СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ТРУБ ВОДОГРЕЙНЫХ И ПАРОВЫХ КОТЛОВ
METHOD OF PREVENTION OF LIMESCALE ON HEATING PIPES OF WATER AND STEAM BOILERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Эксплуатация паровых котлов связана с одновременным воздействием высоких температур, давления, механических напряжений и агрессивной среды, которой является котловая вода. Котловая вода и металл поверхностей нагрева котла представляют собой отдельные фазы сложной системы, которая образуется при их контакте. Итогом взаимодействия этих фаз являются поверхностные процессы, возникающие на границе их раздела. В результате этого в металле поверхностей нагрева возникают явления коррозии и образования накипи, что приводит к изменению структуры и механических свойств металла, и что способствует развитию различных повреждений. Поскольку теплопроводность накипи в пятьдесят раз ниже, чем у железа нагревательных труб, то имеют место потери тепловой энергии при теплопередаче - при толщине накипи 1 мм от 7 до 12%, а при 3 мм - 25%. Сильное образование накипи в системе парового котла непрерывного действия часто приводит к остановке производства на несколько дней в году для удаления накипи.
Качество питательной и, следовательно, котловой воды определяется присутствием примесей, которые могут вызывать различные виды коррозии металла внутренних поверхностей нагрева, образования первичной накипи на них, а также шлама, как источника образования вторичной накипи. Кроме того, качество котловой воды зависит и от свойств веществ, образующихся в результате поверхностных явлений при транспортировке воды, и конденсата по трубопроводам, в процессах водообработки. Удаление примесей из питательной воды является одним из способов предотвращения образования накипи и коррозии и осуществляется методами предварительной (докотловой) обработки воды, которые направлены на максимальное удаление примесей, находящихся в исходной воде. Однако применяемые методы не позволяют полностью исключить содержание примесей в воде, что связано не только с трудностями технического характера, но и экономической целесообразностью применения методов докотловой обработки воды. Кроме того, поскольку водоподготовка представляет сложную техническую систему, она является избыточной для котлов малой и средней производительности.
Известные методы удаления уже образовавшихся отложений используют в основном механические и химические способы очистки. Недостатком этих способов является то, что они не могут производиться в ходе эксплуатации котлов. Кроме того, способы химической очистки часто требуют использования дорогостоящих химических веществ.
Известны также способы предотвращения образования накипи и коррозии, осуществляемые в процессе работы котлов.
В патенте US 1877389 предложен способ удаления накипи и предотвращения ее образования в водогрейных и паровых котлах. В этом способе поверхность котла представляет собой катод, а анод размещен внутри трубопровода. Способ заключается в пропускании постоянного или переменного тока через систему. Авторы отмечают, что механизм действия способа заключается в том, что под действием электрического тока на поверхности котла образуются пузырьки газа, которые приводят к отслоению существующей накипи и препятствуют образованию новой. Недостатком указанного способа является необходимость постоянно поддерживать протекание электрического тока в системе.
В патенте US 5667677 предложен способ обработки жидкости, в частности воды, в трубопроводе с целью замедления образования накипи. Указанный способ основан на создании в трубах электромагнитного поля, которое отталкивает растворенные в воде ионы кальция, магния от стенок труб и оборудования, не давая им кристаллизоваться в виде накипи, что позволяет эксплуатировать котлы, бойлеры, теплообменники, системы охлаждения на жесткой воде. Недостатком указанного способа является дороговизна и сложность используемого оборудования.
В заявке WO 2004016833 предложен способ уменьшения образования накипи на металлической поверхности, подвергающейся воздействию пересыщенного щелочного водного раствора, из которого способна образовываться накипь после периода воздействия, включающий приложение катодного потенциала к указанной поверхности.
Указанный способ может использоваться в различных технологических процессах, в которых металл находится в контакте с водным раствором, в частности, в теплообменниках. Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает защиту металлической поверхности от коррозии после снятия катодного потенциала.
Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб, водогрейных и паровых котлов, который был бы экономичным и высокоэффективным и обеспечивал антикоррозионную защиту поверхности в течение длительного промежутка времени после воздействия.
В настоящем изобретении указанная задача решена с помощью способа, согласно которому на металлической поверхности создается токоотводящий электрический потенциал, достаточный для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности исключения или значительного уменьшения необходимости удаления накипи в процессе эксплуатации водогрейных и паровых котлов.
Еще одной задачей настоящего изобретения является исключение необходимости использования расходных реагентов для предотвращения образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности начала работы по предотвращению образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов на загрязненных трубах котла.
Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования накипи и коррозии на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь. Указанный способ заключается в приложении к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.
Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа токоотводящий потенциал устанавливают в пределах 61-150 В. Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа вышеуказанный железосодержащий сплав представляет собой сталь. В некоторых вариантах реализации металлическая поверхность представляет собой внутреннюю поверхность нагревательных труб водогрейного или парового котла.
Раскрытый в данном описании способ имеет следующие преимущества. Одним преимуществом способа является уменьшенное образование накипи. Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность использования однажды закупленного работающего электрофизического аппарата без необходимости использования расходных синтетических реагентов. Еще одним преимуществом является возможность начала работы на загрязненных трубках котла.
Техническим результатом настоящего изобретения, таким образом, является повышение эффективности работы водогрейных и паровых котлов, повышение производительности, увеличение эффективности теплопередачи, снижение расходов топлива на нагрев котла, экономия энергии и пр.
Другие технические результаты и преимущества настоящего изобретения включают обеспечение возможности послойного разрушения и удаления уже образовавшейся накипи, а также предотвращения ее нового образования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показан характер распределения отложений на внутренних поверхностях котла в результате применения способа согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ согласно настоящему изобретению заключается в приложении к металлической поверхности, подверженной образованию накипи, токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов, образующих накипь, к металлической поверхности.
Термин «токоотводящий электрический потенциал» в том смысле, в каком он используется в данной заявке, означает переменный потенциал, нейтрализующий двойной электрический слой на границе металла и пароводяной среды, содержащей соли, приводящие к образованию накипи.
Как известно специалисту в данной области техники, носителями электрического заряда в металле, медленными по сравнению с основными носителями заряда -электронами, являются дислокации его кристаллической структуры, которые несут на себе электрический заряд и образуют дислокационные токи. Выходя на поверхность нагревательных труб котла, эти токи входят в состав двойного электрического слоя при образовании накипи. Токоотводящий, электрический, пульсирующий (то есть переменный) потенциал инициирует отведение электрического заряда дислокаций с поверхности металла на землю. В этом отношении он является токоотводящим дислокационные токи. В результате действия этого токоотводящего электрического потенциала двойной электрический слой разрушается, и накипь постепенно распадается и переходит в котельную воду в виде шлама, который удаляется из котла при периодических его продувках.
Таким образом, термин «токоотводящий потенциал» понятен для специалиста в данной области техники и, кроме того, известен из уровня техники (см., например, патент RU 2128804 С1).
В качестве устройства для создания токоотводящего электрического потенциала может, например, быть использовано устройство, описанное в RU 2100492 С1, которое включает в себя конвертер с частотным преобразователем и регулятором пульсирующего потенциала, а также регулятор формы импульсов. Подробное описание этого устройства дано в RU 2100492 С1. Также может быть использовано любое другое аналогичное устройство, как будет понятно специалисту в данной области техники.
Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен к любой части металлической поверхности, удаленной от основания котла. Место приложения определяется удобством и/или эффективностью применения заявленного способа. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании, и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное место приложения токоотводящего электрического потенциала.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения токоотводящий электрический потенциал является переменным.
Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен в течение различных периодов времени. Время приложения потенциала определяется характером и степенью загрязненности металлической поверхности, составом используемой воды, температурным режимом и особенностями работы теплотехнического устройства и другими факторами, известными специалистам в данной обрасти техники. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное время приложения токоотводящего электрического потенциала, исходя из поставленных целей, условий и состояния теплотехнического устройства.
Величина токоотводящего потенциала, требуемая для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии, может быть определена специалистом в области коллоидной химии на основании сведений известных из уровня техники, например из книги Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. «Поверхностные силы», Москва, "Наука", 1985. Согласно некоторым вариантам реализации величина токоотводящего электрического потенциала находится в диапазоне от 10 В до 200 В, более предпочтительно от 60 В до 150 В, еще более предпочтительно от 61 В до 150 В. Значения токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В приводят к разряжению двойного электрического слоя, являющегося основой электростатической составляющей сил адгезии в накипи и, как следствие, разрушению накипи. Значения токоотводящего потенциала ниже 61 В являются недостаточными для разрушения накипи, а при значениях токоотводящего потенциала выше 150 В вероятно начало нежелательного электроэрозионного разрушения металла нагревательных трубок.
Металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно настоящему изобретению, может быть частью следующих теплотехнических устройств: нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список устройств, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению.
В некоторых вариантах реализации железосодержащий сплав, из которого выполнена металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно к настоящему изобретению, может представляет собой сталь или другой железосодержащий материал, такой как чугун, ковар, фехраль, трансформаторную сталь, альсифер, магнико, альнико, хромистую сталь, инвар и др. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список железосодержащих сплавов, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению. Специалист в данной области техники на основании сведений, известных из уровня техники, сможет такие железосодержащие сплавы, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению.
Водная среда, из которой способна образовываться накипь, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, представляет собой водопроводную воду. Водная среда также может представлять собой воду, содержащую растворенные соединения металлов. Растворенные соединения металлов могут представлять собой соединения железа и/или щелочно-земельных металлов. Водная среда также может представлять собой водную суспензию коллоидных частиц соединений железа и/или щелочно-земельных металлов.
Способ согласно настоящему изобретению удаляет ранее образовавшиеся отложения и служит безреагентным средством очистки внутренних поверхностей в ходе эксплуатации теплотехнического устройства, обеспечивая в дальнейшем безнакипный режим его работы. При этом размеры зоны, в пределах которой достигается предотвращение образования накипи и коррозии, существенно превышает размеры зоны эффективного разрушения накипи.
Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:
- не требует применения реагентов, т.е. экологически безопасен;
- прост в осуществлении, не требует специальных устройств;
- позволяет повысить коэффициент теплопередачи и повысить эффективность работы котлов, что существенно сказывается на экономических показателях его работы;
- может использоваться как дополнение к применяемым методам докотловой обработки воды, так и отдельно;
- позволяет отказаться от процессов умягчения и деаэрации воды, что во многом упрощает технологическую схему котельных и дает возможность значительно снизить затраты при строительстве и эксплуатации.
Возможными объектами способа могут быть водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, закрытые системы теплоснабжения, установки по термическому опреснению морской воды, паропреобразовательные установки и пр.
Отсутствие коррозионных разрушений, накипеобразования на внутренних поверхностях открывает возможность для разработки принципиально новых конструктивных и компоновочных решений паровых котлов малой и средней мощности. Это позволит, за счет интенсификации тепловых процессов, добиться существенного уменьшения массы и габаритов паровых котлов. Обеспечить заданный температурный уровень поверхностей нагрева и, следовательно, уменьшить расход топлива, объем дымовых газов и сократить их выбросы в атмосферу.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ
Способ, заявленный в настоящем изобретении, был испытан на котельных заводах «Адмиралтейские верфи» и «Красный химик». Было показано, что способ согласно настоящему изобретению эффективно очищает внутренние поверхности котлоагрегатов от отложений. В ходе этих работ была получена экономия условного топлива 3-10%, при этом разброс значений экономии связан с различной степенью загрязненности внутренних поверхностей котлоагрегатов. Целью работы являлась оценка эффективности заявленного способа для обеспечения безреагентного, безнакипного режима работы паровых котлоагрегатов средней мощности в условиях качественной водоподготовки, соблюдения водно-химического режима и высокого профессионального уровня эксплуатации оборудования.
2
Испытание способа, заявленного в настоящем изобретении, проводилось на паровом котлоагрегате №3 ДКВр 20/13 4-ой Красносельской котельной Юго-Западного филиала ГУП «ТЭК СПб». Эксплуатация котлоагрегата проводилась в строгом соответствии с требованиями нормативных документов. На котле установлены все необходимые средства контроля параметров его работы (давления и расхода вырабатываемого пара, температуры и расхода питательной воды, давления дутьевого воздуха и топлива на горелках, разряжения в основных сечениях газового тракта котлоагрегата). Паропроизводительность котла поддерживалась на уровне 18 т/час, давление пара в барабане котла - 8,1…8,3 кг/см. Экономайзер работал в теплофикационном режиме. В качестве исходной воды использовалась вода городского водопровода, которая соответствовала требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Необходимо отметить, что количество соединений железа на вводе в указанную котельную, как правило, превышает нормативные требования (0,3 мг/л) и составляет 0,3-0,5 мг/л, что приводит к интенсивному зарастанию внутренних поверхностей железистыми соединениями.
Оценка эффективности способа производилась по состоянию внутренних поверхностей котлоагрегата.
Оценка влияния способа согласно настоящему изобретению на состояние внутренних поверхностей нагрева котлоагрегата.
До начала испытаний был произведен внутренний осмотр котлоагрегата и зафиксировано исходное состояние внутренних поверхностей. Предварительный осмотр котла был произведен в начале отопительного сезона, через месяц после его химической очистки. В результате осмотра выявлено: на поверхности барабанов сплошные твердые отложения темно-коричневого цвета, обладающие парамагнитными свойствами и состоящие, предположительно, из окислов железа. Толщина отложений составляла до 0,4 мм визуально. В видимой части кипятильных труб, преимущественно на стороне обращенной к топке, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 мм длины трубы с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).
Устройство для создания токоотводящего потенциала, описанное в RU 2100492 С1, было присоединено в точке (1) к лючку (2) верхнего барабана с тыльной стороны котла (см. Фиг.1). Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности (3) верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров (зона (4)) от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала (1)). На удалении 2,5-3,0 м (зона (5)) от лючков отложения (6) сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту, (на удалении 3,0-3,5 м от лючков) начинаются сплошные отложения (7) до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился. Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала). На удалении 2,5-3,0 м от лючков отложения сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту (на удалении 3,0-3,5 м от лючков), начинаются сплошные отложения до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился.
В видимой части кипятильных труб, в пределах 3,5-4,0 м от лючков барабанов, наблюдалось практически полное отсутствие отложений. Далее, по мере продвижения к фронту, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 п.мм с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).
В результате этого этапа испытаний был сделан вывод о том, что способ согласно настоящему изобретению без применения каких-либо реагентов позволяет эффективно разрушать ранее образовавшиеся отложения и обеспечивает безнакипный режим работы котлоагрегата.
На следующем этапе испытаний устройство для создания токоотводящего потенциала было присоединено в точке «В» и испытания продолжались в течение еще 30-45 суток.
Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено после 3,5 месяцев непрерывной эксплуатации устройства.
Осмотр котлоагрегата показал, что оставшиеся ранее отложения полностью разрушены и лишь в незначительном количестве сохранились на нижних участках кипятильных труб.
Это позволило сделать следующие выводы:
- размеры зоны, в пределах которой обеспечивается безнакипный режим работы котлоагрегата, существенно превышают размеры зоны эффективного разрушения отложений, что позволяет последующим переносом точки подключения токоотводящего потенциала произвести очистку всей внутренней поверхности котлоагрегата и далее поддерживать безнакипный режим его работы;
- разрушение ранее образовавшихся отложений и предотвращение образования новых обеспечивается различными по характеру процессами.
По результатам осмотра было принято решение продолжить испытания до конца отопительного периода с целью окончательной очистки барабанов и кипятильных труб и выяснения надежности обеспечения безнакипного режима работы котла. Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено через 210 суток.
Результаты внутреннего осмотра котла показали, что процесс очистки внутренних поверхностей котла в пределах верхнего и нижнего барабанов и кипятильных труб завершился практически полным удалением отложений. На всей поверхности металла образовалось тонкое плотное покрытие, имеющее черный цвет с синей побежалостью, толщина которого даже в увлажненном состоянии (практически сразу после вскрытия котла) не превышала 0,1 мм визуально.
Одновременно подтвердилась надежность обеспечения безнакипного режима работы котлоагрегата при применении способа настоящего изобретения.
Защитное действие магнетитовой пленки сохранялось до 2-х месяцев после отсоединения устройства, что вполне достаточно для обеспечения консервации котлоагрегата сухим способом при переводе его в резерв или на ремонт.
Все ссылки, статьи, публикации и патенты и патентные заявки, цитируемые в настоящем документе, в полном объеме включены в него посредством ссылки.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении различных конкретных примеров и вариантов реализации изобретения, следует понимать, что это изобретение не ограничено ими и что оно может быть реализовано на практике в рамках объема приведенной ниже формулы изобретения