Aplikace vodního kamene a inhibitorů koroze v topných systémech | Archiv COK | 2003 | №9

První zkušenosti s používáním inhibitorů vodního kamene v tepelné technice se datují do poloviny 1970. let, kdy specialisté z Moskevského energetického institutu pod vedením profesora T.Kh. Margulová úspěšně použila kyselinu oxyethylidenfosfonovou (OEDP) k prevenci tvorby vodního kamene a čištění chladicích systémů elektráren.

úvod Následoval vývoj v používání OEDF pro udržování vodochemického režimu bez vodního kamene v různých systémech tepelné techniky, včetně systémů vytápění. OEDF patří do široké třídy organických sloučenin nazývaných komplexony, proto se navrhovaný vodně-chemický režim nazývá komplexony. Práce na použití komplexonů v topných systémech měly různý úspěch. V některých případech vedlo zavedení OEDF do vody topných systémů k ucpání topných sítí úlomky vodního kamene, zrychlené korozi topných zařízení a poruchám kotlů a topných sítí. Hlavními důvody neúspěchů při používání komplexonů byl nedostatek potřebných pracovních zkušeností a teoretického porozumění působení komplexonů a v některých případech i nedbalý přístup operátorů. V důsledku toho se mezi profesionálními topenáři vyvinul skeptický postoj k použití těchto přípravků v topných systémech. Za uplynulé období bylo dosaženo významného pokroku jak v oblasti chemie organofosforových komplexonů, tak v oblasti výroby a aplikace v tepelné technice inhibitorů okují a koroze na nich založených. Komplexony v čisté formě se v současné době pro úpravu vody prakticky nepoužívají. Je pravda, že stále lze nalézt návrhy na použití komplexonů, zejména OEDF, pro předstartovní a mezisezónní čištění topných systémů. Při výskytu výrazných (nad 10 kg/m2) usazenin vodního kamene a produktů koroze je však mnohem vhodnější použít k jejich odstranění kyselinu chlorovodíkovou s povinným přídavkem inhibitoru SNPH. Střední množství usazenin uhličitanu a oxidu železa lze odstranit v provozním režimu pomocí moderních inhibitorů vodního kamene a koroze na bázi komplexonů. Zatímco komplexony používané jako výchozí materiály pro získávání inhibitorů jsou poměrně silné kyseliny, naprostá většina moderních inhibitorů na nich založených má neutrální nebo mírně alkalickou reakci. Tím se zabrání případné zvýšené korozi topných zařízení v důsledku poklesu pH vodného prostředí. Představu o řadě moderních inhibitorů vodního kamene a koroze určených pro použití v topenářské technice dává ~1~. Je vidět, že ačkoliv rozmanitost značek často klame laiky v oboru chemie, všechny tyto přípravky jsou založeny na malém množství chemických látek. Jak je patrné z ~1~, moderní inhibitory, na rozdíl od dříve používaných komplexonů, chrání tepelná zařízení nejen před usazeninami minerálních solí (okují), ale i před korozí. Nejúčinnější ochranu poskytují kompozitní inhibitory, které kromě solí organických fosfonových kyselin nebo jejich komplexů obsahují přísady zvyšující stupeň ochrany před usazováním solí a korozí a také pomáhají čistit topné systémy od starých usazenin vodního kamene a korozních produktů. Mechanismus účinku inhibitorů Při ohřevu vody během provozu topného systému dochází k tepelnému rozkladu hydrokarbonátových iontů v ní přítomných za vzniku uhličitanových iontů. Uhličitanové ionty, které interagují s nadbytečnými ionty vápníku, tvoří jádra krystalů uhličitanu vápenatého. Na povrchu embryí se ukládají nové uhličitanové ionty a vápenaté ionty, což má za následek tvorbu krystalů uhličitanu vápenatého, které často obsahují uhličitan hořečnatý ve formě substitučního pevného roztoku. Tyto krystaly se usazují na stěnách topného zařízení a rostou společně a tvoří vodní kámen (~2~, a). Hlavní složkou, která zajišťuje aktivitu proti vodnímu kameni všech uvažovaných inhibitorů, jsou organofosfonáty – soli organických fosfonových kyselin. Když se organofosfonáty zavedou do vody obsahující ionty vápníku, hořčíku a dalších kovů, tvoří velmi silné chemické sloučeniny – komplexy. (Mnoho moderních inhibitorů již obsahuje organofosfonáty ve formě komplexů s přechodnými kovy, zejména zinkem.) Vzhledem k tomu, že jeden litr přírodní nebo průmyslové vody obsahuje 10–20 iontů vápníku a hořčíku a organofosfonáty jsou zaváděny v množství pouze 10–21 molekul na litr vody, všechny organofosfonátové molekuly tvoří takové komplexy kovů jako komplexy ve vodě a komplexy s kovy nejsou přítomny. Organofosfonátové komplexy se adsorbují (vysrážejí) na povrchu krystalových jader uhličitanu vápenatého, čímž zabraňují další krystalizaci uhličitanu vápenatého. Když se tedy do vody přidá 1–10 g/m3 organofosfonátů, vodní kámen se netvoří ani při ohřevu velmi tvrdé vody (~2~, b). Organofosfonátové komplexy jsou schopné adsorbovat se nejen na povrchu krystalových jader, ale také na kovových površích. Vzniklý tenký film znesnadňuje přístup kyslíku na povrch kovu, v důsledku čehož klesá rychlost koroze kovu. Nejúčinnější ochranu kovu před korozí však poskytují inhibitory na bázi komplexů organických fosfonových kyselin se zinkem a některými dalšími kovy, které vyvinul a zavedl do praxe profesor Yu.I. Kuzněcov. V povrchové vrstvě kovu jsou tyto sloučeniny schopné rozkladu za vzniku nerozpustných sloučenin hydroxidu zinečnatého a také komplexů složité struktury, na kterých se podílí mnoho atomů zinku a železa. V důsledku toho se vytvoří tenký, hustý film, který je pevně spojen s kovem a chrání kov před korozí. Stupeň ochrany kovu před korozí při použití takových inhibitorů může dosáhnout 98%. Moderní přípravky na bázi organofosfonátů nejen inhibují usazování solí a korozi, ale také postupně ničí staré usazeniny vodního kamene a korozní produkty. To se vysvětluje tvorbou povrchových adsorpčních vrstev organofosfonátů v pórech šupin, jejichž struktura a vlastnosti (např. koeficient tepelné roztažnosti) se liší od struktury krystalů šupin. Kolísání a gradienty teplot, ke kterým dochází při provozu topného systému, vedou k zaklínění krystalických usazenin vodního kamene. V důsledku toho se vodní kámen zničí a změní se na jemnou suspenzi, kterou lze snadno odstranit ze systému. *. Kal by měl být vypouštěn v závislosti na množství sedimentu 1–2x denně rychlostí napouštění systému čistou vodou upravenou inhibitorem v množství 0,25–1 % objemu vody systému za hodinu. Je třeba poznamenat, že když se koncentrace inhibitoru zvýší nad 10–20 g/m3, vodní kámen se zničí a vytvoří velmi hrubé suspenze, které mohou ucpat úzká hrdla topného systému. Proto předávkování inhibitorem v tomto případě hrozí ucpáním systému. Nejúčinnějšího a nejbezpečnějšího čištění topných systémů od starých usazenin vodního kamene a korozních produktů je dosaženo použitím přípravků obsahujících povrchově aktivní látky, např. složení „KKF“. Dávkování inhibitorů Efektivní a bezpečné použití inhibitorů vodního kamene a koroze v topných systémech je možné pouze při správném dávkování těchto přípravků. Základní schéma otopné soustavy s úpravou vody inhibitorem je znázorněno v ~3~, ze kterého je patrné, že dávkovací zařízení inhibitoru (výdejník) je zpravidla instalováno v doplňovacím potrubí otopné soustavy za dávkovačem před doplňovacím čerpadlem. Dávkovač musí zajistit udržování konstantní koncentrace inhibitoru v topném systému s danou přesností. Je třeba mít na paměti, že přílišná přesnost dávkování s sebou nese dodatečné náklady v důsledku vyšších nákladů na dávkovač a nepřispívá k úspěšnému použití inhibitoru. To je vysvětleno skutečností, že dávky inhibitorů potřebné pro jejich efektivní použití jsou v současnosti známy pouze přibližně. Přesnost moderních vědecky podložených údajů o požadovaných koncentracích inhibitorů je ±25 %. Proto je použití dávkovačů s vyšší přesností jednoduše zbytečné.
Podle principu činnosti se dávkovače rozdělují do dvou hlavních skupin: vstřikovací, u kterých se k napájení inhibitoru používá čerpadlo poháněné externím zdrojem energie; a ejekční, které využívají energii proudu napájecí vody. Různé typy dávkovačů mají své výhody a nevýhody. Vstřikovací dávkovač se skládá z následujících částí: nádrž inhibitoru, dávkovací čerpadlo, snímače průtoku vody a inhibitoru a řídicí systém čerpadla. Srdcem vstřikovacího dávkovače je dávkovací čerpadlo, respektive elektrická čerpací jednotka – čerpadlo s elektrickým pohonem. V současné době mnoho společností dodávajících na ruský trh dávkovací čerpadla zahraniční výroby používá metody nekalé soutěže: dodávkami čerpadel od neznámých výrobců nebo asijských padělků slavných značek za dumpingové ceny si takoví dodavatelé zajišťují svou ziskovost následnými opravárenskými službami a prodejem náhradních dílů. Mnoho dodavatelů navíc prodává čerpadla bez nádrží, ovládacích prvků a dalších potřebných dílů. Nejlepší konstrukce injekčních dávkovačů používají domácí dávkovací čerpadla typu ND, vyráběná podniky Talnakh (město Talnakh). Tula) a Technolog-Gidromash (město Saratov). Plně vybavené vstřikovací dávkovače založené na takových čerpadlech vyrábí společnost “Ekoenergo” (město Rostov na Donu). Samotný princip činnosti injekčních dávkovačů využívajících energii z vnějšího zdroje (zpravidla elektrické sítě) předurčuje jejich hlavní a na ruské poměry velmi významný nedostatek – závislost na dodávce energie. Další významnou nevýhodou dávkovačů tohoto typu je nutnost kvalifikovaného seřizování a údržby. K tomu musíte mít buď vlastního odborného seřizovače, nebo uzavřít servisní smlouvu se specializovanou organizací. Vstřikovací dávkovače se proto používají především v elektrárnách nebo velkých komunálních kotelnách. Ejektorové dávkovače mají oproti injekčním dávkovačům řadu výhod: poskytují potřebnou přesnost dávkování inhibitoru, jsou energeticky nezávislé, jednoduché, spolehlivé v provozu a nevyžadují častou údržbu. Plně vybavené ejektorové dávkovače vyrábí podnik Technopark Udmurtia (Udmurtia). Iževsk). Dávkovač Izh-25 (~4~) se vyrábí pro úpravu vody používané k napájení parních kotlů a otevřených vodních systémů inhibitory a dávkovač Impuls-2 (~5~) se vyrábí pro úpravu doplňovací vody v uzavřených systémech, zejména topných systémech. Oba tyto dávkovače obsahují zásobník inhibitoru, ejektorové zařízení a prostředky pro vložení dávkovače do přívodního potrubí, přičemž všechny dávkovače jsou vyrobeny z nerezové oceli pro domácnost. Výdejní stojany jsou kompaktní a nevyžadují napájení ani kvalifikované seřizování. Veškerá technická údržba výdejních stojanů Izh-25 a Impuls-2 spočívá v pravidelném (v intervalech od několika dnů do měsíce) plnění nádrže roztokem inhibitoru. Důležitou podmínkou úspěšného použití inhibitorů vodního kamene a koroze v topných systémech je analytická kontrola složení doplňovací a síťové vody. Doplňovací a síťová voda podléhá sledování podle následujících parametrů: tvrdost, alkalita, pH, obsah železa. Tyto ukazatele jsou sledovány pomocí dobře známých metod. Kromě toho je monitorován obsah inhibitoru v síťové vodě. Obsah inhibitoru lze určit pomocí metody vyvinuté společností Travers (město Moskva), za použití sady chemických činidel vyrobených stejnou společností. Kritériem proti vodnímu kameni a antikorozní stálosti vody je shoda tvrdosti, alkality a obsahu železa v přídavné a síťové vodě s přesností ±10 %. Nashromážděné zkušenosti s používáním inhibitorů vodního kamene a koroze ukazují, že moderní inhibitory poskytují nejúčinnější ochranu topných systémů před tvorbou vodního kamene a korozí ve srovnání s jinými metodami úpravy vody.
*V souladu s SNiP 2.04.07–86 „Tepelné sítě“ musí být tepelné sítě vybaveny sběrači bahna (bod 7.21), indikátory koroze (bod 7.37) a měřicími zařízeními (bod 11.2). Bohužel ne všechny stávající topné sítě tyto požadavky splňují. Proto je při zavádění úpravy vody inhibitory usazování solí a koroze nutné uvést topné sítě do souladu s požadavky SNiP.
O autorech článku: Chausov Fedor Fedorovich – inženýr, vedoucí laboratoře “Technologie úspory energie a zdrojů” katedry fyziky Udmurtské státní univerzity. Raevskaya Galina Anatolyevna je chemička, přední inženýrka laboratoře „Technologie pro úsporu energie a zdrojů“ na katedře fyziky Státní univerzity v Udmurtu. Pletnev Michail Andreevich – kandidát chemických věd, docent, prorektor pro inovační aktivity na Udmurt State University.
Doporučená literatura 1. Chausov F. F., Raevskaya G. A. Komplexní vodně-chemický režim nízkoparametrových tepelných energetických systémů / Edited by M. A. Pletnev and S. M. Reshetnikov. 2. vydání. Moskva-Iževsk: Pravidelná a chaotická dynamika, 2003. 2. Balaban-Irmenin Yu V., Lipovskikh V. M., Rubashov A. M. Ochrana proti vnitřní korozi potrubí vodovodní sítě. M.: Energoatomizdat, 1999.