Теоретические и практические аспекты использования электрохимического антинакипного способа водоподготовки

Согласно нормативным документам, задача обеспечения работы оборудования и теплопроводов энергетических объектов в режиме отсутствия накипеобразования и коррозии требует поддержания определенных физико-химических показателей сетевой и подпиточной воды [1−3]. Данные показатели для крупных, средних и малых энергетических объектов однозначно ориентированы на реализацию способа водоподготовки, включающего фильтрацию воды на ионообменных фильтрах и деаэрацию.

Однако, даже при наличии такого четкого руководства к действию, нормативно декларируемого в течение как минимум 20 лет, известно, что в городах и регионах РФ 60−70% объектов нецентрализованного энергоснабжения (малые, средние котельные и тепловые пункты) эксплуатируются без водоподготовки, или существующие установки водоподготовки работают крайне неэффективно.

Не вдаваясь в подробный анализ такого положения, можно отметить один весомый фактор, тормозящий использование традиционного ионообменного способа водоподготовкивысокие эксплуатационные расходы.

Применительно к малым и средним котельным, при реализации ионообменного способа водоподготовки и деаэрации эксплуатационные расходы составляют 20−40 руб. на подготовку 1 м³ воды. Для иллюстрации значимости данного показателя можно привести эксплуатационные расходы на водоподготовку районной котельной мощностью 4,5 Гкал/ч, потребляющей для системы горячего водоснабжения (ГВС) и отопления 10 м3/ч подпиточной воды. При себестоимости ионообменного способа водоподготовки и деаэрации порядка 30 руб./м3, эксплуатационные затраты только за отопительный сезон (7 месяцев) составят 1512 тыс. руб.

Таким образом, величина эксплуатационных затрат примерно того же порядка, что и стоимость основного оборудования — котлоагрегатов.

Можно предположить, что тенденция к увеличению себестоимости традиционного способа водоподготовки, наметившаяся в последние 5−10 лет, будет существовать и впредь. Косвенно это предположение подтверждает информация о том, что себестоимость аналогичного способа водоподготовки 1 м³ подпиточной воды, включающего дополнительно коррекционную обработку по pH и ингибированию, составляет в США 11−26 долл. [4].

В условиях крайнего дефицита средств у муниципальных энергетических служб и объединений как на содержание и эксплуатацию котельных, так и реконструкцию, наиболее целесообразно использовать такой способ водоподготовки, который при достаточной эффективности имел бы сравнительно малые капитальные и эксплуатационные затраты.

В настоящее время в технической литературе публикуется много сообщений о разработке и использовании новых, альтернативных традиционному, способов водоподготовки [5−9].

Большинство предлагаемых способов водоподготовки основаны на физико-химическом воздействии на среду (электрические и магнитные поля, ультразвуковые и акустические волны, электрохимические реакции), вследствие чего создаются условия кристаллизации накипеобразующих солей в объеме, а не на теплопередающих поверхностях.

Общим условием локализации выделения солей в объеме является поддержание оптимальных параметров процесса для создания в системе множества центров пресыщения и образования моно кристалликов накипеобразующего вещества.

Образование накипеобразующих солей в объеме проходит через стадии флуктуации, образования зародышей, микрокристаллов, коллоидных растворов и микрочастиц суспензий. При переходе от высокодисперсных коллоидных растворов к суспензиям размер частиц увеличивается от Прозрачную сетевую воду на электро объекте после энергетического воздействия можно характеризовать на первой стадии как высокодисперсный коллоидный раствор. Частицы высокодисперсных коллоидных растворов проходят через обычные фильтры, практически не оседают и не видимы в оптический микроскоп. На второй стадии, т. е. после того как реализована задача образования микрочастиц накипеобразующих солей в объеме, основная энергия раствора идет на укрупнение кристаллов и образование суспензии. Эта стадия растянута во времени от десяти минут до нескольких часов [10]. Учитывая, что время пребывания сетевой воды в генераторе энергетического воздействия и в теплоагрегатах составляет 0,1−2 мин, следует ожидать наличие суспензий в обратной сетевой воде.

Наличие положительного заряда у микрочастиц карбоната кальция важно в свете электрокинетического механизма их осаждения на теплопередающей поверхности. Известно, что при наличии разности температур между внешней и внутренней стенками трубчатых элементов теплоагрегатов возникает термо-ЭДС величиной 1−10 мВ, в результате чего более холодная, т. е. внутренняя стенка, приобретает отрицательный заряд. При прохождении сетевой воды через трубчатые элементы теплоагрегата положительно заряженные микрочастицы карбоната кальция оседают вследствие электростатического притяжения на отрицательно заряженной поверхности трубчатых элементов, образуя плотный слой накипи. Причем наиболее опасной с точки зрения накипеобразования является обратная сетевая вода, содержащая помимо микрокристаллов () агрегированные микрочастицы карбоната (и более).

При реализации электрохимического способа водоподготовки антинакипный электрохимический аппарат устанавливается именно на обратном сетевом трубопроводе и выполняет одну из важных функций — электро фильтрацию. Сетевая вода проходит межэлектродное пространство электрохимического аппарата, где под действием электрического поля положительно заряженные микрочастицы оседают на отрицательно поляризованном катоде.

Электро фильтрация позволяет решить одну из важных задач — очистить сетевую воду до минимального содержания потенциально опасных примесей, в том числе коллоидного размера.

Для каждого энергетического объекта количество карбоната кальция, образовавшегося в объеме сетевой воды, легко рассчитывается. Например, при расходе подпиточной воды 10 м3/ч и значениях карбонатной жесткости подпиточной и сетевой воды соответственно 5 мг-экв/м3 и 3,5 мг-экв/м3, количество выпавшего в системе карбоната кальция составит:

G = 10*(5−3,5)*20*2,5=750 (г/ч),.

где 20 — г-экв кальция, г; 2,5 — коэффициент пересчета количества ионов кальция в карбонат кальция, г/м3. Во временном исчислении данное количество составит — 18 кг/сут. (540 кг/месяц, 3780 кг за отопительный сезон). ионообменный деаэрация коррозионный электрохимический Приведенный единичный расчет потенциального количества накипи с одной стороны иллюстрирует важность стадии фильтрации, а с другой показывает возможность выбора производительности аппарата для конкретного объекта и последующего контроля уловленного количества накипеобразующих солей в зоне электрофильтрации.

При реализации на энергетических объектах электрохимического способа водоподготовки используется аппарат типа АЭ-А-Т (рис. 1), основными элементами которого являются недеформируемая стальная пластина (катод) 7 и прямоугольный параллелепипед (анод) 6, выполненный из токопроводящего графитированного материала.

При движении через аппарат с определенной удельной скоростью относительно электродной площади сетевая вода последовательно проходит, меняя направление движения, три секции: зону входа, межэлектродное пространство и зону выхода. Расстояние между анодной и катодной пластинами имеет фиксированную величину [12]. Плотность тока между электродами поддерживается в заданном интервале путем использования блока питания.

Аппарат электрохимической обработки воды обычно устанавливается на обратном сетевом трубопроводе до сетевых насосов, и после врезки трубопровода подпиточной воды (рис. 2). Байпасное подсоединение аппарата к сети позволяет производить периодическую выгрузку уловленных солей жесткости (2−3 раза за отопительный сезон) без остановки работы котельной. В целом весь процесс чистки занимает 2−3 часа.

Электрохимический аппарат, установленный на обратном сетевом трубопроводе, выполняет одновременно две важные функции. Одна заключается в улавливании путем электрофильтрации сформировавшихся в объеме положительно заряженных частиц гелей и суспензии, а вторая — в генерации в ту же систему монокристаллов карбоната кальция, служащих центром образования гелей и суспензии в рабочих объемах теплоагрегатов и теплосети, что в целом препятствует образованию накипи на теплопередающих поверхностях.

Индикаторным показателем, позволяющим предсказать расчетным путем накипеобразующую и коррозионную активность воды является индекс насыщения (Iн), [14].

Большой экспериментальный материал, полученный на промышленных объектах при обработке сетевой воды в электрохимических аппаратах, рассмотрен через призму данных положений.

В таблице приведены усредненные показатели подпиточной и сетевой воды, которые характеризуют накипеобразующую и коррозионную активность. Приводимые в таблице объекты разбиты на три блока по показателю индекса насыщения подпиточной воды, рассчитанного для температуры 60 0С: 0,3<0,3 — коррозионно-активная вода.

На всех рассматриваемых объектах (см. таблицу) антинакипные электрохимические аппараты установлены на обратном сетевом трубопроводе после подпитки, как показано на рис. 2.

В первом блоке приведены данные, согласно которым подпиточная вода, обладая накипеобразующей способностью, практически полностью теряет данное свойство за счет извлечения солей жесткости в антинакипном аппарате. Индекс насыщения сетевой воды не превысил значения +0,5.

На указанных объектах стадия деаэрации не использовалась, а содержание кислорода в сетевой воде для большинства систем было близко к нормативному. Относительно малое содержание кислорода в сетевой воде можно объяснить тем, что в прикатодной зоне аппарата в нейтральной и щелочной среде имеет место электрохимическая реакция, которая протекает с использованием кислорода. Анодный кислород, который может образоваться в щелочной среде, расходуется практически в прианодной зоне за счет взаимодействия с графитированным анодом. Сетевая вода, отличительной особенностью которой являются щелочные значения pH и положительные значения индекса насыщения, практически не обладает коррозионной активностью, и, как следствие этого, концентрация железа в сетевой воде не превышала норматива.

Исключения в этом плане составили данные по объектам, где подпиточная вода имела высокие суммарные концентрации ионов сульфата и хлоридов Сверхнормативная коррозионная активность сетевой воды проявлялась при значениях этого показателя более 150 мг/дм3. Характерно, что подпиточная вода с высоким содержанием ионов сульфатов и хлоридов изначально имела высокие показатели по железу. Одной из причин повышенных значений железа в сетевой воде является наличие тупиковых зон теплосети, где имеет место стояночная коррозия.

Можно отметить, что сетевая вода даже при высоком содержании железа бесцветна, и только при отборе проб после взаимодействия с воздухом — желтеет. С одной стороны данное свойство отчасти подтверждает практически отсутствие кислорода в теплосети, а с другой подтверждает количественное извлечение нерастворимых соединений железа на электродных пластинах аппарата. Как правило, цвет отложений накипеобразующих солей на электродных пластинах аппарата для данных объектов от светлодо темно-бурого цвета.

Второй блок данных объединяет объекты, где в подпиточной воде содержание накипеобразующих солей очень велико, т. е. в 1,5−3 раза превышает нормативы на питьевую воду. Использование антинакипного электрохимического аппарата на этих объектах так же эффективно, однако, в данном случае крайне важен предварительный расчет количества выпадающих в объеме накипеобразующих солей для подбора аппаратов нужной производительности. Как показывает опыт, в данном случае требуется увеличить катодную площадь действующих аппаратов в 2−4 раза, что обычно достигается путем монтажа аппаратов в блочном варианте.

Третий блок данных получен для объектов, использующих подпиточную воду с явной коррозионной активностью. Ее накипеобразующая активность проявляется при нагревании, причем, чем меньше значение индекса насыщения, тем больше температура, при которой отмечается накипеобразование. Практически на всех объектах третьего блока использование антинакипных аппаратов обеспечивало гарантированную защиту теплопередающих поверхностей от накипи. В то же время на данных объектах, как правило, фиксировались сверхнормативные или нормативные содержания железа в сетевой воде. Нормативные значения по содержанию железа в сетевой воде при наличии электрохимической водоподготовки имели место при соблюдении двух основных условий: подпиточная вода имеет значение общей жесткости более 3,5 мг-экв/дм3; показатель водорода (pH) более 7,2. Второе условие необходимо для обеспечения прианодной электрохимической реакции, не занижающей значение pH среды.

При значениях pH<7,2 и величине общей жесткости менее 3,5 коррозионная активность сетевой воды увеличивается, что приводит к концентрациям железа в сетевой воде, превышающим нормативные. Этому отчасти способствует электрохимическая реакция, которая идет с выделением Н+, увеличивая кислотность и коррозионную активность сетевой воды.

Для объектов, использующих подпиточную воду с параметрами по pH<7,2 и общей жесткостью менее 3,5, дополнительно к антинакипному аппарату устанавливаются стабилизационные аппараты, увеличивающие или стабилизирующие как значение жесткости, так и pH. Стабилизационные аппараты устанавливаются по схеме, представленной на рис. 3, согласно которой проток части сетевой воды через аппарат обеспечивается разностью давления в сети до и после сетевого насоса.

На объектах, где установлены данные аппараты (г. Балашиха Московской обл., см. таблицу), достигнуты нормативные показатели по железу в сетевой воде по сравнению с аналогичными объектами по качеству подпиточной воды (Измайлово, г. Москва).

Технические и экономические характеристики всего ряда антинакипных электрохимических аппаратов приведены в работе [9]. Так, аппарат производительностью 350 м3/ч по сетевой воде имеет размеры: диаметр обечайки — 1000 мм, габаритные размеры по штуцерам — 1200 мм, по высоте — 2100 мм, соответственно вес сухого аппарата — 905 кг, а расход электроэнергии не превышает 1 кВт.ч.

В настоящее время накоплен большой опыт использования антинакипных электрохимических аппаратов (около 600 объектов) как в системе теплоснабжения, так и ГВС. Накопленный опыт позволяет использовать данный способ водоподготовки в водогрейных котельных, использующих водотрубные котлы, независимо от способа реализации тепловых схем.

Для котельных, использующих жаротрубные водогрейные или паровые котлы, электрохимический способ водоподготовки рекомендуется использовать при наличии многоконтурной схемы (котловой контур, контур отопления, контур ГВС). На реальных объектах получены положи-тельные результаты при установке электрохимических аппаратов как в контуре отопления, так и ГВС [15]. Положительный результат получен как в случае теплообменников трубчатого типа, так и пластинчатых теплообменников.