ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ ПИКОВЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ ОТ КОРРОЗИИ
Оборудование пиковых теплоисточников, как и другое оборудование тепловых электростанций, подвержено коррозии и образованию накипи. Как правило, процессы коррозии и накипеобразования протекают в поверхностях нагрева пиковых теплоисточников с большей интенсивностью, чем в основном теплофикационном оборудовании ТЭЦ. Это связано с более высоким температурным режимом и периодичностью работы источников пиковой тепловой мощности. Поэтому требования норм ПТЭ [64] к водно-химическому режиму тепловых сетей весьма высоки. Нормы качества сетевой и подпиточной воды тепловых сетей приведены в прил. 13, 14.
Для борьбы с коррозией в пиковых теплоисточниках применяют те же методы, что и для основного теплофикационного оборудования электростанций, но имеются и свои особенности водоподготовки.
Коррозионно-активные газы (02, С02) могут удаляться из подпиточной воды теплосети физическим или химическим способами. Физическая десорбция С02 осуществляется путем аэрации воды в аппаратах, получивших название декарбонизаторы. Особенности конструкций, схемы и режимы работы этих аппаратов подробно описаны в [120].
Удаление растворенного в воде кислорода и оставшейся части С02 происходит в термических деаэраторах. До конца 60-х годов XX в. деаэрация подпиточной воды проводилась в деаэраторах атмосферного типа [20] при температурах более 100 °С. Впоследствии, в связи с ростом городов и укрупнением систем теплоснабжения, в том числе с непосредственным разбором сетевой воды для горячего водоснабжения потребителей, широкое распространение получила вакуумная деаэрация подпиточной воды в струйно-барботажных аппаратах. Подробно вопросы применения вакуумных деаэраторов описываются в [95, 121], там также рассматривается устройство и работа распространенных струйно-барботажных вакуумных деаэраторов вертикального и горизонтального типов.
Деаэраторы повышенного и атмосферного давления в настоящее время применяются в схемах подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения сравнительно редко. Вытеснение атмосферных деаэраторов вакуумными в 70-е годы XX в. было обусловлено стремлением преодолеть недостатки атмосферных аппаратов: низкое качество деаэрации, малая единичная производительность, низкая экономичность, особенно ощутимая при подготовке большого объема подпиточной воды. При выборе типа де- аэрационной установки обычно учитывают только ее производительность и глубину дегазации, но деаэрационная установка является частью тепловой схемы ТЭЦ, поэтому ее выбор необходимо осуществлять с учетом влияния на эффективность теплофикации и экономичность ТЭЦ.
Химические методы связывания и удаления коррозионно-активных газов на тепловых электростанциях обычно применяются как дополнение к термической деаэрации подпиточной воды. Наиболее распространенными химическими методами противокоррозионной обработки подпиточной воды систем теплоснабжения в отечественной практике являются щелочносиликатная коррекция pH воды гидрооксидом натрия, силикатом натрия или их смесью. За рубежом, кроме того, применяют обескислороживание подпиточной воды тепловых сетей сульфитом натрия, гидразином или их аналогами.
Поддержание необходимого значения pH подпиточной воды систем теплоснабжения с помощью гидрооксида натрия (едкого натра) для коррекционной обработки приводит к снижению коррозии металла, однако способствует ее локализации, особенно при содержании в воде хлоридов выше 50 мг/дм3 и солесодержании более 200 мг/дм3 [11, 95].
Более эффективным методом противокоррозионной обработки подпиточной воды тепловых сетей является дозирование силиката натрия [11]. Силикат натрия, являясь щелочным реагентом, связывает С02 и повышает pH воды. Кроме того, при низком окислительновосстановительном потенциале среды, обеспечиваемом удалением растворенного 02, силикат натрия способен образовывать на внутренней поверхности трубопроводов защитную ферросиликатную пленку.
Для обработки подпиточной воды используют силикат натрия, который в качестве товарного продукта именуется как жидкое натриевое стекло. Максимальная концентрация силиката натрия в воде для открытых систем теплоснабжения с учетом его содержания в исходной воде составляет 40 мг/дм3 Si02 или 50 мг/дм3 SiO .
Технология силикатирования зависит от качества исходной воды, схемы водоподготовки и ее теплового режима. Щелочно-силикатная обработка воды лишь дополняет основные методы противокоррозионной обработки подпиточной воды, к которым прежде всего относится деаэрация.
Силикат натрия при определенных условиях может являться накипеобразующим реагентом. Имелся случай занооа силикатными отложениями водогрейных котлов ПТВМ-100 в схеме с Н-«голодной» регенерацией при температуре воды на выходе из котла 150 °С [13]. Для снижения вероятности образования силикатных отложений при существующем топочном режиме котлов был внедрен режим работы H-Na-катионитовых фильтров с поддержанием бикарбонатной щелочности подпиточной воды 0,3-0,5 мг-экв/дм3, при содержании силиката SiO 12-15 мг/дм3, рН=8,6-8,8. Дальнейшая эксплуатация показала надежность работы котельной с предложенным режимом подготовки подпиточной воды.
Опыт применения щелочно-силикатной коррекции на ряде предприятий [13, 97] показывает, что ее эффективность также в значительной мере зависит от параметров теплового и гидравлического режимов водоподготовительного оборудования и теплофикационной установки в целом. Особенно строго эти параметры следует контролировать на котельных и ТЭЦ с пиковыми водогрейными котлами.
В ходе работы по совершенствованию теплового и гидравлического режимов водогрейной котельной при щелочно-силикатной коррекционной обработке подпиточной воды теплосети особое внимание было уделено организации оптимального теплового режима водоподготовительной установки (рис. 4.1). Тепловой режим водоподготовки существенно влияет на работу декарбонизаторов и вакуумных деаэраторов, необходимую дозировку щелочных реагентов и общую эффективность противонакипной и противокоррозионной обработки подпиточной воды.
По этой схеме ввод силиката натрия производится в декарбонизи- рованную воду после Na-катионитовых фильтров. Поскольку дозирование силиката натрия ведется до достижения pH = 8,6-8,8, то количество расходуемого реагента зависит от значения pH декарбонизированной воды и содержания в ней свободного С02. Следовательно, при щелочносиликатной коррекции подпиточной воды необходима эффективная работа декарбонизаторов.
За счет применения повышенного подогрева воды (до 35-40 °С) перед декарбонизаторами на котельной Panevezio и ряда других мероприятий по повышению эффективности их работы остаточное содержание С02 в декарбонизированной воде снижено до 2-3 мг/дм3. Это, в свою очередь, позволило осуществить подъем величины pH воды до значений 8,6-8,8 минимальным количеством силиката натрия. Среднее значение SiO в подпиточной воде (с учетом содержания SiO -~ в исходной воде) в течение
всего года эксплуатации после внедрения и реконструкции составило 16,3 мг/дм3. Подогрев подпиточной воды производился только в подогревателях первой ступени, подогреватели второй ступени перед деаэраторами были отключены. Реализованный режим водоподготовки оказался достаточным для обеспечения высокоэффективной работы вакуумных деаэраторов. Содержание растворенного 02 в деаэрированной воде в течение года не превышало 15 мкг/дм3 [97].
Достоинствами щелочно-силикатной обработки являются малые габариты установок, простота дозирования, недефицитность реагента, сохранение после обработки органолептических показателей воды.
Однако силикатную обработку рекомендуется использовать лишь для проектируемых и новых систем теплоснабжения с небольшим сроком эксплуатации и незначительной внутренней коррозией. Кроме того, при применении исходных вод с высоким содержанием хлоридов и сульфатов эффективность силикатной обработки снижается.
Окислительно-восстановительные реакции с участием 02 можно осуществить при фильтровании воды через нерастворимые высокомолекулярные вещества [23], имеющие в своем составе группы, способные к обратимому окислению и восстановлению. Примером таких веществ служат электроноионообменники (ЭИ), используемые, в частности, в схемах обескислороживания подпиточной воды тепловых сетей, прошедшей предварительную стадию термической деаэрации. Последовательная обработка подпиточной воды в вакуумных деаэраторах и ЭИ-фильтрах обеспечивает значение остаточной концентрации 02 в 10 раз меньше нормативного [98] и тем самым существенно снижает интенсивность внутренней коррозии и тепловых сетей. Кроме того, ЭИ обладают способностью частичного обез- железивания воды: содержание растворенного железа в подпиточной воде на выходе из ЭИ-фильтров снижается до 100 мюг/дм3. Этот фактор также положительно сказывается на надежности и экономичности теплофикационного оборудования, в первую очередь водогрейных котлов и сетевых подогревателей.
Для дообескислороживания подпиточной воды создан железо- оксидозакисный ЭИ, восстановителем у которого служат сорбированные катионами КУ-2-8, КУ-23 или их импортными аналогами молекулы Fe(OH)2 [98].
Эффективность электроноионообменного дообескислороживания зависит от температуры подпиточной воды. Эксплуатация ЭИ возможна в диапазоне температур обрабатываемой воды 30-100 °С.
Выбор схем и температурных режимов совместной обработки подпиточной воды в вакуумных деаэраторах и ЭИ-фильтрах осуществляется с учетом возможностей и особенностей каждого из применяемых методов.
Обработка подпиточной воды с помощью железооксидозакисного ЭИ позволяет практически полностью удалить из воды растворенный 02 (остаточное содержание менее 5 мкг/дм3), т.е. эффективность такой обработки даже выше, чем при использовании гидразина. Другое важное преимущество электроноионообменного дообескислороживания связано с тем, что при его применении в воду не вносятся токсичные примеси и не увеличивается солесодержание воды. Для эксплуатации электроноионообменни- ков используют стандартные Н-катионитовые или Na-катионитовые фильтры без изменения их обвязки. Эти достоинства позволяют считать применение электроноионообменников в водоподготовительных установках перспективным.
Щелочно-силикатная обработка и электроноионообменное дообес- кислороживание могут дополнять вакуумную деаэрацию как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом [98]. Совместное использование повышенного подогрева воды перед декарбонизаторами, электроноионообменного дообескислороживания и щелочно-силикатной коррекции pH образует комбинацию методов, существенно превосходящую по качеству противокоррозионной обработки практически все ныне применяемые технологии подготовки подпиточной воды. Кроме того, сочетание этих методов во многих случаях дает дополнительный выигрыш в тепловой экономичности котельных и электростанций.
Метод сульфитирования применяется в настоящее время в закрытых системах теплоснабжения, в основном для устранения коррозии, возникающей при подсосах воздуха через неплотности из-за неустойчивого гидравлического режима. В открытых системах сульфит натрия NaS03 не применяется, т.к. это может привести к увеличению содержания сульфатов в воде выше допустимой по санитарно-гигиеническим нормам концентрации для питьевой воды.
Расход сульфита натрия, дозируемого в воду, должен примерно на 25% превышать стехиометрическое количество, определенное из расчета связывания остаточного кислорода. Скорость связывания растворенного 02 возрастает при повышении pH и температуры воды, а также в присутствии катализаторов. Оптимальные значения pH, при которых рекомендуется применять сульфитирование, превышают 8,5.
На основе сульфита натрия разработан новый способ обескислороживания воды [146], включающий обработку восстановителем в присутствии катализатора - комплексного соединения Зс1-переходного металла с азотосодержащим лигандом в щелочной среде. Для повышения качества процесса и снижения расхода катализатора в качестве восстановителя используют сульфит натрия, а в качестве катализатора - дихлоро-бис-2,2-дипиридилкобальт, или дигистидинатокобальт, или другие соединения, обработку осуществляют при pH = 6,5 ч- 10.
Следует отметить трудность выбора обескислороживающего реагента для подпиточной воды теплосетей, особенно в открытых системах теплоснабжения. Применение гидразина в России запрещено вследствие его токсичности. Сульфит натрия не токсичен, однако при длительной эксплуатации избыток его восстанавливается до сероводорода. Это приводит к сульфидной коррозии водо-водяных подогревателей и появлению неприятного запаха в жилых домах.
Необходимость применения безопасных, экологически безвредных, нетоксичных и экономически приемлемых способов обескислороживания горячей воды в системах теплоснабжения очень велика. Известны обескис- лороживающие реагенты, обозначаемые как длинноцепные алифатические амины [127] с добавкой полиакрилатов (торговое название Helamin). Эти вещества используются не только для подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения, но также для питательной воды парогенераторов и охлаждающей воды.
Защитное действие аминов основывается не на создании магнетит- ной пленки из самого металла, а на отложении тонкой пленки вещества, препятствующей контакту металла стенки с агрессивной средой. Амины способны к абсорбции оксидов железа из воды с последующим выводом их из тракта. В публикации приведен ряд примеров использования аминов в котлах промышленного назначения сравнительно невысоких параметров.
В [141] рассматривается применение метилэтилглиоксима (МЭГО) - летучего вещества в качестве альтернативы гидразина для связывания 02 и пассивации поверхности металла. Токсичность МЭГО меньше, чем гидразина. По данным института гигиены Рурской области (ФРГ) допускается применять МЭГО в тепловых сетях в количестве не более 5,0 мг/дм3. При pH = 7,7, температуре воды 110 °С скорость взаимодействия МЭГО с 02 в 30 раз превышает скорость обескислороживания гидразином.
В 80-90-е гг. XX в. рядом исследователей разрабатывались электрохимические методы противокоррозионной обработки подпиточной воды тепловых сетей.
В работах [68, 92] предложено десорбционное обескислороживание методом электролиза. Несколько ранее водоподготовка для тепловых сетей с помощью электролиза предложена специалистами Казанского химикотехнологического института [143].
В настоящее время освоение этих способов находится на уровне лабораторных и опытно-промышленных испытаний. Первые попытки авторов работ [68, 92] промышленного испытания разработанных ими электролизеров не позволили получить остаточное содержание кислорода в воде менее 100 мкг/дм3. Стоимость электролизной обработки значительно превышает стоимость других методов противокоррозионной обработки [96]. Тем не менее дальнейшее изучение электроактивации воды представляет несомненный интерес. При разработке аппаратов, позволяющих снизить расход электроэнергии на обработку воды и обеспечить высокую эффективность этой обработки, новые способы могут иметь практическое значение.
