1Kesselwasseraufbereitung1Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon :
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16835 Rthnick Seminar Kesselwasseraufbereitung1. Natrliches
Wasser und seine InhaltsstoffeDer Begriff " Wasser "
charakterisiert streng genommen einen che-Mischen reinen Stoff mit
der Zusammensetzung H2O, einen Reak-Tionsprodukt aus den Elementen
Wasserstoff und Sauerstoff.Wasser im blichen Sprachgebrauch ist
allerdings keineswegschemisch rein. Natrliche Wsser enthalten
vielmehr Inhalts-stoffe unterschiedlicher Art. Diese knnen in
gelster oder un-gelster Form vorliegen.Bereits der Regen nimmt aus
der Luft u. a. Sauerstoff, Stick-stoff, Schwefeldioxid und
Kohlendioxid auf. Bei der Untergrund-passage reichert sich das
Wasser mit weiteren Stoffen organi-scher und anorganischer Natur
an. Die chemische Beschaffenheitist in erster Linie davon abhngig,
welchen Boden das Wasserdurchflossen hat.In der Natur existiert ein
Wasserkreislauf, als dessen treiben-De Kraft die Sonne
fungiert.NiederschlagLsung von Kohlendioxid ( CO2 )Sauerstoff ( O2
) undStickstoff ( M2 )VerdunstungDer Oberflchenwasser( Flsse, Seen,
Meer )Passage durch natrlicheHumusschichtLsung von Kohlendioxid (
CO2 ), natrlichenAnorganischen Stoffen und
organischenVerbindungenUntergrundpassageEinstellung der
natrlichenChemischen Gleichgewichte mitden
Bodenmaterialien2Kesselwasseraufbereitung2Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Wasser hat gegenber vielen Substanzen ein hohes
Lsungsverm-gen. Salze lsen sich im Wasser unter Bildung elektrisch
gela-dener Teilchen, den sogenannten Ionen. Teilchen mit
positiverLadung (z. B. Na+ ) heien Kationen; Anionen besitzen
nega-tive Ladungen ( z. B. C1-, SO4- ). In einem Wasser ist die
Summe aller Kationen- und Anionenladungen stehts gleich.Natrliche
Wsser werden nach Herkunft und Beschaffenheit inzwei Gruppen
eingeteilt, und zwar Grundwasser und
Oberflchen-wasser.GrundwasserGrundwasser ( Brunnen- und Quellwasser
) ist im allgemeinen arman groben Verunreinigungen. Es enthlt oft
erhebliche Mengenan berschssiger Kohlensure sowie an Eisen- und
Manganverbin-dungen. Der Sauerstoffgehalt liegt in der Regel sehr
niedrig.OberflchenwasserOberflchenwasser weist hufig starke
mechanische Verunreini-Gungen auf. Die Wasserzusammensetzung
unterliegt in der Regelerheblichen zeitlichen Schwankungen.
Oberflchenwasser sindhufig durch Abwassereinleitungen sowie durch
organische Be-standteile belastet.Whrend der Sauerstoffgehalt
normalerweise hoch liegt, ist der Anteil an berschssiger Kohlensure
gering.3Kesselwasseraufbereitung3Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Allgemein unterscheidet man bei natrlichen Wsser
zwischengrobdispersen, kolloiddispersen und molekulardispersen
Wasser-inhaltsstoffen.- Grobdisperse StoffeHierunter fallen alle
mit bloem Auge wahrnehmbarenSchwimm-, Schweb- und Sinkstoffe, deren
Teilchendurch-messer grer als etwa 1m.- Kolloiddisperse
StoffeHierzu zhlen Substanzen einem Teilchendurchmesser zwi-schen
etwa 1 nm bis 1m. Sie sind durch das menschlicheAuge nicht direkt
erfabar. Diese Scheinlsungen bilden ei-nen bergang zwischen dem
gelsten und ungelsten Zustandder Materie. Als wichtige Stoffe seien
hier Huminstoffe, lund Fette sowie Kieselsure genannt.-
Molekulardisperse StoffeSubstanzen dieser Klasse sind echt gelst ;
die Lsungenerscheinen vollkommen klar. Typische Stoffe hierfr sind
Io-nen von Salzen. Aber auch Gase wie z. B. Sauerstoff und
Koh-lendioxid gehren dazu.Grobdisperse Stoffe Kolloiddisperse
Stoffe Molekulardisperse Stoffeorganisch/ anorganisch organisch
anorganisch Kationen Anionen
Nicht-elektrolyteSchwimmstoffeSchwebstoffeSinkstoffe( z. B. Tone,
Sand,organische Stoffe,
Algen,Bakterien.....)HuminstoffeleFetteKieselsure(
SiO2)Hydroxidevon Eisen,Mangan,AluminiumNH4+Na
+Ca+Mg+Fe+Mn+Al+HCD3FNO3SO4HPO4CO2O2N2NH3H2sSiO2Makroskopischer
bisMikroskopischer BereichUltramikroskopischer Bereich>
1mm.............................10 104
mm...................106............................108
mm4Kesselwasseraufbereitung4Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon :
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16835 Rthnick Gelste WasserinhaltsstoffeVon den salzartigen
Verbindungen besitzen in natrlichen Ws-sern Erdalkalisalze (
Hrtebildner ), Alkalisalze sowie Eisen-und Manganverbindungen die
grte Bedeutung fr die Speisewas-seraufbereitung. Die Summe der
Erdalkali- und Alkalisalze sowie der brigen Ionenverbindungen
ergeben den Gesamtsalzgehalt,der sich in Gesamt-Kationen und
Gesamt-Anionen aufteilt. Dane-ben spielen aber auch andere
Substanzen wie die Kieselsure,Stoffeorganischen Ursprungs ( z.B.
Huminsuren ) und Gase eineWichtige
Rolle.RohwasserGesamtsalzeGesamt- Kationen Gesamt- AnionenKationen
derHydrogenkarbo-nate Ca,Mg,Na,KKationen derMineralsurenCa, Mg, Na,
KAnionen derMineralsurenSO4CI, NO 3Anionen derschwachen SurenCO3,
SiO3Erdalkalisalze ( Hrtebildner)Die Verbindungen des Calciums und
Magnesiums werden als Erdal-kalisalze bezeichnet. Zu den in
natrlichen Wssern wichtig-sten Vertretern gehren das
Calciumhydrogencarbonat( Ca ( HCO3) 2) und das Calciumsulfat (
CaSO4).Calciumhydrogencarbonat bildet sich bei der Einwirkung
kohlen-Surehaltigen Wassers auf kalkhaltige Bden oder Gesteine.
Cal-Ciumsulfathaltige Wsser entstehen bei Auswaschen
gipshaltigerVerbindungen.5Kesselwasseraufbereitung5Hausanschrift:Fon
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16835 Rthnick Der in einem Wasser gelste Gehalt an Calcium- und
Magnesium-Salzen wird heute als Summe Erdalkalien bezeichnet. Frher
warHierfr der Begriff Gesamthrte gelufig.Gesamthrte =Calciumhrte +
MagnesiumhrteNeue Bezeichnung Alte BezeichnungSumme
ErdalkalienCalciumionenMagnesiumionenCarbonationen der
ErdalkalienNichtcarbonationen
derErdalkalienGesamthrteCalciumhrteMagnesiahrteCarbonathrteNichtcarbonathrteEine
Unterscheidung zwischen den an Hydrogencarbonat ( HCO3)gebundenen
Erdalkalien ( frher Carbonathrte ) und solchen, diean
Nichtcarbonationen (z. B. Chlorid ( C1), Nitrat ( NO3) undSulfat (
SO4) gebunden sind ( frher Nichtcarbonathrte ),ist sinnvoll.
Dadurch soll ausgedrckt werden, da die Hydro-gencarbonate schon bei
Erwrmung als schwerlsliches Calcium-carbonat (CaCO3) ausfallen,
whrend die restlichen Calciums-alze praktisch unverndert in Lsung
bleiben.RohwasserSumme
ErdalkalienMmol/lCalciumionenMmol/lMagnesiumionenMmol/lKarbonationender
Erdalkalien mmol/lNichtkarbonationender Erdalkalien
mmol/l6Kesselwasseraufbereitung6Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon
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16835 Rthnick Natrliche Wsser werden entsprechend ihrem
Erdalkali ( Hrte )-Gehalt hufig folgendermaen klassifitiert:Summe
Erdalkalien ( Hrte ) Beurteilung0-0,7 mmol/l 0-4d0,7 -1,5 mmol/l
4-8d1,5 -2,2 mmol/l 8- 12 d2,2 -3,2 mmol/l 12- 18 d3,2 -5,3 mmol/l
18- 30 d >5,3 mmol/l> 30 dsehr weichweichmittelhartziemlich
harthartsehr hartFolgende Umrechnungen gelten:1mmol/l =5,6d1d
=0,18mmol/l1d =10 mg CaO/lAlkalisalzeDie in natrlichen Wssern
enthaltenen Alkalisalze sind vorwie-gend Natriumsalze, daneben in
geringen Mengen auch Kaliumsal-ze. Die Sulfate, Chloride und
Nitrate dieser Elemente reagie-ren in wssriger Lsung neutral. Aus
den Salzen der Kohlensu-re, Natriumhydrogencarbonat ( NaHCO3) und
Soda ( Na2CO3), wirdunter den im Kessel herrschenden Druck- und
Temperaturverhlt-nissen Kohlendioxid abgespalten. Das Wasser weist
dabei einezunehmende alkalische Reaktion auf.2NaHCO3
Na2CO3+H2O+CO2( Bicarbonatspaltung )Na2CO3+H2O2 NaOH+CO2(
Sodaspaltung )Alkalisalze besitzen im Wasser eine groe Lslichkeit.
UnterExtrem hohen Druck- und Temperaturverhltnissen sind
Neutral-Salze in geringen Umfang
dampfflchtig7Kesselwasseraufbereitung7Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Eisen und ManganverbindungenZu den Kationen, die
in natrlichen Wssern noch in hhererKonzentrationen vorliegen knnen,
zhlen das Eisen ( Fe+)- undMangan ( Mn+)- Ion. Diese beiden gelsten
Schwermetalle tretenhufig in Grundwssern auf. Bei Luftzutritt kommt
es infolgeOxidation zur Bildung schwerlslicher Hydroxide.Wsser aus
hu-musreichen Gegenden weisen hufig durch Huminstoffe komplexier-te
Eisen- und Manganverbindungen auf.KieselsureKieselsure ( SiO2)
tritt in Wssern in Form von Silikatenoder kolloidal gelst auf. Im
allgemeinen sind erdalkalireicheWsser arm an Kieselsure. Weichere
Wsser weisen in der Regelerhebliche Kieselsuregehalte auf.
Konzentrationen von bis zu50 mg SiO2/l wurden in natrlichen Wssern
nachgewiesen.Kieselsure hat die unangenehme Eigenschaft, in
Hochdruckdampf-Kesseln ab etwa 20 bar dampfflchtig zu
sein.Organische VerbindungenOrganische Wasserinhaltsstoffe knnen
sowohl durch natrlichechemische Reaktionen bei der Bodenpassage als
auch durch Ein-leitung kommunaler und industrieller Abwsser in die
Oberfl-chen- und Grundwsser gelangen. Organische Suren ( z.B.
Humin-suren ) stellen im allgemeinen den prozentual grten Anteilan
derartigen
Verunreinigungen.8Kesselwasseraufbereitung8Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick GaseNatrliche Wsser enthalten unterschiedliche
Anteile gelsterGase. Hierzu zhlen insbesondere Sauerstoff ( O2),
Stickstoff( N2), Schwefeldioxid ( SO2), Kohlendioxid ( CO2),
Stickoxide( Nox) sowie bisweilen auch Schwefelwasserstoff ( H2S).
Derar-tige Gase verleihen dem Wasser gegenber vielen Materialien (
z. B.unlegiertem Stahl, Kupfer, Marmor, Kalkstein, Dolomit)
aggressiveEigenschaften.Bezglich wasserseitiger Korrosionen im
Wasser- / DampfkreislaufSpielen Sauerstoff und Kohlensure eine
besondere Rolle.Die Lslichkeit von Gasen in Wasser ist temperatur-
und druckabhn-Gig; im Siedebereich des Wassers ist sie nahezu
gleich Null.Kohlendioxid kommt im Wasser gebunden als Karbonat
(CO3)bzw. Hydrogencarbonat (HCO3) und als freie Kohlensure in
gas-frmig gelstem Zustand vor.Gesamt- KohlensureGesamtgebundene
KohlensureFreie(gasfrmig
gelste)KohlensureKarbonat-kohlensureCO3Hydrogenkarbonat-kohlensureHCO3ZugehrigefreieKohlensureberschssigefreieKohlensure9Kesselwasseraufbereitung9Hausanschrift:Fon
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16835 Rthnick Bei der freien Kohlensure unterscheidet man
zwischen der zugehri-gen Kohlensure, welche fr die Lslichkeit des
im Wasser vorhande-nen Calciumhydrogencarbonats erforderlich ist,
und der berschssi-gen Kohlensure.Die zugehrige freie Kohlensure
besitzt groe Be-deutung fr das Kalk- Kohlensure-
Gleichgewicht.DruckCa (HCO3)CaCO3 + H2O+CO2 TemperaturCalciumhydro-
Calcium- zugehrigeGencarbonat carbonatfreie Kohlen- sure Kalk-
Kohlensure- GleichgewichtDie berschssige freie Kohlensure wirkt
gegenber nicht kor-Rosionsbestndigen Werkstoffen wie unlegiertem
Stahl und Kup-Fer korrosiv. Sie wird daher hufig auch aggresive
Kohlensu-re genannt.2. Auswirkungen unzweckmiger
Wasseraufbereitungauf den KesselbetriebMit mehr oder weniger groem
technischen Aufwand lt sich heu-te jedes Rohwasser zu einem
Kesselspeisewasser aufbereiten.Die Aufbereitungsanlage mu so
ausgelegt sein, da das fr denBetrieb eines Kessels notwendige
Speisewasser jederzeit in ge-eigneter Qualitt und in ausreichender
Menge zur
Verfgungsteht.10Kesselwasseraufbereitung10Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Die bei unzureichender Wasseraufbereitung zu
erwartendenStrungen in einer Kesselanlage lassen sich in drei
wichtigeGruppen zusammenfassen:- Bildung wasserseitiger
Ablagerungen- Entstehung von Korrosionen- Verunreinigung des
Dampfes durch Mitreien von KesselwasserBildung wasserseitiger
AblagerungenWasserseitige Ablagerungen auf Heizflchen sind
sicherheits-technisch bedenklich, da sie den Wrmebergang
beeintrchti-gen. Dadurch kann es zu Werkstoffschden infolge
thermischerberhitzung kommen. Erwhnt sei ferner damit
verbundeneVerschlechterungen des Kesselwirkungsgrades. Stein- und
Schlammbildung im Kessel ist in der Regel auf dasVorhandensein
unzulssig hoher Erdalkaligehalte (Hrtebildner)zurckzufhren. Je nach
Zusammensetzung haben derartige Belgeunterschiedliche
Wrmeleitfhigkeiten. Sie reichen von 2 - 8kj/m . h . C bei carbonat-
und gipsreichem Stein bis 0,4-0,8 kJ/m . h . C bei silikatreichem
Stein. Belge von wenigerals 1 mm Strke knnen bereits kritisch sein.
11Kesselwasseraufbereitung11Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon :
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16835 Rthnick Aber auch andere Ablagerungen wie
Schwermetalloxide und organi-sche Substanzen (z. B. l, Fett)
einschlielich ihrer Zerset-zungsprodukte drfen in dieser Hinsicht
nicht unterschtzt wer-den. Auer der Gefahr von
Werkstoffberhitzungen besteht beider Bildung von Ablagerungen und
Schlamm die Mglichkeit, daRegel- und Sicherheitsamaturen am Kessel
ihre Funktionsfhig-keit einben und damit indirekte Schden
verursacht werden.Rohrleitungen und Pumpen knnen verstopfen.Auch
bei Abwesenheit von Erdalkalien (Hrtebildnern) kann esim Kessel
unter gewissen Voraussetzungen zur Ausscheidung salz-haltiger Belge
kommen. Auf Heizflchen mit hoher lokaler Wr-mestromdichte und
geringem Massenstrom- besonders in Wasser-rohrkesseln- neigen
insbesondere Alkaliphosphate und -sulfatezu diesem Verhalten. Diese
lastabhngige Erscheinung wird Hide--out- Effekt genannt. Auer einer
Behinderung des Wrmeber-gangs kann es hierdurch zu einem Angriff
auf die Schutzschicht und damit zu rtlichen Korrosionen
kommen.Entstehungvon KorrosionenBetriebssicherheit und Lebensdauer
einer Kesselanlage hngenim wesentlichen davon ab, inwieweit
wasserseitige Korrosionenverhindert werden knnen.Nach DIN 50900
wird unter Korrosion eine unerwnschte chem-ische oder
elektrochemische Reaktion eines metallischen Werk-stoffs mit seiner
Umgebung verstanden, die eine mebare Vern-derung des Werkstoffes
bewirkt und zu einem Korrosionsschadenfhren kann.Eine wichtige
Aufgabe der Speisewasserpflege besteht somit da-rin, dem
Korrosionsverhalten der Kesselwerkstoffe- in der Regelunlegierte
bzw. niedriglegierte Sthle- gegenber demWrmetrger Wasser Rechnung
zu tragen und durch Einhaltungbestimmter Wasserkennwerte
Korrosionen auf ein Minimum zubegrenzen.
12Kesselwasseraufbereitung12Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon :
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16835 Rthnick Das lt sich realisieren durch die Ausbildung und
Er-haltung bestimmter oxidischer Deckschichten des Eisens auf
denwasser- und dampfberhrten Werkstoffoberflchen. Eine in diesem
Zusammenhang sehr wichtige Deckschicht ist die Magnetit-(Fe3O4)-
Schicht. Sie besitzt allerdings nur dann Schutzschicht-charakter,
wenn sie homogen, dnn und festhaftend ist und keineFehlstellen
aufweist.Die Schutzschicht kann durch thermische (Wrmeschock,
berhit-zung), mechanische (An- und Abfahren eines Kessels) oder
chemi-sche Einwirkungen (Wasserqualitt) geschdigt oder
zerstrtwerden.Zu den hufigsten im Kesselbetrieb auftretenden
Korrosionsartenzhlen die Sauerstoff- und die Surekorrosion.uere
Erscheinungsformen von Sauerstoffkorrosion sind statis-tisch
verteilte loch- oder muldenartige Anfressungen, die bis-weilen von
sogenannten Rostpusteln berdeckt sind.Die Sauerstoff korrosion ist
eine elektrochemische Korrosion.Ihre Intensivitt wird u. a. vom
Sauerstoffgehalt, pH- Wert, Salz-gehalt, der Art der vorhandenen
Salze und der Qualitt der Schutz-schicht beeinflut.Eine
Besonderheit der Sauerstoffkorrosion stellen
sogenannteBelftungselemente dar. Korrosionsursache ist in diesem
FallDer Unterschied der Sauerstoffkonzentration im
WasserraumGegenber dem O2- Gehalt unter Ablagerungen sowie in
Rissen,Poren und Spalten (Spaltkorrosion).Vielfach kommt es whrend
Stillstandszeiten von Kesselanlageninfolge unzureichender
Konservierungsmanahmen zu sauerstoff-bedingten Korrosion.Bei der
Surekorrosion wird die wasserberhrte Oberflche einesWerkstoffs
flchenartig
abgetragen.13Kesselwasseraufbereitung13Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Von wesentlicher Bedeutung ist im Kesselbetrieb
die Kohlensure.Mit Rcksicht auf Kondensatleitungen,
Hochdruckvorwrmer, Wrme-tauscher usw. ist kohlensurehaltiger Dampf
unerwnscht. Die Kor-rosivitt von Kohlensure besteht auer gegenber
Kesselsthlenu.a. auch gegenber Kupfer und kupferhaltigen
Werkstoffen.Aus korrosionschemischer Sicht ist die Verwendung
verschiedenar-tiger Werkstoffe innerhalb eines Wasser-bzw. Wasser-
Dampf-Kreis-laufs nicht ratsam. Abgesehen davon, da bei
MischinstallationenKorrosionsvorgnge begnstigt werden knnen, werden
Mglich-keiten einer gezielten Korrosionsbekmpfung durch chemische
Kondi-tionierung des Wassers oder Dampfes eingeschrnkt.Neben
weiteren Korrosionstypen wie z.B. On-load-Korrosion,
Hei-Dampfkorrosion, Heiwasserkorrosion und Rikorrosion sind in
Was-Ser- Dampf- Kreislufen vor allem die Erosionskorrosion und
dieKavitation als wesentliche Ursachen fr hufiger auftretende
Werk-Stoffzerstrungen zu nennen.Unter On-load-Korrosion versteht
man die korrosive Einwirkungvon Salzen, Suren und Laugen auf
thermisch hochbelastet Ober-flchen unter Zerstrung der
Schutzschicht. Zu lokalen Anrei-cherungen kann es z.B. unter
abgeschiedenen Feststoffen kommen.Bei zu geringer Feststoffalkalitt
neigen insbesondere Chloride zueiner rtlich sehr starken
pH-Wert-Absenkung, was zu starkemWerkstoffangriff
fhrt.Erosionskorrosion ist ein mechanischer (Erosion) und
chemischer(Korrosion) Angriff eines Mediums auf einen
Werkstoff.Wasser, Dampf und vor allem wasserhaltiger Dampf knnen
bei hohen Strmungsgeschwindigkeiten insbesondere im Bereich
vonKrmmern und Armaturen Erosionskorrosion verursachen.Dabei kommt
es zu lokalen Zerstrungen der
Schutzschicht.14Kesselwasseraufbereitung14Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick DampfverunreinigungenBeim Betrieb eines
Dampfkessels kann es zu Verunreinigungendes Dampfes durch Mitreien
von Kesselwasser kommen. Dadurchbesteht die Gefahr, da es zu
Strungen an nachgeschalteten An-lageteilen wie berhitzern, Turbinen
und anderen Betriebsein-richtungen kommt. Ein derartiges
Kesselverhalten hat physikalischeund/oder chemische Ursachen.Das
Spucken wird im wesentlichen von der Konstruktion und
derBetriebsweise des Dampferzeugers beeinflut.Das Schumen eines
Kesselwassers hat in der Regel wasserchemischeUrsachen. Von
mageblichen Einflu sind berhhte Gehalte anTrbstoffen, Alkalien,
Salzen (Phosphate!) und vor allem an orga-nischen Stoffen. Durch
Absalzen bzw. Abschlmmen kann dieKonzentration dieser Stoffe
verringert werden. Vielfach fhrt derEinsatz von Antischaummitteln
kurzfristig zu einer Verbesserungder Dampfreinheit. Langfristig ist
hierin allerdings keine Lsungzu sehen.Grundstzlich begnstigen
Dampfverunreinigungen Korrosionenim Dampf-/ Kondensatnetz.Vielfach
liegen die Ursachen fr ein derartiges Kesselverhalten inDer
kritiklosen Wiederverwendung zurckgewonnener Betriebs-kondensate
begrndet. Eine regelmige Prfung anfallender Kon-densate sollte
daher grundstzlich vorgenommen werden.Beim Kesselbetrieb mu ferner
der Kieselsure (SiO2) besondereBeachtung geschenkt werden, da sie
bei Druckstufen oberhalb 20bar dampfflchtig
ist.15Kesselwasseraufbereitung15Hausanschrift:Fon & Fax:Telefon
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16835 Rthnick 3. Anforderungen an Speise- und Kesselwasserbzw.
Umwlzwasser (VdTV- Richtlinien)Die Einhaltung der im angefhrten
Richtwerte soll dazu bei-tragen, negative Auswirkungen durch
unzureichende Wasserquali-tt zu vermeiden. Hierzu gehrt die
Verbindung von Korrosions-vorgngen und Ablagerungen in Wasser-
Dampf- Kreislufen sowieHeiwasserkreislufen, was sowohl unter
korrosionschemischen alsauch wrmewirtschaftlichen Gesichtspunkten
angezeigt ist.Die Einhaltung der in den Tabellen angefhrten
Richtwerte gewhr-leistet einerseits einen sicherheitstechnisch
einwandfreien Betriebder Anlagen und bietet andererseits die Gewhr
fr einewirtschaftliche vertretbare Fahrweise.Die Richtlinien in der
vorliegenden Form sind z.T. nhere Aus-fhrungen der TRD 611 und
haben fr die Betreiber von Kesselan-lagen empfehlenden Charakter.
In begrndeten Einzelfllen knnendaher Abweichungen von den
Richtwerten zulssig und ggf. sogarerforderlich sein. Das sollte
allerdings nur nach sachverstndigenErmessen erfolgen.Die konkrete
anzustrebende Fahrweise hngt von den verschiedenenParametern ab,
von denen einige hier genannt sind:- Qualitt des zur Verfgung
stehenden Rohwassers- Art der Wasseraufbereitung- Kesseltyp und
-alter- Kesselgre- Verwendungszweck des
Dampfes16Kesselwasseraufbereitung16Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Die Einteilung der Richtlinien nach steigender
Druckstufe be-rcksichtigen die mit zunehmender Heizflchenbelastung
ver-schrften Anforderungen an den maximalen Salzgehalt des
Kessel-wassers. Ferner sind Niederdruck- Dampfkessel gesondert zu
be-trachten aufgrund der schwierigen Wasser- Dampf -Trennungbei
diesen AnlagenBetriebsweise zu bercksichtigen.Unbercksichtigt in
den Richtlinien bleiben die Anforderungen andie Kondensatqualitt.
Eine indirekte Aussage hierber kann anhandeiner Analyse des
Speisewassers und durch Kenntnis des Zusatz-wasseranteils getroffen
werden.Bei Turbinenbetrieb sind besondere Anforderungen an die
Dampf-reinheit zu stellen und die Kesselwasserwerte
entsprechendfestzulegen. An die Reinheit des Einspritzwassers zur
Dampfkhl-ung sind verschrfte Anforderungen zu stellen.Die
gelegentlich angewandte neutrale Fahrweise kommt in der Regelnur
bei Durchlaufkesseln mit einem Betriebsdruck > 64 barin
Betracht. In diesem Fall sind die VGB- Richtlinien fr
dieseHeiwasseranlagen mit einer Vorlauftemperatur < 100C
unter-liegen keiner Beschrnkung hinsichtlich der Anforderungen
andie Wasserqualitt. Die Verwendung enthrteten Zusatzwassersist
jedoch zu empfehlen. Bei Vorlauftemperaturen ber 130C ist die
Verwendung vollent-salzten Zusatzwassers zur Vermeidung erhhter
Korrosionsgefahrangebracht.In Heiwasseranlagen mu Werkstoffragen,
insbesondere die Kom-bination verschiedener Werkstoffe, eine erhhte
Aufmerksamkeitgeschenkt
werden.17Kesselwasseraufbereitung17Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Beim Betrieb von Schnelldampferzeugern sind Fragen
der Dampf-reinheit von besonderem Interesse. Erhhte Anforderungen
erfor-dern ggf. eine deutliche Abweichung der angefhrten
Richtwerte.Salzhaltiges Speisewasser fr Umlaufkessel(Wasserrohr-
und GrowasserraumkesselZulssiger BetriebsberdruckBar 1 >1
68Allgemeine Anforderungen- farblos, klar, frei von un-gelsten
Stoffenfarblos, klar, frei von un-gelsten StoffenPH- Wert bei 25C -
>9 >9Leitfhigkeit bei 25C S/ cm nur Richtwerte fr
Kes-selwasser magebendnur Richtwerte fr Kes-selwasser magebendSumme
Erdalkalien( Ca+ Mg+)mmol/ l < 0,015 < 0,010Sauerstoff (O2)
mg/l < 0,1 < 0,02Kohlensure (CO2)gebundenmg/l < 25 <
25Eisen, gesamt (Fe) mg/l - < 0,03Kupfer, gesamt (Cu) mg/l -
> 0,5 mmol/l im Speisewasser sollte die Installierungeiner
Entcarbonisierungsanlage erwogen
werden.28Kesselwasseraufbereitung28Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Als Entcarbonisierung bezeichnet man die teilweise
oder voll-stndige Entfernung der gebundenen Kohlensure
(Carbonat-hrte) und der freien Kohlensure aus dem Wasser.Die
Entcarbonisierung durch Kochen wird in technischen An-lagen heute
kaum noch angewendet.Ca (HCO3)2 KochenCaCO3+ H2O + CO2Calcium-
Calcium-hydrogen-T carbonatcarbonatDie Entfernung der gebundenen
Kohlensure durch Zugabe quiva-lenter Suremengen (" Impfen") erfolgt
hufig bei der Aufberei-tung von Khlturmwasser.Ca (HCO3)2+2 HC1
CaC12+2 H2O+2 CO2Calcium-SalzsureCalcium-hydrogen
-chloridcarbonatDie dabei freiwerdende Kohlensure mu durch Entgasen
desWassers entfernt werden.Bei der Zusatzspeisewasseraufbereitung
fr Dampf- und Heiwas-sererzeuger besitzen die Entcarbonisierung
durch Kalkzugabe so-wie die Entcarbonisierung mittels
Ionenaustauscher technischeBedeutung. Beide Verfahren stellen
gleichzeitig eine Teilent-salzung dar, denn es wird der Salzgehalt
des Wassers um den An-teil an Hydrogencarbonaten
verringert.29Kesselwasseraufbereitung29Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Entcarbonisierung durch
KalkzugabeCalciumhydrogencarbonat und Kohlensure knnen durch
Zusatzvon Calciumhyroxid (Kalk) als Calciumcarbonat ausgefllt
werden:Ca (HCO3)2+ Ca(OH)22 CaCO3+2 H2OCalcium-
Calcium-Calcium-hydorgenhydroxidcarbonatcarbonat ( Kalk) CO2+ Ca(
OH)2CaCO3+ H2OKohlen- Calcium- Calcium-surehydroxid carbonat(
Kalk)Durch geeignete verfahrenstechnische Manahmen kann man
denEntcarbonisierungsproze so lenken, da das Calciumcarbonat
alsfestes Granulat ausfllt (Schnellentcarbonisierung). Im Reaktorfr
die Schnellentcarbonisierung werden Kalkmilch oderKalkwasser mit
dem aufzubereitenden Wasser vermischt unddurch eine Schicht aus
Calciumcarbonatkugeln von 1- 3 mm Durch-messer geleitet. Das
neugebildete Calciumcarbonat kristallisiertauf den Oberflchen der
vorgelegten Kugeln auf, deren Durch-messer dadurch stndig zunehmen.
Schwere, groe Kugeln werdenim unteren Drittel des konischen
Behlters diskontinuierlich abge-zogen. In der Regel bilden sich
neue Kugeln aus Bruchstckenvon allein; erforderlichenfalls mssen
Kristallisationskeime in Form von Sand mit ca. 0,2 mm Korngre
zugesetzt werden.Ge-genber den drucklos arbeitenden
Fllungsreaktoren mit einerReaktionszeit von normalerweise 1-2
Stunden verkrzt sich dieseZeit bei unter Druck betriebenen
Schnellreaktoren auf ca. 5- 10Minuten.Hohe Konzentrationen an
organischen Verunreinig-ungen oder Magnesiumionen sowie geringe
Ortho- bzw.Polyphosphatgehalte knnen die Kristallisationen des
Calciumcar-bonats stren. Es resultieren daraus ein durch
CalciumcarbonatBzw. Magnesiumhydroxid getrbter Reaktorablauf und
eine erheb-lich verringerte Reaktionsgeschwindigkeit. Vielfach
kommt esdabei zu Anbackungsproblemen in der Reaktormasse.Bei
besonders ungnstiger Wasserzusammensetzung ist das Ver-fahren
deshalb nicht anwendbar. Eine leichte Trbung des Re-aktorablaufs
wird durch anschlieende Filtration ber Sand oderKies
beseitigt.30Kesselwasseraufbereitung30Hausanschrift:Fon &
Fax:Telefon : +49 700 27828324Telefax : +49 700 27828324 AQUATECH
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16835 Rthnick Schnellreatoren werden blicherweise in konischer
Bauweise er-richtet. Fr den Betrieb derartiger Anlagen ist ein
gleichmigerDurchsatz von Vorteil. Eine intermittierende Fahrweise
kannzu einem Wirkungsgradabfall fhren. Bei zeitlich sehr
unter-schiedlichem Wasserbedarf lt sich dieses Problem u.U.
durchZwischenschaltung eines entspechend dimensionierten
Puffer-behlter lsen.Die Wassertemperatur sollte bei diesem
Verfahren zwischen10 C und 30 C liegen. Die Dosierung von Kalkmilch
bzw. Kalk-wasser erfolgt blicherweise mengenabhngig zum
Rohwasser-strom. Eine automatische Steuerung der Kalkzugabe in
Abhngig-keit vom pH- Wert des ablaufenden Wassers ist vorteilhaft.
Da-durch lassen sich Schwankungen in der Kalkmilchkonzentrationund
Vernderungen in der Rohwasserzusammensetzung ausgleichen.Der
Reaktorablauf reagiert schwach alkalisch. Bei
optimalerVerfahrensgestaltung lassen sich im ablaufenden Wasser
Ks4.3-werte (m- Werte) von weniger als 0,5 mmol/l erreichen(
entsprech-end einer Carbonathrte von unter 1,5 d).Die berwachung
einer Schnellentcarbonisierungsanlage er-streckt sich im
wesentlichen auf die Ermittlung von Ks8.2(p- Wert) und Ks 4.3(m-
Wert). Anhand dieser Messungen ltsich die Dosiermenge an Kalk
beurteilen.Es bestehen folgende Zusammenhnge zwischen Ks8. 2und
Ks4.3Im Reaktorablauf:Meergebnis Aussage2 * Ks8.2< Ks4.3 bzw.2 p
Ks 4.3 bzw.2 p > mKalkmenge mu ver-ringert werdenDie Kontrolle
der Kalkmilchkonzentration erfolgt blicherweisemit einem
Dichtmesser.31Kesselwasseraufbereitung31Hausanschrift:Fon &
Fax:Telefon : +49 700 27828324Telefax : +49 700 27828324 AQUATECH
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16835 Rthnick Das Kalkwasser aus dem Kalksttiger wird ber die
Surekapazittbis zum pH 8,2 (p-Wert) kontrolliert. Der Gehalt ist
temperatur-abhngig. Es besteht folgender Zusammenhang:Temperaturim
Sttiger5 10 15 20 25 30 CKs 8 . 2( p- Wert)49,0 47,8 47,1 46,2 44,7
42,8Mmol/ kgDie Vorteile der Schnellentcarbonisierung wie kleiner
Reaktor,feste Reaktionsprodukte sowie geringer Wasserverlust bei
derEntfernung der Reaktormasse lassen sich bei Wssern mit
hohemAnteil organischer Substanzen bzw. groen
Magnesiumkonzentra-tionen nicht nutzen.Die Alternative einer
Langsamentcarbonisierung kommt praktischnur fr Groanlagen in Frage.
Bei diesem Proze knnen infolge der lngeren Verweilzeit und der
dadurch bedingten geringerenStreitgeschwindigkeit des Wassers die
ungnstigen Rohwassereigen-schaften beherrscht werden. Der Einsatz
zustzlicher Flockungs-mittel ist mglich. Aufgrund ihres groen
Inhalts erforderndiese Fllbehlter einen erheblichen Platzbedarf.Der
Reaktor wird diskontinuierlich entschlammt. Die Beseitigungdes
abgelassenen Dnnschlamms ist mit erheblichen Aufwandverbunden.Der
erreichbare Gehalt an Restcarbonathrte wird bestimmtdurch den
Fllmittelberschu, die Temperatur sowie die
Rohwas-serzusammensetzung.Das entcarbonisierte Wasser weist einen
geringeren Salzgehaltals das Rohwasser auf ( Teilentsalzung!), und
zwar um den An-teil der Salze, welche als Hydrogencarbonat im
Wasser vorlagen.32Kesselwasseraufbereitung32Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Entcarbonisierung durch IonenaustauscherIm
Gegensatz zur Schnellentcarbonisierung mit Kalk eignet sichdieses
Verfahren auch fr Wsser mit zeitlich stark schwanken-dem Gehalt an
Hydrogencarbonaten sowie fr eine diskontinuier-liche
Betriebsweise.Ionenaustauschermaterialien sind hochpors,
wasserunlslicheSubstanzen, welche heute in der Regel auf
Kunstharzbasis ( Poly-styrol bzw. Polycrylate) aufgebaut sind. Sie
besitzen meistensKugelform mit Durchmesser von ca. 0,3 - 1,5 mm.
Das Grund-gerst ist je nach Harzsorte gelfrmig oder
makropors.Aufgrund gezielter Herstellungsverfahren enthalten die
Harzeauf ihrer sehr groen Oberflche - 1g Harz etwa 300m!-
aktiveGruppen, an welchen ein Austauschvorgang mit Ionen des
um-gebenen Wassers ablaufen kann. In der praktischen Anwendungluft
der Austauschvorgang in Filtern ab. Bei diesen Filternhandelt es
sich in der Regel um stehende, zylindrische Druckbe-hlter aus einem
Material, welches gegen Sure- bzw. Laugenkor-rosion geschtzt ist
(z.B. gummierter Stahl, Kunststoff). DieIonenaustauschermasse ruht
auf einen Dsenboden.Die Aufnahmekapazitt der Harze ist begrenzt;
deshalb mssensie nach ihrer Erschpfung regeneriert werden. Bei der
Regene-ration wird der Beladungsvorgang umgekehrt. Man
unterscheidetbeim Betrieb eines Ionenaustauschers zwischen vier
Arbeitsgngen:- Rcksplung zur Auflockerung und gleichmigenSchichtung
der Masse- Regeneration mit Kochsalzlsung, Sure oder Lauge-
Auswaschen bis zur vollstndigen Entfernung
derRegenerierchemikalien- Beladung des Austauschers bis zur
Erschpfung.33Kesselwasseraufbereitung33Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Bei der Regeneration wird der Beladungsvorgang
umgekehrt. Dieseauch als Wiederbelebung bezeichnete Manahme
geschieht beiKationenaustauscher mit Sure (vorwiegend Salzsure) und
beiAnionenaustauschern mit Lauge (vorwiegend Natronlauge).
EinenSpezialfall stellt die Regeneration von
Kationenaustauschernmit Kochsalzlsung (Natriumchlorid) bei
Enthrtungsfiltern( Na- Austauscher) dar.Die aktiven Gruppen auf der
Harzoberflche sind in der Lage,entweder positiv geladene Ionen
(Kationen) gegen Wasserstoff-bzw. Natriumionen oder negativ
geladene Ionen (Anionen) gegenHydroxylionen auszutauschen. Nicht
ionogene Wasserinhaltsstoffepassieren das Austauscherharz ohne
Wechselwirkung. Hierzugehren zum Beispiel kolloidale Substanzen, l,
Fette sowieviele weitere organische Verunreinigungen. Alle
Nichtelektrolyteundmechanischen Verunreinigungen sind
erforderlichenfallsdurch geeignete Filtrations-, Fllungs- oder
Flockungsverfahrenaus dem Wasser zu entfernen. Den Austauschern mu
stehts einklares, schwebstofffreies Wasser zugefhrt werden,
welchesdarberhinaus praktisch frei von Eisen und Mangan ist
(SummeEisen und Mangan < 0,3 mg/l).Die Leistungsfhigkeit von
Ionenaustauschern hngt u. a. vonder Wassertemperatur ab. Ein
optimaler Arbeitsbereich liegtzwischen 15 und 25 C. Temperaturen
unter 10 C sind nach Mg-lichkeit zu vermeiden. Die Austauschermasse
ist vor dem Aus-trocknen sowie vor Frosteinwirkung zu schtzen.Im
Rahmen der Wasseraufbereitung fr Kesselanlagen gibt es
ver-schiedene Anwendungsmglichkeiten fr Ionenaustauscher.
Diejeweilige Arbeitsweise eines Austauschers wird bestimmt durchdie
Art der austauschaktiven Gruppen auf der Harzoberflche.Man
unterscheidet zwischen vier
Harztypen:34Kesselwasseraufbereitung34Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Austauschertyp austauscheraktive Gruppeschwach
saurerKationenaustauscherCarboxylgruppen(-- CO2H)schwach saurer
KationenaustauscherSulfonsuregruppen(-- SO3H)schwach basischer
Anionenaustauscherprimre, sekundre und tertireAminogruppen(-- NH2,
-- RNH, -- R2N)stark basischerAnionenaustauscherquartre
Ammoniumverbindungen(-- NH3+)Mit den unterschiedlichen
Austauschertypen lassen sich folgendeVerfahrensziele erreichen:-
Entcarbonisierung- Enthrtung- Teilentsalzung- Vollentsalzung.-
EntcarbonisierungsvorgangDer schwach saure Kationenaustauscher ( H-
Austauscher) kann dieKationen schwacher Suren austauschen bei
gleichzeitiger Frei-setzung der entsprechenden Sure. Er kann
deshalb bei natrlichenWssern nur zum Austausch der Kationen der
Hydrogencarbonateverwendet werden. Bei diesem Vorgang bildet sich
Kohlensure.Die schwach saure Austauschermasse wird nach der
Beladung rck-gesplt und mit Sure regeneriert. Die Regeneration kann
sowohl mitSalz- als auch mit Schwefelsure erfolgen. Die
erforderlichenSuremenge betrgt etwa 100 bis 110 % des theoretischen
Bedarfs. Im Vergleich zu den anderen Ionenaustauschertypen ist der
Regener-iermittelaufwand bei schwach sauren Kationenaustauscher
sehr gering.35Kesselwasseraufbereitung35Hausanschrift:Fon &
Fax:Telefon : +49 700 27828324Telefax : +49 700 27828324 AQUATECH
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16835 Rthnick BeladungNa2 Na2Ca(HCO3) 2+H2--ACa A+2 H2O+2 CO2Mg
MgHydrogencarbonat+ Austauscher beladener +
KohlensureAustauscherRegenerationNa2 Na2CaA+2 HC1 H2- A + CaC12Mg
MgBeladener + Salzsure wieder- +SalzAustauscher
belebterAustauscherWerden schwach saure Kationenaustauscher mit
Suremengen vonmehr als 100 % der Theorie regeneriert, liefern sie
zu Beginndes folgenden Filterspiels ein schwach mineralsaures
Wasser(Basekapazitt bis pH 4,3 > 0). Man kann diesem Verhalten
be-gegnen, indem man z.B. die Auswaschzeit verlngert (Ks4, 3 -0
mmol/l) bzw. dem aufbereitetem Wasser einen geringen Teil-strom
Rohwasser beimischt. Diese Manahme ist zweckmig,wenn ein
Natriumaustauscher nachgeschaltet ist.Der schwach saure
Kationenaustauscher wird ber die Surekapa-zitt bis zum pH 4,3 (Ks4.
3) kontrolliert. Er liefert im erstenDrittel bis etwa zur Hlfte des
Filterlaufs ein Wasser mitverhltnismig gleichbleibendem positiven
Ks4 . 3- Wert. An-schlieend beginnt der Ks4 . 3- Wert im
allgemeinen langsam biszur Erschpfung des Filters anzusteigen. Der
Abbruch des Filter-spiels wird willkrlich nach den betrieblichen
Belangen gewhlt( z.B. Ks4 . 3= 0,5 mml/l.Wenn der
Erschpfungszustand unter jeweils annhernd konstan-ten
Betriebsbedingungen erreicht wird, kann man immer mit dergleichen
Sure regenerieren.36Kesselwasseraufbereitung36Hausanschrift:Fon
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16835 Rthnick Wird dagegen aus einer betrieblichen Notwendigkeit
das Filter-spiel vor oder nach Erreichen des Erschpfungspunktes
abge-brochen, ist die erforderliche Regeneriermittelmenge jeweils
ge-sondert zu berechnen. Dabei wird vorausgesetzt, da der
Hydro-gencarbonatgehalt des Rohwassers konstant ist.Wird die
Suremenge nicht entsprechend angepat, verndertsich das
Austauschverhalten des Austauschers; er liefert dannim nchsten
Zyklus ein mineralsaures Wasser oder ein Wassermit einem berhhten
Ks4 . 3- Wert.Es gehrt zu den besonderen Eigenschaften des schwach
saurenKationenaustauschers, da die nutzbare
quivalentvolumenkapazi-tt (NVK) nicht konstant ist und z. B. von
der Temperatur desaufzubereitetenden Wassers, von der spezifischen
Belastung desFilterbetts und vom Verhltnis des
Gesamthydrogencarbonat- Ge-haltes zum Natriumhydrogencarbonat -
Gehalt abhngt.Mit steigender Temperatur nimmt das Aufnahmevermgen
deutlichzu. Bei einer Temperaturerhhung von 15 C auf 25 C - z.
B.durch lngeren Anlagenstillstand bedingt- steigt die NVK umca. 15
%, whrend sie bei einer Temperaturniedrigung von 15 Cauf 5 C um
etwa 20 % abnimmt.Dieses besondere Austauschverhalten erfordert
einen erheblichenAufwand bei der Automatisierung derartiger
Anlagen, wennkeine konstanten Betriebsbedingungen gewhleistet
sind.Fr eine Vollautomatisierung sind folgende
Verfahrensschrittenotwendig:- berwachung des Ks4 . 3- Wertes (z. B.
ber einen Testautomaten)- Auerbetriebnahme des Austauschers bei
Erreichen desvorgegebenen maximalen Ks4 . 3 - Wertes im Ablauf-
Registrierung des Wasserdurchsatzes whrend des zurck-liegenden
Filterspiels- Regeneration mit einer Suremenge, die sich aus dem
Wasser-durchsatz und dem Hydrogencarbonatgehalt des Wassers
er-rechnet (automatisierbar)- Auswaschen des Filters-
Inbetriebnahme des regenerierten
Filters.37Kesselwasseraufbereitung37Hausanschrift:Fon &
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16835 Rthnick Derartig arbeitende Anlagen sind auf dem Markt
erhltlich; aus Kostengrnden werden allerdings vielfach rein
mengenabhngigeSteuerung bzw. qualittsgesteuerte Anlagen mit fest
vorgege-benen Suremengen fr das Regenerieren erstellt. In diesen
Fllensind Probleme beim Betrieb einer derartigen
Entcarbonisierungs-anlage nicht auszuschlieen.Der Ablauf des
schwach sauren Kationenaustauschers enthlt dieaus dem
Hydrogencarbonat freigesetzte und ggf. die im Rohwasserursprnglich
vorhandene freie Kohlensure. Auerdem ist derSalzgehalt verringert
(Teilentsalzung !), und zwar um den Anteilder Salze, die als
Hydrogencarbonate im Rohwasser vorlagen.Zweckmigerweise wird die
Kohlensure unmittelbar anschlie-end durch Nachschaltung eines CO2-
Rieselers oder eines Va-kuum- Entgasers entfernt.Das ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn dem Rieseler
einNatriumaustauscher nachgeschaltet wird. Andernfalls nimmt
dieKohlensure bereits einen Teil der Kapazitt des
Natriumaus-tauschers in Anspruch.EnthrtungDurch die
Entcarbonisierung wird nur die Carbonathrte aus demWasser
entfernt;es findet somit eine Teilentsalzung statt. ImRohwasser
sind aber noch die nicht an Hydrogencarbonat gebun-denen
Hrtebildner vorhanden. Hierzu gehren z. B. CaSO4(Gips)und CaC12.
Diese Inhaltsstoffe knnen mittels Natriumaustausch( Basenaustausch)
entfernt
werden.CaSO4+Na2*ACa*A+Na2SO438Kesselwasseraufbereitung38Hausanschrift:Fon
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16835 Rthnick Beim dem Austausch der Kationen Calcium und
Magnesium gegen Na-trium wird der Salzgehalt des Wassers nicht
verndert. Unvern-dert bleiben auch die Anionenkonzentrationen, d.
h. die Sure-kapazitt bis pH- 4 , 3 (m- Wert) des Rohwassers ndert
sich z. B.hinter einem Basenaustauscher nicht. Mit diesem Verfahren
isteine Enthrtung bis auf
