Способ замедления коррозии углеродистой стали в системах теплоснабжения

 

Изобретение относится к области водно-химических режимов и технологии и может быть использовано в системах охлаждения, холодного и горячего водоснабжения, теплоснабжения, в контурах тепловых и автономных электрических станций. В сетевую воду системы теплоснабжения вводят вещество, ингибирующее коррозию, а именно предварительно приготовленный гидрогель технического углерода с содержанием углерода не более 5,00%, поддерживают концентрацию по углероду в сетевой воде равной концентрации растворенного в воде кислорода, при этом гидрогель при введении в сетевую воду предварительно разбавляют в части потока сетевой воды в соотношении не менее 1:100, подвергая поток динамическому воздействию. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности замедления кислородной коррозии углеродистой стали и снижение затрат на его применение в открытых системах теплоснабжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ относится к области водно-химических режимов и технологии воды и может быть использован в различных системах охлаждения, холодного и горячего водоснабжения, теплоснабжения, в контурах тепловых и атомных электрических станций.

Известно [1,2] , что основным коррозионным агентом углеродистой стали в природной и очищенной воде при умеренных температурах является растворенный в ней кислород. Другие факторы опосредуют его действие.

Основным средством борьбы с кислородной коррозией в крупных и ответственных системах является деаэрация воды, которая составляет один из главных этапов водоподготовки. Деаэрация воды требует больших капитальных и энергетических затрат. Однако ее применение, например, в открытых системах теплоснабжения часто не гарантирует низких концентраций кислорода в сетевой воде. В системах холодного водоснабжения, различных системах охлаждения деаэрация невозможна по экономическим и санитарно-экологическим показателям.

Технология воды предусматривает для защиты от кислородной коррозии применение специальных веществ (ингибиторов), добавляемых в воду для замедления (ингибирования) коррозии. Известен ряд эффективных ингибиторов, используемых в энергетических системах, например аммиак, гидразин, ЭДТА, хроматы и др. Однако их применение в системах с водой питьевого качества и использующих воду окружающей среды невозможно из-за токсичности для человека и живых организмов. Для систем с питьевой водой известно несколько нетоксичных веществ, способствующих замедлению коррозии. Это различные фосфаты натрия и силикат натрия (жидкое стекло) [2,3]. Фосфаты натрия защищают сталь за счет образования пленок из фосфатов кальция и магния, которые входят в состав солей жесткости. Кислородная коррозия наиболее активно протекает в водах с малой солевой жесткостью. В этом случае применяют силикат натрия, который образует защитные пленки силиката железа из растворенного железа, возникающего при коррозионном растворении углеродистой стали. Силикат натрия является нормативным ингибитором коррозии систем питьевого водоснабжения и теплоснабжения в России [5,6,7] и принимается за прототип. Для защиты от коррозии товарный силикат натрия дозируют в систему с помощью насосов-дозаторов до создания концентрации в воде 40-50 мг/юг в расчете на SiO₃.

Основным недостатком способа ингибирования коррозии является его низкая антикоррозионная эффективность при разрешенных для использования концентрациях до 40 мг/кг в расчете на SiO₃. Повысить концентрацию нельзя по санитарно-гигиеническим требованиям, т.к. уже на верхнем разрешенном уровне население начинает ощущать жжение кожи при пользовании горячей водой. Для избежания жалоб эксплуатационный персонал снижает концентрацию этого ингибитора до 10-20 мг/кг, что уменьшает и без того низкую эффективность применения силиката натрия. Существенным недостатком является также необходимость использования больших количеств силиката натрия в системах с водоразбором. Для систем с водоразбором до 1000 т/ч необходимо ежемесячно около 50 т жидкого стекла. Для работы с силикатом натрия необходимо применение специального автотранспорта для доставки товарного силиката на объект, производственные площади под баковое хозяйство (емкости и насосы) для его хранения и дозирования. Насосы для прокачки и дозирования часто выходят из строя из-за большого количества абразивных частиц в товарном силикате натрия.

Задачей изобретения является повышение эффективности замедления кислородной коррозии углеродистой стали и снижение затрат на его применение в открытых системах теплоснабжения.

Способ замедления коррозии углеродистой стали в системах теплоснабжения, преимущественно открытых, заключается в следующем.

В сетевую воду системы теплоснабжения вводят вещество, ингибирующее коррозию, а именно предварительно приготовленный гидрогель технического углерода с содержанием углерода не более 5.00%, поддерживают концентрацию по углероду в сетевой воде равной концентрации растворенного в воде кислорода, при этом гидрогель при введении в сетевую воду предварительно разбавляют в части потока сетевой воды в соотношении не менее 1:100, подвергая поток динамическому воздействию.

Гидрогель в потоке подвергают динамическому воздействию и разбавляют путем пропускания через гидродинамический смеситель.

Исходный гидрогель углерода готовят в коллоидной мельнице.

Разбавление гидрозоля с динамическим воздействием удобно производить с помощью гидродинамического смесителя [4], в котором за счет специальной организации движения среды в каналах возникают ультразвуковые колебания, разрушающие сетку гидрогеля.

Основа гидродинамического смесителя представляет собой цилиндрическую полость, открытую с одной стороны и имеющую отверстия для ввода гидрогеля с другой стороны.

Вблизи открытой стороны расположен резонатор в виде цилиндрического коаксиального кольца с острой кромкой. В образующей поверхности полости имеются несколько отверстий для входа воды. Отверстия расположены таким образом, чтобы начальное движение воды в полости было тангенциально образующей. Вода, входя в полость, создает ультразвуковые колебания, которые усиливаются резонатором. Гидрогель в полости смешивается с водой и подвергается гидродинамическому воздействию. Разбавленный гидрогель удаляется из полости через зазоры, расположенные вокруг резонатора.

Исходный гидрогель углерода из суспензии технического углерода в воде может быть приготовлен с помощью известного устройства, называемого коллоидной мельницей [4]. Гидрогель в мельнице готовится значительно быстрее, затраты электроэнергии уменьшаются в 20-30 раз, не возникает залипания. Конструктивно мельница значительно проще ультразвукового генератора и практически не требует обслуживания и резервирования. Отсутствует вредное для здоровья ультразвуковое излучение. Оборудование для приготовления 2000 л гидрогеля в сутки в коллоидной мельнице занимает всего 2-3 м² производственных площадей.

Указанные пределы концентрации углерода в системе теплоснабжения определяются следующими факторами.

По нашим данным, ингибирование углеродистой стали при добавлении к воде углерода вызывается кальматацией образующейся на поверхности стали ржавчины. Кальматация ржавчины препятствует доступу кислорода к коррелирующей поверхности, чем и обусловливается снижение коррозии. Кальматация ржавчины углеродом - сложный физико-химический процесс. Он происходит не в результате механического забивания пор ржавчины углеродом, а в результате взаимодействия углерода с растворенными и коллоидными фракциями оксидов и оксигидроксидов железа, пропитывающих ржавчину. Этим объясняется, например, большая коррозионная устойчивость чугуна по отношению к углеродистой стали. Чугун содержит 2-5% углерода, тогда как в углеродистой стали его концентрация не превышает 0.3%. На начальном этапе коррозии, когда в ржавчине еще мало углерода, чугун корродирует так же, как сталь. По мере накопления углерода в ржавчине она становится менее проницаемой для кислорода за счет взаимодействия внутри нее продуктов коррозии стали и углерода, освобождающегося из чугуна в результате коррозии. Поскольку кальматация ржавчины углеродистой стали является результатом взаимодействия активных продуктов коррозии и углерода, а концентрация первых зависит от скорости коррозии, которая в свою очередь зависит от концентрации растворенного кислорода, то защитные концентрации углерода в сетевой воде должны быть связаны с концентрацией растворенного кислорода. Как показывает практический опыт, достаточно поддерживать соотношение углерод : кислород по весу на уровне не выше 1:1. Повышение этого соотношения может несколько ускорить достижение эффекта, однако, поскольку уже при соотношении 1:1 сталь через год практически перестает корродировать (см. примеры), увеличивать это соотношение нецелесообразно по санитарно-гигиеническим показателям и экономическим затратам. Уменьшение этого соотношения, т. е. снижение концентрации углерода по отношению к содержанию кислорода, также нецелесообразно. В открытых системах теплоснабжения концентрация кислорода составляет обычно от 0.01 до 1 мг/кг (норма 0.03-0.05 мг/кг). Соответствующей должна быть концентрация углерода. По отношению к прототипу расход ингибитора уже при соотношении 1:1 уменьшается в 40-4000 раз. При поддержании нормируемых значений концентрации кислорода содержание углерода при уменьшении соотношения становится настолько малым, что его концентрацию очень трудно контролировать. При повышенных концентрациях кислорода (0.2-1 мг/кг), которые обычно возникают в результате длительной или кратковременной аварийной работы системы с последующим возвращением к нормируемым показателям, уменьшение концентрации углерода также нежелательно, т. к. целесообразно как можно быстрее замедлить развитие процесса коррозии в аварийный период.

Предварительно готовят гидрогель технического углерода с концентрацией не более 5 мас.% и затем разбавляют его в потоке воды с помощью гидродинамического смесителя [4] в соотношении не менее 1:100. Указанная концентрация гидрогеля обусловлена его реологическими свойствами. При концентрациях до 5 мас. % гидрогель имеет сметанообразную консистенцию и достаточно текуч для разбавления в гидродинамическом излучателе. При концентрации выше 5 мас.% гидрогель имеет вид малопластичной пасты, которую технически трудно подавать в гидродинамический излучатель. Выбор кратности разбавления не менее 1:100 и динамического воздействия обусловлен следующими обстоятельствами. Если разбавлять гидрогель простым смешением, то не происходит разрушения сетки частиц гидрогеля и ее части образуют седиментационно-неустойчивую дисперсию, которая оседает в застойных зонах системы без образования антикоррозионного эффекта. Для разрушения сетки при разбавлении необходимо динамическое воздействие. Наиболее активно сетка разрушается ультразвуком, который создается либо движением среды по каналам специальной формы, либо ультразвуковым электрогенератором. Вместе с тем при концентрациях динамически разбавленного геля выше 0.05 мас.% образуются достаточно крупные агрегаты частиц углерода, которые не могут самостоятельно распасться в потоке. По нашим данным, если динамически разбавить гель до концентрации ниже 0.05%, т.е. не менее 1:100, агрегаты при дальнейшем простом разбавлении самостоятельно распадаются на исходные частицы, образуя седиментационно-устойчивый монодисперсный гидрозоль технического углерода, обладающий антикоррозионными свойствами.

Пример 1.

Открытая система теплоснабжения мощностью 250 Гкал/ч (около 100 тыс. жителей). Циркуляция потока сетевой воды составляет 2800-2300 т/ч. Расход на горячее водоснабжение и протечки составляет в среднем 500 т/ч. Концентрация кислорода в сетевой воде 80 мкг/кг. Для этой системы необходимо около 25 л 5% гидрогеля углерода в сутки. Для приготовления 160 л гидрогеля необходимо 2 часа работы коллоидной мельницы электрической мощностью 0.3 КВт. Приготовление гидрогеля концентрации 5 мас.% осуществляют в коллоидной мельнице. Бак с мешалкой установки приготовления гидрогеля заполняют горячей водой в количестве 160 л и при перемешивании засыпают 8 кг технического углерода, после чего смесь насосом направляют в коллоидную мельницу.

Мельница представляет собой два гладких коаксиальных конуса. Внешний конус является неподвижным, а внутренний вращается со скоростью 3000 об/мин. Зазор между конусами регулируется и устанавливается равным 100 мкм. В зазор снизу насосом подается взвесь углерода. После прохода через мельницу гидрогель сливается обратно в бак. Приготовление гидрогеля длится 2 часа.

Для разбавления необходим гидродинамический смеситель (диаметром 70 мм и длиной 200 мм), через который проходит часть потока сетевой воды. Введение гидрогеля осуществляется следующим образом. В бак установки дозирования загружают 160 л предварительно приготовленного гидрогеля углерода, который для предотвращения схватывания периодически размешивают циркуляционным насосом. Через гидродинамический смеситель постоянно проходит около 1 т/ч сетевой воды, взятой с напора сетевого насоса и возвращаемой на его всас. Насос-дозатор установки дозирования подает в гидродинамический смеситель гидрогель углерода из бака со скоростью 1 л/ч. В гидродинамическом смесителе происходит разбавление в соотношении около 1:1000. После смешения части потока с основным потоком сетевой воды концентрация углерода в сетевой воде устанавливается на уровне 70-80 мкг/кг, что соответствует средней концентрации кислорода. Это происходит, как показывает опыт, потому, что основные потери углерода в системе происходят с горячей водой и протечками. Скорость осаждения углерода на поверхностях системы при длительном дозировании составляет менее 20% потерь с горячей водой.

До начала испытаний для защиты котлов и сетей системы применяется нормативный метод силикатирования. Силикат натрия дозируют в подпиточную воду для поддержания средней концентрации силиката в сетевой воде 10-20 мг/кг. Для поддержания концентрации силиката натрия потребляется около 12 т товарного силиката в месяц. В одном из водогрейных котлов установлены индикаторы коррозии для слежения за интенсивностью коррозионных процессов. На фиг.1 показана динамика коррозионного разрушения индикаторов при силикатной обработке.

На фиг.1 показана динамика коррозии индикаторов при использовании гидрозоля углерода (кривая 1 - изобретение, кривая 2 - прототип). Примерно через год коррозия практически прекращается по разработанному способу.

Таким образом, в течение месяца ингибирования по предлагаемому способу для данной системы требуется 36 кг углерода, необходимого для приготовления 0.720 т гидрогеля. По прототипу для данной системы необходимо более 25 т товарного жидкого стекла.

Пример 2. Небольшая система со средней концентрацией кислорода 0.4 мг/кг. На фиг.2 показаны результаты коррозии индикаторов по прототипу (2) и по предлагаемому способу (1) с концентрацией углерода 0.4 мг/кг. Примерно через 200 дней коррозия стали по предлагаемому способу практически прекращается.

Источники информации 1. Акользин П. А. Коррозия тракта питательной воды и борьба с ней. //Внутрикотловые физико-химические процессы. - М.: Изд-во АН СССР, 1967.

2. Исаев Н.И. Теория коррозионных процессов. - М.: Металлургия, 1997.

3. Розенфельд И.Л. Ингибиторы коррозии. - М.: Химия, 1977. - 352 с.

4. Гешгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М.: Энергия, 1976.

5. СанПиН 2.1.4.559-96. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

6. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

7. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976. - 512 с.

Формула изобретения

1. Способ замедления коррозии углеродистой стали в системах теплоснабжения, преимущественно открытых, включающий введение в поток сетевой воды вещества, ингибирующего коррозию, отличающийся тем, что в сетевую воду вводят предварительно приготовленный гидрогель технического углерода с содержанием углерода не более 5,00 мас.%, поддерживают концентрацию по углероду в сетевой воде, равной концентрации растворенного в воде кислорода, при этом гидрогель при введении в сетевую воду предварительно разбавляют в части потока сетевой воды в соотношении не менее 1 : 100, подвергая поток динамическому воздействию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидрогель в потоке подвергают динамическому воздействию и разбавляют путем пропускания через гидродинамический смеситель.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходный гидрогель углерода готовят в коллоидной мельнице.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.08.2009

Извещение опубликовано: 27.09.2010        БИ: 27/2010

---