ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВНУТРИКОТЛОВОЙ ВОДООБРАБОТКИ В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
В. И. ВУЛЬФСОН (ЛВИМУ им. адм. Макарова)
На морском флоте СССР широко применяется обработка котловой воды главным образом щелочными реагентами в котельных с давлением до 16 бар. На военно-морском и торговом флотах США внутрикотловая водообработка с применением щелочных реагентов проводится в котлах не только низкого, но и среднего давления.
Влияние органических присадок на скорость накипеобразования
В настоящее время наметились следующие направления повышения эффективности методов внутрикотловой водообработки: снижение скорости накипеобразования; поддержание водно-химического режима, способствующего образованию подвижного шлама, легко удаляемого с продувкой; предупреждение накипеобразования путем связывания ионов кальция и магния в форме растворимых комплексонатов.
Практика показала, что некоторые органические соединения стимулируют в паровых котлах шламообразование, одновременно затормаживая накипеобразование. Поэтому представляют интерес проведенные в США на экспериментальном котле исследования, посвященные выявлению связи между структурой органических соединений и их влиянием на скорость образования кальциевой накипи [Л. 5]. Питание котла осуществлялось жесткой водой, содержащей хлорид кальция. Для образования твердой фазы в котел присаживали раствор, содержавший едкий натр, динатрийфосфат, сульфит и сульфат натрия. Одновременно в котел присаживали органическое соединение, которое должно было оказывать влияние на скорость накипеобразования. После каждого опыта определяли количество накипи, образовавшейся на поверхности нагрева и на концах парообразующих труб. Результаты этих опытов приведены в таблице. Они показали, что полиметакриловая кислота, имеющая молекулярный вес порядка 6 000—12 000, резко снижает скорость накипеобразования. Полиметакриловая кислота более высокого молекулярного веса также предотвращает накипеобразование на поверхностях нагрева, но при этом наблюдается довольно интенсивное накипеобразование на концах труб, что, возможно, обусловлено образованием вторичной накипи. Нам представляется, что здесь скорее могла сказаться конструкция экспериментального котла. Общий вывод такой, что значительное влияние на снижение скорости накипеобразования оказывают органические полимеры, в структуре которых имеется гидроксильная группа.
Механизм противонакипного действия сложных органических соединений объясняется тем, что в котловой воде они играют роль центром кристаллизации для выпадающего в осадок фосфата кальция, вследствие чего твердая фаза не отлагается на поверхности нагрева.
Конечный результат внутрикотловой водообработки зависит от того, насколько полно при продувке удаляется из котла образовавшийся шлам. Практика показала, что котельные шламы имеют различную подвижность. Отсюда возникла необходимость выяснить природу подвижности шлама и установить возможность практически воздействовать на подвижность шлама в сторону ее повышения.
Сравнительное исследование [Л. 3] многих образцов шламов показало, что малоподвижные шламы медленно осаждаются из суспензий, образуя компактную массу, прилипающую к поверхности нагрева. Легкоподвижные шламы хлопьевидны, занимают большой объем, быстро оседают и к поверхности нагрева не прилипают. Малоподвижные шламы содержат влаги от 30 до 70%; содержание влаги в легкоподвижных шламах достигает 90%.
Малоподвижные карбонатные шламы состоят из мелких компактных кристалликов, в которых изредка присутствуют примеси серпентина [2MgSiO3, Mg(OH)2.H2O], Легкоподвижные шламы состоят из длинных тонких игольчатых кристаллов, мелких частиц и аморфных веществ.
Изучение химического состава большого числа образцов различных шламов, отличающихся своей подвижностью, позволило установить, что в малоподвижных шламах недостаточно содержания магния для превращения всего кремния в серпентин, придающий шламу подвижность. На этом основании предложено эмпирическое уравнение, устанавливающее связь между химическим составом шлама и его подвижностью:
где ИП — условный индекс, характеризующий подвижность шлама; CaO, MgO, SiO2 — составные части шлама, выраженные в молекулярных соотношениях, пересчитанных на СаО.
Опыт показал, что если индекс подвижности шлама ИП равен или менее 7, то шлам малоподвижен. Таким образом, подвижный шлам характеризуется таким соотношением в его составе магния, кальция и кремния, при котором индекс его подвижности больше 7. В подвижных шламах весь кремнезем связан с окисью магния в виде серпентина. В итоге было установлено, что для образования подвижного шлама в паровом котле, питание которого производится водой, содержащей кремний, в ней должен присутствовать магний в концентрации, несколько большей, чем это требуется для связывания всего кремнезема в виде серпантина.
Для подсчета минимальной магнионно диспергированных систем в воде, необходимой для образования в паровом котле подвижного шлама, предложена следующая эмпирическая формула:
где ФП—фактор, характеризующий подвижность шлама, образующегося в паровом котле из данной питательной воды, ЖСа и ЖMg — кальциевая и магниевая жесткости воды, выраженные в СаСО3, мг/л, SiO2 — содержание кремнезема в воде, мг/л.
Приняв ФП=1 и решив уравнение (2) относительно содержания в воде солей магния, получим требуемую минимальную магнезиальную жесткость питательной воды:
При этом необходимо учитывать, что для образования в котле шлама в подвижной форме котловая вода должна иметь избыточную щелочность 4—6 мг-экв/л NaOH.
Введение солей магния в котловую воду, когда это необходимо, должно осуществляться непрерывно пропорционально количеству подаваемой питательной воды. Установлено, что периодическое введение солей магния в котел неэффективно.
Внутрикотловая реагентная обработка котловой воды с магниевой корректировкой была проверена в различных районах Англии на 450 котлах различных типов, в том числе водотрубных, работающих при давлениях до 14 бар, на широком диапазоне природных вод с общей жесткостью от 0,4 до 5,5 мг-экв/кг. Во всех случаях, когда регулярно поддерживался заданный режим, результаты внутрикотловой водообработки были положительными, т. е. в котлах либо отсутствовала накипь, либо имело место отложение подвижного хлопьевидного шлама, легко удаляемого струей воды из брандспойта.
В свете изложенных представлений, нашедших экспериментальное подтверждение, о тесной связи между химическим составом питательной воды и подвижностью шлама можно объяснить известные на практике примеры благотворного влияния небольшого подсоса в питательную систему морской воды, для которой типична значительно более высокая магниевая жесткость, чем кальциевая.
Если содержание в воде солей магния значительно выше, чем это требуется для связывания содержащегося в ней кремнезема для образования серпентина, то в такую воду надо дозировать растворимые соли кремниевой кислоты. Такая ситуация может иметь место на приморских электростанциях и морских судах при значительном присосе охлаждающей морской воды в конденсаторах.
Для предотвращения накипеотложений в котлах низкого давления в последние годы все более широко применяются комплексообразователи, образующие с солями кальция и магния хорошо растворимые соединения. Для этой цели рекомендованы полифосфаты натрия, которые, помимо образования комплексных соединений с ионами кальция и магния, одновременно предохраняют котельный металл от коррозии.
Ю. М. Кострикин и В. И. Панеша (Л. 6) предложили применять для внутрикотловой водообработки триполифосфат натрия, который образует в котле комплексные соединения Na3СаP3O10 и Nа3МP3O10. При нагревании водного раствора триполифосфат натрия гидролизуется с образованием ди- и мононатрийфосфата по реакции Nа5P3O10+2H2O= 2Na2HPO4 + NaH2PO4. Поэтому использование триполифосфата натрия необходимо сочетать с использованием какого-либо щелочного реагента для нейтрализации кислых солей.
Наряду с минеральными комплексообразователями для внутрикотловой водообработки предложены органические комплексообразователи, в частности двухзамещенная натриевая соль этилендиаминотетрауксусной кислоты (трилон «Б»). Установлено, что трилон «Б» термически довольно стоек и может быть использован для внутрикотловой водообработки в котлах низкого и среднего давлений.
В состав одного из органических противонакипинов, применяемых в США под названием Admyralty Evoparotor Compaund, входят полиэтиленгликоль, белоид ТД (натриевая соль динафтилметандисульфоновой кислоты) и Вертан-600. В зарубежной патентной литературе (главным образом в Англии и ФРГ) в качестве противонакипных присадок указываются различные смеси, содержащие в большинстве случаев сложные органические соединения: поликгликоли, глюконаты, таниновые экстракты, соли полиаминокарбоновых кислот и т. п. Однако использование их требует осторожности и обязательной проверки, так как в научной и технической литературе отсутствуют конкретные данные о применении на практике перечисленных реагентов для внутрикотловой водообработки.
