Nồi hơi - Những vấn đề nào cần xử lý khi tẩy cáu cặn

 

Nồi hơi/ lò hơi là những thiết bị được sử dụng phổ biến trong cong nghiệp và đời sống. Việc đóng cặn hoặc ăn mòn trong quá trong quá trình vận hành do chất lượng nước cấp không đảm bảo là thường xuyên.

Chính điều này sẽ làm giảm  hiệu năng trao đổi nhiệt và tăng năng lượng sử dụng, giảm tuổi thọ thiết bị- đường ống. Chính vì vậy chúng ta cần tiền hành vệ sinh định kỳ đồng thời xử lý tốt nguồn nước đầu vào.

Nhìn chung phương pháp xử lý cáu cặn, nguồn nước cấp có rất nhiều. Trong phạm vi bải viết chúng tôi sẽ đề cập đến phương pháp hóa học- phương pháp thông dụng và mang hiệu quả tốt nhất.

Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu về nguyên nhân gây ra hiện tượng trên nhé!

V1. Vấn đề về cáu cặn, ăn mòn mà nồi hơi thường gặp

Cáu cặn nồi hơi

Hiện tượng cáu cặn là một quá trình hóa học, hình thành khi nồng độ muối hòa tan trong nước vượt qua giới hạn hòa tan. Chính vì thế chúng sẽ kết tủa đóng cặn lên bề mặt tiếp xúc với nước. Các muối cacbonat, phosphat của canxi, magie có đặc điểm kém tan hơn khi nhiệt độ tăng lên. Do vậy các muối này thường tách ra khỏi pha lỏng, hình thành các hạt rắn bám trên bề mặt đương ống.

Quá trình được diễn giải qua các phương trình hóa học sau:

Trong điều kiện nhiệt độ cao, HCO₃^- bị phân hủy thành ino CO₃^2- và khí CO₂ theo phương trình:

2 HCO₃^-     →  CO₃^2- + CO₂  + H₂O

   Khi đó, ion Ca²⁺ có sẵn trong nước sẽ kết hợp với ion CO₃^2- thành muối CaCO₃ ban đầu ở dạng tan, dần dần khi nồng độ của nó vượt quá độ tan ở nhiệt độ tương ứng, sẽ hình thành các tinh thể rất nhỏ (còn gọi là mầm tinh thể - precusor), rồi lớn dần thành các tinh thể hoàn chỉnh và bám trên bề mặt thiết bị.

Trong nồi hơi có áp suất thấp, thành phần cáu cặn của nồi hơi chủ yếu chứa canxi phosphat, canxi cacbonat. Đối với các nồi hơi có công suất cao thì cáu cặn còn chứa magie hydroxit, magie silicat, các loại oxit sắt, silica.
Nếu người sử dụng dùng các muối phosphat để xử lý nước cấp thì canxi sẽ có xu hướng kết tủa thành canxi phosphat hơn là canxi cacbonat. Khi lớp cáu cặn đã hình thành mà chưa kịp xử lý thì nó sẽ gây ra những vấn đề nghiêm trọng như giảm khả năng truyền nhiệt: tăng chi phí vận hành, sửa chữa, giảm tuổi thọ của nồi hơi nghiêm trọng hơn có thể gây gây tắc đường ống cục bộ dẫn tới việc tăng áp suất đột ngột có thể gây nổ đường ống, nồi hơi.

Nồi hơi áp suất trung bình và cao có tốc độ truyền nhiệt vào khoảng 5000 cal/m²/giờ, do đó chỉ cần có một lớp cặn rất mỏng trên thành ống thì cũng có thể gây ra vấn đề nghiêm trọng. Lớp cặn này sẽ làm giảm dòng nhiệt từ khí lò vào nước trong nồi hơi, từ đó có thể gây ra quá nhiệt cục bộ trên đường ống, gây phồng rộp đường ống. 

Sự thay đổi nhiệt độ từ khu vực đốt lò sang nước trong nồi hơi

 Section A mô tả sự truyền nhiệt trong trường hợp thành ống không có lớp cặn bám vào. Ở đây, nhiệt độ khu vực đốt T2 khi qua thành ống sẽ giảm xuống còn T1, trường hợp này T1 chính là nhiệt độ của nước nồi hơi (T1 = To).
Khi có 1 lớp cặn bên trong bề mặt kim loại tiếp xúc với nước, nhiệt độ bên khu vực đốt (T2) truyền qua thành ống giảm thành T1, tiếp tục qua lớp cặn giảm thành To – chính là nhiệt độ nước nồi hơi (section B). 
Tuy nhiên, nồi hơi được cài đặt ở nhiệt độ xác định tương ứng với áp suất vận hành và điều kiện vận hành này yêu cầu nhiệt độ nước nồi hơi phải duy trì giống như chưa có lớp cặn. Section C cho thấy nhiệt độ nước nồi hơi To sẽ tăng lên qua lớp cặn thành T3, sau đó qua thành ống tăng thành T4. Nhiệt độ bên ngoài T4 thực tế sẽ cao hơn T2 – là nhiệt độ được cài đặt khi nồi hơi hoạt động trong trạng thái tối ưu. Nếu lớp cặn không được xử lý và tiếp tục dày lên thì nhiệt độ bên ngoài khu đốt tiếp tục tăng lên cho đến khi vượt quá giới hạn an toàn của kim loại làm ống, thông thường là 480^oC- 540^oC. Ở các nồi hơi công suất lớn, nhiệt độ tới hạn này là 482^oC – 732^oC, ngoài nhiệt độ này thép cacbon  bắt đầu bị xuống cấp. 
Lớp cặn này làm giảm hiệu quả truyền nhiệt, nếu lớp cặn này dày có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ, dẫn tới nổ, phá hủy đường ống.

Ăn mòn trong lò hơi

Vấn đề thứ 2 của nước nồi hơi chính là vấn đề ăn mòn. Ăn mòn là phản ứng giữa vật liệu kim loại và môi trường gây nên sự phá hủy vật liệu hoặc chi tiết sớm hơn tuổi thọ thông thường của nó. Quá trình ăn mòn trong nồi hơi chủ yếu là ăn mòn điện hoá.
Phản ứng xảy ra như sau:
      Tại anot (nơi kim loại bị ăn mòn và chuyển vào pha lỏng ở dạng cation)

Fe – 2e = Fe²⁺

 

     Tại catot (Nước)

O₂ + 2H₂O + 4e  =  4OH^- 

Hoặc      2H⁺ + 2e = H₂↑

Cơ chế ăn mòn kim loại trong môi trường nước

Trong nồi hơi, hầu hết quá trình ăn mòn là do oxi, thường xảy ra ở khu vực bơm cấp nước, khu vực trước nồi hơi, nồi hơi, khu vực ngưng tụ và đặc biệt là khi dừng lò. Quá trình ăn mòn này còn được tăng tốc nhờ nhiệt độ cao và pH thấp. Ăn mòn do axit cacbonic thường xảy ra trong ống dẫn hơi, đường dẫn nước ngưng. Một số hóa chất xử lý nước cấp như chelants nếu không được dùng đúng cách cũng có thể gây ăn mòn đường ống, van điều khiển, thậm chí cả bề mặt trong của nồi hơi. Hoặc quá trình ăn mòn xảy ra do chính hơi nước nóng gây nên theo phương trình:

H₂O + 3Fe = F₃O₄ + 4H₂↑

2. Phương pháp chính để ức chế cáu cặn nồi hơi công nghiệp

     1. Xử lý từ bên ngoài

Đây là phương pháp giảm hoặc loại bỏ tạp chất có trong nước từ bên ngoài nồi hơi. Phương pháp này được sử dụng khi tạp chất có trong nước cấp quá cao không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho hệ thống nồi hơi xác định.
Có nhiều cách loại bỏ tạp chất có trong nước như làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion, chưng cất, khử khí, sử dụng màng lọc… hoặc tổ hợp các phương pháp tùy thuộc vào điều kiện thực tế của nồi hơi mà người ta chọn phương án phù hợp.
     Phương pháp này có ưu điểm là có thể loại bỏ các tạp chất như chất rắn lơ lửng, độ cứng, độ kiềm, silica, tổng các chất rắn hòa tan, chất hữu cơ, và các loại khí.
Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao do phải có hệ thống phụ trợ bên ngoài. 

2. Xử lý bên trong nồi hơi

Phương pháp này kiểm soát chất lượng nước nhờ các chế phẩm xử lý nước. Cơ chế hoạt động của các chế phẩm có thể là tạo phức, cộng kết, hoặc kết hợp các phương pháp. Các chất được sử dụng như các hợp chất của phosphat, axit ethylene diamine tetraacetic, axit nitrilotriacetic … Các chất này sẽ tạo phức với các ion có trong nước tạo thành các chất tan, hạn chế sự đóng cặn và ăn mòn. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp, có thể kéo dài.

3. Xả đáy

     Biện pháp này nhằm giảm nồng độ các chất bằng cách xả bớt một phần nước có trong nồi hơi. Nước cấp (boiler feed water – BFW) kể cả đã được xử lý vẫn chứa một lượng các chất hòa tan nhất định. Khi tạo hơi, chỉ hơi nước tinh khiết được vận chuyển vào dây chuyền, còn các chất tan sẽ nằm lại trong pha nước. Cứ như vậy, nồng độ chất tan sẽ dần dần tăng lên. Để ngăn chặn sự quá bão hòa của các chất, nồi hơi cần được xả bỏ một phần nước có bên trong vào hệ thống nước thải. Tuy nhiên, khi xả đáy thì sẽ bị thất thoát một lượng nhiệt lớn theo nước ra ngoài, đồng thời tốn thêm nhiệt để cung cấp cho phần nước bổ sung. Nên các nhà sử dụng nồi hơi sẽ hạn chế thấp nhất số lần xả đáy, đặc biệt đối với các nồi hơi có công suất lớn.

>> Xem thêm: Hóa chất Nalco xử lý cáu cặn, ăn mòn nồi hơi

3. Quy trình xử lý cáu cặn, ăn mòn cho nồi hơi bằng phương pháp hóa học

     Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ức chế cáu cặn nồi hơi:

     - Thời gian hoạt động của thiết bị
     - Công suất, tần suất hoạt động của thiết bị 
     - Chất lượng nước cấp, độ cứng, thành phần trong nước cung cấp cho thiết bị.

     - Lượng nước tiêu thụ trong quá trình hoạt động của nồi hơi

    Biện pháp giảm thiểu cáu cặn nồi hơi:

   - Vệ sinh đường ống thiết bị bằng hóa chất tẩy cặn chuyên dụng: nhằm tẩy sạch lớp cáu cặn, sản phẩm ăn mòn, chuẩn bị cho bước tiếp theo
   -  Sử dụng chế phẩm ức chế cáu cặn ăn mòn liên tục trong quá trình sử dụng: nhằm hạn chế quá trình cáu cặn ăn mòn liên tục cho quá trình sử dụng

    Ưu điểm khi sử dụng hóa chất để ức chế quá trình cáu cặn ăn mòn:

  - Đánh tan được các vết bẩn, cáu cặn bám vào nồi hơi nhanh chóng mà không cần các điều kiện về nhiệt độ cũng như áp suất.
   - Sử dụng trực tiếp không cần dừng thiết bị
   - Quá trình cáu cặn ăn mòn sẽ được hạn chế tối đa do đó kéo dài được thời gian vận hành, tăng năng suất trao đổi nhiệt, giảm chi phí năng lượng, tăng tuổi thọ của hệ thống, thiết bị.
   - An toàn khi sử dụng, không gây kích ứng và ăn mòn.
   - Thích hợp để xử lý số lượng lớn, tiết kiệm chi phí sản xuất.
   - Tiết kiệm thời gian và công sức.
   - Không lo lắng thiết bị hỏng hóc hoặc ăn mòn do axit
   - Nâng cao tuổi thọ cho thiết bị sau mỗi lần vệ sinh.
   - Giúp thiết bị hoạt động mượt mà hơn và tăng năng suất hoạt động.