Etablierung von Behandlungsprozessen für ein zuverlässiges High

In diesem ersten Teil der Serie werden mehrere wichtige Aspekte der Vorbehandlung von hochreinen Make-up-Systemen untersucht.

VonBrad Buecker, Buecker & Associates, LLC

VonKatie Perryman, ChemTreat, Inc.

Es ist über ein Jahrhundert her, seit Dampf zum ersten Mal zum Antrieb von Turbinen/Generatoren zur Stromerzeugung eingesetzt wurde. Mit der Weiterentwicklung der Kesseltechnologie im Vergleich zu frühen Konstruktionen begannen Kraftwerkseigentümer, -betreiber und technisches Personal zu erkennen, dass die steigenden Drücke und Temperaturen von Dampferzeugern hochreines Ergänzungswasser erforderten, um Korrosion und Kesselsteinbildung zu minimieren. Dies führte zur Weiterentwicklung der Ionenaustauschtechnologie (IX), um Kesselzusatz mit geringen Konzentrationen an Verunreinigungen (parts per billion, ppb) herzustellen.

In den letzten Jahrzehnten haben sich Membranmethoden, insbesondere Umkehrosmose (RO), für die Primärentmineralisierung durchgesetzt, wobei der Ionenaustausch nun dazu dient, das RO-Produkt für die Dampferzeugeraufbereitung zu „polieren“. In dieser Reihe werden wir verschiedene Aspekte aktueller Technologien und die Fähigkeiten moderner Systeme untersuchen. Teil 1 bietet eine Diskussion der Vorbehandlungsmethoden, die für die Reduzierung von Verschmutzung, Ablagerungen und anderen chemischen Störungen in RO-Membranen und IX-Harzen sehr wichtig sind.

Obwohl die Süßwasservorräte zurückgehen (vorbehaltlich regionaler Schwankungen), nutzen viele Industrieanlagen immer noch Zusatzwasser aus Seen, Stauseen oder Flüssen. Wasser bewegt sich rund um den Globus in einem Prozess, der als Wasserkreislauf bekannt ist.

Wasserdampf kann viele Meilen transportiert werden, bevor atmosphärische Bedingungen zu Kondensation und Niederschlag führen. Unterwegs kann Wasserdampf Gase aus der Atmosphäre absorbieren, darunter auch Schadstoffe, die seine Chemie verändern. Die Wasserchemie wird auch durch den Boden, die Mineralvorkommen und die Vegetation beeinflusst, über die das Wasser fließt (oder durch die es sickert, um zu Grundwasser zu werden).

Tabelle 1 enthält eine Momentaufnahme der Analyse der Hauptbestandteile eines Sees im Mittleren Westen aus der Zeit vor mehreren Jahren.

Für Abhitzedampferzeuger (HRSGs) und herkömmliche, mit fossilen Brennstoffen befeuerte Kessel gelten folgende allgemeine Richtlinien für die Abwasseraufbereitung:

Beim Vergleich von Tabelle 1 mit diesen Richtlinien wird deutlich, dass sogar Systeme mit Süßwasser als Rohzusatzquelle möglicherweise die Verunreinigungskonzentrationen drastisch reduzieren müssen, bevor das Wasser zu Hochdruckkesseln geleitet wird. Die meisten modernen Energiesysteme, wie z. B. Kombikraftwerke mit HRSGs, basieren hauptsächlich auf RO- und IX-Politur, um hochreines Wasser zu erzeugen.

Es ist üblich, dass Auftragnehmer erschöpfte IX-„Flaschen“ durch Behälter mit frisch regeneriertem Harz austauschen, wodurch eine Regeneration vor Ort mit Säure und Lauge entfällt.

Bei der in Abbildung 2 gezeigten Konfiguration konzentriert sich die Vorbehandlung hauptsächlich auf die Reduzierung von Verschmutzung und organischem Wachstum auf RO-Membranen.

In diesem Artikel beleuchten wir Vorbehandlungsoptionen für Oberflächenwasserprobleme, darunter:

Im 20. Jahrhundert war die Klärung mittels Multimediafiltration die gängige Methode zur Entfernung von Partikeln aus Klärbeckenabwasser. Ein gut konzipierter und betriebener Klärer/Filter kann Wasser mit einer Trübung von weniger als 1 NTU produzieren. Mikro- und Ultrafiltrationsmembrantechnologien haben sich jedoch zu einem beliebten Ersatz für die Klärung entwickelt, es sei denn, eine Kalkenthärtung ist erforderlich, um die Härte- und Alkalitätskonzentrationen zu senken, die in einigen Grundwasserquellen erhöht sein können. Abbildung 3 unten zeigt eine Mikrofiltrationseinheit (MF) mit einer Leistung von 300 Gallonen pro Minute (gpm), die als Ersatz für eine veraltete Kraftwerkskläranlage ausgewählt wurde.

Abbildung 3. Mikrofilter-Skid mit den 24 Modulen, die zur Produktion von 300 gpm gefiltertem Umkehrosmose-Speisewasser erforderlich sind. Auf der linken Seite befindet sich der Rohwasser-Einlasstank mit Förder- und Rückspülpumpen. Foto von Brad Buecker.

Das Gerät reduzierte die RO-Zusatztrübung von einem typischen Bereich von 0,5–1,0 NTU auf weniger als 0,05 NTU. (2) Dies führte zu einer drastischen Verringerung der Häufigkeit der Reinigung von Umkehrosmose-Patronenfiltern und Membranen. Eine regelmäßige Anpassung der Dosierung von Koagulations- und Flockungsmitteln an die sich ändernden Durchflussraten war nicht mehr erforderlich. Dieses spezielle MF-Gerät erwies sich als äußerst zuverlässig, sofern es alle zwei bis drei Monate einer gründlichen Offline-Reinigung unterzogen wurde. Für diese Anwendung (und auch für die Reinigung zusätzlicher Wärmetauscher in der gesamten Anlage) stellten Anlagenmechaniker einen tragbaren Behälter mit Mischer, Heizung, Schläuchen und einer Umwälzpumpe her, um Reinigungslösungen auf nahezu 100 °F zu erwärmen.

Normalerweise beginnt eine zweistufige Reinigung mit der Zirkulation einer relativ verdünnten, aber starken Ätz- und Bleichlösung, um organische Stoffe und Mikroben zu entfernen. Nach einer Spülung werden durch die Zirkulation verdünnter Zitronensäure Eisenoxidpartikel entfernt.

Der normale Prozess für den MF- und UF-Betrieb umfasst die Produktion von gefiltertem Wasser für einen festgelegten Zeitraum, z. B. 20 Minuten, gefolgt von einem ein- bis zweiminütigen Rückspül-/Luftreinigungsprozess, um Partikel zu entfernen, die sich auf den Membranen angesammelt haben. Die Feststoffe gelangen in einen kleinen Abwasserstrom. Moderne Anlagen verfügen außerdem über einen periodischen chemisch verstärkten Rückspülschritt (CEB), bei dem dem Rückspülwasser Ätzmittel oder ein Chelatbildner (häufig Zitronensäure) zugesetzt wird, um die Reinigung der Membranen zu unterstützen. Die chemische Wahl hängt von den typischen Feststoffen ab, die sich auf den Membranen ansammeln.

Für MF/UF-Membranen gibt es drei Ausführungen:

Das Hohlfaserdesign ist am gebräuchlichsten, wobei für unterschiedliche Anwendungsanforderungen Druck- und Vakuumsysteme erhältlich sind.

Typische Membranmaterialien sind Polyethersulfon (PES), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polypropylen (PP) und Polysulfon (PS), wobei PES und PVDF am häufigsten vorkommen. Beide sind hydrophil, was bedeutet, dass die Lumenoberfläche vollständig benetzt wird, um organischen Verschmutzungen vorzubeugen. PES hat eine etwas bessere Permeabilität als PVDF. Diese Materialien tolerieren problemlos eine kontinuierliche oxidierende Zufuhr, eine gängige Methode zur Minimierung mikrobiologischer Verschmutzungen.

PES hat eine höhere Laugentoleranz bei der Entfernung organischer Stoffe bei Offline-Reinigungen, wohingegen PVDF eine höhere Chlortoleranz und Membranhaltbarkeit aufweist. Dies sind wichtige Faktoren bei der Entscheidung, welches Material für bestimmte Wasserquellen oder betriebliche Faktoren besser geeignet ist.

Es sind auch Ausführungen mit unter Druck stehender oder getauchter Membran erhältlich. Unter Druck stehende Systeme können entweder einen Strömungsweg von innen nach außen oder von außen nach innen haben, wohingegen tauchfähige Konstruktionen, bei denen die Membranen in einem Tank mit Speisewasser aufgehängt sind, von außen nach innen arbeiten, wobei ein leichtes Vakuum das Wasser in den zentralen Kern der Membranen zieht.

Die Möglichkeit intensiver Schwebstoffauslenkungen ist ein wichtiger Gesichtspunkt beim Entwurf von Membransystemen. Solche Ausflüge kommen am häufigsten in Flussgewässern nach starken Niederschlägen vor. Vor MF oder UF kann eine Form der Partikelvorabsiebung oder -absetzung erforderlich sein, obwohl getauchte Membranen viel höhere Feststoffkonzentrationen verarbeiten können als Drucksysteme.

In diesen Fällen können historische Daten zur Wasserqualität für die Prozess- und Geräteauswahl sehr wertvoll sein. Beispielsweise kann die Trübung in einigen Flüssen bei starkem Regen vom einstelligen Bereich auf Hunderte oder sogar Tausende NTU ansteigen. Ohne saisonale Analysen zur Bestätigung solcher Schwankungen können extreme Bedingungen zum Ausfall des Vorbehandlungssystems führen.

Oxidierendes Biozid (häufig Bleichmittel) ist eine typische Behandlungsoption zur Hemmung mikrobiologischer Verschmutzung in Wassernetzen und Aufbereitungsgeräten in den meisten Rohwasseraufbereitungssystemen. Leider besteht das Hauptmaterial der meisten RO-Membranen (nicht das Abstands- oder Trägermaterial) aus einer Polyamidchemie, die Stickstoff enthält. Chlor verbindet sich mit den Stickstoffmolekülen und schädigt die Membranen irreversibel. Eine gängige Faustregel für die Lebensdauer von Membranen ist 1.000 ppm-Stunden, was bedeutet, dass Membranen bei einer Chlorkonzentration von 1 ppm etwa 1.000 Stunden lang funktionsfähig bleiben (oder eine Stunde bei einer Chlorkonzentration von 1.000 ppm). Allerdings kann das Vorhandensein von Schwermetallen wie Eisen diese Toleranz auf bis zu 200 ppm pro Stunde senken. Angesichts der Tatsache, dass die normale Lebenserwartung von Membranen typischerweise zwischen 3 und 7 Jahren liegt, ist die Entfernung von Chlor vor den RO-Membranen ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Membranlebensdauer. Selbstverständlich gilt dies auch für die Kontrolle der Verschmutzung durch suspendierte Feststoffe und der Bildung von Ablagerungen.

Die beiden wichtigsten Methoden zur Entfernung oxidierender Biozide aus RO-/Entmineralisierer-Einspeisungen sind die Aktivkohlefiltration (AC) und die Injektion von Reduktionsmitteln. Allerdings reagieren oxidierende Biozide innerhalb der ersten paar Zentimeter eines AC-Bettes und hinterlassen den Rest des Bettes als Nährboden für Organismen, die die Behandlung überleben. Dies wird durch die Fähigkeit des AC-Bettes, organische Stoffe zu entfernen, die dann als Nahrung für die Organismen dienen, noch verstärkt. Dementsprechend sind viele moderne Systeme mit einer Reduktionsmitteleinspritzung ausgestattet, um restliche Oxidationsmittel zu entfernen. Obwohl eine Reihe von Reduktionsmitteln verfügbar sind, sind die beiden gebräuchlichsten:

Die Reaktionen dieser beiden Verbindungen mit Chlor sind unten dargestellt.

2HOCl + 2NaHSO3 → 2H2SO4 + 2NaCl Gl. 1

2HOCl + Na2S2O5 + H2O → 2H2SO4 + 2NaCl Gl. 2

Eine kontinuierliche Überwachung hinter der Einspritzstelle des Reduktionsmittels ist sehr wichtig. Die primäre Messung ist der Chlorrückstand mit Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP) als potenzieller Ergänzung. Die Priorität besteht darin, im Falle einer Fehlfunktion der Reduktionsmittelzufuhr einen Alarm auszulösen, um die RO-Membranen zu schützen. Moderne Systeme können jedoch auch so konzipiert werden, dass sie die Reduktionsmittelzufuhr anhand der Analysatorsignale anpassen, um eine Überdosierung zu minimieren und gleichzeitig den Einfluss von Chlor auf die Membranlebensdauer zu verringern.

Wenn möglich, sollte die Einspritzstelle für das Reduktionsmittel nach den Umkehrosmose-Patronenfiltern platziert werden. Wenn dies nicht möglich ist, sollte der Injektionspunkt so nah wie möglich am Kartuschenfiltergehäuse liegen. Einige Organismen gehen in den Winterschlaf, wenn sie mit einem oxidierenden Biozid in Kontakt kommen, und tauchen wieder auf, sobald die Biozidrückstände verschwunden sind. Die überlebenden Mikroben können in RO-Vorfiltern und -Membranen große Kolonien bilden.

Viele Oberflächenwasserquellen enthalten erhebliche Konzentrationen großer organischer Verbindungen, z. B. Tannine, Lignin und Huminsäuren, die Membranoberflächen verunreinigen können. Diese Verbindungen werden normalerweise als gesamter organischer Kohlenstoff (TOC) gemessen. In der Regel wird ein TOC-Wert von weniger als 3 ppm in einem RO-Feed empfohlen. MF und UF werden hauptsächlich zur Partikelfiltration verwendet, obwohl möglicherweise eine große Entfernung organischer Stoffe möglich ist. Möglicherweise ist eine zusätzliche AC-Filtration erforderlich, um andere organische Stoffe zu entfernen. Wenn dies der Fall ist, sollten Bedenken hinsichtlich der Möglichkeit einer mikrobiologischen Verschmutzung im nachgeschalteten Bereich ausgeräumt werden, bevor eine AC-Filtration implementiert wird.

In diesem ersten Teil der Serie werden mehrere wichtige Aspekte der Vorbehandlung von hochreinen Make-up-Systemen untersucht. Eine mangelhafte RO-Vorbehandlung ist eine der Hauptursachen für den Ausfall der RO-Membran bzw. den vorzeitigen Membranwechsel.

Bitte bedenken Sie, dass jedes System anders ist und einzigartige Behandlungsbedürfnisse hat. Wie bei allen anderen Technologien ist eine sorgfältige Prüfung erforderlich, um die Machbarkeit der Verwendung der in diesem Artikel besprochenen Methoden zu ermitteln. An einigen Standorten traten Schwierigkeiten auf, wenn das Zulaufwasser Verunreinigungen aufwies, die mit Vorbehandlungs- oder Rückspülchemikalien reagierten und zu Verschmutzungen oder kalkbildenden Ablagerungen führten. Konsultieren Sie immer die Handbücher und Anleitungen Ihrer Geräte und wenden Sie sich an einen Wasseraufbereitungsfachmann, bevor Sie Änderungen am Systembetrieb vornehmen.

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). 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.

Katie Perryman ist Managerin des technischen Teams für Vorbehandlung bei ChemTreat. Sie verfügt über neun Jahre Erfahrung in der Wasseraufbereitungsbranche mit Schwerpunkt auf Vorbehandlungsanwendungen, darunter Filtration, Membrantrennung und Ionenaustauschsysteme. Sie hat ihre Zeit bei ChemTreat damit verbracht, eine Vielzahl von Kunden unter anderem in der Energie-, Chemie-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie im Transportwesen zu unterstützen. Perryman fungierte mehrere Jahre lang intern und extern als Unternehmenstrainer und Moderator auf Konferenzen wie dem Southwest Chemistry Workshop und der Power-Konferenz von ChemTreat. Perryman hat einen Bachelor-Abschluss in Chemie von der Virginia Tech. Sie ist unter [email protected] erreichbar.