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.
Definicja
Objaśnienie
Woda świeża
(woda surowa)
Nieuzdatniona woda pochodząca z następujących źródeł:
Ta woda służy do napełniania i wyrównywania strat wody w instalacji, jest dostarczana do instalacji zazwyczaj z temperaturą ok. 10 °C.
Woda zmiękczona
(woda pozbawiona twardości, woda miękka)
Woda, która w procesie zmiękczania w wymienniku jonowym została pozbawiona jonów wapnia Ca2+ i magnezu Mg2+
Woda częściowo odsolona
(permeat lub woda demineralizowana)
Woda, która prawie nie zawiera soli.
Ma przewodność < 50 μS/cm i jest najczęściej uzyskiwana z wody zmiękczonej metodą odwróconej osmozy.
Woda całkowicie odsolona
(woda zdejonizowana)
Woda, która nie zawiera żadnych soli.
Ma przewodność < 1 μS/cm i jest najczęściej uzyskiwana metodą dekationizacji i deanionizacji.
Woda uzupełniająca
Woda zmiękczona, częściowo lub całkowicie odsolona, dostarczana do zbiornika wody zasilającej celem odgazowania.
Kondensat beztlenowy
(kondensat wysokociśnieniowy)
Kondensat zbierany w zbiornikach zamkniętych pod ciśnieniem > 0,2 bar.
Woda zasilająca
Woda zmiękczona, odgazowana i chemicznie kondycjonowana, dostarczana do kotła przez pompy zasilające.
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.
W normie EN 12953-10 określono konkretne wymagania w odniesieniu do wyglądu, przewodności, wartości pH, twardości całkowitej, pojemności kwasowej oraz zawartości żelaza, miedzi, kwasu krzemowego, oleju/tłuszczu, fosforanów. Woda ma być także wolna od substancji organicznych.
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:
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.
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.
Wśród związków rozpuszczonych w wodzie twardość jest najbardziej szkodliwa dla instalacji kotłowej. Za twardość wody są odpowiedzialne głównie jony wapnia i magnezu (Ca2+; Mg2+). Jeśli w wodzie zasilającej są obecne te tak zwane metale ziem alkalicznych, mogą one ulec wytrąceniu w wyniku ogrzewania wody w kotle tworząc kamień kotłowy odkładający się na powierzchniach grzewczych kotła.
Jeśli obecność kamienia kotłowego nie zostanie szybko zauważona, kamień staje się barierą dla przenoszenia ciepła, czego skutkiem jest pogorszenie sprawności kotła. Jeżeli warstwa kamienia dalej narasta, może dojść do przegrzania powierzchni grzewczych i w konsekwencji poważnego uszkodzenia, a nawet zupełnego zniszczenia kotła.
Aby tego uniknąć, należy usunąć z wody jony powodujące twardość wody.
Kamień kotłowy, który spowodował uszkodzenie płomienicy
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.
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.
Schemat i zdjęcie zmiękczacza wody dwukolumnowego
Faza zmiękczania A: regeneracja złoża jonowymiennego płukaniem w przeciwprądzie
Faza zmiękczania B: wymiana jonów w trakcie
Armatura przełączająca: ilustracja pokazuje aktualny kierunek przepływu strumieni
Zmiękczona woda uzupełniająca
Zbiornik na roztwór regeneracyjny
Ściek
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:
Równanie do obliczenia udziału odsolin
a
Udział odsolin w odniesieniu do ilości wody zasilającej [%]
Gwz
Przewodność wody zasilającej [μS/cm]
Gwu
Przewodność wody uzupełniającej [μS/cm]
Gwk
Dopuszczalna przewodność wody kotłowej [μS/cm]
c
Udział (rata) kondensatu
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:
Jednostka
Przewodność
SiO2
Ks 8,2
Strumień pary
[kg/h]
10 000
Udział odsolin (odniesieniu do strumienia pary)1)
[%]
3,27
2,56
3,00
Udział kondensatu c
50
Udział świeżej wody
Wartość w świeżej wodzie
[µS/cm]
380
7,5 [mg/l]
0,7 [mmol/l]
Wartość graniczna wody kotłowej
6 000
150 [mg/l]
12 [mmol/l]
Wartość w wodzie zasilającej
190
3,75
0,35
Strumień odsolin
327
256
300
Strumień wody zasilającej
10 327
10 256
10 300
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)
Zilustrowanie ciśnienia osmotycznego
Retentat
Odwrócona osmoza przez przyłożenie ciśnienia od strony koncentratu
Membrana półprzepuszczalna
Proces ciągłej osmozy odwróconej
Warstwa nośna
Filtrat (permeat)
Metoda filtracji
Filtr siatkowy
Filtr drobnosiatkowy
Filtracja cząstkowa
Mikrofiltracja
Ultrafiltracja
Nanofiltracja
Granice filtracji
> 500 µm
5 ... 500 µm
1 ... 10 µm
0,1 ... 1 µm
0,01 ... 0,1 µm
0,001 ... 0,01 µm
< 0,001 µm
Usuwane zanieczyszczenia
Ziarna, piasek, włókna
Większe cząsteczki, algi
Małe cząsteczki, pierwotniaki, bakterie, wirusy
Mikrocząsteczki, pierwotniaki, bakterie, wirusy
Wirusy i substancje molekularne
Substancje drobnomolekularne i huminy
Jony
Metody uzdatniania wody
Cedzenie, cyklony, sedymentacja, oczyszczanie
Filtry tkaninowe
Filtry wielowarstwowe szybkie, filtracja membranowa
Filtry wielowarstwowe wolne, filtracja membranowa
Filtracja membranowa
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
Filtr
Obejście
Pompa permeatu
Pompa wysokoprężna
Monitoring przewodności (QIA+)
Moduły odwróconej osmozy
Zbiornik 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.
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
Natomiast korozja wywołana przez dwutlenek węgla ma prawie zawsze charakter względnie powierzchniowy, równomierny.
Termiczne odgazowanie jest najlepszą metodą na trwałe utrzymanie stężeń tlenu i dwutlenku węgla w wodzie zasilającej poniżej szkodliwego poziomu. Metoda termicznego odgazowania wykorzystuje zjawisko zmniejszania się rozpuszczalności gazów w wodzie wraz ze wzrostem temperatury, która spada niemal do zera przy 100 °C.
Wartości odnoszą się do rozpuszczalności w warunkach równowagi. Aby rzeczywiście nastąpiło wytrącenie gazów, musi być umożliwionaaktywna wymiana między gazami rozpuszczonymi w wodzie i przestrzenią parową zbiornika wody zasilającej. Tak właśnie dzieje się w odgazowywaczach ociekowych (kaskadowych) i rozpylających (sprejowych), gdzie jest wytwarzana duża granica faz umożliwiająca szybkie przenoszenie cząsteczek substancji w fazę gazową. Ponadto woda musi przebywać w zbiorniku przez pewien czas, aby znajdujące się w niej gazy zdążyły się wytrącić.
Rozpuszczalność tlenu i dwutlenku węgla w wodzie
Moduł przygotowania wody, składający się ze zbiornika wody zasilającej z odgazowywaczem ociekowym, modułów pomp zasilających, zbiornika rozprężnego odmulin i odsolin, modułu dozowania chemicznych środków korygujących i szafy sterowniczej
Świeża woda lub zawierający tlen kondensat są wprowadzane do zabudowanej na zbiorniku wody zasilającej kolumny odgazowywacza. W odgazowywaczu woda spływa kaskadowo po półkach (odgazowywacz ociekowy, kaskadowy) lub jest rozpylana dyszowo (odgazowywacz sprejowy). W przeciwprądzie od dołu do góry płynie para grzewcza, która podgrzewa wodę do temperatury wrzenia. Wrzenie wody powoduje wydzielenie się z niej gazów, które są następnie odprowadzane wraz z oparami z górnej części kolumny odgazowywacza.
Duża część ciepła unoszonego z oparami może być oddana do wody uzupełniającej przy użyciu wymiennika ciepła oparów (VC), pozostając w obiegu instalacji parowej.
Informacje o Opary
Produkty: Chłodnica oparów VC
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.
Odgazowywacz dyszowy
Odgazowywacz ociekowy
Wysokość pomieszczenia
++
Bardzo kompaktowy
–
Kolumna odgazowywacza zabudowana na zbiorniku wody zasilającej
Koszty inwestycji
+
Nieco mniejsze
Nieco większe
Warunki eksploatacyjne odbiegają od warunków projektowych (strumienie kondensatu)
Obciążenie częściowe prawie niemożliwe
Bardzo dobrze zachowuje się na obciążeniu częściowym
Stosowanie ciągłej regulacji wody uzupełniającej1)
Porównanie odgazowywacza rozpylającego (sprejowego) i ociekowego (kaskadowego) 1) Zalecana dla odzysku ciepła z wodą uzupełniającą
Odgazowanie całkowite - schemat przewodów rurowych i przyrządów odgazowywacza ociekowego
LIC
Przetwornik poziomu
PIC
Przetwornik ciśnienia
Para grzewcza
Zawór bezpieczeństwa
Opary
Łamacz próżni
Kondensat zawierający tlen
Spust
Odgazowywacz ociekowy (kaskadowy)
Dozowanie chemii
Zawór regulacyjny pary grzewczej
Odgazowanie całkowite - schemat przewodów rurowych i przyrządów odgazowywacza rozpylającego
Odgazowywacz rozpylający (sprejowy)
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
LI
Wodowskaz
Regulator poziomu
TIC
Regulator temperatury
Przewód pary grzewczej
System sterowania
Przewód dopływu kondensatu
Przewód odpływowy i przelew
Zbiornik wody zasilającej
Przewód oparów
Przewód powrotny wody zasil.(by-pass)
Przewód wody zasilającej
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:
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.
