Przygotowanie wody

Prawidłowe przygotowanie wody jest jednym z podstawowych warunków pewnej i długotrwałej eksploatacji kotłowni parowej. Z tego powodu obowiązują surowe wymogi dotyczące właściwości wody przeznaczonej dla kotłowni parowych.

Poniżej krótko objaśniono definicje i ich synonimy określające różne strumienie wody, stosowane w odniesieniu do kotłowni parowych.

Definicje różnych strumieni wody i ich objaśnienie

Złe przygotowanie wody, błędy w analizach poprzedzających przygotowanie wody oraz brak kontroli parametrów wody to wciąż najczęstsze przyczyny zakłóceń w ruchu, a nawet uszkodzeń kotłów parowych.

Z tego powodu uchwalono na europejskiego prawodawstwa zbiór reguł dotyczących utrzymania precyzyjnie zdefiniowanych parametrów wody zasilającej i kotłowej.

Raport branżowy: Nowoczesne metody uzdatniania i analiza wody

Dotrzymanie podanych wymagań dla wody zasilającej i wody kotłowej pozwala zminimalizować lub wyeliminować przyczyny następujących uszkodzeń i zaburzeń w pracy kotła:

• korozji
• osadów od strony wody
• pienienia wody kotłowej
• gromadzenia się szlamu i mułów

Aby móc dotrzymać parametrów wody i uniknąć w ten sposób uszkodzeń spowodowanych zbyt dużą zawartością niekorzystych składników w wodzie należy odpowiednio przygotować świeżą wodę.

W tym celu stosuje się, w zależności od wydajności instalacji kotłowej, ilości kondensatu i składników zawartych w wodzie świeżej, rozmaite metody przygotowania wody w celu wykorzystania jej w instalacji kotłowej.

Poniższa ilustracja przedstawia wykaz składników zawartych w świeżej wodzie lub kondensacie i wynikające z nich niebezpieczeństwa dla kotła parowego oraz metody przygotowania wody jakie należy zastosować.

Składniki wody świeżej i kondensatu

Wybór metody przygotowania wody powinien zawsze opierać się na szczegółowej analizie dostarczanej wody świeżej.

 

Odżelazianie i odmanganianie

Proces odżelaziania i odmanganiania wody polega na utlenieniu rozpuszczonych w wodzie jonów żelaza II (Fe²⁺) i manganu II (Mn²⁺) do postaci Fe³⁺ i Mn³⁺. Utlenianie może odbywać się z użyciem tlenu (O₂), innych utleniających związków chemicznych jak nadmanganian potasu (KMnO₄) lub przez katalizę. W wyniku utleniania związki rozpuszczone w wodzie zamieniają się w związki nierozpuszczalne, które następnie osadzają się na złożu filtracyjnym.

 

Zmiękczanie

Sposób działania wymieniacza jonowego

Wymiana jonowa jest najczęściej stosowaną metodą zmiękczania wody. W procesie wymiany jonowej odpowiedzialne za twardość wody jony wapnia i magnezu są wymieniane na nieszkodliwe jony sodu. Wymiana jonowa jest prostym i skutecznym sposobem zmiękczania wody, a jedyny jej koszt to zużycie specjalnej soli regeneracyjnej.

Sposób działania wymieniacza jonowego do zmiękczania wody

Faza A: zmiękczanie wody

Zmiękczanie wody drogą wymiany jonowej opiera się na chemicznym zjawisku równowagi jonowej. Złoże jonowymienne (żywica jonitowa) zasypane do zbiornika ciśnieniowego jest obsadzone jonami sodu. Gdy twarda woda świeża przepływa przez zmiękczacz, tworzące twardość jony wapnia i magnezu zostają zastąpione neutralnymi jonami sodowymi.

Faza B: początek regeneracji

Gdy wszystkie jony sodu na żywicy jonitowej zostaną zastąpione tworzącymi twardość jonami wapnia i magnezu, konieczna jest regeneracja złoża.

Regeneracja polega na przepłukaniu złoża solanką – roztworem chlorku sodu. Podczas tej czynności zachodzi proces odwrotny: złoże zostaje ponownie obsadzone czynnymi jonami sodu, oddając solance jony wapnia i magnezu.

Faza C: koniec regeneracji

Wymiana jonów prowadzi stopniowo do wyczerpania zdolności jonowymiennej złoża. Regeneracja złoża nie powinna następować w momencie całkowitej utraty przez nie zdolności zmiękczania, ale nieco wcześniej. Takie rozwiązanie jest najbardziej ekonomiczne i pozwala na zużywanie jak najmniejszych ilości soli regeneracyjnej.

Faza D: początek kolejnego cyklu zmiękczania

Po zakończeniu regeneracji wymieniacz jonowy jest przepłukiwany wodą, która jest następnie odprowadzana jako ściek do kanalizacji. Wymieniacz jest gotowy do kolejnego cyklu zmiękczania wody.

W większych instalacjach zaleca się stosowanie wymieniaczy jonowych dwukolumnowych.

Takie rozwiązanie umożliwia ciągłą dostawę zmiękczonej wody, gdy w czasie regeneracji jednej kolumny pracuje druga.

Demineralizacja

Podczas parowania wody w kotle wydzielają się rozpuszczone w niej sole, które pozostają w kotle zwiększając zasolenie wody kotłowej. Aby nie zostało przekroczone dopuszczalne stężenie soli woda kotłowa musi być ciągle odsalana. Proces odsalania pociąga za sobą straty energii i wody.

Rozwiązaniem tej sytuacji jest odsalanie świeżej wody, zwłaszcza w instalacjach z niewielką ilością powstającego kondensatu < 50 % i wodą świeżą o dużej przewodności. Odsalanie jest kolejnym etapem przygotowania wody po zmiękczaniu, najczęściej stosowaną metodą odsalania jest odwrócona osmoza.

Obliczanie udziału odsolin (raty odsalania)

Udział odsolin w wydajności kotła można obliczyć na podstawie zmierzonej przewodności wody zasilającej lub przy pomocy parametrów wody uzupełniającej i udziału kondensatu (kondensat z reguły wykazuje małą przewodność o nieistotnym znaczeniu) posługując się wzorem:

Oprócz przewodności ratę odsalania mogą określać jeszcze inne parametry wody, takie jak zawartość kwasu
krzemowego SiO2 czy twardość (węglanowa) dla wartości granicznej Ks 8,2. Dla rzeczywistego udziału odsolin
rozstrzygająca jest zawsze największa ustalona wartość.

W oparciu o powyższy wzór można obliczyć udział odsolin z przewodności poniżej:

Obliczenie udziału odsolin
1) Udział odsolin oblicza się z największej wartości. W tym przykładzie największą wartość ma przewodność, stąd obliczony udział odsolin 3,27 %.

Odwrócona osmoza

Odwrócona osmoza polega na wymuszonej dyfuzji przez półprzepuszczalną membranę rozdzielającą dwa rozpuszczalniki o różnym stężeniu. Woda, która ma być oczyszczona, wywiera nacisk na membranę, wskutek czego mniejsze cząsteczki wody są w stanie przejść przez pory membrany. Większe jony soli rozpuszczonych w wodzie nie są w stanie przejść przez pory, w wyniku czego woda o większym stężeniu soli zostaje odrzucona i usunięta do kanalizacji. Gdy układ znajduje się w stanie równowagi ciśnienie po stronie koncentratu (retentat) jest wyższe niż po stronie filtratu (permeat), a osmoza przebiega od roztworu o stężeniu mniejszym do roztworu o stężeniu większym. Ciśnienie utrzymujące ten stan równowagi jest nazywane ciśnieniem osmotycznym i jest widoczne jako różnica wysokości.

W przemysłowym odsalaniu do membrany zostaje przyłożone ciśnienie o większej wartości i skierowane przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne, wskutek czego proces osmozy przebiega odwrotnie niż w osmozie spontanicznej od roztworu o większym stężeniu (koncentratu) do roztworu o stężeniu mniejszym. W ten sposób zostają całkowicie odrzucone z wody rozpuszczone sole i substancje organiczne.

Przedstawienie ciśnienia osmotycznego (A), odwróconej osmozy przez przyłożenie ciśnienia od strony koncentratu (B) i procesu ciągłej osmozy odwróconej (C)

Ogólny przegląd metod filtracji w procesie uzdatniania wody

Wytwarzany filtrat jest stale do dyspozycji, a powstały koncentrat można odprowadzić do kanalizacji bez konieczności dalszego uzdatniania.

Warunkiem stosowania odwróconej osmozy jest uprzednie zmiękczenie wody. Woda musi być również oczyszczona i wolna od nierozpuszczonych substancji obcych, w szczególności zanieczyszczeń organicznych, aby uniknąć zablokowania membran.

W procesie odwróconej osmozy zmiękczona woda zawierająca minimalną ilość małych jonów jest podawana pod ciśnieniem < 40 bar na membranę półprzepuszczalną. Po przejściu przez membranę cząstki czystej wody tworzą permeat (z łac. permeare – przenikać), odprowadzany do wykorzystania jako woda częściowo odsolona. Permeat stanowi 80 – 95 % użytej wody. Pozostała część wody (5 – 20 %) stanowi zasolony koncentrat zwany również retentantem (z łac. retinere – zatrzymać), który zostaje odprowadzony do kanalizacji.

W trybie ciągłej pracy proces odwróconej osmozy przebiega prawie bez użycia środków chemicznych, zatrzymując ok. 98 % soli. Uzyskiwany permeat ma przewodność poniżej 15 μS/cm. Prawidłowe działanie urządzenia jest monitorowane przez pomiar przewodności w permeacie.

Aby dobrać możliwie najmniejsze urządzenia do odwróconej osmozy, zaleca się zastosowanie zbiornika permeatu, z którego permeat będzie pobierany do odgazowywacza zbiornika wody zasilającej.

Schemat przygotowania wody metodą odwróconej osmozy ze zbiornikiem permeatu

Odsalanie całkowite

Całkowite odsolenie wody o przewodności < 0,2 μS/cm uzyskuje się w układzie pełnej wymiany jonowej z odgazowywaczem CO₂ pomiędzy jonitami i dodatkowym filtrem ze złożem mieszanym umieszczonym za anionitem. Złoże mieszane jest kombinacją kationitów i anionitów. Aby zoptymalizować proces odsalania całkowitego i ograniczyć zużycie środków regeneracyjnych w fazach przygotowania wody dodatkowo poprzedza się słabo i silnie kwaśne kationity słabo i silnie zasadowymi anionitami. Całkowicie odsolona woda nazywana jest również wodą zdemineralizowaną lub zdejonizowaną.

 

Odgazowanie termiczne

Zawarte w wodzie zasilającej i kondensacie składniki korozyjne mogą spowodować uszkodzenia zbiornika wody zasilającej, kotła, ekonomizera i sieci rur. Najbardziej niebezpieczne dla instalacji ze względu na silne działanie korozyjne są rozpuszczone w wodzie tlen i dwutlenek węgla.

Korozja tlenowa powoduje powstawanie w materiale dziur o wyglądzie podobnym do blizn. Korozja wżera się coraz głębiej w materiał, typowym obrazem szkody są właśnie wżery.

Uszkodzenia wywołane korozją tlenową w kotle i rurach

Odgazowanie całkowite

Przy ciśnieniach roboczych w zakresie 0,1 – 0,3 bar i temperaturach powyżej 100 °C musi być niezawodnie utrzymana maksymalna zawartość tlenu w wodzie zasilającej 0,02 mg O₂/l i maksymalna zawartość dwutlenku węgla 1 mg CO₂/l, aby można było mówić o całkowitym odgazowaniu.

Chemiczne środki wiążące tlen są stosowane w tym przypadku w bardzo niewielkich ilościach dla zapewnienia, że w wodzie zasilającej nie pozostał żaden tlen resztkowy.

Porównanie odgazowywacza rozpylającego (sprejowego) i ociekowego (kaskadowego)
1) Zalecana dla odzysku ciepła z wodą uzupełniającą

Odgazowanie całkowite - schemat przewodów rurowych i przyrządów odgazowywacza ociekowego

Odgazowanie całkowite - schemat przewodów rurowych i przyrządów odgazowywacza rozpylającego

Odgazowanie częściowe

Gdy odgazowanie odbywa się w temperaturze tylko ok. 90 °C, mówi się o odgazowaniu częściowym, ponieważ w wodzie mogą nadal pozostawać resztki związanych gazów. W tym wypadku używa się więcej środków chemicznych wiążących tlen, aby chemicznie związać przede wszystkim resztkowy tlen, który mógłby spowodować korozję w kotle i innych częściach instalacji parowej.

Układ wody zasilającej – odgazowanie częściowe

 

Dozowanie środków chemicznych

Użytkownik instalacji kotłowej musi zadbać o dotrzymanie wymagań dotyczących wody zasilającej i wody kotłowej. Aby parametry wody utrzymać w zadanych granicach, musi ona być dodatkowo uzdatniana z użyciem środków chemicznych.

Dozowanie środków chemicznych ma służyć:

• związaniu resztkowego tlenu
• redukcji korozyjności poprzez ustawienie odpowiedniej wartości pH
• stabilizacji resztkowej twardości
• zapobieganiu odkładaniu się osadów i kamienia kotłowego

Środki chemiczne dozuje się do zbiornika wody zasilającej tak aby uzyskać niezbędny czas na reakcję z wodą wynoszący ok. 30 minut.

Zazwyczaj do wiązania resztkowego tlenu używa się siarczynu sodu, a do wiązania resztkowej twardości i podniesienia wartości pH trójfosforanu sodu.

Raport branżowy: Nowoczesne metody uzdatniania i analiza wody