно определить, насколько эффективно работает деаэратор по разрушению и отгонке углекислоты из воды.

8. Интересный момент, в соответствии с требованиями НТД значение рН питательной воды для паровых котлов низкого давления должно находиться в диапазоне 8,5—10,5. Принято считать, что при надлежащей работе термического деаэратора в деаэраторе должна быть отогнана ровно половина суммы всех форм углекислоты в воде. Т.е. полностью завершится протекание реакции (6). При этом значение рН такой воды будет в большинстве случаев будет больше, чем 10,5!

Рисунок 1. Контур СО2 с возвратом конденсата в бак деаэратора

Рисунок 2. Контур СО2 с возвратом конденсата в колонку деаэратора

Список использованных источников

1. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления. Справочник. Ю. М. Кострикин, Н. А. Мещерский, 1990 г.

Особенности разработки и ведения водно-химического режима паровых котельных с использованием мембранных технологий

В статье рассмотрено, как организовать ВХР котельной с использованием технологии обратноосмотического обессоливания подпиточной воды.

Водно-химический режим (ВХР) паровых котельных должен обеспечивать эффективную и безаварийную эксплуатацию котельной. Фактически это достигается путем создания условий, исключающих возможные процессы накипеобразования или различные коррозионные повреждения оборудования и трубопроводов. Данные условия создаются при помощи систем водоподготовки, а также организации надлежащей работы парового котла и термического деаэратора.

Еще 20 лет назад основной технологией водоподготовки, используемой в паровых котельных низкого давления, была технология ионообмена. Так, технология Na-катионирования получила наиболее широкое применение благодаря простоте эксплуатации, низкой стоимости оборудования и доступности применяемых реагентов. При этом Na-катионитовая вода потенциально содержит большое количество щелочи и эффективно противодействует углекислотной коррозии при кипении, что благоприятно сказывается на работе паровых котлов. Тем не менее данная технология имеет ряд существенных недостатков. Это большое количество образующихся высокоминерализированных стоков, а также умягчение не уменьшает, а наоборот, немного увеличивает солесодержание воды. Также применяют технологии H-катионирования и OH-анионирования. Но данные технологии достаточно сложны в эксплуатации, требуют применения опасных реагентов, производят большое количество агрессивных сточных вод и возможность их применения можно рассматривать только в достаточно больших котельных с квалифицированным обслуживающим персоналом и собственной лабораторией. Забегая вперед, скажу, что, по моему мнению, на практике применение последних двух технологий в качестве главной ступени подготовки воды не оправдано и должно быть вытеснено технологией обратноосмотического обессоливания воды.

Чего нельзя сказать о технологии Na-катионирования. Как было сказано, Na-катионированная вода содержит потенциал по щелочи, но при этом имеет большое солесодержание и способствует образованию большого количества углекислоты в паре, получаемой из такой воды. Тем не менее до начала появления технологии обратноосмотического обессоливания считалось и многими считается до сих пор, что Na-катионирование воды для паровых котлов низкого давления является практически идеальной технологией. Такой подход требует смириться с некоторыми серьезными недостатками данной технологии, как чрезвычайно высокая коррозионная активность получаемого пара и конденсата и высокая величина непрерывной продувки парового котла. Последнее условие требует утилизации вторичного пара и охлаждение достаточно большого количества котловой воды, что значительно усложняет тепловую схему котельной. При этом надо быть готовым к высокой коррозионной активности конденсата и постоянно возникающим затратам по замене или ремонту оборудования и трубопроводов пароконденсатного тракта.

Здесь надо отметить, что автор рассматривает современную паровую котельную низкого давления как имеющую наиболее простую и надежную тепловую схему, имеющую почти полную автоматизацию, при этом обладающую высокой эффективностью и, соответственно, как можно более низкой стоимостью производимого пара (теплоты).

Я должен сказать, что каждая котельная индивидуальна, как отпечатки пальцев у человека. И эта индивидуальность определяется прежде всего составом исходной воды, а также технологическими особенностями использования пара и возвратом конденсата. То есть индивидуальность определяется физико-химическими изменениями, происходящими с водой в результате предварительной подготовки воды, кипения, условий конденсации, условий возврата конденсата и т. п. Так, котельные, работающие на одной и той же по составу и источнику воде, но при этом имеющие разные схемы возврата конденсата или отсутствие возврата конденсата, имеют разные показатели водно-химического режима и сталкиваются с разными проблемами в процессе эксплуатации. Это обстоятельство необходимо учитывать при попытке внедрения новых технологий водоподготовки в структуру ВХР котельной и не довольствоваться только соответствием подготовленной воды требованиям нормативных документов, разработанных в незапамятные времена, в которых не предполагалось использование подобных технологий. Итак, при внедрении новой технологии водоподготовки необходимо определить возможное влияние подготовленной воды на весь ВХР котельной, включая систему возврата конденсата.

Данная статья попробует определить место обратноосмотической технологии обессоливания воды в структуре ВХР паровой котельной, а также показать достоинства и недостатки эксплуатации подобного ВХР.

В последние 20 лет произошло активное развитие технологии обратноосмотического обессоливания воды. Это связано с изобретением рулонных мембранных элементов с тангенциальным фильтрованием воды. Данная технология имеет неоспоримые преимущества перед ионообменными технологиями, но также ряд недостатков. Прежде всего это большое количество образующихся сточных вод. Классический подход к работе подобных систем говорит, что для получения одного кубического метра обессоленной воды требуется сбросить в канализацию 0,4—0,5 м³ концентрата. В дополнение к этому, если водоподготовка парового котла состоит только из осмотической установки и исходная вода не содержит ионов Na+K, в этом случае, даже если соблюдается условие, что жесткость питательной воды не более 0,02 мг-экв/л, будет наблюдаться чрезвычайно высокая коррозия парового котла. Если не предпринять никаких корректирующих действий, котел потребует капремонта через очень короткое время. Подробнее механизм этого процесса будет рассмотрен ниже. Но можно сказать, что к недостаткам осмотических систем можно отнести также определенные сложности в понимании места этих систем в структуре ВХР котельной по сравнению с довольно тщательно изученной технологией Na-катионирования.

Рассмотрим ВХР паровой котельной низкого давления с использованием только Na-катионитовой подготовки подпиточной воды. Наиболее распространенный классический ВХР.

Основные показатели качества питательной воды для паровых котлов низкого давления:

• прозрачность, см;

• общая жесткость, мг-экв/л;

• значение рН, ед. рН;

• растворенный кислород, мг/л;

• общее железо, мг/л;

• кремний, мг/л;

• солесодержание, мг/л;

• общая щелочность, мг-экв/л.

Прозрачность воды – это показатель, количественно характеризующий содержание в воде взвешенных и органических веществ. Нормативный показатель по этому значению, как правило, достигается фильтрованием воды через зернистую загрузку.

Общая жесткость воды характеризует склонность воды к образованию твердого осадка (накипи). Поддержание нормативного показателя по общей жесткости питательной воды менее 0,02 мг-экв/л исключает образование в котле твердых отложений.

Значение рН – показатель, определяющий наличие в воде свободной углекислоты или наличие бикарбонатов, карбонатов или гидроксил-иона. Значение рН питательной воды должно быть более 8,5.

Растворенный кислород в питательной воде способствует протеканию коррозии, с кислородной деполяризацией, питательного тракта котла, самого котла и пароконденсатного тракта. Растворенного кислорода в питательной воде должно быть менее 50 мкг/л.

Общее железо в питательной воде должно быть ниже 0,5 мг/л. Железо не создает твердых отложений в котле, но при высоких значениях рН котловой воды коагулируется в котловой воде (особенно при наличии органики и высоком коэффициенте упаривания) и вызывает забитие измерительных электродов, уровнемерных стекол и линии непрерывной продувки в котле.

Содержание кремния в питательной воде паровых котлов низкого давления напрямую не регламентируется в отечественных НД, но указывается, что соотношение едкого натра к кремневой кислоте в котловой воде должно быть 1,5. Т.е. наличие гидроксил-иона в котловой воде (значение рН котловой воды более 10,5) поддерживает кремний в ионизированном состоянии и не позволяет образовываться твердым отложениям кремневой кислоты. Возможно только образование рассыпчатого талька.

Солесодержание воды и общая щелочность не имеют конкретных нормированных значений. Эти величины связаны между собой двумя показателями. Это относительная щелочность питательной воды и величина непрерывной продувки парового котла.

Некоторые производители котлов также в требованиях к питательной воде указывают, что значение связанной углекислоты в воде должно быть менее 25 мг/л. Это означает, что общая щелочность питательной воды должна быть не более 0,6 мг-экв/л.

Для примера рассмотрим ВХР парового котла низкого давления. В качестве источника водоснабжения вода из поверхностного источника.

Для соответствия требованиям исходную (подпиточную) воду необходимо предварительно профильтровать через зернистую загрузку. Современные загрузки могут обеспечивать рейтинг фильтрации до 20 мкм, это означает, что из воды будут удалены все частицы размером более 20 мкм. Таким образом, в воде останется вся органика, которая распадется в котле и может вызывать как накипь, так и вспенивание котловой воды. Тем не менее коагуляция воды не предусматривается для котлов низкого давления из-за сложности проведения данного процесса.

Затем осветленную (подпиточную) воду пропускают через Na-катионитовый фильтр. Проходя через катионит, в воде происходит замещение двухвалентных ионов Ca и Mg на одновалентный ион Na. Количество ионов в данном процессе не меняется, но ионы жесткости, вызывающие накипеобразование в котле, замещаются на ионы натрия. В этом процессе не меняется анионный состав воды. Соответственно, после установки Na-катионирования ионный состав воды будет состоять из бикарбоната натрия, хлорида натрия и сульфата натрия.

Значение рН воды сразу после Na-катионирования не меняется, т.к. не меняется соотношение между бикарбонат-ионом и свободной углекислотой.

Для того чтобы получить глубокоумягченную воду Na-катионирование воды осуществляют в две ступени.

Затем умягченную (подпиточную) воду направляют в колонку термического деаэратора. В колонке деаэратора производится отгонка кислорода и свободной углекислоты из подпиточной воды. Эффективность данного процесса фактически определяет эффективность всего ВХР котельной. Дело в том, что значение рН воды определяется соотношением различных форм угольной кислоты. В деаэраторной колонке происходит отгонка свободной углекислоты, но при этом остается бикарбонат-ион (связанная форма углекислоты). В результате соотношение между бикарбонат-ионом и свободной углекислотой увеличивается и значение рН воды растет и при надлежащей работе деаэраторной колонки достигает 8,4—8,5. Таким образом, в деаэрированной воде не должно быть не только кислорода, но и свободной углекислоты.

В случае возврата конденсата подпиточная вода смешивается с конденсатом в деаэраторной колонке. Данная вода является питательной водой для парового котла. Возвращаемый конденсат также должен соответствовать требованиям к питательной воде.

Питательная вода, попадая в котел, начинает упариваться. В результате отвода пара в котловой воде постоянно возрастает солесодержание. Часть котловой воды отводят через непрерывную и периодическую продувку, тем самым поддерживая солесодержание котловой воды на уровне не более 3000 мг/л. Существует требование, чтобы непрерывная продувка парового котла была не более 10% от его паропроизводительности. Это означает, что солесодержание питательной воды должно быть не более 300 мг/л. Если солесодержание подпиточной воды после натрия катионирования более 300 мг/л, то необходимо предусмотреть установку обессоливания в структуре системы водоподготовки. Если при смешении подпиточной воды с солесодержанием более 300 мг/л и конденсата получается питательная вода с солесодержание ниже 300 мг/л, условно такой водой можно питать паровой котел и не требуется уменьшать солесодержание подпиточной воды.

На самом деле такой ВХР является довольно неэффективным и аварийным, но используется повсеместно из-за простоты и дешевизны применяемых технологий.

Дело в том, что такой ВХР не учитывает такой показатель, как связанная углекислота. Связанная углекислота (бикарбонат-ион) в питательной воде в котле переходит в свободную углекислоту и выносится с паром, а затем переходит в конденсат. Углекислота в свободной форме в конденсате вызывает активную коррозию пароконденсатного тракта и оборудования. Возвращаемый конденсат содержит большое количество растворенного железа до 2 и более мг/л. Для котельных низкого давления, исходя из стоимости и сложности процесса, не предусматривается конденсатоочистка. Соответственно, железо из конденсата с питательной водой попадает в котел, где упаривается и выпадает в осадок. Эксплуатация котельной с таким режимом вызывает значительные сложности, вызванные постоянными выходами из строя измерительных электродов, уровнемерных стекол, засорением питательных и продувочных линий котла и т. п.

Связанная углекислота (бикарбонат-ион) должна быть учтена в требованиях к питательной воде и ее значение в питательной воде должно быть не более 0,6 мг-экв/л. Это обстоятельство требует либо большой доли возврата конденсата, либо применения технологий уменьшения щелочности в подпиточной воде. Для этого может применяться установка H-катионирования воды. Но практика показала, что в паровых котельных низкого давления эксплуатация подобных установок практически нереальна. Требуется тщательный контроль над подобными установками, и существует большая вероятность коррозионных повреждений котла и питательного тракта.

В итоге можно сказать, к достоинствам ВХР котельной с Na-катионированием можно отнести простоту и дешевизну водоподготовки, а к недостаткам образование большого количества сложноутилизируемых сточных вод, значительные потери тепла с продувками котла, значительную коррозию оборудования и трубопроводов пароконденсатного тракта.

Практически всех этих недостатков лишен ВХР котельной с использованием обратноосмотической технологии обессоливания воды. Данная технология позволяет обессолить подпиточную воду, не используя химического преобразования вещества воды. По сути, это физический метод обессоливания воды. Основной недостаток системы обратноосмотического обессоливания – это образование большого количества слабоминерализованных сточных вод. По сути, исходная вода при помощи полупроницаемой мембраны делится на два потока пермеат и концентрат. Пермеат – обессоленная вода, концентрат – вода с повышенным солесодержанием, сбрасываемая в канализацию. Процесс обессоливания воды идет таким образом, что в пермеате остаются соли в количестве не более 1—5% от исходного солесодержания воды. В результате солесодержание пермеата составляет в среднем от 5 до 20 мг/л и, что особенно важно, содержание бикарбонат-иона в пермеате составляет от 0,05 до 0,3 мг-экв/л.

Таким образом, обратный осмос обеспечивает при любых долях возврата конденсата практически отсутствие потерь тепла с непрерывной продувкой котла, а также минимальное содержание углекислоты в паре и конденсате.

Тем не менее необходимо разобраться, какие технологические особенности будут присутствовать в ВХР котельной при использовании систем обратного осмоса.

Первый опыт автора в эксплуатации обратного осмоса в паровой котельной был неудачен, но он показал, как правильно организовать технологическую схему водоподготовки в дальнейшем. Дело в том, что в процессе реконструкции паровой котельной с котлами ДЕ и ДКВр предполагалось заметить Na-катионирование воды на обратноосмотическое обессоливание воды. Замена была произведена, и через полгода паровой котел ДЕ 6,5—14 потребовал капремонта. Были обнаружены многочисленные дыры в трубном пучке котла. Для того чтобы понять, чем вызвана такая активная коррозия котла, необходимо разобраться, как себя ведет в воде свободная угольная кислота и кислород на каждом этапе водоподготовки.

Надо сказать, что в котельной отсутствовала деаэрация воды. Вода после обратноосмотического обессоливания направлялась в бак запаса воды с паровым барботажем. Температура воды в баке поддерживалась на уровне 75—80 ⁰С для предупреждения запаривания питательных насосов. Таким образом, вся свободная углекислота и кислород в исходной воде попадали в бак запаса воды. В баке нет условий для эффективной отгонки этих газов, и они в количестве значительно больше нормативного попадали в котел. В котле происходила интенсивная углекислотная и кислородная коррозия. Но возникает вопрос, почему до установки обратного осмоса котел проработал на Na-катионировании 8 лет и не требовал ремонта в тех же условиях отсутствия надлежащей деаэрации. Дело в том, что Na-катионированная вода при отгонке из нее углекислого газа увеличивает свое значение рН (1). Чем интенсивнее отгонка углекислоты, тем выше значение рН за счет образования NaOH. Данное условие полностью исключает протекание углекислотной коррозии в котле и частично уменьшает протекание кислородной коррозии.

NaHCO₃ ⇿ NaOH+CO₂газ ⠀⠀ (1)

Как видно, бикарбонат натрия в котловой воде переходит в едкий натр и повышает рН котловой воды.

Если использовать для водоподготовки только систему обратноосмотического обессоливания, то формально значение жесткости пермеата может быть меньше, чем 0,02 мг-экв/л, но в такой воде будет практически отсутствовать бикарбонат натрия, будет присутствовать только бикарбонат кальция. При кипении такой воды значение рН котловой воды не будет выше 8,5. Гидроксил-ион не образовывается.

Ca (HCO₃) 2 ⇿ CaCO3 (осадок) +H₂CO₃ ⠀⠀ (2)

Как видно, в котле бикарбонат кальция выпадает в осадок в виде карбоната кальция с образованием растворенной формы углекислоты. Происходит отгон углекислоты, но при этом значение рН котловой воды не поднимается выше 8,5—8,8. Когда в котел попадает питательная вода с низким значением рН, то происходит интенсивная углекислотная коррозия котла при высоких температурах. Т.к. в котле нет гидратов для того, чтобы связать углекислоту в бикарбонат (уравнение 1), поступающую с питательной водой.

Проще говоря, для надлежащего ВХР котельной необходимо, чтобы в питательной воде обязательно содержался бикарбонат натрия. Количество бикарбоната натрия (Щпит, мг-экв/л) должно соответствовать солесодержанию питательной воды (S, мг/л). Отношение бикарбоната к солесодержанию питательной воды называется относительной щелочностью питательной воды.

Щот= 40 * Щпит * 100/Sпит %⠀⠀ (3)

Если относительная щелочность меньше 5%, происходит активная углекислотная коррозия парового котла. Если относительная щелочность больше 50%, то может наблюдаться щелочная межкристаллическая коррозия котла.

Относительная щелочность питательной воды для описываемого случая с котлом ДЕ составляла 1,5%.

Можно сказать, что обратноосмотическое обессоливание воды в структуре ВХР паровых котельных низкого давления должно применяться совместно с Na-катионированием. Т.е. обратноосмотическое обессоливание не является полной заменой Na-катионированию для котлов низкого давления.

Работая по комбинированной схеме водоподготовки (обратный осмос + умягчение), значение относительной щелочности будет таким же, как и при работе только на умягчении. Примерно от 15 до 40%. Т.е. значение относительной щелочности будет оптимальным, и при этом вода имеет небольшое солесодержание, что значительно уменьшает количество продувки котла, увеличивает качество пара и конденсата.

Для котлов высокого давления, где требуется подпитка обессоленной водой, вполне применима технология двухступенчатого осмоса с последующей корректировкой пермеата.

Необходимо сделать небольшое отступление. Если в качестве исходной воды для котельной используется артезианская скважина, то в такой воде, скорее всего, будут содержаться натрий и калий наряду с кальцием и магнием. Это позволит использовать только обратный осмос для подготовки воды. При условии, если мембрана обеспечит нормативное содержание жесткости ниже 0,02 мг-экв/л. Но на практике сложно достигнуть такого низкого значения жесткости в одну ступень осмоса и необходимо использовать Na-катионирование хотя бы для доумягчения пермеата.

В своей практике я использовал обратноосмотическое обессоливание воды без Na-катионирования для небольшого парогенератора (0,5 т/час), работающего на артезианской воде. В связи с объективной невозможностью организации сложной системы водоподготовки и отсутствия обслуживающего персонала в парогенераторной решено было использовать только автоматизированную установку обратного осмоса. Вода имела солесодержание около 650 мг/л, жесткость около 7 мг-экв/л, рН – 7,8 и содержание кислорода около 3,5 мг/л. Возврат конденсата отсутствовал. Использование Na-катионирования в данном случае невозможно. В результате работы осмоса установился следующий ВХР парогенераторной. Осмотическая вода (пермеат) имела солесодержание 11 мг/л, жесткость около 0,05—0,06 мг-экв/л, значение рН 6,2—6,3. Т.к. деаэратор не предусматривался и его установка была объективно невозможна, я настоятельно рекомендовал добавлять в бак пермеата едкий натр. Это было некому делать, и, соответственно, это не делалось. Тем не менее через две недели работы парогенератора на осмотической воде из артезианской скважины значение рН котловой воды держалось на уровне 9,8—10,5. Питательные трубопроводы парогенератора и емкость пермеата выполнены из полимерного материала и не коррозировали. Первые несколько дней наблюдалось очень большое количество железа при продувке уровнемерных стекол, что говорило о значительной коррозии котла. Но как только значение рН котловой воды выросло до 10, активные коррозионные процессы прекратились. В настоящее время данный котел уже работает более 5 лет. При том что его предшественник, работающий без водоподготовки, примерно раз в месяц полностью забивался карбонатом кальция и требовал постоянного кипячения с лимонной кислотой, не говоря уже о колоссальном перерасходе газа. Тем не менее установившийся ВХР не является нормативным и есть большая вероятность сквозной коррозии жаровой трубы и выхода парогенератора из строя раньше установленного срока службы.

Необходимо рассмотреть еще один момент, связанный с работой обратноосмотических систем обессоливания. Это почему пермеат имеет низкое значение рН и как это отражается на ВХР котельной.

При фильтровании через полупроницаемую мембрану ионы, растворенные в воде, практически не переходят через мембрану, т.к. они находятся в гидратированном состоянии, т.е. имеют связь с молекулами воды. В результате диаметр гидратированного иона получается больше диаметра поры в мембране, с учетом связанного слоя воды на поверхности мембраны гидратированный ион не переносится через мембрану и остается в концентрате. Растворенные в воде газы свободно проходят через мембрану, т.к. они не имеют заряда и не подвержены гидратированию водой. Размер молекулы газа меньше размера поры в мембране. Таким образом, в пермеате содержится тоже количество углекислого газа, что и в исходной воде, а количество бикарбонат-иона существенно меньше. Порядка 1—5% от исходного количества бикарбоната. В физическом смысле можно сказать, что бикарбонат-ион – это щелочной остаток от растворения угольной кислоты. Соответственно, убирая щелочную составляющую за счет фильтрации, но оставляя кислотную (углекислый газ проходит через мембрану), значение рН фильтрата существенно падает. Это хорошо показывается уравнением Хендерсона-Хассельбальха для диссоциации угольной кислоты H₂CO3 = H+НCO₃

К примеру, если содержание бикарбоната в исходной воде 2,0 ммоль/л, в пермеате 0,12 ммоль/л, содержание углекислоты в исходной воде 10 мг/л (0,227 ммоль/л), то значение рН можно рассчитать по формуле (1)

При этом значение рН исходной воды равно

Как видим, за счет уменьшения содержания бикарбоната и неизменного содержания угольной кислоты пермеат имеет низкое значение рН. При этом общее количество связанной угольной кислоты в виде бикарбонат-иона уменьшилось с 2 ммоль/л до 0,12 ммоль/л. Это значит, что в паре и конденсате будет содержаться примерно на 70—80 мг/л углекислоты меньше. Что и является важным преимуществом работы осмотических систем в схеме ВХР котельных.

Остается только избежать углекислотной коррозии питательного тракта парового котла. Для этого осмотическую воду необходимо направлять в колонку деаэратора на отгонку углекислоты и кислорода. При этом термический деаэратор должен работать надлежащим образом, а не просто как бак запаса воды.

Если значение рН деаэрированной воды менее 8,4—8,5, необходимо выяснить причины этого, а не начинать дозировать едкий натр в деаэрированную воду. Едкий натр свяжет свободную углекислоту в бикарбонат, который в котле перейдет в углекислоту и уйдет с паром. Причинами низкого значения рН деаэрированной воды могут быть:

– недостаточный нагрев подпиточной воды перед деаэраторной колонкой;

– недостаточный расход пара на зеркало;

– недостаточный расход пара на барботаж;

– возврат конденсата не в деаэраторную колонку, а в деаэраторный бак.

Зная особенности работы обратноосмотических систем обессоливания воды, можно предложить 2 принципиальные схемы их применения в структуре ВХР паровых котельных низкого давления.

В первом варианте исходная вода, проходя фильтр осветления, поступает на установку Na-катионирования, затем умягченная вода поступает на обратноосмотическое обессоливание. После осмоса пермеат поступает в термический деаэратор (рис. 1).

Во втором варианте исходная вода, проходя фильтр осветления, сразу направляется на обратноосмотическое обессоливание, затем пермеат подается на установку Na-катионирования. После умягчения вода поступает в термический деаэратор (рис. 2). В этом варианте требуется дополнительная емкость и насосная станция.

В обоих вариантах получаемый состав подпиточной воды полностью соответствует требованиям НД и позволяет вести ВХР с минимальным содержанием углекислоты в конденсате и очень низкими потерями тепла с продувкой котла.

Тем не менее эти два варианта принципиально отличаются с точки зрения организации работы системы обратного осмоса.

В первом варианте происходит предварительное умягчение воды. Из воды извлекаются ионы-накипеобразователи. Соответственно, практически полностью исключается образование отложений карбоната кальция на мембране. Это условие позволяет значительно уменьшить количество концентрата сбрасываемого с установки обратного осмоса. Количество концентрата может составлять всего 10% от количества исходной воды. При этом необходимо обеспечить отсутствие в исходной воде веществ коагулянтов. Так, содержание железа в исходной воде должно быть не более 0,05 мг/л. Основной недостаток первого варианта – это большой расход соли на регенерацию установки умягчения.

Во втором варианте исходная вода, как правило, находящаяся в состоянии углекислотного равновесия, в мембране начнет концентрироваться, что сразу увеличит концентрацию бикарбоната кальция без увеличения концентрации углекислого газа. Соответственно, начнет формироваться твердый осадок карбоната кальция на мембране. Это обстоятельство требует применения ингибиторов осадкообразования. Стоит сказать, что качественные ингибиторы стоят достаточно дорого. При этом сброс концентрата в любом случае будет составлять не менее 25% от количества исходной воды. Главное достоинство второго варианта – это минимальные издержки на соль при работе установки умягчения в качестве корректирующей стадии. Второй вариант также применим, в случае если исходная вода имеет большую жесткость и относительно небольшую щелочность. В этом случае возникнут большие затраты, связанные с умягчением. Более эффективно использовать дозирование соляной кислоты для разрушения бикарбоната перед осмосом. Это обеспечит отсутствие отложений на мембране. В этом случае необходимо будет предусмотреть стадию декарбонизации пермеата. Возможно использование для этих целей мембранного контактора.

Эффективность первого варианта можно повысить, используя для регенерации установки умягчения не дорогую таблетированную соль, а техническую соль (галит). Это требует простого технического решения по предварительному фильтрованию полученного насыщенного раствора соли (Статья — «Использование технической соли (минерал Галит) в технологии регенерации современных автоматических Na-катионитовых фильтров»). В этом случае стоимость технической соли будет соизмерима со стоимостью ингибитора осадкообразования. Более того, схема по первому варианту гораздо более вариативна и имеет ряд существенных преимуществ, о которых будет рассказано в отдельной статье. Необходимо учесть, что при подаче подпиточной воды непосредственно в деаэратор после осмоса возможно возникновение избыточного противодавления в подпиточной линии перед деаэратором (до 2 бар). В этих условиях для сохранения производительности установки обессоливания по пермеату необходимо предусмотреть запас по давлению воды на входе в установку обессоливания. Выбрать более мощный насос для компенсации противодавления и сохранения производительности по пермеату.

В любом случае, как уже было сказано, ВХР каждой котельной довольно индивидуальный, и в каждом конкретном случае необходим тщательный анализ всех факторов и выбор наиболее оптимального варианта. При этом использование обратноосмотического обессоливания совместно с Na-катионированием в различных вариантах сочетания представляется наиболее применимой современной технологией водоподготовки в структуре ВХР паровой котельной низкого давления.

Выводы:

1. Использование обратноосмотической технологии обессоливания воды в структуре ВХР паровых котельных позволяет обеспечить эффективную и безаварийную эксплуатацию котельной, и такой ВХР имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с использованием только технологии Na-катионирования.

2. Обратноосмотическая технология обессоливания воды в структуре ВХР паровых котельных низкого давления не является конкурентом технологии Na-катионирования. Данные технологии должны работать вместе для обеспечения максимальной эффективности друг друга и всего ВХР котельной.

3. Обратноосмотический ВХР котельной некорректно сравнивать с Na-катионитовым ВХР. Технология Na-катионирования не обеспечивает ряд важных параметров ведения ВХР.

4. Ненадлежащее ведение процесса термической деаэрации и декарбонизации подпиточной воды при применении мембранных технологий может быть причиной коррозионных повреждений элементов питательного тракта парового котла, а также быть причиной повышенного содержания железа в котловой воде.

5. Использование щелочных реагентов для повышения значения рН питательной воды, вероятнее всего, говорит о ненадлежащей работе термического деаэратора.

Использование технической соли (минерал Галит) в технологии регенерации современных автоматических Na-катионитовых фильтров

В статье рассмотрена схема применения галита для регенерации автоматических установок Na-катионирования вместо дорогой таблетированной соли.

Расход соли для регенерации Na-катионитовых фильтров является одной из самых затратных статей при эксплуатации водоподготовительного оборудования.

Современные системы умягчения являются полностью автоматизированными. Оператору необходимо только досыпать соль в фидер (бак-солерастворитель) по мере ее расходования. Современные клапаны автоматического управления потоков в системах умягчения представляют собой сложное техническое устройство со множеством переходов, отверстий, сужающих устройств, инжекторов, плунжеров и т. д. Использование в таких устройствах растворов из неочищенной технической соли (галита) может привести к засорению устройства и выходу его из строя.

Производители клапанов управления потоками рекомендуют использовать для регенерации катионита таблетированную соль. Таблетированная соль – это соль, приготовленная выварочным способом для максимальной очистки. Раствор, полученный из такой соли, прозрачен, и на дне фидера не образуется нерастворяюшийся осадок. Содержание NaCl в таблетированной соли должно составлять не менее 99,0%. Для регенерации катионита систем умягчения содержание хлористого натрия в соли должно быть не менее 97%.

Основной недостаток таблетированной соли – это ее стоимость. В настоящее время при оптовых закупках 1 кг таблетированной соли стоит от 18 рублей. В качестве более дешевого аналога можно рассмотреть минеральный концентрат галит (техническая соль) высшей категории, который содержит 97—98% NaCl.

До появления на российском рынке таблетированной соли галит использовался повсеместно для целей водоподготовки. Стоимость 1 тонны галита высшего сорта составляет в среднем 4000 рублей, т.е. 1 кг галита стоит 4 рубля. Галит дешевле таблетированной соли в среднем в 4,5 раза. Возникает закономерный вопрос о возможности использования галита в современных системах умягчения воды, которые оснащены автоматическими клапанами управления потоками.

При растворении технической соли непосредственно в фидере (баке-солерастворителе) образуется большое количество загрязнений, изначально содержащихся в соли. Наблюдается образование устойчивой пленки на внутренней поверхности фидера и в солезаборной шахте. Образуется большое количество взвешенных веществ, нерастворимый осадок. Все это приводит к выходу из строя клапанов управления потоками. Также это негативно влияет на ионообменные качества катионита.

Учитывая данные обстоятельства, была разработана схема применения технической соли (галита «высший сорт») в автоматических установках умягчения воды. Для целей водоподготовки применим только высший сорт галита с содержанием NaCl более 97%.

На рис. 1 представлена принципиальная схема использования технической соли в автоматической установке умягчения воды, состоящей из автоматического клапана управления потоками (CLACK, FLECK), стеклопластикового корпуса с катионитом, фидера с солезаборным устройством. Данная установка является стандартной для подавляющего большинства современных систем умягчения воды средней и малой производительности.

Принцип работы:

Исходная жесткая вода поступает в клапан управления и перенаправляется на фильтрацию через катионит в корпус фильтра сверху вниз. После истощения катионита по ионам натрия требуется его регенерация. Регенерация катионита осуществляется рабочим раствором поваренной соли концентрацией 8—10%. Рабочий раствор соли получается путем смешения насыщенного раствора соли и исходной воды. Смешивание потоков происходит в клапане управления, и далее уже рабочий раствор поступает в фильтр. Насыщенный раствор имеет концентрацию около 26%. Рабочий раствор 8—10%. Насыщенный раствор приготавливается предварительно в фидере (баке-солерастворителе). Оператор засыпает таблетированную соль в фидер. Вода поступает в фидер автоматически в течение четко установленного времени после каждой автоматической регенерации установки. Количество воды, поступившее в фидер, является очень важным показателем, во многом определяющим эффективность расходования соли на регенерацию катионита.

Объем воды в фидере определяется двумя условиями:

1. Временем заполнения бака.

2. Аварийным поплавковым клапаном, регулирующим максимальный уровень воды в фидере.

Оба условия не всегда четко позволяют обеспечить количество насыщенного раствора соли в фидере для оптимального ведения процесса регенерации. К примеру, на 1 литр катионита, как правило, для воды средней жесткости требуется 120 г поваренной соли. Если в фильтре засыпано 100 литров катионита, то для регенерации потребуется 12 кг соли или 40 литров насыщенного 25% раствора. Производители водоподготовительного оборудования указывают на то, что объем нерастворившейся соли в фидере должен быть чуть выше уровня воды. Стоит помнить, что нерастворившаяся соль занимает существенный объем в фидере и количество поступившей в фидер воды в автоматическом режиме может быть недостаточно для получения необходимого количества насыщенного раствора. Увеличение времени поступления воды в фидер в данном случае не исправит ситуацию, т.к. поплавковый клапан перекроет линию подачи воды при повышении объема воды до максимального уровня, при том что большая часть внутреннего объема фидера занята нерастворившейся таблетированной солью.

В любом случае такай способ получения насыщенного раствора соли не позволяет полностью контролировать ведение процесса умягчения воды при оптимальных параметрах по потреблению соли. Требуется длительная отстройка процесса дозасыпки соли и времени набора воды в фидер. Эффективность данного процесса можно отследить только спустя некоторое время при определении удельного потребления соли на 1 м³ получаемой умягченной воды по результатам ведения учета за расходами соли и воды.

В соответствии со схемой на рисунке 1 насыщенный раствор технической соли приготавливается в отдельной емкости объемом значительно большим, чем объем фидера. Объема полученного насыщенного раствора соли должно хватать на несколько регенераций. «Грязный» насыщенный раствор поступает с помощью насоса на фильтр осветления. Насос необходимо оборудовать обратным клапаном и реле давлением, а также угловым сетчатым фильтром на входе. Фильтр осветления представляет собой стеклопластиковый корпус типоразмеров 8—32 с ручным клапаном управления потоками. Фильтр загружен высокоэффективной осветляющей загрузкой Filter AG. Расход воды через фильтр должен быть не более 0,4 м³/час. После осветления насыщенный раствор поступает в фидер. Уровень заполнения фидера раствором контролируется поплавковым клапаном. Таким образом, в фидер можно набрать четкое количество насыщенного раствора, необходимое для регенерации катионита. При увеличении перепада давления на фильтре осветления выше 0,5 бар необходимо провести взрыхление и отмывку фильтра в дренаж. Для этого к подводящей линии насыщенного раствора необходимо подключить трубопровод с исходной водой.

Автоматизация процесса заключается в установке микропереключателя в автоматический клапан управления умягчением. Микропереключатель должен включаться (замыкать контакт) при автоматическом выходе установки умягчения в регенерацию. При замыкании контакта должен включаться (перекрываться) соленоидный клапан (нормально открытый). Тем самым перекрывая подачу насыщенного раствора в фидер. В процессе регенерации насыщенный раствор инжектируется из фидера и, смешиваясь с исходной водой, поступает на регенерацию катионита. Поплавковый клапан в солезаборном устройстве по мере уменьшения насыщенного раствора в фидере открывается, но закрытый соленоидный клапан не дает раствору после фильтра осветления поступать в фидер. Таким образом, на регенерацию катионита тратится точно отмеренное количество раствора. После завершения регенерации клапан управления в автоматическом режиме начнет заполнять фидер исходной водой. Необходимо выключить или сделать минимальной эту стадию (прим. 1 мин). После завершения регенерации и стадии «заполнение фидера водой» микропереключатель разомкнется и соленоидный клапан откроется. Начнет происходить заполнение фидера насыщенным раствором из емкости. Фидер заполнится насыщенным раствором до срабатывания поплавкового клапана солезаборного устройства. Цикл завершен.

Данная схема является простой в эксплуатации и не дорогой. При использовании в котельных производительностью по умягченной воде 1,5 м³/час дополнительно приобретенное оборудование окупается менее чем за полгода за счет экономии на более дешевой технической соли. При большей производительности срок окупаемости еще меньше.

Пример расчета экономического эффекта от использования технической соли в системах умягчения воды вместо таблетированной соли.

Исходные данные

Паровая котельная с установленной системой умягчения воды производительностью 1,5 м³/час. Суточное количество умягченной воды – 36 м³.

Исходная вода – питьевой водопровод г. Саратова. Общая жесткость исходной воды – 4,0 мг-экв/л (⁰Ж).

При такой жесткости исходной воды удельный расход соли на 1 м³ исходной воды составит 0,45 кг. Т.е. суточный расход соли составит 0,45*36=16,2 кг.

Затраты в сутки на таблетированную соль – 16,2*18=291,6 руб/сут.

Затраты в сутки на техническую соль – 16,2*4=64,8 руб/сут.

18 – стоимость 1 кг таблетированной соли, руб.

4 – стоимость 1 кг технической соли, руб.

Экономия при применении технической соли составит 291,6—64,8=226,8 руб/сут.

Стоимость дополнительно устанавливаемого оборудования для использования технической соли:

1. Емкость насыщенного раствора (1000 л) пластиковая – 10 000 руб.

2. Насос с реле давления и обратным клапаном – 4000 руб.

3. Фильтр осветления с ручным управлением – 12000 руб.

4. Соленоидный клапан (н.о.) ½ “ – 3000 руб.

5. Трубопроводы, КиП и Монтажные работы – 11000 руб.

Итого: 40 000 руб.

Срок окупаемости 40000/226,8= 176 суток

Вывод: использование технической соли вместо таблетированной в котельных с производительностью по умягченной воде более 1,0 м³/час является оправданным и создающим значительный экономический эффект за счет использования более дешевой соли. Оборудование, применяемое при модернизации стандартной схемы, окупается менее чем за год. Режимная наладка установки умягчения при использовании предлагаемой схемы становится более эффективной в процессе регулирования расхода соли для регенерации катионита, что позволит избежать необоснованного перерасхода соли.

Дегазация воды с использованием обратноосмотических мембран

В статье рассмотрено, как одновременно с обратноосмотическим обессоливанием воды можно произвести ее дегазацию.

Содержание растворенных агрессивных газов СО₂ и О₂ в воде является причиной коррозии оборудования и трубопроводов. При повышении температуры воды подвижность молекул кислорода увеличивается и коррозионная агрессивность воды растет.

Проблему удаления кислорода и диоксида углерода из воды решают преимущественно двумя способами. Это термическая и химическая дегазация (деаэрация).

При термической дегазации происходит удаление растворенных газов из воды в деаэрационной колонке. Вода в состоянии насыщения растекается по тарелкам деаэрационной колонки тонкой пленкой. При этом часть воды выпаривается, унося с собой растворенные газы, которые выделяются с поверхности воды при ее кипении. Чем больше поверхность испарения воды и чем выше температура насыщения, тем эффективнее происходит дегазация воды.

При химической дегазации удаления газов не происходит. Происходит только их связывание в неорганические соединения.

При использовании сульфита натрия

2Na₂SO₃+O₂ → 2Na₂SO₄ ⠀⠀ (1)

При использовании гидразингидрата

N₂H₄*H₂O+O₂ → 3H₂O+N₂ ⠀⠀ (2)

Связывание углекислого газа в бикарбонат-ион (подщелачивание) происходит по реакции:

NaOH+H₂СO3 = NaHCO₃+H₂O ⠀⠀ (3)

Химическая деаэрация и подщелачивание имеет ряд существенных недостатков:

1. При проведении химической деаэрации значительно (для поверхностных вод до 50 и более процентов) увеличивается солесодержание питательной воды и, соответственно, растет непрерывная продувка парового котла. Для связывания 1 мг кислорода тратится 10 мг сульфита натрия. Необходимо отметить, что при использовании гидразингидрата солесодержание воды не увеличивается, но сам реагент чрезвычайно токсичен (относится к первому классу опасности), пожароопасен и требует специфических условий хранения, что исключает его применение для паровых котельных, особенно работающих на пищевых производствах.

2. При проведении химической деаэрации в воде остаются сульфиты (SO₃), что связано с их избыточным дозированием для гарантированного связывания кислорода. Как правило, производители котлов достаточно жестко регламентируют содержание сульфитов в котловой воде (5—10 мг/л), что представляет значительную сложность в организации процесса дозирования сульфита натрия в питательную воду. Сульфит-ион (SO₃) является сильным восстановителем и значительно усиливает коррозионные процессы, протекающие в котле и пароконденсатном тракте путем разрушения пассивирующего слоя на поверхности металла. Контакт сульфит-иона, находящегося в паре, с продуктом недопустим. Сульфит натрия относится к веществам 3-го класса опасности. Сульфит натрия наиболее применим для связывания незначительного остаточного содержания кислорода в питательной воде после термического деаэратора.

3. Еще одним не всегда учитываемым моментом является то, что при дозировании сульфита натрия в воде образуется сульфат натрия Na₂SO₄, который, по сути, увеличивает содержание сульфат-иона в питательной воде, и при проскоке жесткости или постоянно повышенной жесткости в питательной воде в котле возможно образование нерастворимого сульфата кальция СaSO₄ (гипса). Сульфат кальция образует на испарительных поверхностях плотные отложения (накипь), которые значительно увеличивают термическое сопротивление и приводят к перегреву металла труб и значительному перерасходу топочного газа. Более того, гипс практически невозможно удалить с поверхности труб химической мойкой котла ингибированной соляной кислотой.

4. Подщелачивание питательной воды каустической содой всего лишь связывает угольную кислоту в бикарбонат натрия (уравнение 3), который в котле снова перейдет в угольную кислоту, которая выделится в виде углекислого газа в пар при кипении воды и впоследствии перейдет в конденсат, вызывая понижение значения рН конденсата и значительно увеличивая его коррозионные свойства. Таким образом, подщелачивание питательной воды позволяет избежать углекислотной коррозии питательного и котлового тракта парового котла, но при этом увеличивает коррозионную агрессивность конденсата.

Термическая дегазация для паровых котельных в настоящее время является наиболее приемлемым вариантом. Деаэратор является также накопительным баком питательной воды, куда поступает подпиточная вода и конденсат. За счет небольшого избыточного давления не происходит повторного загрязнения воды агрессивными газами из атмосферы.

Тем не менее термическая дегазация требует целого ряда сложных технических решений при проектировании и обладает значительной стоимостью основного и вспомогательного оборудования. Так, необходимо обеспечить подогрев подпиточной воды перед деаэратором не менее 80 оС, что представляет значительную техническую сложность, особенно при переменном расходе подпиточной воды. При резком снижении расхода подпиточной воды в деаэратор за счет инерционности регулятора пара на теплообменник подпиточной воды температура подпиточной воды после теплообменника резко увеличивается и наблюдается закипание воды в трубопроводе от теплообменника до деаэратора. При этом в данном трубопроводе начинается выделение кислорода из воды и интенсивная кислородная коррозия. Для исключения повреждения данного трубопровода целесообразно его выполнять из нержавеющей стали.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.