高度な冷却水処理コンセプト (パート 6)

編集者注: これは、Buecker & Associates, LLC の社長、Brad Buecker による 6 部構成のシリーズの最終回です。

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パート 3 はこちらからお読みください。

パート 4 はこちらからお読みください。

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このシリーズの前の部分では、発電所および産業プラントの一次冷却水処理に関連する多くの問題を検討しました。 しかし、ほとんどの大規模プラントには、ポンプ ベアリング、潤滑油クーラー、発電機の水素クーラーなどの機器に補助冷却を提供する多数の密閉水システムがあります。

これらのサブシステムはプラントの稼働に不可欠であり、クローズド システムのパフォーマンス低下や障害によりプラントが停止する可能性があります。 今回は、密閉冷却水処理の最も重要な側面のいくつかを検討します。

多くのシステムでは補充が必要な漏れや少量の損失が発生するため、「密閉」冷却水という用語は若干誤解を招きます。 (深刻な腐食が発生した場合、これらの損失は重大になる可能性があります。) また、システムには、酸素侵入のもう 1 つの発生源である補給の導入と需要の変化に対応するためのヘッド タンクが備えられていることがよくあります。 注目すべきは、一部の密閉システムは空冷であり、より完全に「密閉」状態に近づくことです。

CCW システムではさまざまな品質の水を利用することができますが、頻繁に選択されるのは、システム内で処理される凝縮水または脱塩水です。この記事の焦点は、水です。

CCW ネットワークの一般的な配管材料は炭素鋼です。 熱交換器チューブ、またはプレートアンドフレーム熱交換器のプレートには、銅合金、ステンレス鋼、場合によってはチタンが通常選択されます。

治療プログラムを計画するときは、完全なシステムの冶金学を知ることが重要です。

高純度水を使用するシステムでは、通常、スケールの形成は問題ではなく、むしろ腐食が主な問題となります。 (微生物による汚れも問題となる可能性がありますが、これについてはこの記事で後ほど説明します。) 最も一般的な腐食メカニズムの多くは、このシリーズの以前の記事で開放型再循環システムについて概説しました。

前世紀半ばの開放型再循環システムと同様に、閉鎖型システムの腐食制御にはクロメートが非常に一般的でした。 処理が開始されると、クロム酸塩は最終的に炭素鋼上に非常に保護的な「擬似ステンレス鋼」層と呼ばれるものを形成します。 しかし、六価クロム (Cr6+) の毒性の問題により、ほぼすべての冷却水用途から六価クロム (Cr6+) が排除されることになりました。

亜硝酸ナトリウム (NaNO2) はクロム酸塩の一般的な代替品です。 この化合物は安価で取り扱いが安全で、通常は pH を 8.5 ～ 10.5 の範囲に維持するために水酸化ナトリウムや四ホウ酸ナトリウムなどの pH 調整剤または緩衝剤が含まれています。 (2)

亜硝酸塩は、金属表面上の不動態鉄酸化物層の形成を促進します。

9Fe(OH)2 + NO2 → 3Fe3O4 + NH4 + 2OH + 6H2O 式 1

9Fe(OH)2 + NO2 → 3(Fe2O3) + NH4 + 2OH + 3H2O 式 2

亜硝酸塩は最初に陽極で反応し、残留物がしきい値を下回ると、大規模な陰極環境で少数の陽極が発生する可能性があるため、この理由から一般に「危険な」抑制剤として知られています。 その後、急速な孔食が発生する可能性があります。 一般的な腐食や孔食を防止するために、通常安全な亜硝酸塩残留範囲は 500 ～ 1,000 ppm ですが、すべての用途を注意深く監視し、管理する必要があります。 システムの漏れにより適切な残留物を維持できない場合は、漏れが修復されるまで処理を中止する必要があります。

著者の閉鎖システムの亜硝酸塩処理の経験によれば、新鮮な化学薬品の導入は簡単で、pH 緩衝剤と混合した粒状の亜硝酸ナトリウムを週に 1 回ポットフィーダーに投入するだけでした。

バッチ供給は、上部カバーのラッチを外し、計量された量の固体化学薬品を注ぎ、カバーを再びラッチし、次にフィーダーのバルブを数分間操作して固体が溶解し、冷却水後流に輸送されることを確認することによって実行されます。

後流に含めることができる補助装置はパティキュレート フィルターです。 適切な化学処理を行ったとしても、特に通常は大規模な炭素鋼配管ネットワークからは、金属腐食が発生する可能性があります。 一般に、鋼の腐食生成物の 90% 以上は、溶解した鉄ではなく粒子として存在します。 これらの微粒子は、低流量領域や熱伝達の高い場所、つまり熱交換器に沈降する可能性があります。 サイドストリームろ過により、多くの微粒子が除去され、冷却システム内の堆積が減少します。

亜硝酸塩に関する懸念は、亜硝酸塩がニトロバクテラ・アジリスなどの一部の細菌にとって優れた栄養素であることです。この細菌は、亜硝酸塩を硝酸塩に変換することで急速に増殖し、冷却システムを汚す可能性があります。 たとえば、著者はかつて自動車組立工場を訪れた検査チームの一員でしたが、そこでは自動溶接機の小さな蛇行した冷却水チューブが硝化バクテリアによって部分的に詰まっていました。 考えられる改善策には、別の腐食防止剤への変更や非酸化性殺生剤の追加供給が含まれます。

モリブデン酸ナトリウム (Na2MoO4) は亜硝酸塩の代替品です。 証拠は、モリブデン酸塩がクロム酸塩と同様に作用し、陽極の炭素鋼表面に吸着し、保護層を形成し続けることを示唆しています。

Fe2+ + MoO42- → FeMoO4↓ 式． 3

研究では、モリブデン酸塩がピットの酸性ゾーン内に蓄積して腐食プロセスを阻止する能力により、孔食抑制剤としても機能することも示しています。 モリブデン酸塩の一般的な管理範囲は亜硝酸塩の約 1/3 です。 モリブデン酸塩はオキシアニオンですが、議論されているいくつかの研究では、この化合物が完全に効果を発揮するには残留溶存酸素が必要であることが示唆されています。 必要な量を提供するのに十分な酸素が冷却水の補給を通じて入る可能性があります。 亜硝酸塩と同様に、モリブデン酸塩配合物には通常、冷却水内を中程度のアルカリ性条件にするために pH 緩衝剤が含まれています。

モリブデン酸塩は高価な化学物質であり、用途によっては法外なコストがかかる場合があります。 亜硝酸塩とモリブデン酸塩の両方を使用するプログラムが開発されており、これらは単独で使用すると相乗的に作用し、どちらかの化学物質の濃度を低下させます。

銅合金の防食

銅は優れた熱伝達特性を備えているため、銅合金は長年にわたって熱交換器チューブの主な選択肢として使用されてきました。 銅は鉄よりも貴金属ですが、特定の環境では重大な腐食が発生する可能性があります。 溶存酸素とアンモニアの組み合わせは特に腐食性を高める可能性があります。 アゾールは、皮膜形成化学を介して銅合金を保護するために一般的に使用されます。 図 4 は、一般的な効果を示しています。

アゾール分子の窒素原子は、金属表面の銅原子と結合します。 板状の有機リングは、バルク流体から金属を保護する障壁を形成します。 いくつかの一般的なアゾールを以下に示します。

ベンゾトリアゾール

1,2,3-ベンゾトリアゾール (BZT – C6H5N3) は、図 4 に示す化合物です。最も基本的なアゾールです。

トリルトリアゾール

トリルトリアゾール (TTA – C7H7N₃) は BZT に似ていますが、有機環にメチル基が追加されています。

メチル基は分子の配向を助け、より均一なバリア膜を確立します。 微生物制御に酸化性殺生物剤が使用される開放再循環システムで使用するために設計されたハロゲン耐性化合物など、他のアゾールのバリエーションも利用可能です。

初期のアゾールのもう 1 つは 2-メルカプトベンゾチアゾール (MBT) で、窒素環に 2 つの硫黄基があります。 硫黄原子の 1 つも銅と結合して厚い不動態皮膜を形成します。

腐食制御には 1 ～ 2 ppm の低いアゾール濃度でも十分ですが、システムのレイアウトや条件によっては、より高いレベルが必要になる場合があります。

低温条件にさらされる冷却システムには、凍結を防ぐためにエチレングリコールまたはプロピレングリコールが含まれることがよくあります。 「リン酸塩と亜硝酸塩はどちらも鉄合金の腐食防止剤として[許容され]、アゾールは銅合金の腐食防止に[効果的]です。」 (2) グリコールの問題は、自動車を含む他の機器と同様、時間の経過とともに化学物質が有機酸に分解され、pH が低下し、腐食の可能性が高まることです。 したがって、グリコール処理された冷却システム (さらに言えば、グリコールを含まないシステム) では、定期的な pH 測定が重要です。

前述したように、一部の腐食制御化学物質、特に亜硝酸塩は微生物の栄養源として機能します。 可能な場合、潜在的な解決策は、亜硝酸塩からモリブデン酸塩に切り替えることです。後者は微生物の栄養素ではないためです。 ただし、モリブデン酸塩には殺生物性はありません。 経費やその他の要因により、そのような変更ができない場合があります。 酸化性殺生物剤は、腐食を引き起こしたり、処理化学物質、特に亜硝酸塩を不活性化する可能性があるため、通常、閉鎖システム内の微生物の制御には使用されません。 このシリーズの第 5 回で検討した非酸化剤の多くは、微生物を攻撃するのに効果的である可能性があります。 潜在的な欠点は、ほとんどがアルカリ性 pH によって失活してしまうことですが、中には重大な分解が起こる前にすぐに微生物を攻撃する可能性があることです。 化学物質の選択と投与量の選択には、信頼できる化学物質供給業者と相談することが重要です。 この種の取り組みでは、システム内に存在する微生物を特定する分析が重要です。

標準腐食防止剤の残留濃度を監視するためのフィールドキットが用意されています。 UV-VIS 分光光度計などのベンチトップ機器により、正確な測定値が得られます。

閉鎖システムでは微生物の増殖が頻繁に発生するため、定期的にモニタリングすることで汚れの発生を検出できます。 浸漬スライド試験は簡単で、特殊な実験器具を必要としません。 特殊な検査により、硫酸還元細菌 (SRB)、硝化細菌、脱窒細菌など、多数の微生物に関する貴重な情報が得られます。 (2)

腐食監視の一般的な方法は、冷却ネットワークと同じ冶金を有するクーポンを使用した腐食クーポン バイパス ラックの設置です。

正しいデザインの主な特徴は、クーポンの方向性です。 図 7 で明らかなように、向きはクーポンに逆らうのではなく、水の流れに沿った方向です。 この構成は、渦電流を最小限に抑えるのに役立ちます。 配管は、腐食速度に対する時間の影響をより正確に評価するために、さまざまな間隔で抽出できる複数のクーポンを保持するように構成できます。

間接的ではあるが効果的な腐食モニタリング手法は鉄モニタリングであり、これも UV-VIS 分光測光法によって実行できます。 ただし、鋼の腐食生成物の 90% 以上が酸化鉄粒子として存在するのが通常であるため、試験手順では粒子鉄を溶解状態に変換するために 30 分間の蒸解プロセスが必要です。 総鉄濃度は、腐食処理の有効性に関する貴重なデータを提供します。 (3)。

密閉型冷却水システムは、多くの産業プラントに不可欠な部分です。 システムの化学的性質を無視すると、プラントの部分的または完全な停止を引き起こす可能性のある重大な問題が発生する可能性があります。 逆に、場合によっては、システム マテリアルが過剰に指定される場合があります。 著者はかつて、空冷システムの主幹線がダクタイル鉄管で、内部がセメントコーティングされアスファルトの内張りで覆われているトラブルシューティング プロジェクトを支援したことがあります。 システムの起動中、条件が最大の熱負荷に達したときにアスファルトが剥がれ、熱交換器と循環ポンプの入口フィルターが詰まりました。 上記の腐食防止剤のいずれかで処理した普通のダクタイル鋳鉄配管の方が良かったでしょう。

この議論は、時間をかけて開発された優れたエンジニアリング手法を表しています。 ただし、業界の専門家との協議に基づいて信頼できるプログラムを実装するのは、プラントの所有者、オペレーター、および技術スタッフの責任です。 これらのテクノロジーの設計とその後の使用については、1 つの記事で概要を説明できるほど多くの追加の詳細が説明されています。

参考文献

著者について: Brad Buecker は、コンサルティングおよびテクニカル ライティング/マーケティングを担当する Buecker & Associates, LLC の社長です。 最近では、ChemTreat, Inc. で上級技術広報担当者を務めました。電力および工業用水処理業界で 40 年以上の経験またはサポートの経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および結果エンジニアリングの職にあります。 City Water, Light & Power (イリノイ州スプリングフィールド) と Kansas City Power & Light Company (現 Evergy) のカンザス州ラ・シーニュ駅との接続。 Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、高度な無機化学の追加コースも受講しています。 彼はさまざまな専門業界誌で 250 を超える記事を執筆または共著しており、発電所の化学と大気汚染管理に関する本を 3 冊執筆しています。 [email protected] までご連絡ください。