Деаэраторы: остаточное содержание O2 и CO2 для защиты от коррозии
Содержание статьи
- Роль деаэраторов в защите от коррозии
- Нормы остаточного содержания кислорода
- Требования к содержанию углекислого газа
- Типы деаэраторов и их эффективность
- Принципы работы деаэрационных установок
- Методы контроля качества деаэрированной воды
- Химические методы дополнительной защиты
- Практические примеры и расчеты
- Часто задаваемые вопросы
Роль деаэраторов в защите от коррозии
Деаэраторы представляют собой специализированные технические устройства, предназначенные для удаления из воды растворенных коррозионно-активных газов, прежде всего кислорода и углекислого газа. Эти газы являются основными виновниками коррозионных процессов в котельном оборудовании, трубопроводах и системах теплоснабжения.
Растворенный в воде кислород вызывает электрохимическую коррозию металлических поверхностей, особенно при повышенных температурах. Углекислый газ усиливает коррозионные процессы, снижая pH воды и создавая агрессивную среду. Совместное воздействие этих газов может приводить к серьезным повреждениям оборудования.
Пример коррозионного воздействия
В неочищенной подпиточной воде содержится 8-10 мг/л кислорода. Без деаэрации на каждый 1 м³ такой воды приходится 10-15 г железа, преобразованного в результате коррозии. Это означает, что за год работы системы без деаэрации потери металла могут составить десятки килограммов.
| Тип коррозии | Основной агент | Скорость процесса | Температурная зависимость |
|---|---|---|---|
| Кислородная | O₂ | Высокая | Увеличивается с ростом температуры |
| Углекислотная | CO₂ | Средняя | Слабо зависит от температуры |
| Комбинированная | O₂ + CO₂ | Очень высокая | Резко возрастает при нагреве |
Нормы остаточного содержания кислорода
Согласно действующим стандартам ГОСТ 16860-88 и техническим требованиям для различных типов котельных установок, установлены четкие нормы остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде. Эти нормы зависят от типа котла, рабочего давления и назначения системы.
| Тип котельной установки | Рабочее давление | Остаточный O₂, мкг/кг | Метод контроля |
|---|---|---|---|
| Паровые котлы высокого давления | >4 МПа | ≤10 | Колориметрический |
| Паровые котлы среднего давления | 1,4-4 МПа | ≤20 | Йодометрический |
| Водогрейные котлы | <1,4 МПа | ≤100 | Йодометрический |
| Системы теплоснабжения | Любое | ≤50 | Экспресс-анализ |
| Промышленные котельные | Переменное | ≤20 | Комбинированный |
Расчет эффективности деаэрации
Формула расчета степени деаэрации:
η = ((C₀ - C₁) / C₀) × 100%
где:
- η - степень деаэрации, %
- C₀ - начальная концентрация кислорода в воде, мкг/кг
- C₁ - остаточная концентрация кислорода после деаэратора, мкг/кг
Пример: При C₀ = 10000 мкг/кг и C₁ = 50 мкг/кг
η = ((10000 - 50) / 10000) × 100% = 99,5%
Требования к содержанию углекислого газа
Углекислый газ в питательной и котловой воде должен практически отсутствовать. Свободная углекислота особенно опасна для медных сплавов, используемых в конденсатно-питательном тракте. При концентрации CO₂ свыше 8 мг/дм³ значительно возрастает риск коррозии латунных и медных компонентов системы.
| Форма углекислого газа | Допустимая концентрация | Влияние на систему | Метод удаления |
|---|---|---|---|
| Свободная CO₂ | Отсутствие | Прямая коррозия | Термическая деаэрация |
| Полусвязанная CO₂ | Минимум | pH снижение | Щелочная обработка |
| Связанная CO₂ | По расчету | Накипеобразование | Ионообменная очистка |
Современные деаэраторы способны удалять не только свободную углекислоту, но и частично полусвязанную, что достигается за счет термического разложения бикарбонатов при высоких температурах. Этот процесс особенно эффективен в деаэраторах барботажного типа.
Практический пример влияния CO₂
В системе с содержанием свободной углекислоты 12 мг/дм³ скорость коррозии медных труб теплообменника увеличивается в 3-4 раза по сравнению с системой, где CO₂ отсутствует. Замена таких теплообменников может потребоваться уже через 2-3 года вместо планируемых 10-15 лет.
Типы деаэраторов и их эффективность
Современные деаэрационные установки классифицируются по принципу работы и условиям эксплуатации. Каждый тип имеет свои преимущества и области применения, определяемые требуемой степенью очистки и технологическими условиями.
Термические деаэраторы
Работают при температуре насыщения, используя принцип снижения растворимости газов при нагреве. Различают атмосферные (давление 0,12 МПа) и деаэраторы повышенного давления (0,6-0,7 МПа).
Вакуумные деаэраторы
Применяются для систем теплоснабжения с водогрейными котлами. Работают при пониженном давлении, что позволяет достичь кипения воды при относительно низких температурах 40-90°C.
| Тип деаэратора | Остаточный O₂, мкг/кг | Расход пара на деаэрацию | Область применения |
|---|---|---|---|
| Термический атмосферный | 20-50 | 1-2 кг/т воды | Паровые котлы до 4 МПа |
| Термический повышенного давления | 10-20 | 1,5-3 кг/т воды | Паровые котлы >4 МПа |
| Вакуумный | 200-500 | Не требуется | Водогрейные котлы |
| Струйно-барботажный | 5-15 | 2-4 кг/т воды | Энергетические котлы |
Принципы работы деаэрационных установок
Деаэрация основана на законе Генри-Дальтона, согласно которому растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению над поверхностью жидкости. При достижении температуры насыщения парциальное давление водяного пара становится равным полному давлению в системе, что приводит к снижению растворимости других газов до нуля.
Основные стадии процесса деаэрации
Процесс деаэрации включает несколько последовательных этапов, каждый из которых вносит свой вклад в общую эффективность удаления газов. Понимание этих этапов критически важно для правильной эксплуатации оборудования.
| Стадия процесса | Удаляется O₂, % | Температура воды, °C | Время контакта |
|---|---|---|---|
| Предварительный нагрев | 60-70 | 60-80 | 2-3 минуты |
| Основная деаэрация | 25-30 | 100-104 | 5-8 минут |
| Доводочная обработка | 5-10 | 104-106 | 10-15 минут |
| Окончательная очистка | Остаточные следы | Температура насыщения | Постоянно в баке |
Расчет необходимого расхода пара
Формула для определения расхода греющего пара:
Dп = Dв × (h₂ - h₁) / (hп - h₂)
где:
- Dп - расход пара, кг/ч
- Dв - расход воды, кг/ч
- h₁ - энтальпия исходной воды, кДж/кг
- h₂ - энтальпия деаэрированной воды, кДж/кг
- hп - энтальпия греющего пара, кДж/кг
Методы контроля качества деаэрированной воды
Контроль остаточного содержания кислорода и углекислого газа в деаэрированной воде осуществляется с помощью различных аналитических методов, выбор которых зависит от требуемой точности и диапазона измерений.
| Метод анализа | Диапазон измерений, мкг/кг | Точность метода | Время анализа |
|---|---|---|---|
| Йодометрический (Винклера) | 50-10000 | ±1-2% | 15-20 минут |
| Колориметрический с сафранином | 1-15 | ±10% | 10-15 минут |
| Электрохимический | 0,1-1000 | ±2% | 1-2 минуты |
| Амперометрический | 0,5-100 | ±3% | 2-3 минуты |
Автоматические системы контроля
Современные котельные оснащаются автоматическими анализаторами кислорода, которые обеспечивают непрерывный контроль качества деаэрированной воды. Такие системы позволяют оперативно реагировать на отклонения от норм и автоматически корректировать режим работы деаэратора.
Практическая схема контроля
В типовой котельной с паровыми котлами давлением 1,4 МПа контроль осуществляется каждые 4 часа йодометрическим методом, а при превышении 30 мкг/кг - ежечасно. Автоматический анализатор подает сигнал тревоги при превышении 40 мкг/кг.
Химические методы дополнительной защиты
Для обеспечения максимальной защиты от коррозии применяются химические методы связывания остаточного кислорода и корректировки pH среды. Эти методы дополняют термическую деаэрацию и обеспечивают требуемое качество воды.
Основные химические реагенты
Выбор реагента зависит от типа котельной установки, качества исходной воды и требований к экологической безопасности.
| Реагент | Дозировка | Эффективность | Область применения |
|---|---|---|---|
| Гидразин-гидрат | 0,02-0,06 мг/кг | Высокая | Паровые котлы высокого давления |
| Сульфит натрия | 5-8 мг/кг | Средняя | Водогрейные котлы |
| Аммиак | 0,6-1,0 мг/кг | pH коррекция | Универсальное применение |
| Комплексные ингибиторы | 10-20 мг/кг | Комплексная | Малые котельные |
Практические примеры и расчеты
Рассмотрим практические примеры расчета параметров деаэрации для типовых котельных установок различной мощности и назначения.
Пример 1: Расчет для паровой котельной мощностью 10 МВт
Исходные данные:
- Производительность котла: 15 т/ч пара
- Давление пара: 1,4 МПа
- Содержание O₂ в исходной воде: 8 мг/л
- Требуемое остаточное содержание: 50 мкг/кг
Решение:
Степень деаэрации: η = (8000-50)/8000 × 100% = 99,375%
Требуемый расход пара на деаэрацию: Dп = 15000 × 0,02 = 300 кг/ч
Пример 2: Вакуумная деаэрация для системы теплоснабжения
Исходные данные:
- Расход подпиточной воды: 50 м³/ч
- Температура нагрева: 70°C
- Вакуум в деаэраторе: 0,05 МПа абс.
Ожидаемый результат:
Остаточное содержание кислорода: 200-300 мкг/кг
Энергозатраты на создание вакуума: 5-8 кВт
| Тип системы | Мощность, МВт | Тип деаэратора | Остаточный O₂, мкг/кг |
|---|---|---|---|
| Районная котельная | 5-20 | Атмосферный | 30-50 |
| ТЭЦ | 100-500 | Повышенного давления | 10-20 |
| Промышленная котельная | 20-100 | Комбинированный | 15-30 |
| Тепловой пункт | 1-5 | Вакуумный | 200-400 |
Часто задаваемые вопросы
Остаточное содержание кислорода зависит от типа котельной установки: для паровых котлов высокого давления (>4 МПа) - не более 20 мкг/кг, для котлов среднего давления (1,4-4 МПа) - не более 50 мкг/кг, для водогрейных котлов - не более 100 мкг/кг. В системах теплоснабжения допускается до 50 мкг/кг.
Углекислый газ снижает pH воды, создавая агрессивную среду. При концентрации свыше 8 мг/дм³ он вызывает коррозию медных сплавов в конденсатно-питательном тракте. Свободная углекислота должна полностью отсутствовать в питательной воде паровых котлов.
Для водогрейных котельных рекомендуются вакуумные деаэраторы, работающие при температуре 40-90°C. Они обеспечивают содержание кислорода 200-500 мкг/кг, что достаточно для защиты от коррозии при температурах до 150°C.
Контроль должен проводиться каждые 4 часа при нормальной работе. При превышении норм - ежечасно до восстановления параметров. В начале отопительного сезона и после ремонта - каждые 2 часа в течение первых суток.
Технически возможно использование только химических методов очистки с применением комплексных ингибиторов коррозии. Однако это экономически оправдано только для очень малых установок мощностью до 1 МВт. В большинстве случаев деаэрация необходима.
Необходимо проверить работу деаэратора: температуру насыщения, расход пара, работу охладителя выпара. При засорении тарелок - снизить нагрузку на 25-30%. Возможно потребуется дополнительная химическая обработка гидразином или сульфитом натрия.
Для содержания 15-10000 мкг/кг применяется йодометрический метод Винклера (точность ±5%). Для низких концентраций 1-15 мкг/кг - колориметрический метод с сафранином (±10%). Электрохимические анализаторы обеспечивают точность ±2% в диапазоне 0,1-1000 мкг/кг.
Расход пара на деаэрацию составляет 1-3 кг/т деаэрируемой воды в зависимости от типа деаэратора и качества исходной воды. При наличии значительного количества CO₂ расход может увеличиваться до 2-3 кг/т. В современных деаэраторах предусматривается рекуперация тепла выпара.
1. ГОСТ 16860-88 "Деаэраторы термические"
2. РД 34.40.101 "Руководящие указания по проектированию термических деаэрационных установок"
3. РД 34.40.507 "Типовая инструкция по эксплуатации деаэрационных установок"
4. Технические публикации производителей оборудования EUROWATER, BWT, HYXO
5. Научно-технические журналы по теплоэнергетике за 2024-2025 гг.
