3. Очистка воды от растворенных газов

Для предотвращения коррозии оборудования, работающего в кон­такте с водой или паром, из воды удаляют растворенные в ней агрессивные газы. При этом достигается также некоторое повышение КПД энергоблока вследствие снижения в паре неконденсирующихся га­зов, ухудшающих теплопередачу, а также за счет некоторого увеличения вакуума в ГК.

В контурах ЯЭУ АЭС могут быть растворены различные газы – кислород, углекислота, азот, аммиак и др. В воду контуров эти газы попадают в основном из-за контакта с атмосферным воздухом, с подпиточной водой, из-за радиолиза воды, при введении в контуры различных реагентов. Коррозионно-агрессивными являются кислород и углекислота. Азот практически нейтрален, а аммиак в определенных условиях даже может быть полезен. Коррозионная активность аммиака проявляется в основном в отношении медных сплавов и только при наличии в воде определенного количества кислорода.

Методы удаления из воды агрессивных газов подразделяется на фи­зические и химические.

К физическим методам удаления из воды агрессивных газов (О₂ и СО ₂) относят дегазацию с помощью аэрации и деаэрации и десорбционного обескислороживания.

Химическое обескислороживание воды осуществляется путем свя­зывания растворенного в воде кислорода различными реагентами и применяется преимущественно для устранения “проскоков” кислорода, возни­кающих в результате отклонений от нормального режима работы термиче­ских деаэраторов или попадания кислорода извне через неплотности трак­та.

Дегазации подвергаются питательная вода, подпиточная вода, кон­денсат пара, охлаждающая вода конденсаторов турбин и др. В зависимости от степени насыщения воды растворенными газами, ее температуры и дав­ления в системе концентрация кислорода и диоксида углерода в воде мо­жет изменяться от сотых долей до десятков миллиграммов в одном литре.

Низкие концентрации этих газов (100...200 мкг/л) удаляют хи­мическими методами: кислород - восстановителями (гидразином, суль­фитом и др.), диоксид - нейтрализацией (аммиаком, морфолином и др.).

Рассмотрим суть этих методов.

Из физических методов на АЭС используют, в основном, термическую деаэрацию. Термическая деаэрация сочетает процессы подогрева воды до температуры насыщения и удаления диоксида углерода и кислорода из воды в паровую среду. Дегазация происходит за счет двух факторов: образования и удаления пузырьков газа и его диффузии через поверхность контакта фаз. С пузырьками удаляется до 90...95 % растворенного в воде газа. Термические деаэраторы, удаляя из очищаемой воды любые растворенные газы, не вносят дополнительных примесей в воды контуров. Основной тепловой процесс в деаэраторах сводится к созданию условий, при которых из воды практически полностью удаляются растворенные в ней газы.

Концентрация любого газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью ( закона Генри-Дальтона ).

Применение этого закона дает воз­можность определить концентрацию газа при том условии, что в паровом пространстве над водой находится лишь рассматриваемый газ и отсутст­вуют другие газы. Концентрация растворенного в воде газа выражается уравнением:

С_г = кР_г,

где С_г - концентрация газа в воде;

Р_г - парциальное давление газа над водой;

к - коэффициент пропорциональности (коэффициент абсорбции).

Так как над водой находятся не только газы воздуха, но и пары воды, парциальное давление газов

Р_г = Р – Рн₂о.

где Р - суммарное давление над уровнем воды;

рн₂о - парциальное давление водяных паров.

Тогда

С_г = к(Р - Рн₂о).

Из этого следует, что для удаления из воды растворенных газов (С_г = 0) необходимо, чтобы Р - Рн₂о = 0 , т.е. чтобы парциальное давление

водяных паров было равно суммарному давлению над уровнем воды Р = Рн₂о

Это достигается при кипении воды.

На эффект дегазации существенно влияет повышение температуры воды. Это обусловлено тем, что с повышением температуры уменьшается коэффициент абсорбции газа водой.

Аэрация. Удаление из воды углекислоты может осуществляется методом аэрации. Сущность метода аэрации заключается в продувании через воду свободного от углекислоты воздуха. Так же как и при термической деаэра­ции воды, над поверхностью обрабатываемой воды создается атмосфера, в которой парциальное давление углекислоты ничтожно мало по сравнению с парциальным давлением углекислоты в воде. Данный метод на АЭС не применяется.

Химическое обескислороживание воды. В основе химических ме­тодов лежат окислительно-восстановительные процессы, в результате ко­торых свободный кислород восстанавливается и переходит в состав устой­чивых соединений за счет окисления специальных материалов. Этими ма­териалами могут быть растворимые реагенты, добавляемые в воду (напри­мер, гидразин, газообразный водород и специальные твёрдые вещества, называемые электроноионообменниками.)

В настоящее время для химического обескислороживания воды на АЭС, в основном, применяют гидразин. Товарный гидразин выпускают в виде жидкого гидразингидрата N₂H₄ • Н₂О или твёрдого гидразинсульфата в виде N₂H₄ ^. H₂SO₄. Растворы гидразина токсичны, поэтому при работе с ними требуется соблюдение правил техники безопасности. Водный раствор гидразина концентрацией 64 % и выше может воспламеняться. Ввиду токсичности гидразина его применение запрещено при снабжении паром предприятий пищевой промышлен­ности.

Гидразин взаимодействует с кислородом по реакции

N₂H₄ + О₂ N₂ + 2Н₂О

При наличии на поверхности оборудования и трубопроводов рыхлых продуктов коррозии с наибольшей вероятностью идут реакции

N₂H₄ + 2Fe₂O₃ 4FeO + N₂ + 2H₂O

N₂H₄ + 2CuO 2Cu + N₂ + 2H₂O

N₂H₄ + 2Cu₂O 4Cu + N₂ + 2H₂O

Пpи низких температурах скорость реакции между гидразином и кислородом в водной среде незначительна. Необходимый эффект связывания достигается при 100⁰С и выше. Для удаления кислорода из питательной воды при 103... 105⁰С, рН 9,0…9,5 и избытке гидразина (20 мкг/кг) требу­ется 2-3 с. Однако анализ эксплуатационных данных свидетельствует о не­возможности снизить концентрацию кислорода в питательной воде ниже 10 мкг/кг даже при увеличении содержания гидразина до 500 мкг/кг: Максимальная скорость окисления гидразина обеспечивается при значениях рН -8,7... 11,0.

С учетом того, что восстановители, вводимые в конденсатно-питательный тракт, взаимодействует не только с кислородом, но и с окислами металлов, расход гидразингидрата G_гг мкг/кг рассчитывают по формуле:

G_гг = 3C₁ + O,3C₂ + 0,15С₃

где С₁, С₂, С₃ - концентрация в питательной воде соответственно кислорода, оксидов железа и меди, мг/кг.

Для совместного обескислороживания и обессоливания применяют другие электроноионообменники на основе Н-катионитов, содержащие ме­таллы в нулевой степени окисления. На ионит на стадии синтеза наносится тонкодиспергированный металл, способный легко окисляться растворенным кислородом. Чаще всего используются медьсодержащие электронионообменники, например ЭИ-5.

На практике обескислороживание воды с помощью электроноионо­обменников осуществляют фильтрованием воды через фильтры со слоем электроноионообменника или со смешанной загрузкой ионитов и электро­ноионообменников. Данный метод на АЭС не нашел применения.