Kazánok vízkezelése I.
2008/12. lapszám | Harangozó Bettina | 14 608 |
Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A vízkezelés ma, Magyarországon a gyakorlatban nem terjed ki a gépek védelmére, vagy legalábbis nem elégé. A kazánok vízkezelése jó esetben lágyvíz-feltöltéssel kezdődik, és ezzel be is fejeződött. Cikksorozatunkban szeretnénk bemutatni egy olyan vízkezelést, amely környezetbarát, gazdaságos, és a kazánok szerelvényeit is megóvja a korróziótól.
Megvizsgáltam Magyarország különböző területeinek vízkeménységéből adódó kazánhatásfok-csökkenését, majd ezeket összehasonlítottam egy irodalmi adattal, amely nem csupán a vízkövet emeli ki, mint fő korróziós problémát. A kapott adatokból gazdasági számítást végeztem a lakossági fogyasztásokra, a vízkezelés nélküli költségeket összehasonlítva a vízkezelés költségeivel, valamint a korrózió okozta egyéb költségekkel. A kazánok hatásfokcsökkenése nem csak gazdasági szempontból fontos, hanem a klímavédelem szempontjából is. Az energia-megtakarításból származó szennyezőanyag-csökkenést a földgázzal történő fűtés esetén a CO2-kibocsátások számolásával vizsgáltam. Az üvegházhatású gázok csökkentése a légkör hőmérsékletemelkedésének megállítása miatt elengedhetetlen.
A cikksorozat első részét az alapok ismertetésével kezdjük, majd a kazánok korróziós lehetőségeit ismertetjük.
A víz összetevői
Oldott szervetlen vegyületek – kationok:
- alkáli földfémek ionjai, pl. kalcium, magnézium,
- alkáli ionok, pl. nátrium, kálium,
- nehézfémek ionjai, pl. vas, réz, horgany.
Oldott szervetlen vegyületek – anionok:
- kloridok,
- hidrogén-karbonát,
- szulfát,
- nitrát,
- nitrit,
- foszforvegyületek.
Oldott gázok:
- oxigén,
- szén-dioxid,
- nitrogén.
A vízben lebegő anyagok:
- homok, agyag,
- növényi maradványok,
- algák, baktériumok.
Oldott szerves vegyületek:
- humuszanyagok,
- zsírok, fehérjék, szénhidrátok.
A vízkőképződés oka
A vízkőképződés mértékének szempontjából döntő szerepet játszik a víz összetétele, a feltöltési és utántöltési víz mennyisége, a hőcserélő helyek falhőmérséklete, valamint az egyéb üzemi körülmények. A korrózióval ellentétben a vízkőképződés folyamatában az anyagminőségnek csak alárendelt szerepe van. A vízkőképződés (CaCO3-lerakódás), az alábbi kémiai reakció során akkor jön létre, amikor alkáliföldfém-ionokat és hidrogénkarbonát-ionokat tartalmazó vizet melegítünk. (Ca2+ + 2 HCO3 - → CaCO3 +H2O + CO2)
A kazán vízoldali korrózióját elsősorban a vízoldali sók kicsapódása okozza. Ezek lehetnek: kalcium, magnézium, karbonát, hidrokarbonát, vas, szilikát és szulfát. Hevítés hatására a sókoncentráció az oldhatósági érték fölé emelkedhet, bár egyes sók oldhatósága a hőmérséklet növekedésével csökken. A kazánköveket összetételük alapján különböztetjük meg.
Az 1. táblázat ezeket a kazánkőfajtákat mutatja be.
|
Kazáncsövek összetétele
|
|
| Név | Képlet |
| Acmit | Na2O*Fe2O3*4SiO2 |
| Analcit | Na2O*Al2O3*4SiO2*2H2O |
| Anhydrit | CaSO4 |
| Aragonit | CaCO3 |
| Brucit | Mg(OH)2 |
| Kalcit | CaCO3 |
| Cancrin | 4Na2O*CaO*4Al2O3*2CO2*9SiO2*3H2O |
| Hematit | Fe2O3 |
| Hydroxyapatit | Ca10(OH)2(PO4)6 |
| Magnetit | Fe3O4 |
| Noselit | 4Na2O*3Al2O3*6SiO2*SO4 |
| Pectolit | Na2O*4CaO*6SiO2*H2O |
| Alpha-Kvarc | SiO2 |
| Serpentin | 3MgO*2SiO2*2H2O |
| Thenardit | Na2SO4 |
| Wallastonit | CaSiO3 |
| Xonotlit | 5CaO*5SiO2*H2O |
A vízkőképződés szempontjából nem a fűtővíz-hőmérséklet vagy a kimenő vízhőmérséklet a döntő, hanem a hőtermelő berendezés hőcserélő felületének falhőmérséklete. Vízkőképződés által okozott károk akkor keletkezhetnek, ha a berendezés méretezése, tervezése, szerkezeti felépítése, üzemi körülményeinek meghatározása és a víz összetétele nincsenek egymással összhangban. A vízkőlerakódások okozta problémák idővel komolyabb gondokat okoznak a központi fűtésrendszerben. Az 1. ábra jól mutatja ezt a folyamatot. A feltöltést követő pár órában már jelentkeznek a víz oldott oxigéntartalmából származó problémák, melyeket hang alapján lehet felismerni. A következő napokban a fémek közötti reakciók során hidrogén fejlődhet, és ez zörejként érzékelhető a fűtőtestekben. Majd a lerakódott vízkő kazánkopogást okoz. A baktériumelszaporodás a padlófűtésben jelentkezik a rendszer feltöltése után hetekkel, és a megfelelő működést akadályozza. Az oxigén okozta korrózió pár hónap múlva tapasztalható a fémiszap sűrűsödésével.
A kialakult kazánkőréteg szigetelőként működik a kazán fémfelülete és a rendszerben lévő víz között. A hőátadást rontja, de emellett nagyobb gondokat is okozhat. Ha ez a réteg megsérül, akkor a víz a hő nagy részét ezen a kis felületen akarja átadni, és a magas hőmérséklet hatására gőz fejlődik. Mikor a rendszerben kopogást hallunk, akkor ezt a jelenséget figyelhetjük meg.
Korrózió
Bár a korrózió szót legtöbbször fémes anyagok korróziójával hozzuk kapcsolatba, a fogalom érvényes a szerves és nemfémes anyagokra is. Már a szó eredete - a latin corrodere = szétaprítani, szétrágni szóból - megmagyarázza a folyamat negatív jelentését, amelyet az ember már a technikai fejlődés korai stádiumában, legtöbbször fémeken figyelt meg. Bár már Platóntól (Kr. előtt 427-347) maradtak ránk olyan feljegyzések, melyekben a rozsdát mint a fémből kiváló földet írja le, csak a XVIII. században kezdte a tudomány a korrózió kémiai folyamatát megérteni. Lényegesen későbbre datálódnak alaposabb ismereteink az anyag és az azt megtámadó közeg (folyadék, gáz vagy szilárd anyag) közötti elektrokémiai folyamatokról.
A kazánok feltöltésénél gyakran használnak vízlágyítókat, amelyek a vízkőkiválást okozó anyagokat megkötik vagy eltávolítják. A vízoldali korróziót befolyásolja a feltöltéshez használt víz oldott oxigéntartalma, pH-ja és a hőmérséklet. Azokban az esetekben, amikor vízkeménységet okozó anyagok nincsenek a rendszerben, a kazán anyagából kioldódó vegyületek okoznak komoly pitting korróziót és ridegedést. A következő reakció jellemző a kazánvíz és a kazán anyaga között: 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4. Az így kialakult magnetitréteg védőrétegként nem engedi a további korrózió kialakulását, de a hőátadást rontja. A magnetitréteg fenntartásához 8,5-12,7 pH szükséges. Az 1. képen magnetit (fekete iszap) látható. A vas-oxid másik kiválási formája a vörös korrózió (2. kép).
Savas korrózió
Savas korrózióról akkor beszélünk, ha a kazánvíz pH-ja 8,5 alá kerül. Ekkor bemaródások keletkeznek, és vízoldali falvékonyodás történik.
Lúgos korrózió
Lúgos korrózióról akkor beszélünk, ha a pH nagyon megemelkedik. Foszfáttal kezelt vizek esetén a hőátadási felületeken alakul ki csapadék, az alacsony pH miatt. Ennek következtében a vízből a benne oldott sók kiválnak a nátrium-hidroxid kivételével. A magas pH következtében a már kialakult magnetitréteg feloldódik, és rendszertelen bemaródások keletkeznek. Ilyen esetekben a kazánban iszap halmozódik fel, ennek eltávolítása egyszerű mosással nem lehetséges.
Gőzoldali bemaródások
Gőzoldali bemaródás az alacsonyabb hőmérsékletű helyeken alakulhat ki, mikor a csőben áramló víz- és gőzfázis réteges, a határfelületüknél a csőfal bemaródik, elvékonyodik.
Ridegedés
Ridegedés során kristályközi törés alakul ki. Ennek következményeként hirtelen törés következik be. A következő faktorok játszanak szerepet a kristályközi törés kialakulásánál:
- Kazánvíz-folyás, gőzvesztés, mely a kazánvíz jelentős koncentrálódásával jár.
- A koncentrálódás következtében tömény nátrium-hidroxid hat a felültre.
- A koncentrált lúgos felületre nagy mechanikai feszültségek hatnak.
Galvanikus korrózió
Két különböző fém vízzel érintkezve galvánelemet alkot. A kisebb potenciállal rendelkező fém (anód) korrodál, a nagyobb potenciállal rendelkező fém érintetlen marad. A reakciók 50 mV-nál nagyobb potenciálkülönbségek esetén szignifikánsak. A nagyobb felületű lerakódásokkal borított zónák (anódok) oxigénhiányban szenvednek, és korrodálnak. A kevésbé fedett zónákhoz több oxigén jut el, ezért nem korrodálnak (katódok). A gyakorlatban lyukképződés következik be a fűtőtestek alsó részén.
Fűtési rendszerek technológiai bemutatása vegyszeresen kezelt vízzel
A fűtési rendszerek vizének megfelelő minőségét a német Verein Deutscher Ingenieure hivatal által kiadott szabvány szabályozza (VDI 2035). A Magyarországi kazánipari piacot elsősorban német cégek határozzák meg, ezért nálunk is igyekeznek ennek a szabványnak megfelelő vízminőséget kiírni, melyhez a kazán garanciális feltételeit szabják.
A VDI 2035 ismertetése
Rendeltetésszerűen maximálisan 100 ºC üzemi hőmérséklettel működő fűtőberendezések védelmére, a vízkőképződés okozta károk elkerülésére irányuló szabályozás. A legfontosabb szempontok, amelyek a VDI bevezetését indokolták:
- A hatékonyabb hőszigetelés következtében növekedett a berendezéstérfogatra vonatkoztatott fűtőteljesítmény.
- A fűtéstechnika fejlődésével megváltoztak a hőátadási felületek.
- A többkazános rendszerek térhódítása.
- A légiós betegségekkel történő fertőzések elkerülése érdekében szigorodtak a vízhőmérsékletre vonatkozó előírások.
- Egyszerűsítések a gyakorlati alkalmazás megkönnyítése érdekében.
- Az irányelv célja a vízmelegítő és melegvizes fűtőberendezésekben a vízkőképződés által okozott károk megakadályozása.
Vízlágyítás a VDI szerint
Amennyiben rendelkezésre áll részben vagy teljesen sótalanított víz, úgy az felhasználható, ha a fűtővíz pH-értékét megfelelően van beállítva. Ha a rendszer alumínium alkatrészeket tartalmaz, a korrózió elkerülése érdekében mind a lágyítás, mind a sótalanítás során további eszközökre (pl. inhibitorok hozzáadására) lehet szükség.
Fizikai vízkezelés a VDI szerint
Fizikai vízkezelési eljárásokat csak akkor lehet alkalmazni a vízkőképződés csökkentésére, ha azok hatékonysága bizonyított. Jelenleg a fűtővíz kezelésének területén ezen eljárások hatékonyságáról reprodukálható bizonyítékok nem állnak rendelkezésre.
Vízkeménység stabilizálása a VDI szerint
A vízkeménység stabilizálása során olyan adalékanyagokat adunk a fűtővízhez, amelyek a csapadékképződést olyan módon befolyásolják, hogy ne keletkezzen vízkő. Ez az eljárás azonban nem távolítja el a vízkőképző vegyületeket. A VDI felhívja a figyelmet a foszfáttal kezelt vizek esetén kialakuló problémákra, a galvanikus korrózióra, és a pH beállítása nélkül jelentkező gondokra.
A kazánvíz-kezelés története
A kazánvizek kezelése több mint 75 éves, fejlődése sok kutatást eredményezett. 1920 előtt szódás vízüzemet alkalmaztak, ahol a kalcium-szulfát tartalmú vízkövet nátrium-karbonáttal kalcium-karbonáttá alakították, és így már könnyebben eltávolíthatóvá vált. 1920-as években foszfátos vízüzemet használtak, melyben a kazánvízhez foszfátot és lúgot adagoltak, ennek segítségével a kalcium- és magnéziumionok ki tudtak válni. A kivált csapadékot leiszapolással eltávolították. Az 1950-es években a foszfátos-szerves vízüzem terjedt el. Olyan felületaktív anyagokat adtak a kazánvízhez (pl. lignit), amelyek az iszapot fluidizált állapotban tartották. Az 1960-as évek a foszfát-polimeres eljárások elterjedését hozták, ahol szintetikus polimerek adagolásával próbálták az iszapot fluidizált állapotban tartani. Később elterjedtek a kelátos vízüzemmel történő kazánvíz-kezelési módszerek, ahol a kelátképző oldott állapotban stabilizálta a csapadékképzésre hajlamos összetevőket.
(Folytatjuk)
