Известно, что паровой конденсат коррозионно-агрессивен из-за наличия в нём углекислоты. Как правило, требуется, чтобы концентрация углекислоты в конденсате была менее 20 мг/л. Концентрацию углекислого газа в паре можно относительно просто определить, зная концентрацию бикарбонат-иона в питательной воде и долю разложения бикарбоната в термическом деаэраторе и далее в паровом котле.
Углекислота в конденсате появляется за счёт того, что в паровом котле бикарбонаты разлагаются с образованием гидрата и диоксида углерода. Диоксид углерода уносится с паром и затем переходит в конденсат. Таким образом, если предположить, что в котле разлагается весь бикарбонат, то концентрация углекислоты в паре будет равна концентрации бикарбоната в питательной воде в [мг-экв/л].
Тем не менее, бикарбонат в котле разлагается не полностью. Считается, что доля разложения бикарбоната в котле зависит от давления в котле. Действительно, можно предположить, что чем больше давление в котле, тем интенсивнее идёт отвод углекислоты с паром и тем полнее происходит разложение бикарбонатов. На самом деле в значительно большей степени на полноту разложения бикарбонатов в котле влияет коэффициент упаривания котловой воды и значение щёлочности (гидратной) по фенолфталеину котловой воды.
Дело в том, что чем больше коэффициент упаривания котловой воды, тем больше времени оказывается температурное воздействие на 1 л питательной воды исходного ионного состава. То есть, если водяной объём парового котла — 10 м³, паропроизводительность — 5 т/ч и солесодержание котловой воды равно 3000 мг/л, то ионный состав (равный 200 мг/л), поступающий в котёл с 1 л питательной воды, будет подвергаться термическому воздействию в течение 30 ч. Иными словами, (3000/200)×(10/5) = 30 ч, и за это время бикарбонат может практически полностью разложиться.
При этом на полноту разложения бикарбоната также оказывает влияние концентрация гидрата в котловой воде. Дело в том, что чем больше гидрата в котловой воде, тем медленнее идёт гидролиз карбонатов в котловой воде, так как гидрат в данном случае является продуктом реакции гидролиза карбонатов в котловой воде:
Na2CO3 + Н2О ←→ NaOH + NaНСО3, (1)
то есть при определённом значении гидрата реакция гидролиза карбонатов практически прекращается. Наступает равновесие, которое может быть смещено в правую сторону только продолжением уменьшения концентрации бикарбоната за счёт удаления углекислоты с паром. Но в любом случае при значении гидрата в котловой воде более 20 мг-экв/л гидролиз карбонатов практически прекращается или имеет очень медленную скорость.
Фактически получается, что доля разложения бикарбонатов в котле зависит от концентрации гидрата в котловой воде (фенолфталеиновой щёлочности). Можно сказать, что отношение значения фенолфталеиновой щёлочности к общей щёлочности котловой воды равно доле разложения бикарбонатов в котле.
Например: щёлочность питательной воды 2,0 мг-экв/л; фенолфталеиновая щёлочность котловой воды — 20 мг-экв/л; общая щёлочность котловой воды — 23 мг-экв/л. Тогда доля разложения бикарбонатов в котле равна 20/23 = 0,87, то есть концентрация углекислоты в паре составляет 2,0×0,87 = 1,74 мг-экв/л или 1,74×44 = 76,56 мг/л.
Если бы бикарбонаты не разлагались в котле, то после упаривания их концентрация составила бы 23 мг-экв/л. Но, так как бикарбонаты разлагаются, в котле образуется гидрат, количество которого эквивалентно равно количеству отогнанной углекислоты (20 мг-экв/л). И если бы общая щёлочность была равна щёлочности по фенолфталеину, то это говорило бы о том, что в котле произошло полное разложение бикарбонатов.
Если фенолфталеиновая щёлочность котловой воды равна 10 мг-экв/л, а общая щёлочность равна 10,7 мг-экв/л, то доля разложения бикарбонатов в котле составит 10/10,7 = 0,93. Концентрация углекислоты составит 2,0×0,93×44 = 81,84 мг/л.
Эти данные получены для одного и того же котла, работающего на одном и том же давлении, но при разном солесодержании котловой воды.
Если перед котлом установлен термический деаэратор, то количество отогнанной в нём углекислоты будет равно количеству фенолфталеиновой щёлочности деаэрированной воды. В этом случае от полученного значения концентрации углекислоты в паре необходимо отнять количество отогнанной углекислоты в деаэраторе. В подавляющем большинстве случаев деаэратор работает прежде всего на удаление свободной углекислоты. После удаления из воды свободной углекислоты в данной воде начинает появляться гидрат и, соответственно, фенолфталеиновая щёлочность.
В общем виде можно записать два уравнения для расчёта концентрации углекислоты в паре:
где Щпит = Щпод(1 — k) — щёлочность питательной воды, мг-экв/л [здесь k — доля возврата конденсата; Щпод — щёлочность подпиточной воды, мг-экв/л]; Щфк — фенолфталеиновая щёлочность котловой воды, мг-экв/л; Щобк — общая щёлочность котловой воды, мг-экв/л; Щфд — фенолфталеиновая щёлочность деаэрированной воды, мг-экв/л; aк — доля разложения бикарбонатов в котле, которая зависит от концентрации гидрата в котловой воде (при электропроводности котловой воды 1500 мкСм/см aк = 0,95; при электропроводности 6000 мкСм/см aк = 0,85); aд — доля разложения бикарбонатов в деаэраторе, aд = 0–0,3.
Уравнение (2) можно использовать для работающих котельных, уравнение (3) — для проектируемых котельных.
Таким образом, уменьшения концентрации углекислоты в паре можно достигнуть, понижая щёлочность питательной воды путём увеличения доли возврата конденсата и применением технологий водоподготовки, уменьшающих щёлочность исходной воды.
