Очистка воды и защита систем водоИ теплоснабжения от коррозии, отложений

УДК 620.197.3

Очистка воды и защита систем водо-и теплоснабжения от коррозии, отложений

В. Н. Жилин,

директор ООО «Институт проблем транспорта», г. Новосибирск

Д. Н. Ильин,

главный инженер ООО «Институт проблем транспорта»

Очистка внутренних поверхностей труб и арматуры систем водо- и теплоснабжения от коррозионных отложений напрямую связана с экономией энергозатрат. В ООО «Институт проблем транспорта» (г. Новосибирск) разработан и успешно внедряется метод термодинамической активации воды. При создании технологии руководствовались следующими принципами: удаление старой накипи и коррозионных отложений без нанесения какого-либо ущерба очищаемой поверхности; формирование на поверхностях контакта с водой антикоррозионной энергетической защиты; предотвращение налипания новой накипи в процессе последующей эксплуатации котла, очистка воды.

Ключевые слова: системы теплоснабжения, системы водоснабжения, накипеобразование, электрохимическая коррозия, очистка воды.

Введение

Проблема борьбы с коррозией и накипеобразова-нием в системах теплоснабжения весьма актуальна. Поверхность металла в месте контакта с водой по ряду причин физико-химического характера всегда претерпевает существенные изменения.

При содержании в воде избыточного количества кремниевых, сульфатных и карбонатно-кальциевых соединений внутренняя поверхность труб покрывается слоем твердых солевых отложений (СаСОз, СаSО4, СаSiOз и др.), которые сужают проходное сечение, уменьшают теплопередачу котлов и теплообменников. В котлах это особенно опасно, так как накипные отложения обусловливают перегрев и разрушение нагревательных элементов, а также значительный (до 20 %) перерасход топлива. Загрязнение поверхности нагрева паровых котлов накипью и шламом происходит тем интенсивнее, чем выше жесткость питательной воды. А увеличение жесткости происходит по причине загрязнения поверхности.

Теплопроводность накипи имеет большое значение. С ее повышением увеличивается и теплопереда-

ча через стенку котла к воде. Таким образом, накипь с более высокой теплопроводностью менее вредна, чем с малой. В табл. 1 приведены значения теплопроводности для различных видов накипи.

Если в воде избыточное содержание агрессивной углекислоты, кислорода, хлоридов и низкая активная реакция (рН), то металлическая поверхность, контактирующая с водой, подвергается интенсивной электрохимической коррозии (разрушению).

Электрохимическая коррозия появляется в результате взаимодействия металла с электролитами и сопровождается протеканием электрического тока от одной части металла к другой. За счет этого в системах водоснабжения возникают гальванические элементы. При этом участки с более низким электрохимическим потенциалом являются анодами, а участки с более высоким электрохимическим потенциалом - катодами. Возникающая разность потенциалов вызывает перемещение электронов от анода к катоду, что обусловливает коррозию металла на анодных участках. Это резко сокращает срок службы водоне-сущего элемента. Кроме того, коррозионные отложения обусловливают существенное увеличение гид-

гаияшииийИ

= 24

Энергобезопасность и энергосбережение

равлического сопротивления и, как следствие, перерасход электроэнергии на транспортирование воды. В системах хозяйственно-питьевого водоснабжения коррозия вызывает так называемое «вторичное» загрязнение транспортируемой воды. Это делает бессмысленным предварительную водоподготовку, так как в любом случае нет возможности обеспечить потребителей доброкачественной питьевой водой.

Таблица 1

Характеристика видов накипи

С проблемами солевых отложений и коррозионных проявлений специалисты знакомы многие десятилетия, в течение которых ведется неустанный поиск средств противодействия этим явлениям. Предложено множество методов и технологий предотвращения образования накипи и коррозии, позволяющих более или менее смягчить остроту проблемы. Тем не менее, в условиях эксплуатации систем холодного и горячего водоснабжения они не нашли широкого применения. Причин этому несколько.

Во-первых, не существовало простого универсального метода, который позволял эффективно и полностью удалять старые отложения, предотвращать образование новых и защищать поверхность, контактирующую с водой, от коррозии. Такая задача решается одновременным использованием нескольких технологий, что достаточно сложно реализовать и дорого.

Во-вторых, многие из предлагавшихся методов просто вредны для систем водотеплоснабжения и здоровья людей. Химическая обработка теплоэнергетического оборудования кислотами, даже при условии добавления ингибиторов, с одной стороны, обеспечивает сравнительно неплохое удаление солевых отложений, но с другой - вызывает резкую интенсификацию коррозионных процессов. Даже механиче-

ская очистка труб провоцирует интенсивную коррозию: освобожденная от отложений металлическая поверхность в большей мере подвержена ей.

В-третьих, не было методов, которые обладали устойчивым и длительным эффектом последействия. Так, неплохо зарекомендовавшая себя технология обработки систем водоснабжения солями фосфора предполагает непрерывную или с кратковременным перерывами, но постоянную дозировку реактивов, что в условиях водоснабжения представляется проблематичным.

В-четвертых, существующие методы борьбы с отложениями солей и коррозией предполагают длительную остановку работы систем водоснабжения, что весьма нежелательно.

В ООО «Институт проблем транспорта» (г. Новосибирск) разработан и успешно внедряется метод термодинамической активации воды, который лишен перечисленных недостатков. Он основан на использовании композиционного состава СОТ-2000. При разработке технологии руководствовались следующими основополагающими принципами: удаление старой накипи и коррозионных отложений без нанесения какого-либо ущерба очищаемой поверхности; формирование на поверхностях контакта с водой антикоррозионной энергетической защиты; предотвращение налипания новой накипи в процессе последующей эксплуатации котла, очистка воды.

Первые два принципа реализованы во многих существующих технологиях, хотя и не в полной мере. Например, при кислотной обработке воды накипь удаляется хорошо, но при этом наносится ущерб очищаемой поверхности: она частично разрушается (растворяется); фосфатирование воды способствует образованию защитной антикоррозионной пленки, однако предварительно поверхность должна быть очищена. Более сложной представляется реализация третьего принципа - предотвращение отложений. До сих пор это удавалось только при тщательной химической подготовке питательной воды, включая деионизацию - процедуру весьма сложную и дорогостоящую. Она сопряжена с необходимостью содержания кислотных и щелочных хозяйств в цехе химической водоподготовки, обусловливает образование большого количества кислотосодержащих и солевых стоков, утилизация которых с экологической точки зрения весьма проблематична. В связи с этим глубокое обес-соливание воды проводится только для паровых котлов, работающих под высоким давлением.

Состав СОТ-2000 выпускается в соответствии с ТУ 3988-002-42275752-00 из природных компонентов, прошедших предварительную физико-механическую активацию. Помещенный в воду он образует слабощелочную среду и постепенно разрушает меж-молекулярные структурные связи в накипи, переводя последнюю в шлам и частично в растворенное состояние.

Для устранения причин электрохимической коррозии, образования минеральных отложений применяется СОТ-2000, который воздействует на электроны, освободившиеся на анодных участках и

Вид накипи и ее химический состав Характер накипи Теплопро- водность, Вт/(м.оС),

Накипь, пропитанная маслом Твердая 0,10-0,15

Силикатная с содержанием кремнекислых соединений 20% и выше Твердая, плотная 0,25-0,50

Карбонатная с содержанием СаС03 и MgCO3 до 70% Аморфного типа Твердого типа Мягкая От аморфного порошка до твердого котельного камня 0,20-1,00 0,50-5,50

Сульфатная (гипсовая) с содержанием гипса (CaSO4 ) более 50% Твердая, плотная 0,50-2,50

вташлиииИ

перемещающиеся на катодные, где присоединяются к ионам водорода. Накопление ионов водорода на катодных участках металла ведет к их поляризации, что резко замедляет, а в ряде случаев полностью прекращает процесс коррозии металла, образование минеральных отложений. При этом С0Т-2000 без приложения внешнего электрического поля создает анодную поляризацию на поверхности нагревательных элементов. Образовавшееся энергетическое поле активно воздействует на отложения, обусловливая ослабление сил когезии в их толще и адгезии на поверхности, в месте контакта с металлом. В результате самые прочные отложения превращаются в рыхлую массу, постепенно смываемую потоком воды (рис. 1). Очищаемые поверхности приобретают устойчивые антиадгезионные и антикоррозионные свойства. Постепенно формируется сплошная оксидная пленка, обладающая высокой теплопроводностью и низкой электропроводностью (электрическое сопротивление около 10 кОм).

Рис. 1. Фрагменты трубы до (а) и после (б) обработки методом термодинамической активации воды средством СОТ — 2000

Метод термодинамической активации воды прошел производственные испытания более чем в двухстах производственно-отопительных котельных Сибири и Дальнего Востока, а в 20072008 годах на ТЭЦ Хабаровска и Владивостока. Качество используемой воды характеризовалось следующими показателями:

Солесодержание, мг/л Жесткость, мг-экв/л Щелочность, мг-экв/л Отношение карбонатов к бикарбонатам при рН>8,4, % Содержание железа, мг/л Водородный показатель рН

от 100 до 1500 от 0,2 до 9,0 от 0,7 до 10,0

от 0 до 20 от 0 до 8 от 6,2 до 9,5

Результаты испытаний выявили высокую эффективность метода термодинамической активации. В частности, обеспечено:

- полное удаление накипных и коррозионных отложений с поверхностей нагревательных элементов и труб. Скорость удаления старой накипи с металлических поверхностей составила от 1 до 10 миллиметров толщины слоя накипи в месяц в зависимости от ее химического состава, температуры, давления воды и пара, режима внутрикотловой обработки воды средством СОТ-2000, периодичности дренирования;

- устойчивое предотвращение накипеобразова-ния и коррозии. В воде уменьшается содержание продуктов вторичного загрязнения - железа и других примесей (рис. 2). Продолжительность периода эксплуатации котла между обработками средством СОТ-2000 составляет не менее 8-9 лет при отсутствии химической водоподготовки;

- сокращение расхода топлива на 15-20 %. Это обусловлено повышением теплопередающих свойств очищенных теплонагревательных поверхностей и более полным сгоранием топлива;

- увеличение в 1,5-2 раза срока службы теплообменных аппаратов и труб. Прекращается образование плотного нагара на нагревательных поверхностях со стороны топки. Этот фактор имеет исключительно важное значение для живучести котла. Вследствие нагара образуются прогары нагревательных поверхностей, а это приводит к вынужденной остановке котла на капитальный ремонт или его замене. Следует учитывать, что износ теплоэнергетического оборудования в стране составляет в настоящее время 60-70 % (критическим считается износ з0 %);

- уменьшение газовых выбросов в атмосферу и отходов (зола, шлаки). Вызвано это полным окислением органической составляющей топлива и ее сгоранием. Так, в котельной Барышевского кирпичного завода Дорстройтреста ЗападноСибирской железной дороги, работающей на мазуте, провели обработку котлов методом термодинамической активации, после чего заметно изменился состав отходящих газов (табл. 2);

- улучшение качества вырабатываемого в котлах пара, горячей воды. Пар становится чище, суше, нейтральнее (рН = 7). Указанное обстоятельство, к примеру, положительно повлияло на качество кирпича, выпускаемого Барышевским кирпичным заводом, молока в цехе пастеризации совхоза Верх-Ирмень НСО.

Кроме того, анализ применения разработанной технологии борьбы с накипеобразованием и коррозией на объектах теплоснабжения показал, что во всех случаях, независимо от качества питательной воды, состава и толщины отложений, получен устойчивый положительный эффект при работе системы теплоснабжения как в горячем, так и в холодном режиме; удаление отложений при использовании состава СОТ-2000 происходит гораздо медленнее по сравнению с методами кислотной обработки котлов, а это имеет свои преимущества (нет опасности залпового выноса разрушенной накипи и закупорки отопительных элементов; отсутствует необходимость выключения системы отопления из работы). При этом не повреждаются стенки нагревательных элементов и труб, очищаются топки котлов, бойлеры, насосы и происходит полная стабилизация воды.

В Москве технология впервые внедрена на территории Восточного административного округа в производственно-отопительной котельной Московского локомотиворемонтного завода (МЛРЗ). Объектом испытаний стал котел ДКВР-10-1з-250 (заводской № 5858, регистрационный № 1313, выпу-

ииюиииш

= 26

Энергобезопасность и энергосбережение

Ц, рад

а Fe, мг/л

котла. Оставшийся местами налет рыжего цвета представлял собой рыхлую легко удаляемую струей воды пленку.

Таблица 2

Состав отходящих газов после обработки котлов методом термодинамической активации

Измеряемые параметры Предельно допустимые выбросы, г/с Дата замера пробы

06.09.98 10.08.99 18.07.00

Оксид углерода 1.0164 1.1215 0.8320 0.5225

Диоксид углерода 0.3127 0.3268 0.3091 0.2668

Сернистый ангидрид 1.8904 2.1821 1.8806 1.7171

КПД горения, % - 82.8 83.4 85.2

Рис. 2. Динамика цветности (а), содержания железа (б), углекислого газа (в), водородного показателя (г):

1 - период, предшествующий обработке;

2 - период промывки системы после обработки;

3 - период стабилизации показателей после промывки

щен в марте 1961 г., введен в эксплуатацию в 1963 г.). К началу испытаний котел вырабатывал пар для производственных нужд и горячего водоснабжения завода (топливо - природный газ). Обследование котла, проведенное перед началом испытаний, показало, что внутренняя поверхность стенок барабанов покрыта слоем накипи толщиной 0,2-0,3 мм; водоспускные трубы переднего, заднего и боковых экранов - 0,3-0,4 мм; трубы нагревателя воды - 2-3 мм, элементы котла в топке - 1-3 мм. В целях проверки эффективности указанной технологии 16.0703 без остановки парогенератора через баки подпитки в котловую воду введен состав СОТ-2000. В процессе испытаний дважды вскрывали котельное оборудование для его осмотра (август 2003 г. и июнь 2004 г.). Уже после первого вскрытия выявлена тенденция уменьшения и разрыхления накипи на металлических поверхностях системы циркуляции теплоносителя в котле (в пароводяной смеси). Последнее вскрытие показало практически полное исчезновение накипи на внутренней поверхности барабанов

С получением гигиенического сертификата на используемый состав стало возможным применение данной технологии для промывки систем питьевого водоснабжения, очистки скважин. В числе централизованных водопроводов, где внедрена описываемая технология, системы водоснабжения станции Эворон Дальневосточной и ПМС-20 Западно-Сибирской железных дорог.

В 2003 году была произведена очистка скважин и системы водоснабжения г. Болотное Новосибирской области. Население города составляет около 20 тысяч человек. Забор воды для нужд города осуществляется двумя скважинами, находящимися на расстоянии 9,8 км от города в долине р. Икса. Глубина скважин составляет 42-43 метра, обладают весьма значительной производительностью. Скважины оборудованы погружными насосами марки ЭЦВ 12-160-100. Из скважин вода по водоводам подается на площадку водопроводной насосной станции II подъема и сливается в два резервуара чистой воды, оборудованных подводящими, отводящими, переливными и грязевыми трубопроводами. В начале сети рядом с насосной станцией находится водонапорная башня, предназначенная для хранения запаса воды. Водоводы первого подъема от скважины выполнены в две линии из стальных труб диаметром 300 мм, длиной 9,5 км каждая. Общая протяженность водопроводных сетей около 76 км. Качество воды в системе городского водоснабжения соответствует показателям, установленным СанПиН 2.1.4.1175-02 «Питьевая вода», за исключением повышенного содержания соединений железа и марганца. При нормативе 0,3 мг/л содержание железа по данным ряда анализов за 19992003 годы, представленных ЦГСЭН Болотненского района, составляло:

- на водозаборе - 0,3-0,42 мг/л;

-на насосной станции II подъема - 0,422,99 мг/л;

- в водопроводных сетях - 0,34-1,32 мг/л.

Содержание марганца в системе водоснабжения

колебалось от 0,021 до 0,96 мг/л при нормативе 0,1 мг/л (по согласованию - до 0,5 мг/л). В процессе эксплуатации водопровода города наблюдалось сни-

б

жение пропускной способности водоводов и сетей, аварийности элементов системы, снижение дебита скважин. Обследование водопровода показало, что причиной этого является коррозия металлических поверхностей. Результаты обработки проявились не сразу, а постепенно.

Очистка системы трубопроводов обеспечила качественную очистку всех элементов от продуктов коррозии металла и придавала поверхности контакта с водой устойчивые антикоррозионные свойства как внутри, так и снаружи, что обусловило уменьшение гидравлического сопротивления.

Результаты проверки коррозионного воздействия СОТ-2000 и водопроводной воды на различные металлы, проведенной при 1 = 880 ± 20 оС в течение 168 часов, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Данные коррозионного воздействия на металлы, потеря массы

В течение месяца наблюдался кратковременный вынос из кранов у потребителей шлама (разрыхленных и отслоившихся отложений, продуктов коррозии труб). В течение следующего месяца качество воды стабилизировалось, при этом основные показатели качества (цветность. железо, марганец) превзошли прежний до обра-

ботки уровень, то есть качество воды улучшилось, что свидетельствует о прекращении коррозионных процессов в трубах.

Очистка внутренних поверхностей труб и арматуры от коррозионных отложений обусловила экономию энергозатрат. При этом отпала необходимость в механической или химической прочистке труб, в строительстве станции обезжелезивания. Благодаря выравниванию напоров в сети уменьшилась опасность возникновения аварийных ситуаций, улучшились условия работы прокачивающих воду насосов. По всем показателям улучшилось качество подаваемой потребителям воды, исчез неприятный запах. Очистились теплосети, котельное оборудование и трубопроводы систем канализации. Улучшилось качество горячей воды.

Произведена очистка от коррозии, отложений скважин, водонапорных башен, насосных, трубопроводов, систем водоснабжения санатория-профилактория ОАО «Ирмень»; котельной ЖКХ г. Красноозерск НСО; с. Карасаево Болотнинского района НСО; Барышевского кирпичного завода, НСО; п. Верх-Тула, НСО; пос. Н. К. Крупской НСО; 8 Марта НСО; цеха бортпитания ЗАО «Капитан» аэропорта Толмачево, ФГУП «Аэропорт Южно-Сахалинск», базы отдыха «Пурга», детского санатория п. Таграй Кемеровской области, разъезда Матвеевский ОАО «РЖД», больницы п. Залари Иркутской области, с. Смоляновка и с. Могильно-Посельская Омской области; дома-интерната с. Завьялово НСО; п. Чесноковка, г. Новоалтайск, г. Куйбышев НСО.

Эффективность применения технологии отмечена специалистами управления охраны труда и промышленной безопасности ОАО «РЖД», Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Министерства транспорта РФ, Ростехнадзора, ЗАО «Сибтепломонтаж», ОАО «Дальневосточная генерирующая компания», территориальным управлением Госстроя РФ в Сибирском федеральном округе. По общему мнению, технологию необходимо внедрять в системы водо- и теплоснабжения предприятий промышленности, транспорта, ЖКХ, сельского хозяйства, теплоэнергетики.

Металлы Нормы и требования Ингибитор коррозии + водопроводная вода Средство очистки труб СОТ-2000 + водопроводная вода

Медь 0,1 0,8 0,0

Мягкий припой 0,2 2,3 0,0

Бронза - 1,2 -

Сталь 0,1 0,0 0,0

Чугун 0,1 0,2 0,0

Алюминий 0,1 2,0 0,0

Латунь 0,1 - 0,0

таитаииииИ