Иван Тихонов - Сборник статей по организации водно-химического режима теплоэнергообъектов

∂ к =Щ м. о/ (Щ ф/ф+ Щ м. о) ⠀⠀ (15)

где ∂ к – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в котловой воде после отгонки части углекислоты;

Щ м. о – щелочность по метилоранжу, моль/л;

Щ ф/ф – щелочность по фенолфталеину, моль/л.

Для пояснения рассмотрим несколько примеров.

Предположим, щелочность исходной воды составляет НСО 3= 10 ммоль/л. Производим отгонку углекислоты. Затем производим анализ воды на щелочность по фенолфталеину и метилоранжу. В результате получаем, что количество кислоты на титрование по фенолфталеину равно 1 мл, по метилоранжу 9 мл.

Запишем схему разложения бикарбоната (процесс разложения бикарбоната описан в статье «Определение количества бикарбонатов, карбонатов и гидратов в воде в зависимости от значения рН воды»):

8,0NaHCO 3 ⇿ 1,0Na 2CO 3+1,0CO 2 газ+Н 2О

Т.е. концентрация бикарбоната 8,0 ммоль/л, карбоната – 1 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 1,0 ммоль/л. Исходное количество бикарбоната было 10 ммоль/л.

Получаем:

∂ к =Щ м. о/ (Щ ф/ф+ Щ м. о) =9/ (9+1) =0,9

0,9 – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.

Т.е. только 10% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 1,0 ммоль/л.

Продолжаем отгон углекислоты из воды и получаем следующие показатели.

По результатам анализа: количество кислоты по фенолфталеину – 6 мл, по метилоранжу – 4 мл.

Запишем схему разложения бикарбоната:

2,0NaHCO 3⇿ 2,0Na 2CO 3+2,0CO 2 газ+Н 2О <-> 4NaOH+4CO 2 газ

Т.е. концентрация бикарбоната 2,0 ммоль/л, карбоната – 2,0 ммоль/л, гидрата – 4 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 2,0+4,0=6 ммоль/л.

Получаем:

∂ к = Щ м. о/ (Щ ф/ф+ Щ м. о) =4/ (6+4) = 0,4

0,4 – доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.

Т.е. только 60% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 6,0 ммоль/л.

Пример из производственной практики: паровой котел. Давление пара 8 бар. Для подпитки используется Na-катионитовая вода с щелочностью – 2,0 ммоль/л. Деаэраторная головка отсутствует. Возврат конденсата непосредственно в деаэраторный бак в количестве 70% от паропроизводительности. Доля подпитки ХВО – 0,3. Температура в деаэраторном баке поддерживается при помощи барботажа на уровне 90—99 0С.

Получаемая при этом щелочность котловой воды

Щ ф/ф = 20,0 – 21,0 ммоль/л

Щ м. о= 1,5 – 2,0 ммоль/л

тогда

∂ к =1,5/ (20+1,5) =0,07, или в процентах 7%.

Т.е. количество оставшегося в котловой воде бикарбоната и карбоната составит 7% от количества бикарбоната и карбоната, поступивших в котел.

Таким образом, для данного рассматриваемого примера можно записать, что концентрация углекислоты в паре составит:

СО 2 пара = (1—0,07) * Щ пит= 0,93*2,0 = 1,86 ммоль/л или 81,84 мг/л

Концентрация углекислоты в паре значительно превышает нормативную.

Если в данном примере установить деаэраторную колонку и производить отгонку углекислоты из конденсата при подаче его в бак, получим:

СО 2 пара = 0,3 * (1—0,07) * Щ пит= 0,3 * 0,93 * 2,0 = 0,558 ммоль/л или 24,5 мг/л,

что фактически соответствует требованиям норматива.

В итоге можно записать следующую формулу для расчета концентрации углекислоты в паре при условии отгонки углекислоты из возвращаемого конденсата:

СО 2 пара = 44*q* (1-∂ к) *Щ пит= 44*q* (1-∂ к) *∂ д*Щ подп, мг/л ⠀⠀ (16)

где

q – доля подпитки ХВО;

Щ пит – щелочность питательной воды после деаэратора на котел, ммоль/л;

Щ подп – щелочность подпиточной воды (на входе в деаэратор), ммоль/л;

Щ пит = ∂ д* Щ подп, ммоль/л;

∂ д – доля бикарбоната и карбоната, оставшихся в питательной воде (неразложившейся щелочности) после их частичного удаления в деаэраторе. Для работающих котлов определяется по формуле:

∂ д= Щ д. м.о / (Щ д. ф/ф+ Щ д. м.о) ⠀⠀ (17)

Щ д. ф/ф, Щ д. м.о – щелочность по фенолфталеину и метилоранжу деаэрированной (питательной) воды, ммоль/л.

Для предварительных расчетов при обеспечении «идеальных» условий работы деаэратора (подача пара на «зеркало» и на паровой барботаж емкости) можно принять величину этой доли, равной ∂ д=0,65—0,85. При работе деаэратора без парового барботажа значение доли бикарбоната и карбоната, оставшихся в деаэрированной воде, равно 1 (∂ д=1).

∂ к – доля бикарбоната и карбоната, оставшихся в котловой воде. Рассчитывается по формуле (15). Для предварительных расчетов принимается в зависимости от условий работы котла, исходной щелочности и доли возврата конденсата. Можно принять, что ∂ к = 0,05—0,2. Чем больше щелочность исходной воды, тем больше должна быть принята доля ∂ к.

Формула для расчета концентрации углекислоты в паре при возврате конденсата непосредственно в деаэраторный бак:

СО 2 пара=44* (1-∂ к) * Щ пит= 44 * (1-∂ к) * ∂ д * Щ подп, мг/л ⠀⠀ (18)

Выводы:

1. Водно-химический режим паровых котельных зависит прежде всего от содержания в воде трех форм диоксида углерода. Соотношение форм диоксида углерода в воде (свободная углекислота, бикарбонат, карбонат) определяет значение рН воды и, соответственно, ее способность к отложению солей или коррозионной агрессивности. Корректируя ионный состав воды, а также количество свободной углекислоты в воде, для паровых котлов низкого давления возможно ведение эффективного ВХР без применения дополнительных химических реагентов.

2. Для обеспечения дегазации питательной воды перед паровым котлом эффективно применять термическую дегазацию. Химическую дегазацию можно использовать в исключительных случаях для котельных небольшой производительности и с соответствующим экономическим обоснованием, учитывающим риски повышенной коррозионной активности конденсата, риски с возможным недостаточно полным связыванием кислорода в питательной воде, а также потери с повышенным расходом непрерывной продувки котла. Также химическая дегазация требует производства дополнительных анализов при контроле ВХР. Возможно использование химической дегазации с использованием обратноосмотических мембран (статья – «Дегазация воды с использованием обратноосмотических мембран»). Данная технология не имеет недостатков, присущих традиционной химической дегазации.

3. Термическая деаэрация (дегазация) является важнейшей частью тепловой схемы котельной. Поддержание неверного режима работы деаэратора влечет за собой значительные экономические убытки.

4. Важнейшим параметром качественной работы деаэратора является температура воды, поступающей на деаэрацию. При температуре воды более 85 0С вода быстро закипает на верхней тарелке деаэраторной колонки. Это условие определяет полноту отгонки кислорода и свободной углекислоты из воды. В случае отсутствия подогрева воды или при недостаточном подогреве деаэраторная колонка в верхней части работает не в режиме тепломасопередачи, а в режиме теплопередачи. В результате при недостаточной высоте колонки или подаче пара на зеркало кислород и свободная углекислота попадают в деаэраторный бак, при этом эффективность выделения кислорода значительно падает, а свободная углекислота частично связывается в бикарбонат. В этом случае для того, чтобы натрий-катионированная вода достигала значения рН хотя бы 8,5, будет требоваться большой расход пара на барботаж деаэраторного бака. В результате возникают большие потери с выпаром деаэратора.