CC BY
64
УДК 66.071.7
Об использовании силикагелей для повышения долговечности котельного оборудования
С. В. Голдаев,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической
и промышленной теплотехники
А. А. Хушвактов,
Таджикский технический университет имени академика М. С. Осими, г. Душанбе, аспирант
Наиболее подходящим методом осушения воздуха для консервации котельных агрегатов и оборудования тепловых сетей с целью защиты от коррозии является адсорбционное осушение с помощью твёрдых сорбентов, таких как силикагель. Расчёт, произведённый авторами статьи, подтверждает эффективность использования силикагелей как с технической, так и с экономической точки зрения.
Ключевые слова: котельный агрегат, коррозия, консервация, силикагель, осушение воздуха.
Котельные агрегаты могут находиться в одном из четырёх оперативных состояний: работе, резерве, ремонте и консервации [1]. Опыт эксплуатации теплоэнергетического оборудования показывает, что при некачественном проведении консервации или её отсутствии конденсация влаги во время останова со снижением давления среды до атмосферного и попадании во внутренний объём кислорода воздуха вызывает атмосферную коррозию углеродистой стали. На поверхности металла накапливаются продукты коррозии, что в период продолжающейся эксплуатации оборудования может привести к его отказу. В отсутствии консервации при простое могут подвергаться коррозии участки барабанных котлов, и при последующих пусках окислы железа концентрируются в питательной воде и откладываются в теп-лонапряжённых участках испарительной системы, являясь очагами подшламовой, щелочной и пароводяной коррозии. Помимо снижения долговечности оборудования возникают материальные потери и негативное влияние на окружающую среду [2-5].
Для предотвращения контакта внутренних металлических поверхностей котельного агрегата с кислородом воздуха могут применяться различные ингибиторы (гидразин, гидразионно-аммиачные и нитритно-аммиачные растворы и др.), которые создают защитные плёнки и равномерно покрывают все участки поверхностей оборудования [5, 6]. Однако из-за высокой стоимости применение некоторых веществ, например октадецилиамина, целесообразно только при выводе оборудования в длительную консервацию. Чтобы исключить попадание ингибиторов в машинный зал, требуется герметизировать консервируемое оборудование [7].
Консервация с помощью растворов химических реагентов широко применяется в мировой и отечественной практике, но такие методы предусматривают дополнительные затраты на нейтрализацию растворов после их использования. Применение деаэрированной
воды возможно только при выводе котельного агрегата в резерв или ремонт на срок до 10 суток. Консервация нейтральным газом с последующим поддержанием избыточного давления (5-10 кПа) предотвращает доступ наружного воздуха, но является дорогостоящей из-за наличия большого числа мест возможных утечек газа и сложности их уплотнения [7].
Снижению относительной влажности воздуха (ф) во внутреннем объёме консервируемого оборудования и поддержанию её ниже 40 % в течение всего периода простоя способствует постоянная или периодическая продувка внутренних каналов и полостей воздухом, имеющим пониженную влажность, что достигается нагреванием или осушением. Принимая во внимание, что масса одного котельного агрегата может составлять десятки тонн, для повышения температуры его корпуса на несколько градусов требуются большие затраты тепловой энергии, поставляемой подогретым воздухом [7]. В нормативных документах предписывается консервировать оборудование подогретым воздухом при простоях до полугода, а осушенным - на более долгий срок. Возможно, такие рекомендации не учитывают возрастающей цены на электроэнергию, поэтому упомянутый метод до сих пор применяется на практике. Есть мнения [7, 8], что использование подогретого воздуха для консервации оборудования является неоправданным ни с технической, ни и с экономической точки зрения. Исключением могут быть случаи, когда оборудование начинают консервировать в горячем состоянии сразу после вывода из эксплуатации.
Эффективным является снижение влажности воздуха путём его осушения. Производится предварительное дренирование, и с помощью трубопроводов оборудование подключается к воздухоосушительной установке консервации. Осушенный воздух попадает по воздуховодам во внутренние полости объекта консервации, ассимилирует водяные пары и вытесняется вместе с ними наружу через дренажи. Снижение ф менее 40 % гарантирует практически нулевую скорость электрохимической коррозии металла [7].
На практике для осушения воздуха применяются холодильный контур в конденсационном осушителе [4] и сорбционный осушитель, где ф меньше 15 %. При абсорбции водяные пары из воздуха поглощаются растворами солей благодаря растворимости воды в абсорбентах. Недостатком таких установок является опасность уноса солевого раствора потоком осушаемого воздуха, что может привести к дополнительной коррозии металла.
Наиболее подходящим методом осушения воздуха для консервации теплоэнергетического оборудования является его адсорбционное осушение с помощью твёрдых сорбентов, которые поглощают водяные пары развитой пористой поверхностью.
В адсорбционном осушителе глубина осушения определяется степенью насыщенности сорбента влагой, толщиной его слоя, параметрами воздуха перед осушителем и пр. В зависимости от этих условий, влажность может приближаться к нулевой. При повышении температуры равновесное парциальное давление водяного пара над адсорбентом падает, происходит десорбция влаги и её вынос регенерирующим потоком.
К недостаткам двухадсорберных установок можно отнести необходимость переключения адсорберов и, соответственно, наличие для этой цели автоматических устройств, а также превышение продолжительности процессов адсорбции над десорбцией.
Аналогичный принцип осушения воздуха используется в роторных осушителях. Их конструкция позволила разместить на одном роторе осушающую и регенерирующую части, исключить переключающую арматуру и автоматические устройства. Вследствие этого осушитель становится компактнее и дешевле.
В короткоцикловых безнагревных двухадсорбер-ных установках осушение воздуха происходит при высоком давлении в одном адсорбере, а десорбция влаги осуществляется при низком давлении в другом. Однако в таких установках требуется сжатие воздуха компрессором, поэтому имеется ряд недостатков:
- удельные энергетические затраты на 1 м3 осушенного воздуха приблизительно в 3 раза выше, чем в традиционных адсорбционных установках;
- при сжатии в компрессоре воздух нагревается, что приводит к повышению температуры сорбента и к снижению его влагопоглощающих свойств;
- возрастает вероятность выхода из строя переключающих клапанов. При сопоставительной стоимости и затратах на обслуживание установки на базе компрессора имеют низкую производительность по осушенному воздуху, следовательно, требуется использование нескольких установок [7].
Консервация теплоэнергетического оборудования осушенным воздухом будет успешной в тех случаях, когда производительность соответствующих установок обеспечит необходимую кратность воздухообмена. Например, для эффективной консервации ёмкостей (деаэраторы, баки питательной воды, бойлеры и пр.) достаточно иметь 2,5-3-кратный воздухообмен в
час, 5-10-кратный для турбин и 6-15-кратный для пароводяной стороны котлов [7]. Вне зависимости от типа оборудования осушенный воздух позволяет производить консервацию на срок от недели до полугода и более.
В адсорбционных осушителях сжатого воздуха широко применяются силикагель, алюмогель и цеолит, с помощью которых осуществляется поглощение влаги [9].
Процесс насыщения силикагелей влагой в статических условиях характеризуется малой скоростью. Длительность полного насыщения силикагелей при комнатной температуре составляет: мелкопористых - 40 ч, среднепористых - 50, крупнопористых - 75. Отработка адсорбционной ёмкости на 50 % достигается за 8, 10 и 22 часа соответственно [10].
При j менее 55-60 % максимальный адсорбционной способностью по парам воды обладает мелкопористый силикагель - насыпная плотность рс = 700 кг/м3. В интервале j от 60 до 90 % преимущество среди силикагелей имеет среднепористый [10]. У крупнопористого силикагеля (рс = 400-500 кг/м3) влагоёмкость при j = 100 % и температуре 20 0С равна 70 % [9].
В [11] приведены результаты экспериментального определения остаточного содержания влаги в осушенном атмосферном воздухе, сжатом до избыточного давления 0,6 МПа. Линия нагнетания компрессора была снабжена отделителем капельной влаги. Использовался силикагель марки «АСМК». Опыт продолжался 70 ч, при этом показания гигрометров достигли фоновых значений. Таким образом, с помощью силикагеля влажный воздух может быть полностью осушен.
Приближённый расчёт массы среднепористого силикагеля Mc для консервации котельного агрегата, имеющего вместимость Vb, выполнялся на основе практики осушения в статических условиях [9, 10]. Параметры воздуха - j1 и Tw. По техническим условиям консервации для предотвращения образования налёта ржавчины воздух в агрегате должен иметь относительную влажность j2 ~ 30 % и температуру ТЪ2. Поглощающая способность 1 кг адсорбента (силикагеля) принималась равной gps воды.
Удельное влагосодержание при j1 находится по формуле [12]
¿1 = 0,622 • pn/(pb - pV1), кгп/кгсВ, (1)
где pV1 = jp - парциальное давление пара при относительной влажности j1.
Давление насыщения является функцией температуры и может быть найдено с помощью таблиц свойств воды и водяного пара. Для автоматизации методики расчёта удобнее использовать аппрокси-мационную зависимость, имеющую вид [12]
ps = 1010,95-2224/Tb (2)
Максимальная погрешность составляет около 10 % при температуре 0 0С и 0,8 % - при температуре 40 0С.
Аналогично вычисляется удельное влагосодер-жание при j2:
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.TU
№ 6(60) 2014, ноябрь-декабрь
¿2 = 0,622 • рУ2/(рь " Рт), кгп/кгсВ,
где Ру2 = ф2Р3 - парциальное давление пара при относительной влажности 2.
Количество воды, удаляемой из 1 кг сухого воздуха, составит
Аа = а1 - ¿2, кгп/кгсв. (3)
Масса воздуха, заполняющего свободное пространство в котельном агрегате, находится из уравнения состояния идеального газа:
Шъ = р^ь^ьТЪ1, кг.
Масса воды, которую требуется поглотить:
АМт = МъАа, кг. (4)
Тогда необходимая масса адсорбента:
Мс = АMJgvs, кг. (5)
Результаты расчётов показывают: чтобы осушить 10 м3 воздуха, имеющего 80 % относительной влажности, до ф2 = 30 % требуется примерно 0,7 кг силикагеля при влагоёмкости 20 %. Если необходимо осушить воздух, занимающий свободное пространство большей вместимости, например 50 м3, достаточно в 5 раз увеличить Мс.
Силикагели данного типа выпускаются промышленностью в крупнотоннажном масштабе. Для поддержания влажности в частично герметичном объёме сухой силикагель в малогабаритных контейнерах распределяется по контролируемому объёму [9, 10]. В ноябре 2013 года цена 1 кг технического силикаге-ля в среднем составляла 50 руб. (для сравнения цена 1 кг цеолита - 140 руб.). По причине невысокой стоимости силикагель можно не подвергать десорбции, а заменять новой порцией.
Несмотря на то, что в последние годы развивается направление с использованием адсорбционных процессов в кристаллических сорбентах-цеолитах, силикагель не потерял промышленного значения, о чем свидетельствует рост спроса на него.
Литература
1. Акользин А. П. Контроль коррозии металла котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 240 с.
2. Троянский Е. А., Чоловский В. Н. Повышение долговечности элементов котельного оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 80 с.
3. Сутоцкий Г. П. Повреждения энергетического оборудования, связанные с водно-химическим режимом. - СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1992. - 256 с.
4. Полевич А. Н. Разработка, исследование и внедрение процессов и схем воздушной консервации теплоэнергетического оборудования: Дисс. кан. тех. наук. - М., 2001. - 137 с.
5. Шатова И. А. Совершенствование защиты от стояночной коррозии углеродистой стали котлов на основе применения ингибиторов октадециламина и М-1: Дисс. канд. техн. наук. - Иваново, 2005. - 148 с.
6. Верховский А. Е. Исследование процессов коррозии энергетического оборудования электростанций, изготовленного из нержавеющей стали: Дисс. канд. тех. наук. - М., 2006. - 116 с.
7. Вишневский Е. П., Чепурин Г. В. Консервация осушенным воздухом / / Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2010. - № 5. - С. 8-12.
8. Лепявко А. П. Разработка осушителя воздуха / / Холодильная техника. - 2000. - № 12. - С. 14-15.
9. Серпионова Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров. - М.: Высшая школа, 1969. - 416 с.
10. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
11. Вихрова С. В., Рутенберг О. Л., Фаткудинова Г. Р. Остаточное содержание влаги в воздухе, осушенном силикагелем / / Технические газы. - 2005. - № 6. - С. 34-36.
12. Шатров М. Г., Иванов И. Е., Пришвин С. А. Сборник задач по теплотехнике. - М.: Академия, 2012. - 272 с.
Silica gels for long-term operation of boiler equipment
S. V. Goldaev,
National Research Tomsk Polytechnic University, Doctor of Science, professor
A. A. Khushvaktov,
Tajik Technical University, postgraduate student
Adsorbing dehumidifying is the most appropriate method of air dehumidifying for boiler units and heating network equipment conservation in order to protect them from corrosion. Silica gel is an effective solid adsorbent using for such purposes. The authors of this paper have made a calculation that confirms silica gel's technological effectiveness as well as economical one.
Keywords: silica gel, boiler unit, corrosion, conservation, air dehumidifying.
