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Aug 14, 2023

Etablierung von Behandlungsprozessen für ein zuverlässiges High

Das Personal in der Kraft-Wärme-Kopplungschemie steht häufig vor größeren Herausforderungen als die Mitarbeiter in Kraftwerken. Sorgfältige Planung und gute Wachsamkeit sind erforderlich, um Korrosion und Korrosion zu minimieren

Das Personal in der Kraft-Wärme-Kopplungschemie steht häufig vor größeren Herausforderungen als die Mitarbeiter in Kraftwerken. Um Korrosion und Verschmutzung in diesen Systemen zu minimieren, sind sorgfältige Planung und gute Wachsamkeit erforderlich.

In Teil 1 dieser Serie haben wir Methoden zur Herstellung von hochreinem Wasser für Hochdruck-Kraft- und Kraft-Wärme-Kopplungskessel untersucht. Korrosion und Kalkablagerungen sind ohne makellose Beschaffenheit sehr reale Bedrohungen. Weniger strenge Nachspeisemethoden eignen sich häufig für Kraft-Wärme-Kopplungskessel mit niedrigerem Druck oder für industrielle Dampfkessel, aber viel zu oft wird dem Betrieb und der Wartung des Nachspeisesystems zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt, was zu Ausfällen der Kesselrohre führt. Wir untersuchen einige der wichtigsten Themen in dieser Folge.

Abbildung 1 zeigt ein Grundschema einer üblichen Kraft-Wärme-Kopplungskonfiguration.

Abbildung 1. Generisches Flussdiagramm eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems. Der Abschlämmwärmetauscher und der Speisewassererhitzer sind in einigen Konfigurationen möglicherweise nicht vorhanden. Beachten Sie die mehreren Kondensatrücklaufleitungen. Illustration mit freundlicher Genehmigung von ChemTreat, Inc.

Je nach Kesseldruck und -konstruktion sowie den vom Kesseldampf bedienten Prozessen kann die Zusatzbehandlung von der Natriumenthärtung über die Umkehrosmose bis hin zu vielleicht sogar den in Teil 1 beschriebenen hochreinen Anordnungen reichen. Bei Dampferzeugern unter 600 psig Druck kann die Natriumenthärtung, häufig kombiniert mit nachgeschalteter Ausrüstung zur Alkalitätsentfernung. Abbildung 2 unten ist ein Auszug aus der jüngsten Überarbeitung der industriellen Kesselwasserrichtlinien der American Society of Mechanical Engineers (ASME) (1). Dieser Auszug bietet Einblicke in die Grenzwerte für den Verunreinigungsgrad für industrielle Wasserrohrdampferzeuger mit niedrigem bis mittlerem Druck. Die vollständigen Richtlinien sind bei der ASME zu einem sehr günstigen Preis erhältlich und sollten in der Bibliothek jeder Industrieanlage mit Dampferzeugern vorhanden sein.

Abbildung 2. Daten aus Tabelle 1, Referenz 1 – „Empfohlene Wasserchemie zielt auf industrielle Wasserrohre mit Überhitzer ab“

Während Kraftwerkschemiker mit den strengen Anforderungen an ihre Hochdruckeinheiten vertraut sind (oder sein sollten) (auf die wir in späteren Teilen dieser Serie zurückkommen werden), gelten in diesem Auszug mehrere Richtlinien für Niederdruckkessel. Diese beinhalten:

Betrachten wir diese Punkte anhand der Referenzen 2 und 3 genauer.

Härteexkursionen

Ein sehr häufiger Kommentar bzw. eine Frage, die Experten der Dampferzeugungschemie von Industriekesselbetreibern erhalten, lautet: „Wir leiden wiederholt unter Ausfällen von Kesselrohren. Können Sie uns helfen, die Ursache zu finden?“ Einer der ersten Punkte, die ein Fachmann normalerweise untersucht, ist der Natriumenthärter. Immer wieder wird der Berater feststellen, dass es häufig zu Störungen im Enthärter kommt, die Anlage aber weiterhin mit nicht den Spezifikationen entsprechendem Ergänzungswasser zum Kessel läuft. Die Abbildungen 2 und 3 veranschaulichen das typische Ergebnis von Störungen und Fehlfunktionen des Enthärters.

Abbildung 4. Ausbuchtungen und Blasen in einem Kesselrohr aufgrund von Überhitzung aufgrund interner Ablagerungen. Foto mit freundlicher Genehmigung von ChemTreat, Inc.

Ein häufiges Problem in vielen Anlagen, das dieser Autor mehrfach direkt beobachtet hat, ist die intensive Konzentration des Anlagenpersonals auf Prozesschemie und -technik, wobei den Dampferzeugern (und Kühlsystemen) nicht ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt wird, bis Ausfälle zu Blockabschaltungen führen, die sich auf die Produktion auswirken . Wasser und Dampf sind in vielen Anlagen das Lebenselixier, und die Vernachlässigung dieser Systeme gefährdet den Anlagenbetrieb und manchmal auch die Sicherheit der Mitarbeiter.

Abgesehen von der Härteabscheidung entfernen selbst gut betriebene Natriumenthärter selbst keine anderen Ionen aus dem Zusatzwasser. In Niederdruckkesseln mit guter Abschlämmkontrolle können die meisten Verunreinigungen beherrschbar sein. Fragen zur Alkalität (die Alkalität im Rohwasser liegt normalerweise in der Form von Bikarbonat, HCO3–, vor) verdienen jedoch eine zusätzliche Diskussion.

HCO3– wandelt sich beim Erreichen des Kessels größtenteils über die folgenden Reaktionen in CO2 um:

2HCO3– + Wärme → CO32- + CO2↑ + H2O Gl. 1

CO32- + Wärme → CO2↑ + OH– Gl. 2

Die Umwandlung von CO2 aus den kombinierten Reaktionen kann 90 % erreichen. CO2 verdampft mit Dampf, und wenn sich das CO2 im Kondensat wieder auflöst, kann der Säuregehalt steigen.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3– Gl. 3

Die Folge kann eine langfristige Korrosion des Kohlenstoffstahls sein.

Abbildung 5. Kohlensäurerillung einer Kondensatrücklaufleitung. Foto mit freundlicher Genehmigung von ChemTreat, Inc.

Darüber hinaus werden die Eisenoxid-Korrosionsprodukte zu den Dampferzeugern transportiert und bilden poröse Ablagerungen auf Kesselrohren und anderen Einbauten. Diese Niederschläge können zu Standorten für Unterablagerungskorrosion (UDC) werden, die durch Verunreinigungen im Kesselwasser verursacht wird. UDC nimmt im Allgemeinen mit steigendem Kesseldruck und steigender Kesseltemperatur zu. Bei hohen Drücken kann UDC zu Wasserstoffschäden führen, einem sehr heimtückischen Korrosionsmechanismus.

Einige mit Natrium enthärtete Nachspeisesysteme verfügen auch über einen Dekarbonisator mit Zwangszug oder einen Split-Stream-Entalkalisator, um den größten Teil der Bikarbonatalkalität zu entfernen, aber selbst mit dieser Ausrüstung gelangen die verbleibenden gelösten Ionen im Rohwasser immer noch in die Kesselspeisung. Diese Verunreinigungen verringern die zulässigen Konzentrationszyklen im Kessel, was zu einer erhöhten Abschlämmung führt. Wenn sie nicht ordnungsgemäß überwacht und kontrolliert werden, können sie Korrosion verursachen oder die Konzentration gelöster Feststoffe im Kesseldampf erhöhen. Dementsprechend erfreut sich die Umkehrosmose (RO) zur Zusatzwasseraufbereitung immer größerer Beliebtheit. Selbst eine Umkehrosmose mit nur einem Durchgang entfernt 99 % oder mehr der gesamten gelösten Ionen im Zusatzwasser.

Abbildung 6. Grundlegender Aufbau einer zweistufigen Umkehrosmose mit einem Durchgang. Die Bezeichnung zweistufig ergibt sich aus der Aufbereitung des Rejekts der ersten Stufe in einer zweiten Stufe. (3)

Wie wir in Teil 1 besprochen haben, erzeugt die Hinzufügung eines zweiten Durchgangs zum Umkehrosmosesystem mit nachgeschalteter Politur durch Ionenaustausch oder Elektroentionisierung eine Zusammensetzung, die selbst für Dampferzeuger mit höchstem Druck geeignet ist.

Dampferzeuger, die ausschließlich Strom erzeugen, stellen (meist) nahezu einen geschlossenen Kreislauf dar. Ein dichtes System darf nur einen Wasserverlust von 1 % aufweisen. Die häufigste Quelle für das Eindringen von Verunreinigungen ist ein oder mehrere undichte Rohre im Dampfoberflächenkondensator. (Bei Geräten mit luftgekühlten Kondensatoren sind weitere Faktoren zu berücksichtigen.) Mit einem guten Online-Überwachungssystem für die Chemie und aufmerksamem Anlagenpersonal können Störungen in der Regel schnell behoben werden. Bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ist die Situation häufig ganz anders, da dort Kondensat aus einer Vielzahl chemischer Erhitzungs-/Reaktionsprozesse zurückkommen kann. Betrachten Sie die folgende Fallgeschichte.

Vor einigen Jahren wurden der Autor und ein Kollege in eine Fabrik für organische Chemikalien eingeladen, die über vier 550-psig-Paketkessel mit Überhitzern verfügte. Der Dampf versorgte mehrere Wärmetauscher der Anlage mit Energie, wobei der größte Teil des Kondensats zurückgewonnen wurde. Jeder der Kesselüberhitzer fiel im Durchschnitt alle 1,5 bis 2 Jahre aufgrund interner Ablagerungen und anschließender Überhitzung der Rohre aus. Bei der Untersuchung eines entnommenen Überhitzerrohrbündels wurden Ablagerungen mit einer Tiefe von etwa ⅛–¼ Zoll festgestellt.

Bei einer weiteren Inspektion wurde festgestellt, dass aus der Sattdampf-Probenahmeleitung jedes Kessels Schaum austrat, dessen Ursache schnell klar wurde. Zu den Daten aus Wasser-/Dampfanalysen, die von einem externen Anbieter durchgeführt wurden, gehörten Gesamtgehalte an organischem Kohlenstoff (TOC) von bis zu 200 mg/L im Kondensatrücklauf. Vergleichen Sie dies mit der TOC-Empfehlung von <0,5 mg/L Speisewasser in Abbildung 2. Es waren keine Aufbereitungsprozesse oder Kondensataufbereitungssysteme vorhanden, um diese organischen Stoffe vor den Kesseln zu entfernen. Allein anhand der TOC-Daten war leicht verständlich, warum Schaum aus den Dampfprobenleitungen austrat und warum sich in den Überhitzern schnell Ablagerungen ansammelten und dann aufgrund von Überhitzung ausfielen.

Um Dampferzeuger vor den verschiedensten Verunreinigungen zu schützen, ist eine sorgfältige Planung erforderlich, um unter anderem zu bestimmen, welche Verunreinigungen und in welcher Konzentration sich im Rücklaufkondensat befinden können und ob die Verunreinigungen durch ein Kondensataufbereitungssystem wirtschaftlich entfernt werden können Und welche Ströme müssen möglicherweise direkt zur Kläranlage umgeleitet werden? Letzteres hat natürlich Einfluss auf die Größe und die Behandlungsmethoden des Abwassersystems. Außerdem erfordert die Kondensatableitung zur Kläranlage eine erhöhte Zusatzwasserproduktion und ein diesbezüglich größeres System.

Ein weiteres wichtiges Thema bei Kraft-Wärme-Kopplungs- und Industriedampfanlagen ist die Kontrolle des gelösten Sauerstoffs im Speisewasser. Im September und Oktober 2022 veröffentlichte Power Engineering eine vierteilige Serie des Autors über die Bedeutung der Kontrolle der strömungsbeschleunigten Korrosion (FAC) in kombinierten Abhitzedampferzeugern (HRSGs). (4) Da diese Hochdruck-HRSGs eine hochreine Zusammensetzung (Kationenleitfähigkeit ≤ 0,2 mS/cm) erfordern und typischerweise keine Kupferlegierungen im Speisewassersystem enthalten, erfordert die empfohlene Chemie eine geringe Menge gelösten Sauerstoffs (DO). das Speisewasser ohne Sauerstofffänger (der bessere Begriff ist Reduktionsmittel) als Zufuhr. Bei Geräten mit Entgasern kann es erforderlich sein, die Entlüftungsöffnungen zu schließen, um einen Restgehalt an gelöstem Sauerstoff in den Economizer-Kreisläufen aufrechtzuerhalten. Möglicherweise ist auch eine zusätzliche Sauerstoffinjektion erforderlich. Wer diese Reihe liest, sollte beachten, dass diese Richtlinien Teil eines Speisewasserchemieprogramms sind, das als „All-Volatile Treatment Oxidation“ (AVT(O)) bekannt ist.

Da jedoch die Reinheit des Kondensatrücklaufs in Kraft-Wärme-Kopplungs- und Industriedampferzeugern häufig nicht den Richtlinien für Hochdruck-Speisewasser entspricht, ist AVT(O) in der Regel nicht akzeptabel. Das Speisewassernetz kann auch Wärmetauscher mit Kupferlegierungsrohren enthalten, was AVT(O) als potenzielles Behandlungsprogramm weiter negiert. Dementsprechend ist eine Standardanforderung die Zufuhr eines alkalisierenden Amins, um den pH-Wert innerhalb des in Abbildung 2 gezeigten Bereichs zu halten, sowie eine mechanische Entgasung und eine Zufuhr von Reduktionsmittel/Sauerstofffänger, um sehr niedrige Sauerstoffkonzentrationen im Speisewasser aufrechtzuerhalten. Dies wiederum erfordert eine genaue Überwachung der Eisen- (und manchmal auch Kupfer-)Korrosionsprodukte im Speisewasser, um chemische Behandlungsprogramme zu optimieren. Der Autor und seine Kollegen haben in früheren Artikeln zur Energietechnik über diese Probleme berichtet. (5, 6)

Notiz: Das Electric Power Research Institute (EPRI) hat ein umfassendes Buch über strömungsbeschleunigte Korrosion veröffentlicht, das EPRI-Mitgliedern und Nichtmitgliedern gleichermaßen angeboten wird. (7)

Die Kraft-Wärme-Kopplung erfreut sich in vielen Anlagen immer größerer Beliebtheit bei der Stromerzeugung und Prozesswärme, vor allem weil der Nettowirkungsgrad viel höher ist (und die entsprechenden Kohlendioxidemissionen niedriger sind) als bei der herkömmlichen Stromerzeugung. (8) Das Personal in der Kraft-Wärme-Kopplungschemie steht jedoch häufig vor größeren Herausforderungen als die Mitarbeiter in Kraftwerken. Um Korrosion und Verschmutzung in diesen Systemen zu minimieren, sind sorgfältige Planung und gute Wachsamkeit erforderlich.

Verweise

Brad Buecker ist Präsident von Buecker & Associates, LLC, Beratung und technische Redaktion/Marketing. Zuletzt war er als leitender technischer Publizist bei ChemTreat, Inc. tätig. Er verfügt über mehr als vier Jahrzehnte Erfahrung in oder in der Unterstützung der Energie- und industriellen Wasseraufbereitungsindustrie, einen Großteil davon in den Bereichen Dampferzeugungschemie, Wasseraufbereitung, Luftqualitätskontrolle und Ergebnistechnik mit City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) und der Station La Cygne, Kansas der Kansas City Power & Light Company (jetzt Evergy). Zu seinen Tätigkeiten gehörten außerdem 11 Jahre bei zwei Ingenieurbüros, Burns & McDonnell und Kiewit, und zwei Jahre war er außerdem als amtierender Wasser-/Abwasserleiter in einer Chemiefabrik tätig. Buecker hat einen Bachelor-Abschluss in Chemie von der Iowa State University mit zusätzlichen Studienleistungen in Strömungsmechanik, Energie- und Materialbilanzen sowie fortgeschrittener anorganischer Chemie. Er ist Autor oder Co-Autor von über 250 Artikeln für verschiedene technische Fachzeitschriften und hat drei Bücher über Kraftwerkschemie und Luftreinhaltung geschrieben. Er kann unter [email protected] erreicht werden.