Wasseraufbereitung

Die richtige Wasseraufbereitung ist für den sicheren und langlebigen Betrieb einer Dampfkesselanlage eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen. Die Wasserbeschaffenheit für Dampfkessel­anlagen unterliegt daher auch strengen Anforderungen.

Die in Dampfkessel­anlagen verwendeten Begriffe und ihre Synonyme für die unterschiedlichen Wasserströme werden im Folgenden kurz erläutert.

Begriffe für die unterschiedlichen Wasserströme und deren Erläuterung

Fehler in der Wasseraufbereitung, der Analytik zur Wasseraufbereitung und die mangelnde Überwachung der Wasserqualität sind nach wie vor die häufigsten Ursachen von Störungen des Betriebs oder gar Schäden in der Dampfkesselanlage.

Aus diesem Grund wurde auf europäischer Ebene ein weitreichendes Regelwerk verabschiedet, welches die Einhaltung genau definierter Wasserqualitäten für Speisewasser und Kesselwasser fordert.

Fachbericht: Moderne Wasseraufbereitung und Wasseranalytik

Durch diese Anforderungen an das, dem Dampfkessel zuzuführende Speisewasser und an das Kessel­wasser, werden folgende Schadens- und Fehlerursachen verringert oder vermieden:

• Korrosion
• Wasserseitige Ablagerungen
• Schäumen des Kesselwassers
• Schlammbildung

Damit die Wasserwerte eingehalten werden und somit Schäden durch erhöhte Konzentration von problematischen Wasserinhaltsstoffen vermieden werden muss das Frischwasser aufbereitet werden.

Hierzu werden abhängig von der Leistung der Kesselanlage, der Kondensatrate und den Inhaltsstoffen im zur Verfügung stehenden Frischwasser verschiedene Maßnahmen in der Wasseraufbereitung eingesetzt um das Wasser für den Einsatz im Kesselbetrieb aufzubereiten.

Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Inhaltsstoffe im Frischwasser oder Kondensat, die sich daraus ergebenden Gefahren für den Dampfkessel und die Dampfkesselanlage sowie die Maßnahmen die in der Wasseraufbereitung getroffen werden müssen.

Inhaltsstoffe von Frischwasser und Kondensat

Die Grundlage der Auslegung einer Wasser­aufbereitungs­anlage sollte immer eine detaillierte Analyse der verfügbaren Frischwasserqualität sein.

 

Enteisenung und Entmanganisierung

Bei der Enteisenung und Entmanganisierung werden im Wasser gelöste Eisen-(II)-Ionen (Fe²⁺) und Mangan-(II)-Ionen (Mn²⁺) zunächst zu höherwertigen Ionen oxidiert. Die Oxidation kann mit Sauerstoff (O₂), mit anderen oxidierenden Chemikalien wie Kaliumpermanganat (KMnO₄) oder per Katalyse erfolgen. Die entstehenden Ausfällprodukte können im Anschluss über ein Filtergranulat abfiltriert werden.

 

Enthärtung

Funktionsweise Ionentauscher

Der Ionenaustausch ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Wasserenthärtung. Dabei werden die Härte bildenden Stoffe Calcium und Magnesium gegen harmloses Natrium ausgetauscht. Der Ionen­austausch ist ein einfaches und effizientes Verfahren zur Wasserenthärtung, bei dem nur geringe Kosten für den Verbrauch von speziellem Regeneriersalz entstehen.

Funktionsweise eines Ionentauschers zur Wasserenthärtung

Betriebszustand A: Enthärtung des Wassers

Bei der Wasserenthärtung durch den Ionenaustausch läuft eine chemische Gleichgewichtsreaktion ab. An dem im Drucktank enthaltenen Austauscherharz haften Natriumionen. Sobald kalkhaltiges Wasser durch die Enthärtungsanlage strömt werden die im Frischwasser enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen an das Tauscherharz gebunden. Dieses gibt im Austausch Natriumionen ab.

Betriebszustand B: Beginn der Regeneration

Das Tauscherharz nimmt solange neue Härtebildner auf bis es gesättigt ist. Dann muss das Ionenaus­tauscherharz regeneriert werden. Dazu wird spezielles Enthärtersalz benötigt, welches in Wasser zu Salzsole gelöst wird.

Bei der Regeneration wird das Tauscherharz mit der Salzsole durchspült. Durch den Überschuss an Natrium in der Salzsole gibt das Harz die Calcium- und Magnesiumionen wieder ab und nimmt Natriumionen auf.

Betriebszustand C: Ende der Regeneration

Da das Harz vorwiegend Calcium- und Magnesiumionen an sich bindet, kann es nicht komplett regeneriert werden. Deshalb wird empfohlen nur Wasserenthärter mit einer sogenannten Sparbesalzung einzusetzen.

Betriebszustand D: Erneuter Beginn der Enthärtung des Wassers

Ist der Regenerationsvorgang abgeschlossen wird der Ionentauscher mit Wasser gespült und ist bereit für einen weiteren Zyklus der Wasserenthärtung.

Bei größeren Enthärtungsanlagen ist es empfehlenswert Doppelanlagen einzusetzen. Bei diesen ist ein wechselseitiger Betrieb möglich.

Dabei kann ein Ionentauscher enthärtetes Wasser erzeugen während im Anderen die Regeneration stattfindet. Somit kann eine ständige Verfügbarkeit von enthärtetem Wasser gewährleistet werden.

Entsalzung

Im Kessel verdampft das Wasser ohne die darin gelösten Salze, so dass die Salz­konzentration im zurückbleibenden Kesselwasser steigt. Damit die zulässige Salz­konzentration nicht überschritten wird muss kontinuierlich abgesalzt werden, wobei Energie- und Wasserverluste entstehen.

Um die Absalzrate zu verringern ist besonders bei geringen Kondensatraten < 50 %, und einer hohen Leitfähigkeit im Frischwasser eine Entsalzung des Frischwassers sinnvoll. Die Entsalzung wird dabei nach der Enthärtung angeordnet. Als gängigstes Verfahren ist hier die Umkehrosmose zu nennen.

Berechnung der Absalzrate

Die erforderliche Absalzrate kann durch die gemessene Leitfähigkeit im Speisewasser oder mit Hilfe der Zusatz­wasserparameter und der Kondensatrate (Kondensat besitzt i.d.R. eine vernachlässigbar kleine Leitfähigkeit) folgendermaßen berechnet werden:

Neben der Leitfähigkeit können noch weitere Wasserparameter wie der Kieselsäuregehalt SiO₂ oder die (Karbonat-) Härte mit dem Grenzwert Ks 8,2 die Absalzrate bestimmen. Dabei ist immer der größte errechnete Wert für die tatsächliche Absalzrate maßgebend.

Diese Parameter können analog der obigen Formel für die Leitfähigkeit berechnet werden:

Berechnung der Absalzrate
1) Die Absalzrate ergibt sich aus dem größten Wert. In diesem Beispiel aus der Leitfähigkeit mit 3,27 %.

Umkehrosmose

Das Prinzip der Umkehrosmose beruht darauf, dass der Diffusionswiderstand der Poren der eingesetzten Trenn-Membranen für die kleineren Wassermoleküle wesentlich geringer ist als der Widerstand der größeren im Wasser gelösten Ionen. Ist das System im Gleichgewicht ist der Druck auf der Konzentrat­seite (Retentat) höher als auf der Rein­wasserseite (Permeat). Dies wird auch als osmotischer Druck bezeichnet und ist als Höhendifferenz ersichtlich.

Die technische Nutzung zur Entsalzung des Wassers erfolgt mit Hilfe künstlicher Membranen, wobei der natürliche Vorgang der Osmose durch eine Druckerhöhung auf der Konzentratseite umgekehrt wird. Dadurch werden gelöste Salze, aber auch organische Stoffe nahezu vollständig zurückgehalten.

Veranschaulichung des Osmotischen Drucks (A), der Umkehrosmose durch eine Druckauflastung auf der Konzentratseite (B) und des kontinuierlichen Umkehrosmose-Prozesses (C)

Allgemeine Übersicht der Trenngrenzen und Trennverfahren in der Wasseraufbereitung

Das erzeugte Reinwasser steht kontinuierlich zur Verfügung und das entstandene Konzentrat kann ohne weitere Behandlung in die Kanalisation geleitet werden.

Voraussetzung für den Einsatz einer Umkehrosmose­anlage ist eine vorgeschaltete Enthärtung des Wassers. Ebenso muss das Wasser klar und frei von unlöslichen Fremdstoffen insbesondere auch frei von organischen Verunreinigungen sein, um ein Verblocken der Membranen zu vermeiden.

Das enthärtete Wasser wird mit einem Druck < 40 bar in die, mit einer Membran ausgerüsteten, Module geleitet. Reines Wasser und ein minimaler Anteil von kleinen Salzionen diffundieren durch die Membran und bilden das Permeat (lateinisch: permeare = durchdringen), das als teilentsalztes Wasser zur Ver­fügung steht. Der Permeatanteil des eingesetzten Wassers beträgt 80 ... 95 %. Der Rest (5 ... 20 %) der ursprünglichen Wassermenge ist das salzreiche Konzentrat, auch Retentat genannt (lateinisch: retinere = zurückhalten), welches verworfen wird.

Der Umkehrosmose-Prozess verläuft im kontinuierlichen Anlagenbetrieb nahezu ohne Einsatz von Chemikalien und es werden etwa 98 % der Salze zurückgehalten, so dass im Permeat eine Leitfähigkeit von weniger als 15 μS/cm vorhanden ist. Die korrekte Funktion der Anlage wird dabei über eine Leit­fähigkeitsmessung im Permeat überwacht.

Um die Anlagen zur Umkehrosmose möglichst klein dimensionieren zu können ist ein Permeat­sammel­behälter sinnvoll. Aus diesem erfolgt dann die Nachspeisung in den Entgaser des Speisewasserbehälters.

Schematische Darstellung einer Umkehrosmose-Wasseraufbereitung mit Permeatbehälter

Vollentsalzung

Eine Vollentsalzung des Wassers mit einer Leitfähigkeit < 0,2 μS/cm wird durch vollständigen Ionen­austausch mit dazwischen angeordnetem CO₂-Riesler erreicht, wenn hinter dem Anionenaus­tauscher zusätzlich ein Mischbettfilter installiert wird. In dem Filter sind Kationen- und Anionenaus­tauscher kom­biniert. Zur Optimierung der Vollentsalzung und reduziertem Verbrauch an Regenerationsmittel werden in den Aufbereitungsschritten zusätzlich schwach saure und schwach basische Anionentauscher vor den stark sauren bzw. stark basischen Tauschern vorgeschaltet. Das vollentsalzte Wasser wird auch als Deionat bezeichnet.

 

Thermische Entgasung

Durch korrosive Bestandteile in Speisewasser oder Kondensat können Speisewasserbehälter, Kessel, Economiser oder das Rohr­leitungsnetz Schaden nehmen. Verursacht werden diese vorwiegend durch Sauerstoff- oder Kohlensäurekorrosion.

Die Sauerstoff-Korrosion führt dabei zu partiellen, narbenförmigen Löchern im Grundmaterial. Die Korrosion frisst sich immer tiefer ins Material. Sie zeigt das typische Schadensbild des „Lochfraßes“.

Schäden durch Sauerstoffkorrosion im Kessel und an Rohrleitungen

Vollentgasung

Bei Betriebsdrücken von 0,1 ... 0,3 bar und damit Temperaturen von über 100 °C kann der Sauerstoff­gehalt im Speisewasser von maximal 0,02 mg O₂/l und der CO₂-Gehalt von maximal 1 mg CO₂/l zuver­lässig eingehalten werden, so dass man von einer Vollentgasung spricht.

Chemische Sauerstoffbindemittel werden hier nur in geringem Maße eingesetzt, um sicherzustellen, dass keinerlei Restsauerstoff im Speisewasser vorhanden ist.

Vergleich von Sprühentgaser und Rieselentgaser
1) Empfohlen für Wärmerückgewinnung mit Zusatzwasser

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer Vollentgasung mit Rieselentgaser

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer Vollentgasung mit Sprühentgaser

Teilentgasung

Findet die Entgasung nur bei etwa 90 °C statt spricht man von einer Teilentgasung, da ein Rest der gebundenen Gase noch im Wasser verbleiben kann. Hier ist dann ein erhöhter Einsatz von chemischen Sauerstoffbindemitteln notwendig, um vor allem den restlichen Sauerstoff im Speisewasser chemisch zu binden, damit er keine Korrosion im Kessel und der restlichen Dampfanlage verursachen kann.

Speise­wasserversorgung – Teilentgasung

 

Chemische Dosierung

Um die geforderten Wasserqualitäten zuverlässig sicherstellen und überwachen zu können müssen bestimmte Speise- und Kessel­wassereigenschaften durch eine zusätzliche Behandlung mit Chemikalien verbessert werden.

Diese chemische Dosierung unterstützt die Sicherstellung folgender Punkte:

• Bindung von Restsauerstoff
• Verringerung von Korrosion durch Einstellung des pH-Wertes
• Stabilisierung der Resthärte
• Verhinderung von Ablagerungen und Kesselsteinbildung

Die Dosiermittel werden dabei im Speisewasserbehälter zu dosiert, damit eine ausreichende Reaktionszeit im Wasser von etwa 30 min gegeben ist.

Üblicherweise wird für die Sauerstoffbindung Natriumsulfit und für die Resthärtebindung und die pH-Wert Anhebung Trinatriumphosphat eingesetzt.

Fachbericht: Moderne Wasseraufbereitung und Wasseranalytik