Фосфатная обработка котловой воды

В составе питательной воды присутствуют вещества, имеющие ограниченную растворимость в условиях рабочих параметров котлов. Это прежде всего – соединения кальция и магния, а также оксиды железа, меди, цинка и алюминия. В котлах вследствие испарения воды концентрация растворенных в ней солей увеличивается, и по достижении предела растворимости некоторые из них будут выпадать в виде твердой фазы на поверхности металла или в виде шлама в объеме котловой воды. Такие вещества, как силикат кальция, сернокислый кальций, гидрооксид магния, фосфат магния выделяются из котловой воды в твердом виде, образуя преимущественно накипь. Карбонат кальция, гидроксилаппатит, силикат магния выделяются в виде шлама.

С целью предотвращения образования в котлах твердой кальциевой накипи ведут фосфатную обработку котловой воды. Фосфатный режим является надежным средством предотвращения кальциевого накипеобразования и не должен рассматриваться как способ исключения накипеобразования вообще.

В результате взаимодействия ионов с ионами Са²⁺ образуется гидроксиллаппатит [Са(Са₃(РО₄)₂)₃] · (ОН)₂ в виде тончайшей взвеси (шлама). В отличие от гидроксилаппатита в котловой воде возможно образование фосфорита Ca₃(PO₄)₂, который выделяется на поверхности металла в виде твердой накипи. Условия образования указанных соединений различны и определяются значением рН среды.

Образование фосфорита отмечается в питательном тракте и экономайзере при относительно низких значениях рН в сравнении с котловой водой, а образование гидроксилаппатита происходит в щелочной среде котловой воды. Этим обстоятельством и определены оптимальные условия ввода раствора фосфата не в питательную, а непосредственно в котловую воду.

Действие фосфата натрия на процесс кальциевого накипеобразования можно объяснить следующим образом: при избытке в котловой воде ионов образуется малорастворимое соединение и концентрация ионов кальция снижается настолько, что котловая вода не достигает состояния насыщения по отношению к таким накипеобразователям, как CaSiO₃, CaSiO₄ и т. д. В результате весь кальций, поступающий в котловую воду, осаждается в ней в виде гидроксилаппатита в форме шлама. Концентрация ионов кальция в этом соединении находится в обратной зависимости от концентрации ионов

где К₁ и α – некоторые параметры. Возможность образования твердой накипи может быть исключена, если концентрация в котловой воде удовлетворяет неравенствам, выведенным применительно к любому накипеобразующему аниону. Такие условия достигаются, если в котловой воде между концентрациями анионов накипеобразователей , и других и концентрацией созданы соотношения

где R₁, R₂, r₁, r₂ – некоторые эмпирические параметры.

При определении гарантирующих избытков в котловой воде приходится пользоваться результатами эксплуатационных наблюдений.

В связи со сложным составом котловой воды, содержащей наряду с катионами Са²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ и анионы , , , расчет потребной концентрации ионов для фосфатной обработки выполнить практически невозможно. В котловой воде должна быть достаточная щелочность, чтобы происходило образование гидроксиллаппатита, в то же время не должно быть большого избытка , чтобы избежать образования твердой накипи Мg₃(РО₄)₂ и фосфата железа.

Обычно в условиях эксплуатации правильность выбора дозы ионов проверяется по химическому составу отложений на трубах экранной системы. В составе отложений содержание не должно превышать сумму катионов
Ca²⁺ + Mg. В противном случае доза ионов при фосфатной обработке велика и ее следует уменьшить.

Для уменьшения количества шлама в котловой воде следует стремиться к максимально возможному снижению жесткости питательной воды и обеспечению равномерного и непрерывного ввода раствора фосфата в котловую воду.

В соответствии с расчетными данными ВТК, количество фосфатов, обеспечивающее безнакипный режим котловой воды, увеличивается с ростом солесодержания и уменьшается при понижении рН. Этот регламент позволяет иметь низкое содержание в котлах высокого давления в связи с малой концентрацией анионов накипеобразователей в котловой воде, а также низкое содержание фосфатов в котлах среднего давления в связи с повышенным значением рН котловой воды.

Рекомендуется содержание в котловой воде чистого отсека иметь в пределах 2–6 и не более 30–50 мг/дм³ в солевых отсеках. Таким образом, режим уменьшенного фосфатирования приемлем для барабанных котлов любого давления.

Длительная эксплуатационная проверка режимов фосфатирования на ряде электростанций подтвердила возможность и целесообразность режима уменьшенного фосфатирования для котлов как высокого, так и среднего давления. Принято, что режим уменьшенного фосфатирования, приемлемый для котлов высокого и среднего давления, позволяет снизить скорость образования железофосфатных накипей вследствие незначительной концентрации фосфатов, а также уменьшить интенсивность коррозии труб экранной системы.

Правилами технической эксплуатации разрешено для коррекции питательной воды барабанных котлов применять наряду с фосфатированием и комплексонную обработку. В качестве реагентов комплексообразователей могут быть использованы этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТД) или ее натриевые соли, например трилон Б. Более предпочтительно применение натриевых солей ЭДТА, так как растворимость их значительно выше.

Данные химического анализа типичного состава отложений с поверхности нагрева экранных труб котлов различных давлений, приведенные в табл. 5.1, свидетельствуют о том, что с увеличением рабочих параметров в составе отложений уменьшается доля соединений катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и увеличивается доля окислов железа. Следует отметить, что состав отложений (табл. 5.1) отвечает условиям нормативного водно-химического режима котлов – качество питательной воды соответствует регламенту ПТЭ по всем показателям.

Как указывалось ранее, применение фосфата натрия для коррекционной обработки котловой воды не предотвращает образование накипи с участием оксидов железа и меди, поэтому применение фосфатной обработки нельзя рассматривать как оптимальный метод борьбы с накипеобразованием вообще для котлов среднего и тем более высокого давления.

Таблица 5.1

Химический состав отложений в экранных трубах котлов (чистый отсек)

В котлах высокого давления вследствие относительно низкой щелочности котловой воды возможно образование фосфорита (Са₃РО₄)₂, который в сочетании с оксидами железа образует твердую железофосфатную накипь. Особенно интенсивное накипеобразование железофосфатной накипи наблюдается в экранных поверхностях котлов, сжигающих жидкое и газообразное топливо, где из-за высоких тепловых напряжений фосфатирование малоэффективно с точки зрения безнакипного режима работы. В таких случаях целесообразно применение комплексонной обработки.

При проведении комплексонной обработки необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1) до внедрения комплексонного режима требуется проведение химической очистки экранной системы котла ототложений;

2) при повышении жесткости питательной воды увеличивается доза комплексов на основании стехиометрического соотношения для фактической жесткости;

3) режим комплексонной обработки не исключает коррекции питательной воды в соответствии с нормативами ПТЭ или принятым способом;

4) раствор комплексона и едкого натра вводят в узел сниженного питания котла за регулирующими клапанами;

5) содержание водорода в насыщенном паре при комплексонной обработке выше, чем при фосфатной обработке за счет термолиза ЭДТА.