ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОТЛОВОЙ ВОДЫ НА СУДНЕ КОМПЛЕКСОНАМИ

В природе не существует химически чистой воды, поэтому в естественных условиях она всегда содержит определенное количество растворенных газов и минералов, а также содержат различные механические примеси и продукты коррозии металлов, находящиеся во взвешенном состоянии, которые не позволяют использовать ее для технических целей. Так, например, для паровых котлов высокого давления на судах питательная вода должна быть в 100 раз чище дистиллированной, которую применяют в аптеках. Недооценка проблемы водоподготовки для судовых котельных агрегатов может привести к тяжелым последствиям, даже с летальным исходом для обслуживающего персонала.

Комплекс технологических мероприятий по подготовке воды как вещества для использования ее в качестве технической, питьевой или мытьевой называется водоподготовкой или водообработкой. При этом водоподготовка может быть реагентной или безреагентной, докотловой или внутрикотловой.

Совершенствование технической эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ) невозможно без знаний о структуре и свойствах жидкой воды, а также современных технологий обработки воды как вещества, которое является одним из основных объектов познания человека, определяющего надежность и безопасность жизнедеятельности на планете Земля. Так, например, вода, обладая аномально большой теплоемкостью, является основным теплоносителем в различных теплоэнергетических объектах. Поэтому каждый инженер-судомеханик должен знать и уметь определять основные показатели ее качества, в совершенстве знать и корректировать технологии водообработки в соответствии с инструкциями по технической эксплуатации теплоэнергетических объектов.

Вода и ее растворы являются неотъемлемой частью жизнедеятельности человека на море. При судоходстве сброс за борт судна неочищенных, например, нефтесодержащих вод, кислотных или щелочных водных растворов от объектов хозяйственно–бытового назначения может оказывать негативное воздействие на экологическое состояние морской среды. Поэтому проблемы водоподготовки для СЭУ и очистки сточных вод на судне всегда требуют пристального внимания и контроля.

Процессу нагрева воды при генерации водяного пара неизбежно сопутствуют накипеобразование, коррозия металла поверхности нагрева и унос солей с кипящей водой и паром, поэтому качество выбранной технологии водоподготовки для СЭУ, например, с паротурбинной установкой определяет эффективность теплообмена и надежность котельного оборудования. От этого зависит рентабельность морского транспорта в целом, так как более 60 % эксплуатационных расходов судна составляют расходы на топливо [1, с.120].

Статья посвящена детальному изучению химической обработке котловой воды на судне комплексонами с целью предотвращения накипеобразования в котлах.

Судовые котельные установки питаются водой, в которой практически всегда содержится некоторое количество примесей, в основном в виде солей и соединений тяжелых металлов. Эти примеси, образуя накипные отложения на теплопередающей поверхности нагрева котла, снижают эффективность теплообмена при генерации пара из-за увеличения термического сопротивления слоя накипи, вызывая перерасход топлива, перегрев металла поверхности нагрева и потерю его прочности. Поэтому первой задачей водоподготовки является создание таких условий в паровом котле, при которых его поверхность нагрева с водной стороны остается чистой (без накипи) в течение заданного срока (не менее одного года) эксплуатации.

Конструктивные элементы котельной установки, как и СЭУ с паротурбинной установкой (ПТУ) на различных участках паро-конденсатного тракта омываются водой различного состава. Чем меньше в такой воде растворенных солей, тем лучше в ней растворяются коррозионно-активные газы, как кислород воздуха и . При этом в некоторых элементах СЭУ, в частности в паровых котлах, могут возникать такие условия, при которых вода или пар становятся агрессивными и вызывают, например, кислородную коррозию металла на экономайзерных участках парообразующих труб. Это может привести к преждевременному выходу их из строя из-за язвенного разрушения металла и появления свищей на указанных участках. Поэтому вторая задача водоподготовки заключается в создании условий в объеме котловой воды, при которых коррозия идет со скоростью, не представляющей опасности для длительной нормальной эксплуатации котельной установки.

В процессе генерации пара в пароводяном коллекторе котла накапливаются примеси, поступающие в него с питательной водой. При барботаже пара через зеркало воды в пароводяном коллекторе происходит унос влаги котловой воды с паром, что вызывает отложения накипи из таких примесей на поверхностях пароперегревателей или на лопатках турбин. Это снижает эффективность теплоэнергетического оборудования и надежность СЭУ в целом. Поэтому третья задача водоподготовки состоит в предотвращении уноса примесей котловой воды с паром или ограничения его некоторым допустимым минимумом.

Для обеспечения СЭУ чистой водой необходимо иметь специальную систему водоподготовки.

Различают предварительную (докотловую) и внутрикотловую обработку воды. Предварительная обработка заключается в очистке воды от примесей до поступления ее в паровой котел. Внутрикотловая обработка воды производится непосредственно в процессе работы парового котла, путем воздействия на водный режим котлоагрегата. Правильно организованная и систематически осуществляемая водоподготовка способствует снижению расхода топлива в котельной установке и обеспечивает ее длительную безаварийную работу.

Для предотвращения накипеобразования в паровых котлах используются химические и физические методы.

К химическим методам относятся:

– способы, при которых накипеобразующие катионы кальция и магния переводят химическими реагентами в труднорастворимые соединения, не являющиеся накипеобразователями, т. к. они выпадают в шлам;

– способы, при которых накипеобразователи (в том числе железо и медь) переводят химическими реагентами в комплексные анионы соединений, хорошо растворимых в воде.

К физическим методам относится обработка воды магнитным или электростатическим полем, а также ультразвуком.

Для предотвращения накипеобразования также широко применяют:

– предварительную очистку воды;

– термическое опреснение забортной воды для подготовки добавочной воды и хозяйственно-бытовых вод;

– химическое умягчение, или обессоливание, добавочной воды или всего потока питательной воды способом ионного обмена;

– обессоливание воды способом электродиализа.

Существует много других способов обессоливания или опреснения воды, которые широко используются в технике стационарных условий эксплуатации и которые пока не получили распространения на морских судах в силу экономической нецелесообразности, например, опреснение вымораживанием, гиперфильтрацией [2, с.105].

Для предотвращения кислородной коррозии на судах применяют деаэрацию воды или химическое связывание коррозионно-активных газов или одновременно оба этих метода.

Комплексонные водные режимы относятся ко второй группе химических методов водообработки. В отличие от водных режимов первой группы они обладают существенным преимуществом — не ведут к шламообразованию в котловой воде и соответственно к образованию вторичных накипей. Механизм предотвращения накипеобразования в этих водных режимах заключается в переводе катионов-накипеобразователей в комплексные анионы хорошо растворимых соединений. Препараты, образующие в растворах комплексные ионы, в состав которых входят атомы металла, называют легандами. Из широкого перечня легандов, известных в химии, для обработки котловой воды применяют гексаметафосфат и трилон Б. При дозировке в котловую воду гексаметафосфата  его реакция со щелочноземельными металлами идет в сторону образования комплексных анионов, которые захватывают ионы кальция, как показано в уравнениях (1-3):

;                     (1)

;                                 (2)

.                                (3)

Образовавшиеся комплексы способны к «захвату» окислов железа, которые обычно присутствуют в котловых водах. В присутствии гексаметафосфата резко замедляется скорость медного накипеобразования, а зона тепловых нагрузок, при которых образуются медные накипи, сдвигается в зону q= 450 .

Из уравнений (1–3) видно, что реакция связывания кальция гексаметафосфатом идет с образованием избыточной щелочи. Поэтому такой водный режим требует защиты котельного металла от щелочной коррозии, например, нитратами.

Суточную дозировку гексаметафосфатов можно высчитать по следующей формуле (4), кг/сутки:

;               (4)

где  – подача питательной воды (паропроизводительность котла), кг/ч;

С = 0,95 – концентрация чистого гексаметафосфата в техническом продукте;

 – общая жесткость питательной воды, мг-экв/кг;

 – коэффициент продувания котла;

 – защитная концентрация фосфат-иона в котловой воде, мг/кг, которую принимают по нормам качества котловой воды.

Расчет по формуле (4) показывает, что рабочие дозировки гексаметафосфата более чем на порядок превышают дозировку тринатрийфосфата. Это свидетельствует о том, что применять водный режим с гексаметафосфатом можно только при хорошем качестве питательной воды, когда добавочную воду применяют в виде дистиллята после опреснительных установок.

Трилон Б является двузамещенной натриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты, которая включает 4 метилкарбоксильиые группы —  — СО — ОН, две из которых связаны с ионами водорода, а две – с ионами натрия, и две функциональные группы, в состав которых входит по одному иону азота. Реакцию взаимодействия трилона Б с кальцием в ионном виде условно записывают так, как представлено в уравнениях (5,6):

                                   (5)

; ;             (6)

где  и  — условная запись комплексных анионов-трилонатов натрия и кальция соответственно.

Устойчивость трилонатов металлов различна и зависит от реакции среды. Трилонаты кальция и магния наиболее устойчивы в слабощелочной среде, в то время как трилонаты железа термически стабильны только в кислой среде. Комплексообразование указанных металлов идет и при других значениях рН среды, однако устойчивость комплексонатов будет меньшей. В этих условиях металл в трилонате может вытесняться другим металлом, для которого реакция среды предпочтительнее. Поэтому при обработке котловой воды трилоном Б одновременно идут несколько параллельных реакций комплексования и вытеснения металлов из трилонатов.

При избытке трилона Б в котловой воде против стехиометрического значения по отношению к примесям питательной воды параллельно со связыванием ионов питательной воды идет растворение отложений, вытеснение железа из трилонатов кальцием и кристаллизация железа на поверхности металла в виде защитной пленки γ - окислов — магнетита .

Расход трилона Б на коррекцию водного режима можно высчитать по следующей формуле (7), кг/сут:

   (7)

где С = 0,95 – концентрация чистого трилона Б в техническом продукте;

 – общая жесткость питательной воды, мг-экв/кг;

 и  – концентрация окислов железа и меди в питательной воде, мг/кг, соответственно.

Расчет по формуле (7) показывает, что рабочая дозировка трилона Б почти на порядок превышает дозировку тринатрийфосфата. Учитывая высокую стоимость трилона Б, необходимо отметить, что этот водный режим рационально применять только в котлах с высокими параметрами пара, большой производительности, при высоком качестве добавочной воды по ионам жесткости [3, с.208].

Таким образом, химическая обработка воды комплексонами позволяет исключить возможность образования накипи и минеральных отложений на поверхностях теплопередачи и отложений в трубопроводах; предотвратить или значительно замедлить коррозию металлических частей теплотехнического оборудования; постепенно, не нарушая режима работы оборудования, удалить имеющуюся накипь и продукты коррозии.

Все эти задачи решаются путем введения в воду, используемую для питания теплотехнических систем, небольших количеств (1–10 ) специальных веществ - комплексонов.

По сравнению с другими технологиями водоподготовки (умягчением воды ионообменным способом, испарительным опреснением воды, подкислением или фосфатированием) обработка воды комплексонами имеет целый ряд преимуществ:

1. Возможность очистки водогрейных и паровых котлов, бойлеров, систем горячего водоснабжения и циркуляционных систем охлаждения от отложений накипи, солей и продуктов коррозии, а также при кратковременных нарушениях водно–химического режима «на ходу», без вывода оборудования из эксплуатации.

2. Постоянное поддержание в чистоте поверхностей теплопередачи и трубопроводов, что позволяет повысить эффективность работы теплотехнического оборудования, снизить расход топлива и затраты энергии на подачу воды по трубопроводам.

3. Полная совместимость и возможность одновременного применения комплексонов с традиционными водоумягчительными фильтрами и физическими методами противонакипной обработки воды (магнитной или ультразвуковой), при этом эффективность борьбы с накипеобразованием и коррозией повышается.

4. Наименьшие по сравнению с другими методами противонакипной и противокоррозионной обработки воды затраты материалов, энергии и труда на обслуживание системы водоподготовки (в частности, исключение всех затрат на подогрев воды, поваренную соль, промывочную воду и сбросы сточных вод).

5. Отсутствие сточных вод, что позволяет снизить отрицательное воздействие на окружающую среду.

6. Компактность оборудования дозирования комплексонов и расходных материалов: запас реагентов на отопительный сезон для средней котельной составляет несколько десятков или сотен килограммов и не требует устройства специальных складов или громоздкого и дорогостоящего реагентного (солевого) хозяйства.

Список литературы:

1. Тихомиров Г. И. Технологии обработки воды на морских судах: учеб. для вузов. – Владивосток.: Мор. гос. ун-т, 2013. – С.110–312.
2. Денисенко Н.И., Харченко В.Г. Безопасность и надежность судовых котлов: учеб. для вузов. – М.: Транспорт, 1978. – С. 3–187.
3. Смирнов О.Р., Кицицкий Ф.Л. Надежность судовых энергетических установок: учеб. для вузов. – Л.: Судостроение, 1974. – С. 201–280 с.