ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ СО ВСПЕНИВАНИЕМ КОТЛОВОЙ ВОДЫ
М. Б. РАДВИНСКИЙ
(Харьковский институт инженеров ж.-д. транспорта)
Вспенивание и унос котловой воды были предметом многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых. Эти работы выявили ряд закономерностей, на основе которых были определены факторы вспенивания и уноса котловой воды с паром и пути устранения этих явлений.
К наиболее важным результатам проведенных исследований относятся выявление роли различных ионов и твердой фазы в формировании процессов вспенивания и уноса с паром, а также определение критических концентраций растворенных в воде электролитов.
На основе проведенных исследований были предложены различные конструктивные решения, в частности ступенчатое испарение в котлах с естественной циркуляцией. Однако ступенчатое испарение не всегда обеспечивает получение пара необходимого качества. Это обусловлено особенностью работы солевых отсеков, где нарастание концентрации солей может привести к ухудшению качества пара. В связи с этим в Центральном котлотурбинном институте с участием автора были проведены испытания активированного химического пеногасителя, разработанного на кафедре химии Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта.
Опыты на котле ДКВр-10-21 показали, что применение указанного пеногасителя заметно улучшает циркуляционные характеристики котла и полностью устраняет вспенивание котловой воды. В присутствии пеногасителя значительно улучшаются условия разделения пароводной смеси в верхнем коллекторе экрана, что подтверждается увеличением скоростей в рециркуляционных трубах в 3,5 раза. Удельный расход пеногасителя составил 0,1 г/м3.
Проведенные наблюдения дают основание считать, что применение пеногасителя является одним из эффективных средств повышения надежности работы котлов низкого и среднего давлений, работающих на пенящейся воде.
Пеногасителями являются поверхностноактивные вещества, способные снижать стабильность пены путем воздействия на структуру поверхностного слоя жидкости.
Установлено, что пеногасители типа полиамидов образуют поверхностные слои в растворах в тех случаях, когда пенообразующий слой легко вытесняется. Этим объясняется низкая эффективность этих пеногасителей в присутствии многих поверхностно-активных веществ, загрязняющих котловые воды. В случаях стабилизации пены электролитами и твердой фазой (шламом) полиамидные пеногасители проявляют высокую эффективность. Это объясняется способностью пеногасителей в результате их гидрофобизации «выталкивать» пенообразователи из пенящегося слоя.
С. А. Дуров установил, что образование и стабилизация пены обусловлены характером и концентрацией ионов в растворе и влиянием твердых дисперсных частиц шлама. Отмечается, что котловые осадки становятся особенно активными пенообразователями в коллоидной степени их дисперсности. В опытах на стенде было установлено, что при отсутствии растворенных электролитов котловая вода не вспенивается независимо от степени дисперсности и концентрации твердой фазы. Отсутствие твердой фазы в растворах чистых электролитов также исключает пенообразование.
Рассматривая механизм образования и стабилизации пены в котловых водах, П. А. Ребиндер отмечает несоответствие между площадью пузырьков и количеством твердой фазы, которой явно недостаточно для сплошного покрытия пленок.
Количественной характеристикой указанного несоответствия могут служить опыты, проведенные нами с синтетической котловой водой. Путем длительного встряхивания насыщенных растворов солей кальция и магния со шламом [СаСО3, Мn(ОН)2] часть твердой фазы была переведена в коллоидную и близкую к ней степень дисперсности.
Для оценки степени выноса твердой фазы с пеной был использован фотометрический метод определения концентрации шлама в коалесцате пены. Измерение интенсивности поглощения света, проходящего через раствор, производилось с помощью счетчика фотонов, чувствительного к видимой области и связанного со стандартной радиометрической установкой Б-2. Критерием изменения относительной концентрации твердой фазы пенообразователя служило число импульсов счетчика при прохождении света через коалесцат пены.
На основе полученных экспериментальных данных предложена формула для расчета степени покрытия пузырьков пены твердой фазой раствора Р:
где С — концентрация твердой фазы коллоидной степени дисперсности, г/мл; r — средний радиус пузырька пены, мм; γ — удельный вес твердой фазы; Р — средний радиус частиц твердой фазы, мм.
Произведенный по указанной формуле подсчет показал, что в условиях проведенных опытов Р = 0,04.
По-видимому, стабилизирующее действие на пену столь незначительного количества твердой фазы обусловлено тем, что при кипении котловой воды происходит перенос шлама из объема раствора в пену. Вследствие этого концентрация шлама в водяном объеме падает, а в пене растет и становится достаточной для покрытия паровых пузырьков верхнего слоя. По мере разрушения верхнего слоя пены твердая фаза от рвущихся пузырьков переходит к вновь возникающим. Доказательством этого служит вынос твердой фазы пеной, последовательно образующейся в котле вплоть до прекращения вспенивания котловой воды.
Сопоставление концентраций твердой фазы в полученных объемах конденсата пены с остаточным, уже не пенящимся раствором позволяет выявить «пенопроизводительность» твердой фазы и способность ее к перемещению в слоях пузырьков пены, образующихся при кипении котловых вод.
Механизм самопроизвольного разрушения пены заключается в постепенном уменьшении толщины пленки паровых пузырей до критической величины. Наиболее эффективно процесс пенообразования подавляется с помощью химических пеногасителей, механизм действия которых основан на гидрофобизации твердой фазы и ослаблении пленки пузырьков пара на участках сорбции пеногасителя.
Другим фактором гашения пены является изменение состояния поверхностного слоя под влиянием пеногасителей. Так, было показано, что. пеногасители понижают поверхностную вязкость и этим повышают скорость вытекания раствора из пены, снижая ее стойкость.
Пеногасители не должны испаряться при высоких температурах и должны плохо растворяться в котловой воде. Требование низкой растворимости пеногасителя связано с необходимостью быстрого насыщения адсорбционной пленки.
В качестве пеногасителей могут быть использованы высокомолекулярные продукты конденсации диамидов или полиамидов с жирными кислотами, простые и сложные полиоксиэтиленовые эфиры и полигликоли, ароматические и алифатические диамиды, трибутилоксиэтилфосфат, трикрезилфосфат, три бутилфосфат.
Для борьбы со вспениванием и уносом котловой воды в промышленных котельных установках низкого и среднего давлений может быть рекомендован пеногаситель диамид, получаемый конденсацией гексаметилендиамида и стеариновой кислоты. Его химический состав отвечает формуле
C17H35CO-NH (CH2) 6NH—COC17H35.
Промышленное производство этого пеногасителя в СССР налажено.
Установлено, что адсорбция пеногасителя твердой фазой понижает его действие. Для защиты пеногасителя от адсорбции шламом могут быть применены различные защитные коллоиды, в том числе сульфитцеллюлозные щелоки. Совместный мокрый помол на вибромельнице диамида и сульфитцеллюлозного щелока значительно повышает эффект защиты пеногасителя от сорбции шламом, так как при этом гидрофобный пеногаситель сорбирует на своей поверхности гидрофильный сульфитцеллюлозный щелок. В результате пеногаситель приобретает гидрофильные свойства и равномерно распределяется в объеме воды.
Проверка эффективности применения пеногасителя для снижения уноса воды и солей была проведена Харьковским отделением Укрэнергочермет на котлах ДКВ 6,5/13 с дозировкой диамида 0,2—0,4 г/м3 питательной воды.
Приводим некоторые данные по результатам испытаний:
Приведенные данные далеко не исчерпывают многочисленных материалов проведенных испытаний, которые неизменно свидетельствуют об эффективности применения химических пеногасителей для паровых котлов низкого и среднего давлений.
Дальнейшая задача заключается в широком внедрении изученных пеногасителей и изыскании новых, более эффективных.
Аналогичные результаты были получены на котлах ДКВ 4/13, Бабкок-Вилькокс и Шугова — Берлина. При этом дозировка пеногасителя была 0,1 г/м3 питательной воды. В отчетах предприятий отмечается улучшение качества пара.
