Автор: Дипл. инж., бакалавр наук Франк Шпренгер
Использование скрытой тепловой энергии в конденсационных котлах, достигаемое за счет конденсации водяного пара, несет в себе риск коррозии. Чтобы противодействовать этому, необходимо применять соответствующие стойкие материалы, а конденсат, при необходимости, нейтрализовать.
При работе котлов отопления конденсат образуется, когда дымовые газы, образующиеся в процессе горения, охлаждаются ниже температуры точки росы, в результате чего содержащийся в них водяной пар конденсируется. Поскольку конденсат из-за кислотообразующих компонентов в дымовых газах способствует коррозии, в традиционной технике отопления (например, в современных низкотемпературных котлах) конденсацию предотвращают конструктивными мерами.
Однако конденсация водяного пара несет в себе и энергетическое преимущество — высвобождающуюся при этом теплоту конденсации. Эта так называемая скрытая доля тепла долгое время считалась непригодной к использованию из-за вышеупомянутого коррозионного воздействия конденсата. Именно поэтому в Германии до сих пор при указании коэффициента полезного действия (КПД) за основу берется ощутимая (физическая) доля тепла, относящаяся исключительно к газообразным продуктам сгорания.
Благодаря конденсационным котлам, предлагаемым на рынке уже более 15 лет, теперь стало возможным использовать и скрытую долю тепла, достигая, согласно существующему определению, КПД более 100%. В этой технологии дымовые газы целенаправленно охлаждаются холодной обратной водой, а содержащийся в них водяной пар доводится до конденсации в части котла, изготовленной из коррозионностойкого материала. Таким образом, повреждения котла, вызванные коррозионными компонентами образующегося конденсата, предотвращаются. Однако при отведении конденсат по-прежнему может вызывать проблемы.
Рисунок 1 – Теоретически, по отношению к низшей теплоте сгорания (Hi), использование топлива с учетом теплоты конденсации для газа может достигать 111%, а для нефти – 106%
Количество образующегося конденсата существенно зависит от состава используемого топлива. В сфере теплогенерации в настоящее время это, главным образом, энергоносители — газ и нефть. При оценке топлива ощутимое количество тепла, которое можно из него получить, обозначается как низшая теплота сгорания (Hi), а общее количество ощутимого и скрытого тепла — как высшая теплота сгорания (Hs). Исходя из этих значений, теоретически возможный выигрыш в скрытой теплоте для газа составляет около 11%, что почти вдвое выше, чем для нефти (около 6%) (Рисунок 1). Схожие соотношения существуют и для количеств образующегося конденсата, так как они напрямую связаны с выигрышем в скрытой теплоте.
Если принять теплоту парообразования/конденсации воды равной 627,2 Вт·ч/кг, то теоретически, при полной конденсации и с учетом исходных свойств веществ, получается количество конденсата 0,153 кг/кВт·ч для газа и 0,089 кг/кВт·ч для нефти (Рисунок 2). Однако на практике фактическое количество конденсата иногда значительно отклоняется от этих значений. Это связано, с одной стороны, с количеством и влажностью воздуха, участвующего в процессе горения, а с другой стороны, в частности, с достижимой температурой дымовых газов. Чем она ниже, тем больше тепла отнимается у дымовых газов и тем большее количество конденсата выпадает. Фактором, влияющим на температуру дымовых газов, является загрузка или соотношение тепловой мощности и эффективной площади теплообменника конденсационного котла. Основным условием для конденсации является температура обратной воды ниже температуры точки росы. Высокие температуры точки росы, соответственно, благоприятствуют конденсации. Для топливного газа этот показатель составляет около 55°C, что несколько выгоднее, чем для нефти с её 47°C. Эта разница обусловлена меньшим содержанием водяного пара, а также долей серы в топочном мазуте, которые оказывают понижающее действие на температуру точки росы.
Рисунок 2 – Используя теплоту парообразования/конденсации воды, можно рассчитать количество воды, содержащейся в дымовых газах при сгорании, исходя из низшей и высшей теплоты сгорания соответствующего топлива.
Свойства конденсата также в первую очередь зависят от состава топлива и типа сгорания. При полном сгорании углерод и водород топлива соединяются с кислородом воздуха для горения. Этот процесс высвобождает тепло, при этом образуются, прежде всего, диоксид углерода и вода (Рисунок 3). Содержащийся первоначально в дымовых газах водяной пар состоит из водорода и влаги, содержащихся в топливе, а также влажности воздуха для горения. Однако в процессе конденсации в образующемся конденсате растворяются и другие компоненты дымовых газов. Именно эти компоненты и делают конденсат, как правило, кислым.
Мера кислотности жидкостей обычно выражается через pH. Нейтральные жидкости, такие как вода, имеют pH 7. Вещества с более низким pH определяются как кислые, вещества с более высоким pH — как основные (щелочные). Изменение pH на одну единицу соответствует изменению степени кислотности в 10 раз. С увеличением концентрации кислоты и снижением pH жидкости становятся всё более едкими. Кислоты способны растворять, особенно неблагородные металлы, с выделением водорода, а также разлагать различные другие материалы. По этой причине в конденсате стремятся к максимально низкой концентрации кислоты, то есть к высоким значениям pH.
В общем случае pH конденсата из конденсационных котлов находится в диапазоне между 1,8 и 3,8 для нефтяного отопления и между 3,8 и 5,3 для газового отопления (Рисунок 4).
Рисунок 3 – При полном сгорании углерод и водород топлива соединяются с кислородом воздуха для горения, в результате чего образуются диоксид углерода и вода.
В качестве основного кислотообразователя в конденсате следует назвать диоксид углерода (CO₂), образующийся при сгорании. Он поглощается конденсатом и образует там угольную кислоту (H₂CO₃). Однако в условиях, преобладающих в конденсационной технике, угольная кислота в конденсате едва ли может вызвать pH ниже 4,3. Следовательно, более низкие значения pH могут быть вызваны только существованием других, более сильных кислот, и поэтому они нетипичны для газовых конденсационных котлов. Такое влияние может исходить, в том числе, от азотной кислоты (HNO₃). Она образуется из оксидов азота (NOx), которые могут образовываться при сгорании из атмосферного азота. Поскольку реакция образования оксидов азота тесно связана с условиями горения, на неё можно напрямую влиять. Благодаря низким температурам горения и оптимально подобранному соотношению топлива и воздуха для горения, образование оксидов азота и, следовательно, образование азотной кислоты можно свести к минимуму.
Низкие значения pH также могут вызываться сернистой кислотой (H₂SO₃) и серной кислотой (H₂SO₄). Наличие таких кислот определяется исключительно содержанием серы в топливе, и поэтому его можно уменьшить только за счет использования малосернистого топлива. Поскольку обычное жидкое топливо (нефть/мазут), как правило, содержит гораздо более высокую долю серы, чем предлагаемый газ, проблема образования серной кислоты касается в первую очередь нефтяных отопительных систем. Хотя сегодня доступно и обессеренное жидкое топливо, нефтяная конденсационная техника до сих пор мало распространена, прежде всего из-за меньшей доли теплоты конденсации и более низкой температуры точки росы (Рисунок 5).
Рисунок 4 – Значение pH 7 считается нейтральным. Вещества с более высокими значениями pH являются щелочными, с более низкими – кислыми.
Агрессивному воздействию кислот особенно подвержены металлы, контактирующие с ними. Поэтому в конденсате, как правило, можно проанализировать концентрации и других компонентов, таких как железо, хром, алюминий, никель, медь и цинк. Уровень содержания металлов при этом зависит, главным образом, от силы кислоты и используемых металлических материалов. Более сильные кислоты, а также менее благородные металлы приводят к более высоким нагрузкам (загрязнениям) в конденсате. Следовательно, профессиональный выбор используемых материалов является обязательным.** Это относится не только к материалам, применяемым в самом котле, но и к дымоходной системе, и к трубопроводу для отвода конденсата. Особенно медь и латунные сплавы, которые ошибочно часто используются в линиях конденсата, приводят к соответствующему высокому уровню концентраций этих металлов в стоках.
**) Согласно DIN 1986-4, основными материалами, неограниченно стойкими к конденсату, являются керамика (каменная керамика), стекло, поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), сополимеры стирола (АБС/ASA), полиэфирная смола (UP) и нержавеющая сталь. При плановом смешивании с другими сточными водами могут также использоваться трубы из асбестоцемента, чугуна или стали.
Для защиты общественных канализационных сооружений и биологических процессов на очистных сооружениях от повреждений или нарушений при сбросе конденсата из конденсационных котлов в канализацию необходимо соблюдать местные предписания властей.
В основном рабочий лист дифференцирует допустимость сброса конденсата с установкой нейтрализации и без неё в зависимости от мощности котла. Кроме того, устанавливаются предельные значения для концентрации компонентов в конденсате и приводятся допустимые материалы для конденсатопроводов.
Поскольку хозяйственно-бытовые сточные воды имеют скорее щелочную реакцию и образуют щелочные отложения в канализационных трубах, значение pH конденсата в канализации обычно несколько повышается. В среднем концентраций щелочей в бытовых сточных водах даже достаточно для подъема pH количества конденсата, образующегося в том же домохозяйстве от конденсационного котла, в нейтральную область. Однако, поскольку сточные воды и конденсат редко поступают синхронно, опасность повреждения кислыми сбросами, несмотря на этот эффект, сохраняется.
По этой причине, согласно Рабочему листу ATV-A 251 (Германия), особо кислый конденсат от нефтяных (мазутных) отопительных систем подлежит нейтрализации во всех без исключения случаях, а конденсат от газовых отопительных установок мощностью от 200 кВт и выше подлежит нейтрализации, как правило. Только конденсат от газовых установок мощностью менее 25 кВт классифицируется там как безвредный. Для установок такого типа и размера исходят из достаточного смешения конденсата и сточных вод, так что сброс здесь может осуществляться непосредственно без особого контроля или проверки.
Для конденсата от установок на природном и сжиженном газе в диапазоне мощности от 25 до 200 кВт от нейтрализации также можно отказаться при соблюдении определенных условий. В основе лежит принцип, что в среднегодовом исчислении объем бытовых сточных вод должен как минимум в 25 раз превышать ожидаемый объем конденсата, поступающий в том же месте сброса в общественную канализацию. При таком условии и здесь можно исходить из достаточного смешения конденсата и сточных вод (Рисунок 6).
Рисунок 5 – Основным кислотообразователем при сгорании является диоксид углерода. Однако значения pH ниже 4,3 в конденсационной технике обычно могут быть вызваны только другими элементами, такими как сера или азот.
Определение соотношения смеси конденсата и сточных вод требует знания соответствующих объемов. Фактическое количество конденсата, образующееся на практике, которое также представляет интерес для расчета возможной установки нейтрализации, как упоминалось вначале, зависит от различных факторов. По этой причине в Рабочем листе ATV-A 251 установлены максимально достижимые количества конденсата, составляющие 0,14 кг/кВт·ч для газовых установок и 0,08 кг/кВт·ч для нефтяных установок. На основе этих значений можно приблизительно рассчитать практически максимальное количество конденсата, образующегося за год (Рисунок 7).
Рисунок 6 – Согласно Рабочему листу ATV-A 251 (Германия), обязательность нейтрализации для газовых конденсационных котлов зависит от мощности горелки/установки.
Объем образующихся сточных вод, как правило, зависит от использования соответствующего здания и может быть взят из соответствующей таблицы Рабочего листа ATV-A 251. Для упрощенного определения достаточного соотношения смеси конденсата и сточных вод в Рабочем листе ATV-A 251 было определено дополнительное соотношение для жилых домов, а также для офисных и аналогичных производственных зданий. В жилых домах достаточное соотношение смеси конденсата и сточных вод достигается тогда, когда в зависимости от количества конденсата минимальное количество квартир сбрасывает свои сточные воды в том же месте в канализационную сеть. При этом для жилых зданий исходят из 2000 часов полной нагрузки в год. По тому же принципу для офисных и аналогичных производственных зданий устанавливается связь между количеством конденсата и минимальным количеством сотрудников в офисе. Здесь за основу принимается 1700 рабочих часов в год (Рисунок 8).
Рисунок 7 – Согласно Рабочему листу ATV-A 251, следует исходить из практически максимального годового количества конденсата.
Если по местным предписаниям коммунальных служб водоотведения или согласно условиям сброса Рабочего листа ATV-A 251 требуется нейтрализация конденсата, то pH образующегося конденсата необходимо повысить до безвредной, желательно щелочной области. Для этой цели используются вещества, дающие щелочную реакцию. Они содержат ионы кислорода, которые вместе с ионами водорода, содержащимися в кислоте, образуют нейтральную воду. В крупных установках нейтрализации для этого чаще всего используется гидроксид натрия (едкий натр, NaOH), который добавляется к кислоте в соответствующем количестве. В небольших установках применяются, в т.ч., ионообменные установки. Однако в этой области грануляты в настоящее время, вероятно, являются наиболее распространенными средствами нейтрализации. Обычно они состоят из природных веществ, таких как известняк, доломит, мрамор, оксид магния или смеси этих веществ. Аппараты, оснащенные соответствующими нейтрализующими средствами, могут работать по накопительному принципу, но при небольших количествах конденсата обычно выполняются по проточному принципу.
Например, компания Buderus GmbH предлагает установки нейтрализации, специально предназначенные для конденсата от газовых конденсационных котлов. Они работают по проточному принципу со сферическим, пористым нейтрализационным гранулятом, состоящим из смеси оксида магния (MgO) и гидроксида магния (Mg(OH)₂). Гранулят связывается с угольной кислотой, которая в таких установках в основном содержится в конденсате. При этом образуется нейтральная вода, а также гидрокарбонат магния — безвредная для человека и окружающей среды соль (Рисунок 9). Этот продукт реакции, если он уже не был вымыт водой, может утилизироваться вместе с бытовыми отходами без каких-либо дополнительных требований.
Рисунок 8 – Для упрощенного определения достаточного соотношения смеси конденсата с хозяйственно-бытовыми сточными водами в Рабочем листе ATV-A 251 мощность котла соотносится с минимальным количеством квартир или сотрудников в офисных зданиях.
Для газовых конденсационных котлов мощностью до 850 кВт предназначена установка нейтрализации NE 1.1. В ней конденсат сначала поступает в камеру с нейтрализующим средством. Он протекает через неё снизу вверх и, будучи нейтрализованным, переливается через край камеры в накопительную емкость. При достижении максимального уровня там активируется датчик давления, включающий насос конденсата, который снова опорожняет накопительную емкость (Рисунок 10).
Рисунок 9 – С помощью нейтрализационного гранулята из оксида магния и гидроксида магния можно нейтрализовать угольную кислоту.
Похожим образом, но с несколько иной конструкцией, работает и установка нейтрализации NE 2.0. Она обеспечивает нейтрализацию больших количеств конденсата от газовых конденсационных котлов мощностью до 1500 кВт. Здесь светодиоды информируют о текущем рабочем состоянии и о возможной необходимости замены гранулята. Установка имеет функцию самоконтроля (Рисунок 11).
Рисунок 10 – Установка нейтрализации для конденсата от газовых конденсационных котлов мощностью до 850 кВт (NE 1.1, Buderus GmbH).
На сегодняшний день при производстве тепла наивысшая эффективность использования топлива достигается с помощью конденсационных котлов. Благодаря высокой эффективности этой технологии можно снизить не только затраты на энергию, но и потребление ресурсов, а также выбросы. В образующемся при этом конденсате связываются кислотообразующие компоненты дымовых газов. Поскольку они, таким образом, не попадают в воздух и не могут при определенных обстоятельствах образовывать там «кислотные дожди», это свойство дополнительно снижает нагрузку на окружающую среду.
Однако от самого конденсата, имеющего теперь кислую реакцию, исходит коррозионное воздействие. Для защиты канализационных систем и очистных сооружений от повреждений в Рабочем листе ATV-A 251 были определены правила соответствующего сброса конденсата. В этом документе, которому следуют многие органы водоотведения, сброс разрешается как при наличии установки нейтрализации, так и, при определенных условиях, без неё. Благодаря смешиванию конденсата с обычно щелочными сточными водами и последующему повышению pH, для газовых конденсационных котлов, которые имеют лишь небольшую кислотную нагрузку в конденсате, общая обязательная нейтрализация требуется только с мощности 200 кВт. Но даже если нейтрализация необходима, на рынке уже существуют удобные и надежные устройства для газовых конденсационных котлов, которые поднимают pH в нейтральную область.
Рисунок 11 – Установка нейтрализации для конденсата от газовых конденсационных котлов мощностью до 1500 кВт (NE 2.0, Buderus Heiztechnik GmbH).
Литература:
Нормативная документация ATV (Германия) по сточным водам и отходам, Рабочий лист ATV-A 251 (Германия), Конденсаты из конденсационных котлов, Издательство GFA - по водоотведению, отходам и защите водных объектов, Хеннеф, 1998 г.