Предотвращение коррозии систем теплоснабжения, обусловленной присутствием в воде диоксида углерода

1. Предотвращение коррозии систем теплоснабжения, обусловленной присутствием в воде диоксида углерода

Для предотвращения коррозии систем теплоснабжения, обусловленной присутствием в воде диоксида углерода, применяют физические и химические методы удаления СО₂. В работе приведено сравнение ежегодных эксплуатационных затрат на обработку воды путем декарбонизации в аппаратах насадочного типа и путем подщелачивания едким натром. Полученные данные позволяют определять наиболее экономичный метод удаления диоксида углерода для обрабатываемых вод различного качества. Предложены способы повышения эффективности физической десорбции СО₂.

Внутренняя коррозия тепловых сетей в значительной мере обусловлена наличием в сетевой воде свободной углекислоты (диоксида углерода СО₂), которая является катализатором кислородной коррозии. Угольная кислота присутствует в том или ином количестве во всех природных водах, используемых для подпитки теплосети. Большая часть углекислоты находится в виде свободного молекулярно растворенного газа СО₂ и бикарбонатных ионов НСО₃, незначительная часть, прореагировав с водой, образует угольную кислоту. Источником появления СО₂ в природных водах являются различные биохимические процессы окисления органических веществ, как в самих водоемах, так и в почве, при фильтрации через которую вода обогащается углекислотой.

При снижении щелочности подпиточной воды систем теплоснабжения путем подкисления серной кислотой вода обогащается свободной углекислотой в результате реакций Са (НСО₃)₂ + Н₂SО₄ = СаSО₄ + 2Н₂О + 2СО₂; (1).

Мg (НСО₃)₂ + Н₂SО₄ = МgSО₄ + 2Н₂О + 2СО₂. (2).

Количество выделяющейся при противонакипной обработке воды свободной углекислоты, мг/дм3, пропорционально величине разрушаемой карбонатной жесткости (щелочности), мг-экв/дм3:

= 44^._. (3).

Кроме того, дополнительное количество свободной углекислоты выделяется в процессах обезжелезивания артезианских вод аэрированием в результате реакции:

4Fe²⁺ + О₂ + 8НСО₃^- + 2Н₂О = 4Fe (ОН)₃ + 8СО_2. (4).

Общее количество свободной углекислоты, подлежащее удалению в процессе противокоррозионной обработки воды, составляет.

= + +. (5).

Величина начального содержания свободного диоксида углерода в различных природных водах обычно находится в пределах 2−25 мг/дм³. При понижении накипеобразующей способности воды методами подкисления и водород-катионирования содержание СО₂ в воде возрастает за счет разрушения бикарбонатных ионов до значительных величин (50−500 мг/дм³).

В настоящее время при нормировании накипеобразующей способности подпиточной воды используют показатель — карбонатный индекс И_к [1], который равен произведению кальциевой жесткости и общей щелочности:

. (6).

Приведенные в [1] значения карбонатного индекса обеспечивают допустимую скорость накипеобразования в водогрейных котлах, равную 0,1 г/(м^2.ч). Для обеспечения требуемого значения карбонатного индекса подпиточную воду умягчают методами ионного обмена или уменьшают ее щелочность путем подкисления, в результате чего, как упоминалось выше, образуется дополнительное количество свободной углекислоты.

В связи с высокой коррозионной агрессивностью свободной углекислоты содержание СО₂ и соответствующее ему значение показателя рН в основных технологических потоках теплоэнергетических установок строго нормируются. Так, в подпиточной воде систем теплоснабжения свободная углекислота должна отсутствовать, чему соответствует значение рН>8,3 [2].

Для предотвращения коррозии систем теплоснабжения, обусловленной присутствием в воде СО₂, применяют физические и химические методы. Сущность физического метода заключается в следующем: вода, содержащая углекислоту, приводится в соприкосновение с воздухом, в котором парциальное давление СО₂ близко к нулю, и создаются условия, при которых растворимость СО₂ в воде становится минимальной. Этот метод реализуется в специальных устройствах — декарбонизаторах. В основе химических методов удаления из воды СО₂ лежит его химическое связывание, достигаемое введением реактивов, обычно это аммиак, щелочь или силикат натрия.

При выборе метода предотвращения углекислотной коррозии необходим учет его экономичности. Для определения экономичности физических и химических методов удаления агрессивной углекислоты нами проведено сравнение ежегодных эксплуатационных затрат на обработку воды путем декарбонизации в аппаратах насадочного типа, наиболее распространенных в водоподготовительных установках ТЭЦ и котельных, и путем подщелачивания едким натром. Так как состав исходной воды существенно меняется в течение года, то затраты на декарбонизацию и на подщелачивание за год рассчитаны как сумма затрат по месяцам.

Внимание к этому вопросу вызвано тем, что в последние годы на ряде электростанций страны связывание углекислоты в декарбонизаторах заменяют химическим связыванием едким натром. Связано это с тем, что эксплуатация декарбонизаторов (обслуживание вентиляторов декарбонизаторов, периодический контроль состояния насадки декарбонизатора) требует большего внимания технического персонала. Для химического связывания щелочью необходимы только ее наличие, установка насоса-дозатора и настройка его на подачу определенного количества щелочи.

Основные ежегодные эксплуатационные затраты на обработку воды в декарбонизаторах насадочного типа связаны с ежегодными отчислениями на амортизацию оборудования и с расходом электроэнергии на привод вентилятора декарбонизатора. Стоимость ежегодных отчислений на амортизацию оборудования А, руб./г., принимается в размере 10,6% от капитальных затрат К на установку декарбонизаторов [3], которые складываются из стоимости декарбонизаторов, вентиляторов, воздуховодов, включая их транспорт и монтаж.

Затраты электроэнергии на подачу воздуха вентилятором в единицу времени, Э, руб/ч, определяются по формуле Э = с_э^., (7).

где: с_э — стоимость 1 кВт^.ч электроэнергии, руб./(кВт^.ч); - мощность электродвигателя вентилятора, кВт.

Мощность электродвигателя вентилятора, кВт, определяется по формуле углекислый газ коррозия теплоснабжение.

(8).

где: — производительность вентилятора, м³/ч; - давление, создаваемое вентилятором, Па; - кпд вентилятора.

Производительность вентилятора и давление, создаваемое вентилятором, определяются исходя из количества обрабатываемой воды, удельного расхода воздуха на декарбонизацию и начального содержания СО₂ по справочнику [4].

В табл. 1 приведены данные по расходу подпитки теплосети на Ульяновской ТЭЦ-1 и составу исходной воды, поступающей на водоподготовительную установку ТЭЦ из городского водопровода. Нормативная величина карбонатного индекса устанавливается путем подкисления. Необходимая щелочность подпиточной воды рассчитана по формуле (6), исходя из условия поддержания величины карбонатного индекса на уровне 3,2 (мг-экв/дм³)² — для средней температуры теплоносителя 70−100 ^оС. Количество диоксида углерода, выделившееся в результате подкисления, и общее количество СО₂, подлежащее удалению, рассчитаны по формулам (3) и (5).

Табл. 1. Данные о расходах подпитки теплосети, качестве исходной и подкисленной воды на Ульяновской ТЭЦ-1.

Gпод х103, т/мес.	Gпод,. т/ч.	ЖCa, мг-экв/дм3	Щ, мг-экв/дм3	Щнеоб,. мг-экв/дм3	Щизб, мг-экв/дм3	мг/дм3	, мг/дм3	мг/дм3
Янв.	1394,3.		2,7.	2,15.	1,18.	0,97.	42,7.	3,3.
Февр.			2,6.	2,3.	1,14.	1,16.		5,94.	56,94.
Март.	1426,5.		3,1.	2,6.	1,03.	1,57.		12,21.	81,3.
Апр.	1225,3.		3,4.	2,65.	0,94.	1,71.	75,2.	13,2.	88,4.
Май.	1725,9.		2,5.	2,0.	1,28.	0,72.	31,7.		38,7.
Июнь.	571,9.		2,0.	1,6.	1,6.
Июль.	1079,7.		2,35.	1,75.	1,36.	0,39.	17,16.	17,6.
Авг.	795,3.		2,0.	1,7.	1,6.	0,1.	4,4.	19,8.	24,2.
Сент.	1638,2.		2,05.	1,85.	1,56.	0,29.	12,8.		23,8.
Окт.	1653,8.		2,2.	1,9.	1,45.	0,45.	19,8.	8,8.	28,6.
Нояб.	1861,0.		2,6.	2,2.	1,23.	0,97.	42,7.	4,87.	47,5.
Дек.	1586,0.		2,6.	2,2.	1,23.	0,97.	42,7.	2,64.	45,3.

При данных расходах подпитки теплосети на ТЭЦ для удаления свободной углекислоты установлены четыре насадочных декарбонизатора производительностью 550 т/ч с вентиляторами марки Ц4−76 № 8 с номинальной производительностью 14 000 м³/ч и напором 1,4 кПа. По проектным данным на Ульяновской ТЭЦ-1 капитальные затраты на установку одного декарбонизатора составляют 460 тыс. руб., тогда затраты на амортизацию 4-х декарбонизаторов составляют 460×4×0,106=195 тыс. руб./г. Затраты электроэнергии, рассчитанные по формулам (7) и (8) с учетом того, что при меньших расходах подпитки теплосети часть вентиляторов будет отключена, составляют 24,5 тыс. руб./г. Итого ежегодные затраты на физическую десорбцию СО₂ в декарбонизаторах для данных расходов подпитки и качестве воды составляют 219,5 тыс. руб./г.

Ежегодные эксплуатационные затраты на химическое связывание свободной углекислоты в единицу времени определяются по выражению.

+ А, (9).

где: — стоимость израсходованной щелочи, руб./г.; Э_нд— стоимость электроэнергии на привод насосов-дозаторов щелочи, руб./г.; Аотчисления на амортизацию оборудования (насосов-дозаторов).

Связывание свободной углекислоты щелочью идет по реакции:

СО₂ + NaOH = NaHCO₃, (10).

из которой следует, что на связывание 44 мг СО₂ /дм³ необходимо 40 мг NaOH /дм³.

Подачу насоса-дозатора, л/ч, перекачивающего раствор щелочи, следует определять из соотношения.

q = k^.G^. /, (11).

где:

• 40/44=0,9
• — стехиометрический коэффициент; - количество обрабатываемой воды, т/ч; -содержание диоксида углерода мг/дм³; - концентрация нейтрализующего раствора щелочи, г/дм³ (в данном примере равна 40 г/дм³).

По рассчитанному значению q выбираем тип насоса-дозатора и его мощность, кВт [5]. Стоимость электроэнергии на привод насоса-дозатора щелочи, Э_н.д, руб./ч, определим по формуле (7).

Стоимость израсходованной щелочи в единицу времени, руб./ч, определяется по формуле.

= с_щ ^.10^{-3 ..}q, (12).

где с_щ — стоимость 1 кг 100% щелочи, руб.

Результаты расчета затрат на химическое связывание свободной углекислоты приведены в табл. 2. По полученным расходам щелочи по справочнику [5] были выбраны к установке 3 насоса-дозатора марки НД 2,5−1000, с подачей 1000 л/ч и один насос-дозатор марки НД 2,5−630, с подачей 630 л/ч. Стоимость этих насосов соответственно 4950 руб. и 3750 руб. [6].

Табл. 2. Расчет ежегодных эксплуатационных затрат на химическое связывание углекислоты.

Анализ результатов расчета показывает, что для приведенного примера с действительными расходами подпитки и качеством обрабатываемой воды (см. табл. 1) удаление СО₂ в декарбонизаторе, то есть физическим методом, гораздо экономичнее химического связывания щелочью. Расчет проведен в ценах 2000 г., однако соотношение затрат будет аналогичным и для условий текущего года, так как цены за прошедший период выросли и на энергоресурсы, и на химические реактивы.

Аналогично приведенному выше примеру, по формулам (7)-(12) рассчитаны эксплуатационные затраты (за мес) на удаление СО₂ в декарбонизаторе с номинальной производительностью 550 т/ч и затраты на подщелачивание едким натром при различных расходах исходной воды и начальном содержании СО₂. На рис. 1 представлена графическая интерпретация этих расчетов — зависимости затрат на удаление СО₂ в декарбонизаторе и на подщелачивание от начального содержания свободной углекислоты при фиксированных значениях расхода исходной воды.

Построенные зависимости позволяют определять более экономичный метод удаления СО₂ для обрабатываемых вод разного качества. Как видно из рис. 1, при расходах обрабатываемой воды от 300 до 500 т/ч подщелачивание в качестве метода противокоррозионной обработки воды следует применять если в среднем за год содержание СО₂ в обрабатываемой воде составляет менее 15 мг/л.

По нашему мнению, подщелачивание воды едким натром можно использовать лишь как дополнительный метод коррекции водного режима тепловых сетей и котлов, например, при неполном удалении свободной углекислоты в деаэраторах. При этом желательно, чтобы коррекция рН подпиточной воды подщелачиванием производилась как завершающий этап водоподготовки, после деаэраторов. Применение подщелачивания в качестве основного метода возможно в водоподготовительных установках без снижения бикарбонатной щелочности, т. е. при незначительном содержании диоксида углерода в воде, а также в закрытых системах теплоснабжения с незначительным объемом подпитки.

На теплоисточниках со значительным объемом подпитки системы теплоснабжения (как правило, в открытых системах) необходимо уделять внимание повышению экономичности и эффективности физической десорбции СО₂ — декарбонизации, а не использовать, на первый взгляд, наиболее простой способ — переход на химические методы удаления СО₂, который, как показали расчеты, очень дорог. В научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ разработаны новые технологии, позволяющие обеспечивать нормативное качество декарбонизации при минимально необходимых для этого затратах. Суть этих технологий заключается в том, что параметры процесса декарбонизации — температура обрабатываемой воды и расход воздуха регулируются по величине заданного остаточного содержания СО₂ [7, 8]. Оснащение декарбонизационной установки системой автоматического регулирования не требует больших затрат (ориентировочно — от 25 до 130 тыс. руб. в зависимости от типа регулятора) и окупается в течение одного года. Кроме того, перспективным направлением повышения эффективности декарбонизаторов насадочного типа является использование взамен традиционной керамической насадки насадочных тел из нержавеющей стали (кольца Палля). Стальная насадка более долговечна и обладает повышенной массообменной эффективностью, что позволяет уменьшить ее объем, высоту засыпки в аппарат и сопротивление декарбонизатора.

Выводы

• 1. Выполнено технико-экономическое сравнение удаления свободной углекислоты из подпиточной воды систем теплоснабжения в декарбонизаторах и химического связывания СО₂. Построены зависимости затрат на удаление СО₂ в декарбонизаторе и подщелачиванием от содержания СО₂ в обрабатываемой воде при фиксированных значениях расходов обрабатываемой воды, позволяющие определять более экономичный метод удаления свободной углекислоты для вод определенного качества в широком интервале расходов подпитки систем теплоснабжения.
• 2. Установлено, что замена десорбции свободной углекислоты из подпиточной воды теплосети в декарбонизаторах на химическое связывание СО₂ едким натром, как правило, нецелесообразна, так как приводит к значительному увеличению эксплуатационных затрат на водоподготовку. Подщелачивание воды едким натром целесообразно использовать как дополнительный метод коррекции рН подпиточной воды систем теплоснабжения.
• 3. С целью снижения расхода энергоресурсов на декарбонизацию при гарантированном поддержании требуемого качества обработанной воды необходимо осуществлять регулирование расхода воздуха и/или температуры обрабатываемой воды по величине остаточного содержания диоксида углерода.

• 1. Кострикин Ю. М. Инструкция по эксплуатационному анализу воды и пара на тепловых электростанциях. — М.: СПО Союзтехэнерго, 1979. — 120 с.
• 2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации: 16-е изд. — М.: СПО ОРГРЭС, 2003.
• 3. Гуревич Л. Ш., Зачинский Г. А., Харкевич В. А. Декарбонизаторы в схемах химического обессоливания известкованной воды / Электрические станции. 1987, № 1.
• 4. Лифшиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок малой мощности. — М.: Энергия, 1969.
• 5. Роддатис К. Ф., Полтарецкий А. Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
• 6. Прейскурант № 23−01. Оптовые цены на насосы. — М.: Прейскурантиздат, 1981.
• 7. Патент № 2 151 951 (RU). МКИ F 22 D 1/50. Способ декарбонизации воды / В. И. Шарапов, М. А. Сивухина (Ротова) // Бюллетень изобретений. 2000, № 18.
• 8. Патент № 2 148 208 (RU). МКИ F 22 D 1/50. Способ декарбонизации воды / В. И. Шарапов, М. А. Сивухина (Ротова) // Бюллетень изобретений. 2000, № 12.