Конденсат і низькотемпературна корозія

Що таке конденсат

У широкому розумінні цього слова, конденсат – це речовина, яка в результаті свого охолодження перейшло (конденсировалось) з газоподібного в рідкий або твердий агрегатний стан. В нашому випадку, конденсат – це вода і розчинені в ній летючі речовини, які присутні в димових газах. Конденсат може збиратися і накопичуватися у внутрішніх порожнинах димових труб теплообмінників, проявляючись у вигляді крапельок, струмочків і калюж рідини в самих несподіваних і невідповідних місцях. Конденсат з димових газів – це завжди агресивне середовище, руйнує матеріал камери згоряння котла, його теплообмінника та димових труб. Хімічний склад такого конденсату неймовірно різноманітний, мінливий і суперечливий.

Звідки береться конденсат з димових газів

Конденсат з димових газів виникає в результаті конденсації водяних парів, що містяться у відхідних газоподібних продуктах горіння (димових газах).

Звідки водяні пари в димових газах

Молекули води утримуються в самій паливної маси і синтезуються безпосередньо в процесі її горіння.

Будь-яке доступне побутове паливо має вуглеводневу природу

У процесі горіння вуглеводневого палива обов'язково синтезується вода у результаті термічного розкладання (піролізу) молекул вуглеводню з подальшим окисленням (горінням) отриманих продуктів піролізу палива. Тому, газоподібні продукти горіння (димові гази) вуглеводневої палива завжди містять водяну пару, синтезований у процесі піролізу і горіння паливного речовини:

CmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) Н2О + Q
Де, (m) і (n) – число атомів вуглецю і водню в молекулі вуглеводню

До вуглеводневого палива відноситься вся органіка (у т. ч. деревина), природний газ, нафта, вугілля та продукти їх переробки.

Найбільший вміст водяної пари в димових газах дає горіння дров, особливо сирих (вологістю до 45%). Волога, що міститься в порах і порожнинах деревини, випаровується і переходить до складу димових газів, прибавляясь до синтезованої воді.

Зона конденсації водяної пари

Покинувши високотемпературну зону горіння, димові гази починають віддавати тепло і охолоджуватися. Охолодити до температури «точки роси», водяна пара починає конденсуватися на поверхні теплообмінника котла і його димових труб. Місце, де температура димових газів відповідає «точки роси» і де починається конденсація водяної пари – називається «зона конденсації».

Переміщення зони конденсації водяної пари

Зона конденсації – дуже рухливий ділянку, який ніколи не стоїть на місці. Відразу після розпалювання холодного казана – зона конденсації знаходиться прямо в його теплообміннику або безпосередньо за ним. По мірі роботи теплоагрегата – система димовидалення прогрівається і зона конденсації поступово переміщується вздовж димової труби, до її краю. Переміщення зони конденсації відбувається тим швидше, чим вище температура димових газів і менше тепловтрати на прогрів чергового холодного ділянки труби. Зрештою, зона конденсації переміщається на самий край димової труби, практично – в атмосферу. Після повного прогрівання внутрішніх поверхонь системи димовидалення, утворення конденсату безпосередньо на них припиняється і відбувається вже в атмосферному шарі. Це є «абсолютний зер гут», бо в цьому випадку – повністю виключено вплив агресивного середовища (конденсату) на стінки деталей котла і системи його вентиляції.

Таємнича «точка роси»

Точка роси безпосередньо пов'язана з абсолютної, відносної та фактичною вологістю.

Абсолютна вологість – максимально можливий вміст вологи в повітрі. Абсолютна вологість вимірюється в г/м3 і залежить від температури повітря. Кожному значенню температури повітря відповідає своє значення показника абсолютної вологості. Чим менше температура повітря, тим менше вологи воно може в собі вмістити, і відповідно – тим менше буде показник абсолютної вологості.

Фактична вологість – фактичний вміст вологи в повітрі. Фактична вологість вимірюється в г/м3, не залежить від температури повітря і відображає реальний вміст вологи в повітрі.

Відносна вологість – відношення змісту максимально-можливої (абсолютної) вологи до її фактичного вмісту в повітрі. Відносна вологість вимірюється у відсотках і показує процентний вміст вологи в повітрі від максимально можливого. Показник відносної вологості не буває більше 100%, і це – вкрай нестійкий стан.

«точка роси» – це температура охолоджуваного повітря, при якій його відносна вологість досягає позначки 100% і водяні пари починають «випадати в осад», тобто конденсуватися. Іншими словами, «точка роси – це температура, до якої потрібно охолодити повітря, щоб з нього виділився водяний конденсат (з'явилася роса).

Точка роси залежна від температури повітря і фактичного вмісту вологи в ньому

Залежність точки роси

Залежність точки роси можна простежити, теоретично проаналізувавши процес охолодження вологого повітря.

(конденсація водяної пари відбувається в інтервалі температур від 0°С до 100°С)

• При охолодженні вологого повітря:
  абсолютна вологість знижується і тяжіє до нуля,
  фактична вологість залишається незмінною,
  відносна вологість – росте і прагне до свого максимуму (100%)

На цьому етапі змінюються лише параметри вологого повітря, але не відбувається ніяких видимих змін

• При подальшому охолодженні вологого повітря:
  абсолютна вологість знижується і прагне до нуля
  фактична вологість залишається незмінною
  зростання відносної вологості досягає максимальної межі (100%) і зупиняється

Це температура точки роси. На цьому етапі настає пересыщение повітря водяною парою. Вкрай нестійкий стан. Перші частки водяної пари починає конденсуватися в навколишньому середовищі.

• При подальшому охолодженні вологого повітря:
  значення абсолютної вологості продовжує знижуватися і прагне до нуля
  значення фактичної вологості теж знижується і прагне до нуля
  значення відносної вологості – залишається на позначці 100%.

При подальшому охолодженні такого повітря, відносна вологість буде залишатися незмінною (100%), а значення абсолютної і фактичної вологості – зменшуватися. Зменшення фактичної вологості буде відбуватися за рахунок випадання надмірної вологи в конденсат. Тобто, одного разу досягнувши температури точки роси, повітряна середовище весь час буде перебувати в такому стані до повного свого осушення, за умови, що подальше охолодження не припиняється.

Таблиця температури точки роси

За визначення температури точки роси, приймається така температура, при охолодженні до якої, з повітря, водяна пара починає конденсуватися. Складемо експериментальним шляхом таблицю залежності точки роси від вологості і температури повітря.

Таблиця значення температури точки роси (°С) для різних умов

Як потрібно читати цю таблицю
Наприклад, температура повітря 10 °С, відносна вологість 30%. На перехресті цих граф ми бачимо цифру -6. Це означає, що якщо повітря, температура якого 10 °С і відносна вологість 30%, охолодити до температури -6 °С, то почнеться виділення конденсату з нього. Або так – в повітрі, температура якого 10 °С і відносна вологість 30%, водяна роса з'явиться на будь-якому предметі, температура поверхні якого, дорівнює або нижче -6 °С.

Як бачимо з таблиці, чим менша відносна вологість повітря, тим температура точки роси нижче температури самого повітря. У міру того, як підвищується відносна вологість повітря (повітря набирає, «вбирає» в себе вологу) – температура точки роси наближається до температури самого повітря і, при 100% відносній вологості, точка роси, фактично збігається з температурою повітря.

Точка роси в теплообміннику котла

При розпалюванні холодного котла, виходять з камери згоряння димові гази (продукти горіння), мають температуру, приблизно 500-800 °С і відносну вологість, в середньому близько 85%. Потрапляючи в холодний теплообмінник (20°С) і стикаючись з його холодною поверхнею, гази миттєво охолоджуються, вологоємність (максимально можливий вміст вологи) повітря знижується і надлишок вологи випадає у вигляді роси на поверхні теплообмінника.

Як захиститися від конденсату в котлі і димових трубах

З вищесказаного ясно, що конденсація водяних парів – чисто фізичний процес, який неминучий при охолодженні димових газів. Захист від утворення конденсату в котлі і димових трубах може бути тільки одна: Не допустити охолодження продуктів горіння нижче «точки роси» до їх повного викиду в атмосферу.

Все зводиться до елементарного утеплення димових труб і дотримання теплового режиму експлуатації котлоагрегату.

Дотримання теплового режиму експлуатації котла

Практикою доведено, що якщо температура труби відвійок теплоносія менше 50°С – можлива поява конденсату в теплообміннику твердопаливного котла. Таким чином, дотримання теплового режиму експлуатації котлоагрегату зводиться до максимально швидкого розігріву його водяної сорочки в теплообміннику до температури 50°С і більше, з подальшим підтриманням її на належному рівні, незалежно від температури теплоносія в самій системі опалення. Такий тепловий режим досягається за рахунок інженерних рішень в системі опалення з використанням байпасів і триходових кранів, регулюють температуру теплоносія в обрате котла.

Про байпас і триходовий кран

Байпас – це труба, яка безпосередньо з'єднує подачу і обрат дров'яного котла і утворює так звані «мале коло» (див. малюнок про байпас). Через байпас триходовий кран змішує гарячий і холодний теплоносій, підтримуючи температуру відвійок, не менше 50°С. При тому регулюється кількість гарячої води, яке повинно піти відразу в обрат (в мале коло), а яке – далі, в опалювальну систему. За допомогою цих нехитрих пристосувань гарячий теплоносій «крутиться» по малому колу і з подачі повертається назад в дров'яної котел, поки не прогріється сорочка охолодження котла і його теплообмінник. У міру прогріву котла, триходовий кран поступово перекриває надходження гарячого теплоносія в обрат і направляє гарячий теплоносій у систему опалення. Такий підхід до монтажу дозволяє швидко і без конденсату запускати холодний твердопаливний котел, незалежно від температури теплоносія.

Дренаж системи димовидалення

Зайве влаштувати дренаж опалювального агрегату (котла) і системи димовидалення (димових труб), щоб збирати та відводити конденсат, що утворився для подальшої його утилізації. Тут, дуже важливо витримати ухили і контрухили для горизонтальних ділянок димових труб, а також порядок складання всієї дымоудаляющей системи.

Це цікаво (ще раз про конденсат)

Конденсат може зіграти злий жарт при першому заповненні опалювальної системи холодним теплоносієм. Якщо температура заливається теплоносія не буде дорівнює температурі навколишнього середовища, то може початися конденсація водяних парів з повітря прямо на деталях котла і опалювальної системи. Недосвідчений користувач може прийняти такі водообразования за факт розгерметизації опалювальної системи. Найбільше страждають від конденсату власники твердопаливних котлів, що працюють на звичайних дровах і вугіллі. Оскільки, в цьому випадку, до синтезованої воді додається вода, що міститься в порах і пустотах самої деревини. Іноді – це дуже багато. Адже стандартне деревне паливо, вологістю 25-35% може містити від 150 до 300 грамів води в кожному своєму кілограмі! Особливо багато води виділяється під час розпалу і розгортання дров, коли йде активна просушування деревини під впливом високої температури.

Утворюються в процесі горіння палива димові гази активно реагують з металом по всій поверхні нагріву. При високій температурі корозійно небезпечним є кисень, при низькій – сконденсировавшиеся водяні пари і розчини сірчистої і сірчаної кислот.

Низькотемпературна корозія

При спалюванні мазуту, кам'яного і бурого вугілля в умовах надлишку повітря в температурному інтервалі 400-1200 °С утворюються сірчистий і сірчаний ангідриди – SO₂ і SO₃. При конденсації продуктів згоряння в результаті взаємодії SO₂ і SO₃ з Н₂Про утворюються сірчиста і сірчана кислоти, які викликають інтенсивне руйнування металевих поверхонь нагріву. Точка роси для високосірчистих палив (S ≥ 2% по масі) становить ~ 160 °С. Точка роси для продуктів згорання природного газу при теоретичному співвідношення газ-повітря ~ 53 °С. (залежить від атмосферного тиску і атмосферної вологості повітря).

Найбільша швидкість корозії має місце при температурі поверхні нагріву близької до температури точки роси – t_р. При температурі поверхні t_пов > t_р швидкість корозії незначна. При роботі на твердому сірковому паливі в зоні температур 70-110 °С швидкість корозії становить ~ 0,6 мм в рік. При роботі на сірковому мазуті швидкість корозії декілька вище.

На зниження інтенсивності низькотемпературної корозії впливають:

- підвищення температури димових газів;

- зниження надлишку повітря при спалюванні палива;

- зниження температури точки роси – t_р;

- підвищення температури металу (хвостових поверхонь нагріву) різними технологічними прийомами (байпас або триходовий клапан.

При підвищенні температури відхідних димових газів вище температури точки роси на 100-150 °С конденсації продуктів згоряння на поверхні нагріву практично не відбувається. Однак при цьому на 10-15% знижується ККД котла. До недоліків цього способу зниження інтенсивності корозії відносять неминуче підвищення забруднення навколишнього середовища і збільшення витрати палива.

Снижение температуры точки росы при сжигании высокосернистых топлив до 70–60 °С, также практически исключает конденсацию продуктов сгорания на поверхности нагрева. Эффективным и сравнительно недорогим для снижения точки росы является ввод аммиака NH₃ в дымовые газы при температуре около 350 °С в количестве не более 2,5% от массы серы, содержащейся в топливе. Аммиак, соединяясь с парами воды, образует нашатырный спирт NH₄OH, а последний реагирует с кислотами по уравнениям:

2 NH₄OH+H₂SO₄ = (NH₄) 2SO₄+2H₂O;

2 NH₄OH+H₂SO₃ = (NH₄) 2SO₃+2H₂O;

В результаті виходять сірчанокислі солі, які для металу не є агресивним продуктом.

Прикладом технологічних прийомів підвищення температури металу хвостових поверхонь нагріву є широко використовуваний спосіб підвищення температури, подаваного в повітропідігрівник повітря шляхом влаштування рециркуляції.