Механизм антинакипного действия и практика использования электрохимического способа водоподготовки

Е. Казимиров, к. х. н., О. Казимиров, к. т. н.

 Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Согласно нормативным документам задача обеспечения работы оборудования и теплопроводов энергетических объектов в режиме отсутствия накипеобразования и коррозии однозначно ориентирована на реализацию традиционного способа водоподготовки, включающего фильтрацию воды на ионообменных фильтрах и деаэрацию.

Традиционный способ водоподготовки имеет высокие капитальные и эксплуатационные затраты, поэтому в условиях крайнего дефицита средств у муниципальных  и энергетических  служб поиск более экономичных способов водоподготовки весьма актуален.

В настоящее время в технической литературе опубликовано много сообщений о разработке и использовании новых, альтернативных традиционному, способов водоподготовки.

Большинство предлагаемых методов основано на физико-химическом воздействии на среду (электрические и магнитные поля, ультразвуковые и акустические волны, электрохимические реакции), вследствие чего создаются условия кристаллизации накипеобразующих солей в объеме, а не на теплопередающих поверхностях. 

Указанные выше способы объединяет наличие стадии создания в системе (за счет физико-химического воздействия) центров пресыщения (кристаллизации) и образования   множества микрокристалликов  накипеобразующего вещества  в объеме раствора.

Размер частиц микрокристалликов находится в интервале от 10^-7 до 10^{-4 см}. На этой стадии прозрачную сетевую воду, содержащую микрокристаллики накипи, можно характеризовать как высокодисперсный коллоидный раствор.

Частицы высокодисперсных коллоидных растворов проходят через обычные фильтры,  практически не оседают и не видимы в оптический микроскоп.  

На второй стадии (после образования микрочастиц накипеобразующих солей в объеме)  идет укрупнение кристаллов  и  образование суспензии. Эта стадия  растянута во времени от десяти минут до нескольких часов.

При реализации электрохимического способа водоподготовки совмещаются обе стадии. За счет прикатодной электрохимической реакции образуются монокристаллы карбоната кальция, которые служат центрами роста кристаллов накипеобразующих солей  в объеме  раствора.       

В водных растворах на базе монокристаллов карбоната кальция в присутствии  ионов кальция (Са²⁺) и углекислотных  анионов (СО^-2₃) образуется агрегат мицеллы вида:  [(mCa CO₃) ∙ nCa²⁺∙ - x CO₃^-2]+, являющейся мельчайшим кристалликом и имеющей положительный заряд. Электрохимические свойства заряженной частицы характеризуются  дзета-потенциалом, который имеет величину (для карбоната кальция) порядка +3 мВ.

Учитывая наличие второй стадии и динамику образования суспензий (размер частиц 10^-4–10^{-2 см и более), электрохимический антинакипной аппарат  устанавливается непосредственно на сетевом трубопроводе, за счет чего осуществляется  электрофильтрация оборотной воды.}

При реализации электрохимического способа водоподготовки на энергетических объектах используется аппарат типа АЭ-А-Т (рис. 1), основными элементами которого являются недеформируемая стальная пластина (катод) и прямоугольный параллелепипед из токопроводящего графитированного материала (анод).

При движении через аппарат с определенной удельной скоростью относительно электродной площади сетевая вода последовательно проходит, меняя направление движения, три секции: зону входа, межэлектродное пространство и зону выхода. Расстояние между анодной и катодной пластинами имеет фиксированную величину. Плотность тока между электродами поддерживается в заданном интервале путем использования блока питания.

Аппарат электрохимической обработки воды обычно устанавливают на обратном сетевом трубопроводе – до сетевых насосов и после врезки трубопровода подпиточной воды (рис. 2).  

Байпасное подсоединение аппарата к сети позволяет производить периодическую выгрузку уловленных солей жесткости (2–3 раза за отопительный сезон) без остановки работы котельной. В целом весь процесс чистки занимает 2–3 ч.

При условии поддержания на электродах определенной плотности тока в межэлектродном пространстве основными химическими и электрохимическими реакциями являются:

♦ на аноде:

     4ОН^- - 4е ® 2Н₂О + О₂                                                                                                           (1)

                 (щелочная среда);

     2Н₂О - 4е ® О₂ + 4Н⁺                                                                                                          (2)

    (нейтральная или кислая среда);

♦ в прианодной зоне (для графитированного анода):

     С + О₂ → СО_2;                                                                                                                        (3)

♦ на катоде:

     О₂ + 4Н⁺ + 4ё → 2Н₂О

      (кислая среда, рН > 4);                                                                                                 (4)

     2Н⁺ + 2ё → Н₂

             (при рН < 4);                                                                                                          (5)

     2Н₂О + 4О₂ + 4ё → 4ОН^-

             (нейтральная или щелочная среда);                                                                    (6)

♦ в прикатодной зоне:

     Са²⁺ + НСО₃^- + ОН^- → СаСО₃↓ + Н₂О;                                                                       (7)

     Мg²⁺ + 2ОН^- → Мg(ОН)₂↓ ;                                                                                          (8)

     Fe²⁺  + 2ОН^- → Fe(ОН)₂↓;                                                                                             (9)

♦ в межэлектродном пространстве:

     Са(НСО₃)₂ → СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂;                                                                           (10)

     СО₂ +2Н₂О → Н₂СО₃;                                                                                                   (11)

      Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-;                                                                                                 (12)

      НСО₃^- → Н⁺ + СО₃^2-;                                                                                                    (13)     

      Са²⁺ + СО₃^2- → СаСО₃↓;                                                                                              (14)

      4 Fe(ОН)₂ + О₂ + Н₂О → 4 Fe(ОН)₃.                                                                           (15)

    За счет электрохимической реакции в прикатодной зоне аппарата образуется высокощелочная среда (рН 10–11), в которой при наличии бикарбонатов кальция  [Са(НСО₃)₂]  по реакции (7) образуются монокристаллы карбоната кальция, способные выступать в роли центров кристаллизации в объеме.  

Таким образом, электрохимический аппарат, установленный на обратном сетевом трубопроводе выполняет одновременно две важные функции: одна заключается в улавливании путем электрофильтрации сформировавшихся в объеме положительно заряженных частиц геля и суспензии; вторая – в генерации в ту же систему монокристаллов карбоната кальция, служащих центром образования гелей и суспензии в рабочих объемах теплоагрегатов и теплосети, что препятствует образованию накипи на теплопередающих поверхностях.  

Индикаторным показателем, позволяющим предсказать расчетным путем накипеобразующую и коррозионную активность воды, является индекс насыщения (I_н). Для энергетического объекта значение I_н <  0,3 – вода коррозионно активна, при 0 <  I_н  < 0,5 – величина накипеобразования не превышает нормативных показателей (0,03–0,1  г/м² ∙ ч), а при   I_н > 0,5 – вода обладает повышенной накипеобразующей способностью.

В табл. приведены усредненные показатели подпиточной и сетевой воды, которые характеризуют накипеобразующую и коррозионную активность. Приводимые в таблице объекты разбиты на три блока по показателю индекса насыщения подпиточной воды, рассчитанного для температуры 60^оС (I_н⁶⁰):

     I – 0,3 < I_н  < 1 (подпиточная вода накипеобразующая);

     II – I_н > 1 (подпиточная вода высокой накипеобразующей способности);

III – I_н < 0,3 (вода коррозионно-активная).

 

Таблица. Усредненные показатели подпиточной и сетевой воды при наличии в тепловой сети электрохимического аппарата водоподготовки
№ п/п	Объект	Показатели подпиточной воды					Показатели сетевой воды при наличии в сетевом контуре аппарата типа АЭ-А-Т
		рН	Жо, мг-экв/дм3	Iн60	S SO42-+Cl-, мг/дм3	Fe, мг/дм3	рН	Iн60	Fe, мг/дм3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I.     0,3 < Iн60  < 1
1.1	Макшан (П)	7,0	6,10	0,34	< 50	0,0-0,12	7,2	0,28	0,0-0,2
1.2	Мелехово (В)	7,2	5,15

вернуться назад