4. Uzdatnianie wody kotłowej

Wodę można zastosować do celów kotłowych tylko wtedy, gdy będzie odpowiadała określonym wymaganiom. Wymagania te określają producenci kotłów i są one uzależnione od konstrukcji kotła i rosną wraz z ciśnieniem.

Uzdatnianie wody kotłowej polega głównie na:

- usunięciu z niej twardości powodującej powstawanie kamienia kotłowego (usunięcie: węglanów, siarczanów, krzemianów, zawiesin i olejów z wody);

- pozbyciu się agresywności (korozyjności) wody (usunięcie: dwutlenku węgla, tlenu rozpuszczonego, nadmiernej ilości jonów chlorkowych, siarczanowych, azotanowych);

- zapobiegnięciu pienienia wody (usunięcie: związków organicznych, zasolenia, nadmiernej alkaliczności).

Obecność w/w związków w wodzie grzewczej może powodować:

- kamień kotłowy: zmniejszenie przewodnictwa cieplnego, czyli obniżenie sprawności kotła, a nawet jego awarię; zwiększenie oporów przepływu wody, większe zużycie wody i energii; wyróżnia się 3 jego postacie: muł, szlam, kamień kotłowy;

- agresywność: korozja części kotła i całego obiegu grzewczego na nią narażonych;

- pienienie: zanieczyszczenie pary, zmniejszenie wydajności kotła, powstawanie osadów na łopatkach turbin, utrudnienie eksploatacji pary w obiegu.

1. Wstępne oczyszczanie

W celu osiągnięcia wymaganych parametrów zalecane jest uzdatnienie wody przed jej użyciem. Jeżeli jako wodę do celów kotłowych stosuje się wodę surową, nie uzdatnianą na SUW należy wówczas zastosować wstępne uzdatnianie, obejmujące procesy takie jak na SUW. Tak wstępnie oczyszczona woda jest następnie poddawana dalszemu uzdatnianiu w zależności od stawianych jej wymagań.

Do najczęstszych procesów stosowanych w uzdatnianiu wody kotłowej należą:

2. Dekarbonizacja - usunięcie z wody kwaśnych węglanów metodami:

- metoda termiczna - polega na podgrzaniu wody do temp. 90^oC, przy której następuje rozłożenie kwaśnych węglanów wapnia (naruszenie równowagi węglanowo-wapniowej) z wytrąceniem CaCO₃, Mg(OH)₂ i CO₂; zachodzi w reaktorach; nie znajduje szerszego zastosowania (duża energochłonność), może być stosowana jako proces wstępny przed zmiękczaniem jonitowym;

- metody chemiczne - polega na dawkowaniu do wody substancji, które powodują wytrącanie chemiczne jonów Ca i Mg (najczęściej stosuje się mleko wapienne - dekarbonizacja wapnem);

- metody jonowymienne - usunięcie twardości węglanowej; dekarbonizację jonitową prowadzi się na słabo kwaśnych jonitach wodorowych, po których stosuje się desorpcję CO₂;

3. Zmiękczanie - polega na całkowitym usunięciu wszystkich jonów Ca i Mg:

- metody strąceniowe - polegają na wytrącaniu z wody trudno rozpuszczalnych związków wapnia i magnezu, usunięciu innych składników osadotwórczych, związaniu CO₂ i w pewnym stopniu odkrzemianie wody, co uzyskuje się dawkując wodorotlenki wapnia lub sodu, węglan i fosforany sodu; osady są usuwane w procesie sedymentacji lub filtracji;

a) dekarbonizacja wapnem - wyżej omówiona;

b) wodorotlenkiem sodu - powoduje wytrącanie jonów wapnia jako CaCO₃, magnezu Mg(OH)₂ i wiąże CO₂ do Na₂CO₃;

c) metoda wapno-soda - usuwa CO₂, twardość węglanową i niewęglanową; polega na dodawaniu do wody węglanu sodu (usuwa twardość niewęglanową wapniową i powoduje zmianę tw. niewęglanowej magnezowej na tw. węglanową magnezową) i wodorotlenku wapnia (wiąże CO_2, powoduje wytrącenie węglanów wapnia i wodorotlenku magnezu oraz zmianę twardości niewęglanowej magnezowej na tw. niewęglanową wapniową); skuteczność zmiękczania zależy od zastosowanej dawki chemikaliów i temperatury wody;

d) ługiem sodowym - w metodzie tej NaOH odgrywa rolę Ca(OH)₂ - w wodzie pozostaje tylko tw. niewęglanową wapniowa, którą usuwa soda; met. Ta jest zalecana w przypadku gdy tw. węglanowa jest nieznacznie większa od tw. niewęglanowej lub gdy tw. wapniowa = 2 tw. węglanowe; nie należy jej stosować do zmiękczania wód o dużej tw. węglanowej i małej niewęglanowej;

e) fosforanami sodu - usuwanie tw. węglanowej i niewęglanowej; dodane do wody fosforany powodują wytrącenie bardzo trudno rozpuszczalnych fosforanów wapnia i magnezu; stosuje się : Na₃PO₄ (najlepszy), Na₂HPO₄ i NaH₂PO₄; metoda droga dlatego najczęściej stosuje się ją jako zmiękczanie wtórne (usuwanie tw. szczątkowej); stosowana również w celu dodatkowego zabezpieczenia przed wytrącaniem się kamienia kotłowego, gdyż wytrącone fosforany wapnia i magnezu tworzą nieprzyczepne do powierzchni stalowych osady;

- metody jonitowe - prowadzi się na kationitach, efektem jest dekationizacja i obecność w wodzie związków o dużej rozpuszczalności; rodzaj stosowanych kationitów oraz cały układ jonitowego zmiękczania wody musi być ustalany indywidualnie dla każdego przypadku, ponieważ w zależności od rodzaju kotła różne są wymagania dotyczące jakości wody zasilanej i kotłowej;

- metody membranowe - proces nanofiltracji; skuteczność zmiękczania zależy od rodzaju membrany nanofiltracyjnej;

4. Demineralizacja wody - polega na całkowitym usunięciu soli z wody metodami:

- metody termiczne - polegają na odprowadzaniu wody i następnie kondensacji pary;

- metody elektrochemiczne

- procesy membranowe - jak wyżej;

- wymiana jonowa - jak wyżej;

5. Odkrzemianie wody - polega na chemicznym wytrąceniu krzemionki do osadów, w procesie adsorpcji oraz wymiany jonowej. Jako czynnik strącający stosuje się wapno, wodorotlenek żelaza (III), glinu i magnezu (lepsze efekty niż wapna). Dobrym adsorbentem krzemionki jest wodorotlenek magnezu, przy czym większa jest skuteczność Mg(OH)₂ wytrąconego ze związków magnezu dodanych do wody niż z jonów magnezu obecnych w oczyszczanej wodzie (dlatego dodaje się do wody węglan lub siarczan magnezu oraz wapno).

Stosując strąceniowe metody odkrzemianie wody podgrzanej, należy zapewnić całkowitą eliminację wytrąconych osadów krzemianowych oraz aglomeratów adsorbent-krzemionka w procesie sedymentacji lub filtracji przez złoże inne niż z piasku kwarcowego. Filtracja wody o podwyższonej temperaturze przez złoże piaskowe powoduje rozpuszczanie kwarcu i wtórne zanieczyszczenie wody krzemionka.

Możliwe jest również odkrzemianie wody z wykorzystaniem anionitu słabo zasadowego. Wówczas przed kationitom wodorowym do wody należy dawkować NaF (wadą tej metody jest to, że powstający kwas fluorokrzemowy jest bardzo silnym kwasem, przez co utrudnia eksploatację instalacji).

6. Odgazowanie wody: (usunięcie tlenu rozpuszczonego i wolnego dwutlenku węgla)

- fizyczne - skuteczność odgazowania wody zależy głównie od jej temperatury decydującej o rozpuszczalności gazów; zwiększenie temperatury wody poprawia efekt odgazowania.

Do usuwania CO₂ stosuje się urządzenia zwane desorberami, przepływ wody i powietrza odbywa się przeciwprądowo. Skuteczność odgazowania zależy od ilości powietrza doprowadzanego do desorbera oraz powierzchni kontaktu wody z powietrzem. Oprócz desorberów pracujących w warunkach ciśnienia atmosferycznego można stosować desorbery próżniowe, z odsysaniem gazów za pomocą pompy próżniowej. Przeznaczone one są do jednoczesnego usuwania CO₂ i O₂, stosuję się je wtedy gdy stężenie CO₂ w wodzie po odgazowaniu powinno być <0,5 g CO₂/m³.

Do jednoczesnego usuwania tlenu rozpuszczonego i wolnego dwutlenku węgla stosuje się odgazowanie termiczne, podczas którego wykorzystuje się zjawisko zmniejszania się rozpuszczalności gazów wraz ze wzrostem temperatury wody. Odgazowywacze termiczne dzielimy na: atmosferyczne, ciśnieniowe i próżniowe (najczęściej stosuje się atmosferyczne bo tamte są kłopotliwe w eksploatacji).

Odgazowywacze najczęściej są ustawione bezpośrednio za zbiornikiem wody zasilającej.

- chemiczne - istota chemicznego odtleniania wody polega na dawkowaniu do niej silnych reduktorów wiążących tlen . Do substancji odtleniających stosowanych w praktyce należy siarczyn sodu (Na₂SO₃) i związki hydrazyny (N₂H₄). Skuteczność odtleniania zależy od rodzaju i dawki reduktora, pH i temperatury wody, stężenia tlenu rozpuszczonego oraz obecności oraz obecności w wodzie utleniaczy innych niż tlen rozpuszczony.

7. Dodatkowym procesem jest odolejanie, gdyż oleje ulegają zmydlaniu w obecności alkaliów obecnych w wodzie kotłowej. Cząsteczki oleju mogą się również wytrącać na ogrzewanych powierzchniach. Procesy stosowane do odolejania: klarowanie, adsorpcja, koagulacja i filtracja.

- klarowanie - przebiega w zbiornikach z przegrodą i urządzeniem do zbierania oleju z powierzchni cieczy; metoda ta ma zastosowanie w przypadku usuwania dużych ilości oleju - jako wstępne odolejanie, w wodzie pozostaje ok. 10 g oleju/m³.

- adsorpcja - na złożach koksowych - metoda wstępnego odolejania.

- na ziarnistym węglu aktywnym - prowadzona z zachowaniem optymalnych parametrów technologicznych pozwala na usunięcie oleju do stężenia 0,5 g/m³, efekt zwiększa szeregowy układ kolumn adsorpcyjnych.

Wadą adsorpcji jest mała regeneracja złoża.

- koagulacja solami glinu i żelaza - powstające wodorotlenki glinu i żelaza mają dużą pojemność adsorpcyjną w stosunku do oleju; oprócz koagulantów dawkuje się alkalia (w przypadku niewystarczającej zasadowości kondensatu; proces prowadzi się w osadnikach z osadem zawieszonym, zawiesiny są usuwane w procesie filtracji przez złoże piaskowe (płukanie gorącą wodą z dodatkiem wodorotlenku sodu); stężenie oleju po procesie uzależnione jest od dawki koagulantu i wynosi ok. 0,2 g oleju/m³.

- filtracja - na filtrach namywanych (specjalnie spreparowana ziemia okrzemkowa), skuteczność nawet do 0,1 g oleju/m³, przy dawce 2÷2,5g na 1 g oleju.

---