Утворення накипів і вимоги до живильної води

Утворення накипу. Разом з живильною водою в котли поступають різні мінеральні домішки, зокрема сполуки кальцію і магнію, оксиди заліза, алюмінію, мідь і ін. Усі домішки, які знаходяться у воді, діляться на важко- і легкорозчинні. До важкорозчинних домішок належать солі і гідрооксиди Са і Mg, а також оксиди конструкційних матеріалів. Розчинність кальцієвих і магнієвих сполук показана на рис. 1. В живильній воді, а значить і в котельній воді можуть бути присутніми катіони Са²⁺, Mg²⁺ і аніони , , і т.п.

Рис. 1. Розчинність кальцієвих і магнієвих сполук у воді

Рис. 2. Розчинність легкорозчинних сполук у воді

Основні накипоутворювачі мають негативний температурний коефіцієнт розчинності (тобто при підвищені температури їх розчинність зменшується) і при високих температурах їх розчинність є на п'ять порядків меншою від розчинності легкорозчинних речовин.

Характеристика легкорозчинних сполук у воді показана на рис. 2. Температурні коефіцієнти розчинності деяких з них при температурах води більше 200 °С негативні. За нормальних умов роботи котла концентрація NaOH, Na₂SO₄, NaPO₄ на багато разів нижча за допустиму концентрацію їх в котельній воді.

Накопичуючись в котлі по міру випаровування води, ці домішки після досягнення стану насичення починають з неї випадати. Спочатку стан насичення досягається для солей Са(HCO₃)₂, Мg(НCO₃)₂, СаCO₂, МgCO₂ і вони починають випадати з води у вигляді кристалів. Центрами кристалізації служать нерівності на поверхнях нагріву, а також зважені і колоїдні частинки, які знаходяться у воді котла. Речовини, які кристалізуються на поверхні нагріву, утворюють щільні і міцні відкладення - накип. Речовини, які кристалізуються в об'ємі води, утворюють зважені частинки - шлам. Утворення накипу на поверхнях нагріву пояснюється процесами взаємодії між протилежно зарядженими частинками накипоутворувачів і металевою стінкою. Виділення твердої фази на поверхні може відбуватися також в процесі пароутворення, до того як буде досягнута точка перенасичення накипоутворювачів в об'ємі води внаслідок випаровування воду на поверхні нагріву. Утворений первинний накип є основою для відкладення вторинних видів накипу - прикипілого шламу, відкладень продуктів корозії металу.

Найбільш поширеним є кальцієвий і магнієвий первинний накип в складі якого переважають CaSO₄, CaSiO₃, 5CaO, 5SiO₂∙H₂O, CaCO₂, Mg(OH)₂. Накип, як правило, має низьку теплопровідність, яка складає 0,1-0,2 Вт/(м∙К). Тому навіть малий шар накипу приводить до різкого погіршення умов охолодження металу поверхонь нагріву і внаслідок цього до підвищення його температури. При цьому для поверхонь нагріву, які розташовані в області високих температур (екрани, фестони, перші ряди труб конвективного пучка), температура металу може перевищити граничну за умовами міцності, після чого починається утворення отдулін (дефекти жарових труб, які викликані розм’якшенням металу, що приводить до роздування стінок), що приводить до стоншення стінки труби. Далі появляються свищ – отвір в трубі, через який з великою швидкістю витікає вода і котел доводиться зупиняти. Наявність накипу неприйнятна і в поверхнях нагріву, які розташовані в зоні нижчих температур, оскільки призводить до зниження ККД котла в результаті зменшення коефіцієнта теплопередачі і пов'язаного з цим підвищення температури відхідних газів.

На відміну від сполук Са і Mg, які утворюють накип, силікат магнію MgSiO₃ і деякі інші його сполуки в барабанних котлах утворюють шлам.

Концентрація солей натрію у воді випарної поверхні нагріву завжди нижча за їх точку насичення. Проте і ці солі можуть відкладатися на поверхнях нагріву в тих випадках, коли краплини води, які знаходяться в парі і потрапляють на поверхню нагріву повністю випаровуються, що має місце в прямоточних котлах.

Сполуки заліза, алюмінію і мідь, які знаходиться у воді у вигляді розчинених колоїдних і ультратонких суспензій, також можуть відкладатися на поверхнях нагріву і входити до складу накипу. Потрапляючи в турбіну, вони утворюють щільні відкладення. Залізо- і алюмосилікатні частинки накипу утворюються при попаданні частинок суспензії цих сполук на поверхні нагріву з високою температурою де вступаючи в реакцію з іншими речовинами утворюють складні нерозчинні у воді сполуки. Накипи з оксидів заліза і міді утворюються в зонах високих місцевих теплових навантажень поверхонь нагріву q>150∙10³ Вт/м², найчастіше в трубах екранів.

В котлах високого тиску шкідливий вплив на надійність його роботи і на якість пари має вміст у воді сполук кремнієвої кислоти Н₂SiO₃, винесення яких паром пропорційний вмісту SiO₃ у воді (рис. 3). При тиску в котлі більше 7 МПа кремнієва кислота набуває здатності розчинятися в парі, причому з підвищенням тиску ця здатність різко зростає. Поступаючи разом з парою в пароперегрівач, Н₂SiO₃ розкладається з виділенням Н₂О. В результаті в парі з'являється SiO₂. Потрапляючи в турбіну разом з парою, SiO₂ утворює на її лопатках нерозчинні сполуки, які приводять до погіршення економічності і надійності роботи турбіни і необхідності її зупинки для видалення відкладень. Також впливає на роботу поверхонь нагріву вміст в живильній воді мінеральних масел і важких нафтопродуктів, які можуть поступати разом з конденсатом від виробничих споживачів. Відкладення малотеплопровідної плівки масла або нафтопродуктів погіршує умови охолодження поверхонь нагріву і має такий же вплив, як і накип.

На режим роботи котла шкідливий вплив має також підвищена лужність води; збільшена лужність може привести до спінювання води в барабані і в крайньому випадку - до заповнення спіненою водою усього парового об'єму барабана. Спінюванню води сприяє вміст в ній органічних сполук і аміаку. В цих умовах пристрої сепарації не забезпечують відділення крапель води від пари і вода з барабана, яка містить різні домішки, може поступати в пароперегрівач і потім в турбіну, що створює небезпеку їх забруднення і порушення нормальних умов роботи. Підвищена лужність може з'явитися причиною появи лужної корозії металу, а також виникнення тріщин в місцях вальцювання труб в колектори і барабан.

Рис. 3. Концентрація SiO₂ в парі залежно від його вмісту у воді при тиску в барабані котла

1 – 11,0; 2 – 11,7; 3 – 14,0; 4 – 15,0; 5 – 18,0 МПа

Розчинені в живильній воді агресивні гази О₂ і СО₂ викликають різні форми корозії металу елементів водопарового тракту, внаслідок чого зменшується їх механічна міцність. Знижена лужність води прискорює корозію і тому повинна підтримуватися в живильній воді на певному рівні. В котлах низького тиску необхідне значення рН підтримується введенням в живильну воду соди, а в барабанних котлах високого тиску - фосфатів або аміаку.

В зв'язку з вказаними шкідливими впливами на роботу котла різних домішок у воді їх граничний допустимий вміст в живильній воді нормується.

Показниками якості живильної води котлів є:

солевміст - сумарна концентрація у воді катіонів і аніонів, яка визначається по загальному іонному складу, мг/кг;

твердість води - загальна сумарна концентрація іонів кальцію і магнію, мкг∙екв/кг;

;

лужність води загальна Л_з - сума еквівалентних концентрацій в розчині аніонів слабких кислот і іону гідроксиду (крім іонів водню), мг∙екв/кг;

кремневміст - загальна концентрація у воді кремнієвовмісних сполук виражена в перерахунку на SiO₂;

вміст сполук заліза і міді, мкг/кг;

показник концентрації водневих іонів (рН), який характеризує реакцію води (кисла, лужна, нейтральна);

вміст розчинених у воді газів (О₂, СО₂).

На основі теплохімічних випробувань котлів і тривалого досвіду їх експлуатації встановлені норми якості живильної води котлів, приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Граничні норми якості живильної води барабанних котлів

Показник	Тиск, МПа
до 4	4-10	вище 10
Загальна твердість, мкг∙екв/кг
Вміст кремнію в перерахунку на SiO₂, мкг/кг	-
Вміст O₂, мкг/кг
Вміст сполук заліза, мкг/кг
Вміст сполук міді, мкг/кг
рН при 25ºС	9,1±0,1
Вільний СО₂	Відсутній

В нормах для котлів з природною циркуляцією вказаний допустимий вміст різних домішок у воді залежно від тиску. Наприклад, при тиску менше 4 МПа загальна твердість води має бути менше 5 мкг∙екв/кг, а кисню менше 20 мкг/кг. Вміст кремнієвої кислоти не нормується. При тиску 10 МПа загальна твердість води менше 3 мкг/кг, кисню менше 20 мкг/кг і кремнієвої кислоти менше 80 мкг/кг. Якість живильної води для прямоточних котлів має задовольняти жорсткішим вимогам. Наприклад, загальна твердість менше 0,2-0,3 мкг∙екв/кг, вміст кремнієвої кислоти менше 30 мкг/кг; жорстко обмежується вміст кисню в живильній воді прямоточних котлів, сполук натрію, заліза, мідь і т.п.