Metody usuwania osadów eksploatacyjnych – wybrane zagadnienia

Jednym z warunków bezpieczeństwa pracy i eksploatacji obiegów wodno-parowych oraz urządzeń przykotłowych jest utrzymanie odpowiedniej czystości powierzchni ogrzewalnych. Odkładające się na wewnętrznych powierzchniach zanieczyszczenia oraz osady powstałe w trakcie eksploatacji powodują drastyczne pogorszenie wymiany ciepła, wspomagają procesy korozyjne na powierzchniach grzewczych oraz zmniejszają żywotność rur kotłowych. W efekcie istnieje konieczność okresowego usuwania gromadzących się osadów w procesach chemicznego czyszczenia [1].

Chemiczne czyszczenie urządzeń energetycznych

Kotły energetyczne

Czystość wewnętrznych powierzchni części ogrzewalnych oraz zagrożenia wynikające z nieprzestrzegania reżimów pracy kołów są kluczowym zagadnieniem w zrozumieniu powodów awarii oraz przerw w pracy bloków energetycznych. Zdarzenia w postaci nieciągłej pracy bloków podczas uruchamiania powodują konsekwencje występowania bardzo dużych naprężeń oraz wydłużeń względnych. Zdolność korozyjnego oddziaływania wody kotłowej w połączeniu z tego typu zdarzeniami prowadzi do pękania warstwy magnetytowej [1].

Silnie przylegająca do metalu warstewka magnetytu jest niezbędna do zahamowania dalszej agresji wody względem metalu.

Nawet najpoprawniejszy rozruch kotła stanowi dla układu oraz jego elementów obciążenie termiczne, jak również mechaniczne. Przyczynami powstawania osadów na wewnętrznych powierzchniach rur mogą być:

• duża częstotliwość uruchamiania,
• zbyt krótki okres pomiędzy uruchomieniem i odstawieniem kotła,
• zakłócenia w procesie spalania,
• zasilanie kotłów wodą o zbyt niskiej temperaturze,
• zbyt duże obciążenia cieplne oraz mała prędkość przepływu czynnika,
• odbiegająca od norm jakość wody zasilającej i dodatkowej.

Usunięcie osadów z wewnętrznych powierzchni obiegu wodno-parowego odparowalnika staje się koniecznością, gdy wskutek niedostatecznego odprowadzenia ciepła ulegają uszkodzeniu pojedyncze rury lub występuje wzrost spadku ciśnień, względnie wzrost temperatury ścianki rur. Powyższe kryteria oraz ilość osadu w g/m² stanowią główną przyczynę uszkodzenia rur [1].

Znaczenie procesów zwiększających efektywność pracy obiegów wodno-parowych bloków energetycznych niezależnie od ich wielkości, jako możliwość szybkiego uzyskania czystej pary do napędzania turbiny, nie podlega dyskusji. Oprócz relatywnie szybkiego wykonania, a także korzyści ekonomicznych należy pamiętać, iż w wyniku dokonywania w/w operacji zostaje zapoczątkowane tworzenie ochronnych warstewek powierzchniowych w obszarze niższych temperatur oraz dobrej warstewki ochronnej w obszarze temperatur powyżej 230°C. Ochrona ta pozwala na przedłużenie żywotności obiegów poprzez zahamowanie korozji oraz utrudnieniu przylegania i tworzenia nowych osadów [1]. Chemiczne czyszczenie kotłów eksploatowanych ogranicza się, z pewnymi wyjątkami, do odparowalnika. Rzadko kiedy zabiegiem tym obejmuje się: podgrzewacze wysokoprężne, podgrzewacz kotłowy i przegrzewacze pary. W tabeli 1 przedstawiono wytyczne dla chemicznego czyszczenie rur ekranowych.

Tabela 1. Wytyczne dla chemicznego czyszczenie rur ekranowych (źródło: ENERGOPOMIAR)

Ciśnienie robocze [MPa]		8,6–12,4	12,4–17,9	12,4–17,9	17,9–22,0	>22,0
Typ kotła			Kocioł walczakowy	Podkrytyczny   kocioł przypływowy	Podkrytyczny   kocioł przypływowy	Nadkrytyczny   kocioł przypływowy
Źródło	status
		[g/m2]	[g/m2]	[g/m2]	[g/m2]	[g/m2]
Combustion Engineering	Czysty	–	<150	<150	<150	<150
	Umiarkowanie czysty	–	150–400	150–400	150–400	150–250
	Zanieczyszczony	–	>400	>400	>400	>250
Babcock & Wilcox	Nie wymaga czyszczenia	–	<100	<100	<100	<100
	Rozważyć czyszczenie	–	100–120	100–120	100–120	100–120
	Czyścić	–	>120	>120	>120	>120
EPRI	Nie wymaga czyszczenia	<100	<70	<70	<50	<40
	Rozważyć czyszczenie	100–300	70–230	70–230	50–150	40–140
	Czyścić	>300	>230	>230	>150	>140

Istnieje wiele metod chemicznego czyszczenia parowników kotłów – niektóre z nich wymagają rozbudowanej instalacji pomocniczej, ale cechują się wysoką skutecznością. Inne nie wymagają rozbudowanej instalacji pomocniczej kosztem niższej skuteczności procesu.

Wiadomym jest, że kluczowym kryterium doboru odpowiedniej metody czyszczenia oraz zastosowania kąpieli chemicznej jest skład osadu. Niemałe znaczenie przy doborze technologii oczyszczania ma typ kotła, budowa geometryczna parownika, możliwości odprowadzenia odpadów z procesu oraz wiele innych czynników [2].

Skład osadów na wewnętrznych powierzchniach parowników kotłów w większości przypadków składa się ze związków żelaza oraz miedzi. W kotłach pracujących na niższych parametrach spotyka się również związki wapnia i magnezu oraz związki krzemionki. Dlatego też bazą kąpieli kwasującej jest kwas solny. W zależności od składu i ilości osadu stosuje się kąpiele o niskim stężeniu kwasu (5 do 7%) lub wyższym stężeniu (ok. 20%) – szczególnie jest to stosowane przy dużym udziale związków miedzi w osadzie. Jako substancje wspomagające kwas solny stosuje się kwas fluorowodorowy lub kwaśny fluorek amonu.

Obecnie, gdy jednym z głównych kryteriów decydujących o wykonaniu procesu chemicznego czyszczenia kotła jest cena wykonania tego procesu, należy skupić się na metodach o niskich kosztach instalacji pomocniczej, a jednocześnie gwarantujących wysoką skuteczność.

Dość popularną i skuteczną okazała się metoda chemicznego czyszczenia polegająca na wykorzystaniu kompaktowych stanowisk do dozowania i chemicznego czyszczenia. Rozwiązanie takie minimalizuje koszty instalacji pomocniczej, z reguły wymaga jedynie niewielkich przeróbek w kotle takich jak: dospawanie odpowiednich króćców do wprowadzania i wyprowadzania roztworów z kotła oraz podłączenie wody napędowej. W praktyce w zależności od usytuowania króćców instalacja pomocnicza ogranicza się maksymalnie do kilku metrów rurociągu DN 50÷60 zakończonych połączeniem kołnierzowym. W takim rozwiązaniu większość podłączeń odbywa się przy użyciu chemoodpornych węży o odpowiednich średnicach. Zastosowane w instalacjach kompaktowych pompy pozwalają na szybkie wprowadzanie kąpieli chemicznych do parowników kotłów [2].

Zazwyczaj instalacja kompaktowa pozwala na wprowadzenie do parownika kotła wodnych roztworów wieloskładnikowych, najczęściej składających się z zainhibitowanych roztworów kwasu bądź kwasów lub kąpieli do odmiedziowania opartych na bazie wody amoniakalnej.

Ponadto instalacja kompaktowa pozwala w razie konieczności na przeprowadzenie procesu neutralizacji kąpieli chemicznej w czasie jej zrzutu z parownika kotła. 

a} Kotły walczakowe

W przypadku kotłów walczakowych z naturalną cyrkulacją wprowadzenie kąpieli chemicznej przeważnie odbywa się poprzez kolektor odwodnień kotłowych. W niektórych przypadkach, gdy średnica odwodnień kotłowych jest zbyt mała lub skład chemiczny kąpieli do chemicznego czyszczenia mógłby zagrozić zaworom odwadniającym, stosuje się wpięcie do wyczystek jednej bądź dwóch dolnych komór ekranowych.

Często w trakcie oddolnego zalewania parownika kotła roztworem czyszczącym stosuje się zmienne stężenie, co umożliwia dobre mieszanie się w rurach parownika i zwiększa efektywność samego rozpuszczania osadu. Po wypełnieniu parownika proces mieszania roztworu w parowniku można również zintensyfikować poprzez okresowe wtłaczanie powietrza lub gazu inertnego.

Sposób typowego podłączenia instalacji kompaktowej do chemicznego czyszczenia parownika kotła przedstawiono na rysunku 1.

Innym sposobem wymuszenia cyrkulacji w kotle walczakowym jest zastosowanie metody autocyrkulacji. Wprowadzony do parownika roztwór czyszczący jest cyrkulowany za pomocą wtłaczanego do parownika gazu inertnego lub powietrza. W samej operacji kasowania stosowany jest zazwyczaj azot, natomiast w operacjach takich jak płukanie czy pasywacja stosuje się odolejone powietrze. Najczęściej miejscem podłączenia wtrysku gazu do parownika są dolne komory ekranowe lub rury opadowe (rozwiązanie częściej stosowane). Sam wtrysk odbywa się poprzez specjalne króćce, które montowane są do wyczystek komór ekranowych lub w przypadku rur opadowych – do ich odwodnień bądź wspawywane bezpośrednio w rury opadowe. Istnieje również inna możliwość wtrysku gazu do parownika – za pomocą prowizorycznego włazu walczaka lub poprzez demontaż zaworu bezpieczeństwa i sprowadzenie wężami do dolnych części rur opadowych. Odpowiednią ilość wtłaczanego gazu kontroluje się za pomocą rotametrów [2].

Zaletą metody autocyrkulacji jest możliwość bezpośredniego wtłaczania stężonych chemikaliów do kotła, gdzie ulegną one wymieszaniu z cyrkulującą w parowniku wodą. Metodę autocyrkulacji przedstawiono schematycznie na rysunku 2.

 

 b} Kotły z cyrkulacją wymuszoną

W porównaniu z kotłami walczakowymi, gdzie proces mieszania kąpieli trzeba wymusić za pomocą autocyrkulacji bądź zastosowaniem metody zalewania kotła roztworami chemikaliów o zmiennym stężeniu, w kotłach z pompami cyrkulacyjnymi sytuacja jest o wiele łatwiejsza. W większości przypadków do wymuszenia cyrkulacji można wykorzystać pompę bądź pompy cyrkulacyjne w obiegu kotłowym. Wiadomym jest, że wykorzystanie pomp cyrkulacyjnych jest uzależnione od składu kąpieli czyszczącej i jej ewentualnego wpływu na materiały konstrukcyjne pompy oraz samą jej budowę. Największym zagrożeniem dla pompy cyrkulacyjnej jest przedostanie się agresywnej kąpieli czyszczącej do układu chłodzenia silników. Z reguły silniki pomp cyrkulacyjnych są chłodzone poprzez pompowane medium. Zagrożenie to można wyeliminować poprzez zastosowanie tymczasowej instalacji, która wytworzy bufor wodny chroniący silnik pompy cyrkulacyjnej w trakcie cyrkulacji kąpieli czyszczącej. Schematycznie obieg procesu chemicznego w kotła z wymuszoną cyrkulacją przedstawiono na rysunku 3.

 

Podobnie jak w przypadku kotła z naturalną cyrkulacją instalacja pomocnicza ogranicza się do króćca pozwalającego na wprowadzenie chemikaliów do obiegu. Do tego celu można wykorzystać stałą instalację odwadniającą i przez nią pompować stężone chemikalia do układu. Zastosowanie najnowszej generacji pomp chemoodpornych pozwala przeprowadzić niebezpieczny etap podawania chemikaliów do układu w sposób całkowicie hermetyczny i nie stwarzający zagrożenia dla środowiska i zaangażowanych osób. Podczas operacji płukania po kąpieli kwasującej oraz w trakcie odwadniania układu w celu zabezpieczenia wewnętrznych powierzchni czyszczonych przed wtórną korozją wtłaczany jest azot [2]. 

Regeneracyjne podgrzewacze wysokoprężne

Układy cieplne dużych bloków energetycznych charakteryzują się rozbudowanym zespołem regeneracyjnego podgrzewania wody, którego zadaniem jest podniesienie sprawności obiegu cieplnego. Tworzące się na powierzchniach ogrzewalnych osady obniżają ich sprawność poprzez niedogrzanie wody zasilającej kocioł parą pobraną z upustów turbiny. Źródłem tych zanieczyszczeń zarówno po stronie wody, jak i pary są zjawiska korozyjne oraz wycieki wody chłodzącej lub oleju turbinowego. Analiza chemiczna osadów eksploatacyjnych wykazuje, że zawierają one głównie tlenki żelaza w postaci magnetytu oraz związki miedzi. Podstawowym kryterium podjęcia decyzji o przeprowadzeniu procesu chemicznego czyszczenia jest spadek sprawności cieplnej układu, spowodowany termoizolacyjnym działaniem warstwy osadu. Stosowana technologia oczyszczania układów podgrzewaczy wysokoprężnych zakłada operacje odmiedziowania, kwasowania zainhibitowanymi roztworami kwasu lub mieszanin kwasów i pasywację. Pomiędzy operacjami prowadzone są płukania wspomagane wtłaczaniem gazu inertnego do układu poprzez instalację prowizoryczną. W efekcie otrzymuje się wolne od osadów i czyste powierzchnie. Zastosowanie chemicznego czyszczenia do regeneracyjnych podgrzewaczy wysokoprężnych w znaczący sposób zwiększa ich sprawność poprzez przywrócenie możliwości osiągnięcia znamionowych parametrów wody zasilającej oraz zabezpiecza przez korozją, a tym samym obniża awaryjność podgrzewaczy [4].

Zagospodarowanie odpadów potrawiennych

Zagospodarowywanie odpadów z chemicznego czyszczenia kotłów oraz innych urządzeń energetycznych jest istotnym elementem procesu ze względów technicznych, ekonomicznych czy ochrony środowiska. Wzrastające wymagania stawiane odprowadzanym ze ściekami do środowiska zanieczyszczeniom zmuszają prowadzących proces chemicznego czyszczenia do ograniczenia do minimum zarówno ilości, jak i ładunku odprowadzanych zanieczyszczeń.

Najprostszym i najbardziej powszechnym rozwiązaniem jest wtórne wykorzystanie roztworów kwaśnych w instalacjach znajdujących się na terenie elektrowni bądź elektrociepłowni. Przy stałym monitoringu właściwości fizykochemicznych, zrzucając roztwory o odczynie kwaśnym do kanału hydroodpopielania można dokonać poprawy stabilności parametrów wody w zamkniętym obiegu hydrotransportu. Powstające ścieki kwaśne są wykorzystywane również do neutralizacji innych ścieków powstających na terenie zakładu, między innymi z procesu regeneracji wymienników anionitowych w stacji uzdatniania wody. Wraz z odpadami ze stacji demineralizacji wody, po ustabilizowaniu parametrów takich jak pH czy temperatura, odprowadzane są do oczyszczalni ścieków przemysłowych [3].

Coraz częściej roztwory z kwasowania kotłów są wywożone poza teren obiektu przemysłowego przez firmy zewnętrze, które specjalizują się w utylizacji tego typu odpadów. Jednak ze względu na bardzo duże objętości roztworów czyszczących oraz popłuczyn, które sięgają niejednokrotnie kilkuset metrów sześciennych, sposób ten jest nie tylko skomplikowany pod względem technicznym i logistycznym, ale również niekorzystny ekonomicznie. Szacuje się, że koszt utylizacji odpadów z procesu kwasowania dla średniej wielkości układu zwiększa cenę procesu trawienia nawet do 50%.

Do tej pory głównym problemem były ścieki o charakterze kwaśnym (z procesów kwasowania), które ze względu na miejscowe uwarunkowania musiały być poddawane procesowi neutralizacji. Neutralizacja taka prowadzona była głównie metodą przepływową poprzez dawkowanie do ścieków kwaśnych ługu sodowego lub wapna hydratyzowanego. Neutralizację prowadzono w zbiornikach pomocniczych lub neutralizatorach (fotografia 1).

Neutralizacja (zobojętnienie) przy użyciu ługu sodowego jest łatwiejsza technicznie, natomiast bardziej kosztowna. Z kolei wykorzystanie wapna hydratyzowanego jest mniej kosztowne, ale za to bardziej uciążliwe pod względem technicznym. W trakcie prowadzenia każdego procesu chemicznego czyszczenia czy trawienia urządzeń energetycznych powstają roztwory poprocesowe, które w świetle przepisów należy traktować jako odpady. W zależności od typu, stopnia rozbudowania procesu oraz wielkości obiektu powstają odpady o różnym stopniu uciążliwości zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym [3].

Podsumowanie

Chemiczne czyszczenie czy alkaliczne gotowanie kotła są koniecznymi procesami wpływającymi na poprawną i bezawaryjną eksploatację kotłów parowych. Dzięki zachowaniu niskiego poziomu zanieczyszczeń na powierzchni wymiany ciepła możemy doprowadzić do wytworzenia w kotle pary o dostatecznej czystości, zminimalizować postępowanie korozji wewnętrznych elementów kotła, jak również ograniczyć zużycie wody i zmniejszyć straty ciepła. W większości przypadków kotły nie są wyposażone w stałą instalację pozwalającą na przeprowadzenie takiego procesu, dlatego jednym ze znaczących kosztów wykonania procesu jest budowa instalacji pomocniczej. Do utrzymania bezawaryjnej pracy kotła może przyczynić się w dużej mierze proces formowania warstewki magnetytowej. Należy pamiętać, że wytworzenie nowej skutecznej warstewki magnetytowej jest możliwe tylko poprzez wcześniejsze zastosowanie odpowiedniej technologii usunięcia osadów.

Tematyka zagospodarowania odpadów powstających w procesie chemicznego czyszczenia jest złożona. W obliczu obowiązującego prawa staje się jednak podstawowym zagadnieniem, wymagającym wyczerpujących ustaleń na etapie projektowania procesu. Szacuje się, że koszty zagospodarowania i utylizacji ścieków z procesów mogą przewyższać koszt przeprowadzenia samego procesu i budowy instalacji pomocniczej.

Literatura

[1] Paluch M., Franke Ł.: Trawienie oraz chemiczne czyszczenie jako bezpieczeństwo pracy i eksploatacji obiegów wodno-parowych, X Forum Dyskusyjne „Diagnostyka i chemia dla energetyki”, Szczyrk 20–22.05.2015.

[2] Łodej M.: Oczyszczanie parowników kotłów energetycznych z osadów eksploatacyjnych bez instalacji pomocniczej, VII Forum Dyskusyjne „Diagnostyka i chemia dla energetyki”, Szczyrk 25–27.05.2011.

[3] Paluch M.: Problem zagospodarowania i utylizacji odpadów po procesach chemicznego czyszczenia i trawienia urządzeń w świetle wymogów środowiskowych, IX Forum Dyskusyjne „Diagnostyka i chemia dla energetyki”, Szczyrk 22–24.05.2013.

[4] Goj E.: Trawienie i dmuchanie dla dobra kotła, „Energetyka Cieplna i Zawodowa” 2013, nr 8.

Mateusz Paluch
Łukasz Franke „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Chemii i Diagnostyki