Speisewasser

Als Speisewasser wird Wasser bezeichnet, das im Speisewasserbehälter vorgehalten wird und kontinuierlich einem Dampferzeuger zugegeben wird. Grösste Mengen von Speisewasser werden in den heutigen Dampfkraftwerken benötigt. Der Dampfkessel erzeugt Wasserdampf, der zum Beheizen, für verfahrenstechnische Prozesse oder zum Antrieb einer Dampfturbine bzw. Dampfmaschine genutzt wird. Das Speisewasser ist so aufbereitet, dass für den Betrieb des Kessels schädliche Bestandteile des Wassers entfernt oder in Stoffe umgesetzt worden sind, die keine nachteilige Wirkung auf den Kesselbetrieb haben.

Schädliche Inhaltsstoffe des eingesetzten Wassers sind Salze der Erdalkalien, die bei höheren Temperaturen auf den Heizflächen ausfallen und eine Isolierschicht bilden und den Wärmeübergang behindern. Dies führt zu einer Überhitzung mit der Folge von thermischen Spannungsrissen. Darüber hinaus kann der Kesselstein sicherheitsrelevante Ausrüstungsteile durch Ablagerung außer Funktion setzen. Die im Wasser gelösten Gase O₂ und CO₂ führen zu Korrosionen.

Je nach Nutzung des Dampfes kann mehr oder weniger Dampf als Kondensat wieder als Speisewasser genutzt werden. In einem Dampfkraftwerk müssen die Verluste durch Absalzung und thermische Entgasung durch Zusatzwasser ausgeglichen werden. In verfahrenstechnischen Anlagen wird teilweise der Dampf zur Direktbeheizung genutzt, so dass kein Kondensat zur Weiterverwendung zur Verfügung steht.

Das Speisewasser besteht aus dem wiederverwendeten Kondensat und aufbereitetem Zusatzwasser.

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Kondensat

Das Kondensat wird in dem Kondensatbehälter aufgefangen und mittels Kondensatpumpen dem Speisewasserbehälter zugeführt. Die Qualität des wiederverwendeten Kondensates muss ggf. überprüft werden, wenn ein Fremdstoffeinbruch - z.B. an einem undichten Wärmetauscher - möglich ist.

Bei dem Antrieb von Dampfmotoren ist das Kondensat mit Öl belastet. Wenn größere Mengen Öl in das Kesselwasser gelangen, besteht die Gefahr der Überhitzung der Heizflächen, da die Filmverdampfung bei niedrigeren Wärmestromdichten einsetzt. Das Öl muss mechanisch durch Aufschwimmen abgetrennt werden und Reste durch Aktivkohlefilter absorbiert werden.

In Abhängigkeit von den möglicherweise eindringenden Stoffen kann eine automatische Trübungsüberwachung oder Leitfähigkeitsmessung eingesetzt werden, die ein 3/2-Wegeventil ansteuert und das Kondensat dem Entspanner zuführt. Diese Einrichtung ist bei einem Betrieb ohne ständige Beaufsichtigung (TRD 604) vorgeschrieben.

Zusatzwasser

Das verwendete Zusatzwasser muss aufbereitet werden, um eine schädliche Wirkung der Inhaltsstoffe auf den Kessel zu unterbinden.

Je nach Anwendungsfall und insbesondere in Abhängigkeit vom Betriebsdruck des Kessels wird zwischen folgenden Aufbereitungsstufen unterschieden:

• salzhaltiges Speisewasser

• salzarmes Speisewasser

• salzfreies Speisewasser.

Aus dem Zusatzwasser müssen zuerst unlösliche Bestandteile entfernt werden. Grobe Bestandteile können durch Rechen oder in Absetzbecken entfernt werden. Die feineren Bestandteile werden durch Filtration oder Flockung entfernt.

In Brunnenwässer treten oftmals schädliche Mengen von Eisen- und Manganverbindungen auf, die Korrosionen bewirken. Diese können entfernt werden, wenn das Wasser belüftet wird und die dabei entstandenen wasserunlösliche Hydroxide an einem Kiesfilter abgeschieden werden.

Innere Speisewasseraufbereitung

Innere Speisewasseraufbereitung bedeutet eine Aufbereitung des Wassers im Kessel. Bis auf die vorher abgeschiedenen Feststoffe gelangen alle Bestandteile des eingesetzten Wassers in den Kessel. Der Sauerstoff muss durch Natriumsulfit oder andere geeignete Mittel und Kohlenstoffdioxid durch Ätznatron abgebunden werden. Die Härtebildner werden durch Kesselsteingegenmittel ausgeschieden und sammeln sich als Schlamm auf der Kesselsohle. Der Kessel muss daher öfters abgeschlämmt werden. Diese Form der Wasseraufbereitung ist nur bei Großwasserraumkesseln ohne Rauchrohre (Flammrohrkessel) und Dampflokomotivkesseln zulässig, und hat somit kaum noch Bedeutung.

Äußere Speisewasseraufbereitung

Äußere Speisewasseraufbereitung bedeutet, dass die ungewünschten Inhaltsstoffe des eingesetzten Wassers vor der Zuführung in den Dampfkessel physikalisch oder chemisch entfernt oder in Verbindungen umgesetzt werden, die an dem Kessel und den Dampfverbrauchern keinen Schaden hervorrufen.

In modernen Wasseraufbereitungsanlagen werden Ionenaustauscher eingesetzt. Diese bestehen aus Behältern, die mit kugelförmigen Kunstharzen mit einem Korndurchmesser von 0,3 - 1,5 mm gefüllt sind. Die Austauscher arbeiten regenerativ; das bedeutet, dass der Ionenaustauscher nach einer Regenerierung wieder in den ursprünglichen unbeladenen Zustand zurückgesetzt wird. Die Regenerierung erfolgt durch Rückspülen mit Säuren, Laugen oder Salzen. Oft werden Doppelaustauscher eingesetzt, so dass bei der Regeneration eines Austauscher der andere genutzt werden kann.

Austauschenthärtung

Für kleinere und mittlere Dampfkesselanlagen bis mittleren Dampfdrücken (ca. 32 bar) wird nur eine Austauschenthärtung mit einer nachgeschalteten Chemikalienkonditionierung und Entgasung vorgenommen. Diese Enthärtung erfolgt in einem Kationenaustauscher, da hier die positiven Erdalkaliionen ausgetauscht werden. Der Austauscher wird mit preisgünstigem Kochsalz regeneriert. Die Härtebildner Calcium und Magnesium lagern sich an dem Harz des Austauschers und werden durch das Natriumion des Regenerationsmittels Kochsalz ersetzt. Für die Regeneration wird 8 - 10 %ige Kochsalzlösung eingesetzt. Diese muss im Überschuss (180 - 250 % der Gleichgewichtsmenge) erfolgen, um einen Natriumionenüberschuss einzustellen, der vom Gleichgewichtszustand zwischen Calcium- und Natriumionen in der Austauschermasse abweicht. Es wird somit ein chemischer Zwang zur Bindung der Calciumionen im Harz und Abgabe der Natriumionen ausgeübt. In dem Austauscher besteht der chemische Zwang, die freie Enthalpie durch den Ionenaustausch zu verringern.

Es wird ein Restgehalt von < 0,01 mmol/l an Erdalkalien erreicht. Bei der Austauschenthärtung werden die Härtebildner ersetzt und somit wird der Salzgehalt dieses aufbereiteten Wassers nicht reduziert. Der mit dem Wasser beaufschlagte Kessel muss daher entsprechend abgesalzt werden, damit ein bedenkliches Aufschäumen des Kesselwassers vermieden wird. Problematisch ist die Anwendung der Austauschenthärtung beim Einsatz von Wasser mit sehr hoher Härte. Durch den Ionenaustausch werden große Mengen Chloridionen in das Speisewasser eingebracht, die wieder korrosiv wirken.

Teilentsalzung

Umkehrosmose

  Eine in letzter Zeit oft angewandte Methode der Teilentsalzung ist die Umkehrosmose, da hier im Vergleich zu Ionenaustauschern auf eine Regeneration verzichtet werden kann und ein kontinuierlicher Anlagenbetrieb möglich ist. Voraussetzung für den Einsatz ist eine vorgeschaltete Enthärtung des Wassers. Das Wasser muss klar und frei von unlöslichen Fremdstoffen insbesondere frei von organischen Verunreinigungen sein, um ein Verblocken der Membranen zu vermeiden. Das Prinzip der Umkehrosmose beruht darauf, dass der Diffusionswiderstand der Poren der eingesetzten Membranen für die kleineren Wassermoleküle wesentlich geringer ist als der Widerstand der größeren im Wasser gelösten Ionen. Das Wasser wird mit einem Druck von 40 bar in die mit einer Membran ausgerüsteten Module geleitet. Wasser und ein Anteil insbesondere der kleineren Salzionen diffundieren durch die Membran und bilden das Permeat, das als teilentsalztes Wasser zur Verfügung steht. Der Permeatanteil des eingesetzten Wassers beträgt 70 - 90 %. Den Rest bildet das salzreiche Konzentrat, das nicht durch die Membran diffundiert ist. Dieser Anteil wird verworfen.

Ionenaustausch

Um eine Entsalzung des Speisewassers zu erreichen wird das Zusatzwasser durch einen stark sauren Kationenaustasucher in der Wasserstoffform und anschließend durch einen stark basischen Anionenaustauscher geleitet. In dem Kationenaustauscher werden die Kationen abgebunden und durch die im Harz angelagerten Wasserstoffionen (H+) ersetzt. Hinter dem Austauscher liegen somit die Anionen als freie Säure vor. In dem basischen Austauscher in der Hydroxylform werden die Anionen gebunden und durch ein Hydroxylion (OH-) ersetzt. Der stark basische Anionenaustauscher ist auch in der Lage Kohlen- und Kieselsäure abzubinden. Der Kationenaustauscher wird bei der Erschöpfung durch Salz- oder Schwefelsäure regeneriert; für den Anionenaustauscher wird Natronlauge verwendet.

Mit dieser Anordnung können alle dissozierten Stoffe (Salze, Säuren, Laugen) aus dem Wasser entzogen werden. Bei Wässern mit einem hohen Anteil von Hydrogencarbonaten wird zwischen den beiden Austauschern ein CO₂-Rieseler einbezogen, um den Anionenaustauscher zu entlasten. Die erzielbare Restleitfähigkeit einer Kationen-Anionen-Austauscheranordnung liegt bei < 10 μS/cm.

Vollentsalzung

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

Thermische Entgasung

  In der Regel wird in dem Speisewasserbehälter das Speisewasser entgast, um die schädlichen Gase Sauerstoff und Kohlendioxid auszutreiben. Es wird der physikalisch Umstand genutzt, dass mit zunehmender Temperatur die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten sinkt. Es wird daher meistens die Entgasung bei Überdruck (p = 0,1 .. 0,4 barü) und entsprechenden Sattdampftemperaturen von 102 bis 108°C angewendet. Der Speisewasserbehälter wird durch eine Dampflanze im Wasserraum zur Durchmischung des Flüssigkeit und durch Zugabe von Dampf im Gasraum beheizt. Auf dem Scheitel des Speisewasserbehälters ist ein Entgaserdom aufgeflanscht. Das kalte Zusatzwasser und das Kondensat werden auf das obere Verteilerblech geleitet und laufen über Rieselbleche in den Speisewasserbehälter. Im Gegenstrom strömt Dampf zum Kopf des Entgasers und erwärmt das eingeleitete Wasser. Dabei werden die gebundenen Gase freigesetzt und steigen mit dem Dampf nach oben. Die aufsteigenden Brüden entweichen am Kopf des Entgasers und werden als Fegedampf bezeichnet. Zur Nutzung der Enthalpie der Brüden wird bei größeren Anlagen ein Brüdenkondensator eingesetzt. Durch die Kondensation des Wasserdampfes in den Brüden wird das aufbereitete Zusatzwasser vorgewärmt.

Der zulässige Druck des Speisewasserbehälters kann durch ein Sicherheitsventil oder ein Siphon abgesichert werden. Der Siphon hat noch den Vorteil, dass bei Versagen der Zuflussregelung eine Überfüllung verhindert wird.

Weitere Behandlung des Speisewassers

Eine Speisewasseraufbereitung mit einem Austauschenthärtung muss durch Entfernen oder Bindung des Sauerstoffs und durch Wasserkonditionierungsmittel ergänzt werden, die die Resthärtebildner abbinden. Meistens werden die Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid) durch eine thermische Entgasung am Speisewasserbehälter entfernt. Durch Zugabe von Natriumsulfit wird der Restsauerstoff chemisch in Natriumsulfat umgesetzt. Durch Zugabe von Trinatriumphosphat werden die Härtebildner abgebunden und als Schlamm ausgeschieden. Eine ph-Wertanhebung erfolgt durch Zugabe von Ätznatron oder Ammoniak. Um die Wasseraufbereitung zu vereinfachen werden diese Wasserkonditionierungsstoffe meistens als fertiges Gemisch geliefert. Diese Mittel werden in Kunststoffbehälter abgefüllt und mittels Membranpumpen in den Speisewasserbehälter gepumpt. Um eine gleichmäßige Dosierung zu erhalten, wird die Pumpe gleichzeitig mit der Speisepumpe angesteuert. Die Fördermenge der Dosierpumpe wird so eingestellt, dass im Kesselwasser ein Überschuss der Komponenten der Aufbereitungsmittel nachweisbar ist.

Eigenschaften von Speisewasser nach EN 12953 Teil 10