Kamień w parowych układach kotłowych

Jednym z najczęstszych źródeł zanieczyszczeń w układzie wytwarzania pary obok korozji są osady twardej wody tworzące tak zwany kamień kotłowy. Na kamień kotłowy składają się osady z rozpuszczonych w wodzie soli, głównie węglanów wapnia i magnezu. Pokrywają one powierzchnię wymienników ciepła, wszędzie tam gdzie temperatura przekracza 28 °C. Ze względu na skład chemiczny możemy wyróżnić kamień węglanowy (CaCO3 i MgCO3), kamień siarczanowy (CaSO4) oraz kamień krzemianowy (z wysoką zawartością związków krzemu).

Występowanie kamienia kotłowego jest przyczyną istotnych strat energetycznych, ze względu na zmniejszone przewodzenie ciepła. Najgorszym przewodnikiem jest pod tym względem kamień krzemianowy, stąd jest on najbardziej niebezpieczny dla instalacji. Jego występowanie może prowadzić do lokalnych przegrzań, a w efekcie uszkodzić kocioł parowy.

Im wyższe stężenie rozpuszczonych w wodzie soli tym większa twardość, a zatem większe ryzyko osadzania się kamienia kotłowego. W instalacjach wodnych wyróżniamy twardość przemijającą, twardość trwałą oraz twardość ogólną.

Twardość przemijająca pochodzi z zawartych w wodzie węglanów wapnia i magnezu, które zaczynają się rozkładać już w temperaturze 70 °C. Dochodzi wówczas do uwolnienia dwutlenku węgla i wytrącenia osadu węglanowego w postaci mułu odkładającego się w dolnych warstwach kotła. Zanieczyszczenie to można częściowo usunąć spuszczając część wody kotłowej. Źródłem twardość trwałej są zawarte w wodzie sole inne niż węglany, głównie siarczany wapnia. Osady tych soli wytrącają się we wrzącej wodzie i podczas parowania, następnie przywierają do ścian kotła w postaci kamienia. Warstwa ta znacząco zmniejsza wymianę ciepła pomiędzy wodą a wymiennikiem ją ogrzewającym (np. płomieniówką). Kamień kotłowy musi być okresowo usuwany z instalacji.

Twardość ogólna stanowi sumę twardości przemijającej oraz trwałej. Twardość ogólna wody to stężenie jonów wapnia lub magnezu, wyrażone w milivalach na decymetr sześcienny wody (mval/dm3).

Wytrącanie się osadów twardości wody jest zjawizkiem niezwykle niebezpiecznym dla żywotności układów wodno-parowych. Kamień kotłowy nie tylko ogranicza wymianę cieplną i niszczy powierzchnię ścian kotła, ale pojawia się również w innych częściach instalacji. Sole zawarte w wodzie kotłowej wraz z tak zwaną mokra parą unoszą się i osadzają na ściankach podgrzewacza pary. W skrajnych wypadkach osady mogą przedostać się do silnika parowego i uszkodzić go. Można jednak zapobiegać tym zjawiskom zmiękczając wodę.

Zmiękczania wody można dokonać na dwa sposoby: metodą termiczną lub metodą chemiczną. W procesie termicznego zmiękczania podgrzewa się wodę do temperatury pozwalającej na usunięcie twardości przemijającej. Chcąc usunąć twardość ogólną można sięgnąć destylację, jednak jest to bardzo kosztowna metoda. Alternatywą jest tu chemiczne zmiękczanie wody. W procesie chemicznego zmiękczania wody wytrąca się nierozpuszczalne osady lub wiąże się w tzw. związki kompleksowe jony wapnia i magnezu.

W wyniku zastosowania odpowiednich środków chemicznych ma miejsce wytrącanie nierozpuszczalnych osadów wapnia i magnezu, które są następnie odfiltrowywane lub osadzają się na dnie kotła. Tam, gdzie strącanie osadów byłoby kłopotliwe, stosuje się środki zawierające polifosforany, które z jonami wapnia Ca2+ i magnezu Mg2+ tworzą trwałe związki kompleksowe. Kotły parowe są szczególnie narażone na występowanie kamiennych osadów, dlatego tak ważne jest stosowanie wstępnego uzdatniania i kondycjonowania wody, która zasila kocioł.