Предотвращение накипеобразования и коррозии в системах теплоснабжения при работе на жесткой недеаэрированной воде, стабилизированной композицией ККФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предотвращение накипеобразования и коррозии в системах теплоснабжения при работе на жесткой недеаэрированной воде, стабилизированной композицией ККФ

Область применения антинакипинов

К сожалению, экономические реалии таковы, что Россия в XXI век вступила очень бедной, но крайне расточительной страной. Энергоемкость экономики России в 3 раза выше энергоемкости мировой экономики. Нерациональное использование энергоресурсов по разным оценкам составляет от 500 до 800 млн т.у.т. или более 2/5 всего объема потребления первичных энергетических ресурсов. При этом надежность российских систем теплоснабжения в 2,5 раза ниже, чем в европейских странах, 46% подземных трубопроводов требуют замены, 105 сетей находится в аварийном состоянии, на каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется 70 повреждений [1]. Причем, по данным ВТИ доля повреждений от внутренней коррозии составляет около 25% общей повреждаемости [2].

Все это в значительной степени является следствием того, что традиционные методы обработки подпитанной воды систем теплоснабжения (умягчение воды натрий-катионированием с последующей деаэрацией) из-за своего технического и технологического несовершенства, а также, зачастую, из-за низкого уровня технической эксплуатации не обеспечивают должную защиту водогрейных котлов и тепловых сетей от накипеобразования и коррозии.

В условиях крайнего дефицита у предприятий средств на содержание, ремонт и модернизацию оборудования систем теплоснабжения необходим такой метод обработки воды, который позволит решить задачу ингибирования накипеобразования и коррозии при максимально возможном упрощении и удешевлении избираемых средств.

В настоящее время в системах теплоснабжения как альтернатива умягчению воды все более широко применяются антинакипины (ингибиторы накипеобразования). Существующие органические антинакипины (комплексоны) представляют собой, как правило, полимеры, содержащие анионные, катионные или неиногенные функциональные группы типа карбоновых, гидроксильных, сульфоновых, фосфоновых и т.д. [3]. Наиболее широкое применение получили фосфоновые соединения (фосфонаты).

Впервые фосфоновые соединения как антинакипины были применены Урал ВТИ в середине 70-х годов в оборотных системах охлаждения для предотвращения осаждения карбоната кальция в трубках конденсаторов [4, 5].

В настоящее время в системах теплоснабжения в основном используются реагент ПАФ-13А, оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФК), ингибитор отложения минеральных солей (ИОМС) и их цинковые комплексы ОЭДФ-Zn и ИОМС-Zn, причем цинковые комплексы являются еще и эффективными ингибиторами коррозии. Характеристики их приведены в [6, 7].

Несмотря на высокую, подтвержденную опытом промышленного применения, эффективность фосфонатов, нередко применение их приводит к отрицательным последствиям (забивание теплообменных трубок сетевых подогревателей и водогрейных котлов карбонатом кальция и окислами железа). Особенно это характерно для тех случаев, когда внедрением занимаются предприятия собственными силами, либо мелкие фирмы без учета условий конкретного объекта.

Для разработчиков технологий стабилизации воды перечисленными фосфонатами в виде индивидуальных продуктов необходимо четко представлять, что возможность их применения имеет целый ряд ограничений.

А. Химический состав воды и температура нагрева.

В соответствии с ПТЭ [8] параметром, нормирование которого позволяет ограничивать интенсивность кальциево-карбонатного накипеобразования на уровне, не превышающем 0,1 г/(м²ч), является карбонатный индекс И_к, равный произведению концентрации катионов кальция Са²⁺ (мг-экв/кг) на общую щелочность Щ_о (мг-экв/кг).

Имеющийся в настоящее время промышленный опыт, относящийся в основном к ОЭДФК и ИОМС, а также данные изготовителя этих реагентов показывают, что существует режим с эффективностью ингибирования накипеобразования до 95%, который может быть обеспечен при определенных соотношениях между значениями И_к и температуры нагрева воды в сетевых подогревателях [9, 10]:

t,⁰ С 100 120 130

И_к, (мг-экв/кг)² 10-13 7-9 4-6

Для ПАФ-13А карбонатриевый индекс не должен превышать 8 (мг-экв/кг)²

Б. Значение теплового потока и температуры поверхности труб котла.

Известно, что в трубах водогрейных котлов существует гидравлическая и температурная разверки, которые способствуют возникновению поверхностного кипения воды в наиболее теплонапряженных трубах котла.

Поверхностное кипение, сопровождаемое интенсивным накипеобразованием, возникает при определенном сочетании режимных параметров: расход воды через котел, тепловая нагрузка котла, температура и давление воды за котлом.

Обобщая промышленный опыт использования фосфонатов (ОЭДФК и ИОМС), научно-технический совет РАО «ЕЭС России» (протокол №26 от 22.11.93 г.) рекомендовал ограничить область их применения пределами:

температура воды на выходе из водогрейного котла - не более 110 °С;

температура воды на выходе из бойлера - не более 130 °С;

карбонатный индекс сетевой воды - не более 8 (мг-экв/кг)²;

значения показателя рН сетевой воды - не более 8,5.

При этом необходимо обязательно соблюдать требования ПТЭ по антикоррозионной обработке воды.

Поэтому для исходной воды общей щелочностью более 3 мг-экв/кг рекомендуется следующая схема обработки подпиточной воды: подкисление серной кислоты для снижения щелочности, декарбонизация, введение антинакипина, деаэрация [11]. Все это требует монтажа дополнительного громоздкого оборудования кислотного хозяйства, что в условиях действующих котельных крайне затруднительно.

антинакипин коррозия теплоснабжение вода

Антинакипин для жесткой воды

Для расширения области эффективного применения фосфонатов в качестве антинакипинов специалистами Центра в 1995 году создана Композиция ККФ (ККФ), предназначенная для предотвращения одновременно и накипеобразования и коррозии в системах теплоснабжения при подпитке их жесткой (очень жесткой) недеаэрированной водой.

Композиция ККФ создана на основе отечественных реагентов, является многокомпонентной и состоит из органических фосфоновых кислот, их фосфонатов и синергетических добавок органических и неорганических веществ.

Товарный продукт поставляется в виде двух растворов, которые при приготовлении рабочего раствора смешиваются в соотношении 1:1.

В 1995-1996 гг. были проведены опытно-промышленные испытания ККФ в закрытых системах теплоснабжения с котлами малой мощности НР-18, НР-20 и температурным режимом 70/95 ⁰C, при подпитке очень жесткой (Ж=23 мг-экв/кг), недеаэрированной водой. Во всех случаях были получены положительные результаты. ККФ не только эффективно подавляет карбонатное, сульфатное, силикатное и железоокисное накипеобразование, но одновременно ингибирует и процессы коррозии.

В последующие годы с постоянным увеличением масштабов подобные работы проводились на водогрейных котлах средней мощности (ТВГ-8, реконструированные ДКВР-10, ПТВМ-30) при температурных режимах 70/115 ⁰С и 70/130 ⁰С.

Жесткость исходной воды для этих котельных составляла 12-25 мг-экв/кг, а карбонатный индекс 50-90 (мг-экв/кг)². Доза ККФ поддерживалась на уровне 2-6 мг/л. Общие итоги этих работ были положительными, хотя в отдельных случаях в котлах ДКВР-10 наблюдалось накипеобразование, связанное, прежде всего, с нарушением режима дозирования композиции.

В это же время Композиция ККФ была успешно применена для стабилизации жесткой питательной воды паровых котлов ДКВР-6/13. Нормы водно-химического режима согласованы ОАО «Бийскэнергомаш».

В 1998-1999 гг. аналогичные исследования были выполнены для системы теплоснабжения с открытым водоразбором. Технология обработки воды композицией обеспечила надежную работу водогрейных котлов ПТВМ-30 при карбонатном индексе сетевой воды 45-52 (мг-экв/кг)². Скорость коррозии металла снизилась с 0,36 г/(м² ч) до 0,03 г/ (м² ч).

Характер коррозионного процесса стальных трубопроводов тепловых сетей оценивается в зависимости от линейной скорости коррозии [12].

Результаты исследований

Зеленодольским ГУП тепловых сетей (Татарстан, в работе принимали участие А.М.Меламед, Н.А.Нефедова, К.М.Торопцев) в отопительный сезон 2000-2001 гг. были проведены полномасштабные исследования скорости коррозии в системах теплоснабжения с различными способами обработки воды. Скорость коррозии определялась по стандартной методике [13] гравиметрическим методом по потере массы контрольных стальных образцов, подготовленных соответствующим образом и установленных в сетевых трубопроводах систем теплоснабжения. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты исследования скорости коррозии в системах теплоснабжения с различными способами обработки воды

Как правило, вакуумные деаэраторы обеспечивают требуемую эффективность удаления только по кислороду. В соответствии с ГОСТ 16860-77 при вакуумной деаэрации исходной воды с низкой щелочностью остаточное содержание свободного СО₂ допускается до 0,5 мг/л. Практически содержание свободного диоксида углерода в подпиточной и сетевой воде превышает указанное значение, вследствие чего, как следует из табл.1, система теплоснабжения подвергается интенсивной язвенной коррозии со скоростью 0,1-0,15 мм/год.

Как видно из табл. 1, композиция ККФ не просто снижает скорость коррозии, а глубоко подавляет коррозионные процессы.

Осмотр образцов показал, что их поверхность покрыта тонкой равномерной пленкой черно-бурого цвета. Под пленкой на поверхности образцов не было обнаружено никаких признаков разрушения. По мере формирования защитной пленки скорость коррозии постепенно снижается вплоть до ее практического отсутствия.

В общем случае коррозия стали в воде обусловлена электрохимической реакцией, при которой на поверхности металла протекает два сопряженных процесса - анодный и катодный.

В отличие от силикатных, фосфатных, нитритных и др. ингибиторов коррозии Композиция ККФ тормозит одновременно и анодный и катодный процессы за счет образования на поверхности металла плотной защитной железо-цинк-фосфонатной пленки мономолекулярной толщины. Причем от физико-химических показателей обрабатываемой воды зависит не эффективность ингибирования коррозии, а цвет защитной пленки.

Как показали рентгенографические исследования, железо входит в состав защитной пленки в виде гематита - Fe₂O₃ и частично в виде магнетита FeO₃O₄, которые и придают защитной пленке цвет от красного до черного (фото. 1).

Присутствие в защитной пленке в основном железа в виде Fe₂O₃ не ухудшает теплопередачу.

Многолетний опыт практического применения Композиции ККФ выявил еще одно ее неоспоримое преимущество - постепенное разрушение имеющихся в котлах и сетях отложений как минерального характера, так и железокисных.

ПТВМ-30, Ж-15 мг-экв/кг ТГВ-8М, Ж-23 мг-экв/кг ТГВ-8М, Ж-23 мг-экв/кг

О₂=2-4 мг/кг О₂=2,5-3 мг/кг О₂=0,5-1,5 мг/кг

Фото 1. Образцы металла экранных труб, покрытых защитной пленкой

Молекулы композиции, обладая высокой проникающей способностью, сорбируются в макро- и мезопорах отложений. Затем, увеличивая свою кинетическую энергию с повышением температуры и давления, они проникают в микропоры, раздвигают их и проникают к «здоровому» металлу. При этом возникают деформирующие силы, приводящие к снижению механической прочности отложений. Отложения разрушаются и переходят в тонкосуспензированное или даже коллоидное состояние (фото 2).

Фото 2. Разрушение отложений в трубах котла.

Таким образом, накопленный опыт освоения нового метода водоподготовки и организации водно-химического режима систем теплоснабжения на основе Композиции ККФ позволяет рекомендовать его для широкого применения. Успешному проведению работ будет способствовать освоение многотоннажного производства Композиции ККФ.

Литература

1. Зинатуллин Р.Г., Чепахин В.Г. О создании зоны энергетической эффективности в г. Зеленодольске. Труды межрегионального симпозиума «Проблемы реализации региональных целевых программ энергосбережения». - Казань, 2001. С. 53-64.

2. Балабан-Ирменин Ю.В. О необходимости изменения нормы водно-химического режима для систем централизованного теплоснабжения. - Электрические станции, 1999, №10, с. 41-44.

3. Васина Л.Г., Гусева О.В. Предотвращение накипеобразования с помощью антинакипинов. - Теплоэнергетика, 1999, №7, с. 35-38.

4. Применение фосфорорганических соединений для борьбы с накипеобразованием в оборотных системах охлаждения // Ю.Ф. Бондарь, В.П. Маклокова, Р.К. Гронский и др. - Теплоэнергетика, 1976, № 1, с. 70-73.

5. Методические указания по водно-химическому режиму бессточных систем охлаждения (МУ 34-70-095-85). - М.: Союзтехэнерго, 1985.

6. Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М., Душнов В.П. Проблемы внедрения антинакипинов в системах теплоснабжения. - Промышленная энергетика, 1996, №4, с. 11-13.

7. О применении комплексонатов для антикоррозионной и противонакипной обработки питательной и подпиточной воды в системах паротеплоснабжения и горячего водоснабжения. // А.П. Ковальчук. - Новости теплоснабжения, 2000, №1, с. 32-35.

8. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. М.: Энергоатомиздат, 1989.

9. Проблемы внедрения антинакипинов в системах теплоснабжения // Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М., Думнов В.П. - Промышленная энергетика, 1996, № 4, с. 11-13.

10. Применение фосфонатов в системе водяного отопления // Щелоков Я.М., Мошанов А.В., Кошкина К.А. - Промышленная энергетика, 1990. № 7. с. 14-16.

11. О схемах подготовки воды для систем тепловодоснабжения // Щелоков Я.М. - Промышленная энергетика. 1991 №1. с. 13-14.

12. Лапотышкина Н.П., Сазонов Р.П. Водоподготовка и водно-химический режим тепловых сетей. М.: Энергоиздат, 1982, 200 с.

13. Инструкция по эксплуатации тепловых сетей. М.: Энергия, 1972, 200 с.

Размещено на Allbest.ru