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Kategorie: > Technik > Wasseraufbereitung
Dampfkessel - Berechnung der Abschlammung
Gast (Rolf Freese)
(Gast - Daten unbestätigt)

  20.08.2010

Hallo liebes Forum,

ich hoffe hier kann mir jemand weiter helfen.
Ich muss die Abwassermenge eines Dampfkessels berechnen, dabei die Wasseraufbereitungen Enthärtung und Umkehrosmose als Alternativen gegenüberstellen.
Die Rohwasserqualität ist bekannt (Leitfähigkeit = 660mS/cm; m-Wert = 4 mmol/l, Karbonathärte 11°dH, etc.). Die Anlage verfügt über eine Kondensatrückführung. D.h. nur ein Teil der Kesselwassers muss über Frischwasser gestellt werden.
Ich habe das Thema schon ziemlich durchdrungen und habe den Ansatz aus der Literatur:

A (Absalzrate) = (1-c)*Sz/(Sz-Sh)*100

wobei 1-c der Frischwasseranteil ist Sz der Salzgehalt des Speisewasser ist und Sh der maximale Salzgehalt des Kessel.
Das ist meiner Meinung nach nicht ganz ausreichend.
Ich habe jetzt versucht für den Salzgehalt den m-Wert einzusetzen bzw. den Grenzwert vom TÜV für den p-Wert um dann die Sodaspaltung mit einzurechnen. Aber da wird es haarig.
Da bei Betriebsdruck von 12 barü etwa 47% Sodaspaltung vorliegt setzte ich ein und erhalte:

A = (1-c)* m-Wert/(p-wert-(m-wert*0,47))

Das ist so ja auch nicht ganz richtig, oder?
Auf welche weise kann ich die Sodaspaltung und die damit verbundenen Effekte, die zur erhöhten Absalzung und Abschlammung führen, sonst einberechnen um verlässliche Zahlen zu bekommen.
Die Literatur sagt mir nur, dass eine hohe Karbonathärte zu einer Abschlammrate über 20% der Dampfmenge führen kann, was ich rechnerisch aber überhaupt nicht nachweisen kann.

Für Hilfe oder Anregungen wäre ich dankbar.

Gruß Rolf



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 8
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  03.09.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Rolf Freese vom 02.09.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Rolf,

die maximale Eindickung (Emax) über die elektr. Lf ist klar aber deine Interpretation bez. Emax über p- und pH-Wert sehe ich nicht so.

Mit dem m-Wert erfasst du das gesamte Alkalitätspotenzial des Wassers, also OH, CO3 und HCO3. Aus dem HCO3 wird im Laufe der Dampferzeugung zunächst CO3 (was bereits in einem thermischen Entgaser beginnen kann) und aus dem dann vorhandenen CO3 letztendlich OH. Dabei bleibt die Summe der Alkalität gleich, verschiebt sich allerdings von m- zu p-Wert, wobei mit letzterem nur OH und CO3 erfasst werden.

Diese Vorgänge sind nicht nur temperatur- sondern meines Wissens auch zeitabhängig. D.h. wenn die thermischen Bedingungen für die Umwandlung HCO3 in CO3 bzw. CO3 in OH erreicht sind, ist es nur eine Frage der Zeit, bis die jeweilige Umsetzung zu 100 % erfolgt ist. Dies erklärt sich schon alleine dadurch, dass es sich bei den einzelnen Reaktionsschritten um Gleichgewichtsreaktionen handelt. Bei denen aber stets die flüchtige Komponente CO2 entsteht, die mit dem Dampf verschwindet und sich so die Ausgangsreaktion fortsetzt. Daher ist mir unklar, wie du auf die Aussagen "Bei einem m-Wert von 4 mmol/l erhalte ich einen p-Wert von 0,53 mmol/l im Kessel" und "Bei einer Sodaspaltung von 47%" kommst.

Desweiteren halte ich die Vorabberechnung des Kesselwasser-pH-Wertes für sehr gewagt. Natürlich stehen die freien OH-Ionen mit dem pH-Wert in Zusammenhang, aber eben nur die freien. Solche kann man in einfachen Systemen, beispielsweise verdünnter NaOH-Lösung hinreichend genau berechnen, nicht aber in gepufferten Lösungen, wie sie in Kesselwässern mit den HCO3-, CO3-, OH- und gegebenenfalls noch PO4-Ionen (aus dem Konditionierungsmittel) vorliegen. Das ist wohl der Grund, dass aus der Literatur keine präzisen Daten für die Absalzmenge als Funktion von der Alkalität ("Karbonathärte") zu entnehmen sind. Als Anhaltswerte sind mir 15 % Absalzung bei 1 mmol/l Alkalität und 25 % Absalzung bei 2 mmol/l Alkalität (jeweils des Kesselspeisewassers) in Erinnerung. Ob das aber auf alle Kesselanlagen übertragbar ist, kann ich nicht beantworten.

Übrigens schreibst du, dass Kondensat zurückgeführt wird, was natürlich die ganze Speisewassersituation ändern würde. Du lässt das aber nirgends in deine Betrachtungen eingehen. Ist diese Menge so unerheblich?

Ferner hast du noch nicht erwähnt, wie das gesamte Wasser-Dampfsystem werkstoff-/korrosionsmäßig mit einem CO2-haltigen, also sauren Dampf, den es ja zwangsläufig bei Einsatz von HCO3-/CO3-haltigem Speisewasser gibt, zurecht kommt. Korrosionsschäden, verunreinigtes Kondensat und gegebenenfalls Produktionsausfälle verursachen meines Erachtens höhere Kosten als eine ordentliche Wasseraufbereitung.

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen    
Gast (Rolf Freese)
(Gast - Daten unbestätigt)

  02.09.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 31.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Tröpfchen,

danke für deine Informationen und Korrekturen.
Dass ich Karbonathärte und Sodaspaltung in einen Hut geworfen habe ist sicherlich nicht ganz richtig. Der Hintergrund ist die Tatsache, dass auf jeden Fall enthärtet wird und dabei aus CaCO3 und CaH(CO3)2 Na2CO3 und NaHCO3 gemacht wird.

Nun kann ich diese Karbonate durch eine Umkehrosmose entfernen oder eben nicht. Ausschlaggebend für die Entscheidung ist das Geld. Mit Umkehrosmose muss ich wesentlich weniger Absalzen und Abschlammen, ich brauche auch weniger Konditionierungsmittel, aber lohnt sich der Mehrinvest bei entsprechend bekannten Wasser und Abwassergebühr? Diese Frage kann ich mit "ja" beantworten, trotzdem muss ich diese Antwort quantifizieren (schönes Wort), sprich mit Zahlen belegen. Die Kosten für die Konditionierung möchte ich hierbei mal vernachlässigen. Andere Inhaltsstoffe sind auch vernachlässigbar klein.

Ich denke jetzt mal weiter und sage die Sodaspaltung verändert die Lf nicht (nach deiner Aussage), aber der p-Wert erhöht sich bei entsprechender Eindickung.
Ebenso erhöht sich der pH-Wert. Jetzt ist die Frage welches Ereignis zuerst seinen Grenzwert erreicht.

Bei einem m-Wert von 4 mmol/l erhalte ich einen p-Wert von 0,53 mmol/l im Kessel unter Druck und Temperatur weit über 100°C. (Bei einer Sodaspaltung von 47%). Der pH Wert meines Speisewassers wird auf > 9 eingestellt, was 0,01 mmol/l OH- bedeutet. Mein Grenzwert ist pH 12 (weil es sonst schäumt), was 10 mmol/l OH- entspricht. Durch die Sodaspaltung kommen 4*0,47 mmol/l hinzu. Macht 1,89 mmol/l, das entspricht einen pH Wert von 11,2.
Mögliche Eindickung:
pH-Wert: 10/1,89=5,3
p-Wert: 10/0,53=18,86
Lf: 6000/600=10

Schließe ich dann richtig, dass zuerst der maximale pH-wert erreicht wird und nicht der maximale p-Wert?!

Kann ich dann die Abschlammung und Absalzung berechnen als
A= 1,89/(10-1,89)*100=23,3% ???

Das würde bedeuten, das fast 25% der Frischwassermenge als Abwasser anfallen, statt bei einer Umkehrosmose(Permeatwasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 25µS/cm):
A= 25/(6000-25)*100=0,004% !!!

Kann man das so darlegen?
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  31.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Rolf Freese vom 31.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Rolf,

nun mache ich meine Antwort einmal an deiner Frage " wie beeinflußt die Karbonathärte, mathematisch dargestellt durch den m- und p-wert, die Absalzung und Abschlammung und wie kann ich das quantifizieren?" fest.

Zunächst einmal eine Richtigstellung: p- und m-Werte (bzw. die entspr. Ks-Werte) haben nichts mit der "Karbonathärte" zu tun. Mit den p- und m-Werten bestimmt man in der Regel die Kohlensäureformen (CO2, HCO3 und CO3), gegebenenfalls auch vorhandene freie Alkalität (OH), kann aber keine Aussage über die Härte (Ca + Mg) machen.

Wenn du Dampfkessel mit VE-Wasser beschickst, kannst du dieses (nahezu) unbegrenzt eindampfen. Es gibt Kessel (sog. Durchlaufsysteme) mit 100 % Verdampfungsrate, da ist also Absalzung kein Thema. Üblicherweise werden Trommelkessel eingesetzt und bei vollentsalztem Speisewasser dieses bis 100-fach eingedickt. Absalzrate also 1 %.

Fährst du einen Kessel mit teilentsalztem Wasser (UO, Enthärtung ...), so können mehrere Parameter - als nicht nur die "Karbonathärte" die Absalzung bestimmen. Hier eine Auswahl:

Die Lf (= Gesamtsalzgehalt) steigt nahezu direkt proportional zur Eindickung des Kesselwassers, wozu noch die Lf evtl. eingesetzter Konditionierungsmittel zu addieren ist. Die Sodaspaltung spielt dabei nicht die gravierende Rolle, da aus NaHCO3 Na2CO3 bzw. NaOH wird, bei ähnlicher Lf. Hast du aber noch Härte im Wasser, so fällt CaCO3 aus und entzieht sich somit der Lf-Messung.

Der pH-Wert steigt mit der Eindickung und der Sodaspaltung. Mit steigender Alkalität neigt das Kesselwasser zum Schäumen und es kann an unlegierten Stählen zu Risskorrosionen kommen. Daher begrenzen Kesselhersteller vielfach pH-Wert (z. B. auf 12) und Ks8,2 (z. B. auf 10 mmol/l). In der Regel entwickeln sich pH und Alkalität etwas weniger als direkt proportional zur Eindickung, da sie auch durch andere Wasserinhaltstoffe beeinflusst werden.

Konzentrationen Organica (gemessen als Oxidierbarkeit, DOC ...) können sich (bei hydrothermal stabilen Stoffen) direkt proportional der Eindickung entwickeln, aber auch deutlich geringer, sofern sie unter den Kesselbedingungen zersetzt werden.

Konzentrationen anderer Wasserinhaltstoffe (Cl, SiO2 ...) steigen überwiegend direkt proportional zur Eindickung.

Für all die genannten Parameter sollte es Grenzwerte geben oder man sollte sich deren Unbedenklichkeit (bez. Ablagerungen, Werkstoffverträglichkeit ...) für Kessel, Dampfleitungen und Dampfnutzer/-verbraucher schriftlich zusichern lassen.

Hoffe, dies hilft weiter.

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen      
Gast (Rolf Freese)
(Gast - Daten unbestätigt)

  31.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 30.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Tröpfchen,
danke für deine Mithilfe.

>>ich sehe die Sache etwas komplexer.<<
Das ist es in der Tat. Aber trotzdem muss es einen Weg geben um eine Voraussage zu teffen. Und zwar ohne die Anlage erstmal zu bauen und zu gucken was da herauskommt.

...>>Abhängig von der Art der Speisewasser-Aufbereitung muss der Kessel konstruiert sein<< , nein, ich will ja eine sinnvolle Wasseraufbereitung für einen Kessel auswählen nicht umgekehrt.

...>>All das dürfte finanziell eine weit aus größere Rolle spielen, als die Menge an Absalzwasser.<< , Frischwasser kostet Geld und Abwasser noch viel mehr. Für die Betrachtung der Kostenstruktur über die gesamte Lebenszeit einer Kesselanlage ist das ein wichtiger und großer Punkt.  

...>>Was ein Kessel (an Salzbelastung, Härte ...) verträgt, sagt dir der Kessellieferant. D.h. auch welche Parameter bei dem Kessel die Absalzung bedingen.<<
Das stimmt. Dabei halten die sich fast ausschließlich an die alte TRD 611, die Werte für Speisewasser und Kesselwasser vorschreibt. So z.B. Leitfähigkeit, m-Wert (Ks 4,3), p-Wert (Ks 8,2), Kieselsäure etc.

...>>Übrigens: Einige Konditionierungsmittel (z.B. Phosphat) erzeugen eine elektr. Leitfähigkeit, andere (z.B. organ. Produkte) z.T. nahezu keine. Die Lf kann direkt proportional der eingesetzten Konditionierungsmittelmenge sein, sich aber auch durch Reaktion der Konditionierungsmittel mit Wasserbestandteilen ändern (z.B. bei Sauerstoffbindemitteln). Also alles nicht so einfach ohne die Angaben des Kesselherstellers.<<
Wie gesagt, der Kesselhersteller sagt "halte dich an die TRD 611, EN 12953, VdTÜV Merkblatt TCh 1435". Diese beschreiben die o.g. Grenzwerte.

...>>Abhängig von der Art der Speisewasser-Aufbereitung wird Dampf unterschiedlicher Qualität erzeugt. Beispielsweise ein saurer bei Beschickung des Kessels mit enthärtetem Wasser.<<
Richtig, damit wären wir wieder bei der Sodaspaltung und damit beim p-Wert. Deine Einwände sind richtig aber nicht zielführend.

Die Frage lautet: wie beeinflußt die Karbonathärte, mathematisch dargestellt durch den m- und p-wert, die Absalzung und Abschlammung und wie kann ich das quantifizieren?  

Somit erhoffe ich mir eine wirtschaftliche Vergleichsmöglichkeit der verschiedenen Wasseraufbereitungen (Enthärtung, Umkehrosmose, Vollentsalzung, oder Kombinationen daraus), wenn die Frischwasserqualität bekannt ist.

Grüße
Rolf
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  30.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Rolf Freese vom 22.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Rolf,

ich sehe die Sache etwas komplexer.

Ad 1: Abhängig von der Art der Speisewasser-Aufbereitung muss der Kessel konstruiert sein, das Kesselwasser konditioniert und kontrolliert werden. Letzteres von gar nicht bis ganz heftig. All das dürfte finanziell eine weit aus größere Rolle spielen, als die Menge an Absalzwasser. Wobei sich bei dem dann noch die Frage der Entsorgung(skosten) stellt.
Was ein Kessel (an Salzbelastung, Härte ...) verträgt, sagt dir der Kessellieferant. D.h. auch welche Parameter bei dem Kessel die Absalzung bedingen.
Übrigens: Einige Konditionierungsmittel (z.B. Phosphat) erzeugen eine elektr. Leitfähigkeit, andere (z.B. organ. Produkte) z.T. nahezu keine. Die Lf kann direkt proportional der eingesetzten Konditionierungsmittelmenge sein, sich aber auch durch Reaktion der Konditionierungsmittel mit Wasserbestandteilen ändern (z.B. bei Sauerstoffbindemitteln). Also alles nicht so einfach ohne die Angaben des Kesselherstellers.

Ad 2: Abhängig von der Art der Speisewasser-Aufbereitung wird Dampf unterschiedlicher Qualität erzeugt. Beispielsweise ein saurer bei Beschickung des Kessels mit enthärtetem Wasser. Halten das die Dampfleitungen aus oder muss nun auch der Dampf konditioniert und dann verstärkt analysiert werden? Auch das bedeutet Aufwand und Kosten.
Bedenke zudem: Ein Dampf, der mehr enthält als H2O, schränkt seine Verwendungsmöglichkeiten ein.

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen
Gast (Rolf Freese)
(Gast - Daten unbestätigt)

  22.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 21.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Tröpfchen,

Sinn der Berechnung ist die Voraussage der Kosten, die durch erhöhten Abwasseranfall entsteht, bevor man sich für ein Aufbereitungsverfahren entscheidet.
Klar ist, dass je besser das Wasser aufbereitet ist, desto weniger Abwasser entsteht durch die Abschlammung und Absalzung. Aber die Umkehrosmose erzeugt auch Abwasser, da etwa 20 bis 25% des eingesetzen Wasser als Konzentrat ausgetragen werden muss. Hinzu kommen erhöhte Betriebskosten durch Strom und Wartung.
Deshalb stellt sich bei mir grundsätzlich die Frage, anhand welcher Parameter des Rohwassers ich auf welche Weise die Abwassermengen vorausberechnen kann. Der Zusatz von Konditionierungsmittel erhöht m.E. die Leitfähigkeit proportional zu ihrer Einsatzmenge(?!).

Gruß Rolf
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  21.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Rolf Freese vom 20.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Rolf,

für mich ist es fraglich, inwieweit man mit der von dir genannten Formel die Absalzung sinnvoll bestimmen kann. Ich kenne das so, dass vom Kesselieferant Spezifikationen für Speise- und Kesselwasser angegeben werden; beispielsweise Gesamtsalzgehalt (gemessen über die elktr. Leitfähigkeit) und Härte. Der Parameter, der im Kesselwasser zuerst den Grenzwert erreicht, bestimmt die Absalzung. Außerdem muss zusätzlich der Einfluss von Konditionierungsmitteln (Sauerstoffbinder, Härtestabilisator ...) berücksichtigt werden. Da diese Produkte teilweise diskontinuierlich und/oder direkt in den Kessel dosiert werden, gingen sie in deiner Formel nicht beim Speisewasser jedoch beim Kesselwasser ein. Also wieder schwerlich herauszurechnen.

Wäre also die Frage, wozu musst du die Absalzmenge vorab berechnen? Wasseraufbereitung und Absalzeinrichtung werden doch in der Regel gegenüber dem Normalbetrieb des Kessels überdimensioniert, um bei Störungen entsprechend reagieren zu können, d.h. genügend Kapazität zu haben.

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen  
Gast (Rolf Freese)
(Gast - Daten unbestätigt)

  20.08.2010

Es sollte heißen
A (Absalzrate) = (1-c)*Sz/(Sh-Sz)*100

hab mich da vertippt.



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