Woda kotłowa

1.Wstęp. Gramoatom, gramorównoważnik, roztwór normalny

Gramoatomem lub gramocząsteczką nazywana jest ilość (masa) substancji (pier­wiastka albo związku chemicznego), wyrażona w gramach, a równa jej masie ato­mowej lub cząsteczkowej. Tak więc na przykład gramoatom wapnia wynosi 40 g, zaś gramocząsteczka siar­czanu magnezu 120 g itp.

Gramorównoważnikiem nazywana jest taka ilość pierwiastka lub związku wyra­żona w gramach, która może się połączyć z 1 g wodoru lub go zastąpić.

Dla pierwiastków i jonów (atomów lub grup atomów obdarzonych ładunkiem elektrycznym) gramorównoważnik oblicza się przez podzielenie masy atomowej lub cząsteczkowej przez wartościowość danego pierwiastka lub jonu.

Pojęcie gramorównoważnika stosowane jest również w odniesieniu do związków chemicznych. Dla soli gramorównoważnik oblicza się dzieląc masę cząsteczkową przez liczbę atomów metalu i jego wartościowość.

Oprócz gramorównoważników stosowane są również jednostki tysiąc razy mniej­sze, czyli tak zwane miligramorównoważniki zwane również milivalami (mval); Ta ostatnia nazwa jest skrótem słowa milliequivalent, czyli milirównoważnik.

Roztwór normalny

Roztworem jednonormalnym (ln) nazywany jest taki roztwór, którego 1 litr za­wiera 1 gramorównoważnik danej substancji. Dla sporządzenia takiego roztworu należy zatem rozpuścić 1 gramorównoważnik danej substancji w takiej ilości wody destylowanej, by otrzymać 1 litr roztworu. W technologii wody kotłowej stosuje się najczęściej roztwory o mniejszym stężeniu, na przykład roztwory jednodziesięcionormalne (l/lOn). Roztwory takie uzyskuje się z roztworów normalnych dodając do l objętości roztworu normalnego 9 objętości wody destylowanej.

Przydatność stosowania roztworów normalnych lub n/p normalnych, gdzie p może być dowolnie obierane, wyjaśni następujący przykład:

Roztwór wodorotlenku sodu NaOH (masa cząsteczkowa 40) można zneutrali­zować przez dolanie kwasu solnego HCI (masa cząsteczkowa 36,5), przy czym zachodzi reakcja:

NaOH + HCI -+ NaCI + H₂0

Reakcja będzie całkowita, to znaczy w produktach końcowych nie będzie ani NaOH, ani HCI, jeżeli do' każdych 40 g NaOH zostanie dodane 36,5 g HCI. Załóżmy teraz, ze wykonywana jest analiza próbki wody o objętości V = 100 cm³ (ml), stanowiącej nieznany roztwór NaOH, przy czym dla zneutralizowania wodorotlenku sodu zuzyto 2 cm³ l/lOn roztworu kwasu solnego HCI. Gdyby ilość zużytego l/l0n kwasu HCI wynosiła 100 cm³, wówczas badany roztwór byłby również roztworem l/l0n, ponieważ tylko w takim przypadku ilości substancji reagujących ze sobą będą pozostawać do siebie w takim samym stosunku jak ich gramorównoważniki, a w razie związków jednowartościowych jak ich masy cząsteczkowe. Ponieważ dla zneutralizowania NaOH użyto ilości kwasu HCI 50 razy mniejszej, zatem badany roztwór musi być roztworem o pięćdziesięciokrotnie mniejszym

stężeniu od roztworu l/l0n, czyli roztworem 1/500n. Zatem zawartość NaOH w badanej próbce odpowiada 40/500 = 0,08 g/l = 80 mg/I. Ogólnie zatem, jeżeli dla zneutralizowania próbki wody o objętości V zużyto v cm³ roztworu 1/p normalnego, to zawartość analizowanego składnika w badanej próbce odpowiada jego zawartości w roztworze v/p V normalnym, czyli zawartości v G/p V [g/l], gdzie G jest gramorównoważnikiem analizowanego składnika.

Dla uproszczenia obliczeń, do analiz stosuje się zwykle roztwory 1/10 normalne (p = 10) i próbki o objętości V = 100 cm³• W takim przypadku ilość cm³ zużytego kwasu (l/l0n), pomnożona przez gramorównoważnik analizowanego składnika, określa jego zawartość w próbce wyrażoną w mg/l

2.Woda kotłowa

1. woda surowa jest zanieczyszczona kwasami, solami, alkaliami, gazami, mułem, smarami itd. Oczyszczanie wody. Przygotowanie wody do pracy w kotle: twardość wody, badanie wody na chlorki . Jednostki twardości wody

2. powstawanie kamienia kotłowego: skład: CaSo4*2H2O, CaSO4, CaCO3, Mg(OH)2, MgCO3, CaSiO3, MgSiO3 oraz np. serpentyn, związki żelaza, glinu, związki organiczne i domieszki mechaniczne.

3. wpływ kamienia na pracę kotła i systemu parowego: przegrzewanie ścian kotła i osłabienie wytrzymałości mechanicznej, co może spowodować nawet eksplozję kotła, nie wykorzystanie ciepła gazów grzejnych- nadmierne zużycie paliwa, obniżenie temperatury podgrzanej wody, zmniejszona wymiana ciepła w wymiennikach ciepła, obniżona wydajność kotła

Duża zawartość węglanów prowadzi do powstawania mułu (szlamu) kotłowego

Oczyszczanie wody:

Filtracja

Destylacja

Odgazowanie

Urabianie wody kotłowej , chemikalia,

Dodawanie wody do obiegu

Chemiczne właściwości wody

1.Twardość wody jest miarą ilości soli wapnia i magnezu rozpuszczonych w wodzie. Wielkość ta wyrażana jest w miligramorównoważnikach (milivalach) na 1 litr lub w stopniach twardości.

Twardości wody równej 1 mval/l odpowiada zawartość substancji wyrażona w mg/l równa jej miligramorównoważnikowi. 1 mval/dm³ = 0,1 n roztworu w litrze wody

1 stopień twardości niemiecki (1^on) odpowiada zawartości 10 mg tlenku wapnia (CaO) w 1 litrze wody lub 7,18 mg MgO 1^on = 0,357 mval/dm³ lub 1 mval = 2.8^on

1 stopień twardości francuski (1^of) odpowiada zawartości 10 mg węglanu wapnia (CaO₃) w 1 litrze wody

1 stopień twardości angielski (1^oang) odpowiada zawartości 1 grana (0,065 g) węglanu wapnia (CaCO₃)

w 1 galonie angielskim (4,54 l) wody.

1 stopień twardości amerykański (1^oam) odpowiada zawartości 1 grana (0,065 g) węglanu wapnia (CaCO₃)

w 1 galonie amerykańskim (3,785 l) wody.

Ponieważ 1 mol CaO jest równoważny 1 molowi MgCO₃ lub innego składnika więc podstawiając ciężary cząsteczkowe otrzymuje się, że 56 g CaO odpowiada 40 gramów MgO, 84 g MgCO3, 100 g CaCO3 itd. W związku z tym 1 ^on odpowiadają zawartości 7,18 mg MgO, 15 mg MgCO_3, 17,9 mg CaCO₃

Jednostka twardości i jej		Stopnie twardości
		mval/dm^3
oznaczenie		niemiecki	francuski	angielski
1 mval/dm^3	1,00	2,8	5,00	5,50
1^0 niemiecki	0,357	1,00	1,79	1,25
1^0 francuski	0,200	0,56	1,00	0,70
1^0 angielski	0,286	0,80	1,43	1,00

Twardość wody węglanowa - obecność w wodzie kwaśnych węglanów, węglanów obojętnych oraz wodorotlenków wapnia i magnezu

Twardość niewęglanowa - obecność siarczany , chlorki i krzemiany wapnia i magnezu

Twardość całkowitą wody stanowi suma twardości wapniowej i magnezowej

Ze względu na rozpuszczone w wodzie sole rozróżnia się twardość wapniową, która tworzą wszystkie rozpuszczone sole wapnia i twardość magnezową spowodowaną solami magnezu. Ponadto rozróżnia się:

twardość przemijającą - woda traci ją po zagotowaniu a następne rozpadzie kwaśnych węglanów wapnia i magnezu w wyniku zupełnego odgazowania wody podczas wrzenia

twardość trwałą - sole pozostałe w wodzie w stanie rozpuszczonym po zagotowaniu

twardość ogólną - suma wszystkich twardości

Twardość węglanowa	Twardość niewęglanowa
Ca(HCO3)2	CaSO4
CaCO3	CaCl2
Ca(OH)2	CaSiO3
Mg(HCO3)2	MgSO4
MgCO3	MgCl2
Mg(OH)2	MgSiO3

2. Alkaliczność (zasadowość)wody - alkaliczność p i alkaliczność m: Jest to wskaźnik określający zawartość w wodzie wodorotlenków, kwaśnych węglanów i węglanów obojętnych metali alkalicznych - sodu i potasu oraz metali ziem alkalicznych - wapnia i magnezu.

Alkaliczność p określana jest ilością ml 1/10n kwasu solnego zużytego do miareczkowania 100 ml w obecności kilku kropli alkoholowego roztworu fenol­ftaleiny (międzynarodowe określenie fenolftaleina), która zmienia zabarwienie z amarantowego (fiołkowego) na bezbarwne, w momencie gdy zostanie osiągnięta wartość pH = 8,3⁴•

Alkaliczność całkowita m określana jest ilością ml l/l0n kwasu solnego zużytego do miareczkowania 100 ml wody w obecności kilku kropli wodnego roztworu oranżu metylowego (metyloranżu), zmieniającego zabarwienie z żółtego na pomarańczowy przy wartości pH < 4,5.

Alkaliczność p określa całkowitą za­wartość wodorotlenków, połowę zawartości węglanów oraz 1/3 zawartości fosfo­ranów, natomiast alkaliczność całkowita m określa całkowitą zawartość wodoro­tlenków i węglanów oraz 2/3 zawartości fosforanów.

Zarówno alkaliczność p jak i alkaliczność m mogą być wyrażone również w stopniach alkaliczności, przy czym rozróżnia się stopnie alkaliczności niemieckie ^oalk. n) i stopnie alkaliczności francuskie ^oalk. f.). Niezależnie od tych stopni alkaliczność może być określana również ilością rozpuszczonych zasad wyrażoną w mg/l. Pomiędzy stopniami alkaliczności zachodzą następujące zależności:

1 ^oalk. n = P = 2,8 p 1 ^oalk. n = M = 2,8 m

1 ^oalk. f = TA = 5 p 1 ^oalk. f = TAC = 5 m

Alkaliczność wodorotlenowa A_OH charakteryzuje zawartość w wodzie wolnych zasad a więc związków zawierających grupę OH jak np. NaOH lub Ca(OH)₂ itd.

Jeśli alkaliczność spowodowana jest wyłącznie obecnością wodorotlenków wówczas A_OH = p = m

Poza alkalicznością p i m używa się jeszcze liczby sodowej LS I liczbę alkaliczności LA

LS - liczba mg NaOH i innych związków sodowych w 1 litrze wody kotłowej w przeliczeniu na NaOH

LA = p ∙ 40 mval/dm³

Przykładowe określanie alkaliczności:

1. Przefiltrować próbkę wody

2. 20 ml ochłodzonej próbki zmieszać z 30 ml wody destylowanej

3. dodać 4 krople fenoloftaleiny. Jeżeli próbka nie zmienia koloru - test zakończony

i alkaliczność p = 0

4. Jeżeli powstał kolor różowy dodawać po kropli kwasu siarkowego aż zniknie kolor. Każda kropla = 15ppm. Alkaliczność przyjmować jako m CaCO₂ . Powinno być 180 <P<300ppm

3. Odczyn wody

Wartość pH - stanowi ją logarytm dziesiętny odwrotności stężenia jonów wodorowych w wodzie, czyli wykładnik wodorowy pH

Wartość pH wody chemicznie czystej jest równa 7

Woda chemicznie czysta jest związkiem obojętnym, w którym stężenie zdysocjonowanych jonów wodorowych jest równe stężeniu jonów wodorotlenowych i pH = 7

W roztworach alkalicznych (zasadowych) stężenie jonów wodorowych jest mniejsze niż w wodzie chemicznie czystej , w związku z tym roztwory te mają pH w granicach 7< pH <14

Wartość pH od 0 do pH = 7 wskazuje na przewagę jonów wodorowych co jest cechą charakterystyczną roztworów o właściwościach kwasowych.

Należy pamiętać , że wartość pH zmienia się wraz z temperaturą. Z doświadczenia wynika, że minimalna wartość pH , która zapobiega korozji, wynosi 8,4. Dla uzyskania takiego pH w temperaturze w jakiej pracuje kocioł a więc 200-240 C wartość pH mierzona w temperaturze otoczenia powinna wynosić około 10. Dla pewności utrzymuje się pH pomiędzy 10 a 11.

Odczyn można oznaczać kolorymetrycznie papierkami lakmusowymi lub pehametrem.

4. Utlenialność - chemiczne zapotrzebowanie na tlen, jest to wskaźnik zanieczyszczeniami organicznymi , zwiększają korozyjne działanie wody. Wyraża się w mg zużytego KMnO₄ na dm³ wody

5. Sucha pozostałość i straty przy prażeniu - pozostałość po wysuszeniu w temperaturze 105 ^oC

6. Przewodnictwo elektryczne - jest miarą zasolenia wody. Wyraża się w simens/cm [μS]

γ ₂₀ = γ t[1+(20-t) ∙0,02] , przewodność 1 μS odpowiada zawartości 0,55 mg NaCl/ dm³

7. Zawartość związków azotu

8. Zawartość chlorków

CHLORKI - zawartość NaCl

1. 20 ml próbka + 30 ml wody destylowanej

2. Wlać 1 zakraplacz chromianu potasu - będzie żółty kolor

3. Dodawać azotan srebra aż pojawi się kolor ceglany 1 kropla = 8 ppm

(dla kotłów niskociśnieniowych do 300ppm, wysokociśnieniowe max 20)

9. Zawartość siarczanów. Oznaczanie siarczanów polega na strącaniu ich za pomocą 0,02n roztworu chlorku barowego i miareczkowaniu jego nadmiaru wersenianem dwusodowym wobec czerni eriochromowej T

10. Zawartość związków żelaza i manganu. Oznaczanie metodami kolorystycznymi

11. Zawartość związków krzemu. Woda zawierająca krzem nie nadaje się do kotłów

12. Zawartość tlenu - oznaczanie metodami jodometrycznymi

13. Zawartość dwutlenku węgla. Występuje w postaci wolnej i związanej z kwaśnymi węglanami. Agresywna postać dwutlenku obniża pH i zwiększa korozyjne działanie wody

14. Stabilność i termo stabilność wody - indeks stabilności. Jeśli S=1 woda nie ma właściwości rozpuszczania węglanu wapniowego

15. Korozyjność wody - wodę uważa się za agresywną dla metalu gdy zawiera agresywny CO2 , twardość węglanowa wynosi mniej niż 0,8 mval/l, tlen jest powyżej 0,03 mg O2/dm3, zawartość azotynów NO2/dcm3, azotanów i soli amonowych powyżej 20 mg/dcm3

KAMIEŃ KOTŁOWY

Skład chemiczny kamienia kotłowego uzależniony jest od zawartości poszczegól­nych soli stanowiących zanieczyszczenia, na co w istotny sposób wpływa zastoso­wana metoda uzdatniania wody kotłowej. Głównymi solami uczestniczącymi w pro­cesie tworzenia kamienia kotłowego są siarczan wapnia, węglany wapnia i magnezu oraz sole kwasu krzemowego (głównie wapnia i magnezu CaSi0₃ i MgSi0₃). W zależności od tego, która z wyżej wymienionych soli przeważa w składzie chemicznym kamienia kotłowego, rozróżnia się kamienie kotłowe gipsowe, węglanowe oraz krzemionkowe lub krzemianowe.

Kamień gipsowy o zawartości CaS0₄ powyżej 90% spotyka się stosunkowo rzadko. Odznacza się dużą twardością i wyraźnie zaznaczającym się układem kryształów skierowanym prostopadle do ściany. Normalnie spotykane kamienie gipsowe zawierają 50-90% CaS0₄, który tworzy osnowę dla innych soli (głównie węglanów), wykrystalizowujących się z roztworu. Kamienie te są bardzo twarde bez wyraźnie zaznaczającej się budowy krystalicznej.

Kamienie węglanowe, jeżeli nie wypadają łącznie z gipsem, występują w formie prawie bezpostaciowej, mają małą twardość i tym samym są względnie łatwe do usunięcia. W łączności z gipsem (CaS0₄) w wyższych temperaturach ulegają stward­nieniu, tworząc typowy, najczęściej spotykany typ kamienia kotłowego.

Kamienie krzemionkowe lub krzemianowe przy zawartości Si0₂ ≥ 20% charkateryzują się bardzo dużą przyczepnością i twardością, wynikającą z ich drobno­ziarnistej struktury. Powierzchnia tych kamieni, zwłaszcza w wyższych tempera­turach, ma charakter szkliwa, co dodatkowo utrudnia ich usunięcie z powierzchni ogrzewalnej. Kamienie te, ze względu na niski współczynnik przewodzenia ciepła, są szczególnie niepożądane i niebezpieczne w kotłach wysokoprężnych.

Drugą grupę osadów kotłowych stanowi szlam, czyli muł kotłowy, powstający w wyniku koagulacji części zanieczyszczeń wody kotłowej, znajdujących się w stanie rozproszenia koloidalnego. Cząstki te jako cięższe od wody gromadzą się głównie w dolnych partiach kotła pod najróżnorodniejszymi postaciami (kłaczki, grudki, kulki), a w kotłach zasilających maszyny parowe tłokowe mogą być w znacznym stopniu oblepione olejem przedostającym się wraz z wodą zasilającą. Głównym składnikiem mułu kotłowego jest węglan wapnia, mający tendencję do wydzielania się wewnątrz przestrzeni kotła, zwłaszcza w przypadku uprzedniego zmiękczania wody.

Kamień i muł kotłowy, powstałe z zanieczyszczeń wody kotłowej, są zawsze szkodliwe i niepożądane, jakkolwiek w różnym stopniu. Szczególnie ujemne, a czasami wręcz groźne następstwa powoduje obecność w kotle kamienia kotłowego, z tego względu problemowi temu poświęca się w eksploatacji szczególną uwagę. Szkodli­wość kamienia kotłowego, jak również i warstewki oleju osadzonego na powierzchni ogrzewalnej jest spowodowana jego małym przewodzeniem ciepła, które jest kilkadziesiąt, a dla kamieni krzemionkowych i oleju kilkaset razy mniejsze od przewodzenia stali kotłowej .

. Warstwa kamienia stwarza zatem warstwę izolacyjną utrudniającą przenikanie ciepła od spalin do wody, czego konsekwencją jest zmniejszenie wydajności i spraw­ności kotła. Zewnętrznymi objawami obecności kamienia kotłowego są mniejsza ilość pary wyprodukowanej z jednostki spalonego paliwa oraz wzrost temperatury spalin na wylocie z kotła.

Bardzo poważnym następstwem obecności kamienia jest groźba eks­plozji kotła, wynikająca z miejscowego odpadnięcia tych osadów w czasie pracy kotła. Odsłonięta w ten sposób przegrzana, a tym samym o zmniejszonej wytrzy­małości blacha kotłowa, w wyniku zetknięcia ze stosunkowo zimniejszą wodą ulega pęknięciu, czego następstwem jest wyzwolenie i niszczące działanie prawie całej energii zawartej w wodzie i parze znajdujących się wewnątrz kotła.

Dodatkowymi konsekwencjami związanymi z obecnością kamienia kotłowego w kotle są:

1. Zmniejszenie przekroju przepływu mieszaniny parowo-wodnej w opłomkach i tym samym pogorszenie cyrkulacji wody w kotle.

2. Możliwość powstawania korozji w miejscach, gdzie kamień nie przylega ściśle do blachy kotłowej, bądź też gdy porowatość kamienia stwarza dogodne warunki do miejscowej koncentracji soli alkalicznych wywołujących korozję ługową.

3. Wzrost prac remontowo-konserwacyjnych wynikających z konieczności okresowego oczyszczania kotła z nagromadzonych osadów i związane z tymi pracami możliwości. uszkodzenia powierzchni ogrzewalnej.

Należy dodać, że grube warstwy luźnego mułu są nie mniej groźne od sto­sunkowo cienkich warstw kamienia kotłowego.

Zapobieganie powstawaniu kamienia kotłowego

Znaczne zmniejszenie, a niekiedy całkowite wyeliminowanie powstawania kamie­nia w kotłach okrętowych osiąga się przez:

Zasilanie kotłów wodą odpowiedniej jakości.

1. Wprowadzenie do kotła substancji wpływających na stan fizyczny i chemiczny zanieczyszczeń znajdujących się w wodzie kotłowej.

2. Utrzymywanie odpowiedniego stężenia soli w wodzie kotłowej.

3. Magnetyczne urabianie wody zasilającej.

Pierwszy z wymienionych sposobów jest obecnie w powszechnym użyciu, za­równo w odniesieniu do kotłów głównych jak i pomocniczych. Powstawaniu ka­mienia kotłowego najskuteczniej przeciwdziała stosowanie jako wody uzupełniającej wody słodkiej - destylatu uzyskiwanego w destylarkach okrętowych. Nowoczesne instalacje destylacyjne, stosowane obecnie na statkach, wytwarzają z wody morskiej wodę słodką o zasoleniu w granicach 1-2 mg CI- /1. Urządzenia te są z reguły -wy­posażone w solomierze, pozwalające na ciągłą kontrolę jakości produkowanego destylatu.

W przypadkach, gdy jako wodę uzupełniającą stosuje się wodę słodką pobraną z lądu, stosowane jest jej uzdatnianie jedną z dalej podanych metod chemicznych, zależnie od składu chemicznego wody surowej i istniejących na statku możliwości. Tworzeniu się kamienia kotłowego przeciwdziała również dość skutecznie wprowadzenie do kotła, pod postacią roztworów koloidalnych, takich substancji, jak tanina, skrobia zbożowa, dekstryna, skrobia z siemienia lnianego itp. Działanie tych substancji, z których największą aktywność wykazuje tanina, polega na tym, że cząsteczki koloidalne wprowadzone do wody kotłowej stają się zalążkami krysta­lizacji dla soli kamieniotwórczych i opadają na dno kotła w postaci mułu, który jest usuwany z kotła przez jego odmulanie. Wprowadzone do kotła substancje koloidalne oddziałują również na już istniejący w kotle kamień kotłowy i przyczy­niają się do jego odpadania w postaci płytek. Mechanizm tego ubocznego działania polega na wywoływaniu porowatości istniejących w kotle twardych osadów, dzięki czemu woda przenika w głąb ich grubości, gdzie odparowując powoduje stopniowe rozsadzanie jednolitej do tej pory warstwy kamienia. Obok niewątpliwych zalet substancje koloidalne mają również i poważne wady. Przede wszystkim środki te, jako substancje powierzchniowo czynne, zmniejszają napięcie powierzchniowe wody w kotle i tym samym zwiększają skłonność wody do pienienia się. Ponadto mogą one w wyniku hydrolizy tworzyć kwaśne produkty rozkładu, działające korozyjnie na blachy kotła. Oddziaływanie tych substancji na istniejący w kotle kamień ma również swoje ujemne strony, ponieważ kamień, który odpadł może wywoływać zaburzenia w cyrkulacji wody w opłomkach przez ich zatykanie, a obecność pę­cherzy pary wewnątrz porowatego osadu zmniejsza jego przewodzenie ciepła, co stwarza możliwość. powstawania miejscowych przegrzań blach kotłowych. Te wszystkie ujemne działania substancji koloidalnych wprowadzanych do kotła wska­zują, że środki te powinny być stosowane z ostrożnością.

Odpowiednie stężenie soli w wodzie kotłowej, które może być również scharak­teryzowane gęstością wody kotłowej, utrzymuje się dzięki okresowemu odmulaniu kotła. Usunięty z kotła muł wraz z pewną ilością wody kotłowej zostaje zastąpiony wodą zasilającą o znacznie większej czystości, dzięki czemu zmniejsza się stężenie soli w samym kotle, a tym samym i tendencję do powstawania kamienia kotłowego.

Magnetyczne urabianie wody polega na przepuszczaniu całej ilości wody przez urządzenie wytwarzające stałe pole magnetyczne. Działanie tego typu aparatów ma charakter fizyczny. Szlam, który wypadł z roztworu łatwo usunąć przez odmulanie.

Usuwanie kamienia kotłowego:

Mechaniczne: metody udarowe i gryzowe.

Chemiczne :

Chemiczne usuwanie kamienia polega na rozmiękcza­niu i rozkruszaniu osadów przez wygotowywanie fosforanowe bądź na rozpuszczaniu osadów za pomocą kwasów.

Przy wygotowywaniu fosforanowym dawkuje się do wody fos­foran trójsodowy Na₃P0₄ • 12H_lO, który reagując z odłożonymi w kamieniu solami tworzy fosforany wapnia i magnezu powodujące lokalnie lub w całej masie wzrost objętości kamienia. W rezultacie następuje rozsadzanie spoistej warstwy, pękanie i złuszczanie ka­mienia. Przy cienkiej warstwie kamienia (do 3 mm) wygotowywanie fosforanowe można prowadzić przy normalnej eksploatacji kotła, przy dawkowaniu fosforanów np. do wody zasilającej. Wielkość dawki ustala się na podstawie stężenia PlOS w wodzie kotłowej, natomiast czas i sposób dawkowania jest określony parametrami pracy kotła, składem kamienia i solami zawartymi w wodzie. Usu­wanie złuszczonego kamienia odbywa się w trakcie odmulania kotła. Przy grubej warstwie kamienia kocioł wyłącza się z ruchu, a reżim wygotowywania określa się indywidualnie, biorąc pod uwagę skład i grubość warstwy kamienia.

Rozpuszczanie kamienia odbywa się w zależności od rodzaju i składu kamienia, przy użyciu roztworów kwasów: solnego, fosfo­rowego, chromowego i fluorowodorowego. Rozpuszczanie za po­mocą roztworów kwasów jest stosowane przede wszystkim przy czyszczeniu podgrzewaczy i kondensatorów. Przy używaniu ich do czyszczenia kotłów należy zachować szczególne środki ostrożności ze względu na możliwość intensyfikacji korozji w walczakach i układach rurowych. Celem zahamowania procesów korozyjnych (lub ich opóźnienia) należy przy czyszczeniu i trawieniu za pomocą roztworów kwasów stosować środki pasywizujące zwane inhibito­rami korozji (inhibitory - środki opóźniające reakcję chemiczną i nie biorące w niej udziału). Jako inhibitory korozji stosuje się formalinę, urotropinę, aminy proste lub cykliczne oraz różne pro­dukty węglopochodne, przy czym rodzaj zastosowanego inhibitora zależy od zastosowanego kwasu i składu rozpuszczanego zanieczy­szczenia. Często stosowane są mieszaniny inhibitorów o udziale składników zależnym od warunków fizycznych i chemicznych pro­wadzenia procesu trawienia. Również skład roztworu kwasów ustala się po uprzednim zbadaniu składu kamienia oraz rodzaju zanieczy­szczeń, które mają być rozpuszczone i usunięte. Czyszczenie od­bywa się przy całkowitym wypełnieniu instalacji roztworem płuczą­cym i przez kilkakrotne przetłoczenie go za pomocą specjalnej pompy zainstalowanej w układzie zamkniętym: zbiornik z roztwo­rem - czyszczone urządzenie kotłowe - zbiornik.

PIENIENIE SIĘ WODY W KOTLE

Burzenie się i pienienie wody kotłowej. Związane jest ze składem chemicznym. W szkle wodowskazowym poziom pojawia się i znika . Piana powstaje wskutek znacznie obniżonego napięcia powierzchniowego roztworów koloidalnych kwasów tłuszczowych oraz emulgowania roztworu mydeł z olejem. W tej sytuacji z masy wodnej przedostaje się do przestrzeni parowej więcej pęcherzyków pary niż ich pęka w tej przestrzeni i tworząca się piana zapełnia przestrzeń parową.. Obecność ługów w roztworze sprzyja przetwarzaniu się niektórych substancji chemicznych i nieorganicznych w mydła i stałe koloidy, a tym samym tworzeniu się piany

Obserwując proces wrzenia wody pozbawionej jakichkolwiek zanieczyszczeń można stwierdzić, że powstające na powierzchni ogrzewanej pęcherze pary w zetknięciu ze­ zwierciadłem wody ulegają rozerwaniu powodując z jednej strony burzenie się po­wierzchni rozdziału obu faz, z drugiej zaś tworzenie mikroskopijnych kropelek, które są porywane i unoszone strumieniem wytworzonej pary. W wyniku tego zjawiska, wytwarzana w kotle para wodna jest zawsze parą wilgotną (mokrą). Zawartość wody w parze określa jej stopień suchości x, zdefiniowany jako udział masowy pary nasyconej suchej w parze mokrej:

x = G_n / G'

gdzie:

x - stopień suchości pary mokrej,

G_n - masa pary nasyconej suchej, zawartej w parze mokrej [kg],

G - masa pary mokrej [kg].

Wartość wyrażenia (l-x) nazywana jest stopniem wilgotności pary. Wilgotność pary produkowanej przez kocioł jest zależna od tak zwanego natężenia przestrzeni parowej R_x określonego jako:

R_x = V_h / V 11.5

gdzie:

R_x - natężenie przestrzeni parowej [m³/m³h],

V_h - objętościowa wydajność kotła [m³/h],

V - objętość przestrzeni parowej m³

Wilgotność pary produkowanej przez kocioł wzrasta gwałtownie dopiero po przekroczeniu pewnej określonej, charakterystycznej dla danego typu kotła wartości R_x = R_k określonej nazwą krytycznego natężenia przestrzeni parowej. Jak to wynika bezpośrednio z wzoru (11.5), wzrost natężenia przestrzeni parowej może być spowodowany bądź zbyt dużą wydajnością kotła a więc jego forsowaniem, bądź też utrzymywaniem w kotle zbyt wysokiego poziomu wody pociągającym za sobą zmniejszenie przestrzeni parowej. Oba te czynniki sprzyjają zatem porywaniu cieczy z wytworzoną parą. Jeżeli woda w kotle nie zawiera zanieczyszczeń, jej poziom jest normalny, a kocioł nie jest forsowany, nie osiąga się wówczas krytycznego natężenia przestrzeni parowej i stosunkowo nie­wielkie zawilgocenie pary, poza nieznacznym obniżeniem temperatury pary na wy­locie z przegrzewacza,

nie pociąga za sobą żadnych ujemnych następstw.

Stan ten ulega zasadniczej zmianie w przypadku gdy

woda w kotle zawiera rozpuszczone sole oraz inne

zanieczyszczenia w postaci zawiesiny. Powstające przy

wrzeniu takiej wody pęcherze mają wówczas mniejszą

tendencję do rozrywania się w zetknięciu z jej zwierciadłem

i zależnie od stopnia zanieczyszczenia wody tworzą warstwę

piany, która w niekorzystnych warunkach może wypełniać

nawet całą przestrzeń parową kotła.

Wpływ obecności zanieczyszczeń na zjawisko pienienia się wody w kotle ilustruje wykres na rysunku 11.16 , z którego wynika, że zjawisko to wywołują przede wszystkim cząstki zanieczyszczeń mechanicznych i koloidalnych, i to zarówno pochodzenia organicznego, jak i mineralnego, o średnicach cząstek 10-⁴ ÷ 10-⁶ mm. Działanie tych zanieczyszczeń, pomijając fakt, że mogą one same stanowić substancje powierzchniowo-czynne (pianotwórcze), polega na tym, że tworzą one dodatkowe zarodki pęcherzyków pary wewnątrz przestrzeni wodnej, na skutek czego wzrasta ilość powstałych pęcherzy pary.

Rys. 11.17 Wpływ zawartości

soli i zanieczyszczeń stałych na

tworzenie się piany

Oprócz zanieczyszczeń stałych istotną rolę w procesie pienienia się wody w kotle odgrywa również zawartość soli rozpuszczonych w wodzie. Jak wynika z rysunku l U7, przedstawiającego łączny wpływ zawartości soli i zanieczyszczeń stałych w wodzie kotłowej na zjawisko tworzenia się piany, określonej zawartości zanie­czyszczeń odpowiada pewna graniczna zawartość soli rozpuszczonych w wodzie, której przekroczenie wywołuje powstawanie trwałej piany na powierzchni zwier­ciadła wody. Im wyższa jest zawartość zanieczyszczeń stałych, tym niższa jest dopuszczalna, z punktu widzenia przeciwdziałania tworzeniu się piany, zawartość soli w wodzie kotłowej.

Powstała w przestrzeni parowej piana, dzięki jej stosunkowo małej gęstości jest łatwo porywana razem z parą, która ulega w ten sposób zanieczyszczeniu cząstkami cieczy zawierającymi tak jak cała woda kotłowa rozpuszczone sole. Przy stałej zawartości soli w wodzie kotłowej, zasolenie pary wytwarzanej przez kocioł zmienia się wraz ze zmianą obciążenia kotła proporcjonalnie do ilości porywanych cząstek cieczy, a zatem według krzywej zbliżonej do zależności przedstawionej na rysunku 11.15. Zawartość soli rozpuszczonych w wodzie wpływa jednak, jak wskazuje rysunek l U8, na wartość krytycznego natężenia przestrzeni parowej, które pozostaje niezmienne tylko do pewnej zawartości soli w wodzie kotłowej Sk określonej punktem A na wykresie, a następnie gwałtownie maleje wraz ze wzrostem zasolenia wody

kotłowej. W związku z tym przy zbyt dużej zawartości soli w wodzie kotłowej, wytwarzana para będzie znacznie silniej zawilgocona, niż by to miało miejsce przy odparowywaniu wody czystej lub o niewielkiej zawartości soli.

Pienienie się wody w kotle pociąga za sobą cały szereg groźnych następstw eksploatacyjnych. Przedostająca się do przegrzewacza woda zostaje wprawdzie odparowana, powstają jednak po jej odparowaniu twarde osady utrudniające wymianę ciepła pomiędzy parą a spalinami. Konsekwencją tego jest zmniejszenie się tempera­tury przegrzania pary z równoczesnym wzrostem temperatury ścianek przegrzewa­cza, co powoduje zmniejszenie jego wytrzymałości. Narastające w miarę upływu czasu osady w przegrzewaczu powodują ponadto zmniejszenie przekroju przepływu pary a w konsekwencji spadek ciśnienia pary na wylocie z przegrzewacza. W sprzy­jających warunkach tworzą się również na łopatkach turbiny osady pochodzące od zanieczyszczonej pary, które zależnie od ich lokalizacji wywoływać mogą pogorszenie sprawności turbiny, korozję, niewyważenie aż do eksplozji tarcz wirnikowych włącznie.

Szczególnie groźne w eksploatacji jest zjawisko porywania z parą znacznych ilości wody kotłowej, zwane żargonowo "pluciem kotła". Może ono doprowadzić do dostawania się wody do zasilanych parą silników i spowodować ich poważne uszkodzenia. Porywanie wody z parą, w odróżnieniu od uprzednio opisanego pie­nienia się wody kotłowej, polega na zakłóceniu istniejącego stanu równowagi cieplnej kotła, łącznie z wpływem, jaki wywierają zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie kotłowej. Jest ono spowodowane stosunkowo gwałtownym zwiększeniem natężenia przestrzeni parowej, na skutek powstałego z jakiejkolwiek przyczyny spadku ciśnie­nia kotłowego. W takim przypadku, prócz pary wytworzonej w kotle dzięki dopro­wadzeniu ciepła ze spalonego paliwa, tworzy się wewnątrz całej przestrzeni wodnej dodatkowa ilość pary pochodzącej z odparowania wody w kotle kosztem entalpii cieczy a wyzwolonej na skutek zmniejszenia ciśnienia kotłowego. Gwałtowny wzrost ilości wytworzonej pary powoduje tak intensywne pienienie się wody w kotle, że cała przestrzeń parowa kotła łącznie z przegrzewaczem wypełnia się pianą, która przedostaje się razem z parą do zasilanych maszyn i urządzeń. Skoro ciśnienie w kotle wzrośnie do poprzedniej wartości, proces porywania wody z parą zostaje przerwany. Intensywne porywanie wody z pianą występuje również przy nadmier­nym zaolejeniu wody kotłowej, przy którym na powierzchni rozdziału faz (ciecz-para) pojawia się warstwa oleju.

Środki zapobiegające pienieniu się wody kotłowej

Zapobieganie zjawisku pienienia się wody kotłowej i związanego z nim zanieczysz­czenia pary jest w eksploatacji prawie tak samo ważne, jak ochrona przed korozją wewnątrzkotłową. Ze zjawiskiem tym walczy się poprzez:

l. Utrzymywanie przez odmulanie kotła gęstości wody kotłowej w granicach określonych dla danego typu kotła.

2. Nieprzekraczanie alkaliczności wody kotłowej poza granice podane w tablicy

10.5, ponieważ wzrost alkaliczności powoduje również wzrost skłonności wody do pienienia się.

3. Unikanie wprowadzania do kotła wody zasilającej zawierającej zanieczysz­czenia mechaniczne.

4. Unikanie przedostawania się z wodą zasilającą tłuszczów, smarów, paliwa ciekłego itp., które jako substancje powierzchniowo-czynne zwiększają skłonność wody kotłowej do pienienia się.

5. Unikanie utrzymywania w kotle zbyt wysokiego poziomu wody oraz nadmier­nych prędkości odparowywania (forsowanie kotła).

6. Unikanie gwałtownych zmian obciążeń kotła.

W przypadkach, gdy woda kotłowa jest zanieczyszczona olejem lub gdy stwierdzi się tworzenie piany w kotle, należy oczyścić kocioł z tych zanieczyszczeń przeprowadzając górne "szumowanie" kotła. Częstość wykonywania tego zabiegu zależna jest od ilości wydzielających się na powierzchni zanieczyszczeń i wymagań stawianych wodzie kotłowej. Z tego względu kotły o małej pojemności wodnej i większym od­parowaniu wymagają z reguły częstszego szumowania.

Zapobieganie:

- zmniejszenie dozowania środków antyosadowych

- szumowanie górne

- odmulanie

Metody konserwacji kotła:

1. Konserwacja próżniowa

2. Konserwacja mokra

3. Konserwacja sucha

1.Konserwacja próżniowa.

Tylko na krótki okres czasu (kilka dni) i to pod warunkiem szczelności kotła. Polega na doprowadzeniu wody do temperatury wrzenia a następnie zamknięciu zaworów i ostudzeniu do temp. otoczenia. Ciśnienie wewnątrz kotła powinno być równe ciśnieniu nasycenia pary wodnej dla temp otoczenia. Co jakiś czas podciśnienie trzeba odnowić podgrzewając kocioł do wrzenia przy otwartym odpowietrzeniu i ponownie studząc . Zaletą jest gotowość do natychmiastowego uruchomienia, wadą nietrwałość podciśnienia i możliwość zamarznięcia wody w kotle.

2. Konserwacja mokra

Jest bardziej skuteczna od konserwacji próżniowej, z tego względu bywa stosowana, gdy kocioł odstawia się na przeciąg kilkunastu dni do maksimum 6 miesięcy. Przy tej metodzie kocioł oczyszczony z wewnętrznych za­nieczyszczeń napełnia się alkalicznym roztworem ochronnym, który sporządza się wprowadzając do wody 1000 mg/l wodorotlenku sodowego z dodatkiem 100 mg/I pięciotlenku fosforu PlOS i 250 mg/I siarczanu sodowego. Następnie zawartość kotła doprowadza się do stanu wrzenia przez ogrzewanie do nadciśnienia około 2 at, utrzymując je przez 2-3 godziny. Po ostudzeniu kotła dopełnia się go roztworem ochronnym w taki sposób, aby cały kocioł łącznie z przestrzenią parową i przegrzewaczem był wypełniony wodą i odcina się go szczelnie od związanych z nim rurociągów. Stan konserwacji kotła należy okresowo badać sprawdzając alkaliczność wody kotłowej oraz zawartość tlenu, która nie powinna przekraczać 0,2 mg/I. W przypadku stwierdzenia przekroczenia tej wartości należy bądź odga­zować wodę przez doprowadzenie jej do stanu wrzenia, bądź związać tlen przez dodanie hydrazyny. Wadą tej metody konserwacji jest, podobnie jak przy konser­wacji próżniowej, niebezpieczeństwo zamarznięcia wody w porze zimowej.

3. Konserwacja sucha

Ten rodzaj konserwacji, najbardziej skuteczny, zalecany jest przy długich okresach postojowych. Po gruntownym oczyszczeniu wnętrza kotła z wszelkich osadów (kamienia kotłowego i mułu) i następnym starannym osuszeniu (resztki wody zwłaszcza w przegrzewaczu pary usuwa się przez przedmuchiwanie sprężonym powietrzem), wstawia się do wnętrza kotła w stalowych koszach rozżarzony węgiel drzewny, aw rynienkach ciała higroskopijne, takie jak chlorek wapnia (0,5 kg na l m³ pojemności kotła) lub wapno niegaszone (2 kg na l m³). Następnie kocioł szczelnie zamyka się, odłączając go całkowicie od rurociągów przez założenie od­powiednich zaślepek. Stan konserwacji kotła należy sprawdzać okresowo, na przykład co 3 miesiące, uzupełniając, jeżeli zachodzi potrzeba, środki pochłaniające wilgoć z powietrza. Przy tym sposobie konserwacji należy pamiętać, aby przed wejściem do kotła starannie go przewietrzyć w celu usunięcia z jego wnętrza gazów,. które mogą spowodować zatrucie albo wybuch przy zetknięciu z otwartym pło­mieniem.

UZDATNIANIE WODY KOTŁOWEJ

1. Wytwarzanie wody słodkiej z morskiej

2. Odolejanie wody zasilającej, odolejanie pary

3. Odgazowywanie (tlen, dwutlenek węgla)

4. Chemiczne uzdatnianie wody

Literatura:

Jerzy Stańda - Woda do kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych

Przemysław Urbański - Paliwa, smary i woda dla statków morskich

Zygmunt Górski, Andrzej Perepeczko - Okrętowe Kotły Parowe

Wykład 9 1

---