Heizkessel sind sehr nützliche Geräte, in denen Wasser (zumindest in den meisten Fällen) erhitzt wird.
Die Dämpfe oder ihre Wärme der Füssigkeit, können dann für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden: für die Zentralheizung, die Abwasserentsorgung oder für die Stromerzeugung auf Kesselbasis, um nur einige zu nennen [1][2].
Bei industriellen Anwendungen steht ein Kessel in der Regel ständig unter Druck und verfügt über einen hohen Wasserdurchsatz.
Es muss daher in einem guten Zustand gehalten werden, um diesen Belastungen standzuhalten.
1. Aufrechterhaltung der Kesselfunktionalität
Die Effizienz eines Heizkessels hängt von vielen Faktoren ab:
- wie gut er die Wärme speichert?
- wie schnell die Wärme auf das Wasser übertragen wird?
- Wie viel der übertragenen Wärme geht nicht durch Nebenreaktionen verloren?
und noch vieles mehr…
Diese Faktoren hängen sehr stark von den Inhaltsstoffen des Heizungswassers sowie von den Materialien ab, aus denen die Heizkessel und die Leitungen bestehen.
Die Sicherstellung, dass sich diese Komponenten in einem optimalen Zustand für ihre Verwendung befinden, ist nicht nur entscheidend für die Aufrechterhaltung der Effizienz, sondern auch für die Vermeidung von Unfällen aufgrund von beschädigten Leitungen oder Hitzeflecken.
2. Wasseraufbereitung
Die Aufbereitung von normalem Wasser vor dem Einleiten in die Kesselanlage ist der Schlüssel zu einer langen Lebensdauer und Wirksamkeit des Kessels, da es eine Vielzahl von Ionen und Molekülen gibt, die für die Anlage schädliche Nebenreaktionen verursachen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten der Wasseraufbereitung:
⇛ Umkehrosmose
⇛ Entgasen
⇛ Sauerstoffabsorber
Der wichtigste Teil der Wasseraufbereitung ist die Umkehrosmose.
Bei diesem Verfahren wird das Wasser durch Anwendung eines Drucks gereinigt, der größer ist als der osmotische Druck. Dieser Druck drückt die Flüssigkeit durch eine teilweise durchlässige Membran, die größere Partikel, Moleküle und Ionen zurückhält.
Das Ergebnis ist, dass das durch die Membran gepresste Wasser eine hohe Reinheit aufweist.
Dadurch lassen sich verschiedene Probleme vermeiden, wie z. B.:
- Schäumen (Verunreinigungen)
- Kesselsteinbildung (Karbonate)
Die Bildung von Kesselstein ist eine besondere Form des Foulings, d. h. der Ablagerung von Feststoffen auf Oberflächen.
Bei Ablagerungen handelt es sich meist um Mineralien und/oder Salze, die sich im Kesselrohr oder auf Wärmeübertragungsflächen ablagern.
Dadurch wird die Wärmeübertragung verlangsamt, und es entstehen lokale Stellen, die zur Überhitzung neigen und schließlich zum Bruch des Kesselrohrs führen können.
Es gibt viele Ansätze zur Minimierung von Sauerstoff und Kohlendioxid, da diese das Kesselsystem schädigen und Korrosion und Kesselstein verursachen können.
Daher ist es wichtig, dass das Zulaufwasser des Kessels eine sehr geringe Konzentration dieser Moleküle enthält.
Dies wird in der Regel durch Entgasung erreicht, die auf verschiedene Weise erfolgen kann, z. B. durch Vakuumentlüfter, mechanische Pumpen oder Entlüftungsheizungen.
Die Verringerung und Überwachung des Sauerstoffgehalts ist daher für die Langlebigkeit der Kesselanlage von entscheidender Bedeutung.
3. Wasserüberwachung
Der Einsatz von Vorrichtungen und chemischen Methoden zur Verringerung oder Umgehung negativer Auswirkungen ist zwar notwendig, aber ohne Kontrolle ist es schwierig festzustellen, wie viel Wirkung die einzelnen Maßnahmen haben.
Außerdem kann die Überwachung bestimmter Parameter viele Hinweise auf den Zustand des Systems geben und als Warnsystem dienen.
Da immer mehr Daten gesammelt werden, hilft die Überwachung, den optimalen Bereich von Parametern zu finden.
Dadurch wird der Wirkungsgrad des Kessels erhöht und die Menge der zu verwendenden Chemikalien verringert, was langfristig Kosten spart.
HI510 • HI520
Ein- und zweikanalige universelle Prozesssteuerungen
HI510 und HI520 sind fortschrittliche Prozesssteuerungen, die für Anwendungen konfiguriert werden können, die die Überwachung und/oder Steuerung von vier Hauptparametern für die Wasseranalyse erfordern:
- pH-Wert
- Leitfähigkeit
- Gelöster Sauerstoff
- Redoxpotential
Diese Steuerungen verfügen über einen digitalen Fühlereingang, der automatisch den gemessenen Parameter erkennt und die Steuerung aktualisiert.
pH-Überwachung
Einer der wichtigsten zu überwachenden Parameter ist der pH-Wert.
Dies ist auf seinen Einfluss auf viele verschiedene Prozesse zurückzuführen:
- Geschwindigkeit der Sauerstoffabsorption
- bei einem hohen pH-Wert kommt es zu Schaumbildung und Ablagerungen
- bei niedrigem pH-Wert kommt es eher zu Korrosion
- Silikatablagerung
- Laugenversprödung
Für die Überwachung wird eine industrietaugliche pH-Elektrode wie die Serie HI1006-38 empfohlen, da sie langlebig und hitzebeständig ist.
Eine gängige Empfehlung lautet zwar, den pH-Wert bei 8,5 zu halten (z. B. durch Verwendung von NaOH), doch ist zu beachten, dass der optimale pH-Wert unter anderem von der im Kessel verwendeten Legierung und der chemischen Behandlung des Wassers, abhängt.
Redox-Überwachung
Das Oxidations-Reduktions-Potenzial ist ein guter Hinweis auf den Gehalt an freiem Chlor.
Er ist somit der Parameter der Wahl im Sanierungs-/Desinfektionsbereich der Kesselanlage und kann mit der HI2004-18-Serie überwacht werden
Überwachung der Leitfähigkeit
Die ständige Überwachung der Leitfähigkeit des Speisewassers kann Aufschluss über dessen Gehalt an Ladungsarten geben und dient als Warnung vor Schaumbildung und Korrosion.
Dies kann mit Prozesselektroden wie der HI7630-28 geschehen.
Überwachung des gelösten Sauerstoffs
Wie bereits erwähnt, ist die Entfernung von Sauerstoff wichtig, um eine lange Lebensdauer des Heizkessels zu gewährleisten.
Die Überwachung des Sauerstoffgehalts in Abhängigkeit von den verwendeten Sauerstoffbindemitteln stellt nicht nur sicher, dass die O₂-Konzentration nicht zu hoch ist, sondern ermöglicht es dem Benutzer auch, den optimalen Wert für die Konzentration der Bindemittel zu finden und so unnötige Kosten zu vermeiden.
Ein solches Überwachungsgerät ist die Serie HI7640-58.
4. Wasseranalyse
Eine kontinuierliche Überwachung ist zwar wichtig, aber es ist unmöglich, alle Parameter in jedem Abschnitt des Kesselsystems zu überwachen.
Regelmäßige Probenahmen und die Entnahme von Wasser aus diesen Abschnitten sind daher entscheidend, um den Zustand des Systems wirklich zu verstehen.
pH-Analyse
HI99141
pH-Messgerät für Heizkessel und Kühltürme
Die Spezialelektrode HI729113 verfügt über einen Titankörper, eine flache Spitze und eine poröse PTFE-Verbindung, wodurch sie sich perfekt für die pH-Messung von behandeltem Kessel-, Speisewasser und Dampfkondensat eignet.
Analyse der Leitfähigkeit (EC)
HI98197
Ultrareines Wasser
EC/Widerstandsmessgerät
Das HI98197 wird komplett mit allem Zubehör geliefert, das für die Durchführung von Reinstwassermessungen erforderlich ist, verpackt in einem robusten Tragekoffer.
Zum Zubehör gehören eine Edelstahl-Durchflusszelle und eine Vierring-Leitfähigkeitssonde mit Gewinde, die eine hohe Auflösung von 0,001 μS/cm für die Leitfähigkeit und 0,1 MΩ * cm für den spezifischen Widerstand ermöglicht.
- Durchflusszelle aus Edelstahl
- Vierring-Leitfähigkeits-/Widerstandsmesssonde
- 0.001 μS/cm Auflösung
Analyse des gelösten Sauerstoffs
HI98198
Optisches Messgerät für gelösten Sauerstoff
Die Quick-Connect-Sonde ist ideal für den Einsatz vor Ort oder im Labor. Sie benötigt keine Membranen, keine Fülllösung und keine Aufwärmzeit, so dass Sie ohne zu zögern messen können.
Ihr Messgerät wird in einem robusten, speziell angefertigten Tragekoffer geliefert, der den Transport erleichtert.
- Optische DO-Technologie für schnelle und stabile Messwerte, auch in schwierigen Umgebungen.
- Die digitale Sonde mit Smart Cap Technology macht kostspielige, lästige Membranen und Lösungen überflüssig.
- Ein wasserdichtes, robustes Gehäuse nach IP67 macht dieses tragbare Messgerät ideal für den Einsatz vor Ort.
Die vollständige Wasseranalyse kann mit einem Multiparameter-Photometer (HI83300, HI83305) oder einem Spektralphotometer (HI801) durchgeführt werden.
Analyse von Sauerstofffängern
Während mechanische/physikalische Entlüfter die meiste Arbeit leisten, werden diese in der Regel mit chemischen Sauerstofffängern kombiniert.
Diese Stoffe binden Sauerstoff, wodurch seine Konzentration auf ein noch niedrigeres Niveau sinkt [6].
Die in Kesselanlagen am häufigsten verwendeten Sauerstofffänger sind Natriumsulfit, Natriumbisulfit, Hydrazin und ihre katalysierten Versionen. Es ist auch möglich, organische Verbindungen wie Hydrochinon und Ascorbat zu verwenden.
Hydrazin wird aufgrund seiner toxischen Eigenschaften in absehbarer Zeit immer seltener verwendet werden.
Analyse der Karbonate
Karbonate bilden Schuppen, die typischerweise körnig und porös sind.
Die häufigste Ablagerung ist Kalk, der hauptsächlich aus Kalziumkarbonat (CaCO3, Reaktion (2)) besteht und ziemlich schwer zu reinigen ist [4]. Diese Substanz bildet sich in Gegenwart von Calcium/Magnesium und Bicarbonat (HCO3-), wobei letzteres direkt aus gelösten Carbonaten (CO32-, Reaktion (1)) oder aus Kohlendioxid (CO2, Reaktion 1) stammen kann:
Wenn das Wasser heiß oder der Druck niedrig genug ist, wird die Freisetzung von Gasen thermodynamisch bevorzugt, so dass sich das Gleichgewicht der Reaktion (2) nach rechts verschiebt.
Da Wärmevermeidung bei Kesselanlagen keine Option ist, ist es von größter Bedeutung, dass sowohl der Gehalt an Karbonaten als auch an Kohlendioxid so gering wie möglich ist. Im Falle von Kohlendioxid kann dies durch Entlüftung und Entgasung erreicht werden.
Messungen können auf verschiedene Weise vorgenommen werden:
Wasserhärte / Ca-Härte / Mg-Härte
Analyse der Sulfate
Im Gegensatz zu Karbonaten sind Sulfate in der Regel dicht, hart und spröde.
Kalziumsulfat ist das häufigste Beispiel für Kesselstein, es hat eine geringe Löslichkeit und bildet sich nach der Reaktion (3)[5]:
Wenn sich Calciumsulfat in Wasser auflöst (Umkehrreaktion von (3)), setzt es Energie in Form von Wärme frei.
Die Abkühlung des Wassers erhöht die Löslichkeit dieses Salzes, da die Abgabe von Wärmeenergie an kältere Stoffe begünstigt wird. Umgekehrt verringern höhere Temperaturen die Löslichkeit von Calciumsulfat und führen zu Ausfällungen. Daher ist die Ablagerung von Karbonaten und Kalziumsulfat auf heißen Oberflächen stärker ausgeprägt, wenn auch aus unterschiedlichen Gründen.
Analyse der Alkalinität
Ein hoher Alkaligehalt, der von Karbonaten herrührt, ist für Dampfkessel recht problematisch.
Die Karbonate reagieren zu CO2, einer gasförmigen Komponente, die dann mit dem Dampf abgeleitet wird.
Sobald sie eine kühle, feuchte Oberfläche erreicht, bildet sie Kohlensäure (H2CO3, siehe Reaktion (5)), die die Dampfleitungen korrodieren kann.
Neben der Verwendung von reinem Wasser wäre eine weitere Methode zur Lösung dieser Probleme die Verwendung von Polyphosphaten als Dispersionsmittel.
In ihrer Gegenwart reagiert Kalzium und fällt als Trikalziumphosphat aus, das in Wasser unlöslich ist.
Daher kann es über den Kesselboden oder Abschlämmungen entsorgt werden.
Analyse des freien Chlors
Da Wasser nicht durch Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Algen verunreinigt werden kann, ist es wichtig, das System zu sterilisieren, um deren Wachstum zu verhindern.
Diese Mikroorganismen würden sonst Beläge auf den Kessel- und Leitungsoberflächen bilden, die zu Verstopfungen oder Korrosion führen können.
Bei der Zugabe von Chlor in das Wasser entstehen ClO– und HClO–, die zusammen als „freies Chlor“ bezeichnet werden.
HClO, die aktive Verbindung der beiden, tötet die oben genannten Mikroorganismen sehr wirksam ab und verhindert so die Probleme, die ihr Wachstum verursachen würde.
Es wird empfohlen, den Gehalt an freiem Chlor bei 0,05 bis 0,1 mg/L zu halten, da Werte unterhalb dieses Bereichs die Abtötung der Schadstoffe nicht garantieren.
Analyse der Kieselsäure
Silikatvorkommen sind in der Regel sehr hart und dicht, sogar noch härter als Sulfate.
Ähnlich wie die Eisenoxide bestehen sie aus Silizium und Sauerstoff und sind ebenfalls eine Substanzklasse mit unterschiedlichen Zusammensetzungen. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen ist das Problem der Ausfällung von Silikaten jedoch nicht nur auf die Kesseloberfläche beschränkt.
Kieselsäure kann in die Gasphase übergehen, bis ein Gleichgewicht mit der flüssigen Phase erreicht ist. Dieses Gleichgewicht wird durch Druck, Temperatur und den pH-Wert beeinflusst [7].
Im Allgemeinen gilt: Je höher der Druck und die Temperatur und je niedriger der pH-Wert, desto höher der Silikatgehalt im Dampf. Dies bedeutet, dass Silikate über den Dampf übertragen werden und sich auf kühleren Oberflächen, wie z. B. Dampfturbinen, ablagern können.
Silikate sind chemisch inert, das heißt, sie reagieren kaum mit Chemikalien. Das macht es sehr schwierig, sie zu entfernen. Vorbeugende und korrigierende Maßnahmen sind daher unerlässlich und in der Regel kostengünstiger als der Ausbau der Waage oder der Austausch der betroffenen Teile.
Eine solche Abhilfemaßnahme wäre eine erhöhte Kesselabschlämmung, um den Kieselsäuregehalt zu senken.
So hat der Betreiber Zeit, die Ursache für die Siliziumdioxid-Kontamination zu finden und zu beheben.
Die richtige Einstellung des Kesselsystems und eine gute Praxis der ständigen Überwachung und regelmäßigen Analyse stellen sicher, dass Ihr Kessel lange Zeit optimal funktioniert.
Haben Sie noch Fragen?
Wenden Sie sich an einen technischen Spezialisten von Hanna unter [email protected] oder verwenden Sie unser Kontaktformular.
QUELLEN:
[1] Steingress, Frederick M. (2001), Low Pressure Boilers (4th ed.), American Technical Publishers
[2] Steingress, Frederick M.; Frost, Harold J.; Walker, Darryl R. (2003), High Pressure Boilers (3rd ed.), American Technical Publishers
[3] Anthony A. Miele (1945); Boiler Tube Performance (PDF). Ohio State University
[4] Hermann Weingärtner (2006, December), „Water“ in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim
[5] Franz Wirsching (2012), „Calcium Sulfate“ in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim
[6] Sendelbach M. (1988), Boiler-water treatment: Why, what and how. Chemical Engineering, 95(11), p. 129
[7] A. Bahadori, H.B. Vutharulu (2010), “Prediction of silica carry-over and solubility in steam of boilers using simple correlation”, Applied Thermal Engineering, Vol. 30, pp. 250-253
[8] Krishnamurthy et al. (1 August 2007), Engineering Chemistry, PHI Learning Pvt. Ltd. p. 146
[9] Mellor J. W. (1941), Intermediate Inorganic Chemistry, London: Longman, Green & Co. p. 202
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