Effektive Korrosionskontrollstrategien für Kühltürme

Kühltürme bieten eine effektive Methode der Wärmeabfuhr und werden weit verbreitet für Raumkonditionierung, Kälteerzeugung und industrielle Kühlanwendungen eingesetzt. Die Kontrolle von Korrosion in Kühlwassersystemen ist eine große Herausforderung für viele Industrien weltweit.

In Kühlwasserkreisläufen sind Korrosion und Verkalkung nicht neu, aber anhaltende Trends in der Umweltgesetzgebung führen zu immer höheren Verdunstungsgraden und folglich zu sehr hohen Restkonzentrationen verschiedener Spezies. Daher werden die verwendeten Gewässer, selbst wenn sie initially sauber und nicht korrosiv sind, aufgrund dieses Konzentrationseffekts korrosiv und ihre Tendenz, Verkalkung und Biofouling zu verursachen, nimmt zu.

In diesem Artikel betrachten wir Kühltürme, die häufigsten Korrosionsprobleme, denen sie ausgesetzt sind, und wie man sie verhindert.

Arten von Kühlturmkreisläufen

In einem geschlossenen Kreislauf ist das gesamte Kühlwasser in einem geschlossenen Loop enthalten. Es gibt keinen Kontakt mit der Atmosphäre und daher kein Kontaminationsrisiko durch letztere. Wärme wird durch Leitung und Konvektion über einen Sekundärkreislauf abgeführt und nicht direkt durch Verdunstung des Primärkreislaufwassers. Geschlossene Kreisläufe können nur in kleinen Anlagen, in Systemen mit hohem Durchfluss oder in Systemen mit einer Kälteanlage (Eiswassertank) verwendet werden.

Abbildung 1: Geschlossener Umlaufkühlkreislauf
Quelle: Control of Corrosion in Cooling Waters, herausgegeben von J.D. Harston und F. Ropital

Offene Umlaufkühlsysteme, wie in Abbildung 2 dargestellt, sind am weitesten verbreitet. Der halbgeschlossene Kreislauf wird durch eine Speisewasserversorgung gespeist. Der Umlaufwasserdurchsatz wird durch Pumpen konstant gehalten. Das Wasser wird durch das heiße Prozessfluid in den Wärmetauschern erhitzt. Das heiße Wasser steht in direktem Kontakt mit der Luft in den Kühltürmen und wird sowohl durch diesen Kontakt als auch durch Verlust der latenten Verdunstungswärme gekühlt.

Abbildung 2: Offener Umlaufkühlkreislauf
Quelle: Control of Corrosion in Cooling Waters, herausgegeben von J.D. Harston und F. Ropital

Probleme durch den Einsatz von unbehandeltem Wasser

Die drei Hauptprobleme in Kühlwasserkreisläufen sind Verkalkung, Korrosion und Fouling. Diese Probleme sind stark miteinander verknüpft und Korrekturmaßnahmen zur Behandlung eines von ihnen haben häufig Auswirkungen auf die anderen.

Verkalkung

Verkalkung liegt vor, wenn eine metallische oder andere Oberfläche von einem anhaftenden Mineralablagerung bedeckt wird. Das Unterscheidungsmerkmal im Vergleich zu einer durch Sedimentation fester Partikel aus der Flüssigkeit gebildeten Ablagerung ist die Tatsache, dass der Belag an der Oberfläche haftet. Beläge können das Einfangen von Schwebstoffen verstärken.

In einem wassergespeisten Kühlkreislauf ist Verkalkung im Wesentlichen auf die Bildung von Calciumcarbonat zurückzuführen. Der Belag kann anschließend andere Substanzen enthalten, wie Ton, Algenreste oder Calciumsulfat, aber es ist immer Calciumcarbonat, das zuerst ausfällt, da seine Löslichkeit niedriger ist.

Korrosion

Wässrige Korrosion von Metallen ist elektrochemischer Natur und involviert zwei unabhängige Reaktionen. Die erste Reaktion entspricht der Oxidation des Metalls. Die zweite Reaktion ist eine Reduktion einer Spezies im korrosiven Medium. Die Metalloxidationsreaktion ist anodisch und setzt positiv geladene Metallionen in die Lösung und Elektronen in das Metall frei, wie in der folgenden Formel gezeigt:

(M)_Metall → (Mⁿ⁺)_Lösung + ne^-

Anschließend reduzieren die im Metall freigesetzten Elektronen ein Oxidationsmittel im korrosiven Medium in der unten beschriebenen kathodischen Reaktion:

(Ox^+q)_Lösung + (ne^-)_Metall → (Red^q-n)_Lösung

Je nach Medium und Material können vielfältige Korrosionsarten auftreten. Für Stahllegierungen sind die häufigsten Korrosionsarten Gleichmäßige Korrosion, Lochfraßkorrosion, Spaltkorrosion und Interkristalline Korrosion. Für Kupferlegierungen können Korrosionsarten Dezinkifizierung und Al- oder Ni-Austrag umfassen.

Korrosions-Fouling durch Mikroorganismen

Mikroorganismen sind natürlich in allen Gewässern vorhanden. Wenn sie zu schnell proliferieren, können sie zwei Arten von Problemen in Wasserkreisläufen verursachen:

• Biofouling, was die Anreicherung von Mikroorganismenkolonien auf Geräteoberflächen betrifft, was zur Bildung von Biofilmen führt.
• Biokorrosion, was chemischen Angriff durch Mikroorganismen betrifft. Bei Metallen ist die Korrosion allgemein auf Bakterien zurückzuführen.

In beiden Fällen können die Folgen der Proliferation von Mikroorganismen erheblich sein, mit Wirkungsgradverlust von Wärmetauschern, Verstopfung von Rohrleitungen, erhöhtem Gegendruck und sogar Leckagen durch Durchbruchskorrosion.

Behandlung von Wasserkreisläufen

Zweck der vorgelagerten Speisewasserbehandlungen ist es, die Eigenschaften des Rohwassers zu modifizieren, um den Anforderungen des betreffenden Kreislaufs gerecht zu werden. Unabhängig von der Speisewasserbehandlung ist es dennoch notwendig, Chemikalien dem Wasser im Kühlkreislauf zuzugeben. Dies ist erforderlich, da eine standortspezifische Konditionierung nötig ist, um den Erfolg der angewandten Behandlungsphilosophie zu gewährleisten. Gängige chemische Produkte sind Verkalkungshemmer und Dispergatoren, Korrosionshemmer und Biozide.

Verkalkungshemmung und/oder Dispergatorbehandlungen – Stabilisierung

Bei diesem Prozess werden Additive in den Kreislauf injiziert, um die Ausfällung von Calciumcarbonat, insbesondere an heißen Stellen, zu verhindern. Diese Produkte erhöhen entweder den Löslichkeitsgrenzwert oder halten das Wasser in einem Zustand der Übersättigung. Sie ermöglichen somit den Betrieb des Kreislaufs bei einem höheren Konzentrationsverhältnis.

Die wichtigsten beteiligten Mechanismen sind:

• Sequestrierung/Komplexierung zur Bildung stabiler Moleküle mit Calcium- und Magnesiumionen
• Vergiftung von Kristallkeimen
• Hemmung des Kristallwachstums
• Dispersionseffekt, um die keimbildenden Partikel in einem dispersen Zustand nahe ihrem Löslichkeitsgrenzwert zu halten

Stabilisierungsbehandlungen sind sehr beliebt, da sie den Betrieb bei „freiem pH-Wert“ ermöglichen.

Der pH-Wert wird dann durch das CO₂ und das Löslichkeitsgleichgewicht zwischen Wasser und Atmosphäre gesteuert und wird zu einer einfachen Funktion des M-Alkalinitätsniveaus (MA).

pH-Kontrolle

Der Löslichkeitsgrenzwert von CaCO₃ ist empfindlich gegenüber dem pH-Wert, der direkt die Konzentration der Carbonationen beeinflusst. Um CaCO₃-Ausfällung zu verhindern, wird Säure in den Kreislauf injiziert, um den pH-Wert zu senken. Schwefelsäure wird üblicherweise zu diesem Zweck gewählt.

Tatsächlich hat die Zugabe von Säure zwei Effekte: Sie senkt den MA-Wert durch Neutralisierung von HCO₃⁻-Ionen, wobei CO₂ gebildet wird. Sie senkt auch den pH-Wert, wenn das CO₂ schneller erzeugt wird, als es durch Entgasung aus dem Kreislauf entfernt wird.

Korrosionshemmende Behandlungen

Wenn Korrosionshemmer dem Kreislauf zugesetzt werden, bildet das Produkt dünne adsorbierte Filme, die den Wärmeübergang nicht behindern. Sie enthalten zwei Wirkstoffe, um sowohl die anodischen als auch die kathodischen Korrosionsreaktionen zu behindern.

Anodische Hemmer

Anodische Hemmer erhöhen die anodische Polarisierung und verschieben das Korrosionspotenzial in kathodische Richtung. Diese Substanzen verbinden sich mit den Metallkorrosionsprodukten zu einem vollständig unlöslichen Salz. Wenn die Hemmung rein anodisch ist, sind große Mengen an Hemmer erforderlich. Dies ist nur in sehr kleinen Volumenkreisläufen praktikabel, da jeder Hemmermangel zu beschleunigtem lokalisiertem Angriff führen kann.

Kathodische Hemmer

Kathodische Hemmer reduzieren Korrosion, indem sie die Reduktionsreaktionsrate der elektrochemischen Korrosionszelle verlangsamen. Diese Substanzen verbinden sich mit den Produkten der kathodischen Korrosionsreaktion, um erneut unlösliche Verbindungen zu bilden. Kathodische Hemmer bergen geringere Risiken als ihre anodischen Gegenstücke, da lokalisierte Korrosion nicht durch einen Konzentrationsabfall induziert wird.

Organische Hemmer

Die Wirkung organischer Hemmer hängt mit der Bildung eines kontinuierlichen adsorbierten Films zusammen, der elektrochemische Reaktionen an exponierten Oberflächen behindert. Der Film wird durch physikalische oder chemische Adsorption polarer organischer Moleküle auf der Metalloberfläche gebildet, sodass die Wahl der Moleküle vom betreffenden Metall abhängt.

Implementierung der Behandlung

Nachdem die Konditionierungsbehandlung definiert wurde, wird sie gemäß den spezifischen Merkmalen des Standorts implementiert. Für geschlossene Kreisläufe werden die Konditionierungsprodukte beim Start injiziert. Keine weiteren Zugaben sind notwendig, außer im Falle einer versehentlichen Entleerung.

In offenen Umlaufwassersystemen werden die Reagenzien, mit Ausnahme von nicht-oxidierenden Bioziden, periodisch über Pumpen in den Speisetank injiziert. In seltenen Fällen wird Schwerkraftinjektion eingesetzt. Zusätzliche Punktbehandlungen können manchmal in bestimmten kritischen Wärmetauschern notwendig sein.

In jüngeren Jahren werden Echtzeit-Korrosionsüberwachungssysteme eingesetzt, um die allgemeine Korrosionsrate zu bewerten sowie das Potenzial für lokalisierte oder Lochfraßkorrosion zu evaluieren. Diese Systeme nutzen eine Kombination von Technologien, einschließlich elektrochemischem Rauschen (ECN), niederfrequenter Impedanz (LFI) und Harmonischen-Verzerrungs-Analyse (HDA).