A víz kondicionálása. Dr. İsz János, BME EGR Tsz. Tajti Tivadar, LG Energia Kft Atomerımővek BME NTI

Átírás

1 A víz kondicionálása Dr. İsz János, BME EGR Tsz. Tajti Tivadar, LG Energia Kft Atomerımővek BME NTI

2 Tartalom 1. Lúgos vízkémia. 2. Semleges vízkémia 3. Kondicionáló vegyszerek Ammónia Hidrazin Nem illékony lúgosító vegyszerek Atomerımővek 2/22

3 Feladat Az energetikai rendszer adott szerkezeti anyag összetételénél a szerkezeti anyag-víz kölcsönhatás irányítása, a fémfelületek elvárt mértékő korróziójának biztosítása, a víz kondicionálásával történik. A víz ph-értéke alapján lúgos és semleges vízkémia különböztethetı meg Atomerımővek 3/22

4 1. Lúgos vízkémia A lúgos vízkémia alapja, hogy az energetikában alkalmazott acél és réz védı oxidrétegének minimális oldhatósága, így az acél és réz elektrokémiai korróziójának minimuma lúgos tartományban van. A lúgos vízkémia feltétele az energiarendszerben keringı víz minimális oxigén koncentrációja (gáztalanítás!) a víz minimális (gızerımővek) vagy nagyobb (kazántelep, távhırendszer) elektromos vezetıképessége mellett Atomerımővek 4/22

5 1. Lúgos vízkémia A víz ph o -értéke alapján enyhén lúgos (ph o =7,5-8,5), lúgos (ph o =9,1-9,3), magas ph-jú (ph o =9,6-10) vízkémia különböztethetı meg Atomerımővek 5/22

6 1.1. Enyhén lúgos vízkémia A vízkémia filozófiája, hogy Cu-Fe szerkezeti anyag kombináció mellett a rézfelületek minimális korrózióját (a CuO oldhatóság minimuma ph o =8,1-8,3), s ezzel a minimális réz korróziótermék transzportot biztosítja. Következménye: minimálisnál nagyobb vas korróziótermék transzport (gızerımővekben a Fe-felület nagyobb), a kondenzátum-tisztító kevertágyas ioncserélıje kis mennyiségő kondicionáló vegyszert von ki, ezért folyamatos üzemő, az acélfelületek eróziós-korróziójánál igen nagy vas korróziótermék transzport. Hazai példa: A PA szekunderkör ( ig) Atomerımővek 6/22

7 1.2. Lúgos vízkémia A vízkémia filozófiája, hogy Fe-Cu szerkezeti anyag kombináció mellett a vasfelületek minimális korrózióját (a Fe 3 O 4 oldhatóság minimuma), s ezzel a minimális vas korróziótermék transzportot biztosítja. Következménye: minimálisnál nagyobb réz korróziótermék transzport, a kondenzátum-tisztító kevertágyas ioncserélıje nagy mennyiségő kondicionáló vegyszert von ki, ezért szakaszos üzemő. Hazai példa: Hazai fosszilis tüzelıanyagú blokkok (Dunamenti, Tiszai, Oroszlány) Atomerımővek 7/22

8 1.3. Magas ph-jú vízkémia A vízkémia filozófiája, hogy mivel a tápvízrendszerben meghatározó az acélfelületek erózióskorróziója, e felületek minimális eróziós-korrózióját (minimális w k ) a tápvíz ph o =9,6-10,0 tartománya a minimális vas korróziótermék transzportot biztosítja. Következménye: homogén acél felület, a kondenzátum-tisztító kevertágyas ioncserélıje nem üzemelhet (hőtıvíz-tömör kondenzátor), mert igen nagy mennyiségő kondicionáló vegyszert vonna ki. Hazai példa: PA szekunderkör ( )-tıl, Csepeli Erımő Atomerımővek 8/22

9 2. Semleges vízkémia A semleges oxidatív vízkémia alapja, hogy kis fajlagos villamos vezetéső vízben (κ 0,2 µs/cm) és telített gızben oldott, nagyobb oxigén koncentráció nem eredményezi az acél nagyobb általános korrózióját, sıt megbízhatóan passziválja az acélt o C hımérséklettartományban, az oxigén nagyobb ( µg/kg) koncentrációjánál. (Meg kell azonban jegyezni, hogy az acél oldhatósága kismértékben nagyobb, mint lúgos vízkémiánál). A semleges vízkémia feltétele az energiarendszerben keringı víz minimális fajlagos villamos vezetése (kondenzátum-tisztítás kevertágyas ioncserélıje?), ezért ph o =6,5-7,5, O 2 tartalom: fıcsapadékvízben (K-KE között) µg/kg, tápvízben (NE) µg/kg Atomerımővek 9/22

10 c Fe =f(κ,o 2 ) Atomerımővek 10/22

11 2. Semleges vízkémia Hazai példa: Mátrai erımő. A mátrai erımő 200 MW-os blokkjainál Heller-Forgó légkondenzációs hőtıtorony, apróbordás alumínium hıcserélıkkel, melyek hőtıvízzel érintkezı felülete ( m 2 ) közel azonos az acélfelülettel. Az Al 2 O 3 oxidréteg minimális oldhatósága ph o 7,0, s ez indokolja a semleges vízkémiát. A kondenzátumtisztító kevertágyas ioncserélıje elsısorban az Alionok eltávolítására szolgál. A nemzetközi gyakorlatban még semleges reduktív vízkémia (lásd enyhén lúgos), kombinált vízkémia (ph o =8,0-8,5 és O 2 =50 µg/kg.) Atomerımővek 11/22

12 3. Kondicionáló vegyszerek A gızerımővek munkaközege teljesen sótalanított víz, ezért ph o 7,0. A közeg kondicionálására (a ph-érték beállítására) lúgosító vegyszert kell adagolni. A lúgosító vegyszerek a megoszlási tényezıjük alapján illékony (δ i >1), pl.: NH 3, morfolin, nem illékony (δ i <1), pl. NaOH (LiOH, KOH). Az illékony lúgosító vegyszereket transzportjuk miatt a folyadékfázisú munkaközegbe (fıcsapadékvíz, tápvíz), a nem illékony lúgosító vegyszereket a gızfejlesztı vízbe (kazánvízbe) kell adagolni Atomerımővek 12/22

13 Egyéb vegyszerek A kondicionálás mellett az energiarendszerekbe keringı vízbe egyéb célból is adagol/hat/nak vegyszereket: kémai gáztalanítás (N 2 H 4 ), lerakódásgátlás (kazánvízbe Na 3 PO 4, munkaközegbe komplexon), korróziógátlás (főtési melegvízbe inhibitor), állás alatti konzerválás (N 2 H 4, ODA) Atomerımővek 13/22

14 3.1. Ammónia Az illékony NH 3 megoszlási tényezıje: δ = f ( T[ p ], ph, c s 3 NH 3 NH változik a gızkörfolyamatban. Hazánkban elterjedten használják (lúgos vízkémia: adagolás a tápvízbe, vagy fıcsapadékvízbe.) Az NH 3 megoszlási tényezıje a hımérséklet növekedésével csökken: kondenzátorban δ 20, gızfejlesztıben δ 5-2. ) Atomerımővek 14/22

15 Az ammónia megoszlási tényezıje a hımérséklet ( o C) függvényében [Heitmann] Atomerımővek 15/22

16 3.2. Hidrazin A hidrazin az energiarendszerekben megköti az oxigént, szabályozza a ph-t, korróziós inhibitor. A gyakorlatban vizes oldata kerül forgalomba, hidrazin-hidrát (N 2 H 4.H 2 O) formában. 15 tömeg %-os oldatát szokás adagolni. Vizes oldata gyenge bázis, diszociációja: N N 2 2 H H K1 N 2 K2 N 2 H H OH OH Atomerımővek 16/22

17 N 2 H 4 megoszlási tényezıje [Heitmann] Atomerımővek 17/22

18 A hidrazin termikus bomlása A hidrazin termikusan bomlik: N + H NH N A reakció sebessége 200 o C felett válik észrevehetıvé, értékét a hımérséklet és a közeg ph-ja határozza meg. A bomlás elsırendő reakció: c k = = c o e kt ln k 100 (%) Atomerımővek 18/22

19 A hidrazin reakciója az oxigénnel A hidrazin, mint erıs redukálószer az oldott oxigénnel reakcióba lép: N + + H O 2H O N Bár a reakció mechanizmusa nincs teljesen tisztázva, sebességére számos adat található az irodalomban. Felhasználásukat megnehezíti, hogy a ph-n és a hımérsékleten kívül a sebesség más tényezıktıl is függ. Mivel 65 C-nál kisebb hımérsékleten a reakció igen lassú, a hidrazinhoz katalizátort szokás adagolni. Katalizátorként redoxi folyamatokat gyorsító szerves vegyületeket, pl. hidrokinont alkalmaznak Atomerımővek 19/22

20 A hidrazin reakciója az oxigénnel A hidrazin és oxigén reakciója során lejátszódó redoxi folyamatok egyik közbülsı lépésében a molekuláris oxigén aktiválódik: O 2 + e 2 4 O 2 és a vas oldódása során primer korróziótermékként keletkezı Fe 2+ -ionokat Fe 3+ -ionokká oxidálja, míg a hidrazin, mint redukálószer az oxidációt csak a magnetit keletkezéséig engedi lejátszódni. Kis mennyiségő oxigén jelenlétében tehát a hidrazin anódos inhibitorként viselkedik, gátolja a vas oldódását, és éppen a gızkörfolyamat 200 o C-nál alacsonyabb hımérséklető, tehát a korróziótermék kibocsátás szempontjából legveszélyesebb pontjain fejti ki kedvezı hatását Atomerımővek 20/22

21 3.3. Nem illékony lúgosító vegyszerek H ( 2 O + H 3BO3 t) = var+ H 2 ( t) const + LOH ( t) = var A PWR atomreaktorok primerköri hőtıvizébe adagolt lúgosító vegyszer LiOH, míg a VVER reaktoroknál KOH. A kísérleti adatok azt mutatják, hogy a KOH jobb oldhatósággal rendelkezik, és kevésbé agresszív a cirkónium-ötvözetekkel szemben, mint a LiOH. A hőtıvíz LiOH koncentrációját a legtöbb PWR atomerımőben 2,2±0,15 mg/kg Li-ion értéken korlátozzák a Zircalloy-4 ötvözettel szembeni korróziója miatt, mert a főtıelemeken keletkezett lerakódásokban és oxidokban betöményedı lítium növeli a cirkónium oxidációjának sebességét Atomerımővek 21/22

22 NaOH (LiOH, KOH) K d =f(t) NaOH (LiOH, KOH) disszociációs állandója a hımérséklet függvényében 0,45 0,4 0,35 Kd [mol/kg]2 0,3 0,25 0,2 0,15 Kd 0,1 0, t [oc] NaOH K Na + + OH Atomerımővek 22/22