Особенности применения антинакипинов в системах теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Одно из главных требований к процессу нагрева воды в системах теплоснабжения -- отсутствие кипения. В то же время при применении в этих системах природной воды её нагрев почти всегда приводит к образованию накипи.

Основным условием накипеобразования является выполнение уравнения:

,

где [Kt] и [An] -- концентрации катиона и аниона данной соли; f -- коэффициенты активности этих ионов; ПР -- произведение растворимости соли.

В настоящее время системы теплоснабжения обычно рассчитываются на температуры 150C, 115C и 95C.В этих условиях (таблица 1) основными накипеобразователями являются CaCO3, MgCO3 и Mg(OH)2 (при высоком значении pH).

Таблица 1. Произведение растворимости

Наименьшую величину ПР имеет Mg(OH)2, но при pH близком к 7 величина [_OH]2 настолько мала (10-14), что твёрдая фаза Mg(OH)2 не образуется. Величина pH влияет также на накипеобразование CaCO3, так как при увеличении pH происходит переход HCO3- в CO3-2 и вероятность образования накипи CaCO3 увеличивается.

Из таблицы 1 видно, что в первую очередь при прочих равных условиях образуется накипь из CaCO3, а образование накипи из сульфата кальция возможно при высоких концентрациях сульфатов или температуре значительно выше нормативной для системы.

Процесс накипеобразования (кристаллизации) состоит из нескольких последовательных стадий:

1. Возникновение зародышей кристаллов. Сначала они неустойчивы и могут самопроизвольно растворяться.

2. Зародыш становится устойчивым.

3. Собственно кристаллизация. При размере кристаллов менее 10-8 - 10-9 м образуется устойчивая коллоидная система. При этом, даже если , образование накипи отсутствует.

4. Дальнейший рост кристаллов и образование накипи.

Относительно слабые антинакипины были известны достаточно давно (фосфаты). Они обычно применялись в системах с низкой температурой нагрева.

В середине XX века были синтезированы органофосфонаты - органические кислоты (и их соли), имеющие группу -PH2O3. Фосфонаты начали применять для предупреждения образования накипи при добыче нефти. В мае 1974г. Уральское отделение ВТИ впервые применило фосфонаты в качестве антинакипина в оборотной системе охлаждения (ОСО) Уфимской ТЭЦ-4. В 1981г. ими же была создана отраслевая инструкция по применению оксиэтилидендифосфоновой кислоты в ОСО электростанций.

В теплосети внедрение фосфонатов было начато небольшими фирмами (впервые в 1987г.).

Механизм антинакипного действия фосфонатов - адсорбция реагента на активных центрах роста кристаллов. В результате рост кристаллов прекращается и, если их размер не превышает 10-8м, то образуется стабильная коллоидная система. Накипь отсутствует.

Сейчас для предотвращения накипеобразования (в отсутствие антинакипина) вода в системах теплоснабжения обрабатывается в большинстве случаев с помощью натрийкатионирования. Стоимость такой обработки природной воды для средней полосы России составляет от 3 до 9 руб/м3.. Принимаем усреднённую стоимость Na-катионирования 5 руб/м . Принимаем, что для обработки воды фосфонатами необходима концентрация около 6 мг/дм3 = 6 г/м3. Стоимость фосфоната около 200000 руб/тон = 0,2 руб/г. Стоимость фосфонатной обработки 1 м3 воды составит 6г/м3.,0,2 руб/г = 1,2 руб/м3. Для системы с водоподготовительной установкой 100 м3/час годовая стоимость Na-катионирования составит 5 руб/м3 · 8760 час · 100 м3/час = 4380000. руб, а стоимость обработки фосфонатами 1,2 руб/м3 · 8760 час · 100 м3/час =1051200. руб. Годовой экономический эффект 4380000 -1051200 = 3,3288 млн. руб. Капитальные затраты на установку дозирования реагента в воду теплосети (100 м3 воды/час) составят 150--250 тыс. руб. Приведенный пример в значительной степени условен, но он показывает экономическую выгоду применения антинакипинов.

Исходя из адсорбционного механизма работы фосфонатов необходимая концентрация (доза) реагента должна зависеть от количества образующейся накипи, т. е. от температуры нагрева и концентрации ионов Ca и CO3. Количество CaCO3 может быть оценено с помощью величины карбонатного индекса (Ик) равного произведению общей щёлочности (Щ) на кальциевую жёсткость [Ca] воды. Таким образом основными параметрами определяющими дозу антинакипина должны являться Ик и температура.

ВТИ было собрано большое количество информации о внедрении фосфоната ИОМС. Результаты показаны на рис. 1, где заштрихованная полоса соответствует рекомендациям УДГУ (цифрами на рис. 1 обозначены температуры нагрева воды). Из рисунков видно, что должен существовать ещё какой-то важный фактор, влияющий на дозу фосфоната. Этим фактором является влияние органических веществ, находящихся в природной воде, используемой в теплосети. Органика в воде каждого теплоисточника разная: природная (соединения гуминовых, фульвокислот и т.п.), антропогенная, связанная с жизнедеятельностью человека, и техногенная (сбросы от промышленных предприятий). Поэтому необходимо экспериментально определять дозу фосфоната для каждого объекта индивидуально.

Рисунок 1. Зависимость концентрации фосфоната от карбонатного индекса для систем теплоснабжения с различным типом водогрейного оборудования

Исходя из имеющегося опыта, можно сформулировать требования к экспериментам по определению дозы фосфоната:

1. Испытания должны проводиться на реальной воде конкретного теплоисточника (с характерными для его воды органическими веществами).

2. Величина pH воды должна соответствовать pH сетевой воды;

3. Температура испытаний должна соответствовать реальной температуре сетевой воды в различное время года (зима, осень, лето).

Даже при температуре воды 95C сложно осуществлять эксперименты в открытом объёме без кипения. При более высоких температурах необходим автоклав. В автоклаве ВТИ, где создается температура до 250С (рис. 2), искусственно поддерживается избыточное давление азота и применяется кристаллооптический метод с осмотром образцов через микроскоп. В автоклавах других фирм, например ООО «НПФ Траверс» (рис. 3) поддув газом не производится, а эффективность антинакипина определяется по изменению общей жёсткости воды (Ж) после 2--3 часовой выдержки при определённой температуре. Эффект ингибирования накипеобразования (Z) здесь определяется по формуле: Z,% = (Жкон./Жнач.)100%. Желательная величина Z не менее 95%.

Рисунок 2. Автоклав ВТИ с системой предотвращения кипения при повышенных температурах с помощью высокого давления газа

Рисунок 3. Автоклав с подогревом в масленой бане

Для крупных водогрейных котлов мощностью 30 МВт и более работами теплотехников ОРГРЭС и ВТИ было показано наличие температурных развёрок в трубах котлов (нештатное увеличение температуры в отдельных трубах). Было рекомендовано рассчитывать водоподготовку не на 150C, а на 170C. Поэтому при использовании фосфонатов для таких котлов температура испытаний должна увеличиваться на 20C по сравнению с температурой сетевой воды.

Ещё более значительные развёрки могут встречаться в жаротрубных котлах, где возможны застойные зоны около жаровой трубы и в паровых котлах, реконструированных в водогрейные. Вода в них может практически кипеть. Поэтому внедрять антинакипины в этих случаях надо с особой осторожностью. Несколько улучшается ситуация в том случае, когда жаротрубный котел снабжен специальным насосом для улучшения циркуляции воды в объеме котла. Иногда фирмы, внедряющие антинакипины ориентируются на среднегодовую температуру. Это не правильно, т. к. в этом случае не учитывается наиболее холодное время года, где необходима высокая концентрация фосфоната (таблица 2).

Таблица 2. Результаты определения концентрации Гилуфер-422 для ТЭЦ в Сибири

Результаты были получены для Ик = 2,7 (мг-экв/дм3)2 (р. Иртыш) и pH = 9,5. Таким образом, изменение температуры воздуха и температуры воды теплосети может требовать значительных изменений концентрации фосфоната. Следовательно, ориентация на среднегодовую температуру может приводить к интенсивному накипеобразованию и забиванию труб котла или сетевого подогревателя.

Интересно, что в первоначальном варианте по заданию ТЭЦ режим разрабатывался в расчете на рН = 8,8-8,9. При уменьшении рН требуемая доза Гилуфера-422 была меньше, причем с увеличением температуры разница увеличивалась: при 110С доза была 1,5 мг/л, при 130С - 3 мг/л, при 150С - 4 мг/л. По ряду обстоятельств величина рН воды в теплосети незадолго до внедрения антинакипина была увеличена ТЭЦ до 9,4. В результате при внедрении антинакипина с этими концентрациями при рН=9,4 и температурах до 147С начались отложения накипи. Это связано с увеличением пересыщения по солям при увеличении температуры и влиянием рН на интенсивность накипеобразования. Повторные эксперименты при повышенном значении рН дали результаты, показанные в табл. 2. В этом режиме ТЭЦ работает уже более 4-х лет.

Неверный выбор реагента и его концентрации может быть проиллюстрирован ситуацией с открытой теплосетью г. Протвино, где был использован реагент Аква_М38Ц. В результате занесли накипью котлы ПТВМ. Качество воды было следующим: Жоб = 5,0 мг-экв/л, ЖCa = 3,2 мг-экв/л, Щоб = 4,5 мг-экв/л, pH = 7,3. Температура сетевой воды: зимой - до 130C, летом - 90C. Испытания ВТИ показали, что при концентрации Аква_М38Ц, допустимой для открытой теплосети, реагент не предотвращает накипеобразование уже при 120C (таблица 3).

Таблица 3. Зависимость необходимой концентрации фосфонатов в воде теплосети (мг/л) от температуры нагрева сетевой воды

реагент теплоснабжение адсорбция кристалл

В данном случае использовались концентрации реагентов, разрешённые в питьевой воде: для Аква-М38Ц - не более 5мг/л , для ИОМС - не более 4 мг/л.

Случаи неправильных рекомендаций далеко не единичны. Желательно, чтобы фирмы, рекомендующие и внедряющие антинакипины в системах теплоснабжения, предоставляли доказательства наличия у них автоклавов.

Размещено на Allbest.ru