Тема 2. Водные режимы судовых паровых котлов

2.1 Фосфатно-щелочной режим

Фосфатно-щелочной режим с применением противонакипина МФ предназначен для предупреждения накипеобразования и коррозии в котлах с давлением пара до 2 МПа.

Для этих целей используется противонакипин МФ. В состав противонакипина МФ входит: сода кальцинированная – 25-29 %, тринатрийфосфат – 67-71 %, концентрат сульфитно-спиртовой барды – 3-5 %. В котловой воде кальцинированная сода и тринатрий фосфат частично гидролизуются по уравнениям:

Na₂CO₃+H₂O NaOH+ NaHCO₃ (2.1.1)

Na₃РO₄+H₂O Na₂НРO₄+NaOH (2.1.2)

В результате гидролиза в котловой воде образуется щелочность. Фосфатно-щелочной режим ведется по щелочному числу, которое поддерживается в пределах 150-200 мг/дм³NaOH. При фосфатно-щелочных режимах: соли магния выпадают в твёрдую фазу в виде гидроокиси магния, которая образуется в результате их реакции со щелочью:

MgSO₄+2NaOH→Mg(OH)₂↓+Na₂SO₄ (2.1.3)

некарбонатная жёсткость кальция кальцинированной соды переводится в карбонатную, которая частично выпадает в твердую фазу:

СaSO₄+Na₂СO₃→СaСO₃↓+ Na₂SO₄ (2.1.4)

бикарбонаты и оставшиеся в котловой воде карбонаты кальция в присутствии щелочи тринатрийфосфатом переводятся в гидроксилапатит, который выпадает в твёрдую фазу в виде шлама:

10СaСO₃+6Na₃РО₄+2NaOH→ Сa₁₀(РО₄)₆(ОН)₂+10Na₂СO₃ (2.1.5)

10Сa(НСО₃)₂+6Na₃РО₄→Сa₁₀(РО₄)₆(ОН)₂↓+18NaOH+20СO₂ (2.1.6)

Концентрат сульфатно-спиртовой барды создает центры кристаллизации, что способствует выпадению твёрдой фазы в виде шлама, частично предохраняет котельный металл от щелочной коррозии и поверхности нагрева от вторичного накипеобразования.

При фосфатно-щелочных режимах рН котловой воды всегда больше десяти, тем самым обеспечивается защита котла от кислородной коррозии.

Сущность процесса возникновения хрупких разрушений металла заключается в проникновении химически отработанной щелочной котловой воды с низким общим солесодержанием в щелевидные пространства, образуемые неплотным соединением элементов котла. Независимо от первоначального абсолютного значения щелочного числа котловой воды происходит глубокое упаривание её до образования концентрата с содержанием 3-10 % едкого натра. Последний воздействуя на грани кристаллов структуры металла, электрический потенциал которых из-за наличия механических напряжений значительно понижен по сравнению с потенциалом тела кристаллов, разрушает их. Это приводит к нарушению связи между отдельными структурными составляющими металла. Действующие в металле растягивающие усилия, кроме того, способствуют расширению образовавшихся микротрещин и более глубокому проникновению агрессивного щелочного концентрата.

Хрупкие разрушения металла могут быть вызваны не только щелочной коррозией, но и коррозионной усталостью.

Таким образом, причиной, вызывающей появления межкристаллитной коррозии металла, является одновременное воздействие следующих трёх факторов:

агрессивных свойств котловой воды, возникающих в результате неблагоприятного соотношения между щелочами, специально введенными в котёл и общим солесодержанием котловой воды (определяется показателем «относительной щелочности», выражающей солесодержание едкого натра в процентах от общего солесодержания);

неплотностей в местах соединения элементов котла, не закупоренными посторонними отложениями (накипью, шламом) через которые происходит пропаривание котловой воды;

высоких местных растягивающих напряжений в металле котла, превышающих предел текучести. Эти напряжения могли сохраниться с момента постройки или возникнуть от температурных перекосов во время эксплуатации из-за недостаточного эластичного соединения котельных элементов между собой.

С повышением давления (температуры) в котле влияние перечисленных факторов на интенсивность процесса межкристаллитной коррозии увеличивается.

2.2 Противонакипин МФ для внутрикотловой обработки воды

Противонакипин МФ представляет собой препарат для внутрикотловой водообработки, вводимый для предотвращения образования накипи и коррозии. Может применяться также для выщелачивания уже образовавшейся накипи. Он применяется для водообработки в судовых и стационарных паровых котлах, работающих при давлении пара до 20 кг/см², питание которых производится конденсатом с подпиткой пресной водой, или дистиллятом, или только пресной водой. Состав противонакипина МФ:сода кальцинированная безводная – 27 %, тринатрий фосфат двенадцати водный – 69 %, концентрат сульфитно-спиртовой барды – 4%.

Качество противонакипина определяется двумя показателями: осадительным и щелочным эквивалентами. Осадительным эквивалентом противонакипного препарата называется такое его количество в г, которое необходимо для осаждения 1 г-экв, солей некарбонатной жёсткости в одной тонне воды. Осадительный эквивалент противонакипного препарата зависит только от его химического состава: чем эффективнее препарат, тем численное значение его осадительного эквивалента меньше. Для противонакипина МФ осадительный эквивалент равен 94.

Щелочным эквивалентом противонакипного препарата называется такое его количество в г, которое необходимо ввести в одну тонну воды, чтобы повысить её щелочность на 1 мг-экв, или, что одно и то же, чтобы щелочное число воды увеличилось на 40 единиц. Щелочной эквивалент меняется в зависимости от температуры воды (давления пара) в котле, т.к. с повышением температуры сода, входящая в состав противонакипина МФ, разлагается водой и переходит в едкий натр, что влияет на численное значение щелочного эквивалента. Щелочной эквивалент противонакипина МФ при рабочем давлении пара в котле 15 кг/см² равен 174 мг-экв/дм³.

Для расчёта количества противонакипина, необходимого для введения в котёл после заполнения его свежей водой, нужно знать величину некарбонатной жёсткости этой воды и значение задаваемой щелочности котловой воды. Зная эти величины, а также содержание воды в котле, рассчитывается количество противонакипина МФ, которое нужно ввести в котел после смены воды.

Пример. Паровой котёл с содержанием воды 10 г заполнен в порту Керчь, где некарбонатная жёсткость воды равна 7 мг-экв/дм³. Щелочность котловой воды должна быть равна 5 мг-экв/дм³ (щелочное число 200), давление пара 1,5 МПа

Для осаждения 7 мг-экв/дм³ солей жесткости в 1 т воды потребуется противонакипина МФ: 94х7=658г

Для создания щелочности 5 мг-экв/дм³ в 1 т воды потребуется противонакипина МФ: 174х5=870г

Для водообработки 1 т воды в этих условиях потребуется противонакипина МФ: 658+870=1528г

Всего нужно ввести в котёл противонакипина МФ: 1528х10=15,28≈15,3 кг.

Определение суточного расхода противонакипина МФ в период эксплуатации парового котла.

Для подсчёта суточного расхода противонакипина МФ во время работы котла надо учесть суточный расход добавочной воды, её некарбонатную жёсткость, количество выдуваемой воды, заданную щёлочность котловой воды.

Пример. Суточный расход добавочной воды 6 тонн, её некарбонатной жёсткость равна 2 мг-экв/дм³. Суточный расход противонакипина будет равен 6х94х2=1128≈1,13 кг.

Помимо корректировки котловой воды на поступающую в котёл добавочную воду, необходимо вводить противонакипин и на восполнение щелочности, которая теряется из котла вместе с продувочной водой.

Зная количество воды, выдуваемой из котла, и заданную щелочность котловой воды, можно рассчитать расход противонакипина для восполнения потери щелочности котловой воды с продувкой.

Пример. Величина продувки 5 тонн воды в сутки, щелочность котловой воды 5 мг-экв/дм³, рабочее давление 1,5 МПа. Необходимое количество противонакипина МФ на восполнение щелочности котловой воды будет равно:

174х5х5=4350≈4,35 кг.

Дозировка противонакипина МФ для поддержания заданных показателей качества котловой воды.

Если фактическая щелочность ниже заданной, а остаточная общая жесткость котловой воды выше 0,1 мг-экв/дм³, то обе эти величины надо корректировать. Для этого надо знать водяной объём котла, недостаток щёлочности и остаточную общую жёсткость котловой воды.

Пример. Водосодержание котла 12 т, заданная щелочность котловой воды 5 мг-экв/дм³, фактическая щелочность 3 мг-экв/дм³, следовательно недостаток щелочности котловой воды 2 мг-экв/дм³. Остаточная общая жёсткость – 1,2 мг-экв/дм³. Рабочее давление в котле 1,5 МПа.

Количество противонакипина МФ, нужное для повышения щелочности в котловой воде до заданной, будет равно 2х174х12=4,18 кг.

Для осаждения остаточной жесткости в 1,2 мг-экв/дм³ в 12 тоннах воды потребуется противонакипина МФ: 1,2х94х12=1,35 кг.

Общий расход противонакипина МФ для поддержания заданных показателей качества котловой воды будет равен 4,18+1,35=5,53кг.

Для предупреждения межкристаллитной коррозии металла котла необходимо устранить, по крайней мере, один из факторов, вызывающих этот процесс. Для этого должны своевременно ликвидироваться всякого рода неплотности, через которые происходит пропаривание котловой воды. Чтобы предотвратить возникновение дополнительных механических напряжений в конструктивных элементах котла, следует избегать резких изменений режима его эксплуатации. Из этих соображений нельзя допускать питание котла недостаточно прогретой водой, форсированную растопку или охлаждение котла, подсосы холодного воздуха в топку, работу при поврежденной тепловой изоляции.

Наиболее эффективным образом межкристаллитная коррозия может быть предотвращена устранением агрессивности котловой воды, проведением фосфатно-щелочного режима со строгим выдерживанием величины относительной щелочности.

При использовании этого режима необходимо поддерживать в котловой воде определенное соотношение между щелочностью и общим солесодержанием, получившим название относительной щелочности. Относительная щелочность котловой воды должна быть не выше 20%, т.е. общее солесодержание котловой воды должно быть не менее чем в 5 раз выше её щелочного числа. Практически это значит, что в паровых котлах, работающих при давлении до 4 МПа, содержание хлоридов в котловой воде должно превышать значение щелочного числа не менее чем в 3 раза.

2.3 Фосфатно-нитратный воднохимический режим

Фосфатно-нитратный режим применяется для предотвращения отложений твердой накипи на поверхностях нагрева водотрубных котлов и предупреждения коррозии всех элементов котлов с давлением до 6 МПа, работающих на питательной воде улучшенного качества. Защитная плёнка нитратов железа при давлении в котлах более 6 МПа начинает терять прочность, а при давлении выше 8 МПа практически не оказывает пассивирующего влияния на металл.

Этот метод обработки воды заключается в переводе солей остаточной жесткости в шлам под действием тринатрийфосфата. В результате реакции тринатрийфосфата с солями остаточной жёсткости образуется дополнительная свободная (не связанная с фосфатами) щелочь, возможное воздействие которой на процесс межкристаллитной коррозии металла котла устраняется вводимым в котловую воду – пассиватором – натриевой селитрой. (Разрешается замена натриевой селитры калийной). Совместное действие фосфатов и щелочей способствует образованию на внутренних поверхностях котла фосфатных и оксидных защитных плёнок, предохраняющих металл от электрохимической коррозии в случае проникновения кислорода с питательной водой.

При установленных для котловых вод значениях фосфатных и щелочных чисел обеспечивается полное осаждение проникающих в котёл накипеобразователей. Одновременно достигается глубокое умягчения котловой воды, устраняющее опасность отложения твёрдой накипи. Для предупреждения образования высокодисперсного шлама, который может на напряженных участках поверхностей теплопередачи превратиться во вторичную накипь или привести к вспениванию котловой водой. При фосфатно-нитратном воднохимическом режиме применяются следующие реагенты:

- тринатрийфосфат технический;

- натриевая селитра.

Селитра в паровом котле не участвует в химических процессах, происходящих в котловой воде, и поэтому не должна была бы расходоваться. Однако во время работы котлов имеют место потери селитры вследствие уноса паром и продувочной котловой водой. Для обеспечения надежной работы котлов рекомендуется поддерживать в котловой воде концентрацию селитры, составляющую 50 % от общей щелочности.

Показателями качества котловой воды при фосфатно-нитратном режиме является:

- содержание хлоридов, мг/дм³;

- щелочное число, мг/дм³;

- фосфатное число, мг/дм³;

- нитратное число, мг/дм³;

- остаточная жёсткость, мг-экв/дм³;

- общее солесодержание, мг/дм³.

В ходе нормальной эксплуатации показатели качества котловых вод изменяются и регулируются следующим образом:

а) общее солесодержание и содержание хлоридов постепенно увеличивается за счёт солей, вносимых в котёл с питательной водой и с добавляемыми в него химическими реагентами (солесодержание котловой воды выдерживается в заданных пределах путём периодической и непрерывной продувки котла);

б) фосфатные числа постепенно уменьшаются в результате расхода на осаждение накипеобразователей, поступающих с питательной водой и регулируются периодической дозировкой в котёл, тринатрийфосфата (расчёт количества делается на основании анализа котловой воды);

в) щелочные числа с одной стороны, уменьшаются вследствие расхода щелочей на реакции осаждения солей некарбонатной (постоянной) жёсткости, а с другой стороны, имеют тенденцию к увеличению за счёт гидролиза тринатрийфосфата и реакции осаждения солей карбонатной (временной) жёсткости. Щелочные числа при фосфатно-нитратном режим не регулируются, а только фиксируются для расчёта дозировки селитры. В случае чрезмерного повышения щелочного числа оно может быть снижено дополнительной продувкой котла;

г) нитратные числа остаются почти неизменными, т.к. вводимые в котёл нитраты не вступают в химические реакции с содержащимися в котловой воде веществами (нитратные числа определяются фактическими значениями щелочных чисел котловой воды и регулируются на основании этого дозировками селитры).