Карбонатно-кальциевое накипеобразование. Почему?

Для предотвращения интенсивного карбонатно-кальциевого накипеобразования в сетевых подогревателях Псковской ТЭЦ по рекомендации ВТИ в конце шестидесятых годов были установлены аппараты для омагничивания воды, изготовляемые Чебоксарским электромеханическим заводом.

Несколько лет аппараты успешно выполняли свою функцию при карбонатной жесткости подпиточной воды, находящейся на уровне 2,0 ммоль/дм³. Выпадение карбоната кальция в латунных трубах ПСВ практически прекратилось.

Однако в середине семидесятых годов эффект омагничивания исчез и возобновилось вновь интенсивное карбонатно-кальциевое накипеобразование. При изучении данного вопроса на месте было обнаружено, что на ТЭЦ сохранился практически неизменным режим омагничивания воды, температурный и гидравлический режим работы теплофикационной установки. Неизменной оставалась и карбонатная жесткость воды из реки Великая. Было, однако, обращено внимание на существенное снижение в исходной воде концентрации органических веществ. Перманганатная окисляемость воды, находившаяся многие годы на уровне 18–20 мг/дм³ О₂, в последний период времени упала до пределов 8–10 мг/дм³ О₂. Это произошло в результате прекращения использования реки Великая для «сплава» древесины. Как правильно указывал Г.Е. Крушель еще в пятидесятые годы, мощным фактором сдвига равновесия реакции термического распада бикарбоната кальция, его карбоната является концентрация в воде органических веществ. Вместе с прекращением «сплава» на реке Великая Псковской ТЭЦ, помимо магнитной обработки воды, пришлось внедрить мероприятия по снижению абсолютного значения ее карбонатной жесткости.

Как предупредить отложения
и коррозию в небольших водогрейных котлах

В различных отраслях народного хозяйства эксплуатируются десятки тысяч чугунных котлов небольшой тепловой мощности (до 1 Гкал/ч). В котельных, оборудованных такими котлами, зачастую отсутствуют необходимые условия для организации достаточно сложной водоподготовки в соответствии с ПТЭ и обслуживающий персонал высокой квалификации. Борьба с накипеобразованием здесь ведется путем периодической очистки поверхностей нагрева. Нередко возникает необходимость в полной замене секций труб котлов в период очередных ремонтов. Все это снижает надежность и экономичность теплоснабжения производственных и коммунальных объектов.

В подавляющем большинстве случаев (при исходной воде с карбонатной жесткостью больше 1–2 ммоль/дм³) работы котлов доминирует образование отложений на внутренних поверхностях нагрева. Это происходит вследствие протекания термолиза гидрокарбонатов кальция с образованием малорастворимого в воде карбоната кальция.

Потенциальная накипеобразующая способность воды по карбонату кальция обычно оценивается (с некоторой степенью приближения) по значению карбонатной жесткости воды Ж_к. В паровых котлах, в которых происходит высокое концентрирование солей в котловой воде, все малорастворимые химические соединения, в том числе и карбонат кальция, практически полностью переходят в твердую фазу в пределах котла.

В водогрейных котлах испарения воды не происходит, поэтому реакция термолиза бикарбоната кальция в пределах котла протекает лишь частично. Степень завершения процесса термолиза зависит от ряда факторов, основными из которых является значение карбонатной жесткости Ж_к и температура воды. В этих условиях важное значение имеет скорость данной реакции, которая существенно зависит от «солевого букета» воды и особенно от концентрации в ней органических веществ, обычно косвенно определяемой как перманганатная окисляемость.

При изучении условий термического распада гидрокарбонатных солей кальция и магния в зависимости от окисляемости воды О_к для температуры 40 °С была установлена предельно-допустимая карбонатная жесткость

.

Согласно ПТЭ, для воды с окисляемостью не меньше 6 мг О₂/дм³ при температуре 115 °С допускается = 0,3 ммоль/дм³.

Существенного снижения скорости термолиза бикарбоната кальция можно достичь, применяя предварительное омагничивание воды. При этом значение можно увеличить не менее, чем на 0,5 ммоль/дм³.

Обобщая приведенные данные, а также учитывая соответствующий опыт эксплуатации, можно предложить следующий комплекс мероприятий по борьбе с образованием отложений карбоната кальция в водогрейных котлах без реагентной обработки подпиточной воды:

– организация работы с минимальным подогревом воды при круглосуточной регенерации температуры сетевой воды на выходе из котла;

– использование воды с наибольшей окисляемостью и минимальной жесткостью при наличии нескольких водоисточников;

– применение, в случае необходимости, магнитной обработки воды с использованием результатов расчета по номограмме.

Эта программа позволяет решать различные задачи как при проектировании котельных с водогрейными котлами, так и при организации их рациональной эксплуатации:

– для заданной температуры сетевой воды к известной ее окисляемости определять предельно допустимое значение ;

– при известном качестве подпиточной воды по и окисляемости устанавливать предельно возможную температуру подогрева сетевой воды.

Если значение исходной воды, найденное по номограмме, окажется в нижней ее области – до наклонной прямой, соответствующей окисляемости
5 мгО₂/дм³, следует опасаться электрохимической коррозии металла труб, а не протекания реакции термолиза бикарбоната кальция. При значениях , расположенных в этой зоне, не следует использовать водогрейные котлы из стальных труб, которые примерно на порядок менее устойчивы к протеканию коррозийных процессов по сравнению с чугунными котлами. Однако последние обычно имеют менее удобную, чем агрегаты из стальных труб, конфигурацию для производства механических или кислотных очисток (с использованием соляной кислоты), чугун приобретает хрупкие свойства. Область преимущественного использования стальных котлов располагается на номограмме выше наклонной прямой, соответствующей наиболее высокой окисляемости исходной воды.

При температуре сетевой воды 70 °С и > 4 ммоль/дм³ изложенный метод не позволяет в необходимых размерах предотвратить карбонатно-кальциевое накипеобразование. Для указанных относительно немногочисленных случаев, обычно характерных для воды артезианского происхождения, следует рекомендовать двухконтурную схему теплоснабжения с минимальным размером подпитки первого циркуляционного контура, в котором работает водогрейный котел. При такой схеме потребители получают воду и тепло из второго контура через водяной теплообменник с прямыми трубами, удобными для периодической очистки.

Обследования ряда котельных показали, что интенсивное накипеобразование и коррозия чаще всего происходят вследствие периодического превышения среднего значения температуры сетевой воды в моменты сокращения расхода воды и тепла потребителями. Поэтому в тепловой схеме установок с пиковым теплопотреблением весьма важно иметь буферные баки горячей воды. Такие баки, в частности, рекомендуется предусматривать в проектах теплоснабжения установок, получающих исходную воду с меньше 1 ммоль/дм³ (по условиям коррозии) или больше 3 ммоль/дм³ (по условиям накипеообразования). В ряде случаев интенсивное протекание процессов накипеобразования и коррозии является следствием возникновения в котле зон с «пристенным кипением». Для предупреждения этого нежелательного явления следует поддерживать скорость движения воды в трубах стального котла во всех режимах эксплуатации не ниже 1 м/с.

Соблюдение изложенных условий организации водно-химического и теплотехнического режимов водогрейных котлов позволяет осуществлять их работу без интенсивного накипеобразования и коррозии для большинства поверхностных водоисточников с общим солесодержанием до 300 мг/дм³.

Приведенные закономерности и рекомендации основаны на статистических данных. Поэтому в ряде случаев в конкретных условиях эксплуатации отдельных энергоустановок, особенно при солесодержании исходной воды выше 300 мг/дм³, возможны некоторые отклонения, требующие принятия дополнительных мер по рекомендациям наладочных организаций.