Проблемы накипи и энергосбережение

В. В. Банников, канд. техн. наук
Директор предприятия «Экосервис Технохим»
(www.etch.ru)

Проблема образования водной накипи является общей для большинства областей техники. Практически нет ни одной отрасли промышленности, теплоэнергетики или объектов жилищно-коммунального хозяйства, которые бы не были с ней связаны. Отложения солей жесткости (соли кальция и магния) на поверхности нагревательного, теплообменного и технологического оборудования, внутри трубопроводов, повышают энергетические затраты, снижают ресурс работы оборудования, требуют значительных эксплуатационных расходов. С другой стороны, повышение энергетических затрат неразрывно связано с неизбежным увеличением вредных выбросов в окружающую среду, как в процессе производства, так и при использовании энергоносителей.

Процессы образования накипи и инкрустаций связаны с наличием в природной воде, в том числе и в пресной, больших количеств растворенных солей кальция и магния.

Основными примесями речных вод, содержащих 500-600 мг/л растворенных солей, являются ионы кальция, магния, натрия, бикарбонатов, сульфатов и хлоридов. Маломинерализованные речные воды содержат преимущественно ионы кальция и магния.

Солесодержание подземных вод зависит от условий залегания подземного горизонта и меняется от 100-200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных водах артезианских скважин преобладают ионы Са²⁺ и НСО₃^-. В маломинерализованных водах больше всего содержится ионов Са²⁺. Суммарная концентрация катионов кальция и магния, выраженная в мг-экв/л, определяет жесткость воды.

Общую жесткость воды определяют также как сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием солей гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется при кипячении воды. При нагревании воды гидрокарбонаты распадаются с образованием нестойкой угольной кислоты и нерастворимых осадков карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость связана с присутствием в воде кальция и магния в виде солей серной, соляной и азотной кислот и при кипячении не устраняется [1].

Жесткая вода непригодна для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых и водогрейных котлов, а также практически для всех видов теплообменного оборудования. Отложения солей жесткости приводят к значительному увеличению тепловой энергии на нагрев и к эквивалентному увеличению затрат на расход топлива. Также они отрицательно сказываются на теплообменных и гидравлических характеристиках, выводится из строя насосное, запорное и регулировочное оборудование, ускоряются коррозионные процессы и увеличиваются затраты на перекачивание.

На рис. 1 приведены данные по потерям тепловой энергии в зависимости от толщины слоя отложений солей жесткости (по материалам компании «Lifescience Products LTD», Великобритания). Слой в 3 мм поглощает 25% тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то «теряется» уже 70% тепла. Отложения толщиной 10 мм формируются менее чем за один год.

Рис. 1. Потери тепловой энергии при теплопередаче через греющую поверхность (по данным фирмы «Lifescience», Великобритания)

Если взглянуть на проблему накипи с точки зрения перерасхода топлива при эксплуатации теплоэнергетического оборудования, то картина очень схожая (рис. 2).

Рис. 2. Перерасход топлива в зависимости от толщины слоя накипи на поверхности нагрева [2].

Слой накипи толщиной 5 мм приводят к перерасходу топлива до 30%, а отложения толщиной 10 мм - повышают его расход в два раза.

Специалисты НИИ высоких напряжений рассматривают еще один важный аспект вредного влияния накипи - повышение рабочей температуры стенки водогрейной (дымогарной или жаровой) трубы [2]. Для примера на рис. 3 приведена зависимость температуры стенки водогрейной экранной трубы, размещенной в топочном пространстве (температура 1100 °С), от толщины слоя накипи. Данные представлены для различных величин теплопроводности накипи.

Увеличение слоя накипи на поверхности нагрева котла со стороны воды существенно повышает температуру стенки водогрейных труб. В свою очередь, повышение температуры приводит к снижению, как предела прочности металла, так и предела его текучести. При этом образуются свищи, и происходит разрыв труб.

Рис. 3. Влияние толщины слоя накипи и ее теплопроводности на температуру стенки трубы [2].

В соответствии с ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Однако ряд производств устанавливает гораздо более жесткие требования к технологической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,01-0,05 мг-экв/л и ниже). В справочнике [3] приведены ориентировочные требования по общей жесткости (мг-экв/л) питательной воды для котлов различных типов:

• жаротрубные (5-15 ати) - 0,35;
• водотрубные (15-25 ати) - 0,15;
• высокого давления (50-100 ати) - 0,035;
• барабанные (100-185 ати) - 0,005.

Для удаления солей жесткости из воды наиболее распространен химический метод ионного обмена ионов кальция и магния на натрий или калий, которые не образуют осадков своих солей при нагревании. Этот метод реализуется в аппаратах-умягчителях с катионообменнаой смолой, которую периодически нужно регенерировать раствором поваренной соли. Однако традиционная технология экологически небезупречна и имеет известные существенные недостатки. Отметим некоторые из них:

• использование поваренной соли для регенерации смолы создает проблемы для окружающей среды, необходима утилизация промывных вод с высоким содержанием солей;
• расход соли достаточно значителен - примерно один килограмм соли на каждую тонну умягченной воды (в итоге этот килограмм поступает в почву или в грунт, в реку или в озеро);
• из-за необходимости регенерации смолы солью расходы воды на последующую промывку могут составить 10-20% от количества полученной умягченной воды;
• из питьевой воды выводятся соли кальция ниже требуемых для нашего организма норм, при этом вода обогащается натрием, далеко не полезным для здоровья;
• ограничен ресурс работы ионообменных смол.

Воду умягчают также с помощью мембранных фильтров, которые фактически ее обессоливают. Этот метод менее распространен из-за высокой стоимости мембран и ограниченного ресурса их работы.

Существуют и другие методы умягчения: термические, реагентные, диализные и комбинированные. Выбор метода умягчения воды определяется ее химическим составом, требуемой степенью умягчения и технико-экономическими показателями.

Указанные недостатки определяют интерес к альтернативным методам борьбы с образованием накипи. В нашей стране и за рубежом все большее распространение получают устройства для магнитной и электромагнитной обработки воды. Благодаря простоте и универсальности многие фирмы считают этот метод обработки воды технологией 21 века. Данное высказывание можно подтвердить многообразием устройств для электромагнитной обработки воды, которые были представлены на последней всемирной выставке водных технологий «Aquatech» (Амстердам, 2004 г.).

Магнитная обработка воды

В последние десятилетия в России и за рубежом для борьбы с образованием накипи и инкрустаций применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.

Первый патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан бельгийскому инженеру Т. Вермейрену в 1946 г. Еще в 1936 г. он обнаружил, что при нагреве воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на поверхности теплообмена накипь не образуется [4].

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен, но имеется ряд гипотез. Специалистами МЭИ и МГСУ выполнен большой объем работ по изучению влияния магнитного поля на процессы образования накипи, разработаны аппараты для магнитной обработки воды, сформулированы технические требования и условия их использования для практических целей.

Современные воззрения объясняют механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси поляризационными явлениями и деформацией ионов солей. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются и образуют кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, по другой - изменяется структура воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды. Таким образом, вместо твердой накипи в воде появляется мигрирующий тонкодисперсный шлам, который легко удаляется с поверхности теплообменников и трубопроводов. В аппаратах магнитной обработки вода должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Очень интересное объяснение механизма магнитной обработки воды предлагает В.А. Присяжнюк в своей работе [4]. Известно, что карбонат кальция может кристаллизоваться в двух модификациях (кальцит или арагонит), при этом основной солью, осаждающейся на теплообменном оборудовании, является карбонат в форме кальцита. Магнитная обработка «заставляет» карбонат кальция кристаллизоваться в виде арагонита, у которого ниже адгезия (прилипание) к материалу теплообменной поверхности, а также ниже силы когезии (слипания) кристаллов между собой. Для объяснения данного явления автор [4] использует теорию магнито-гидродинамического (МГД) резонанса. При пересечении жидкостью магнитных силовых линий создается сила Лоренца, которая и вызывает структурную перестройку карбоната (изменение энтропии вещества) при ее попадании в резонанс с собственными колебаниями частиц вещества (молекулами, ионами, радикалами).

В настоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды - с постоянными магнитами и электромагнитами. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с.

Условия использования аппаратов для магнитной обработки воды приведены в справочнике [2]:

• подогрев воды должен осуществляться до температуры не выше 95 °С;
• карбонатная жесткость должна быть не выше 9 мг-экв/л;
• содержание растворенного кислорода должно быть не более 3 мг/л, а сумма хлоридов и сульфатов - не более 50 мг/л;
• содержание двухвалентного железа в артезианской воде допускается не больше 0,3 мг/л.

Для определения противонакипного эффекта Э, % используется следующее выражение:

Э = (m_н - m_м) * 100/ m_н, (1)

где - m_н и m_м - масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды с одинаковым исходным химическим составом, соответственно необработанной и обработанной магнитным полем, г.

Несмотря на все достоинства аппаратов для магнитной обработки воды, на практике эффект обработки зачастую проявлялся только в первый период эксплуатации, затем результат пропадал. Появился даже термин - эффект «привыкания» воды. Свои свойства омагниченная вода сохраняет меньше суток. Это явление потери магнитных свойств называется релаксацией. Поэтому в тепловых сетях кроме омагничивания подпиточной воды необходимо обрабатывать воду, циркулирующую в системе путем создания так называемого антирелаксационного контура, при помощи которого обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе [2].

Электромагнитное воздействие
с переменной частотой

В конце прошлого тысячелетия появились зарубежные и отечественные аппараты для обработки воды электромагнитными волнами в диапазоне звуковых частот, которые имеют существенные преимущества перед аппаратами для магнитной обработки воды. Их отличает небольшие габариты, простота монтажа и обслуживания, экологическая безопасность, низкие эксплутационные расходы. Значительно расширен диапазон условий их применения, в первую очередь для воды с высокой жесткостью, отсутствуют высокие требования по общему содержанию солей, устранен эффект «привыкания» воды. Кроме того, обработанная питьевая вода сохраняет кальций и магний, которые необходимы нашему организму для опорно-двигательной, сердечно-сосудистой и нервной систем. Т.е. устройства данного типа можно использовать не только для защиты теплообменного оборудования, систем горячего водоснабжения и пр., но и для систем водоочистки и коммуникаций питьевой воды. Еще одно преимущество этих аппаратов - разрушение сформировавшихся ранее отложений солей жесткости в течение 1-3 месяцев.

В России используются поставляемые из-за рубежа аппараты «Water King» (фирма «Lifescience Products LTD», Великобритания), «Aqua» (фирма «Trebema», Швеция), а также выпускаются аппараты отечественного производства серии «Термит» (предприятие «Экосервис Технохим») [5].

Электронный преобразователь солей жесткости «Термит» - прибор настенного типа, выпускается нескольких модификациях. «Термит» включает микропроцессор, который управляет изменением характеристик электромагнитных волн, генерируемых прибором в диапазоне 1 - 10 кГц. Генерируемые сигналы передаются по проводам - излучателям, которые наматываются на трубопровод. При этом сигналы распространяются в обе стороны трубопровода. С помощью проводов - излучателей поток излучения концентрируется в объеме воды, протекающей в трубопроводе.

Передаваемые электромагнитные волны изменяют структуру солей жесткости с образованием хрупкой арагонитной формы карбоната кальция. При этом прочная смесь аморфных отложений солей жесткости не образуется, а сформировавшиеся ранее отложения разрушаются и уносятся с потоком воды.

Вода при обработке не меняет солевой состав, что сохраняет ее качества питьевой воды без потерь необходимых химических элементов.

Приборы «Термит» выпускаются в соответствии с ТУ 6349-001-49960728-2000 и имеет всю необходимую разрешительную документацию.

Прибор отмечен Дипломами 1 степени ВВЦ и Министерства промышленности, науки и технологий РФ, Золотой медалью ВВЦ и Серебряной медалью Министерства промышленности.

Таблица 1

Технические характеристики приборов «Термит»

По мнению специалистов шведской фирмы «Trebema» под действием электромагнитных волн в диапазоне звуковой частоты бикарбонат кальция, содержащийся в исходной воде, переходит в нерастворимый карбонат кальция. При этом карбонат осаждается не на стенках труб и оборудования, а в объеме воды. Этот процесс описывается следующим химическим уравнением:

Ca(HCO₃)₂ <=> CaCO₃ + H₂CO₃ (1)

Нестойкая угольная кислота электролитически диссоциирует. Она также склонна к образованию углекислого газа:

CO₂ + H₂O <=> H₂CO₃ <=> H⁺ + HCO₃^- (2)

Угольная кислота разрушает старые известковые осадки в трубах, водонагревателях и др. Избыток угольной кислоты смещает равновесие реакции (1) влево, т.е. приводит к повторному образованию бикарбоната кальция. На практике это означает, что в обработанной воде через несколько суток вновь образуется бикарбонат кальция (вода «теряет» свои свойства после электромагнитного воздействия).

Шведскими специалистами опытным путем установлено:

1. Небольшое уменьшение величины рН воды за счет ее подкисления угольной кислотой. Однако это уменьшение настолько мало, что не увеличивает риск коррозии.

2. Изменение электропроводности воды из-за уменьшения величины рН.

3. Уменьшение поверхностного натяжения и капиллярности (требуется меньше моющих средств).

Литература

1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: издательство МГУ, 1996. 680 с.

2. Интернет-сайт НИИ Высоких напряжений при Томском политехническом университете. www.impulse.ru/volna, июль 2004 г.

3. Лифщиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. М.: Энергия, 1976. 288 с.

4. Присяжнюк В.А. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации солей на теплообменных поверхностях. Журнал «Сантехника, отопление, кондиционирование», № 10, 2003 г., с. 26-30.

5. Рэт Д. Теория накипи или практика магнетизма, журнал «Мир новосела», №1, 2002 г., с. 92-98.

6. Строительные Нормы и Правила 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».

7. Строительные Нормы и Правила 2.04.07-86* «Тепловые сети. Схемы тепловых сетей, системы теплоснабжения».

8. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Коврянов А.Н. и др. Влияние покрытий на интенсивность процессов солеотложения. Институт химии Дальневосточной РАН. Электронный журнал «Исследовано в России», 2003 г.

9. Патент РФ № 2174960 от 20.10.01 г. «Устройство для обработки воды».

10. Присяжнюк В.А. Водоподготовка и очистка воды: принципы, технологические приемы, опыт эксплуатации. Журнал «Сантехника, отопление, кондиционирование», № 4, 2004 г.

Издательство: ООО ИИП «АВОК–ПРЕСС»
Специализированный журнал «Энергосбережение», 2005 г.