Administor

About Administor

Posts by Administor :

20 Marzec 2020

Wykorzystanie procesów membranowych w ochronie środowiska i w innych dziedzinach techniki – przykłady

stacje uzdatniania wody i oczyszczalnie ścieków w Polsce

Wstęp

Słodka woda w XXI wieku jest tym, czym ropa naftowa była w XX wieku – cennym towarem, który determinuje bogactwo narodów. Ze względu na zmiany klimatyczne, wzrost liczby ludności oraz niewłaściwe wykorzystywanie zasobów wody w obszarach:

1. na Ziemi: 1,1 mld ludzi nie ma dostępu do wody o zadowalającej jakości, natomiast 2,5 mld ludzi nie ma dostępu do urządzeń kanalizacyjnych,

2. w Europie: 41 mln nie ma dostępu do wody o zadowalającej jakości, natomiast 85 mln ludzi nie ma dostępu do urządzeń kanalizacyjnych, to są między innymi przyczyny wprowadzania nowych technologii membranowych w celu pozyskiwania bezpiecznej pod względem zdrowotnym oraz smacznej wody do celów spożywczych [1].

Częściowym rozwiązaniem wzrastającego zanieczyszczenia środowiska: powietrze, woda, jest wdrażanie nowych technologii. Stąd też do układów technologicznych uzdatniania wody i oczyszczania ścieków wprowadzane są coraz to nowe procesy jednostkowe, które pozwalają na usunięcie bardzo szerokiego spektrum zanieczyszczeń.

Tabela 1
Porównanie ciśnieniowych procesów membranowych (M – masa molowa)
Table 1.
Comparison of pressure driven membrane processes (M-molar mass

Tabela 2.
Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju siły napędowej
Table 2.
Classification of membrane processes according to the driving force

Transport składników mieszaniny przez membranę zachodzi pod wpływem określonej siły napędowej. W procesach separacji membranowej siłą napędową może być różnica: ciśnienia, stężenia i potencjału elektrycznego. Można stwierdzić, że w technikach membranowych transport cząsteczek zastaje wywołany różnicą ich potencjałów chemicznych po obu stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki różnicy szybkości transportu różnych substancji. W najbardziej ogólnym ujęciu, membrana syntetyczna jest to przegroda między dwoma roztworami (mieszaninami) ciekłymi lub gazowymi, ograniczająca transport substancji w taki sposób, że substancje te mogą być wymieniane między fazami z szybkością zależną od własności membrany oraz charakterystyki faz [2,3]. Transport masy przez membrany odbywa się dzięki odpowiedniej sile napędowej, do której zalicza się różnicę ciśnień hydraulicznych, ciśnień cząstkowych składników separowanych, ich stężeń po obu stronach membrany czy też różnicy potencjału elektrycznego. Rozwój inżynierii materiałowej umożliwił wytwarzanie, w skali technicznej, szerokiej gamy membran o zróżnicowanych właściwościach transportowych wykorzystujących różne siły napędowe.

Uwzględniając stan skupienia oraz rodzaj materiału, z którego membrana jest wytworzona, rozróżniamy membrany stałe i ciekłe oraz membrany organiczne (polimerowe) i nieorganiczne. Biorąc natomiast pod uwagę strukturę oraz morfologię membran, można je podzielić na porowate i lite (nieporowate), symetryczne i asymetryczne oraz kompozytowe, które uważa się za odmianę membran asymetrycznych [4-8]. Rozmiar porów membran porowatych określa separacyjne właściwości membrany, a wysoką selektywność uzyskuje się w przypadku, kiedy wielkość substancji rozpuszczonej lub koloidalnej (rozproszonej) jest znacznie większa w porównaniu do wielkości porów membrany [7].

Charakterystykę pracy membrany definiują dwa parametry [8]:

–– przepuszczalność (strumień permeatu), która określa wydajność membrany,

–– selektywność, która charakteryzuje zdolność membrany do separacji.

Strumień permeatu określa objętość, masę lub liczbę moli substancji, która przechodzi przez jednostkową powierzchnię membrany w jednostce czasu, natomiast własności separacyjne membran podaje się za pomocą współczynnika retencji (R) kluczowego składnika:

gdzie:

Cp – stężenie składnika w permeacie,

Cn – stężenie składnika w nadawie.

Membrany w urządzeniach technicznych konfiguruje się w pięciu zasadniczych rodzajach jako moduły płytowo-ramowe, spiralne, rurowe oraz kapilarne i z włókien kanalikowych. Rozwiązania płytowo-ramowe i spiralne są oparte na membranach w postaci płaskich arkuszy, natomiast rurowe, kapilarne i z włókien kanalikowych na membranach o przekroju kołowym [9-12].

W tabeli 1 podano porównanie ciśnieniowych procesów membranowych [1,2].

Natomiast tabela 2 przedstawia klasyfikację procesów membranowych według siły napędowej, wywołującej transport składników przez membranę [1,8].

Występujące w środowisku zanieczyszczenia, zarówno naturalnego pochodzenia jak i antropogenicznego można podzielić na dwie zasadnicze grupy: substancje nieorganiczne oraz substancje organiczne. W zależności, na usuwanie których zanieczyszczeń są skierowane nasze potrzeby w oczyszczaniu, to stosowane są odpowiednie, najkorzystniejsze procesy membranowe. W związku z tym należy w przypadku odsalania wody proponować odwróconą osmozę, natomiast do zmiękczania, usuwania mętności i mikroorganizmów oraz usuwania NOM (naturalnej materii organicznej) zastosować nanofiltrację, w celu usunięcia zawiesin i koloidów odpowiednia jest mikro i ultrafiltracja. Jeżeli występuje potrzeba usunięcia mikrozanieczyszczeń nieorganicznych oraz organicznych bardzo często wprowadza się dodatkowe procesy wspomagające oprócz technik membranowych [1].

Każdy przypadek oczyszczania/rozdziału/ zatężania wymaga doboru skutecznego i ekonomicznego procesu. Albo jednostkowego z wykorzystaniem technik membranowych, lub skojarzonego/hybrydowego, a więc membranowego wraz z użyciem innych dodatkowych procesów między innymi: utleniania, adsorpcji, koagulacji i innych.

Dlaczego proponuje się stosowanie technik membranowych w oczyszczaniu środowiska: wody, ścieków, powietrza? Jest kilka powodów, między innymi[1]:

 pogarszanie się jakości zasobów wodnych i ścieków odprowadzanych do środowiska,

 rosnące zapotrzebowanie na wodę do picia wysokiej jakości związane z podnoszeniem przez ludzi standardów życia,

 coraz bardziej restrykcyjne uregulowania prawne odnośnie do jakości wody do picia i ścieków odprowadzanych do środowiska,

 coraz większe zanieczyszczenie środowiska zagrażające zdrowiu i życiu.

Wykorzystanie technik membranowych w uzdatnianiu wody

Najbardziej słusznym rozwiązaniem dla wprowadzania poszczególnych technik membranowych do stosowania w praktyce, to poniżej wymienione przykłady:

 Odwrócona osmoza – do odsalania/ demineralizacji oraz usuwania mikrozanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych,

 Nanofiltracja – do zmiękczania wody i usuwania zanieczyszczeń/mikrozanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych,

 Ultrafiltracja i mikrofiltracja – jako metoda bezpośredniego usuwania zawiesin, koloidów i mikroorganizmów, w układach zintegrowanych/skojarzonych/ hybrydowych zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych.

Odsalanie i demineralizacja wód

Klasycznie stosowane i dość powszechnie do odsalania wody są metody destylacyjne, do których należą

* MSF – wielostopniowa destylacja równowagowa,

* MED – odparowanie wielokrotne,

* VC – destylacja ze sprężaniem pary.

Do metod membranowych zaliczamy takie procesy, jak: odwrócona osmoza (RO) oraz elektrodializa (ED). Porównując udział poszczególnych metod stosowanych w praktyce, zdecydowaną większość stanowią metody membranowe, co przedstawia rys.1[1].

Ponadto należy zwrócić uwagę, że koszty realizacji poszczególnych rodzajów odsalania/demineralizacji są różne. Metody destylacyjne cechuje wysokie zużycie energii, niezależnie od stężenia soli w wodzie. Proponuje się [8,13]:

1) łączenie odwróconej osmozy z metodami termicznymi w celu obniżenia kosztów operacyjnych,

2) wykorzystanie nanofiltracji w technologii odsalania/demineralizacji, co pozwala uniknąć ryzyka skalingu,

3) wprowadza się łączenie odwróconej osmozy z wymianą jonową (elektrodejonizacją) przy otrzymywaniu wody głęboko zdejonizowanej.

Łączenie odwróconej osmozy z metodami termicznymi w systemy skojarzone jest korzystne, gdyż: niektóre elementy metod są wspólne np. ujęcie wody surowej i jej wstępne oczyszczanie, oczyszczanie końcowe, mieszanie permeatu z destylatem, unieszkodliwianie koncentratów itp. co przyczynia się do:

obniżenia zużycia energii i obniżenia kosztów o 15%,
jest możliwość pracy odwróconej osmozy jako układu jednostopniowego, gdyż gorszej jakości permeat jest wówczas mieszany z produktem destylacji.

Dodatkowe korzyści wynikające z stosowania systemów skojarzonych to: efektywne wykorzystanie energii elektrycznej i wody odsolonej. Woda może być magazynowana, co nie jest możliwe w przypadku elektryczności. Istnieje możliwość wykorzystania ciepła odpadowego (pary wodnej o niskim ciśnieniu) z instalacji MSF i/lub elektrowni w RO.

Kojarzenie RO i metody termicznej w sposób następczy RO – metoda termiczna – krystalizacja NaCl, stosuje się do zatężania retentatu RO metodą termiczną z równoczesnym odzyskiem wody odsolonej i selektywną krystalizacją NaCl. Proponowany sposób stosuje się w przypadku śródlądowych wód wysoce zasolonych, a więc głównym celem odsalania takich wód jest wyeliminowanie z nich soli, najkorzystniej w postaci produktów handlowych. Przykładem takiego podejścia do odsalania wód kopalnianych była uruchomiona w 1995 r. instalacja w Dębieńsku. Skojarzono w niej dwie technologie [2,3,13]:

* odwróconą osmozę,

* termiczne zatężanie ze sprężaniem oparów oraz krystalizacją NaCl.

Wykorzystanie nanofiltracji (NF) w technologii odsalania wody metodą RO.

Jedną z propozycji jest, żeby: permeat z NF poddać odsalaniu, co pozwala uniknąć ryzyka krystalizacji siarczanu wapnia oraz osiągnąć duży uzysk wody (do 150 g/l soli w retentacie). W metodzie RO stężenie soli w retentacie nie może przekraczać 70 g/l.

Procesy skojarzone, podwyższające skuteczność i wydajność odsalania to:

 NF – RO

 NF – MSF

 NF – RO – MSF

Korzyści jakie wynikają z tych rozwiązań jest wiele. Między innymi:

Wzrost stopnia odzysku permeatu do 70 % i destylatu o 80 %,
Praca instalacji termicznych/RO bez konieczności stosowania dodatkowych chemikaliów (np. antyskalanty),
Zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną podczas produkcji wody,
Obniżenie kosztów procesu.

Przykład rozwiązania systemu hybrydowego przedstawiono na rys.2[14].

W takim systemie można realizować: oddzielne odsalanie RO i MSF, łączne odprowadzanie koncentratów, mieszanie wody odsolonej z obu metod.

Do głębokiej demineralizacji (kotły parowe) stosuje się najczęściej układy hybrydowe: odwrócona osmoza – wymiana jonowa/elektrodejonizacja, co przedstawiono na rys.3 [8].

Wiele czynników przemawia za stosowaniem takiego rozwiązania.

 Istotne jest wstępne przygotowanie wody przed RO (często koagulacjaflokulacja- sedymentacja). Zależy od źródła wody.

 RO – powoduje usunięcie około 99,5% substancji rozpuszczonych.

 Układ korzystny przy wyższym zasoleniu wody surowej, tj. >350-450 mg/l NaCl.

 Aspekty ekologiczne.

Kolejnym przykładem odsalania/ demineralizacji wody jest uruchomiona instalacja w Elektrowni Kozienice. Instalacja składa się z: układu RO – wymiany jonowej. Oczyszczona woda kierowana jest do zasilania kotłów parowych [15].

Proces oczyszczania składa się z kilku etapów, a uzyskane parametry podano w tabeli 3.

I etap: oczyszczanie wstępne: filtracja na filtrach szczelinowych (1000 mm) – dezynfekcja NaOCl – koagulacja (PIX 111) – sedymentacja wspomagana

II etap: filtracja: filtry żwirowo-antracytowe – filtry węglowe – filtry świecowe

III etap: – demineralizacja wstępna: na pięciu modułach do odwróconej osmozy (BW30LE440 –wydajność: 50-60m3/h)

IV etap: demineralizacja końcowa: kationit – anionit-dwujonit.

Analizując proces pod względem kosztów, należy brać pod uwagę:

rodzaj technologii odsalania, jakość wody surowej, wielkość i położenie instalacji, kwalifikacje siły roboczej oraz koszty energii.

Koszty procesowe dla wód miernie zasolonych (tzn. do 4 g/dm3) wynosiły ok. 0,5 USD/m3 w latach 80. oraz 0,2-0,35 USD/m3 w chwili obecnej. Natomiast dla wód morskich (35-42 g/dm3) ponad 1 USD/m3 w latach 80. i na początku lat 90. oraz 0,5-0,8 USD/m3 obecnie [1].

Zmiękczanie wody – Nanofiltracja (NF)

Wg przepisów, woda do picia powinna mieć twardość 60–500 mg CaCO3/l. Normowany jest również Mg: 30 mg/l. Nadmierna twardość wody w wodzie do picia jest szkodliwa dla zdrowia. Własności membran nanofiltracyjnych to przede wszystkim:

 oddzielanie jonów dwuwartościowych od jedno-wartościowych,

 zatrzymywanie związków organicznych o M>300-500 Da.

Nanofiltracyjne zmiękczanie wody jest alternatywne w stosunku do zmiękczania chemicznego (na jonitach oraz wapnem lub wapnem i sodą), ze względu na [3]: l

kosztowne sposoby unieszkodliwiania roztworów po regeneracyjnych i osadów,
nie osiąga się odpowiedniego usunięcia zanieczyszczeń takich, jak: barwa i THM-y.

Wyniki zmiękczania wody wskazują na możliwość uzyskania:

–– wód miękkich i mało twardych (tw. ogólna ok.<200mg CaCO3/l) z wód bardzo twardych i twardych (tw. ogólna >300mg CaCO3/l). Co potwierdziły badania realizowane w Politechnice Śląskiej przy wykorzystaniu membrany NF firmy Osmonics [1].

Nanofiltracja wydaje się być odpowiednim i ekonomicznym procesem równoczesnego usuwania twardości i naturalnej materii organicznej (NOM), co wykazują wyniki w tabeli 4 w badaniach przeprowadzonych w 2002 r. przy użyciu membrany NF200B, Filmtec/DOW [16].

Praktyczne zastosowanie nanofiltracyjnego uzdatniania z wykorzystaniem – membrany nanofiltracyjnej ma miejsce w SUW Zawada k.Dębicy – skierowane jest głównie do usuwania twardości (500 mg CaCO3/l). Zdjęcie tego układu przedstawiono na rys.4 [17].

Woda głębinowa – Usuwanie Fe i Mn – Filtr węglowy – Nanofiltracja – Uzdatnianie końcowe – Woda do picia.

Rys.1.
Udział procentowy poszczególnych metod w odsalaniu wody [1]
Fig. 1.
Percentage share of individual methods in water desalination [1]

Rys.2.
System hybrydowy odsalania wody NF/RO/MSF [14]
Fig.2
Hybrid system of water desalination NF/RO/MSF[14]

Rys.3.
Schemat typowej instalacji demineralizacji wody z wykorzystaniem odwróconej osmozy [8]
Fig.3
Diagram of a typical installation of demineralization of water based on reverse osmosis system

Rys. 4.
Zdjęcie instalacji oczyszczającej wodę pracującej w SUW Zawada k/Dębicy [17]
Fig.4.
Photograph of water treatment installation operated at WTP Zawada k/Dębicy[17]

Rys.5.
Schemat systemu z zastosowaniem RO/NF [1]
Fig.5.
The scheme of system based on RO/NF [1]

Rys.6.
Schemat procesu skojarzonego: membranowa UF/kompleksowanie [19].
Fig.6.
The scheme of the combined process: UF membrane/complexation [19]

Rys.7.
Stacja uzdatniania wody do picia w Suchej Beskidzkiej [20,21]
Fig.7.
Water treatment plant (potable water production) in Sucha Beskidzka [20,21]

Rys.8.
Stacja uzdatniania wody do picia w Jarosławiu a) przekrój modułu PALL Microza, b) Instalacja ZUW Jarosław[22]
Fig.8.
Water treatment plant (potable water production) in Jarosław a) cross section of module PALL Microza, b) Installation of the ZUW Jarosław [22]

Rys.9.
Zjawisko deformacji mikroorganizmów i penetracji przez pory membrany [23]
Fig.9.
The phenomenon of deformation of microorganisms and penetration through the pores of the membrane[23]

Rys.10.
Schemat technologiczny uzdatniania wody w Suchej Beskidzkiej po zamontowaniu filtrów membranowych [21]
Fig.10.
Technological scheme of water treatment in Sucha Beskidzka after application of the membrane filters[21]

Tabela 3.
Efektywność oczyszczania wody w etapach w Elektrowni Kozienice [15] Table3.
The efficiency of water purification in stages in the Kozienice power plant[15]

Tabela 4.
Parametry wody przed nanofiltracją oraz po jej zastosowaniu [16]
Table 4.
Parameters of water before and after nanofiltration [16]

Parametry urządzenia:

–– Wydajność permeatu (produktu) – 50 m3/h w temp. 15°C,

–– Wydajność koncentratu (odrzutu) – 12,5 m3/h przy odzysku wody 80%,

–– Ciśnienie robocze 8-12 barów,

–– Membrany nanofiltracyjne Desal 8×40” HL8040F400,

–– Zestaw chemicznego płukania, konserwacji i dezynfekcji postojowej.

Zastosowanie odwróconej osmozy /i lub nanofiltarcji w oczyszczaniu wody do picia oraz do celów przemysłowych, sprawdza się również jako układ skojarzony. Schemat takiego proponowanego układu przedstawiono na rys.5 [1].

Niezbędne etapy, które należy wprowadzić podczas realizacji procesu to:

1. Wstępne uzdatnianie: ograniczenie zanieczyszczenia membran poprzez fouling i skaling. Zakres zależy od jakości wody surowej. Stosuje się też UF/MF.

2. System membranowy: moduły spiralne lub z włókien kanalikowych.

3. Można użyć systemy: 1 – stopniowe dla wody słonawej (<10 g/dm3) lub 2-stopniowe dla wody słonej (>10 g/ dm3), stopień odzysku wody: 70-80% – dla wody słonawej; ok. 35% – wody słonej (wody morskie, kopalniane).

4. Wprowadzenie systemu odzysku energii z retentatu w RO – obniżone zużycie energii.

5. Wprowadzając końcowe uzdatnianie: odgazowanie – system dekarbonizacji, korekta pH i dezynfekcja– chlorowanie, remineralizacje – uzyskana woda posiada parametry spełniające przepisy [18].

Ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF)

W 2000 roku ponad 2 miliony m3/d wody do picia produkowano z wykorzystaniem niskociśnieniowych metod membranowych, tj. mikrofiltracji i ultrafiltracji1), a obecnie ilość ta jest znacznie większa. Zastosowanie UF/MF jako procesu jednostkowego oraz skojarzonego (hybrydowego) w uzdatnianiu wody do picia i na potrzeby gospodarcze jest dziedziną ciągle rozwijającą się.

Wielkość porów membran do MF i UF jest zbyt duża by bezpośrednio efektywnie zatrzymać związki rozpuszczone lub nawet koloidalne występujące w wodzie. Dlatego wprowadza się metody zintegrowane łączące membrany UF/MF z innymi procesami, takimi jak [1, 3, 8, 19]:

(A) proces koagulacji/strącania,

(B) proces adsorpcji,

(D) wiązanie przez surfaktanty.

Przykładem systemu skojarzonego jest proces koagulacja/strącanie–MF. Szczególnie przydatny do usuwania fluoru oraz metali ciężkich (As, Sb,Hg itd.) ze środowiska wodnego. Można wyodrębnić dwa etapy tego systemu:

 I etap: współstrącanie glinu i fluoru: Al3++(3-x)OH – +xF – → Al(OH)3-xFx↓ oraz strącanie wodorotlenków metali – Me(OH)2,

 II etap: mikro – lub ultrafiltracja.

Zastosowanie systemu skojarzonego polegającego na adsorpcji-MF, opiera się na stosowaniu żywicy jonowymiennej o niskiej granulacji: MIEX o uziarnieniu 150 μm (F, NO3 -, As(V), Cr(VI)) oraz Dowex i Amberlite o uziarnieniu 20 μm (szczególnie przydatny do adsorpcji boru (B). Używa się też węgiel aktywny do adsorpcji metali ciężkich. Etapy procesu to: adsorpcja – MF/UF – regeneracja żywicy/węgla aktywnego.

Kolejną propozycją jest system skojarzony, opisany punktem (C), w którym proces UF/MF wspomagany jest polimerami (PEUF). Proces polega na wiązaniu jonów metali i anionów rozpuszczalnym w wodzie polimerem w związki kompleksowe, których rozmiar jest większy od porów membrany UF/MF. Stosuje się polimery kompleksujące i polielektrolity. Schemat procesu usuwania jonów w czterech etapach przedstawiono na rys.6[19].

Można również wprowadzać do procesu UF/MF wspomaganie surfaktantami (MEUF), opisane punktem (D), w celu skutecznego usunięcia zanieczyszczeń, takich jak: NO3 -, ClO4 -, Cr(III), As, metale. W takim systemie hybrydowym, do wody zawierającej któryś z wymienionych jonów, dodawany jest roztwór surfaktantu o stężeniu przekraczającym krytyczne stężenie tworzenia miceli (CMC), w którego micelach wiązane są jony. Średnica micel jest zwykle większa od średnicy porów membrany UF/MF dzięki czemu micele ze związanym jonem pozostają w retentacie (mechanizm sitowy) [19].

Proces skutecznego usuwania jonów zanieczyszczających wodę zależy od kilku czynników: rodzaju i stężenia polimeru/ surfaktantu, rodzaju membrany UF/MF, stężenia zanieczyszczenia, pH i siły jonowej wody oraz parametrów operacyjnych procesu.

Nadmierna zawiesina występująca w wodzie może być skutecznie obniżona do wartości normatywnych (norma dla wody do picia = 1 NTU) przy wykorzystaniu technik mikrofiltracyjnych/ultrafiltracyjnych. Ponadto usuwane są mikroorganizmy, bakterie, zanieczyszczenia w formie koloidalnej. Powodem podstawowym, dla którego zdecydowano o modernizacji zakładu SUW w Suchej Beskidzkiej było skażenie bakteriologiczne wody powierzchniowej pobieranej z rzeki Stryszawki. Zastosowane są tam membrany firmy PALL Aria AP6 w systemie modułowym przedstawionym na rys.7. Odzysk filtratu jest do 99%, w zależności od właściwości wody zasilającej, z wydajnością 130 m3/h, tj. 1135680 m3/ rok [20,21]. Na rys 8. przedstawiono instalację uzdatniania wody w ZUW Jarosław o wydajności 470 m3/h [22].

Pojawiające się okresowo bakterie i wirusy w wodzie powierzchniowej, co wykazała praktyka, że membrany UF jednak nie zawsze eliminują bakterie i wirusy w stopniu całkowitym, dzięki: wtórnemu rozwojowi bakterii w wodzie po przejściu przez membranę, niedoskonałościom membran i modułów membranowych, komórki mikroorganizmów mogą penetrować pory membrany o średnicach (r) znacznie mniejszych niż wymiary samych komórek, dzięki ciśnieniowej deformacji z odfiltrowaniem płynu wewnątrz komórkowego, natomiast tonus błony komórkowej pozostaje na niezmienionym poziomie (rys.9) [23].

Schemat całego systemu przygotowania wody do picia w Suchej Beskidzkiej, w układzie klasycznego=tradycyjnego uzdatniania oraz po modernizacji i wprowadzeniu techniki membranowej przedstawia rys.10 [21].

Kolejnym obiektem, gdzie wdrożono taki sposób uzdatniania to ZUW w Jarosławiu (uruchomienie nastąpiło w październiku 2009 r.) o wydajności 470 m³/h [22]. Ponadto SUW w Białej Dolinie o wydajności 6,5 – m³/h [24-26].

Zainstalowany system membranowy przygotowuje wodę do picia o jakości spełniającej wszystkie wymagania stawiane przez obowiązujące Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. [18] w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Rozporządzenie stawia wymagania, co do parametrów fizyko- chemicznych, wymaganiom mikrobiologicznym oraz organoleptycznym jakim powinna odpowiadać uzdatniona woda.

Przykłady instalacji odsalania i demineralizacji stosowane do otrzymywania wody do picia i do celów przemysłowych w polskiej energetyce i kopalnictwie (odsalanie wód z rejonu „Wawel” KWK „Pokój” w Rudzie Śląskiej, zastosowanie nanofiltracji do uzdatniania wód głębinowych w SUW Zawada k.Dębicy, zostały dokładniej omówione w publikacjach [17].

Przygotowanie wód do celów przemysłowych, m. in. dla: Elektrowni „Kozienice”, Elektrowni „Łagisza”, Elektrociepłowni „Chorzów”, EC Wrotków/Lublin, EC „Rzeszów”, EC „Żerań”, EC „Grudziądz”, EC „Rydułtowy”, OPEC Gliwice i wielu innych omówiono w pozycjach [8,24].

W Stacji Uzdatniania Wody Dołowej KWK „Piast” wybudowano instalację w oparciu o mikrofiltrację ZeeWeed w celu oczyszczania wody głębinowej na potrzeby kopalni(wydajność 2600 m3/d) [8,24-26].

Przykładem bezpośredniego wykorzystania MF do usuwania mętności i mikroorganizmów z wody powierzchniowej jest stacja uzdatniania wody do picia w Suchej Beskidzkiej pobierająca wodę z rzeki Stryszawka. Filtracyjny system membranowy PALL AriaTM składa się z 40 membranowych modułów filtracyjnych (typu USV- 6203). Podobne rozwiązania zostały również wdrożone w ZUW Jarosław, gdzie przepustowość stacji wynosi 470 m³/h oraz SUW Biała Dolina 6,5 – m³/h [8,22,24-26].

Oczyszczanie ścieków komunalnych, przemysłowych

Dzisiejsze działania zarówno naukowe, jak i przemysłowe koncentrują się na opracowywaniu tzw. „zielonych technologii”, tj. procesów przyjaznych środowisku naturalnemu. Szczególną uwagę zwracają rozwiązania minimalizujące zużycie surowców naturalnych oraz pozwalające na odzysk i ponowne wykorzystanie cennych składników i surowców. Wymaga to zastosowania różnego typu procesów rozdziału, wśród których procesy membranowe mają coraz większy udział.

Membranowe oczyszczanie ścieków komunalnych

Technologia membranowego oczyszczania ścieków znalazła już swoje miejsce w realizacjach polskich. Szczególnie istotny jest fakt, gdy ładunek zanieczyszczeń jest nierównomierny w trakcie roku. Przy aplikacji rozwiązań membranowych ten fakt nie ma znaczenia. Przykładem jest otwarta w 2013 oczyszczalnia ścieków w Rowach k/Ustki, następnie poddana modernizacji w 2017.

Na zdjęciu 1 (rys 11) przedstawiono zrealizowaną inwestycję w miejscowości wczasowej, gdzie dopływające duże ładunki występują latem [27]. Stała liczba mieszkańców to 7500 osób, w sezonie (czerwiec-wrzesień) wzrasta 6 – krotnie

Nanofiltracja w PKN Orlen SA

Przykładem zastosowania w przemyśle chemicznym klasycznego, ciśnieniowego membranowego procesu rozdziału jest technologia odzysku ze ścieków glikolu etylenowego, oparta na procesie nanofiltracji (NF) i odwróconej osmozie (RO) [28,29]. Została ona opracowana i opatentowana przez Instytut Chemii Przemysłowej w Warszawie, a wdrożona w PKN Orlen SA w Płocku. W procesie syntezy tlenku etylenu i glikolu etylenowego powstają ścieki, zanieczyszczone przede wszystkim glikolem etylenowym w ilości do 1% mas oraz węglanowymi solami sodowymi w ilości do 1,5 % mas. Przed wdrożeniem technologii membranowej, strumień ścieków kierowano do zakładowej oczyszczalni ścieków. Odzysk glikolu ze ścieków na drodze destylacji uniemożliwiały obecne w nich sole nieorganiczne, które w trakcie zatężania wypadały z roztworu, osadzając się na warnikach kolumn destylacyjnych. Wprowadzona membranowa technologia oczyszczania ścieków glikolowych jest oparta na trójstopniowym procesie nanofiltracji z wykorzystaniem membran spiralnych typu DK firmy GE Water. Zastosowana w procesie membrana charakteryzuje się małą przepuszczalnością soli węglanowych i dużą odzyskiwanego glikolu etylenowego. Schemat blokowy wdrożonej technologii nanofiltracyjnej przedstawia rys. 12 [29].

Przerabiane ścieki glikolowe, po wstępnym oczyszczeniu w procesie mikrofiltracji są kierowane na pierwszy stopień nanofiltracji, gdzie następuje ich rozdział na permeat I i retentat I. Oba uzyskane strumienie są poddawane dalszemu przerobowi: permeat na II stopniu doczyszczającym, retentat zaś w węźle końcowego zatężania III. Wszystkie trzy stopnie nanofiltracji są identyczne i zawierają po cztery, szeregowo połączone moduły NF. Proces nanofiltracji jest prowadzony pod ciśnieniem transmembranowym, różnym na poszczególnych stopniach filtracji i wynoszącym, odpowiednio, na pierwszym stopniu 2,0-2,5 MPa, drugim 1,0- 1,5 MPa i trzecim 2,5-3,0 MPa.

Produktami procesu NF są permeat stanowiący ponad 90 % wejściowego strumienia i retentat. Permeat w całości jest zawracany do procesu odzysku glikolu metodą osmozy odwróconej. Uzyskany koncentrat glikolowy jest zawracany i wykorzystany w przerobie, pozostały po procesie RO permeat uzupełnia natomiast obieg wody procesowej. Wzbogacony w sole retentat z II stopnia nanofiltracji jest odprowadzany do zakładowego systemu ściekowego.

Zastosowanie procesu nanofiltracji przyczyniło się do obniżenia o ponad 90%: strat glikolu etylenowego, ilości produkowanych ścieków i wartości ChZT (chemicznego zapotrzebowania tlenu) w ściekach odprowadzanych do oczyszczalni biologicznej. Wdrożenie technologii zatężania glikolu metodą RO przyniosło dodatkowe korzyści, w postaci zmniejszenia kosztów destylacji, zużycia pary wodnej oraz zużycia wody demineralizowanej.

Rys.11.
Zdjęcie bioreaktora membranowego do oczyszczania ścieków w Rowach
Fig.11.
The photo of the membrane bioreactor to wastewater treatment in the Rowy

Rys.12
. Schemat blokowy wdrożonej technologii NF do oczyszczania ścieków glikolowych
Fig 12.
The flowchart of the implemented NF based technology to glycol wastewater treatment

Rys. 13.
Schemat instalacji oczyszczania odcieków firmy Ortocal
Fig.13.
Installation for leachates treatment by Ortocal

Tabela 5.
Wyniki oczyszczania odcieków w Zakładzie Unieszkodliwiania Odpadów – Eko Dolina w Łężycach
Table 5.
The results of leachates treatment plant at Waste-Eco Valley in Łężyce

Oczyszczanie odcieków z wysypisk komunalnych

Odciek (zgodnie z definicją podaną w dyrektywie Rady UE z dnia 26 kwietnia 1999 r.) jest to każdy płyn sączący się przez składowane odpady i wydzielany z/lub zawarty w składowisku. Odcieki z wysypisk charakteryzują się wysokim obciążeniem i dużą zmiennością zanieczyszczeń zależną od rodzaju składowanych odpadów, wielkości, wieku i usytuowania wysypiska, rodzaju izolacji od podłoża, stopnia oddzielenia od wody deszczowej, klimatu, odczynu opadu atmosferycznego czy pory roku. Charakteryzują się wysokim zasoleniem, wysokimi wartościami parametrów tlenowych: BZT5 i ChZT, wysokim stężeniem azotu amonowego i organicznego, wysokimi wartościami zasadowości i twardości ogólnej oraz zawartością metali ciężkich. Do oczyszczania odcieków proponuje się systemy procesowe z udziałem technik membranowych, do których zalicza się dwustopniową odwróconą osmozę oraz metody hybrydowe: oczyszczanie biologiczne – (ultrafiltracja) – odwrócona osmoza lub nanofiltracja. Retentat z RO powinien zostać unieszkodliwiony przez odparowanie i suszenie oraz składowanie jako odpad niebezpieczny.

Firma Ortocal s.c. zaprojektowała i wykonała w 2009 r. zmodernizowaną instalację do oczyszczania odcieku składowiskowego za pomocą odwróconej osmozy w Zakładzie Unieszkodliwiania Odpadów Eko Dolina w Łężycach o wydajności RO 120 m3/dobę [30]. Zainstalowano 12 sztuk modułów o łącznej powierzchni filtracyjnej membran wynoszącej 307 m2. W chwili obecnej jest to największa pracująca w Polsce instalacja oczyszczania odcieku metodą odwróconej osmozy.

Systemy oczyszczania odcieków pracują pod maksymalnym ciśnieniem 6 MPa wykorzystując moduły ST firmy ROCHEM. Ponieważ w przypadku oczyszczania odcieków ze składowisk odpadów mamy do czynienia ze zmiennymi wartościami przepływu i zmiennym obciążeniem chemicznym, dlatego instalacja dostosowuje swoje parametry pracy do parametrów na dopływie do układu. Na rys. 13 przedstawiono schemat blokowy instalacji do oczyszczania odcieków tej firmy [30]. Instalacja zawiera dwustopniowy system RO oczyszczania odcieków, a permeat z obu stopni jest dodatkowo doczyszczany w osobnych modułach RO. Firma realizuje kolejne inwestycje w Zakładzie Unieszkodliwiania Odpadów w Siedliskach k/Ełku, w Zakładzie Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych w Starym Lesie k/ Starogardu Gdańskiego.

Parametry oczyszczonego odcieku przedstawiono w tabeli 5 [30]. Zwracają uwagę lepsze wyniki od założonych efektów oczyszczania.

Podsumowanie

Zmiany zachodzące obecnie w oczyszczaniu wód sygnalizują przyszłe tendencje w technologii wody i ścieków. Do najważniejszych należy zaliczyć wdrażanie metod membranowych do uzdatniania wód przeznaczonych do zaopatrzenia ludności jak i do celów przemysłowych. Skuteczność procesów membranowych pozwala sądzić, że będą one uzupełniały bądź zastępowały obecnie stosowane techniki. Barierą w ich wykorzystaniu są obecnie koszty. Ciśnieniowe techniki membranowe mogą być stosowane do oczyszczania wód podziemnych i powierzchniowych, jak również otwierają szerokie możliwości wykorzystania wód trudnych do uzdatniania i wód odpadowych, a także do recyrkulacji ścieków, zamykania układów wodnych i zagospodarowania wód kopalnianych. Procesy membranowe powinny w przyszłości stanowić samodzielne systemy oczyszczania, bądź istotne uzupełnienie klasycznych układów uzdatniania, przykładem jest SUW w Suchej Beskidzkiej, Jarosławiu. Procesy membranowe mogą stanowić także układy doczyszczające wodę u użytkownika z uwagi na ciągle rosnący czas przepływu wody w sieci rozdzielczej. Przytoczone przykłady już pracujących instalacji potwierdzają te możliwości.

Ulepszenia w technologii i projektowaniu odwróconej osmozy oraz dostępności alternatywnych źródeł energii spowodowały, że proces odsalania/demineralizacji metodą RO stał się przyjaznym ekologicznie źródłem wody do picia/zdejonizowanej w wielu regionach świata, szczególnie tam, gdzie ich źródła są ograniczone.

W latach 80. wzrosło zainteresowanie NF, jako metodą zmiękczania wody, ze wskazaniem na równoczesne usuwanie twardości i mikrozanieczyszczeń organicznych.

Wykorzystanie mikrofiltracji i ultrafiltracji w usuwaniu mikrozanieczyszczeń nieorganicznych i organicznych jest możliwe w trzech wariantach systemów zintegrowanych:

1. z procesem koagulacji lub adsorpcji,

2. z kompleksowaniem polimerami,

3. wiązaniem przez surfaktanty.

Produkcja wody bezpiecznej pod względem sanitarnym o stałej i wysokiej jakości przy wykorzystaniu technologii membranowej jest dobrą alternatywą dla konwencjonalnych technik dezynfekcji, ponieważ membrany NF, UF i MF stanowią skuteczną barierę dla cyst pierwotniaków chorobotwórczych, bakterii i częściowo wirusów. Pozwala to na zmniejszenie ilości chloru w dezynfekcji. Techniki membranowe są stosowane w bardzo wielu gałęziach przemysłu. Skutecznie pracują w przemyśle spożywczym (soki, mleczarstwo), w medycynie (dializa nerek, super czysta woda dla medycyny), w przemyśle metalowym, maszynowym, energetycznym i w wielu innych.

Podziękowanie:

1) The studies were supported by National Science Centre – Project Number 2013/09/B/ST8/04065. Special thanks are due to ARKEMA company for providing PEBAX polymers samples, and

2) The studies were performed within the framework of the project founded by the Polish Ministry of Scienc and Higher Education for Institute of Water and Wastewater Engineering of Silesian University of Technology

B I B L I O G R A F I A

[4] Bodzek M., Konieczny K., Usuwanie zanieczyszczeń nieorganicznych ze środowiska wodnego metodami membranowymi, Wyd. Seidel–Przywecki, Warszawa 2011.

[5] Konieczny K., Sąkol D., Bodzek M., Korycki M., Rajca M., (2007). Porównanie skuteczności wybranych koagulantów do usuwania substancji organicznych w procesie hybrydowym koagulacja/mikrofiltracja, Instal, nr 4, 53-66.

[6] Bodzek M., Konieczny K.(2010) Wykorzystanie technik membranowych w uzdatnianiu wody do picia, cz.I – Usuwanie związków nieorganicznych, Technologia Wody, nr 1, 9-21.

[7] Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic, Dordrecht 1996

. [8] Narębska A., Membrany i membranowe techniki rozdziału, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 1997.

[9] Strathmann H., Giorno L., Drioli E., An Introduction to Membrane Science and Technology, Institute on Membrane Technology, Roma 2006.

[10] Rautenbach R., Procesy membranowe, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa 1996.

[11] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem-Eko, Bydgoszcz 2005.

[12] Chwojnowski A., Półprzepuszczalne membrany polisulfonowe – sposoby otrzymywania i modyfikacje, Wyd. Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, Warszawa 2011.

[13] Kołtuniewicz A.B., Drioli E., Membranes in Clean Technologies, Wiley-VchVerlag GmbH, Weinheim 2008.

[14] Kołtuniewicz A.B., Wydajność ciśnieniowych procesów membranowych w świetle teorii odnawiania powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996.

[15] Gawroński R. (2004) Membranowe techniki separacji, Instal, 242(7/8) 12-17.

[16] Magdziorz A. Seweryński J.(2004). Zatężanie zmineralizowanych wód w procesach membranowych z równoczesną krystalizacją soli siarczanowych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 22, 83-104.

[17] Helal A.M., (2009) Hybridization — a new trend in desalination, Desalination and Water Treatment, 3, 120–135.

[18] Materiały Firmowe Biura Projektów Energotechnika, Knurów 2011.

[19] Van der Bruggen, B. Vandecasteele, C. (2002). Distillation vs. membrane filtration: Overview of process evolutions in seawater desalination. Desalination 143, 207-218.

[20] Strona internetowa, styczeń2013 oraz materiały firmowe Przedsiebiorstwa Budownictwa i Instalacji “ABT” w Czestochowie.

[21] Dz.U. 2017 poz.2294 Rozporządzenie Ministra Zdrowia w sprawie jakości wody do spożycia przez ludzi z dnia 7 grudnia 2017r.

[22] Korus I. (2012), Wykorzystanie ultrafiltracji wspomaganej polimerami do separacji jonów metali ciężkich. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.

[23] Materiały Firmowe PALL Corporation, System Obróbki Wody PALL Aria AP-6 projekt wersja 01. „Sucha Beskidzka”, 2006, 1-18.

[24] Szczęch K.,(2006), Modernizacja SUW Sucha Beskidzka – układ filtrów membra – nowych, Ochrona Środowiska BMP, nr 4, 24-28.

[25] Materiały Firmowe PALL Corporation, System Obróbki Wody PALL Aria AP-6 „Jarosław”, 2009.

[26] Sosnowski T., Suchecka T., Piątkiewicz W. (2004), Penetracja komórki przez membranę mikrofiltracyjną, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol.22, 359-367.

[27] Konieczny K., Bodzek M., (2014) Ciśnieniowe techniki membranowe w gospodarce wodno-ściekowej, Rynek Instalacyjny, nr 1-2, 80-85.

[28] Konieczny K., Bodzek M. (2014) Praktyczne zastosowanie ciśnieniowych technik membranowych w gospodarce wodno-ściekowej (cz.1) (cz.2), Rynek Instalacyjny, nr 3, nr 4, 73-77, 91-93.

[29] Konieczny K., Bodzek M., (2014) Ciśnieniowe techniki membranowe w oczyszczaniu ścieków przemysłowych i odcieków z wysypisk komunalnych, Rynek Instalacyjny, nr 6, 76-77.

[30] Piaskowski K., Nowacki M.,(2017) Wybrane aspekty eksploatacji bioreaktora membranowego (MBR).Technologia wody, 4, 38-45.

[31] Porębski T., Ratajczak W., Tomzik S., Postupolski A., Trznadel K., Talma-Piwowar M., Capała W., (2010) Opracowanie procesu odzysku glikolu z odpadów, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 66, 125-133.

[32] Porębski T., Tomzik S., Ratajczak W., Talma- Piwowar M., Capała W. (2012), Zastosowanie procesów membranowych w przemyśle chemicznym — recykling surowców, oszczędność energii, Polimery, 57, 382-388.

[33] Materiały firmowe P.H.U. Ortocal, 2010, www.ortocal.pl (marzec 2017).

20 Marzec 2020

Przecieki i osady w wymiennikach ciepła ze stali odpornej na korozję w ciepłownictwie. Zasady doboru kąpieli chemicznych do usuwania osadów z wymienników ciepła. Część 1

corrosion products, corrosion resistant steel, erozja – korozja, kamień kotłowy, korozja wżerowa, osady w wymiennikach ciepła, produkty korozji, przecieki wymienników ciepła, stal nierdzewna, stal odporna na korozję

Types of HE used in heat engineering

Heat exchangers used in professional heat engineering are used mostly in both central heating (CH) and domestic hot water (DHW) systems. They are constructed primarily of austenitic stainless steels. Stainless steel corrosion and its basic theory were discussed in several monographs [1, 2, 3, 4]. The author of this article published before some of his experience and observations on flow and plate HE corrosion constructed of austenitic steels in 2002 [5].

Chemical composition of stainless Cr-Ni 18-8 (ca. 18% Cr and ca. 8% Ni) steels is standardised. Their composition is determined by the European Union (EN) standards like Polish norm PN-EN 10088- 1: 1998, while many countries in the world use the standards of American Iron and Steel Institute (AISI).

–– According to the AISI standard heat exchangers are produced mainly from the following kinds of the steels:AISI 304 (equivalent of EN 1.4301 or PN 0H18N9),

–– AISI 316 (equivalent of EN 1.4401 or PN 0H17N12M2T),

–– AISI 316L (equivalent of EN 1.4404 or PN 00H17N12M2T)

Steels 304 do not contain molybdenum, while 316 and 316L steels do. Addition of titanium to 18-8 steel enables carbon increase in the steel, decreasing the steel susceptibility to intercrystalline corrosion that follows formation of chromium carbides. Molybdenum in the austenitic steels acts positively in the case of pitting and crevice corrosion caused by chlorine ions.

The chemical composition of mentioned above austenitic stainless steels is presented in the table 1.

The most popular austenitic steel HE for heat engineering are produced in two types:

–– shell and tube heat exchangers, also called flow exchangers,

–– plate exchangers in both demountable and non-demountable subtypes.

Flow heat exchangers are structures known since around 1980 as JAD and JAD-X. They are water heat exchangers, reverse-flow with diaphragm in form of tubes. Heating water flows in tubes, while heated water system flows in the shell as the reverse-flow. Advantage of these HE is their compact structure and reliable functioning, depending only on proper assembly and water treatment. Due to their structure, as a general rule, the tubes are supplied with properly-treated water, while the inner shell space is supplied with slightly treated or untreated water. The shell is an area where sediments, which should be chemically removed, are collected. Fig. 1-2 presents inlets of flow heat exchangers covered with scales, having chemical composition being mostly calcium carbonate and iron compounds.

Plate HEs reach twice as high heat transfer coefficient values compared to shell and tube types. The author presents an opinion that the plates have clean heat exchange surface as long as the scale does not cover them. These HE are constructed of thin plates made from corrosion resistant steel. Their exploitation, or chemical cleaning should not be difficult. Their compact structure causes them to take very little space. Plate HE are constructed as demountable or brazed ones. Demountable heat exchangers plates have rubber gaskets, and the whole structure is placed within a tightly joined frame. Brazed HE consist of number of plates as well. Their plates are usually brazed with copper, but joining metal may be turned to nickel or stainless steel. Internal configuration of HE channels causes the heating fluid to flow at one side of the plate, while the heated medium flows, as a reverseflow on the other side. Each HE plate has irregular surface that increases turbulence of both media, which in turn increases heat transfer between the plate and water, increasing heat transfer coefficient value.

Different producers offer various plate surfaces to create high turbulent water flow channels. Channel flow turbulence increases very much while water flow at HE inflow and exit remain moderate. Additionally it is assumed that high turbulence flow prevents or decreases scaling within the heat exchanger.

The author opinion after his participation in chemical cleaning of thousands of heat exchangers is that the smallest scaling occurred in JAD types with water free flow pass, as well as in plate heat exchangers having smooth surfaces with unobstructed flow channels, despite intense flow.

Fig. 3-4 presents plate HE covered with scale. Fig. 3 shows demountable HE, covered mostly with calcium carbonate scale, whereas Fig. 4 presents fragment of brazed HE after unaffected chemical flushing that did not remove the scale

Table 1.
chemical composition of 304, 316 and 316L stainless steels, in %

Fig.1
Flow heat exchanger inlet, covered mostly with calcium carbonate scale

Fig.2
Flow heat exchanger inlet, covered mostly with the scale containing mostly iron compounds

Fig.3
Demountable flat heat exchanger covered mostly with calcium carbonate scale

Fot.4
Wymiennik płytowy lutowany po przecięciu, trwale zanieczyszczony osadami

Typical scales inside HE

Scale creation is a crucial issue as regards an effective functioning of heat engineering systems.

Scales in heat transfer installations interfere with functioning of the whole system. The scale covers the narrowest segments and may even stop work of the whole system by blocking the flow. It effects numerous unfavourable phenomena, such as significant decrease of heat amount transfer and automatic system pollution, thus causing also premature wear of water meter turbines and pump failures. Even as tiny scale thickness as 0.1 mm in plate HE may cause heat transfer to decrease by 15% up to 30%. Scaling can frequently cause the thermal and hydraulic system wrong functioning. In the CH and DHW corrosion of heat transfers installations often develops. It occurs due to the following reasons:

–– when metals having different electrochemical potentials are connected without proper insulation (macro cell corrosion),

–– at elevated temperature domestic hot water tubes corrode faster,

–– presence of microorganisms in the system, especially iron and sulphatesreducing bacteria,

–– residual oxygen dissolved in water.

Heat engineering companies have applied cleaning of HE for years by flushing with special formula chemicals to remove scales and corrosion products. The topic will be detail described in the part 2 of the paper.

Fig. 5
Demountable plate HE from CH system, scaled with magnetite on the low parameters side

Fig. 6
JAD 6/50 flow HE inlet from DHW system, scaled with calcium and iron compounds

There are three main kinds of scales in the heat exchangers:

a) Scales containing mainly calcium carbonate CaCO3 (Fig. 1).

They are created mostly in domestic hot water systems from water having high carbonate hardness after transformation of calcium bicarbonate into very low soluble calcium carbonate, according to the following formula:

Precipitation of CaCO3 from water having the same hardness depends strongly on temperature. During the author’s research performed for water having around 18°n (6.4 mval/l) hardness time for precipitation from water at 50°C took 1 hour, whereas at 90°C the precipitation time was only 2 – 3 seconds. Thus, it is crucial for hard water to counteract overheating by installation of effective automation. If water reaches temperature over 70°C calcium carbonate precipitation last minutes, and even the best geometrical structure of HE will not help. Precipitation in HE may potentially happen in hot water systems during thermal overheating used for disinfection to kill Legionella bacteria. In such cases chemical cleaning of HE, particularly plate ones, must be performed rather frequently, even as often as every 3 – 6 months. In the author’s opinion, standard DHW plate HE should be chemically flushed every 12 to 24 months. JAD heat exchangers used for heating drinkable water to 80°C in meat processing plants (scalding of halved pork carcasses) are regenerated chemically within time periods lasting from 2 weeks to 6 months. b) iron oxide deposits Such deposits rarely arise from austenitic steel corrosion. Original scale source for the heating side of HE is the heat transfer network, while for the heated side – the connected heat recipient system, such as CH or DHW systems. They are created as a result of carbon steel corrosion in heat transfer systems. Solid corrosion products are spread along with water through the whole system, and gather and build up usually in form of sludge or scale in HE, usually in form of magnetite.

Corrosion of steel in water systems is always initiated by oxygen (even residual) dissolved in water. Iron compounds of various oxidation level may form a protective passive layer on steel or scale on non-iron structures. Steel corrosion in waters having neutral or alkaline pH with oxygen access always occurs with oxygen depolarisation:

With oxygen access, iron (II) hydroxide Fe(OH)2 forms iron (III) hydroxide, creating oxyhydrates of goethite or lepidocrocite

At the conditions of oxygen residual amount black mixed oxide of iron (II) and iron (III) having magnetic properties is created

The above reaction occurs directly on the surface of a construction steel. Thin (several μm in thickness) and compact protective oxide layer can increase corrosion resistance of steel making it as effective as stainless steel. In this case an oxide layer will play a passive function. It grows over time but when it reaches certain thickness it is detached and enters the solution polluting the heat transfer system. In watertube boilers at higher water alkalinity or under vapour local influence (tube overheating) magnetite may be formed on the steel surface without oxygen according to the Schikorr reaction:

There is also a possibility for OH – ions transfer through external porous layer of iron (II) hydroxide, which creates conditions for magnetite creation from the precipitated Fe(OH)2 according to the Schikorr reaction:

Magnetite carried into HE from the heat transfer network or heat recipient installation causes, due to magnetic properties, further building of magnetite layers. Clogging of heat exchangers with magnetite can be limited by better corrosion prevention in heat transfer networks and internal installations, particularly the ones with untreated water. Chemical scale removal from HE of small cross section (plate HE) should be carry out frequently. Cleaning frequency depends from various factors. Due to the author experience it seems that it should be once per every 1 to 3 years. c) Scales containing calcium and iron compounds

Calcium and iron compounds containing scales are often identified in HE. They occur frequently in DHW systems if iron concentration in drinkable warm water is higher than 0.1 mg Fe/l.

Fig. 5 presents demountable plate HE with iron scale, while Fig. 6 shows flow HE inlet scaling by calcium and iron compounds.

HE leakages

Austenitic steel HE corrosion

Austenitic steel HE leakages are caused by:

a) corrosion of construction elements,

b) mechanical and other non-corrosive causes.

In JAD or JAD-X flow heat exchangers leaks happen most frequently as a result of heating pipes corrosion, particularly at connections; in DHW systems when the heated water has corrosive properties and significant amount of chlorides (> 100 mg Cl-/l). The author has not encountered HE shell corrosion during over 30 years of experience in chemical cleaning of this type of HE, which may be explained primarily by easier welding that helps to avoid corrosive changes.

Austenitic steel plate HE also corrode, albeit sporadically.

Fig. 7 presents tubes of JAD 6/50 flow HE with pitting corrosion. The HE has been previously chemically cleaned from scale with hydrochloric acid unacceptable for this type of steel. Fig. 8 presents damaged plate from demountable HE made from AISI 316 steel used in DHW system with water containing 180 mg Cl-/l. The HE was not cleaned with hydrochloric acid, however, water overheating frequently occurred as a consequence of automation failures.

Pitting corrosion of austenitic steels, including AISI 316 steel, is strongly dependant on chlorides concentration and temperature (Fig. 9). The author knows cases of HE plates stress corrosion cracking (SCC) in the conditions of low chlorides concentration and high water temperature. Hot (80°C) drinking water containing 30 mg Cl-/l effects corrosion of AISI 316L steel plates in demountable HE (Fig. 10). The plant in which the HE was installed experienced several dozens of damaged of plates annually.

As it is shown, even usage of 316L steel does not guarantee corrosion free exploitation at high temperature and moderate amount of chlorides in water.

However, to explain pitting corrosion mechanism, occurring currently in systems constructed of 316 steel, it is not sufficient to point out thermal conditions and chloride ions concentration in heating water. As corrosive processes occur very fast (the first pits appeared as soon as within a year of usage) another factor needs to be considered. Corrosion often occurs at sensitive areas that have been formed after stamping in moulds. The other places are contact points between plates (crevice corrosion) as correct distances are not maintained because of over pressing of heat exchanger frame. The most probable scenario of 316L steel corrosion process is as follows. At temperature of 80°C and chlorides concentration of 30 mg/l, passive layer on 316L steel is locally damaged. The passive layer in the sensitive areas cannot be renewed, since they are covered by steel corrosion products. Locally, in the areas covered by thicker sediment layer, oxygen migration towards steel surface is hindered and limited. Areas of oxygen deficit appeared under the sediments due to its quick utilisation in oxidation processes. At oxygen deficit conditions, the passive layer could not be renewed. Oxygen deficit is a factor initiating activity of galvanising cells of various oxidation. Small areas of steel under sediments with oxygen deficit are anodes. The large HE surface with unlimited oxygen access works as a large cathode. Iron ions are released into the solution at anodes:

Then, as a result of iron II hydrolysis within the pits acidification starts, which additionally speed corrosion up:

At the same time oxygen dissolved in water is reduced. The reaction occurs with a simultaneous environment alkalisation:

Summary reaction will be as follows:

Further reactions are autocatalytic. Electric current running through the cells causes migration of Cl – ions into the pit and creation of concentrated solution of metal (Fe, Cr, Ni) chlorides. Metal chloride hydrolysis

causes acidification of solution in the pit and precipitation of slightly soluble metal hydroxide. Acidification increases along with increasing Cl – ions concentration speeding metal dissolution. Corrosion cell current increases effecting further transfer of Cl – ions into the pit. In accordance to the charge balance rule, anode reaction rate increase (metal dissolution) is accompanied by cathode reaction rate increase (oxygen reduction), so that all electrons released during metal ionisation may be used in reduction reaction.

Pitting corrosion process may be influenced by numerous internal (in the alloy) and external (in the environment) factors. As a general rule, the higher chrome, nickel, and molybdenum content in the steel, and the lower carbon and carbides content, secondary phases, and metallic contaminants – the lower steel susceptibility to pitting corrosion. Moreover, smooth surface is less frequently attacked by pitting corrosion than rough surface.

Corrosion is facilitated by stretching stresses resulting from metal sheets deformation during stamping, or others created during flow pulsating pressure. Since maintaining passive layer on the stainless steel is the fundamental condition for its corrosion resistance, the procedures should support its creation and renovation in the case of local damage. In order to achieve that, the following two requirements must be met:

Fig. 7
Corrosive pits on heating pipes of JAD flow HE (AISI 304 steel)

Fig. 8.
AISI 316 steel HE plate pitting corrosion damage. Leaks were noted at the dark areas

Fig. 9.
AISI 316 steel corrosion resistance depending on chloride ions concentration and temperature (Saurce: Use of 316L in Water systems Offshore. Possibilities & Limitations, Ztrong AS, Norway)

Fig. 10.
AISI 316L corroded plate from demountable HE used for heating to 80°C drinking water containing 30 mg Cl-/l

Fig. 10
Copper-brazed plate HE, cut and disassembled chemically in nitric acid.

Fig. 11.
A section of plate from copper brazed HE disassembled in nitric acid, with brazed points marked dark. Incorrectly brazed places are visible along the side wall edges

Fig. 12a.
The side of plate fragment with incorrectly brazed connection points (darker points mark brazing

Fig. 12b.
Reverse side of plate fragment with incorrectly brazed connection points (darker points mark brazing)

maintaining clean steel surface, without any strange imbedding or polluting,
periodical repassivation of the whole system in order to recreate the passive film at places particularly susceptible to pitting corrosion.

Both objectives may be fulfilled by periodical flushing of the system with cleaning and passivation bath, which will be described in the part 2 of the paper.

Brazed HE leakages which do not arise from corrosion

Heat exchangers producers created during the last 30 years new structures of demountable compact HE which contain large heat transfer area within a small volume. On the market, they are available as brazed plate HE. They are commonly used in Polish heat engineering for needs of both CH and DHW.

The plates are connected by welding using:

–– copper, which is the most common type of welding in the heat engineering,

–– nickel,

–– steel resistant to corrosion, usually AISI 316.

Brazed HE have undoubtedly perfect parameters within area of heat exchange. Compact structure take a little space and they are easy to assembly or disassembly. HE are equipped with stub pipes for periodical chemical flushing. High speed of flow through HE removes calcium carbonate sediments and corrosion products. It seems that plate heat exchangers are the most successful and optimal structures for the purposes of heat engineering. In the author’s opinion, if water is properly treated it does not carry solid particles of pollutions, particularly magnetite, and is not susceptible to calcium sediments precipitation, particularly calcium carbonate and calcium sulphate. Precipitation of slags, difficult to remove by chemical cleaning, creates problems for HE proper functioning. The issues include the following:

a) if the spaces between HE plates are not cleaned of slags in time than water flow is blocked (usually on the heated water side),

b) gathered sediments create perfect conditions for so-called swelling between plates and HE dimension changes, especially in areas incorrectly brazed with copper.

After numerous cleaning of HE with acidic bath, leakages mostly along external edges and between separated heating and heated medium, appeared. It was assumed that they could be a result of dissolution of thin corrosion product film with little metal. Particularities are hard to prove, when HE are non-demountable as plates are brazed with copper. The author, 15 years ago, disassembled the plates by immersion in 30% nitric acid, which effectively dissolved copper but not the plates from stainless steel. Such disassembling of the 100 kW HE lasts over one month. Disassembling of copper brazed HE may be significantly faster by cutting it into several elements and exposing to 30% nitric acid. Such procedure reduces time of HE disassembly to only a few days. Received plates may be examined visually and using microscope in order to assess possible corrosion. Plate HE elements after chemical disassembly are presented in Fig. 10.

Detailed examination showed copper brazed points in a form of characteristic “stamps” imprinted in the plate as dark grey areas, while lack of these areas indicates lack of proper brazing on shiny plate surface. The picture of the standard plate heat exchanger with incorrect brazing is presented in Fig. 11., while Fig. 12a and Fig. 12b present fragment of the same plate with imprinted “stamps and areas with no brazing.

Incorrectly Cu brazed plates may have leaking points, which are clearly visible on HE external edges. During functioning of HE a scale will gather on internal surfaces (most frequently calcium carbonate in the case of DHW). The growing scale in the areas where brazing is absent will push away the plates leading to so-called swelling. After chemical cleaning and scale removal from ‘swelled’ plates, leaks become visible mostly on the HE sides, although leaks which are generally less visible or completely invisible inside the heat exchanger are also possible. After chemical cleaning the plates do not return to their previous geometrical shape in the areas with improper brazing resulting leakages.

Low rate of HE copper brazing corrosion is also possible:

a) during normal functioning of heat exchanger in DHW system as a result of water corrosivity and turbulent water flow through plates micro spaces (low parameter),

b) at high pH > 9.2 and turbulent water flow through heat exchanger micro spaces on the side of heating medium (high parameter),

c) during or after heat exchanger chemical cleaning (this issue will be discussed in the part 2 of the paper).

Low copper corrosion rate caused by factors described as a) and b) above and high copper corrosion rate caused by incorrect chemical cleaning bath lead to loss of brazing that decides on good joining and plate stiffness. As a consequence the brazing damage leakages will exist. A question whether the plates were brazed correctly can be answered after heat exchanger chemical disassembly in nitric acid.

Copper is usually resistant against corrosive water and it cooperates well as bimetallic combination with 304 and 316 austenitic steels. The literature describes in detail corrosion of copper elements of drinkable water systems [6, 7, 8]. Copper tubes undergo specific types of corrosion, such as pitting, erosion or stress corrosion cracking. Factors influencing copper are described in PN-EN 12502-2 “Metallic materials corrosion prevention. Recommendations for corrosion risk assessment of water transfer and storage systems. Part 2. Factors influencing copper and copper alloys”.

Water in DHW system should meet at least the following conditions [8] :

– pH > 7,

– alkalinity > 2,

– ammonium ion < nitrogen 0.5 mole /l.

The standard PN–85/C0 4601 from 1985, “Water for energy purposes. Requirements and quality assessment of water for boilers and closed heat transfer systems”, still used in the heat engineering in Poland, recommends to maintain pH in 8.5 – 9.2 range for heat transfer systems with copper elements.

Copper tubes and elements in water systems may undergo erosion corrosion. It occurs when the flow becomes turbulent and protective oxide layer on copper is destroyed. Flow obtrusions, turbulences, effecting flow changes lead to transfer copper ions into the water. The literature provides various values of safe linear flow, varying from 0.5 m/s to 1.5 m/s. Obvi ously, water high corrosivity must be taken into account [8, 9]. A heat exchanger with perfectly effective heat transfer and a compact structure, may get problems of copper corrosion in micro spaces between plates in the case of the turbulent flow if water is highly corrosive against copper. However, this suggestion should be confirmed by testing dependence between copper ion concentration at the HE exit and water quality and flow rate. Besides continuous measurements of copper ion concentration, it could be useful to measure copper concentration after flow stop and restart

Conclusions

On the basis of material presented in the part 1 of the paper the following conclusions may be drawn:

A. Heat exchangers made of austenitic steel may corrode in water heating units depending on chlorides concentration and water temperature.

B. Heat exchangers leakages, particularly the ones from non-demountable plate heat exchangers, may result from corrosion but not exclusively.

C. The most frequent cause of leakages in plate heat exchangers brazed with copper is lack of the brazing. This may be a result of mistakes during assem bling or corrosion during exploitation or improper chemical cleaning of heat exchangers.

D. Checking of copper brazing is possible after chemical disassembly of HE stainless steel plates using nitric acid

REFERENCES

[1] B. Sunden, R.M. Manglik, Plate Heat Exchanger: Design, Applications and Performance, WIT Press, 2007.

[2] K. Thulukkanam, Heat Exchanger Design Handbook, Second Edition, CRC Press, 2013.

[3] A. Miguel, Heat Exchanger Failure Investigation Report, GRIN Verlag, 2014.

[4] A. Groysman, Corrosion Problems and Solutions in Oil Refining and Petrochemical Industry, Springer, 2016.

[5] J. Marjanowski, J. Ostrowski, Corrosion of Heat Exchangers Made of Chromium-Nickel Steel and Methods of Its Prevention, INSTAL, No 9, 2002.

[6] I.T. Vargas, D.T. Fischer and Others, Copper Corrosion and Biocorrosion Events in Premise Plumbing, Materials (Basel), No 10(9), 2017.

[7] J.R. Myers, A.G. Kireta, The Forms of Corrosion in Copper Tube Systems Conveying Domestic Waters, CDA Copper Symposium 2001 – Plumbing Tube.

[8] Materials of Copper Development Association Inc. , www.copper.org/enviroment/water/ NACE02122.

[9] J.M. Coyne, Flow induced failures of copper drinking water tube, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg VA, 2009. n

19 Marzec 2020

Czy ciepło systemowe wpisuje się w politykę zrównoważonego budownictwa? Na przykładzie Szczecińskiej Energetyki Cieplnej Sp. z o.o.

inteligentny system ciepłowniczy

Zrównoważone budownictwo jest bardzo ważnym elementem w strategii Unii Europejskiej w aspekcie prowadzonej polityki na rzecz Zrównoważonego Rozwoju.

Pojęcie „Zrównoważony Rozwój” po raz pierwszy zostało użyte przez Hansa Carl von Carlowitza na przełomie XVII i XVIII wieku w opisie gospodarki leśnej, a oznaczało taki sposób gospodarowania lasem, który opierał się na wycince tylko tylu drzew, ile mogło odrosnąć [1]. Dopiero w roku 1987 w Raporcie Światowej Komisji ds. Środowiska ONZ pt. „Nasza Wspólna Przyszłość” w perspektywie do 2000 roku podano ogólną definicję zrównoważonego rozwoju, czyli takiego, który zaspokaja potrzeby obecne, nie pozbawiając przyszłych pokoleń możliwości realizacji ich potrzeb, jako rozwój stabilny, uwzględniający takie procesy zmian, w których eksploatacja zasobów, główne działy inwestowania, kierunki postępu technicznego oraz zmiany instytucjonalne pozostają ze sobą w relacji niekontrowersyjnej i harmonijnej, dając możliwość zaspokajania zarówno potrzeb aktualnych, jak też potrzeb i aspiracji w przyszłości [1]. Jednakże, fundamentalne znaczenie pod kątem terminologicznym miał Szczyt Ziemi w 1992 w Rio de Janeiro, który odbył się pod hasłem „Środowisko i Rozwój”. Podczas Konferencji sprecyzowano 27 zasad odnoszących się do zrównoważonego rozwoju. Na szczególną uwagę zasługują zasady, takie jak:

Rys. 1.
17 Celów Zrównoważonego Rozwoju [3]
Fig.
1 17 sustainable development goals

–– człowiek ma prawo do zdrowego i twórczego życia w harmonii z przyrodą,

–– państwa mają suwerenne prawo do korzystania ze swoich zasobów naturalnych, są jednak odpowiedzialne przed obecnymi i przyszłymi pokoleniami za zapewnienie, że ich działalność nie spowoduje zniszczenia środowiska,

–– w celu osiągnięcia zrównoważonego rozwoju państwa powinny ograniczyć bądź wyeliminować modele produkcji i konsumpcji zakłócające ten rozwój, pogłębiać naukową wiedzę w tym zakresie oraz w sposób efektywny zapewnić każdemu obywatelowi odpowiedni dostęp do informacji dotyczących środowiska i pogłębiać świadomość społeczeństwa w tej dziedzinie [2].

Podczas konferencji dopracowano się m.in. dokumentu pn. Agenda 21 mówiącego o ochronie i kształtowaniu środowiska życia człowieka w aspekcie uwarunkowań społecznych, ekonomicznych oraz zwracającego uwagę na uwarunkowania związane z ochroną zasobów naturalnych i racjonalne gospodarowanie nimi w myśl polityki zrównoważonego rozwoju.

Dwadzieścia lat później ponownie w Rio de Janeiro (Rio+20) odbyła się Konferencja Narodów Zjednoczonych na temat Zrównoważonego Rozwoju, podczas której przyjęto deklarację pn. „Przyszłość jaką chcemy mieć”. Celem konferencji było zweryfikowanie postępów realizowanych a przyjętych w 2012 roku deklaracji oraz zidentyfikowanie luk w założonych rozwiązaniach. Kluczowe było też podjęcie nowych deklaracji, obowiązujących do 2015 roku ujmujących przyszłościowe wyzwania, jakie mogą pojawić się poprzez wzajemne oddziaływanie człowieka i środowiska.

I tak we wrześniu 2015 r. w siedzibie głównej ONZ w Nowym Jorku odbył się szczyt Agendy Zrównoważonego Rozwoju 2030, w którym udział wzięło 100 światowych przywódców, a także przedstawiciele grup religijnych, biznesu i społeczeństwa obywatelskiego. W trakcie szczytu przyjęto dokument „Przekształcenie naszego świata: Agenda na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju- 2030”, który zawiera 17 Celów Zrównoważonego Rozwoju [3].

Zasady i powyższe cele zaimplementowano do polskiego prawodawstwa. Stworzono akty wykonawcze opierające się o zasadę zrównoważonego rozwoju a mające wpływ na każdy obszar gospodarki – począwszy od walki z ubóstwem poprzez zdrowie, środowisko, szeroko pojęte budownictwo oraz energetykę.

Według Ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska Dz. U. z 2018 r. poz. 799, 1356, przez „zrównoważony rozwój” rozumie się taki rozwój społeczno- -gospodarczy, w którym następuje proces integrowania działań politycznych, gospodarczych i społecznych, z zachowaniem równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych, w celu zagwarantowania możliwości zaspokajania podstawowych potrzeb poszczególnych społeczności lub obywateli zarówno współczesnego pokolenia, jak i przyszłych pokoleń”[4].

Postawione cele mają przypisane zadania, które należy spełnić do 2030 roku. I tak np. patrząc na Cel 7: „czysta i dostępna energia” należy:

–– Do 2030 roku zapewnić powszechny dostęp do przystępnych cenowo, niezawodnych i nowoczesnych usług energetycznych.

–– Do 2030 roku znacząco zwiększyć udział odnawialnych źródeł energii w globalnym miksie energetycznym.

–– Do 2030 roku podwoić wskaźnik wzrostu globalnej efektywności zużycia energii.

–– Do 2030 roku zwiększyć międzynarodową współpracę ułatwiającą dostęp do badań nad czystą energią i technologii w obszarze energii odnawialnej, efektywności energetycznej oraz zaawansowanych i czystszych technologii paliw kopalnych, a także promować inwestowanie w infrastrukturę energetyczną i czyste technologie energetyczne [5].

Oraz Cel 9: „Budować stabilną infrastrukturę, promować zrównoważone uprzemysłowienie oraz wspierać innowacyjność” – jedno z ośmiu zadań mówi: „do 2030 roku podwyższyć jakość infrastruktury i wprowadzić zrównoważony rozwój przemysłu przez zwiększenie efektywności wykorzystania zasobów oraz stosowanie czystych i przyjaznych dla środowiska technologii i procesów produkcyjnych, przy udziale wszystkich krajów, zgodnie z ich możliwościami” [6]. Jak powyższe wskazuje, przyjmowane na etapie koncepcji rozwiązania techniczne oraz użyte materiały muszą posiadać parametry, które sprostają stawianym wymaganiom.

Zrównoważone budownictwo

Pierwsze wzmianki dotyczące budownictwa oraz energii odnawialnej spełniającej wymagania zrównoważonego rozwoju przedstawiono w komunikacie „Inicjatywa rynków pionierskich dla Europy” (Bruksela, 21.12.2007r.), w którym obszar budownictwa wskazano jako jeden z sześciu rynków o potencjale innowacyjnym, sprzyjającym konkurencyjności i tworzeniu nowych miejsc pracy w europejskiej gospodarce. Natomiast w „Europejskim planie naprawy gospodarczej” z 26.11.2008r. określono priorytety polegające na zwiększeniu efektywności energetycznej budynków, stosowania wyrobów budowlanych spełniających kryteria środowiskowe oraz czystych technologii.

Znaczący wpływ na dalszą politykę w obszarze budownictwa miało przyjęcie przez Parlament Europejski pakietów klimatycznych „3×20”, gdzie zdefiniowano zadania polityki ekologicznej państw członkowskich, a mianowicie konieczność ograniczenia o 20% emisji gazów cieplarnianych w stosunku do roku 1990, 20% udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitym zużyciu energii w UE oraz zwiększenie o 20% efektywności energetycznej. Są to również główne cele ujęte w Strategii ”Europa 2020”. W dokumentach mówi się o budownictwie jako sektorze wysoko energochłonnym na tle całej gospodarki, dlatego też w tym zakresie wprowadzono dodatkowe regulacje prawne. Parlament i Rada Unii Europejskiej przyjęły dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2010/31/UE z 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków zmieniającą dyrektywę 2002/91/WE z 16 grudnia 2002 r.

W Dyrektywie 2010/31/UE zdefiniowano po raz pierwszy pojęcie budynku „o niemal zerowym zużyciu energii”, stworzono również metodologię obliczenia charakterystyki energetycznej budynków, określono minimalne wymagania dotyczące charakterystyki energetycznej budynków oraz elementów wchodzących w ich skład, takich jak np. przegrody zewnętrzne w odniesieniu do budynków nowych, oraz istniejących poddawanych ważniejszej renowacji. Zapisy dokumentu wskazują również na zaostrzenie przepisów dla budynków nowych, aby od 1 stycznia 2021 r. były praktycznie zeroenergetycznymi. Zapisy znalazły odzwierciedlenie w ustawie Prawo budowlane, a następnie m.in. w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Od 01.01.2018 r. nastąpiły zmiany w warunkach technicznych mówiące o budynkach o niemal zerowym zużyciu energii od 31 grudnia 2020 r.[7].

W budownictwie zrównoważonym mówi się o obiektach budowlanych, które powinny być zaprojektowane, wzniesione i użytkowane, a także rozebrane w sposób zgodny z wymaganiami zrównoważonego rozwoju. Można je scharakteryzować czterema pojęciami:

* zmniejszenie – mniejsze zużycie materiałów budowlanych, zasobów naturalnych i energii do wzniesienia budynku,

* ponowne użycie – materiały konstrukcyjne są ponownie używane tam, gdzie jest to możliwe,

* odzysk – przy wznoszeniu budynku wykorzystywane są materiały z recyklingu, a budynek jest tak projektowany, aby materiały mogły być odzyskane,

* odnawialność – energia pochodzi z zasobów naturalnych i nośników odnawialnych, a komponenty budowlane są wykonane z surowców odnawialnych.

Narzucone przez UE przepisy powodują konieczność zmiany sposobu myślenia w trakcie planowania inwestycji i jej realizacji nawet w przedsiębiorstwach ciepłowniczych. Już dzisiaj rozpatrując podłączenie nowego odbiorcy ciepła należy zastanowić się, nad takimi aspektami: czy istniejący system ciepłowniczy jest w stanie sprostać stawianym wymaganiom, czy jest on efektyw nym energetycznie systemem ciepłowniczym lub chłodniczym w myśl definicji ustawy Prawo energetyczne [8], czy przyszły inwestor stosując tradycyjne rozwiązanie węzła cieplnego, do którego za pośrednictwem sieci ciepłowniczej dostarczane będzie ciepło ze źródła opalanego miałem węglowym uzyska wymagany od 31 grudnia 2020 wskaźnik EP.

Aby sprostać wymaganiom konieczna jest ścisła współpraca między przedsiębiorstwem ciepłowniczym a inwestorem już na etapie koncepcji powstawania obiektu. Przyjęte rozwiązania technologiczne dotyczące bryły, przegród budowlanych, ale i co najważniejsze założenie odpowiedniego źródła ciepła z odpowiednio niskim wskaźnikiem wi (wskaźnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii) mają wpływ na uzyskanie przynajmniej wymaganego w przepisach wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej EP

Uczestnicy rynku budowlanego w osiąganiu celów zrównoważonego budownictwa

Aby osiągnąć cele zrównoważonego budownictwa niezbędna jest odpowiednia dynamika wzajemnych powiązań między twórcami innowacyjnych rozwiązań, inwestorami, przemysłem budowlanym, dostawcami profesjonalnych usług i innymi zainteresowanymi stronami, ukierunkowana na osiągnięcie celów środowiskowych, społeczno-ekonomicznych i kulturalnych. Dotyczy ona takich aspektów, jak: projektowanie i zarządzanie zasobami budowlanymi, wybór materiałów, właściwości użytkowe budynków czy wreszcie oddziaływanie na rozwój urbanistyczny i gospodarczy. Podmioty zajmujące się projektowaniem, wznoszeniem i eksploatacją obiektów budowlanych stanowią tradycyjny trzon działalności budowlanej. Uwzględnienie spełnienia kryteriów zrównoważoności każe jednak poszerzyć to grono o dostawców odpowiednich wyrobów budowlanych, licznych ekspertów z zakresu innowacyjnych rozwiązań oraz podmioty finansujące. Bardzo istotna jest rola administracji publicznej, posiadającej odpowiednie narzędzia legislacyjne, które w swej istocie przyczyniają się do promowania zrównoważonego budownictwa [9].

Po przeprowadzeniu analizy powiązań uczestników rynku budowlanego przedstawionego na rys. 2., można stwierdzić, że przy prowadzeniu inwestycji przez Szczecińską Energetykę Cieplną Sp. z o.o. (SEC) występują analogiczne powiązania między uczestnikami procesu i są one dynamiczne.

Inwestor składając wniosek o przyłączenie do sieci ciepłowniczej może liczyć na pełną współpracę w kwestiach rozwiązań technicznych, jak i doradztwa ekonomicznego. SEC rozpatrując nowe podłączenie wykonuje prace koncepcyjne przy udziale kadry projektowej od strony inwestora, które opierają się często na analizie całego systemu ciepłowniczego (w zależności od lokalizacji, charakteru obiektu itp.). Powyższe prace często wspomagane są obliczeniami strat ciśnienia i przepływu wody w sieci ciepłowniczej w warunkach podłączenia nowego obiektu do sieci ciepłowniczej. Przeprowadzone symulacje komputerowe dają możliwość oceny wpływu nowych odbiorców ciepła na pracę systemu ciepłowniczego. SEC od wielu lat wykorzystuje w tym celu program obliczeniowy Audytor SCW [11].

Koncepcja sposobu nowego przyłączenia przedstawiana jest inwestorowi przez pracowników SEC. Po akceptacji rozwiązań przez obie strony dochodzi do etapu projektowego. W trakcie wykonywania szczegółowego projektu budowlanego następuje ścisła współpraca z projektantami od strony inwestora przy wyborze docelowego układu technologicznego, który często musi być sprzężony z systemem zarządzania obiektem. Przyjęte rozwiązania, dostawa urządzeń, uzyskanie odpowiednich pozwoleń umożliwiających realizację inwestycji determinują datę zakończenia inwestycji. Na potrzeby całej inwestycji sporządzany jest szczegółowy harmonogram uwzględniający wszystkie obszary oraz uczestników procesu.

Innowacyjne podejście do systemu ciepłowniczego

Coraz częściej przedsiębiorstwa ciepłownicze spotykają się z konkurencją ze strony alternatywnych źródeł ciepła. Sytuacja ta wprowadza mechanizm konkurencyjności, z którym muszą się zmierzyć wytwórcy i dystrybutorzy ciepła. To z kolei wymusza zastosowanie nowych rozwiązań technologicznych w produkcji i przesyle ciepła oraz jego dystrybucji u odbiorcy końcowego.

Systemy ciepłownicze w Polsce w większości pracują na parametrach czynnika na zasilaniu 125-120oC. Jeszcze 20 lat temu temperatura w warunkach obliczeniowych w sieci zasilającej wynosiła 150-130 o C. Obniżenie parametru było możliwe dzięki zastępowaniu technologii kanałowej rurami preizolowanymi. Zastosowanie nowej technologii oraz zmniejszenie temperatury wody sieciowej przyczyniło się do obniżenia strat ciepła w systemie dystrybucji, co skutkuje również poprawą efektywności energetycznej systemu.

Ideą systemu ciepłowniczego IV generacji jest jego integracja z odnawialnymi źródłami energii w ramach inteligentnych systemów ciepłowniczych (smart thermal grid) [12].

System ciepłowniczy w Szczecinie jest specyficzny na tle pozostałych w Polsce. Charakteryzuje go aż pięć źródeł ciepła przyłączonych do jednego systemu ciepłowniczego (rys. 3) tj.:

–– dwie Elektrownie PGE GiEK S.A. EC- -Szczecin opalana biomasą (120MW) oraz EC-Pomorzany (323MWt), gdzie paliwem jest węgiel kamienny,

–– EcoGenerator Zakład Termicznego Unieszkodliwiania Odpadów (Gmina Miasto Szczecin), w którym paliwo stanowią odpady komunalne (32MW),

–– dwie Ciepłownie Rejonowe będące własnością SEC: „Dąbska” opalana miałem węglowym (106MW) i „Marlicza” gazowa/ olejowa (65/52MW).

Liczba źródeł ciepła oraz ich charakterystyka paliwowa powodują, że system ciepłowniczy wpisuje się w wymagania ustawy Prawo energetyczne jako systemu efektywnego energetycznie. Istniejące sieci ciepłownicze kanałowe dzięki pozyskanym środkom z Unii Europejskiej poddawane są modernizacji, co pozwala zamienić je na preizolowane, zarazem optymalizując średnicę zwłaszcza na odcinkach magistralnych.

Patrząc na ideę sieci IV generacji szczeciński system ciepłowniczy współpracuje już z wieloma węzłami ciepła wyposażonymi w źródła OZE, wyposażonymi w inteligentne systemy zarządzania energią w ramach istniejącej tabeli temperatur.

Obniżenie parametrów w sieci ciepłowniczej w przedziale temperatury obliczeniowej niższej niż 125oC spowoduje znaczne zwiększenie ilości wody sieciowej w systemie dystrybucyjnym. Przy jednoczesnej pracy wielu źródeł w ramach jednego systemu ciepłowniczego nastąpią problemy związane z oddziaływaniem tych źródeł na siebie. Regulacja, celem ustabilizowania pracy źródeł przy jednoczesnym maksymalnym zapotrzebowaniu na ciepło wymaga zastosowania dodatkowych układów pompowych w systemie ciepłowniczym oraz urządzeń regulacyjnych w komorach na rozgałęzieniach sieci. Dalsze obniżenie temperatury czynnika nawet do 110oC byłoby możliwe w przypadku posiadania w systemie ciepłowniczym rezerwy przepustowości wody sieciowej oraz wymaga przeprowadzenia regulacji i korekty wielkości wymienników ciepła w węzłach cieplnych. Pomimo licznych redukcji mocy cieplnej, w wyniku przeprowadzanych termomodernizacji, system ciepłowniczy Szczecina jest rozbudowywany o nowe odcinki sieci, co powoduje systematyczny przyrost mocy cieplnej w systemie.

Aby sprostać przepisom UE Szczecińska Energetyka Cieplna pozyskała środki na modernizację i rozbudowę systemu ciepłowniczego miasta Szczecina współfinansowane przez Unię Europejską w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko na lata 2014 – 2020 z działania „1.5 Efektywna dystrybucja ciepła i chłodu” oraz „1.6.2 Sieci ciepłownicze i chłodnicze dla źródeł wysokosprawnej kogeneracji” [13].

Rys. 2.
Powiązania uczestników rynku budowlanego wg raportu DTI [9],[10]
Fig.2
Links to the participants of the buildings market by the DTI report [9],[10]

Rys. 3
System ciepłowniczy miasta Szczecina
Fig.3
Heating system of the city of Szczecin

Rys.4
Rozkład ciśnienia dyspozycyjnego w sieci ciepłowniczej SEC
Fig.4
Distribution of pressure values in the heating network SEC

Rys.5
Wykres piezometryczny na trasie sieci ciepłowniczej łączącej CR Dąbska z systemem szczecińskim
Fig. 5
The Graph of pressure drop between Dąbska Plant and the Szczecin heating network

W ramach przyznanych środków zostanie zmodernizowanych 25km sieci ciepłowniczych, zostaną przyłączone do systemu ciepłowniczego 4 osiedla mieszkaniowe (powstanie ok. 17km nowych sieci), zostaną również wybudowane nowe inteligentne układy regulacji ciśnienia na sieciach rozdzielczych w głównych komorach na lewobrzeżnej i prawobrzeżnej części miasta Szczecina oraz zdalne systemy odczytu liczników ciepła wraz z regulacją węzłów.

Obliczenia dla założonych projektów zostały przeprowadzone w programie Audytor SCW. Dzięki rozbudowanym funkcjom programu można było precyzyjnie stworzyć założenia do dokumentacji przetargowej.

Program Audytor SCW umożliwia stworzenie kompleksowej bazy danych systemu ciepłowniczego począwszy od węzłów cieplnych, a kończąc na źródłach ciepła w celu przeprowadzenia obliczeń wspomagających eksploatację i regulację systemu ciepłowniczego. Baza danych dotyczy: źródeł ciepła, rurociągów, elementów (armatury) sieci ciepłowniczej, węzłów cieplnych. Jest ona bezpośrednio powiązana z informacjami geograficznymi (GIS) położenia w terenie sieci ciepłowniczej oraz wszystkich składowych systemu ciepłowniczego. Podstawowym źródłem informacji przestrzennych (geograficznych) jest mapa miasta. Wykorzystując technologię GIS można zlokalizować położenie w terenie danego elementu sieci ciepłowniczej. Audytor SCW posiada edytor graficzny służący do szybkiego wprowadzania i edycji danych o składowych sieci ciepłowniczej.

Integralną częścią programu jest moduł obliczeniowy. Wykorzystuje on zgromadzone informacje w bazie danych do obliczeń numerycznych przepływu wody oraz strat ciśnienia w rurociągach ciepłowniczych z uwzględnieniem zjawiska strat ciepła. Dzięki rozbudowanym funkcjom obliczeń numerycznych, Audytor SCW jest niezbędnym narzędziem przy wykonywaniu projektów regulacji hydraulicznej sieci ciepłowniczych oraz programu pracy sieci. Na rysunku 4 przedstawiono rozkład ciśnienia dyspozycyjnego dla wybranego stanu pracy Szczecińskiego Systemu Ciepłowniczego zasilanego z wielu źródeł ciepła.

Program SCW nie ma ograniczeń w zakresie wielkości analizowanej sieci ciepłowniczej. Struktura sieci może być rozgałęźna lub pierścieniowa o dowolnej liczbie pierścieni w układzie symetrycznym lub niesymetrycznym. System ciepłowniczy może być zasilany z wielu źródeł ciepła o różnych parametrach pracy. Wyniki obliczeń przedstawiane są w formie raportów tabelarycznych lub wykresów, których zakres ustalany jest indywidualnie przez użytkownika. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy wykres piezometryczny rozkładu ciśnienia wody w rurociągach na trasie łączącej system Dąbska ze Szczecińskim Systemem Ciepłowniczym. Połączenie obu systemów zostało zrealizowane w celu zwiększenia elastyczności i efektywności pracy systemu ciepłowniczego.

Zwiększenie efektywności energetycznej pracy sieci ciepłowniczej związane jest ze zmniejszeniem kosztów dostawy ciepła do odbiorców końcowych. Często związane jest to z dążeniem do zmniejszenia strat ciepła sieci ciepłowniczej. Najbardziej efektywnym sposobem ograniczenia kosztów wynikających ze strat ciepła jest obniżenie temperatury wody zasilającej system ciepłowniczy. Obniżenie temperatury wody wiąże się ze wzrostem przepływu wody w rurociągach, a tym samym ze wzrostem strat ciśnienia wody. Są więc pewne ograniczenia techniczne dotyczące możliwości obniżenia temperatury wody sieciowej wynikające z pojawienia się przeciążenia hydraulicznego rurociągów.

Ograniczenia te są różne dla każdego systemu ciepłowniczego i wynikają z właściwości przepustowych rurociągów. W celu określenia tych granic niezbędne jest przeprowadzenie obliczeń z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania. Szczecińska Energetyka Cieplna wykorzystuje program Audytor SCW [11], którym przeprowadzane są symulacje pracy systemu ciepłowniczego w różnych warunkach obciążenia hydraulicznego sieci. Dla każdego stanu pracy można wytypować odcinki sieci ciepłowniczej, które stwarzają ograniczenia dalszego wzrostu strumienia wody i obniżenia temperatury wody zasilającej węzły cieplne. Ograniczenia obniżenia temperatury wody w systemie ciepłowniczym wyznaczają także węzły cieplne. W tych warunkach powierzchnia wymiany ciepła wymienników ciepła może być zbyt mała, aby przy obniżonej temperaturze wody dostarczyć wymaganą ilość ciepła do budynku. Konieczne jest więc przeprowadzenie analizy możliwości pracy węzłów cieplnych w warunkach obniżonej temperatury wody sieciowej oraz określenie listy węzłów cieplnych, w których należy wykonać prace modernizacyjne w zakresie korekty powierzchni wymiany ciepła w wymiennikach ciepła oraz wielkości armatury regulacyjnej. Wspomniana analiza może być wykonana z wykorzystaniem programu Audytor SCW, który ma możliwość symulacji pracy węzłów cieplnych w oparciu o informacje o zainstalowanych wymiennikach ciepła i armaturze regulacyjnej.

Wdrożenie wyników powyższych analiz technicznych wpływa na obniżenie strat ciepła oraz sprostanie wymaganiom dotyczącym uzyskania jak najniższego EP u odbiorcy końcowego

LITERATURA

[1] Bukowski Z., Zrównoważony rozwój w systemie prawa, Toruń 2012

[2] Wierzbowski B., Rakoczy B., Prawo ochrony środowiska. Zagadnienia podstawowe, Warszawa 2010

[3] http://www.un.org.pl/

[4] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska Dz. U. z 2018 r. poz. 799, 1356.

[5] http://www.un.org.pl/cel7

[6] http://www.un.org.pl/cel9

[7] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r.

[8] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne

[9] Inżynier Budownictwa 2012-03-14, Budownictwo zrównoważone w Polsce

[10] Danish Technological University, Future Qualification and Skills Needs in the Construction Sector, Policy and Business Analysis, July 2009.

[11] http://www.thermocad.pl

[12] Bartnicki G., Klimczak M., Koncepcja stopniowego wprowadzania założeń ciepłownictwa IV generacji do miejskich systemów ciepłowniczych, „Instal” – 6/2018

[13] https://sec.com.pl/unia_3

1 2 3 4 5 >»