Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение фосфонатов для стабилизационной обработки воды в системах теплоснабжения

Начальник отдела водоподготовки

к.х.н. Г.Я. Рудакова

Заместитель начальника отдела водоподготовки

А.А. Кугушев

Борьба с накипеобразованием - основная задача, решаемая в процессе водоподготовки на различных энергообъектах, т.к. загрязнение поверхностей теплообменного оборудования отложениями минеральных солей приводит к снижению эффективности работы оборудования, а зачастую и выходу его из строя.

Для снижения тенденции образования накипи на поверхности теплообмена обычно прибегают к обессоливанию воды с помощью ионообменных установок. Недостатками умягчения воды ионным обменом является значительное количество высокоминерализованных сточных вод и большой расход свежей воды на собственные нужды химводоочистки.

В настоящее время все большее распространение получает так называемый «комплексонный» стабилизационный метод водоподготовки, при котором для борьбы с процессом солеотло-жений в подпиточную воду, прошедшую стадию предочистки, добавляют незначительное колич-ство (2,5-20 мл/м3) подобранного для данного объекта ингибитора солеотложений, который не умягчает обрабатываемую воду, не выводит соли жесткости, а препятствует образованию накипи на теплопередающих поверхностях.

В данном случае ингибирование процесса солеотложений основано на явлении порогового или субстехиометрического эффекта.

Явление порогового эффекта было открыто в середине 30-х гг. прошлого столетия, когда было установлено, что гексаметафосфат в дозах порядка 1-10 миллионных долей способен задерживать или ингибировать выделение твердой фазы из пересыщенных растворов карбоната кальция. С этого времени полифосфаты широко используют в качестве ингибиторов. Недостатками применения полифосфатов в качестве ингибиторов процесса солеотложений является подверженность их гидролизу, образование фосфатного шлама, низкий уровень карбонатной жесткости обрабатываемой воды.

Позже обнаружили, что способностью ингибировать процесс осадкообразования обладают и фосфорорганические соединения - фосфонаты. При этом следует отметить, что фосфонаты более устойчивы к гидролизу и эффективность их как ингибиторов процесса солеотложений в 5-10 раз выше, чем при применении неорганических солей.

Собственно пороговым эффектом называют предотвращение осадкообразования в пересыщенных растворах неорганических солей субстехиометрическими количествами ингибитора. Например, при сливании раствора хлорида кальция и карбоната/бикарбоната натрия в присутствии 10-4% оксиэтилидендифосфоновой кислоты при pH 8,5 осаждение 0,16%-го карбоната кальция полностью ингибируется не меньше чем на 7 дней при комнатной температуре. Заметим, что в данных условиях, но при отсутствии фосфоната, растворимость карбоната кальция составляет 0,06%.

Стабилизация при комнатной температуре 0,16%-го раствора карбоната кальция достигается при мольном соотношении [карбонат кальция : ОЭДФ] ~ 3300:1, что лежит далеко за пределами стехиометрического соотношения 1:1 (заметим, что при применении Трилона Б предотвращение выпадения карбоната кальция из раствора при тех же условиях осуществляется при мольном соотношении [карбонат кальция: Трилон Б] ~ 1:1).

Величина порогового эффекта зависит от природы ингибируемой воды и состава ингибитора.

Влияние мольного соотношения ингибитор/кальций на процесс ингибирования носит немонотонный характер (рис. 1). При слишком малых количествах фосфонат не в состоянии замедлить кристаллизацию, и в системе образуются осадки. Далее, по мере относительного увеличения содержания ингибитора наблюдается область A субстехиометрического ингибирования, т.е. область образования устойчивых коллоидных систем. При дальнейшем увеличении концентрации ингибитора вновь образуется зона «неоднородности B», что, по-видимому, связано с нарушением устойчивости коллоидов. Эта область наименее изучена. Наконец, при превышении соотношения [ИНГИБИТОР : Ca] больше 1, система переходит в область истинных растворов в результате стехиометрического комплексообразования. В этой области кальций уже не определяется обычным титрованием.

Использование фосфорорганических ком-плексонов для стабилизационной обработки воды начато ИРЕА совместно с Урал ВТИ, ВОДГЕО, ВТИ, МЭИ в 1970-х гг.

В последние десятилетия антинакипины на основе органофосфонатов широко внедряются в практику при эксплуатации водооборотных систем охлаждения и теплоснабжения.

Применение комплексонов в теплоэнергетике. Для комплексонного водно-химического режима теплоэнергетических систем промышленного и жилищно-коммунального назначения в качестве антинакипинов-ингибиторов солеот-ложений применяются соединения, содержащие фосфоновые группы - PO3(OH)2, такие как ОЭДФ, НТФ, ИОМС, Аминат и др.

При этом фосфонаты в зависимости от условий применения могут снижать интенсивность

коррозии стали в водной среде в несколько раз при прочих равных условиях.

Антинакипное действие фосфонатов-антинакипинов определяется их адсорбцией на активных центрах микрозародышей кристаллов, тормозящей или предотвращающей образование кристаллов в пересыщенном растворе. В результате раствор находится в пересыщенном (возможно коллоидном) состоянии без образования накипи. Это позволяет во многих случаях применять для тепловой сети природную (желательно деаэрированную) воду.

Исключение химводоочистки приносит высокий экономический эффект, что определяет интенсивное внедрение антинакипинов на энергообъектах. В то же время нередки случаи, когда внедрение антинакипинов с отключением химводоочистки приводит к отрицательным результатам. обессоливание вода осадкообразование ингибитор

На основании анализа причины неэффективности применения технологии стабилизационной обработки воды ингибиторами солеотложений на ряде объектов можно сделать вывод о том, что во всех этих случаях: не были проведены грамотные исследования по подбору эффективного для каждой системы состава ингибитора; не проводился в полной мере контроль над процессом стабилизационной обработки воды в период внедрения; не учитывались теплотехнические характеристики объекта.

В некоторых случаях определенную роль может играть и нечеткое представление о физико-химических процессах, протекающих при накипеобразовании и применении фосфонатов.

Например, адсорбционный механизм воздействия антинакипинов позволяет предположить, что доза ингибитора в обрабатываемой воде должна быть в определенной степени пропорциональна количеству образовавшейся накипи. В свою очередь упрощенные представления о накипеобразовании дают возможность считать, что количество образующейся накипи будет зависеть от карбонатного индекса (Ик) воды и температуры. В результате таких представлений появляются рекомендации поддерживать определенную дозу антинакипинов в зависимости от Ик и температуры сетевой воды. При этом не учитываются остальные параметры обрабатываемой воды.

Для оценки правильности этих рекомендаций нами проведено сравнение их с результатами, полученными при внедрении на объектах стабилизационной обработки воды с помощью фосфонатов-антинакипинов (рис. 2).

В итоге оказалось, что установить прямую зависимость между величиной Ик и дозой антинакипина невозможно. Это связано с тем, что на накипеобразующие свойства воды оказывает влияние не только величина Ик, но и соотношение между содержанием кальция и магния в ней, общий солевой состав, природа находящихся в воде органических соединений.

При использовании антинакипинов в системе теплоснабжения необходимо экспериментальное определение марки и эффективной дозы ингибитора на воде конкретного объекта.

При отработке технологии применения фосфонатов принципиальное значение имеет также воспроизведение в опытах реальных условий работы теплообменного оборудования, поэтому исследования проводятся в автоклавах на реальных образцах подпиточной воды объекта при давлении ~2 атм и температуре 120 ОС.

Эффективность антинакипина определяют по изменению содержания кальция или величины общей жесткости, процент ингибирования рассчитывается по формуле:

Z=(Жкон/Жисх) 100%

Примеры по выбору эффективной марки ингибитора представлены в таблице.

При внедрении стабилизационной обработки воды на объекте помимо изменения величины общей жесткости необходимо следить за постоянством содержания ингибитора в обрабатываемой воде.

Таким образом, основными условиями получения положительного результата при введении стабилизационного комплексонного метода водоподготовки являются:

? грамотно подобранные для данного объекта состав ингибитора и его рабочая доза;

? регулярный химический контроль над параметрами отработанного в период запуска режима и его эффективностью.

При соблюдении заданных для данного объекта технологических параметров (химический состав питательной воды, состав и концентрация ингибитора накипеобразования, температурный режим), комплексонный способ водоподготовки обеспечивает полное предотвращение отложений малорастворимых солей кальция и магния на теплопередающих поверхностях энергетического оборудования.

При этом следует отметить, что при внедрении технологии стабилизационной обработки воды фосфонатами - ингибиторами солеотложений не исключаются предусмотренные для данного объекта антикоррозионные мероприятия, в том числе деаэрация подпиточной воды.

Необходимость совместного использования технологии стабилизационной обработки воды и химического обескислороживания зависит от величины подпитки и объема контура тепловой сети. При незначительных величинах подпиточной воды влияние растворенного кислорода на скорость коррозионного процесса ограничивается в присутствии реагентов на основе фосфорорганических соединений. Вопрос о необходимости химического обескислороживания должен решаться на каждом объекте, на основании результатов применяемого там (на объекте) водно-химического режима (определение величины pH, содержания железа и кислорода в сетевой воде). Для оценки интенсивности процессов внутренней коррозии необходимо устанавливать индикаторы скорости коррозии в наиболее характерных участках тепловой сети.

Технология применения ингибиторов в системах теплоснабжения не допускает местный перегрев воды свыше 200 ОC и местное кипение воды. Невыполнение этих ограничений приводит к интенсивному выделению солевых отложений в зонах перегрева и кипения. В связи с этим необходимо ограничение общей температуры воды в водогрейных котлах в пределах 110Й 20 ОC и в бойлерах до 150 ОC.

Основными ограничениями применения фосфонатов в качестве ингибиторов солеотложений в системах теплоснабжения по составу подпиточной воды являются: величина общей щелочности не более 7 мг-экв/л и значение pH не более 8,5.

Содержание железа (Fе2+ и Fе3+) в исходной воде системы не должно превышать 0,5 мг/л. Завышенное содержание железа приводит к увеличению расхода фосфоната на комлексообразование с ним.

Дозирование реагентов стабилизационной обработки воды. В настоящее время для дозирования реагентов, применяемых для стабилизационной и кор-рекционной обработки воды в системах теплоснабжения, используются установки и приспособления нескольких разновидностей.

Существуют различные способы подачи реагентов в воду.

Один из самых доступных способов - это ручной ввод реагента в трубопроводы (рис. 3) с помощью устройства, состоящего из герметичной емкости 1, соединенной трубками 3 и 4, введенными в напорный трубопровод 9. Емкость оборудована воздушником с вентилем 7, трубопроводом для ввода реагента с вентилем 8 и трубопроводом для опорожнения емкости с вентилем 2. Трубопроводы, соединяющие емкость 1 с трубками 3 и 4, снабжены вентилями 5 и 6. Трубки 3 и 4 имеют косые срезы, один из которых установлен навстречу потоку жидкости, другой - по направлению ее движения. Заправка реагентом производится на основании суточного объема подпитки. Этот способ дозирования удобен для небольших котельных с незначительными объемами подпиток.

Для точного и равномерного дозирования реагентов в обрабатываемую воду используются станции пропорционального дозирования, состоящие из:

? дозирующего насоса с обвязкой;

? счетчика воды с импульсным выходом и комплектом присоединителей;

? датчика уровня;

? емкости для реагента.

Основа любой установки дозирования реагентов это насос-дозатор. От него зависит точность дозирования, следовательно, правильность соблюдения технологий, а это значит достижение поставленных задач.

На сегодняшний день на российском рынке представлено большое количество насосов различных производителей.

Широко распространенная установка дозирования реагентов «Комплексон 6», производимая в г. Твери, очень неудобна с точки зрения точности дозирования. В этой установке дозирование реагентов осуществляется отечественным насосом с ограниченной возможностью регулирования производительности. И чтобы обеспечить соответствие рассчитанным дозировкам приходится добиваться этого при помощи разбавления реагента. Да и стоимость этой установки не уступает установкам, комплектуемым импортными насосами.

В отличие от этой отечественной установки, сегодня многие фирмы комплектуют свои установки дозирования насосами производства Германии или Италии.

Огромным преимуществом насосов-дозаторов ряда зарубежных фирм является высокая точность дозирования. Это необходимо при дозировании реагентов, где требуется соблюдать дозировку в пределах ПДК, и быть приближенным к его максимальным значениям, например дозирование в системы горячего водоснабжения. А увеличить точность получения планируемой концентрации за счет разведения реагента не всегда возможно. Стоимость таких насосов довольно высокая, но эти цены обоснованны.

Как правило, у всех импортных производителей части насосов, которые находятся в контакте с жидкостью, выполнены из материалов, обладающих высокой стойкостью к большинству используемым химическим реагентам.

При выборе насосов необходимо руководствоваться поставленными задачами, потому что в одних случаях целесообразно использование более дорогих насосов, обладающих определенными характеристиками, а в других возможно применение менее дорогостоящего оборудования.

Вторым составляющим станции дозирования является импульсный водосчетчик, сигнал от которого поступает на насос-дозатор.

Производителей таких счетчиков воды довольно-таки не много и стоимость счетчиков практически одинаковая, разве что отечественные немного дешевле.

Монтаж счетчика чаще всего осуществляется на линии подпитки или на линии обратной воды, желательно на байпасе, что позволяет производить его обслуживание без каких-либо затруднений.

В случаях с незначительной или в определенный период времени отсутствующей подпиткой не рекомендуется устанавливать счетчики т.н. «мокроходы», т.к. из-за отсутствия потока они «зарастают» отложениями, в первую очередь продуктами коррозии, и снимать показания становится практически невозможно.

Место ввода реагента обычно выбирается на линии подпитки, но в каждом конкретном случае выбор зависит от объекта. Например, в случае дозирования антинакипинов для систем теплоснабжения, когда подпитка незначительная или в определенный период времени отсутствует совсем, место ввода реагента выбирается на линии оборотной воды. Это целесообразно в случае, когда для поддержания необходимой концентрации реагента требуется осуществлять дозирование в ручном режиме, т.к. в режиме пропорционального дозирования не осуществляется ввод реагента в систему.

Также может отличаться и схема монтажа самого насоса, как правило, это схемы с креплением насоса на стене или на дозировочном контейнере. Но существуют и другие варианты, крепление на водосчетчике или рядом с емкостью, ниже уровня реагента (с самозаполнением).

Еще одним компонентом станции дозирования является дозировочный контейнер, хотя, в некоторых случаях, можно дозировать и из транспортировочной тары. Но при выборе типа емкости необходимо учитывать характеристики и назначение реагента.

Дозировочный контейнер обладает рядом преимуществ. Во-первых, и, пожалуй, самым значимым преимуществом является то, что дозировочная емкость герметична. А это очень важно при дозировании легколетучих реагентов, реагентов для обескислороживания, да и просто чтобы избежать испарения или высыхания химических продуктов. Во-вторых, емкости изготавливаются со специальными площадками, для удобства монтажа насосов-дозаторов, миксеров. Также для удобства у них имеется нижний слив.

Станции дозирования комплектуются датчиком уровня реагента. Конечно, если за уровнем реагента в емкости следит кто-то из персонала, то можно комплектовать станцию и без датчика. Но дабы исключить «человеческий фактор», его

рекомендуется устанавливать. Возможно несколько вариантов использования сигнала об окончании реагента в емкости: отключение насоса, для избежания его нежелательной работы «в сухую»; световая сигнализация.

Так же его применение целесообразно в том случае, если системы выведены на диспетчерский пульт. В этом случае датчик можно закрепить выше уровня всасывания реагента, и диспетчер, например по световому сигналу, заблаговременно будет знать о необходимости дозаправки реагентом.

Дозирование возможно не только пропорционально расходу воды, но и по показателям качества воды, такими как pH, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал и др. В этих случаях соответствующие датчики устанавливаются на трубопровод питательной или добавочной воды, на байпасной линии или непосредственно в объеме воды оборудования (котел, градирня и пр.).

Размещено на Allbest.ru