Проблема химической промывки отложений

Очень серьезной проблемой при эксплуатации энергетических установок тепловых и атомных электростанций является проблема очистки накипеобразующих отложений ПК на элементах оборудования водного тракта — поверхностях нагрева котлов, парогенераторов, реакторов. Весьма перспективным методом является химическая промывка, который нуждается однако в достаточно обоснованном и строгом анализе, позволяющем определять оптимальные условия ее проведения.

Показано, что оптимальными являются такие pH-Eh-T условия среды, которые обеспечивают переход отложений в неустойчивое состояние и трансформацию — через растворение и взаимодействие с промывочным раствором — в новую, более устойчивую и не являющуюся накипеобразователем фазу, очистка от которой труда уже не представляет. При этом растворимость отложений в этом растворе должна быть максимально высокой, растворимость новой фазы — максимально низкой.

Особо актуальна эта задача для магнетита Fe₃O₄ — типичного накипеобразователя. С указанных позиций строго показано, что наиболее эффективным способом химического регулирования свойств рассматриваемой системы, обеспечивающим снижение стабильности магнетита и повышение — каких-либо других ПК железа, является переход, во-первых, от слабощелочной среды (характерной для большинства ВХР) к кислой и, во-вторых (и термодинамически это наиболее существенно!), — от восстановительного ее характера к окислительному. Причем этот переход должен быть низкотемпературным.

В соответствии с чем за основу была взята подкисленная среда — посредством дозирования 8-12% (~1m раствор) H₂SO₄ — в окислительных (кислород воздуха) условиях.

В соответствии с разработанным выше подходом для учета кинетических факторов, необходимо рассматривать не только (и не столько) наиболее устойчивое соединение G^* (получено, что это гематит Fe₂O₃), но и «промежуточные» G_i. Моделирование и расчет показали, что при всех рассматриваемых температурах химической промывки «первым» (G₁) среди них (с которого начнется осаждение при растворении магнетита) оказался гидроксид Fe(OH)(am).

Причем как в нейтральной, так и в кислой среде при низких температурах более устойчивым является Fe(OH)₃, при повышенных — Fe₃O₄. Для условий химической промывки котла, т.е. для исследуемого сернокислого раствора, температура взаимного перехода Fe(OH)₃ и Fe₃O₄, как получено в результате расчетов, составляет ~73C. То есть ниже ~73C более устойчивым является Fe(OH)₃ (am), выше - Fe₃O₄.

Вскрыть механизмы происходящих фазово-химических взаимодействий позволяют результаты по детальному химическому составу раствора. В соответствии с полученным выше все температурные зависимости состоят (имея изломы) из двух областей: до ~73C (точка смены фаз) они соответствуют системе Fe(OH)₃ — раствор, выше — Fe₃O4 — раствор.

Эта картина дает, в частности, еще один довод нецелесообразности значительного нагрева промывочных растворов — снижение эффективности связывания серной кислоты с железом: если при 25 и 75C количество непрореагировавшей H2SO4 составляет, около 14 и 20% соответственно, то при 100C — более 31%.

Очень показательно (в плане сравнения с полученными ранее закономерностями) влияние температуры на характер рассматриваемых превращений. Так, ее рост снижает устойчивость наиболее сложных, комплексных ионов — дисульфата Fe(SO₄)^2— (по сравнению с моносульфатом FeSO₄⁺), полиядерных Fe₂(OH)₂ ⁴⁺ и Fe₃(OH)₄ ⁵⁺ и др. В то же время глубже идет гидролиз железа, но ослабляются кислотные (диссоциация H₂SO₄) и окислительно-восстановительные (доля Fe(II) растет) свойства среды.