Kesselsteinbildung verhindern: Wie überwacht ein Wasserqualitätsanalysator Härte und Siliziumdioxid, um die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern?
Einführung
Kesselsteinbildung kann negative wirtschaftliche und anlagentechnische Folgen haben. Die Bildung einer harten Schicht, verursacht durch Härtebildner und Kieselsäure im Wasser, kann die Wärmeübertragung verringern. Kohlenstoffstahl, das gängigste Material für Kessel, besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 50 W/mK. Kesselstein, beispielsweise aus Calciumsulfat, weist hingegen eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,6 W/mK auf. Dies bedeutet, dass die Heizleistung erheblich erhöht werden muss, um die Wärme durch den Kesselstein zu transportieren.Was ist Kesselstein und warum stellt er ein Problem dar?
Kessel sind Geräte, die durch Phasenübergang von Wasser Dampf erzeugen. Typischerweise werden Erdgas, Propan, Öl, Kohle oder Strom als Heizquelle verwendet. Wenn Wasser mit hoher Härte oder hohem Kieselsäuregehalt in den Kessel gelangt, bildet es Kesselstein, der sich an den Heizelementen ablagern kann. Außerdem bildet sich am Kesselboden Schlamm, der zur Aufrechterhaltung der chemischen Zusammensetzung aus dem Kessel geblasen wird.Gründe für die Schuppenbildung
Nachdem wir nun wissen, dass Kesselsteinbildung ein Problem für den Kesselbetrieb darstellt, können wir uns der Frage zuwenden, warum Kesselsteinbildung auftritt:
Wasserhärte
Die Wasserhärte wird durch das Vorhandensein von Calcium- und Magnesiumionen angezeigt. Unter Hitzeeinwirkung fallen die Ionen als Carbonate und Sulfate aus. In alkalischem Milieu bilden sie Calciumcarbonat und Magnesiumhydroxid. Diese bilden eine harte Schicht auf der Oberfläche des Heizelements. Selbst bei einer Konzentration von unter 0,1 ppm kann die Kristallisation in Hochdruckkesseln mit hohen Temperaturen beschleunigt werden. Unbehandelt kann dies zu einer Verringerung des Rohrinnendurchmessers führen.Vorhandensein von Kieselsäure im Wasser
Im Vergleich zur Härte bildet Siliziumdioxid eine eher glasartige Schicht. Es ist deutlich dichter als Kalkablagerungen. Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumdioxid ist wesentlich geringer als die von Kalkablagerungen. Selbst bei der mikroskopisch dünnen Schicht kann die erforderliche Wärmeübertragung zum Ausfall oder zur Überhitzung der Heizelemente führen. Die Ablagerungen sind nahezu permanent. Ihre Entfernung kann mechanisches Bohren oder den Einsatz von gefährlicher Flusssäure erfordern. Darüber hinaus verdampft Siliziumdioxid bei einem Druck von 400 psig, wodurch es in Anlagen wie Turbinen gelangen und deren Schaufeln beschädigen kann.Empfohlene Wasserqualitätsstandards für Heizkessel
Die Wasserqualitätsparameter werden üblicherweise vom Kesselhersteller festgelegt. Es wird empfohlen, die Wasserchemie innerhalb des definierten Bereichs zu halten. Diese entsprechen in der Regel den Vorgaben des ASME-Codes (American Society of Mechanical Engineers), CRTD-Vol. 34. Der Titel des Codes lautet „Consensus on Operating Practices for the Control of Feedwater and Boiler Water Chemistry“ (Konsens über Betriebspraktiken zur Kontrolle der Speisewasser- und Kesselwasserchemie). Er gilt als Branchenstandard für Wasserrohrkessel. Die allgemeine Richtlinie enthält eine Tabelle, die die Notwendigkeit verdeutlicht, die Anforderungen an die Wasserchemie mit steigendem Betriebsdruck zu verschärfen.Parameter | 0-300 psig | 301-600 psig | 901-1.000 psig |
Gesamthärte (ppm) | <0,3 | <0,2 | Keine erkannt |
Siliciumdioxid (ppm) | <150 | <40 | <8 |
Gesamtalkalität (ppm) | <700 | <500 | <200 |
Spezifische Leitfähigkeit | 7000 S/cm | 5000 S/cm | 2000 S/cm |
Wie Wasserqualitätsanalysatoren funktionieren
Wasserqualitätsanalysatoren überwachen die Kesselprozesse. Das Vorhandensein von Kalzium- und Magnesiumionen in Verbindung mit Siliziumdioxid ist für das menschliche Auge nicht erkennbar. Wasserqualitätsanalysatoren nutzen hochentwickelte Technologie, um diese Verunreinigungen im Zusammenhang mit der Kesselsteinvermeidung zu erkennen. So funktioniert es:Überwachung der Härte
Die modernste und schnellste Methode zur Wasserhärteanalyse sind ionenselektive Elektroden (ISE). Der Sensor reagiert mit Calcium- und Magnesiumionen. Er basiert auf dem Prinzip der Nernst-Gleichung:Überwachung von Siliziumdioxid
Im Vergleich zur Härtemessung erfordert die Überwachung von Siliciumdioxid deutlich komplexere Konstruktionen von Wasseranalysegeräten, insbesondere um Kesselsteinbildung zu vermeiden. Die gängigste Methode ist die Molybdänblau-Methode. Dabei wird siliciumdioxidhaltiges Wasser zur Detektion tiefblau gefärbt. Siliciumdioxid reagiert unter sauren Bedingungen mit Molybdat und bildet Siliciummolybdatblau. Die Intensität der blauen Farbe gibt Aufschluss über den Siliciumdioxidgehalt im Wasser. Ein Emitter mit einer Wellenlänge von 810 nm durchdringt die Wasserprobe. Der Absorber am anderen Ende misst die durchgelassene Lichtmenge. Das erzeugte Signal korreliert direkt mit dem im Wasser vorhandenen Siliciumdioxidgehalt. Der Nachweisbereich des Wasseranalysegeräts für Siliciumdioxid liegt zwischen 0 und 200 ppb mit einer Genauigkeit von ±1 %.Echtzeitüberwachung und Frühwarnung zur Verhinderung von Schuppenbildung
Die Echtzeitüberwachung des Vorhandenseins von Magnesium-Calcium-Ionen und Siliziumdioxid bietet enorme Vorteile für die Kesselsteinvermeidung.
Automatisiertes Steuerungssystem
Laboranalysen können Stunden dauern, um ein Problem zu diagnostizieren, woraufhin manuelle Eingriffe folgen. Dies führt während des Prozesses zur Bildung von Ablagerungen. Moderne Echtzeit-Überwachungsgeräte für die Wasserqualität liefern durch die Integration in Prozessleitsysteme (PLS) Echtzeitwerte und ermöglichen direkte Steuerungsmaßnahmen.
Das System kann die Kesselentleerung einleiten, um konzentrierte Mineralien zu entfernen. Darüber hinaus können chemische Pumpen bei steigender Wasserhärte Kesselsteininhibitoren einspritzen, um die Heizelemente im Kessel zu schützen.
Erhaltung der Wärmeübertragungsfähigkeit
Durch die Früherkennung lässt sich Kesselsteinbildung verhindern. Wie bereits erwähnt, kann eine Ablagerung von 1/16 Zoll die Betriebseffizienz des Kessels um 5 % reduzieren. Das System kann Alarme auslösen und so lokale Überhitzungen vermeiden, die zu Rohrausbeulungen oder Wasserstoffversprödung führen können.
Forensische Analyse
Moderne Wasserqualitätsanalysatoren können Daten über 30 Tage oder länger erfassen und aufzeichnen. Durch die Integration in Prozessleitsysteme (DCS) können Betreiber einen steigenden Trend im Tagesverlauf erkennen. Dies kann ein Indikator für die Verschlechterung oder Erschöpfung der Entkalkungsanlage im Kesselbetrieb sein.
Reduzierung des Energieverbrauchs und der Wartungskosten
Durch die Verhinderung von Kesselsteinbildung werden Überhitzung und Korrosionsermüdung reduziert. Dies kann die Lebensdauer von Kesseln und zugehörigen Anlagen um 20 bis 30 % verlängern. Darüber hinaus wird der Bedarf an aggressiven chemischen Reinigungsmitteln deutlich verringert, wodurch eine Materialermüdung des Kessels im Laufe der Zeit verhindert wird. Die folgende Tabelle zeigt die Auswirkungen von Kesselstein auf die Effizienz, die durch den Einsatz von Wasserqualitätsanalysatoren bequem vermieden werden können:
Schuppenstärke (Zoll) | Effizienzverlust (%) | Energiekostenanstieg (%) |
0.016 | 5 | 5-10 |
0.043 | 10 | 10-15 |
0.094 | 15 | 15-20 |
0.177 | 20 | 20-25 |
Abschluss
Kessel sind teure Anlagen, die während des Betriebs ständiger Überwachung bedürfen, um lange Wartungsstillstände zu vermeiden. Eine der Hauptursachen für die Verschlechterung der Kesseleffizienz und Anlagenschäden ist die Anwesenheit von Härtebildnern und Siliziumdioxid im Kesselspeisewasser. Moderne Wasserqualitätsanalysatoren, die nach dem Prinzip der ionenselektiven Elektroden (ISE) und der Molybdänblau-Methode arbeiten, können selbst kleinste Veränderungen der Konzentrationen von Magnesium-/Calciumionen bzw. Siliziumdioxid nachweisen. Dies führt zu einer besseren Kesselsteuerung, einer längeren Lebensdauer der Anlagen, einem geringeren Wartungsaufwand und einer höheren Effizienz.
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