Kesselspeisewasser

Als Speisewasser wird Wasser bezeichnet, das in einem Speisewasserbehälter vorgehalten wird und kontinuierlich einem Dampferzeuger zugespeist wird. Große Mengen von Speisewasser werden in 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. Bei modernen Durchlaufkesseln wird das gesamte Speisewasser verdampft. Bei diesem Kesseltyp müssen deshalb alle gelösten Inhaltsstoffe des Rohwasser vor der Verwendung als Kesselspeiser entfernt werden. Nur Deionat (= Reinwasser ohne Inhaltsstoffe) darf verwendet werden.

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.

Kondensat

Das Kondensat wird in dem Kondensatbehälter aufgefangen und mittels Kondensatpumpen dem Speisewasserbehälter zugeführt. Die Qualität des wiederverwendeten Kondensates muss gegebenenfalls 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 adsorbiert werden.

In Abhängigkeit von den möglicherweise eindringenden Stoffen kann eine automatische Trübungsüberwachung oder Leitfähigkeitsmessung eingesetzt werden, die ein 3/2-Wege-Ventil ansteuert und das Kondensat dem Entspanner zuführt. Diese Einrichtung ist bei einem Betrieb ohne ständige Beaufsichtigung (TRD 604) vorgeschrieben. Bei Hochdruckkessel (Betriebsdruck > 64 bar) ist insbesondere bei Durchlaufkessel eine Aufbereitung der Kondensate erforderlich. Ungelöste Bestandteile wie Eisenoxide, die vom Werkstoff der Rohre durch Korrosion bzw. Erosion abgelöst werden, und Salzspuren, die vom Kühlwasser im Kondensator bzw. in diversen Wärmetauschern in das Dampf-/Kondensatsystem gelangt sind, müssen entfernt werden. Typische Anlagen für die Kondensataufbereitung sind Kerzenfilter (für Entfernung ungelöster Partikel) und Mischbettfilter (für die Entfernung von gelösten Salzen).

Förderung

Zwischen Speisewasserbehälter und Eintritt des Speisewassers in den Dampferzeuger befinden sich eine oder mehrere Speisewasserantriebspumpen, welche das Speisewasser fördern.

Behandlung des Speisewassers

Thermische Entgasung

Speisewasserbehälter mit Entgaser und Brüdenkondensator

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 der 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.

Außer der vorstehend beschriebene Entgasung bei einem Druck von > 1,0 bar gibt es Vakuumentgaser. Diese sind vom Aufbau und der Wirkungsweise weitgehend mit Druckentgaser vergleichbar. Der Betriebsdruck liegt in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur unter 1,0 bar. Das Vakuum wird durch Vakuumpumpen (überwiegend Wasserringpumpen und/oder Dampfstrahler) erzeugt. Bei zu entgasenden Kondensaten mit einer Rohkondensattemperatur von ca. 35 -100 °C können auch sogenannte Entspannungsentgaser eingesetzt werden, die weitgehend mit normalen Vakuumentgaser vergleichbar sind.

Chemische Entgasung

Neben der vorstehend angeführten physikalischen Entgasung ist für das Zusatzwasser auch eine katalytische Entgasung möglich. Hierbei wird ein Harz, das mit einem Schwermetall aus der Platingruppe beladen ist, als Katalysator verwendet. Als Reduktionsmittel wird Wasserstoff oder Hydrazin benutzt. Die Sauerstoffentfernung erfolgt in einem Filter, der in der Bauweise mit einem Ionenaustauschfilter vergleichbar ist. Die Betriebstemperatur bei diesem Verfahren liegt normalerweise bei 10 - 30 °C.

Geringe Sauerstoffgehalte in Kondensaten von Kesselanlagen in der Industrie und Kraftwerken werden ebenfalls chemisch abgebunden. Die Zugabe der Reduktionsmittel erfolgt nach Kondensator und zur Entfernung von Restsauerstoff nach Entgaser. Durch diese Behandlung werden Anlageteile aus dem Werkstoff Eisen vor Korrosionen durch Sauerstoff geschützt. Durch eine Dosierung nach Entgaser können geringe Restgehalte von ca. 5 - 10 ppb Sauerstoff chemisch noch weiter reduziert werden.

Für diese Art der Sauerstoffentgasung sind folgende Chemikalien geeignet und gebräuchlich:

• Natriumsulfit
• Hydrazin
• Morpholin
• 2-Butanonoxim auch als Methylethylketoxim bezeichnet
• Ascorbinsäure

Bis auf Natriumsulfit (Na₂SO₃) sind diese Chemikalien dampfflüchtig und können in Systemen mit Zwangsdurchlaufkessel eingesetzt werden. Die Verwendung von Natriumsulfit dagegen ist auf Anlagen mit Umlaufkesseln und Heißwasserkreisläufen beschränkt.

Weitere Behandlung des Speisewassers

Eine Speisewasseraufbereitung mit einer 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. Auch Hydrazin kann für die chemische Abbindung von Sauerstoff verwendet werden. Durch Zugabe von Trinatriumphosphat werden die Härtebildner abgebunden und als Schlamm ausgeschieden. Eine ph-Wertanhebung erfolgt durch Zugabe von Ätznatron oder Ammoniak. Die Dosierung von Salzen wie Trinatriumphosphat und Ätznatron ist allerdings nur bei Trommelkessel zulässig. Für Durchlaufkessel ist nur die Verwendung von dampfflüchtigen Chemikalien möglich, da Salze im Bereich der Restwasserverdampfung auf den Heizflächen auskristallisieren würden.

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 oder in das Zusatzwasser 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.

Zusatzwasser

Bestandteile des Rohwassers

Auswirkung der Bestandteile des Rohwassers auf den Betrieb eines Dampfkessels

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.

Härtebereich	Bezeichnung	Gesamthärte
1	weich	0 bis 1,3 mmol/l
2	mittelhart	1,4 bis 2,5 mmol/l
3	hart	2,6 - 3,8 mmol/l
4	sehr hart	2,6 bis 3,8 mmol/l

In Brunnenwässer und Oberflächenwässer treten oftmals schädliche Mengen von Eisen- und Manganverbindungen auf, die durch Oxidation in schwer lösliche Oxide umgewandelt werden und Ablagerungen bilden. Gelöstes Eisen und Mangan wird entfernt, wenn das Wasser belüftet wird und die dabei entstandenen wasserunlösliche Hydroxide in einem Kiesfilter abgeschieden werden. Im Rohwasser gelöster Sauerstoff und freie Kohlensäure verursacht insbesondere bei Anlagekomponenten aus Stahl Korrosionen und muß entfernt werden.

Innere Speisewasseraufbereitung

→ Hauptartikel: 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. Dem Speisewasser werden Phosphate zugeführt, die mit den Härtebildnern reagieren und Calcium- bzw. Magnesiumphosphat bilden, das sich als Schlamm auf der Kesselsohle sammelt. Der Kessel muss daher oft abgeschlämmt werden. Diese Form der Wasseraufbereitung ist nur bei Großwasserraumkesseln ohne Rauchrohre (Flammrohrkessel) und Dampflokomotivkesseln als einzige Maßnahme zulässig, und hat somit kaum noch Bedeutung.

In heutigen Kesselanlagen werden Härtebildner und gelöster Sauerstoff aus dem Speisewasser vor der Zuführung zum Kessel weitgehend entfernt. Es erfolgt eine Umwandlung der verbliebenen schädigenden Wasserbestandteile durch Wasserkonditionierungsmittel, die insbesondere Natriumsulfit, Phosphate und basische Bestandteile zur pH-Wertanhebung enthalten.

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 Behandlung mit Säuren, Laugen oder Salzen. Oft werden Doppelaustauscher eingesetzt, so dass bei der Regeneration eines Austauscher der andere genutzt werden kann. Vor der Behandlung mit Chemikalienlösungen erfolgt häufig eine Rückspülung der Austauscher. Durch diese Rückspülung werden abfiltrierte Verunreinigungen und Harzabrieb entfernt. Weiterhin erfolgt eine Auflockerung des Harzbettes, wodurch eine Kanalbildung während der Regeneration vermieden wird.

Austauschenthärtung

Enthärtung des Rohwassers durch Kationenaustauscher in Natriumform (Basenaustauscher)

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, die bei der Beladung an das Ionenaustauschharz angelagert wurden, 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 Gesamthärte und hohem Gehalten an Natriumsalzen. Durch die Enthärtung mittels Ionenaustausch werden die Anionen - Hydrogencarbonate, Chloride und Sulfate - nicht vermindert. Das Speisewasser enthält dann hohe Gehalte von diesen Natriumsalzen und wirkt korrosiv auf die Eisenwerkstoffe des Kessels, den Rohrleitungen und den Wärmetauschern.

Teilentsalzung

Umkehrosmose

Teilentsalzung des Rohwassers durch Enthärtung und Umkehrsomose

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 höheren Druck in die mit einer Membran ausgerüsteten Module geleitet. Die Höhe des erforderlichen Druckes ist abhängig vom Salzgehalt des Rohwassers und dem verwendeten Typ der Membrane. Üblicherweise liegt der Druck bei Süßwasser bei ca. 20 +/- 5 bar. Bei Meerwasser beträgt der Druck ca. 50 +/- 20 bar. Wasser und ein Anteil insbesondere der kleineren Salz-ionen 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

Teilentsalzung des Rohwassers durch stark sauren und stark basischen Ionenaustauscher

Um eine Entsalzung des Speisewassers zu erreichen wird das Zusatzwasser durch einen stark sauren Kationenaustauscher 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. Moderne Vollentsalzungsanlagen arbeiten überwiegend nach dem Gegenstromprinzip. Hierbei sind die Fließrichtungen bei Beladung und Regeneration im Harzbett entgegengesetzt. Bei Verwendung von Mehrkammerbehältern können schwach und stark saure Kationenharze bzw. Anionenharze kombiniert werden. Hierdurch wird bei nur geringem Chemikalienüberschuß - häufig kleiner 105 % des theoretischen Wertes - ein bereits weitgehend ionenfreies Deionat ohne Mischbettfilter mit einer Leitfähigkeit von < 1,0 µS/cm erzeugt.

Anforderungen und Richtlinien für Kessel- und Speisewasser

Die erforderliche Qualität dieser Wässer ist in Richlinien festgelegt. Besonders folgende Richtlinien sind bei Betrieb der unterschiedlichen Kesseltypen und Druckstufen zu beachten:

• VGB-Richlinien für Speisewasser, Kesselwasser usw. Nr. R450L (VGB = VGB Power Tech)
• Technische Regeln für Dampfkessel -TRD- vom Deutschen Dampfkesselausschuß (DDA) und dem Verband der Technischen Überwachungs-Vereine (VdTÜV). In der TRD 611 werden beispielsweise die Daten für Dampferzeuger der Gruppe IV angegeben.

Die Daten für Grossraumwasserkessel sind in der folgenden Liste angeführt:

Anforderungen an Speisewasser für Grosswasserraumkessel nach EN 12953 Teil 10 (außer Einspritzwasser)

Parameter	Einheit	Speisewasser für Dampfkessel mit Feststoffgehalt		Zusatzwasser für Heißwasserkessel
Betriebsdruck	bar	> 0,5 bis 20	>20	Gesamtbereich
Aussehen		Klar, frei von Schwebstoffen
ph-Wert bei 25°C		> 9,2	> 9,2	> 7
Gesamthärte (Ca + Mg)	mmol/l	< 0,01	< 0,01 (PS < 5 bar bis 0,05)	< 0,05
Eisen	mg/l	< 0,3	< 0,1	< 0,2
Kupfer	mg/l	< 0,05	< 0,03	< 0,1
Kieselsäure (SiO2)	mg/l	nicht festgelegt, nur Anhaltswerte für Kesselwasser relevant		--
Sauerstoff	mg/l	< 0,05	< 0,02
Öl / Fett	mg/l	< 1	< 1	< 1

Literatur

• W.J.F. van der Wal, VGB Kraftwerkstechnik, Jg. 1969, Heft 3, S. 296-99

Siehe auch

• Regeneriersalz
• Enthärtung
• Wasserhärte
• Wasseraufbereitung