О декарбонизации воды

В.С.Галустов, д.т.н., профессор.

Декарбонизацией называют удаление из воды свободного диоксида углерода СО2 для предотвращения углекислотной коррозии оборудования и сетей. Такая необходимость возникает в тех случаях, когда его содержание в воде в силу каких-либо причин многократно превышает равновесное.

Большое количество СО2 может образовываться в схемах умягчения воды с Н-катионированием или подкислением, а также при обезжелезивании артезианской воды. Декарбонизация – один из самых сложных массообменных процессов в цепочке подготовки воды в теплоэнергетике. Его протекание обуславливается большим числом взаимозависимых факторов, способных изменяться в широком диапазоне (например, растворимость СО2 в воде зависит от ее температуры, а та в процессе декарбонизации меняется). Поэтому надо поговорить об основных явлениях подробнее.

О процессе.

Цель декарбонизация – достижение концентраций СО2, близких к равновесной для системы «вода–воздух». Теоретически количество растворенного СО2 в воде при 40 °С при контакте с атмосферным воздухом, парциальное давление СО2 в котором равно 30 Па (0,03 % по объему), составляет 0,4 мг/дм3. Практически содержание СО2 в декарбонизированной воде значительно (в среднем 4–5 мг/дм3) выше. Малое (около 0,03 % по объему) содержание углекислого газа в воздухе позволяет отнести рассматриваемый процесс физической десорбции к процессам, подчиняющимся закону Генри, согласно которому растворимость (или концентрация) газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над раствором:

Р* = k Ч С*,

где Р* – равновесное парциальное давление; k – коэффициент Генри, определяемый природой газа и температурой t и имеющий размерность давления; С* – равновесная концентрация (растворимость). Наборы значений коэффициента Генри и растворимости СО2 для системы «углекислый газ – вода» приведены в табл. 1.

Однако если бы равновесие определялось столь однозначно, не стоило бы заявлять о сложности процесса. Во-первых, следует иметь в виду, что в промышленной зоне содержание СО2 в воздухе может оказаться значительно больше указанных 0,03 % по объему, тогда и равновесная концентрация будет выше. Во-вторых, приведенные в табл. 1 значения С* справедливы только для чистой, фактически дистиллирован-ной воды. Присутствие в воде различных ионов и ее щелочность существенно влияют на растворимость СО2. На рис. 1дана отражающая этот факт номограмма, построенная для воды с сухим остатком 200 мг/кг при температуре 10 и 20 °С. При других значениях сухого остатка вводится поправочный коэффициент (табл. 2), т.е. содержание СО2 в воде равно значению, найденному по номограмме и умноженному на поправочный коэффициент.

Количество свободной углекислоты, поступающей на декарбонизацию после Н-катионирования или подкисления воды, определяется из уравнения:

Свх = 44Жк +(СО2)ив,

где Жк – карбонатная жесткость, разрушаемая при Н-катионировании, мг-экв/л; (СО2)ив – содержание углекислого газа в воде, мг/л, (перед Н-катионированием).

Так как СО2 – труднорастворимый в воде газ, для завершения процесса его десорбции теоретически достаточно одной ступени контакта воды с воздухом, и преимущества в движущей силе противотока перед прямотоком мало заметны, что должно учитываться при выборе аппарата.

Противоточные декарбонизаторы.

По направлению движения фаз декарбонизаторы могут быть противоточными и прямоточными.

Фактически любые из известных противоточных контактных устройств могут использоваться для проведения процесса декарбонизации. Однако на практике в теплоэнергетике все разнообразие противоточных декарбонизаторов сводится к насадочным (в энергетике получили название насыпных) аппаратам (рис. 2). В качестве насадки в них используются керамические кольца Рашига трех типоразмеров. Эти кольца в нижних 8–12 слоях укладываются регулярно, а на всю остальную высоту засыпаются «в навал». Снизу вентилятором подается воздух.

Такие аппараты, безусловно, морально устарели (применяются более 60 лет), громоздки, дороги, трудоемки в обслуживании и ремонте.

Существенным недостатком насыпных декарбонизаторов является и то, что они разрабатывались на некоторые средние условия. В методике их расчета определяются только диаметр аппарата и высота слоя насадки, а такие существенные параметры, как плотность орошения и удельный расход воздуха, принимаются постоянными. Это значит, что при малых концентрациях СО2 у аппарата получится многократный запас, обуславливающий избыточные капитальные и энергетические затраты, а при больших – эффективность аппарата окажется недостаточной. Последнее обстоятельство служит серьезным аргументом в пользу индивидуального подхода к разработке декарбонизаторов.

Прямоточные декарбонизаторы.

В настоящее время использование прямотока в декарбонизации ограничено только эжекционными аппаратами. Есть два принципиально различных подхода к их конструированию. Первый – базируется на использовании хорошо известных водоструйных эжекторов. Однако коэффициент эжекции (отношение объема воздуха к объему воды) традиционного устройства не превышает 4, вследствие чего их применение в качестве декарбонизаторов ограничивается начальной концентрацией СО2 порядка 20 мг/кг, обычно же она в 3–15 раз выше. Предпринимались попытки реализовать многоступенчатый эжектор: струя воды по мере движения от ступени к ступени эжектирует новые порции воздуха. И хотя к последней ступени коэффициент эжекции удалось поднять до 20–30, трудно признать это решение удачным.

Второй подход базируется на теории прямоточных распылительных тепломассообменных аппаратов, имеющих разнобразное конструктивное оформление. Коэффициент эжекции при их использовании может достигать и превышать 1000, а производительность – находиться в диапазоне от единиц до сотен м3/ч, без ужесточения режимных параметров. На рис. 3 в качестве примера показан двухсторонний двухсекционный аппарат. Модульный подход, а также возможность любой степени секционирования позволяют обеспечить неограниченно широкий диапазон регулирования производительности декарбонизационной установки.

В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что расчет основных параметров процесса и декарбонизационной установки в целом следует осуществлять индивидуально, с учетом конкретных условий, в силу фактической неповторяемости исходных данных.