Metody uzdatniania wody i kondensatu na potrzeby zasilania kotłów parowych
Przygotowanie wody zasilającej kotłownię parową powinno gwarantować bezpieczeństwo wody w kontakcie z produktem spożywczym i jednocześnie spełniać wymagania producenta kotłów. Instalując nowoczesne kotły charakteryzujące się wysokim obciążeniem cieplnym należy przygotować wodę zasilającą, aby z jednej strony nie narażać stalowej powierzchni kotła na korozję, a z drugiej strony na osady kamienia kotłowego. Obecnie w nowych kotłowniach 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 uzupełniającej są:
– zmiękczanie wody na złożu jonowymiennym silnie kwaśnego kationitu, regenerowanego NaCl,
– demineralizacja wody w instalacji membranowej odwróconej osmozy (RO – ang. reverse osmosis),
– dekarbonizacja wody najpierw na złożu słabo kwaśnego kationitu, regenerowanego kwasem solnym lub siarkowym, desorpcja CO2, końcowe zmiękczanie wody w złożu silnie kwaśnego kationitu.
Zmiękczanie wody na złożach kationitowych z regeneracją roztworem NaCl
Za pomocą zmiękczacza jest usuwana jednocześnie twardość węglanowa i stała wody, czyli 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. Kationy wapnia i magnezu wymienione zostają przez jonit na kation sodu, który tworzy w zmiękczonej wodzie wodorowęglan sodowy. 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, 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.
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. Woda uzdatniona tj. permeat, jest wyprowadzana środkowym przewodem do wspólnego kolektora permeatu. Permeat stanowi zdemineralizowaną wodę 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 permeat może mieć przewodność od 5 do 25 μS/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.
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.
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 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.
Korekcja chemiczna – 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.
Korekcja chemiczna wody kotłowej w przemyśle mięsnym jest bardzo istotna, gdy para kontaktuje się, nawet pośrednio, z produktem spożywczym lub powierzchniami linii produkcyjnych. Dlatego należy zwracać uwagę, czy stosowane preparaty posiadają wydane przez PZH Świadectwo Jakości Zdrowotnej pozwalającej na kontakt pary z produktem spożywczym.
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 podnoszą odczyn pH wody,
– odtleniacze – usuwają z wody tlen szczątkowy na drodze reakcji chemicznej. W przemyśle mięsnym, gdzie para ma kontakt z żywnością, nie wolno stosować hydrazyny i jej pochodnych oraz związków aminowych.
– stabilizatory twardości i antyskalanty – zapobiegają wypadaniu i osadzaniu trudno rozpuszczalnych soli na powierzchniach wymiany ciepła i elementach konstrukcyjnych;
– inhibitory korozji – spowalniają lub hamują procesy korozyjne w środowisku wodnym,
– środki dyspergujące – przeciwdziałają wzrostowi i osadzaniu się cząstek stałych obecnych w wodzie; poprzez zmianę ich ładunku elektrycznego cząstki odpychają się i nie podlegają procesowi aglomeracji.
W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się wielofunkcyjne preparaty do kondycjonowania wód kotłowych, łączące w sobie powyższe funkcje. Do najważniejszych zalet takiego rozwiązania należą:
– zredukowanie ilości pomp dozujących chemikalia,
– zapobieganie możliwości negatywnych interakcji pomiędzy poszczególnymi składnikami preparatów,
– synergiczny efekt działania multifunkcyjnego preparatu przewyższa znacznie efekt działania pojedynczych surowców,
– preparaty wielofunkcyjne są bardziej ekonomiczne w użyciu.
Autorzy opracowali typoszereg wielofunkcyjnych preparatów serii ALKAMAR i TANIMAR do kondycjonowania wody dla kotłów i obiegów grzewczych. Spełniają one następujące funkcje:
– skutecznie odtleniają wodę, zwłaszcza w odniesieniu do tlenu szczątkowego,
– utrzymują w czystości powierzchnię wymiany ciepła, przeciwdziałają korozji podosadowej stali czarnej, żeliwa i stali chromowo-niklowych,
– działają jako silny dyspergant, usuwając 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.
Jan Marjanowski,
Arkadiusz Nalikowski
Przedsiębiorstwo MARCOR Gdańsk
Bibliografia dostępna u autorów
