Расчет концентрации углекислоты в паровом конденсате

Тихонов И.А.

Паровой конденсат коррозионно-агрессивен из-за наличия в нем углекислоты. Как правило требуется чтобы концентрация углекислоты в конденсате была меньше 20 мг/л.

Концентрацию углекислого газа в паре можно очень 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 счет 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 идет 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 щелочности (гидратной) по фенолфталеину котловой воды.

Дело в том, что чем больше коэффициент упаривания котловой воды, тем больше времени оказывается температурное воздействие на 1 литр питательной воды исходного ионного состава. Т.е. если водяной объем парового котла 10 м³, паропроизводительность 5 т/час и солесодержание котловой воды равно 3000 мг/л, то ионный состав (равный 200 мг/л) поступающий в котел с 1 литром питательной воды будет подвергаться термическому воздействию в течении 30 часов!

Т.е. 

За это время бикарбонат может практически полностью разложится.

Тем не менее наибольшее воздействие на полноту разложения бикарбоната оказывает концентрация гидрата в котловой воде. Дело в том, что чем больше гидрата в котловой воде, тем медленнее идет гидролиз карбонатов в котловой воде, т.к. гидрат в данном случае является продуктом реакции гидролиза карбонатов в котловой воде (1).

Na2CO3 + Н2О <->NaOH+NaНСО3 (1)

Т.е. при определенном значении гидрата реакция гидролиза карбонатов практически прекращается. Наступает равновесие, которое может быть смещено в правую сторону только продолжением уменьшения концентрации бикарбоната за счет 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 щелочности).

Если говорить совсем просто, то отношение значения фенолфталеиновой щелочности к общей щелочности котловой воды равно доли разложения бикарбонатов в котле.

К примеру,

Щелочность питательной воды 2,0 мг-экв/л,

Фенолфталеиновая щелочность котловой воды – 20 мг-экв/л,

Общая щелочность котловой воды – 23 мг-экв/л,

Тогда доля разложения бикарбонатов в котле равна 20/23=0,87.

Т.е. концентрация углекислоты в паре составляет 2,0*0,87= 1,74 мг-экв/л или 1,74*44=76,56 мг/л.

Если говорить проще, то если бы бикарбонаты не разлагались в котле, то после упаривания их концентрация составила бы 23 мг-экв/л. Но так как бикарбонаты разлагаются, то в котле образуется гидрат, количество которого эквивалентно равно количеству отогнанной углекислоты (20 мг-экв/л). И если бы общая щелочность была равна щелочности по фенолфталеину, то это бы говорило о том, что в котле произошло полное разложение бикарбонатов.

Если фенолфталеиновая щелочность котловой воды равна 10 мг-экв/л и общая щелочность 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 нем углекислоты будет равно количеству фенолфталеиновой щелочности 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 воде начинает появляться гидрат и соответственно фенолфталеиновая щелочность.

В общем виде можно записать два уравнения для расчета концентрации углекислоты в паре:

    , мг/л  (2)

Или

   , мг/л    (3)

Где,

Щ_пит=Щ_под*(1-к),   щелочность питательной воды, мг-экв/л,

к – доля возврата конденсата,

Щ_под – щелочность подпиточной воды, мг-экв/л,

 – Фенолфталеиновая щелочность котловой воды, мг-экв/л,

 – Общая щелочность котловой воды, мг-экв/л,

 – Фенолфталеиновая щелочность деаэрированной воды, мг-экв/л,

а_к – доля разложения бикарбонатов в котле. Зависит от концентрации гидрата в котловой воде. (При электропроводности котловой воды 1500 μS/cm — 0,95. При электропроводности 6000 μS/cm – 0,85).

а_д – доля разложения бикарбонатов в деаэраторе. (0,0-0,3).

Уравнение (2) можно использовать для работающих котельных. Уравнение (3) для проектируемых котельных.

Таким образом уменьшение концентрации углекислоты в паре можно достигнуть, уменьшая щелочность питательной воды путем увеличения доли возврата конденсата и применением технологий водоподготовки уменьшающих щелочность исходной воды.