Kühltürme
Beseitigen Sie biologische Ansammlungen in Kühltürmen während Sie die Chemikalieneinsatz und den Wasser- und Energieverbrauch reduzieren.
Kühltürme sind ein relativ neuer Bereich der Ozonbehandlung. So werden noch immer Vorteile der Technologie von den Anwendern in diesem Bereich entdeckt. Die Hauptvorteile der Wasseraufbereitung mit Ozon gegenüber der herkömmlichen chemischen Wasseraufbereitung liegen in der Wasser- und Energieeinsparung. Die Reduzierung und mögliche Eliminierung des Chemikalieneinsatzes schafft weiterhin Kostenvorteile für den Anwender.
Das erste Problem bei Wasserkühltürmen ist der Aufbau von biologischem Wachstum und Mineralien, auch bekannt als Kesselstein. Diese Probleme behindern die Wärmeübertragungseffizienz der Kühltürme. Dieses Problem wurde in der Vergangenheit durch den Einsatz von chemischen Mitteln wie Chlor und Chelatbildnern gelöst. Während dies als adäquate Lösung für das ursprüngliche Problem dient, führen die Chemikalien zu anderen Problemen. Durch die Verdunstung des Wassers im Turm erreicht das Restwasser eine hohe Konzentration an Chemikalien und Schadstoffen. Um dies zu regulieren, wird Wasser aus dem System abgelassen und durch frisches Nachspeisewasser ersetzt. Es ist das Abflutwasser, das problematisch zu entsorgen ist, wobei zusätzliche Abwasserkosten anfallen.
Die Ozonbehandlung löst das ursprüngliche Problem mit stark reduzierten Nebenkosten und Überlegungen. Ozon ist nicht nur ein starkes Biozid, das Viren und infektiöse Bakterien abtötet, sondern hat auch eine positive Entkalkungswirkung. Es reduziert zusätzlich die Menge des Abflutwassers sowie die Stückkosten für die Entsorgung aufgrund der umweltfreundlichen Natur des Ozons erheblich. Hinzu kommen die Einsparungen durch reduzierte Lagerkosten und Chemikalieneinsatz bei der Ozonerzeugung vor Ort. Diese Tatsache vereinfacht die Einhaltung der Vorschriften erheblich.
Warum Ozon verwenden?
Durch die Ozonisierung von Kühltürmen können vor allem drei Arten von Einsparungen erzielt werden:
- Erhöhte Effizienz im Kühlbetrieb (was den Stromverbrauch senkt).
- Reduzierte Absalzmenge (Reduzierung der Kosten für Nachspeisewasser und Chemikalienabfall).
- Reduzierte Wartungskosten. Die Wartungskosten für Ozonbehandlungsanlagen sind gering.
- Geringer Aufbau von Desinfektionsmittel oder Desinfektionsnebenprodukten
- Sehr wirksames Desinfektionsmittel
- Kein Umgang mit gefährlichen Chemikalien durch in-situ Produktion
- Geringe Korrosion
- Umweltfreundliche Behandlung, die die Einhaltung der Vorschriften erleichtert.
Für Standorte, die eigene Wasser- und Abwasserreinigungsanlagen betreiben, sind im Folgenden einige konkrete Vorteile aufgeführt:
- Reduzierte Pumpleistung zur Entnahme und zum Transport von Wasser aus dem Reservoir zur Wasseraufbereitungsanlage durch reduzierten Frischwasserverbrauch
- Reduzierte Chemikalien-, Filtrations- und Wartungskosten
- Reduzierte Pumpleistung für den Abblastransport in die Abwasserbehandlung
- Reduzierte Pumpleistung für den Wassertransport von der Wasseraufbereitung zum Endverbraucher
- Reduzierte Genehmigungskosten für die Einleitung von gereinigtem Wasser in die Umwelt
Ozonbehandlungspotenzial
Zitat des U.S. Department of Energy Federal Technology Alert zur Ozonbehandlung:
In a properly installed and operating system, bacterial counts are reduced, with subsequent minimization of biofilm buildup on heat exchanger surfaces. The reduction in energy demand, the increased operating efficiency, and the reduced maintenance effort provide cost savings as well as environmental benefits and improved regulatory compliance with respect to discharge of wastewater from blowdown.
Der Ozon-Mechanismus
Ozon inaktiviert und tötet Mikroorganismen effektiv, indem es ihre organischen Bestandteile oxidiert und die Zellwände aufbricht. Es ist ein biozider Prozess, gegen den Mikroben keine Immunität entwickeln können. Beispielsweise führt eine Konzentration von 0,4 mg/L für den Biofilmproduzenten Pseudomonas fluorescens zu einer 100 %igen Abtötung in 2 – 3 Minuten. Eine Konzentration von 0,1 mg/L entfernt ca. 80 % des Biofilms in 3 Stunden.
Die Ozonierungstechnologie hat auch positive Auswirkungen auf die Behandlung von Kesselstein. Durch die Entfernung des Biofilms, an dem sich der Kesselstein anlagert, können die Verkalkungseffekte bei Vorhandensein eines Biofilms deutlich reduziert werden.
Geringe korrosive Effekte
Korrosionseffekte sind eine übliche Sorge bei der Verwendung von Ozon. Da jedoch eine sehr niedrige Konzentration und eine kurze Halbwertszeit erforderlich sind, ist die korrosive Wirkung von Ozon gering (oder sogar halb so stark wie bei der Chlorierung). Darüber hinaus minimiert die Wirksamkeit als Biozid signifikante Korrosionseffekte, die durch mikrobiologische Aktivität hervorgerufen werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass die Ozonbehandlung den Korrosionsschutz erhöht, indem sie einen passiven Film bildet und die freiliegende Oberfläche schützt.
Daten der Fallstudie
Fallstudien zeigen, dass die typischen Kosten für schlüsselfertige Ozonanlagen, die zur Behandlung von 1000 Tonnen (3,5 MW) benötigt werden, zwischen 40.000 und 50.000 Dollar liegen. In einer Fallstudie (erstellt vom U.S. Department of Energy) aus dem Jahre 94 in einer Lockheed Martin Anlage in Florida konnte das Ozonierungssystem an einem Tag installiert werden, was schließlich zu einer 90 %igen Reduzierung der Abfallmenge und einer Einsparungs/Investitions-Verhältnis (SIR) von 31,2 führte. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die gefürchtete Korrosionswirkung durch den Einsatz von Ozon nur halb so groß ist wie bei der Chlorbehandlung. Der jährliche Betriebskostenvergleich für das Werk Lockheed Martin ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
| Artikel | Chemische Behandlung | Ozonbehandlung |
|---|---|---|
| Elektrischer Betrieb | $0 | $2,592 |
| Chemikalien | $18,613 | $0 |
| Arbeit | $9,360 | $2,808 |
| Absalzmanagement | $45,360 | $4,536 |
| Chlorgas | $6,120 | $0 |
| Stromverbrauch | $118,715 | $47,479 |
| Gesamtkosten/Jahr | $198,168 | $57,415 |
Wichtige Parameter, die bei der Ozonbehandlung zu beachten sind
- Aufbereitung der Zuluft zum Ozongenerator. Um die Lebensdauer und Kapazität des Ozongenerators zu maximieren, sollte eine trockene, konzentrierte Luftzufuhr zugeführt werden.
- Angemessene Dosierung und Leistung des Ozonerzeugers
- Effiziente Ozongeneratorkühlung. Dies ist auch wichtig, um eine lange Lebensdauer und Kapazität des Generators zu erreichen.
- Schwieriger zu verwenden, wenn hohe CSB-Werte durch Einspeisung oder lokale Luftbedingungen in das Wasser eingebracht werden. Dieser verbraucht den größten Teil des Ozons. Dies ist zum Beispiel der Grund, warum die Ozonbehandlung in einigen chemischen und petrochemischen Anlagen, in denen organisches Material aus der Luft in das System eingebracht wird, schwieriger ist.
- Eine Nachspeisewasserqualität von über 150 ppm Calciumhärte kann einen Seitenstromfilter erfordern. Calcium (CaCO3)-Härte über 500 ppm oder Sulfate über 100 ppm sollten bei der Ozonbehandlung nicht berücksichtigt werden.
- Wassertemperatur. Für eine effiziente Ozonbehandlung sollte die Kühlwassertemperatur 45 °C nicht überschreiten. Dies liegt vor allem an der geringen Löslichkeit von Ozon bei höheren Temperaturen.
- Lange Rohrleitungssysteme. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von ca. 10 – 15 Minuten können bei Kühltürmen größer als ca. 400 m3 mehrere Einspritzpunkte erforderlich sein.
- Verwenden Sie ozonverträgliche Materialien und überwachen Sie die Korrosion (z.B. mit Hilfe von Korrosionscoupons).
Hauptverunreinigungseffekte
Wie bereits erwähnt, treten bei der Umwälzung von Kühlturmwasser vier Hauptprobleme auf: Korrosion, Kesselsteinbildung, Biofouling und pathogenes Wachstum.
Visuelle Darstellung der Verunreinigungseffekte
Die vier wichtigsten Verunreinigungseffekte sowie deren Behandlung sind in der folgenden Tabelle kurz beschrieben:
| Corrosion | Corrosion generally appear in water contacting applications due to oxidation reactions. This leads to structural and equipment damage which affects performance and lifetime of the process. Addition of corrosive chemicals enhance these effects. |
| – Treatment | While possible to control, corrosion is basically impossible to avoid completely. Again, different makeup water qualities require different treatments. However it is important to note that the corrosion effects are severe when using soft or softened makeup water. |
| Scaling | The formation of scale leads to two major issues, namely fluid flow obstruction and significantly decreased heat transfer efficiency. The conductivity of for example copper is more than 400 times that of calcium carbonate. For instance, a 1.5 mil or 0.025 mm layer of calcium carbonate decreases the heat transfer efficiency by about 12.5 %. |
| – Treatment | Scaling is treated using different approaches. Scaling inhibition chemicals can be used either to adsorb minerals on growing crystals or to convert scale forming ions into non-scale forming compounds. Another approach involves lowering the pH by acid addition which dissolves the scale. Finally scaling effects may also be mitigated by adding softened makeup water. |
| Biofouling | Biofouling shows similar negative effects as scaling but with an even lower conductivity than calcium carbonate scale. Hence, it is important to manage water quality both with respect to mineral content and microorganisms. |
| – Treatment | Oxidizing and non-oxidizing biocides (see description below). |
| Pathogens | Pathogenic outbreaks in coolant water circuits is a common issue which leads to infection risk in the vicinity of the cooling facility. The pathogens can be transported to the surroundings together with the evaporating stream. In 2004 an outbreak of Legionella was reported in Pas-de-Calais in France were bacteria were found up to 6 km from a cooling tower, which was the source of the outbreak. The outbreak killed 21 of 86 people with laboratory confirmed infection. |
| – Treatment | Oxidizing and non-oxidizing biocides (see description below). |
Biological treatment – biocides
Die Verwendung von Bioziden im Kühlturmsystem ist sehr wichtig, da es ständig organischem Material und Organismen aus der Luft ausgesetzt ist. Biozide zur Kontrolle des mikrobiologischen Wachstums (zur Verhinderung von Biofouling und Krankheitserregern) können in zwei Arten unterteilt werden, nämlich oxidierende und nicht-oxidierende Biozide.
Oxidierende Biozide
Generell erweisen sich oxidierende Biozide als wirksame Desinfektionsmittel, die die Mikroorganismen bei geringer Dosierung schnell oxidieren und damit abtöten. Allgemeine Nachteile für einige dieser Verbindungen sind: Senkung des pH-Wertes, erhöhte Korrosion und Empfindlichkeit gegenüber pH-Veränderungen. Ozon ist ein oxidierendes Biozid mit unbedeutenden negativen Auswirkungen bei fachgerechtem Umgang.
Nicht-oxidierende Biozide
Nicht-oxidierende Biozide funktionieren, indem sie die Mikroben unter Stress setzen und ihre Stoffwechselmechanismen stören, die sie schließlich deaktivieren. Aus diesem Grund können einige Mikroorganismen Resistenzen gegen nichtoxidierende Stoffe entwickeln, das kann dazu führen das einfach eine Bakterienart mit einer anderen ersetzt wird. Daher sollten nicht-oxidierende Mittel in Kombination mit anderen nicht-oxidierenden oder oxidierenden Mitteln verwendet werden. Außerdem erfordern nicht-oxidierende Biozide in der Regel eine hohe Dosierung, eine lange Einwirkzeit und sind relativ teuer. Ihre Vorteile allerdings sind ihre Fähigkeit gezielt gegen spezifische Mikroben eingesetzt zu werden und ihre nicht korrosiven Eigenschaften.
Biozid-Beispiele
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für oxidierende und nicht-oxidierende Biozide aufgeführt, die zur Regulierung des Mikrobenwachstums eingesetzt wurden oder werden.
| Oxidierende Biozide | Nicht-oxidierende Biozide |
|---|---|
Benzalkoniumchlorid, ein sogenanntes „Quat“.
Wasserhärte und Kesselsteinbildung
Das Ablagerungsproblem entsteht im Wesentlichen durch den Anstieg der Mineralstoffkonzentration, also der Härte des Wassers. Mehrwertige Kationen, hauptsächlich Ca2+ und Mg2+, und Karbonate sind die Hauptquellen der Wasserhärte. Einer der wichtigsten Pfade für die Bildung von Kalkablagerungen wird in der folgenden chemischen Gleichgewichtsreaktion dargestellt:
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Infolge von Gleichgewichtsreaktionen wie der oben genannten führt ein höherer Gehalt an gelösten Mineralien zu einer erhöhten Bildung von festen Mineralsalzen, oder anders ausgedrückt zu einer Kesselsteinbildung bzw. Kalkablagerung.
Ein zweiter Weg zur Bildung von Kesselstein ist die biologische Mineralablagerung auf Biofilmen. Biofilme haben sich als Adhäsionsmittel für mineralische Mikrokristalle erwiesen. Auf diese Weise fördert die Bildung von Biofilmen auch die Bildung von Kesselstein.
Limescale (calcium carbonate) deposit.
Eindickungszahl
Eine allgemeine Problematik des Kühlturmbetriebs ist der Anstieg der gelösten Mineralienkonzentration. Kurz gesagt, dieser Aufbau entsteht, wenn Kühlwasser verdampft und der Mineralstoffgehalt in Lösung verbleibt. Wenn der Mineralstoffgehalt über das Löslichkeitsniveau hinausgeht, kommt es zur Ausfällung der Mineralien. Dies wiederum führt zu einem allmählichen Aufbau von Kalkablagerungen. Zur Kontrolle des Mineralstoffgehaltes wird ein Teil des Kühlmittelstroms abgeführt und durch eine Frischwasserquelle ersetzt. Zusätzlich werden Kesselsteinhemmer eingesetzt, um die Löslichkeit der Mineralien zu erhöhen und höhere Mineralstoffkonzentrationen zu ermöglichen. Dies verringert den Bedarf an Nachspeisewasser, beseitigt es aber nicht.
Der Begriff „Eindickungszahl“ wird verwendet, um die Mineralstoffkonzentration des Kühlwassers im Verhältnis zur Konzentration des Nachspeisewassers zu beziffern. Zum Beispiel, wenn die Konzentration des Kühlwassers das Vierfache der Konzentration des Nachspeisestroms beträgt, beträgt die Eindickungszahl vier. Mit anderen Worten, es ist eine relative Messung der Mineralstoffkonzentration im Kühlwasser.
Die nachstehende Tabelle zeigt deutlich den Kostenvorteil der Verwendung hoher Eindickungszahlen. Es zeigt aber auch abnehmende Erträge, insbesondere bei einer Eindickungszahl größer fünf. Es ist auch wichtig zu beachten, dass bei einem hohen Anfangsmineralgehalt des Nachspeisewassers niedrigere Zahlen verwendet werden können.
| Eindickungs-zahl | Absalzung(m3/d) | Nachspeisung (m3/d) | Jährliche Wasser-kosten* | % Reduzierung der Wasser-kosten | % Reduzierung der Inhibitor-kosten |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 163.53 | 245.29 | $70,956 | 0 | 0 |
| 3 | 40.88 | 122.65 | $35,478 | 50.0 | 75.0 |
| 5 | 20.44 | 102.21 | $29,565 | 58.3 | 87.5 |
| 8 | 11.68 | 93.45 | $27,031 | 61.9 | 92.8 |
| 10 | 9.08 | 90.85 | $26,280 | 62.9 | 94.4 |
Bestimmung der Eindickungszahl
Die Eindickungszahl kann entweder chemisch oder durch eine Massenbilanz über das System gemessen werden. Die chemische Messung kann nach folgender Formel durchgeführt werden:
Formel der Eindickungszahl
Die Eindickungszahl kann auch über die Massenbilanz berechnet werden:
Formel der Eindickungszahl über die Massenbilanz
Dabei ist:
Überwachung und Regelung der Mineralstoffkonzentration
Es ist wichtig, die maximal zulässige Mineralstoffkonzentration zu bestimmen, bevor es zu Kesselsteinbildung kommt. Dieser Wert wird dann zur Einstellung der Absalzmenge verwendet, um die maximale Eindickungszahl einzustellen.
Der Langelier Sättigungsindex (LSI)
Der LSI verwendet die Calciumkonzentration, die Alkalität, die Leitfähigkeit (in TDS) und die Wassertemperatur, um den maximalen Stabilisierungs-pH-Wert von Calcium zu bestimmen. Durch eine chemische Behandlung wird die Löslichkeit von Calciumcarbonat erhöht, um höhere Eindickungszahlen erreichen zu können. Auf diese Weise kann mit Hilfe eines chemischen Behandlungsprogramms ein LSI von ca. +3 ohne nennenswerte Kesselsteinbildung erreicht werden und der LSI wird dann durch die Höhe der Absalzung gesteuert.
Practical Ozone Scaling Index (POSI)
Zur Überwachung und Steuerung der Kesselsteinbildung bei der Ozonbehandlung wurde der POSI-Index 1993 von Pryor und Fischer entwickelt. Es berechnet die maximale Betriebsleitfähigkeit des Kühlturmes, um Kalkablagerungen zu vermeiden und berücksichtigt die reduzierte Menge an gelöstem Calcium (durch Ozonierung). Der Index wird in der folgenden Formel erläutert:
POSI example
Um weiter zu verdeutlichen, wie der POSI verwendet werden kann, wird in der folgenden Tabelle ein Beispiel für die Nachspeisewasserqualität gegeben und der POSI berechnet:
| Parameter | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| pH | 8.4 | |
| Leitfähigkeit | 130 | µS |
| Calciumhärte | 30 | ppm CaCO3 |
| Magnesiumhärte | 10 | ppm CaCO3 |
| Natrium | 10 | ppm Na |
| Chlorid | 7 | ppm Cl |
| Gesamtalkalität | 39 | ppm CaCO3 |
| Temperatur | 13 | ⁰C |
Dadurch ergibt sich:
Mit anderen Worten, bei der Ozonbehandlung dieses Nachspeisewassers kann die maximale Leitfähigkeit einen Wert von knapp unter 3000 µS erreichen, um eine Kesselsteinbildung zu vermeiden. Dadurch kann der Prozess mit einer Eindickungszahl von fast 23 ablaufen. Ein chemisches Programm für die gleiche Nachspeisewasserqualität würde einen Prozess mit einer Zahl von 10 ermöglichen.
Ozondosierung und Prozessauslegung
Im folgenden Abschnitt werden einige vereinfachte mathematische Zusammenhänge zur Abschätzung der Auslegung von Ozonanlagen dargestellt. Die benötigte Ozonmenge richtet sich nach der Umwälzrate des Kühlturmwassers. Die Umwälzrate ergibt sich aus dem Anlagenvolumen und der Verweilzeit:
Typische Richtwerte für die erforderlichen Ozonkonzentrationen für verschiedene Abschnitte des Kühlturms sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
| Prozessabschnitt | Empfohlener Wertebereich (ppm) |
|---|---|
| Kühlturmbecken | 0.025 – 0.250 |
| Eingang der Umwälzpumpe | 0.075 – 0.150 |
| Wärmetauschereinlass | 0.040 – 0.080 |
| Rückleitung zum Turm | 0.010 – 0.040 |
Eine Ozonierung von ca. 0,2 ppm wird in der Regel einem Seitenstrom des Hauptstroms zugeführt. Die Kontaktiereinrichtung ermöglicht eine Löseeffizienz des erzeugten Ozons von ca. 90 %. Als zusätzliche Sicherheit kann jedoch eine Löseeffizienz von 80 % verwendet werden. Außerdem nimmt die Kapazität des Ozongenerators mit der Zeit ab.
Somit kann eine Kapazitätsabnahme von 10 % über einen Zeitraum von zwei Jahren angenommen werden (wiederum für eine zusätzliche Sicherheitsspanne). Zur Abschätzung der erforderlichen Ozonproduktionskapazität, “?O3”, des Generators kann die folgende Formel verwendet werden:
Ozone mass flow rate.
So erfordert z.B. ein Anlagenvolumen von 500 m3 mit einer Verweilzeit von 30 min eine Ozonanlage mit einer Leistung von ca. 280 g/h. Beachten Sie, dass die Dosieranforderungen in Bezug auf wichtige Faktoren wie z.B. Wassertemperatur und -qualität für einen optimalen Wirkungsgrad angepasst werden müssen. Außerdem sollte die Ozondosierung 10 g/m3 Nachspeisewasser nicht überschreiten.
Messung und Regelung des Ozonbedarfs
Redoxpotential-Messungen sollten kontinuierlich durchgeführt werden, um eine ausreichende Ozondosierung des Systems zu gewährleisten. Beachten Sie, dass Sonden für das Redoxpotential anfällig für Verschmutzungen durch z.B. Calciumcarbonatwerte sind. Die Reinigung ist jedoch einfach, wenn auch unerlässlich. Auf diese Weise wird eine übermäßige Ozonbildung verhindert, welches zu Energieeinsparungen und zur Beseitigung korrosiver Effekte durch übermäßiges Ozon führt.
Ozonverträgliche Materialien
Nachfolgend sind Materialien aufgeführt, die für Ozonierungsverfahren geeignet sind:
| Rohrleitungen: | 316 Edelstahl Teflon/PTFE Kynar/PVDF |
| Gefäße: | 316 Edelstahl (Schweißnähte innen glatt schleifen) |
| Dichtungen: | Teflon/PTFE FKM/Viton |
Ozonverträgliche Chemikalien
Je nach Wasserqualität und Prozessart kann es in einigen Fällen sinnvoll sein, Chemikalien zusammen mit Ozon einzusetzen. Es ist jedoch wichtig, die Wirksamkeit des Behandlungsverfahrens nicht zu beeinträchtigen und nur Chemikalien zu verwenden, deren Funktion und Stabilität in Kombination mit Ozon erhalten bleibt. Nachfolgend sind Beispiele von Chemikalien aufgeführt, die sich als ozonverträglich erwiesen haben:
- PBTC, Kesselstein und Korrosionsinhibitor.
- Molybdat, Korrosionsinhibitor für weiches Wasser.
- Silikat, Korrosionsinhibitor bei Calciumkonzentrationen < 200 ppm.
- TTA/BTA, Kupfer- und Messinglegierungsschutz.
- Chemikalien auf Zinkbasis, Korrosionsinhibitoren.
Neben der Eigenschaft als hoch wirksames Biozid hat Ozon auch eine positive Entkalkungswirkung, was das Abflutwasser bei Kühltürmen stark reduziert.