Подготовка внутренних поверхностей труб теплоэнергетического оборудования методом гидрофобизации для их работы в безнакипном режиме

Исходная вода, используемая в теплоэнергетике, по ряду причин имеет большой набор агрессивных свойств, способствующих образованию накипи и отложений на внутренних поверхностях нагрева оборудования (котлы, теплообменники, трубопроводы тепловых систем и т.д.), способствующих развитию коррозионных процессов металла.
Скорость карбонатного накипеобразования возрастает в зависимости от жесткости исходной воды, и времени работы теплообменного оборудования.
Образовавшаяся накипь и отложения в трубах котлов приводит к снижению их тепловой производительности, повышению расхода теплоносителя ( перерасход топлива в зависимости от толщины слоя накипи: 1 мм. – до 4%, 5 мм.- до 15% ), увеличению температурного напора и, как следствие, повреждение труб. Отложения и накипь в трубках кожухотрубных теплообменников (бойлерах), широко используемых в системах теплоснабжения, приводит к увеличению расхода пара и как следствие, уменьшению КПД на 30-50% за счет значительного снижения интенсивности теплопередачи.
Во всем мире актуальность этой проблемы весьма существенна и отображена в Пятой и Шестой Рамочных Программах Евросоюза с выделением до 14% денежных средств от общего бюджета, т.е. до 2 млрд. Евро в год.
Механизм образования накипи из-за жесткой воды заключается в кристаллизации в основном растворенного в воде карбоната кальция в форме кальцита. Движущей силой процесса кристаллизации является пересыщение, т.е. превышение фактической концентрации кристаллизующегося вещества над его равновесной концентрацией в данных условиях. Кристаллизация включает две стадии: образования кристаллических зародышей и их роста до видимого размера. Скорость кристаллизации в целом лимитируется скоростью зародышеобразования.
Образование зародышей может быть спонтанным - гомогенная нуклеация, и индуцированным - гетерогенная нуклеация. При гетерогенной нуклеации ионы собираются на инородных (гетерогенных) по отношению к кристаллизующему веществу включениях, например поверхности технологического оборудования или трубопроводов, причем скорость зародышеобразования на этих поверхностях в 1000-10000 раз выше, чем в объеме жидкости.
Сцепление кристаллических зародышей с поверхностью металла обусловлено наличием электростатических сил. Со временем слой отложений уплотняется и упрочняется, обеспечивая вышесказанные негативные последствия.
Таким образом, задачей предотвращения (или значительного количественного снижения) сцепления кристаллических зародышей с поверхностью металла является подготовка поверхности металла, обеспечивающая отсутствие или значительное снижение возникновения отрицательных зарядов вследствие ионизации поверхностных функциональных групп.
Граница раздела твердое тело/жидкость будет обеспечивать наличие электростатического отталкивающего взаимодействия между поверхностью металла и ионами Ca2+ и CO32+ в случае обеспечения ее гидрофобного состояния.
Вокруг частицы зарождающегося кристалла расположен слой молекул воды вместе с незначительным количеством противоионов. За этим заряженным слоем со стороны раствора располагается избыток противоионов. Это распределение заряда, называемое двойным электрическим слоем, приводит к возникновению отталкивания между частицами. Подобные двойные электрические слои возникают обычно на границе раздела между твердым гидрофобным телом (поверхность металла) и водным раствором.
Все известные методы (более 40 методов) снижения и предотвращения образования отложений на поверхностях нагрева, в основном, направлены на воздействие различными способами на рабочие жидкости.
Предлагаемый физико-химический метод предотвращения или значительного снижения скорости образования отложений заключается в гидрофобизации внутренних поверхностей нагрева. Это обеспечивается реализацией разработанной во ВНИИАМ,МЭИ и фирме REICON GmbH технологии с использованием микродобавок поверхностно-активного амина (ПАА) в рабочую среду. В качестве ПАА используется октадециламин высокой степени очистки – ODACON, в котором содержание первичных аминов составляет не менее 99,5%, вторичных – менее 0,05%, амиды и нитрилы – отсутствуют, йодное число, характеризующее присутствие нежелательных примесей, - менее
1,0 гJ/100 г. Высокое качество синтетического реагента ODACON подтверждено результатами сравнения его характеристик с аналитическим октадециламином с помощью метода инфракрасной спектроскопии (рис. 1). ODACON дозируется в циркуляционный контур теплоносителя при температуре 70-90оС в виде водной эмульсии.Вследствие адсорбции молекул ODACON на внутренних поверхностях оборудования формируется молекулярная гидрофобная коррозионно защитная пленка (рис. 2). При этом заряд и потенциал поверхностей металла сначала снижается по абсолютной величине, затем происходит перезарядка поверхностей и рост положительного заряда.
При адсорбции молекул ODACON на внутренних поверхностях оборудования за счет расклинивающего давления происходит обрыв частиц отложений, что обеспечивает их частичную отмывку.
В таблице 1 представлены экспериментальные результаты по водной отмывке контрольных образцов из стали 20 по ODACON-технологии (t = 85-90oC, W = 1,5 м/с, CODACON = 5 мг/дм3, τ = 70 часов).

Таблица 1. Результаты отмывки образцов из Стали 20 по ODACON-технологии.

Количество отложений, г/м2 Состав отложений, %(исходное/после отмывки)
исходное после отмывки Fe2O3 CuO SiO2 Al2O3 ZnO CaO MgO
47,4 21,7 65,6/69,0 32,5/14,2 1,5/4,0 -/2,7 1,9/0,7 2,8/1,7 2,4/5,2

Установлено также, что в исходном состоянии все составляющие отложений распределялись практически равномерно по толщине слоя за исключением хлоридов, которые концентрировались в основном у поверхности металла. После проведения ODACON обработки все составляющие отложений и в большей степени хлориды имеют тенденцию к перемещению к поверхности отложений.
Гидрофобизация поверхностей теплообмена и их частичная отмывка от ранее сформировавшихся отложений с последующим ограничением темпа их роста обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и эффективности теплоэнергетического оборудования.