Wytwarzanie pary technologicznej wymaga stosowania odpowiednio przygotowanej wody, która się nie pieni oraz nie powoduje korozji instalacji, czy wytrącania osadów. Uzdatnianie wody do produkcji pary jest zatem wieloetapowe i obejmuje różne procesy technologiczne, w tym redukcję stopnia twardości oraz jej kondycjonowanie.
Spis treści:
- Jak powstaje para technologiczna?
- Parametry wody do produkcji pary
- Problemy z wodą do produkcji pary
- Jak uzdatniać wodę do produkcji pary?
- Dlaczego należy uzdatniać wodę do produkcji pary?
- Uzdatnianie wody do produkcji pary – podsumowanie
Jak powstaje para technologiczna?
Para jest obecnie stosowana w wielu różnych sektorach gospodarki, takich jak rolnictwo, energetyka, a także przemysł spożywczy, chemiczny czy motoryzacyjny. W zależności od branży może też pełnić różne funkcje – m.in. dostarcza ciepło niezbędne w procesach gotowania, odparowywania, destylacji i suszenia.
Para jest gazową formą wody, która powstaje z fazy ciekłej lub stałej w procesie parowania lub sublimacji.
Aby wytworzyć parę, konieczna jest odpowiednia ilość ciepła wystarczająca do zainicjowania przemiany fazowej. Co ważne, doprowadzenie energii do wrzącej wody nie powoduje dalszego wzrostu temperatury, chyba że znajduje się ona w zamkniętym naczyniu lub pod ciśnieniem.
Do wytwarzania pary technologicznej wykorzystywane są kotły parowe i wytwornice pary, a stosowana w nich woda musi mieć odpowiednie parametry. Jej jakość jest istotna zarówno w kontekście stanu technicznego urządzeń, jak i samego przebiegu procesów, w których bierze udział para wodna. Profesjonalne uzdatnianie wody do produkcji pary stanowi tym samym jeden z kluczowych etapów jej wytwarzania, a dobór odpowiednich metod filtracji wymaga szerokiej wiedzy i doświadczenia. O pomoc w tej kwestii warto poprosić eksperta z branży.
Kotły parowe – co warto wiedzieć?
Kotły parowe to urządzenia, które przekształcają wodę w parę wodną poprzez jej podgrzewanie przy użyciu paliwa, takiego jak gaz, olej, węgiel czy energia elektryczna.
- Kotły wodnorurowe – woda przepływa przez system rur, a ciepło dostarczane jest z zewnątrz; charakteryzują się dużą wydajnością i są stosowane w przemyśle o wysokim zapotrzebowaniu na parę
- Kotły płomieniówkowe – gorące gazy spalinowe przepływają przez rury otoczone wodą, co powoduje jej podgrzewanie; stosowane są głównie w mniejszych instalacjach
Wytwornice pary – co warto wiedzieć?
Wytwornice pary (generatory pary, kotły bezwalczakowe, parowe kotły przepływowe) to wymienniki ciepła często wskazywane jako alternatywa dla parowych kotłów płomienicowo-płomieniówkowych, a tym co je odróżnia jest brak paleniska. Generatory pary charakteryzują się niewielką pojemnością wodną, co umożliwia szybkie podgrzewanie wody i wytwarzanie pary.
Na rynku dostępne są wytwornice pary zasilane różnymi rodzajami paliwa – energią elektryczną, gazem ziemnym, gazem płynnym, lekkim lub ciężkim olejem opałowym oraz innymi paliwami płynnymi. Urządzenia tego typu znajdują zastosowanie przede wszystkim w elektrowniach atomowych, w elektrowniach słonecznych CRS oraz w różnego rodzaju układach gazowo-parowych. Warto jednocześnie pamiętać, że wytwornice pary mogą pracować okresowo, a samo uruchomienie jest szybkie i efektywne, dlatego w niektórych przedsiębiorstwach stanowią rezerwowe lub dodatkowe źródło ciepła.
Wytwornice pary mają budowę wodnorurową, co w praktyce oznacza, że woda przepływa przez długą wężownicę. Jest wówczas podgrzewana i doprowadzana do wrzenia, aż uzyskuje temperaturę nasycenia odpowiadającą wymaganemu ciśnieniu. Powstająca w ten sposób para wodna jest odprowadzana do dedykowanych przewodów parowych. Najważniejszą rolę odgrywa w tym procesie wężownica, której można przypisać aż trzy funkcje – podgrzewacza, parownika, a w wielu przypadkach przegrzewacza pary.
W takim układzie woda jest tłoczona ze zbiornika skroplin do wężownicy, a dalej przez przewody parowe trafia do odbiorników, gdzie oddaje ciepło. Dochodzi wówczas do skraplania wody, która w takiej postaci spływa do otwartego zbiornika wody zasilającej. Do uzupełniania ubytków pary wodnej wiele przedsiębiorstw wykorzystuje wodę wodociągową, która w takim przypadku wymaga dodatkowego uzdatniania.
Parametry wody do produkcji pary
Generalnie przyjmuje się, że woda zasilająca wytwornice pary i kotły parowe powinna spełniać co najmniej normy wody pitnej, jednak w praktyce wymagania te są znacznie bardziej rygorystyczne.
- Twardość resztkowa – powinna wynosić niemal zero (maksymalnie 0,03–0,05 mval/l), aby zapobiec osadzaniu się kamienia kotłowego
- pH – zwykle w przedziale 8,5-10 dla ochrony przed korozją i zapewnienia odpowiednich warunków pracy kotła
- Przewodność wody – wartość zależna od typu kotła i ciśnienia roboczego, na ogół poniżej 200 µS/cm dla wody zasilającej
- Stężenie tlenu rozpuszczonego – jak najniższe, optymalnie poniżej 0,02 mg/l, aby zminimalizować ryzyko korozji
- Zawartość krzemionki – szczególnie istotna przy wysokim ciśnieniu, gdzie zaleca się poziom poniżej 0,02 mg/l
- Stężenie fosforanów – związki stosowane do stabilizacji osadów, ich ilość zależy od specyfiki danej instalacji
Woda stosowana do produkcji pary nie może się pienić, powodować wytrącania osadów, ani korozji instalacji.
Oto przykładowe parametry wody zasilającej podane przez producenta wytwornicy pary wodnej.
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Odczyn pH | 10-12 |
| Stężenie siarczanów | min. 50 mg/l |
| Przewodność | maks. 8550 µS/cm |
| Stężenie żelaza | maks. 0,1 mg/l |
| Twardość ogólna | maks. 0,1°dH |
| Osady | Brak |
Uzdatniając wodę na potrzeby produkcji pary wodnej należy zwrócić szczególną uwagę na twardość wody, stężenie żelaza, całkowitą zawartość soli rozpuszczonych oraz odczyn pH. Wielu producentów wytwornic pary zastrzega w warunkach gwarancyjnych, że woda zasilająca powinna być uzdatniona już przed pierwszym uruchomieniem instalacji.
Problemy z wodą do produkcji pary
Aby zapewnić prawidłowe działanie kotłów parowych i generatorów pary, z wody należy wyeliminować przede wszystkim rozpuszczone w niej sole, tlen i dwutlenek węgla.
Warto pamiętać, że proces podgrzewania i odparowywania wody może powodować zmianę jej pH oraz uwolnienie się niepożądanych substancji, które zwiększają agresywność i korozyjność cieczy.
Piotr Pisarski
Przewodność wody i zagęszczenie w kotle
Przewodność wody wskazuje bezpośrednio na ilość rozpuszczonych w niej soli – jeśli wzrasta zasolenie, przewodność wody także rośnie. Jedynie woda, która została całkowicie pozbawiona soli opuszcza urządzenie w postaci pary. Sole znajdujące się w wodzie zasilającej kocioł parowy ulegają zagęszczeniu. Wodę o wysokim zasoleniu należy odprowadzić do kanalizacji i zastąpić ją wodą zasilającą o niskim stopniu zasolenia. Sam proces odsalania powinien być przeprowadzany regularnie, a przewodność stale monitorowana.
Woda kotłowa o wysokiej przewodności może zacząć się pienić. Odsalanie wody redukuje prawdopodobieństwo, że osady znajdą się w fazie parowej i doprowadzą do korozji lub awarii.
Odczyn pH wody
Na podstawie odczynu pH określana jest zasadowość wody kotłowej. Wartość tego parametru rośnie, jeżeli na skutek działań termicznych w zbiorniku zasilającym lub wewnątrz kotła dochodzi do rozpadu węglanu wapnia, w wyniku którego uwalniane są węglany. Przekroczenie wartości 12 mmol/l może skutkować powstawaniem piany w wodzie kotłowej lub występowaniem wżerów ługowych, czego konsekwencją jest poważne uszkodzenie kotła i spore zazwyczaj straty finansowe. Rozwiązaniem tych problemów jest obniżenie pH realizowane w wyniku odszlamiania, jeśli woda charakteryzuje się niską przewodnością. Do tego celu sprawdza się zazwyczaj dekarbonizacja wody lub przemysłowa odwrócona osmoza o dużych wydajnościach.
Zawartość tlenu w wodzie
Obecność rozpuszczonego tlenu w wodzie zasilającej system do produkcji pary zazwyczaj skutkuje wystąpieniem korozji.
Stężenie tlenu redukuje się zazwyczaj za pomocą termicznego odgazowywania (razem z tlenem można usuwać inne gazy) lub poprzez dozowanie do wody specjalistycznych preparatów chemicznych, które wiążą ten pierwiastek.
Tlen jest wiązany w produkty migrujące do pary lub nie migrujące do pary. Produkty migrujące nie wprowadzają do wody dużych ilości soli i mają działanie oraz alkalizujące. Należy jednak pamiętać, że para tego rodzaju nie powinna być stosowana w procesach związanych z produkcją spożywczą. Na układy pary oraz kondensat nie oddziałują natomiast bezpośrednio produkty niemigrujące. Z drugiej strony, ze względu na potencjalne właściwości korozyjne (zależne od odczynu pH) ich stosowanie powinno podlegać stałej kontroli.
Przeliczanie ilości preparatów wiążących tlen podczas dozowania musi się odnosić do całkowitej objętości kotłowej wody zasilającej oraz kondensatu z tlenem.
Wolny dwutlenek węgla w wodzie
Odczyny pH wody zasilającej, kotłowej oraz kondensatu są ze sobą ściśle skorelowane. Wzrost temperatury wody kotłowej powoduje, że z węglanów powstaje dwutlenek węgla oraz ług sodowy. Dochodzi wówczas do alkalizacji wody, ponieważ ług sodowy nie przemieszcza się do pary. Odczyn pH wody kotłowej jest zatem w takiej sytuacji wyższy niż wody zasilającej. W układach pary oraz kondensatu problemy związane z korozją oraz niskim odczynem pH są powodowane głównie poprzez dwutlenek węgla. Z tego względu stosuje się często dodatkową alkalizację (proces ten przebiega z pomocą specjalnych preparatów wspomagających).
Kamień kotłowy i twardość pozostała
Kamień w wodzie zmniejsza przewodnictwo cieplne, przez co dochodzi do znacznego obniżenia wydajności kotła parowego, a z biegiem czasu powoduje awarie. Do głównych powodów powstawania kamienia kotłowego zalicza się obecność węglanów, siarczanów, krzemianów wapnia oraz magnezu, a także olejów i zawiesin.
Zawsze podkreślam, że w kotłach i generatorach pary mogą występować aż cztery rodzaje kamiennego osadu – kamień węglanowy, osady zawierające tlenki żelaza (najczęściej występują w kotłach parowych), kamień siarczanowy i krzemionka. Hamowanie powstawania kamienia kotłowego i wiązanie twardości pozostałej jest możliwe dzięki dozowaniu odpowiednich środków chemicznych ograniczających powstawanie i wytrącanie osadu.
Piotr Pisarski
Kondycjonowanie wody i stabilizacja twardości dotyczą zazwyczaj tylko wody surowej, która trafia do obiegu. Problem twardości nie dotyczy powracającego kondensatu.
Jak uzdatniać wodę do produkcji pary?
Uzdatnianie wody do produkcji pary na skalę przemysłową to zazwyczaj skomplikowany i wieloetapowy proces. Istotnym elementem projektowania systemu filtracyjnego są profesjonalne badania wody zarówno w zakresie jej parametrów fizykochemicznych, jak i czystości mikrobiologicznej.
Dobór optymalnych technologii zależy zarówno od jakości wody surowej i zapotrzebowania na nią, jak i kwestii związanych z warunkami prowadzenia danego procesu. Należy przy tym pamiętać, że jakość wody zasilającej i uzupełniającej musi być stała.
W przypadku wody ze studni, na samym początku zachodzi zazwyczaj potrzeba redukcji stężenia żelaza i towarzyszącego mu manganu. W tym celu montuje się przemysłowe odżelaziacze wody i odmanganiacze wody.
Jeśli źródłem stosowanej wody jest wodociąg, pierwszym etapem uzdatniania wody jest z kolei filtracja mechaniczna, która usuwa wszelkie zanieczyszczenia stałe i osady sedymentacyjne.
Niezależnie od ujęcia, jednym z podstawowych procesów jest zazwyczaj redukcja stopnia twardości wody odbywająca się najczęściej na drodze wymiany jonowej na specjalistycznych żywicach jonowymiennych. Przemysłowe zmiękczacze wody mogą pracować w trybie pracy ciągłej lub w układzie wahadłowym (naprzemiennym). Dalszy proces uzdatniania wody po jej zmiękczaniu zależy w dużym stopniu od rodzaju zastosowanego układu.
W przypadku kotłów wysokociśnieniowych i niskociśnieniowych zmiennych jest bardzo dużo, a efekt uzdatniania zależy od ilości, typu i jakości dozowanych preparatów chemicznych. Właśnie z tego powodu duży nacisk stawia się na dokładne zapoznanie się z indywidualną sytuacją zakładu przy doborze metod uzdatniania wody.
Piotr Pisarski
W przypadku generatorów pary i kotłów parowych najczęściej sprawdza się zasada, że im większy jest układ, tym dokładniejsze oczyszczanie wody należy zastosować.
Preparaty chemiczne, które dozuje się do kotłów parowych i wytwornic pary to zazwyczaj inhibitory korozji. Warto jednak pamiętać, że samo kondycjonowanie wody rzadko kiedy rozwiązuje problem jakości wody.
Przykładowe rodzaje metod uzdatniania wody stosowane w układach:
- Zmiękczanie wody + dozowanie preparatów chemicznych
- Zmiękczanie wody + demineralizacja wody + dozowanie preparatów chemicznych
- Zmiękczanie wody + przemysłowa odwrócona osmoza + dejonizacja/demineralizacja + dozowanie preparatów chemicznych
Preparaty do kondycjonowania wody (zawierające zarówno związki organiczne, jak i nieorganiczne) hamują proces krystalizacji osadów. Powstająca w ten sposób zawiesina jest odprowadzana do kanalizacji, a niewielka twardość pozostała może być całkowicie stabilizowana. Stosowane do tego celu środki chemiczne zmieniają ładunek powierzchniowy substancji odpowiedzialnych za tworzenie mętności, uniemożliwiając opadanie cząsteczek na skutek (zamiast trwałych osadów powstaje jedynie zawiesina w wodzie).
Dlaczego należy uzdatniać wodę do produkcji pary?
Uzdatnianie wody do produkcji pary jest konieczne z wielu powodów.
- Zapobieganie osadom – kamień kotłowy będący skutkiem użytkowania twardej wody może gromadzić się na powierzchniach wymienników ciepła i kotłów, co obniża sprawność wymiany ciepła
- Ochrona przed korozją – obecność tlenu, czy dwutlenku węgla w wodzie może powodować korozję metalowych elementów instalacji
- Zwiększenie żywotności urządzeń – odpowiednio uzdatniona woda zmniejsza ryzyko awarii, co wydłuża czas eksploatacji kotłów i innych urządzeń stosowanych w systemach parowych
- Ograniczenie kosztów eksploatacji – eliminacja problemów związanych z osadami i korozją pozwala obniżyć koszty utrzymania i konserwacji urządzeń
- Poprawa jakości pary – zanieczyszczenia organiczne oraz zawiesiny obecne w parze wodnej mogą powodować zaburzenia w procesach technologicznych
Jeśli woda do produkcji pary będzie zanieczyszczona, może dochodzić do zagęszczenia substancji stałych oraz wytrącania się osadów. Ma to bezpośredni związek z nadmiarem substancji rozpuszczonych oraz trudnorozpuszczalnych soli w nieoczyszczonej wodzie.
Uzdatnianie wody do produkcji pary – podsumowanie
Uzdatnianie wody do produkcji pary jest kluczowym elementem zarządzania instalacjami parowymi. Odpowiednio dobrany system filtracji minimalizuje ryzyko powstawania osadów i korozji, a tym samym redukuje prawdopodobieństwo wystąpienia wielu problemów eksploatacyjnych.
