Jäähdytystornit
Poista biologiset kertymät jäähdytystorneista vähentäen samalla kemikaalien, veden ja energian käyttöä
Jäähdytys Jäähdytystornit ovat suhteellisen uusi sektori otsonikäsittelylle. Sellaisena sektorin käyttäjät ovat vasta löytämässä tekniikan hyödyt. Otsonivesikäsittelyn päähyödyt verrattuna perinteiseen kemikaalivesikäsittelyyn ovat veden ja energian säästöt. Kemikaalien käytön vähentäminen tai mahdollinen eliminoiminen tuovat myös kustannusetuja käyttäjälle.
Ensimmäinen jäähdytystornien ongelma on biologisen kasvun ja mineraalien muodostuminen, mikä tunnetaan myös kattilakivenä. Nämä ongelmat huonontavat jäähdytystornien lämmönsiirtotehokkuutta. Tämä ongelma on ennen ratkaistu käyttämällä kemiallisia aineita, kuten klooria ja kelatoivia yhdisteitä. Tämä on toimiva ratkaisu tähän ongelmaan, mutta kemikaalit aiheuttavat muita ongelmia. Koska tornista haihtuu vettä, jäljelle jääneessä vedessä on korkea pitoisuus kemikaaleja ja epäpuhtauksia. Tämän säätelemiseksi vettä lasketaan pois järjestelmästä ja korvataan uudella vedellä. Poistoveden hävittäminen on ongelmallista ja voi aiheuttaa lisää viemäröintikustannuksia.
Otsonikäsittely ratkaisee alkuperäisen ongelman selvästi pienemmillä jälkikustannuksilla ja ongelmilla. Otsoni on tehokas biosidi, joka tappaa virukset ja bakteerit, mutta sillä on todistetusti myös kattilakiveä poistava vaikutus. Se myös vähentää poistettavan veden määrää sekä sen hävittämisestä aiheutuvia kustannuksia ympäristöystävällisen luonteensa ansiosta. Lisäksi säästöä tulee pienemmistä kemikaalien varastointi- ja käsittelykustannuksista, koska otsoni tuotetaan paikan päällä. Tämä tekee säännösten noudattamisesta helpompaa.
Miksi otsonikäsittelyä käytetään?
Kun otsonia käytetään jäähdytystorneissa, saavutetaan kolmenlaisia säästöjä, jotka aiheutuvat seuraavista asioista:
- Parempi jäähdytystehokkuus (vähentää sähkönkulutusta)
- Pienempi poistoveden määrä (vähentää lisävedestä ja kemikaalijäämistä aiheutuvia kustannuksia).
- Pienemmät kunnossapitokustannukset. Otsonikäsittelyjärjestelmien huoltotyökustannukset ovat pienet.
- Merkityksetön desinfiointiaineiden tai desinfiointiaineiden sivutuotteiden määrä
- Erittäin tehokas desinfiointiaine
- Ei vaarallisten kemikaalien käsittelyä, koska tuotanto tapahtuu paikan päällä
- Korroosio vähäistä
- Ympäristöystävällinen käsittely, auttaa säännösten noudattamisessa
Omalla veden- ja jätevedenkäsittelylaitoksella varustettujen laitosten konkreettiset hyödyt on lueteltu seuraavassa:
- Pienempi energiantarve veden pumppauksessa säiliöstä vedenkäsittelylaitokseen, koska lisävettä kuluu vähemmän
- Vähemmän kustannuksia kemikaaleista, suodatuksesta ja kunnossapidosta
- Vähemmän kustannuksia kemikaaleista, suodatuksesta ja kunnossapidosta
- Pienempi energiantarve veden kuljetuksessa vedenkäsittelystä loppukäyttäjälle
- Pienemmät lupakulut käsitellyn veden hävittämisestä ympäristöön
Otsonikäsittelyn potentiaali
Seuraava sitaatti on Yhdysvaltain energiaviraston (U.S. Department of Energy Federal Technology) selvityksestä:
Oikein asennettu ja oikein toimiva järjestelmä vähentää bakteerimääriä, mistä seuraa merkittävä biokalvojen väheneminen lämmönvaihtimien pinnoilla. Energiankulutuksen pienentyminen, toiminnan tehostuminen ja kunnossapitotarpeen vähentyminen tuovat kustannussäästöjä, ympäristöetuja sekä auttavat jäteveden hävittämistä koskevien säännösten noudattamisessa.
Otsonin mekanismi
Otsoni inaktivoi ja tappaa mikro-organismit tehokkaasti hapettamalla niiden orgaaniset ainekset ja rikkomalla soluseinät. Se on biosidinen prosessi, johon mikrobit eivät voi kehittää immuniteettia. Esimerkiksi pitoisuus 0,4 mg/l tappaa 100 prosenttia Pseudomonas fluorescens -ryhmän bakteerien muodostamista biokalvoista 2–3 minuutissa.Pitoisuus 0,1 mg/l poistaa 80 prosenttia biokalvoista 3 tunnissa.
Otsonitekniikka vaikuttaa myös edullisesti kattilakiven käsittelyssä. Kun biokalvo, johon kattilakivi on kiinnittynyt, poistetaan, kattilakiven vaikutukset vähenevät merkittävästi.
Syövyttävä vaikutus vähäinen
Korroosiovaikutus on tavallinen huolenaihe otsonia käytettäessä. Otsonin korroosiovaikutukset ovat kuitenkin vähäiset (tai vain puolet kloorikäsittelyn aiheuttamista) johtuen pienistä pitoisuuksista ja lyhyestä puoliintumisajasta. Lisäksi biosidinen tehokkuus minimoi merkittävät mikrobiologisen aktiivisuuden aiheuttamat korroosiovaikutukset. Otsonikäsittelyn on todettu myös parantavan korroosiosuojaa muodostamalla passiivisen kalvon, joka peittää ja suojaa altistuvaa pintaa.
Tapaustutkimuksen tiedot
Tapaustutkimukset osoittavat, että tyypilliset käyttövalmiin, 1 000 tonnia (3,5 MW) käsittelevän otsonijärjestelmän hankintakulut ovat 40 000 – 50 000 $. Tapaustutkimuksessa (Yhdysvaltain energiaviraston tekemässä) vuonna -94 Lockheed Martin -laitoksissa Floridassa otsonointijärjestelmä asennettiin yhdessä päivässä. Se vähensi jätepoistoja 90 % ja säästö-investointi-aste (SIR) oli 31,2. Lisäksi huomattiin, että otsonin pelätty korroosiota lisäävä vaikutus oli vain puolet siitä, mitä kloorikäsittely aiheutti. Vuotuisten käyttökustannusten vertailu Lockheed Martin -tehtaalla esitetään alla olevassa taulukossa.
| Kustannus | Kemiallinen käsittely | Otsonikäsittely |
|---|---|---|
| Otsonikäsittely | $0 | $2,592 |
| Kemikaalit | $18,613 | $0 |
| Työvoima | $9,360 | $2,808 |
| Poistoveden kuljetus | $45,360 | $4,536 |
| Kloorikaasu | $6,120 | $0 |
| Virrankulutus | $118,715 | $47,479 |
| Kokonaiskustannus/vuosi | $198,168 | $57,415 |
Kemiallisen käsittelyn ja otsonikäsittelyn kustannusvertailu
Tärkeitä otsonikäsittelyn parametreja
Seuraavat tekijät on otettava huomioon, kun otsonimenetelmiä suunnitellaan, asennetaan ja hyödynnetään:
- Otsonigeneraattoriin syötettävän ilman valmistelu. Otsonigeneraattori tarvitsee kuivan ilman keskitetyn ilmansyötön. Tämä pidentää otsonigeneraattorin käyttöikää ja parantaa kapasiteettia.
- Otsonigeneraattorin oikea annostus ja kapasiteetti.
- Tehokas otsonigeneraattorin jäähdytys. Tämä on myös tärkeä generaattorin käyttöiän ja kapasiteetin kannalta.
- Vaikeampi käyttää, jos lisävesi tai paikalliset ilmaolosuhteet aiheuttavat korkeita COD-tasoja veteen. Tämä kuluttaa pääosan otsonista. Tämä on syy, miksi otsonikäsittely on vaikeampi toteuttaa joissakin kemianteollisuuden- tai petrokemianlaitoksissa, joissa orgaanista materiaalia tulee järjestelmään ilman mukana.
- Lisävesi, jonka kalsiumkovuus on yli 150 ppm, saattaa vaatia suodattimen sivuvirtaan. Jos kalsiumkovuus (CaCO3) on yli 500 ppm tai rikkipitoisuus yli 100 ppm, ei otsonikäsittelyä kannata harkita.
- Pitkät putkistot. Yli 400 m3:n jäähdytystornit saattavat vaatia 10–15 suihkutuskohtaa lyhyen puoliintumisajan takia.
- Käytä otsoniyhteensopivia materiaaleja ja seuraa korroosiota (esim. käyttämällä korroosiokuponkeja).
Epäpuhtauksien päävaikutukset
Kuten jo edellä on esitetty, jäähdytystornien vedenkierrossa on neljä pääongelma: korroosio, kattilakiven muodostuminen, biologinen likaantuminen ja patogeenien kasvu.
Epäpuhtauksien vaikutukset visuaalisesti
Neljä tärkeintä epäpuhtauksien vaikutusta sekä niiden käsittely kuvataan seuraavassa taulukossa:
| Korroosio | Korroosio on hapettavien reaktioiden johdosta ongelma yleensä silloin, kun käytetään vettä. Se johtaa rakenteiden ja laitteiden vaurioitumiseen, mikä vaikuttaa prosessin tehokkuuteen ja käyttöikään. Syövyttävien kemikaalien lisääminen vahvistaa näitä vaikutuksia. |
| – Käsittely | Korroosiota on periaatteessa mahdotonta välttää kokonaan, mutta sitä voidaan hallita. Jälleen kerran, käsittelyt riippuvat lisäveden laadusta. On kuitenkin tärkeää huomata, että korroosion vaikutukset ovat vaikeampia käytettäessä pehmeää tai pehmennettyä lisävettä. |
| Kattilakivi | Kattilakiven muodostuminen aiheuttaa kaksi suurta ongelmaa, jotka ovat virtauksen estyminen ja lämmönsiirtotehokkuuden merkittävä väheneminen. Kuparin johtavuus on esimerkiksi yli 400 kertaa parempi kuin kalsiumkarbonaatin johtavuus. Esimerkiksi 0,025 mm:n kalsiumkarbonaattikerros huonontaa lämmönsiirtotehoa 12,5 %. |
| – Käsittely | Kattilakiveä käsitellään erilaisilla lähestymistavoilla. Kattilakiven muodostumista estäviä kemikaaleja voidaan käyttää joko mineraalien adsorboimiseen tai kattilakiveä muodostavien ionien muuttamiseen kattilakiveä muodostamattomiksi yhdisteiksi. Toinen lähestymistapa on alentaa pH-arvoa happolisällä, joka liuottaa kattilakiven. Kattilakiven vaikutuksia voidaan lieventää myös lisäämällä pehmennettyä lisävettä. |
| Biologinen likaantuminen | Biologisen likaantumisen vaikutukset muistuttavat kattilakiven vaikutuksia, mutta johtavuus on vielä alhaisempi kuin kalsiumkarbonaatilla. Tästä syystä on tärkeää hallita vedenlaatua sekä mineraalisisällön että mikro-organismien suhteen. |
| – Käsittely | Hapettavat ja ei hapettavat biosidit (katso kuvaus alta). |
| Patogeenit | Patogeenit jäähdytysvesikierrossa ovat yleinen ongelma, joka johtaa infektioriskiin jäähdytyslaitteiden läheisyydessä. Patogeenit voivat siirtyä ympäristöön haihdutusvirran mukana. Vuonna 2004 raportoitiin Legionellan puhkeaminen Pas-de-Calaisissa Ranskassa, jossa bakteeria löytyi jopa 6 km:n säteellä tartunnan lähteenä olevasta jäähdytystornista. Tartunta tappoi 21 henkeä 86 sairastuneesta, joilta löydettiin laboratorion vahvistama infektio. |
| – Käsittely | Hapettavat ja ei hapettavat biosidit (katso kuvaus alta). |
Biologinen käsittely – biosidit
Biosidinen vaikutus on erittäin tärkeä jäähdytystornijärjestelmissä, koska ne altistuvat jatkuvasti ilmassa oleville orgaanisille aineksille ja organismeille. Mikrobiologista kasvua säätävät (sekä biologista likaantumista että patogeeneja estävät) voidaan jakaa kahteen tyyppiin: hapettavat ja ei hapettavat.
Hapettavat biosidit
Yleensä hapettavat biosidit ovat tehokkaita desinfiointiaineita, jotka hapettavat ja tappavat mikro-organismit nopeasti pieninä pitoisuuksina. Joidenkin tällaisten yhdisteiden yleisiä haittoja ovat mm. pH-arvon lasku, lisääntynyt korroosio ja herkkyys pH-arvon muutoksille. Otsoni on hapettava biosidi, jolla ei ole merkityksellisiä negatiivisia vaikutuksia ammattitaitoisesti käsiteltynä.
Ei hapettavat biosidit
Ei hapettavat biosidit toimivat rasittamalla mikrobeja ja häiritsemällä niiden metabolisia mekanismeja, mikä mahdollisesti deaktivoi ne. Tämän takia jotkin mikro-organismit voivat kehittää vastustuskyvyn ei hapettavia aineita vastaan, mikä johtaa yhden mikrobityypin korvaantumisen toisella tyypillä. Tästä syystä ei hapettavia aineita ei pitäisi käyttää yhdessä muiden ei hapettavien tai hapettavien aineiden kanssa. Ei hapettavat biosidit vaativat yleensä isoja annoksia, pitkää kosketusaikaa ja ovat suhteellisen kalliita. Niiden etuna on, että ne pystyvät vaikuttamaan tietyn tyyppisiin mikrobeihin sekä niiden ei syövyttäviin ominaisuuksiin.
Biosidiesimerkkejä
Alla olevassa taulukossa on esimerkkejä hapettavista ja ei hapettavista biosideistä, jotka ovat olleet tai ovat tällä hetkellä käytössä mikrobien kasvun säätelyssä.
| Hapettavat biosidit | Ei hapettavat biosidit |
|---|---|
Veden kovuus ja kattilakivi
Kattilakiviongelma aiheutuu lähinnä mineraalikertymien muodostumisesta eli veden kovuuden lisääntymisestä. Monivalenssiset kationit, pääasiassa Ca2+ ja Mg2+ sekä karbonaatit ovat veden kovuuden pääaiheuttajat. Eräs tärkeimmistä kattilakiven muodostumisreiteistä esitetään alla olevassa kemikaalin tasapainoreaktiossa:
Kalsiumkarbonaatin tasapainoreaktio
Edellä olevan kaltaisissa tasapainoreaktioissa suuret liuenneet mineraalipitoisuudet johtavat lisääntyneeseen kiinteiden kivennäissuolojen, toisin sanoen kattilakiven, muodostumiseen.
Toinen kattilakiven muodostumisreitti on biologiset mineraalijäämät biokalvoilla. Mineraalien mikrokiteiden on osoitettu kiinnittyvän biokalvoihin. Tällä tavalla biokalvojen muodostuminen edistää myös kattilakiven kertymistä.
Kalkkikerrostumat (kalsiumkarbonaatti)
Pitoisuussuhteet
Jäähdytystornien käytön yleinen ongelma on liuenneiden mineraalien pitoisuus. Lyhyesti sanottuna tämä johtuu siitä, että jäähdytysvesi haihtuu ja mineraalisisältö jää liuokseen. Kun mineraalipitoisuus nousee liukoisuusrajan yli, se johtaa mineraalien saostumiseen. Tämä vuorostaan johtaa vähitellen kalkkikerrostumiin. Jäähdytysveden mineraalipitoisuuden hallitsemiseen käytetään veden osittaista poislaskemista ja korvaamista lisävesilähteestä. Lisäksi kattilakiveä estäviä kemikaaleja käytetään mineraalien liukoisuuden lisäämiseksi. Tämä vähentää lisäveden tarvetta, mutta ei poista sitä kokonaan.
Termiä ”pitoisuussuhde” käytetään määritettäessä jäähdytysveden mineraalipitoisuutta verrattuna raa’an lisäveden pitoisuuteen. Esimerkki: jos jäähdytysveden pitoisuus on neljä kertaa suurempi kuin lisäveden pitoisuus, pitoisuussuhde on neljä. Toisin sanoen se on jäähdytysveden mineraalipitoisuuden suhteellinen mitta.
Alla oleva taulukko osoittaa selvästi kustannusedun, jos pitoisuussuhde on korkea. Siinä näkyy myös vähenevien tuottojen vaikutus erityisesti suhteen ollessa korkeampi kuin 5. On tärkeää huomata, että jos lisäveden alkuperäinen mineraalipitoisuus on korkea, voidaan käyttää alhaista suhdetta.
| Suhteet | Poistovesi (m3/vrk) | Lisävesi (m3/vrk) | Vuotuinen vesikulu* | Vesikulun vähennys (%) | Kemikaalikulun vähennys (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Pitoisuussuhteiden mittaaminen
Pitoisuussuhde voidaan mitata joko kemiallisesti tai tekemällä koko järjestelmän massatasapainotus. Kemiallisessa mittauksessa voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:
Pitoisuussuhteen kaava
Pitoisuussuhde voidaan mitata myös käyttämällä massatasapainoa:
Pitoisuussuhteen kaava massatasapainoon.
Missä:
Mineraalipitoisuuden seuranta ja säätäminen
On tärkeää määrittää suurin sallittu mineraalipitoisuus ennen kuin kattilakiven muodostuminen alkaa. Tätä arvoa käytetään poistoveden säätämisessä ja suurimmassa pitoisuussuhteessa.
Langelierin kylläisyysindeksi (LSI)
LSI:ssä käytetään kalsiumpitoisuutta, emäksisyyttä, johtavuutta (TDS:ssä) ja veden lämpötilaa määritettäessä kalsiumin suurinta stabiilia pH-arvoa. Kemiallisia käsittelyjä käytetään parantamaan kalsiumkarbonaatin liukenemista, jotta saavutetaan korkeampia suhteita. Tällä tavalla kemiallisen käsittelyn avulla noin +3 LSI voidaan saavuttaa ilman merkittävää kattilakiveä. Sen jälkeen LSI-arvoa hallitaan järjestelmän poistoveden avulla.
POSI-indeksi (Practical Ozone Scaling Index)
Pryor ja Fischer kehittivät vuonna 1993 POSI-indeksin kattilakiven seurantaan ja hallintaan otsonikäsittelyn aikana. Se määrittää jäähdytystornin toiminnan enimmäisjohtavuuden, jolla kattilakivi vältetään, ja se huomioi liuenneen kalsiumin vähentyneen määrän (otsonoinnin takia). Indeksin kaava selitetään alla:
POSI-indeksi (Practical Ozone Scaling Index)
POSI-esimerkki
POSI-indeksin laskemisen selventämiseksi alla olevassa taulukossa on esimerkki lisäveden laadusta, jonka perusteella POSI on laskettu:
| Parametri | Arvo | Yksikkö |
|---|---|---|
| pH | 8.4 | |
| Johtokyky | 130 | µS |
| Kalsiumkovuus | 30 | ppm CaCO3 |
| Magnesiumkovuus | 10 | ppm CaCO3 |
| Natrium | 10 | ppm Na |
| Kloridi | 7 | ppm Cl |
| Kokonaisemäksisyys | 39 | ppm CaCO3 |
| Lämpötila | 13 | ⁰C |
Tästä seuraa:
Toisin sanoen kun otsonikäsittelyä käytetään tällaiseen lisäveteen, johtavuus saa olla enintään hieman alle 3 000 µS, jotta kattilakiven muodostuminen vältetään. Tämä mahdollistaa prosessin käyttämisen pitoisuussuhteella 23. Samanlaisen lisäveden kemiallinen käsittely mahdollistaisi prosessin käyttämisen pitoisuussuhteella 10.
Otsonin annostelu- ja prosessointi
Seuraavassa osiossa on muutamia yksinkertaisia matemaattisia suhteita otsonointilaitteiden suunnitteluun. Vaadittu otsonimäärä pohjautuu jäähdytystornin vedenkierrätysnopeuteen. Kierrätysnopeus voidaan laskea järjestelmän tilavuudesta ja kiertoajasta:
Jäähdytystornin kierrätysnopeus
Seuraavassa taulukossa on tyypilliset suositellut otsonipitoisuudet jäähdytystornin eri osissa:
| Prosessiosa | Suositeltu arvoalue [ppm] |
|---|---|
| Jäähdytystornin säiliö | 0.025 – 0.250 |
| Kiertopumpun tulo | 0.075 – 0.150 |
| Lämmönvaihtimen tulo | 0.040 – 0.080 |
| Paluuvirtaus torniin | 0.010 – 0.040 |
Noin 0,2 ppm:n otsonointia käytetään yleensä sivuvirtaukseen. Kosketuslaite sallii tuotetun otsonin noin 90 %:n liukenemisen. Kuitenkin 80 %:n liukenemistehokkuutta voidaan käyttää ylimääräisenä marginaalina. Lisäksi otsonigeneraattorin kapasiteetti heikkenee ajan myötä.
Tästä syystä 10 %:n kapasiteetin laskua kahden vuoden aikana voidaan käyttää (ylimääräisenä marginaalina). Tarvittavan generaattorin otsonituotantokapasiteetin ”mO3” arvioimiseksi voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:
Otsonin massavirta
Esimerkiksi järjestelmän tilavuus 500 m3 ja kiertoaika 30 min vaatii otsonointijärjestelmän, jonka kapasiteetti on noin 280 g/h. Huomioi, että annostusvaatimuksia on säädettävä tärkeiden tekijöiden, kuten veden lämpötilan ja laadun mukaan, jotta saavutetaan optimaalinen tehokkuus. Lisäksi otsonin annostelu lisäveteen ei saa ylittää tasoa 10 g/m3.
Otsonin kulutuksen mittaaminen ja säätely
ORP-mittauksia tulee tehdä säännöllisesti, jotta järjestelmään saadaan riittävä otsonin annostus. Huomioi, että ORP-anturit likaantuvat helposti esim. kalsiumkarbonaatista. Puhdistaminen on helppoa mutta välttämätöntä. Tällä tavalla otsonin muodostuminen lisääntyy, mikä johtaa energiansäästöön ja syövyttävien vaikutusten eliminoimiseen.
Otsonin kanssa yhteensopivat materiaalit
Alla on lueteltu materiaaleja, joita pidetään otsonointiprosesseihin soveltuvina:
| Putket: | Ruostumaton teräs 316 Teflon/PTFE Kynar/PVDF |
| Säiliöt: | Ruostumaton teräs 316 (hitsataan sileäksi sisältä) |
| Tiivisteet: | Teflon/PTFE FPM/Viton |
Otsonin kanssa yhteensopivat kemikaalit
Joissakin tapauksissa voi olla hyödyllistä käyttää kemikaaleja jossakin määrin yhdessä otsonin kanssa riippuen veden laadusta ja prosessin tyypistä. On tärkeää, että käsittelyohjelman eheyttä ei kuitenkaan häiritä ja käytetään vain kemikaaleja, jotka säilyttävät vaikutuksensa ja stabiiliuden otsoniin yhdistettynä. Alla on lueteltu esimerkkejä kemikaaleista, joiden on osoitettu olevan yhteensopivia otsonin kanssa:
- PBTC, kattilakiven- ja korroosionestäjä.
- Molybdaatti, korroosionestäjä pehmeässä vedessä.
- Silikaatti, korroosionestäjä kalsiumpitoisuuksissa <200 ppm.
- TTA/BTA, kupari- ja messinkiseosten suojaaminen.
- Sinkkipohjaiset kemikaalit, korroosionestäjät.