Kesselkorrosion verhindern: Bewährte Strategien für überlegene Speisewasserqualität

Kesselausfall ist ein großes Anliegen für Heiz- und Kraftwerke, und die mit der Wasserqualität des Kessels verbundene Korrosion ist als Hauptursache bekannt. Die Gesamtkosten für Kesselschlauchausfälle in Kraftwerken werden auf etwa 5 Milliarden Dollar pro Jahr geschätzt (Hinweis: Diese Zahl stammt aus dem Jahr 2009, daher ist sie wahrscheinlich deutlich höher). Um den langfristig sicheren Betrieb eines Kessels zu gewährleisten, muss die Wasserqualität kontinuierlich innerhalb der Toleranzanforderungen des Kessels gehalten werden.

Verunreinigungen im Kesselspeisewasser

Wasserquellen enthalten Verunreinigungen, die bei bestimmten Konzentrationen sehr schädlich sein können. Bei hohen Temperaturen können selbst Spuren bestimmter Substanzen im Speisewasser in kurzer Zeit schwere Schäden an Geräten und Rohren verursachen. Problematische gelöste oder ungelöste Feststoffe, Sauerstoff, Kohlendioxid und organische Stoffe können Verkalkung, Fouling und Korrosion verursachen. Beispielsweise:

• Eisen kann sich auf innere Kesselteile und -rohre ablagern, nachgelagerte Geräte beschädigen und die Qualität bestimmter Fertigungsprozesse beeinträchtigen.
• Kupfer kann Ablagerungen in Hochdruckturbinen verursachen, deren Wirkungsgrad verringern und kostspielige Reinigung oder Austausch erfordern.
• Kieselsäure kann extrem harte Verkalkung verursachen, besonders in Hochdruckkesseln.
• Calcium kann in verschiedenen Formen Verkalkung verursachen, abhängig von der Chemie des Kesselspeisewassers.
• Magnesium kann sich am Kesselinneren und beschichteten Rohren festsetzen, mehr Feststoffe anziehen und zur Verkalkung beitragen, besonders in Kombination mit Phosphat.
• Aluminium kann sich als Verkalkung am Kesselinneren ablagern und mit Kieselsäure reagieren, was die Wahrscheinlichkeit von Verkalkung weiter erhöht.
• Härte verursacht Ablagerungen und Verkalkung an Kesselteilen und Rohrleitungen.
• Gelöste Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid können schwere Korrosion an Kesselrohren und -teilen verursachen.

Die häufigste Korrosionsart ist Lochfraßangriff durch gelösten Sauerstoff. Dies zeichnet sich durch kleine, aber tiefe Löcher aus, die Rohrwände durchdringen und schließlich zum Versagen führen. Faktoren, die die Schwere beeinflussen, sind gelöste Sauerstoffkonzentration, pH-Wert und Temperatur. (Verwandte Lektüre: Wie man Lochfraßkorrosion effektiv erkennt, verhindert und behandelt.)

Um Korrosion zu verhindern, muss Kesselswasser leicht alkalisch und nicht sauer sein. Unsachgemäße Säure und leicht alkalisches Wasser können Metall und den Schutzfilm auf Metalloberflächen auflösen.

Saurer Angriff tritt auf, wenn der pH-Wert unter 8,5 fällt. In diesem Zustand sind Materialien anfällig für Oberflächendünnung durch Ätzen. Jeder beanspruchte Bereich wäre bei dieser Angriffsart am verwundbarsten.

Ätzender Angriff (kaustischer Angriff) tritt auf, wenn der pH-Wert über 12,9 liegt, und tritt häufig bei hohen Temperaturen in phosphatbehandelten Kesseln auf. Ablagerungen in Bereichen mit hohem Wärmeübergang können Magnetitschichten vom Basismaterial abtragen.

Schaumübertritt (Foaming Carry-Over)

Schaumübertritt wird durch normale Kesselverunreinigungen verursacht, die zu konzentriert werden, Überdosierung mit Chemikalien oder versehentlicher Einführung organischer Stoffe (Fett oder Öl) in das Kesselspeisewasser oder Kondensatrücklauf. Der Schaum im Kessel wird leicht aus dem Kesseldampfauslass gedrückt und kann große Schäden verursachen. Wasserschlag in einer Dampfleitung, Erosion in Dampfrohrleitungen und Kessel-Niedrigwasserereignisse sind Beispiele.

Abbildung 1. Video zur Beschreibung des Kesselbetriebs.

Kesselspeisewasser-Aufbereitungssysteme

Ein Kesselspeisewasser-Aufbereitungssystem besteht aus mehreren einzelnen Technologien, die den Zustand des Speisewassers ansprechen, um die Anforderungen des spezifischen Kessels zu erfüllen. Das Aufbereitungssystem besteht aus den Komponenten, die notwendig sind, um Verunreinigungen zu entfernen, die unabhängig von der Quelle immer vorhanden sind. Ein grundlegendes Kesselspeisewasser-Aufbereitungssystem umfasst typischerweise eine Art Koagulation, Filtration, Ionenaustausch, Entalkalisierung, Entgasung und Membranprozesse wie Umkehrosmose. Diese Komponenten werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. (Verwandte Lektüre: Wie man Chelat-basierte Korrosion in einem Kesselswasserrohr vermeidet.)

Koagulation und chemische Fällung

Nachdem alle großen Objekte aus der ursprünglichen Wasserquelle entfernt wurden, werden verschiedene Chemikalien in einen Reaktionsbehälter gegeben, um die groben Schwebstoffe und andere verschiedene Verunreinigungen zu entfernen. Dieser Prozess beginnt mit einer Vielzahl von Mischreaktoren, die typischerweise ein oder zwei Reaktoren sind, die spezifische Chemikalien hinzufügen, um alle feineren Partikel im Wasser zu entfernen, indem sie diese durch Koagulation zu schwereren Partikeln verbinden, die schließlich ausfallen und sich absetzen.

Filtration und Ultrafiltration

Der nächste Schritt ist allgemein das Durchlaufen des Wassers durch Filtration, um alle Schwebeteilchen wie Sediment, Trübung und bestimmte Arten organischer Stoffe zu entfernen. Es ist oft nützlich, dies früh im Prozess durchzuführen, da die Entfernung von Schwebstoffen im Vorfeld dazu beitragen kann, Membranen und Ionenaustauscherharze später im Vorbehandlungsprozess vor Verunreinigung zu schützen.

Ionenaustausch-Erweichung

Ein Erweichungsharz kann verwendet werden, um hohe Härte mit Bicarbonaten, Sulfaten, Chloriden oder Nitraten anzugehen. Dieses Verfahren verwendet einen stark sauren Kationenaustauschprozess, bei dem das Harz mit einem Natriumion geladen wird. Hartes Wasser durchläuft einen Erweicher, und Calcium und Magnesium tauschen Plätze mit Natriumionen. Natriumionen werden locker gehalten und leicht durch Calcium- und Magnesiumionen ersetzt. Während dieses Prozesses werden „freie“ Natriumionen in das Wasser freigesetzt.

Entalkalisierung

Entalkalisierung kann die Alkalinität oder den pH-Wert reduzieren, was eine Verunreinigung ist, die Schaumbildung, Korrosion und Versprödung verursachen kann. Natriumchlorid-Entalkalisierung verwendet ein starkes Anionenaustauschharz, um Bicarbonat, Sulfat und Nitrat durch Chlorid-Anionen zu ersetzen.

Umkehrosmose und Nanofiltration

Umkehrosmose (RO) und Nanofiltration (NF) zwingen gepresstes Wasser durch halbdurchlässige Membranen, die Verunreinigungen wie Bakterien, Salze, Organika, Kieselsäure und Härte zurückhalten, während konzentriertes, gereinigtes Wasser durchgelassen wird. Diese Filtrationseinheiten werden meist mit Hochdruckkesseln verwendet, wo die Konzentration von gelösten und ungelösten Feststoffen extrem niedrig gehalten werden muss.

Entgasung oder Degasifikation

Zurückgeführtes Kondensat wird mit dem aufbereiteten Ergänzungswasser vermischt und tritt in einen Entgasungs- oder Degasifikationsprozess ein. Jeglicher Spuren-Sauerstoff und Kohlendioxid kann extrem korrosiv für Kesselgeräte und -rohrleitungen sein. Daher ist das Entfernen dieser Gase auf akzeptable Niveaus unerlässlich, um die Lebensdauer und Sicherheit des Kesselsystems zu maximieren. Es gibt verschiedene Arten von Entgasungsvorrichtungen in verschiedenen Konfigurationen, aber Tablett- oder Sprühentgaser für Degasifikation oder Sauerstofffänger sind die gängigsten Typen.

Hochdruck- und Niederdruckkessel

Die Qualitätsanforderungen an das Speisewasser hängen von Druck und Durchflussrate ab. Für bestimmte Drücke gibt es ein maximales Kontaminationsniveau, und je höher der Druck, desto kritischer wird eine gründliche Wasseraufbereitung, die höherwertiges Wasser liefert.

Niederdruckkessel (600 PSI und niedriger) und Wasser mit geringem Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS) erfordern typischerweise nur einfache Filtration und Wassererweichung. Wie die Wasserchemie es diktieren könnte oder wenn der Druck steigt, kann ein Entalkalisierer benötigt werden.

Hochdruckkessel (600 PSI und höher) erfordern normalerweise eine Art Demineralisierung, Ionenaustausch oder harzbasierte Sandwich- oder Mischbett-Poliergeräte. Umkehrosmose in Kombination mit einer Poliertechnologie ist sehr beliebt, wo extrem hochreines Wasser erforderlich ist.

Speisewassertest und Qualitätskontrolle

Das Verhindern und Minimieren von Korrosionsprozessen in Kesseln ist in der thermischen Energieindustrie sehr wichtig. Die Speisewasserqualität sollte auf einem Niveau gehalten werden, das den Konstruktionsstandards entspricht, gefolgt von der Dokumentation etwaiger Schwankungen in den gemessenen Parametern. Es gibt empfindliche Online- und Offline-Analyseinstrumente, die verwendet werden können, um die wichtigsten Diagnoseparameter zu messen, die für Kesselsicherheit und -leistung entscheidend sind.

Zu wissen, wo die Speisewasserquellenqualität im Verhältnis zur für einen spezifischen Kessel erforderlichen Wasserqualität steht, ist essenziell, da unzureichende Wasseraufbereitung zu Verkalkung, Korrosion und Fouling des Kessels und nachgelagerter Geräte führen kann.