Uzdatnianie Wody w Kotłowniach i Ciepłowniach
- Szczegóły
Jakość wody zasilającej kotły i związane z tym problemy osadowo - korozyjne, jak zwrot kondensatu na ilościowo i jakościowo wysokim poziomie, niskie odsalanie, oszczędność wody i energii cieplnej, są to wszystko problemy z jakimi boryka się jeszcze znaczna część zakładów.
Niniejszy artykuł ma przybliżyć przyszłym inwestorom jedną z gałęzi tej wiedzy, związaną z wyborem właściwej technologii uzdatniania wody na etapie zakupu kotłów, zakupu stacji uzdatniania wody, modernizacji kotłowni. Z kolei eksploatatorom kotłów, uświadomienie problemów związanych z niewłaściwym uzdatnianiem wody zasilającej kotły i koniecznymi zmianami jakie trzeba wykonać dla wyeliminowania tych problemów.
Ważne jest zdefiniowanie pewnych nazw wody w niniejszym artykule dla porządku rozumienia i posługiwania się nimi w dalszej części artykułu.
- Kondensat - stanowi skropliny wytworzone z pary w wyniku jej przemiany w procesie wymiany ciepła. Kondensat o odpowiedniej jakości łącznie z wodą dodatkową stanowi wodę zasilającą kotły parowe.
- Woda kotłowa - w przypadku kotłów wodnych jest równocześnie wodą obiegową, natomiast w kotłach parowych w wyniku odparowania następuje systematyczne zatężanie wody kotłowej i tym samym zmiana jej składu chemicznego w porównaniu z wodą zasilającą.
- Woda dodatkowa - inaczej uzupełniająca, która służy do pokrywania strat wody w obiegu wodno-parowym. Razem z kondensatem stanowi wodę zasilającą kocioł. Woda dodatkowa musi być wodą uzdatnioną a przynajmniej wodą pozbawioną twardości (zmiękczoną).
Problemy związane z osadami i korozją w kotłach parowych
Osady kamienia kotłowego w kotłach parowych
Na wewnętrznych powierzchniach kotłów w czasie ich pracy, a także i postoju mogą tworzyć się osady o różnym składzie chemicznym i strukturze, zwane potocznie kamieniem kotłowym. Powstawanie osadów zależy od bardzo wielu czynników w tym: od jakości wody zasilającej, od jakości wody kotłowej i intensywności odsalania, obciążenia cieplnego powierzchni i jej temperatury, rozwiązań konstrukcyjnych kotła, sposobu eksploatacji.
Podczas ogrzewania wody następuje rozkład wodorowęglanu wapnia Ca(HCO3)2 w myśl reakcji: Ca(HCO3)2 = CaCO3 ↓ + H2O + CO2↑ (1). Powstający węglan wapnia CaCO3 może wytrącać się w postaci krystalicznego kalcytu jako klasyczny kamień kotłowy lub w formie bezpostaciowego aragonitu jako muł. Natomiast dwutlenek węgla ulatnia się do części parowej kotła i skraplając się w rurociągach kondensatu zakwasza go jako kwas węglowy, powodując korozję rur i zbiornika kondensatu, a co za tymi idzie korozyjne niszczenie tych elementów kotła. Powstające osady żelaziste produktów korozji mogą powracać do kotła wraz z kondensatem.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
W kotle mogą wypadać też osady siarczanu wapnia uwodnionego ostatecznie do postaci półwodnego gipsu CaSO4 x 2H2O, jeśli w wodzie zasilającej, po stacji uzdatniania wody będą obecne siarczany i jednocześnie woda będzie wykazywała się twardością wyższą jak 0,2 °n (np. po zmiękczaczu): Ca+2 + SO4-2 + ½ H2O → CaSO4 x ½ H2O (2)
Charakterystyczne osady dla kotłów parowych znajdują swoje odpowiedniki w przyrodzie jako minerały. Zostały w tej formie wymienione w tabeli 1.
| Wzór chemiczny | Nazwa minerału |
|---|---|
| CaCO3 | Kalcyt lub aragonit |
| Ca SO4 lub CaSO4 x ½ H2O | Siarczan wapnia lub gips półwodny |
| 3 Ca3(PO4)2 x Ca(OH)2 | Hydroksyapatyt |
| 3 MgOx 2 SiO2x 2 H2O | Serpentyn |
| Fe3 (PO4)2 x H2O | Wiwianit |
| Fe2O3 | Hematyt |
| FeO(OH) | Getyt |
| Mg2SiO4 | Forsteryt |
| (Mg,Fe)2SiO4 | Oliwin |
Częściowo osady wypadają z wody w formie mułu a częściowo w formie zwartego twardego osadu zwanego kamieniem kotłowym, oblepiającego powierzchnie ogrzewalne i inne elementy kotła. Może być ona źródłem wżerowej korozji galwanicznej kotła. Wytracanie się osadów w kotle świadczy jednoznacznie o złym procesie uzdatniania wody na potrzeby kotłowe.
Korozja w kotle parowym
Powodów korozji elementów wewnętrznych kotła może być wiele, bezpośredni wpływ na korozję ma: skład wody uzupełniającej kondensat i przyjęta technologia uzdatniania wody, wysokie zasolenie wody kotłowej szczególnie obecność chlorków w wodzie kotłowej, nieprzestrzeganie warunków odsalania kotła wg wytycznych producenta kotła czy też norm krajowych, unijnych, wymagań branżowych czy też korporacyjnych.
Jeśli w wodzie zasilającej obecny jest rozpuszczony tlen wskutek niedostatecznego odgazowania wody zasilającej w odgazowywaczu, reakcja biegnie dalej z odtwarzaniem się dwutlenku węgla co zwiększa dalej korozję i najczęściej wskutek tej reakcji powstają miejscowe ubytki w formie wżerów: 2Fe(HCO3)2 + 1/2O2 → Fe2O3 ↓ + 4CO2 ↑ + 2H2O (4)
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Równolegle w przypadku tlenu rozpuszczonego w wodzie kotłowej biegnie reakcja korozji z depolaryzacją tlenową. Tlen jest depolaryzatorem katodowym w reakcji elektrochemicznej utleniania żelaza jak niżej w reakcji: Fe + 1/2O2 + H2O → Fe(OH)2 (5)
Im większe stężenie tlenu rozpuszczonego w wodzie, tym intensywniej zachodzą procesy korozyjne. Tlen rozpuszczony przechodzi również do pary i pojawia się następnie w kondensacie co przyspiesza niszczenie rur kondensatu.
Korozję potęgują zawarte w wodzie chlorki i siarczany zmieniając jej charakter z korozji ogólnej na korozję wżerową. Wżer rozwija się autokatalitycznie i szybko drąży w głąb materiał kotła np. rury. Ma do tego dobre warunki, ponieważ z małej powierzchni wżeru który jest anodą w ogniwie, elektrony są przesyłane na dużą powierzchnię rury z tlenkami magnetytu, która posiada dodatni potencjał w stosunku do wżeru i stanowi katodę ogniwa.
Wymagania w zakresie jakości wody zasilającej kotły parowe i wody kotłowej
Normy i wymagania wybranych producentów kotłów
Woda zasilająca kocioł parowy z przyczyn formalno-prawnych musi odpowiadać normom i przepisom krajowym, a w trakcie eksploatacji nowego kotła dla zachowania gwarancji, także wymaganiom producenta. Zła jakość wody zasilającej skutkuje koniecznością przeprowadzania kosztownych chemicznych czyszczeń kotłów lub awarii, które mogą się zakończyć rozerwaniem elementu kotła np. płomieniówki lub w skrajnym wypadku awarii i wybuchu kotła.
Celowe jest doprowadzenie jak największej ilości kondensatu do kotła produkującego parę wodną i jak najmniejsze uzupełnianie kondensatu wodą dodatkową wytwarzaną przez stację uzdatniania wody (SUW). Zwracany do zbiornika kondensatu kondensat musi być dobrej jakości. Jeśli nie spełnia jakości wody zasilającej musi być ponownie uzdatniony najczęściej chemicznie i termicznie (odgazowanie) lub też wyeliminowany.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
Nadrzędnym zaleceniem do wytycznych w zakresie jakości wody zasilającej oraz kotłowej dla producentów kotłów jest norma PN-EN 12953-10:2003 pt. „Kotły płomienicowo-płomieniówkowe” Część 10: „Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej i wody kotłowej”. Norma z dniem 15.05.2004 została uznana za Polską Normę [2].
Przytoczona norma jest częścią normy europejskiej EN 12953-10 stosowanej dla kotłów ogrzewanych spalinami w wyniku spalania jednego lub wielu paliw, lub gorącymi gazami w celu wytwarzania pary i/lub gorącej wody. Norma przedstawia minimalne wymagania dla wody zasilającej kotły płomienicowo - płomieniówkowe oraz dla wody kotłowej tak aby zapobiec: ryzyku korozji, wytrącaniu osadów, tworzeniu kamienia kotłowego,które mogą być przyczyną uszkodzeń mechanicznych, lub problemów eksploatacyjnych.
W tabeli 2 przedstawiono normatywne wymagania odnośnie jakości wody zasilającej a w tabeli 3 wymagania odnośnie jakości wody kotłowej.
Norma, co ważne przewiduje użycie wody zdemineralizowanej do kotła z instalacji SUW, jak też mieszaniny kondensatu i wody dodatkowej z SUW o przewodnictwie poniżej i powyżej 30 µS/cm. W przypadku przewodności wody zasilającej poniżej 30 µS/cm narzuca inne wymagania jakościowe dla wody o niskim przewodnictwie i dla wody o wyższym przewodnictwie niż 30 µS/cm.
Tabela 2. Woda zasilająca kotły parowe i wodne wg normy PN EN 12953-10: 2003
| Parametr | Jednostka | Woda zasilająca kotły parowe | |
|---|---|---|---|
| Ciśnienie robocze bar | >0,5-20 | >20 | |
| Wymagania ogólne | - | czysta, wolna od zawiesiny | |
| Przewodność wł. 25 0C [λ] | μS/cm | parametr zależny od dopuszczalnego składu wody kotłowej Tab. 3 | |
| pH w temp. 250C | >9,2 a | >9,2 b | |
| Twardość ogólna | mmol/l | <0,01 c | <0,01 |
| Żelazo ogólne | mgFe/l | <0,3 | <0,1 |
| Miedź | mgCu/l | <0,05 | <0,03 |
| Krzemionka | mgSiO2/l | zależna od wytycznych Tab.3 | |
| Tlen | mgO2/l | <0,05 d | <0,02 |
| Oleje/ tłuszcze | mg/l | <1 | <1 |
| Materia organiczna jako Całkowity Węgiel Organiczny | - | uwaga e | |
Oznaczenia:a - jeżeli w systemie wodnym zastosowano stopy miedzi to spełnić należy warunek 8,7<pH<9,2, jeżeli woda zmiękczona posiada pH> 7,0 to pH wody kotłowej zależy od wartości z Tabeli 3,c- dla ciśnienia roboczego <1 bar dopuszczalna max. twardość og. 0,05 mmol/l, parametr nie wymagający monitorowania w przypadku okresowej pracy, lub braku odgazowywacza jeżeli stosuje się inhibitory korozji i/lub związki chemiczne wiążące tlen, związki organiczne zwykle są mieszaniną kilku związków. Oddziaływanie konkretnej mieszaniny w danych warunkach jest trudno przewidywalne. Związki organiczne w wyniku termicznego rozkładu tworzą kwas...
Technologie Uzdatniania Wody
Istnieje wiele technologii uzdatniania wody, które można zastosować w kotłowniach i ciepłowniach. Wybór odpowiedniej technologii zależy od jakości wody surowej, wymagań dotyczących jakości wody zasilającej oraz budżetu.
- Demineralizacja Wody: Odwrócona osmoza (RO) to jedna z najskuteczniejszych metod oczyszczania wody. Stacja EDI stosowana jest po odwróconej osmozie do doczyszczania zdemineralizowanej wody, w celu redukcji przewodności i zawartości krzemionki. Urządzenia RO są stosowane do przygotowania wody zdemineralizowanej bez użycia kwasu solnego i wodorotlenku sodu. Stacje demineralizacji wody wytwarzają wodę zdemineralizowaną przy zastosowaniu techniki wymiany jonowej.
- Zmiękczanie Wody: Podczas zmiękczania wody sole wapniowe i magnezowe zostają wymienione na sole sodowe, które nie wpływają niekorzystnie na twardość wody.
- Dekarbonizacja: Dzięki dekarbonizacji twardość wody i zawartość wodorowęglanów w wodzie zostaje zmniejszona, a zatem typowo redukuje zawartość soli w wodzie o ok. 75%.
- Odgazowywanie: Odgazowywacze są stosowane w celu zmniejszenia zawartości tlenu, kwasu węglowego i powietrza w wodzie.
- Filtracja z Aktywnym Węglem: Węgiel aktywny jest naturalnym produktem wytworzonym z węgla, drewna lub orzechów kokosowych.
- Dezynfekcja Wody: Dezynfekcja wody za pomocą promieniowania UV to nowoczesna, skuteczna i ekologiczna metoda eliminacji patogennych mikroorganizmów. Efektywną metodą dezynfekcji wody jest stosowanie promieniowania ultrafioletowego (UV) o długości fali 254 nm. Proces ten niszczy ponad 99,99% wszystkich bakterii chorobotwórczych w wodzie.
- Nanofiltracja: Nanofiltracja jest często stosowana do redukcji siarczanów, chlorków i fluorków w wodzie pitnej lub częściowego zmiękczania wody bez użycia chemikaliów do regeneracji.
Dodatkowe komponenty i rozwiązania
W celu ułatwienia montażu i transportu niektóre instalacje uzdatniania wody mogą być montowane w kontenerze co powoduje, że czas od zamówienia do dostarczenia i uruchomienia urządzeń jest maksymalnie skrócony.
Zazwyczaj dozowanie stosuje się w celu dostosowywania pH wody kotłowej, wody chłodzącej, i wody dla ciepłowni oraz jako zabezpieczenie przed korozją i wytrącaniem się osadów.
tags: #uzdatnianie #wody #w #kotlowniach #i #cieplowniach
