piątek, 27 maj 2022
piątek, 08 kwiecień 2022 15:14

Wpływ uzdatniania wody na oszczędną eksploatację kotłów parowych i jakość pary w przemyśle spożywczym

 

  1. 1. Metody uzdatniania wody na potrzeby zasilania i uzupełniania kondensatu kotłów parowych

Przygotowanie wody zasilającej kotły parowe win­no zmierzać w takim kierunku, aby sprostać wymaga­niom producenta kotła w za­kresie jakości wody zasilającej  i kotłowej.

Instalując nowoczesne kotły charakteryzujące się wy­sokim obciążeniem cieplnym i małą objętością odpa­rowalnika w stosunku do wydajności kotła należy sobie zdać sprawę z faktu, że woda zasilająca powinna być od­powiednio dobrze przygotowana, aby z jednej strony nie narażać stalowej powierzchni kotła na korozję, a z drugiej strony na osady kamienia kotłowego.  Obecnie w nowych kotłowniach przy instalacji kotłów parowych zmierza się do wyposażania stacji uzdatniania wody w urządzenia do pełnej demineralizacji wody.  Bynajmniej nie jest to nowy, przejściowy trend, lecz technologicznie i eko­nomicznie uzasadniony wybór.

W praktyce najczęściej spotykanymi technologiami uzdatniania wody dodatkowej są wymieniane w kolej­ności zaawansowania technologicznego:

- zmiękczanie wody na złożu jonowymiennym silnie kwaśnego kationitu, regenerowanego kationem sodowym,

- demineralizacja wody w instalacji membranowej odwróconej osmozy (RO- ang. reverse osmosis),

- dekarbonizacja (dealkalizacja) wody najpierw na złożu słabo kwaśnego kationitu, regenerowanego kwasem solnym lub siarkowym, desorpcja CO2, końcowe zmiękczanie wody w złożu silnie kwaśnego kationitu w formie sodowej.

 

  • 1.1 Zmiękczanie wody w wymiennikach kationitowych z regeneracją roztworem NaCl

 Za pomocą zmiękczacza jest usuwana jednocześnie twardość węglanowa i stała wody. Usuwane są jony wapnia i magnezu związane z wodorowęglanami jak i anionami mocnych kwasów (np. chlorki, siarczany). 

Usunięcie z wody kationów osadotwórczych i zastąpienie ich jonem sodowym, posiadającym wysoką rozpuszczalność , gwarantuje zahamowanie procesów wytrącania się osadów z wody w kotle.  Wymieniony zostaje przez jonit kation wapnia i magnezu na  kation sodu, który tworzy w zmiękczonej  wodzie wodorowęglan sodowy NaHCO3. Związek ten na gorąco hydrolizuje prowadząc do wzrostu odczynu wody. W wodzie kotłowej pozostaje NaOH, natomiast z parą ulatnia się dwutlenek węgla zakwaszając w konsekwencji kondensat. Stąd też uzdatnianie wody tą metodą prowadzi do jej alkalizacji w kotle  (pojawia się NaOH) i wzrostu odczynu pH, a także ostatecznie wzrostu zasolenia wody, co powoduje straty wody i energii cieplnej w procesie odsalania. Należy zaznaczyć, że technika zmiękczania wody na kationicie nie wpływa na zmniejszenie jej przewodnictwa, pozostaje ono podobne do tego, jakie wykazywała woda przed zmiękczeniem.

  • 1.2 Demineralizacja wody w instalacji odwróconej osmozy

Proces demineralizacji metodą RO prowadzony jest na spi­ralnych modułach membranowych i polega na wysokociśnieniowej filtracji  rozpuszczonych soli i zawiesin pochodzenia nieorganicznego i organicznego zawartych w wodzie, przez cienką przegrodę półprzepuszczalnej membrany RO. Proces musi pokonać ciśnienie osmotyczne, jakie powstaje na granicy błony membrany, tak aby przez membranę przeszła czysta woda H2O,
a sole i związki organiczne pozostały przed membraną.

Woda wstępnie uzdatniona wpływa na kilka modułów membranowych I stopnia urządzenia RO. Koncentrat powstały w I stopniu jest kierowany jako nadawa na membrany drugiego stopnia,  gdzie zachodzi II stopień filtracji. Dla ekonomiki procesu kon­centrat powstały w II stopniu jest z kolei kierowany na membrany trzeciego stopnia RO. Woda uzdatniona tj. permeat, jest wyprowadzana środkowym przewodem do wspólnego kolektora permeatu. Permeat stanowi zdemineralizowaną do zasilania kotłów jako uzupełnienie kondensatu. Z reguły 75 % nadawy stanowi zdemineralizowana woda tj. permeat, a 25 % odrzut wodny koncentratu zawierający prawie wszystkie sole.

Zależnie od zasolenia i temperatury wody zasilającej oraz typu zastosowanych membran produkt RO (permeat) może mieć przewodność od 5 do 25 mS/cm. Większe zasolenie nadawy wymaga wytworzenia wyższego ciśnienia na wlocie do urządzenia, niższe ciśnienia są możliwe dla nadawy o niższym poziomie zasolenia. Praktyczne ciśnienia robocze dla nadaw będących wstępnie uzdatnionymi wodami ze studni (woda odżelaziona, odmanganiona) lub ze źródeł powierzchniowych wynoszą z reguły 13 – 20 barów. Ciśnienie przed membranami wytwarza wielostopniowa pompa zamontowana najczęściej na ramie instalacji RO. W obu przypadkach woda powinna być zmiękczona lub powinien być do niej dozowany antyskalant w przypadku braku zmiękczania.

marcor 1

Fot. 1   Instalacja RO dla celów kotłowych. Woda jest wstępnie uzdatniana w filtrze węglowym, a  następnie zmiękczaczu.

 

Na fot. 2 przedstawiono instalację odwróconej osmozy do zasilania kotłów parowych w układzie kogeneracji w nowo wybudowanym w 2019 roku zakładzie przemysłu spożywczego.

marcor 2

Fot. 2  Stacja RO przygotowania wody zdemineralizowanej dla celów zasilania kotłowni pracującej w układzie kogeneracji.

  • 1.3 Dekarbonizacja wody na słabo kwaśnym kationicie regenerowanym jonem wodorowym.

Ten rodzaj uzdatniania wody jest obecnie w zaniku. Wypiera go instalacja odwróconej osmozy jako nowocześniejsza, pracująca bez kwasu, który powoduje problemy środowiskowe i bezpieczeństwa pracowników kotłowni.

Jonitowa dekarbonizacja wody połączona ze zmiękczaniem polega na szeregowej wymianie wodorowo-sodowej. W wyniku łącznego procesu dekarbonizacji i desorpcji CO2 uzyskuje się wodę o zmniejszonym przewodnictwie pozbawioną twardości węglanowej. Średnio w warunkach polskich jest to zmniejszenie przewodnictwa o ok. 50%, co stanowi dużą zaletę tego systemu w stosunku do prostego zmiękczania na silnie kwaśnym kationicie regenerowanym kationem sodowym. Niemniej aby usunąć jeszcze niską twardość niewęglanową wymagane jest zmiękczanie wody w tradycyjnych zmiękczaczach. Woda tak przygotowana nie zwiększa odczynu pH wody kotłowej i nie przenosi do pary dwutlenku węgla. Do wad tego systemu uzdatniania wody  zalicza się:

–   konieczność posługiwania się agresywnym kwasem solnym,

–   konieczność neutralizacji kwaśnych ścieków po I etapie,

–   stosunkowo duża przestrzeń zajęta przez stację uzdatniania wody.

Niestety, w czasach technik membranowych metoda ta nie jest tańsza od metody odwróconej osmozy, co w przypadku małych instalacji przemawia za stosowaniem tej ostatniej.  

  • 1.4 Odgazowanie termiczne wody zasilającej przed wprowadzeniem do kotła

Woda zasilająca kocioł musi być przed wprowadzeniem do kotła odgazowana. Należy usunąć rozpuszczony w niej tlen i dwutlenek węgla. Oba korozyjnie oddziałowujące gazy, a także np. obojętny azot, są usuwane w odgazowywaczu termicznym, podgrzewanym parą z obiegu kotłowego. Jest to najtańsza i jednocześnie najskuteczniejsza metoda usuwania gazów z wody, tam gdzie dysponuje się parą grzewczą.

Odgazowywacz stanowi zespół kolumny i zbiornika wody odgazowanej. W górnej jego części mieści się kolumna, gdzie zachodzi intensywnie właściwy proces odgazowania. Woda zasilająca podawana jest od góry na kolumnę odgazowywacza i grzana jest od dołu parą wodną. Z kolumny odgazowana woda zbierana jest w dolnej części zespołu odgazowywacza tj. w zbiorniku odgazowywacza. Aby proces odgazowania wody mógł zaistnieć woda musi osiągać ciśnienie nasycenia w danej temperaturze. Tzn. musi dochodzić do pęcherzykowego wrzenia wody, które wyzwala pęcherzyki gazu zarówno tlenu, dwutlenku węgla, jak też innych gazów zawartych wcześniej w wodzie. Współczesne odgazowywacze termiczne pracujące z reguły w reżimie ciśnienia wewnętrznego 0,2 bara osiągają pełnie odgazowania wody w  temperaturze 105 °C. Do podstawowych zadań  termicznego odgazowania wody zasilającej kotły parowe  zalicza się ostatecznie: usuwanie tlenu, usuwanie dwutlenku węgla, eliminację procesów korozyjnych, a przez to uzyskanie wzrostu bezpieczeństwa pracy kotła i całego systemu parowego oraz przewodów powrotnych skroplin.

 

  • 1.5 Korekcja chemiczna wody po odgazowywaczu. Kondycjonowanie wody

Użytkownik kotłów parowych musi zadbać o dotrzymanie wymagań dotyczących wody zasilającej i wody kotłowej. Pomimo, że woda jest uzdatniona, zdemineralizowana w instalacji RO oraz odgazowana  termicznie, musi być ona jeszcze  dodatkowo kondycjonowana z użyciem środków chemicznych.

Poprzez korektę wody środkami chemicznymi uzyskuje się :

- związanie resztkowego tlenu,

- redukcję korozyjności poprzez uzyskanie odpowiedniego zakresu odczynu pH wody,

- stabilizację resztkowej twardości,

- przeciwdziałanie odkładaniu się osadów kamienia kotłowego.

Niezbędny czas na przereagowanie środków chemicznych wynosi ok. 20 -30 minut, stąd korzystnie jest je podawać do zbiornika wody zasilającej, gdzie woda jest już odgazowana i znajduje się w odpowiedniej objętości mogącej zagwarantować podany czas reakcji.

Ogólnie środki chemiczne przeznaczone do kondycjonowania wody kotłowej podzielić można na pięć podstawowych kategorii:

-     środki alkalizujące – substancje i preparaty podnoszące odczyn pH wody,

-     odtleniacze – substancje, które usuwają z wody tlen szczątkowy na drodze reakcji chemicznej, dla przemysłu spożywczego, gdzie para może mieć kontakt z żywnością, nie wolno stosować hydrazyny i jej pochodnych oraz związków aminowych.

  • -     stabilizatory twardości i antyskalanty – substancje chemiczne, które zapobiegają wypadaniu i osadzaniu trudno rozpuszczalnych soli na powierzchniach wymiany ciepła i elementach konstrukcyjnych;
  • -     inhibitory korozji – substancje chemiczne posiadające zdolność do znacznego spowolnienia lub całkowitego zahamowania procesów korozyjnych w środowisku wodnym,
  • -     środki dyspergujące – związki, które przeciwdziałają wzrostowi i osadzaniu się cząstek stałych obecnych w wodzie, poprzez zmianę ich ładunku elektrycznego, w rezultacie czego cząstki odpychają się i nie podlegają procesowi aglomeracji;

W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się wielofunkcyjne preparaty do korekcji i kondycjonowania wód kotłowych. Preparaty oparte z reguły na kilku komponentach, spełniają jednocześnie funkcje odtleniacza, inhibitora korozji, antyskalanta i dysperganta. Do najważniejszych zalet takiego rozwiązania należą:

  • zredukowanie ilości pomp dozujących chemikalia,
  • zapobieganie możliwości negatywnych interakcji pomiędzy poszczególnymi komponentami uzdatniania wody – producent optymalizuje skład w sposób wykluczający wzajemne działanie antagonistyczne składników.
  • wykorzystanie synergicznych właściwości komponentów - sumaryczny efekt działania preparatu przewyższa znacznie efekt działania pojedynczego komponentu,
  • preparaty wielofunkcyjne są bardziej ekonomiczne w użyciu i zwykle z ich wykorzystaniem możliwe jest obniżenie kosztów kondycjonowania.

 

Jan Marjanowski, Arkadiusz Nalikowski

Przedsiębiorstwo MARCOR Gdańsk

marcor logo

 

 

 

 

 

Bibliografia – dostępna u autorów

tel. 58 557 28 20

www.marcor.com.pl

Autorzy opracowali w latach 2009 – 2010  typoszereg wielofunkcyjnych preparatów serii ALKAMAR i TANIMAR, do kondycjonowania wody dla kotłów wodnych i parowych oraz sieci ciepłowniczych. Spełniają one następujące funkcje:

     -      są wydajnym i skutecznym odtleniaczem, zwłaszcza w odniesieniu do tlenu szczątkowego,

     -      pomagają utrzymywać w czystości powierzchnię wymiany ciepła, dzięki czemu przeciwdziałają korozji podosadowej stali czarnej, żeliwa i stali chromowo-niklowych,

     -      działają jako silny dyspergant, usuwając z kotłów, rurociągów i armatury odłożone osady produktów korozji i kamienia wodnego;

     -     powodują tworzenie się cienkiej, izolującej i pasywnej warstewki na powierzchni kotła,

  •      -     zapobiegają osadzaniu się kamienia w kotle, nawet przy przekroczeniu zalecanych wartości wody zasilającej,
  •      -     regulują odczyn pH wody.

Korzystnie kształtuje się aspekt ekonomiczny stosowania preparatów typoszeregu TANIMAR. Przy standardowym dawkowaniu w zależnym od stopnia demineralizacji wody, dawki wynoszą  od 10 do 18 ml preparatu na 1 m3 wody uzupełniającej.

 

Skomentuj

Upewnij się, że zostały wprowadzone wszystkie wymagane informacje oznaczone gwiazdką (*). Kod HTML jest niedozwolony.

Najlepsi dostawcy i producenci maszyn, przypraw, chemii przemysłowej i opakowań zamieszczają swoje reklamy na naszych łamach. Firma WOMAT zajmuje się również kompleksową obsługą medialną i reklamową podmiotów gospodarczych. Zapewniamy wykonanie zlecenia - od projektu do ostatecznej realizacji.

Newsletter

Najważniejsze informacje Cie nie ominą...

Nie spamujemy, też nie lubimy spamu....

Please publish modules in offcanvas position.