Образование накипи и питательная вода
Главная»Книги по котлам»Котельные установки промышленных предприятий - Сидельковский Л.Н. Юренев В.Н.»Образование накипи и питательная вода
Образование накипи и питательная вода
Образование накипи. Вместе с питательной водой в котлы поступают различные минеральные примеси, в том числе соединения кальция и магния, оксиды железа, алюминия, меди и пр. Все примеси, находящиеся в воде, делятся на трудно- и легкорастворимые. К числу труднорастворимых примесей относятся соли и гидрооксиды Са и Mg, а также оксиды конструкционных материалов. Растворимость кальциевых и магниевых соединений показана на рис. 12.1. В питательной воде и с учетом ее состава в котловой воде могут присутствовать катионы Са2+, Mg2+ и анионы SO2-2, SiO2-2, РО3-4.
Основное образование накипи имеет отрицательный температурный коэффициент растворимости (т. е. при повышении температуры их растворимость уменьшается), и при высоких температурах их растворимость на пять порядков меньше растворимости легкорастворимых веществ.
Характеристика легкорастворимых соединений в воде показана на рис. 12.2. Температурные коэффициенты растворимости некоторых из них при температурах воды более 260°С отрицательны. При нормальных условиях работы котла концентрация NaOH, Na2SO4, NaPО4 во много раз ниже допустимой концентрации их в котловой воде.
Накапливаясь в котле по мере испарения воды, образование накипи после наступления состояния насыщения начинают из нее выпадать. Прежде всего состояние насыщения наступает для солей жидкости Ca(HCО3)2, Mg(HCО3)2, СаСО2, MgCО2 и др., и они начинают выпадать из воды в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат шероховатости на поверхностях нагрева, а также взвешенные и коллоидные частицы, находящиеся в воде котла. Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева, образуют плотные и прочные отложения - накипь. Вещества, кристаллизирующиеся в объеме воды, образуют взвешенные в ней частицы - шлам. Образование накипи на поверхностях нагрева объясняется процессами взаимодействия между противоположно заряженными частицами накипеобразователей и металлической стенкой. Выделение твердой фазы на поверхности может происходить также в процессе парообразования, до того как будет достигнуто состояние перенасыщения накипеобразователей в объеме воды вследствие выпаривания водяной оболочки пузырьков пара, образующихся на поверхности нагрева. Образовавшаяся первичная накипь является основой для отложения вторичных видов накипи - прикипевшего шлама, отложении продуктов коррозии металла.
Наиболее распространены кальциевая и магниевая первичная накипи, в составе которых преобладают CaSО4, CaSiО3, 5СаО. 5SiO2H2O, CaCO2, Mg(OH)2. Образование накипи, как правило, имеет низкую теплопроводность, составляющую 0,1-0,2 Вт/(м*К). Поэтому даже малый слой накипи приводит к резкому ухудшению условий охлаждения металла поверхностей нагрева и вследствие этого к повышению его температуры. При этом у поверхностен нагрева, расположенных в области высоких температур (экраны, фестоны, первые ряды труб конвективного пучка), температура металла может превысить предельную по услозиям прочности, после чего начинается образование отдулин с утоненнем стенки трубы. Затем проявляется свищ - отверстие вдоль образующей трубы, через который с большой скоростью вытекает струя воды, и котел приходится останавливать. Накипь недопустима и в поверхностях нагрева, расположенных в зоне более низких температур, так как приводит к снижению КПД котла в результате уменьшения коэффициента теплопередачи и связанного с этим повышения температуры уходящих газов.
В отличие от соединении Са и Mg, образующих накипь, силикат магния MgSiО3 и некоторые другие его соединения в барабанных котлах образуют шлам.Концентрация солей натрия в воде испарительной поверхности нагрева всегда ниже их предела насыщения. Однако и эти соли могут отлагаться на поверхностях нагрева в тех случаях, когда капли воды, находящиеся в паре и попадающие на поверхность нагрева, испаряются полностью, что имеет место в прямоточных котлах.
Соединения железа, алюминия и меди, находящиеся в воде в виде растворенных коллоидных и ультратонких взвесей, также могут откладываться на поверхности нагрева и входить в состав накипи. Попадая в турбину, они образуют плотные отложения. Железо- и алюмосиликатные частицы накипи образуются при попадании частиц взвеси этих соединений на поверхности нагрева с относительно высокой температурой, где, вступая в реакцию с другими веществами, они образуют сложные нерастворимые в воде соединения. Накипи из оксидов железа и меди образуются в зонах высоких местных тепловых нагрузок поверхностей нагрева q > 150*10-3 Вт/м2, чаще всего в трубах экранов.
В котлах высокого давления вредное влияние на надежность его работы и на качество пара оказывает содержание в воде соединений кремниевой кислоты H2SiО3, вынос которых паром пропорционален содержанию SiО3. B воде( рис. 12.3). При давлении в котле больше 7 МПа кремниевая кислота приобретает способность растворяться в паре, причем с повышением давления эта способность резко возрастает. Поступая вместе с паром в пароперегреватель, H2SiО3 разлагается с выделением Н2О. В результате в паре появляется SiО2. Попадая в турбину вместе с паром, SiО2 образует на ее лопатках нерастворимые соединения, которые приводят к ухудшению экономичности и надежности работы турбины и необходимости ее останова для удаления отложений. Влияет на работу поверхностей нагрева содержание в питательной воде минеральных масел и тяжелых нефтепродуктов, которые могут поступать вместе с конденсатом от производственных потребителей. Отложение малотеплопроводной пленки масла или нефтепродуктов ухудшает условия охлаждения поверхностей нагрева и оказывает такое же влияние, как и накипь.
На режим работы котла вредное влияние оказывает также повышенная щелочность воды; увеличенная щелочность может привести к вспениванию воды в барабане и в предельном случае - к заполнению вспененной водой всего парового объема барабана. Вспениванию воды способствует содержание в ней органических соединений и аммиака. В этих условиях сепарационные устройства не обеспечивают отделения капель воды от пара, и питательная вода из барабана, содержащая различные примеси, может поступать в пароперегреватель и затем в турбину, создавая опасность их загрязнения и нарушения нормальных условий работы. Повышенная щелочность может явиться причиной появления щелочной коррозии металла, а также возникновения трещин в местах вальцовки труб в коллекторы и барабан.
Питательная вода имеет растворенные агрессивные газы О2 и СО2, которые вызывают различные формы коррозии металла элементов водопарового тракта, вследствие чего уменьшается их механическая прочность. Пониженная щелочность воды чскоряет коррозию и поэтому должка поддерживаться в питательной воде на определенном уровне. В котлах низкого давления требуемое значение pH поддерживается вводом в питательную воду соды, а в барабанных котлах высокого давления - фосфатов или аммиака.
В связи с указанными вредными влияниями на работу котла различных примесей в воде их предельно допустимое содержание в питательной воде нормируется.
Питательная вода проверяется на качество по следующим показателям:
солесодержание - суммарная концентрация в воде катионов и анионов, определяемая по общему ионному составу, мг/кг;
жесткость воды - общая суммарная концентрация ионоз кальция и магния, мкг-экв/кг;
щелочность воды - общая сумма эквивалентных концентраций в растворе анионов слабых кислот и ионоз гидроксила (кроме ионов водорода), мг-экв/кг;
кремнесодержание - общая концентрация в воде кремнесодержащих соединений, выраженная в пересчете на SiО2;
содержание соединений железа и меди, мкг/кг;
показатель концентрации водородных ионов (pH) характеризующий реакцию воды (кислая, щелочная, нейтральная) ;
содержание растворенных газов в воде - О2, СО2.
На основе теплохимических испытаний котлов и длительного опыта их эксплуатации установлены нормы качества питательной воды котлов, приведенные в табл. 12.1 [6]. В нормах для котлов с естественной циркуляцией указана питательная вода с допустимым содержанием различных примесей в зависимости от давления. Например, при давлении меньше 4 МПа общая жесткость воды должна быть меньше 5 мкг-экв/кг, а кислорода меньше 20 мкг/кг. Содержание кремниевой кислоты не нормируется. При давлении 10 МПа питательная вода с общей жесткостью менее 3 мкг/кг, кислорода менее 20 мкг/кг и кремниевой кислоты менее 80 мкг/кг. Качество питательной воды для прямоточных котлов должно удовлетворять более жестким требованиям. Например, питательная вода с общей жесткостью менее 0,2-0,3 мкг-экв/кг, содержание кремниевой кислоты менее 30 мкг/кг; жестко ограничивается содержание кислорода в питательной воде прямоточных котлов, соединений натрия, железа, меди и т, п.
