- 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.
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.
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
Bibliografia – dostępna u autorów
tel. 58 557 28 20
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.