Fortschrittliche Kühlwasseraufbereitungskonzepte (Teil 2)

Dieser Teil untersucht die allgemeine Chemie von Phosphatersatztechnologien, die sich in vielen Anwendungen als wirksam erwiesen haben.

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste Teil einer mehrteiligen Serie von Brad Buecker, Präsident von Buecker & Associates, LLC.

Lesen Sie hier Teil 1.

Teil 1 dieser Serie bot einen Überblick über die bekanntesten Programme zur Behandlung von Kühlwasserablagerungen/Korrosionsinhibitoren seit Mitte des letzten Jahrhunderts. Die Behandlung entwickelte sich von der sehr effektiven, aber letztendlich gefährlichen Säure-/Chromat-Chemie hin zur Phosphat-/Phosphonat-/Zink-Behandlung, die „kontrollierte“ Fällungsreaktionen und einen leicht basischen pH-Wert nutzte, um das Korrosions- und Ablagerungspotenzial des Kühlwassers zu reduzieren. Die Steuerung der letztgenannten Programme kann kompliziert sein, wobei manchmal ein schmaler Grat zwischen Korrosions- und Ablagerungsbedingungen besteht. Das Foto unten eines Zweizug-Wärmetauschers bietet ein dramatisches Beispiel.

Am Einlassende (den unteren Rohren dieses Wärmetauschers) war Korrosion erkennbar. Auf der wärmeren Austrittsseite (obere Hälfte) war die Ablagerung störend, wie deutlich zu erkennen ist. Das Phosphat/Phosphonat-Programm war je nach Standort und Temperatur im Wärmetauscher nicht besonders wirksam bei der Minderung von Korrosion oder Ablagerungen.

In dieser Folge werden wir die allgemeine Chemie von Phosphatersatztechnologien untersuchen, die sich in vielen Anwendungen als wirksam erwiesen haben; mit geringerer Unsicherheit als Phosphat-/Phosphonatbehandlungen und mit geringeren Umweltauswirkungen durch die Entladungschemie.

Wie sich der Leser aus Teil 1 erinnern wird, basieren Phosphat-/Phosphonatprogramme im Hinblick auf den Korrosionsschutz weitgehend auf der Ablagerung von Reaktionsprodukten, um anodische und kathodische Reaktionen zu verhindern. Eine häufige Korrosionszelle in kohlensäurehaltigem Wasser ist unten dargestellt.

Während die Sauerstoffkorrosion von Kohlenstoffstahl wahrscheinlich der häufigste Mechanismus ist, sind viele andere Korrosionsmechanismen möglich. Aus Platzgründen können die meisten dieser Mechanismen in diesem Artikel nicht ausführlich besprochen werden, ich hoffe jedoch, einige der wichtigsten in einem zukünftigen Artikel über Energietechnik zu skizzieren. Weiter zum Hauptthema; Der Einsatz von Fällungschemikalien zur Depolarisierung anodischer und kathodischer Reaktionen kann oft eine große Herausforderung darstellen, da variable Bedingungen zu anderen Problemen wie der in Abbildung 1 gezeigten Ablagerungsbildung führen können. Dementsprechend wurden moderne Programme entwickelt, um einen direkten Schutzfilm auf Metalloberflächen zu bilden. Die wichtigen Merkmale der organischen Moleküle in vielen Formulierungen sind aktive Zentren, die sich direkt an Metalloberflächen anlagern, wobei sich die hydrophobe organische Kette nach außen erstreckt.

Eine diesem Autor bekannte Verbindung trägt den allgemeinen chemischen Namen „reaktiver Polyhydroxystärkeinhibitor“ (RPSI) (1), bei dem aktive sauerstoffhaltige Gruppen der Moleküle an die Metalloberfläche binden, wobei der organische Teil das Metall abschirmt. Diese Chemie und ähnliche Technologien haben in den letzten zehn Jahren deutlich an Beliebtheit und Einsatz gewonnen und umfassen mittlerweile mehrere tausend oder mehr Anwendungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ordnungsgemäße Anwendung der Chemie, die keine hohen Konzentrationen erfordert, die Korrosionsrate von Kohlenstoffstahl oft auf weniger als 1 Mil pro Jahr (mpy, wobei ein Mil 0,001 Zoll entspricht) senken kann. Dies liegt deutlich innerhalb der prognostizierten Lebensdauer typischer Kohlenstoffstahlkomponenten.

Daten aus Referenz 1 deuten auch auf einen guten Korrosionsschutz von Edelstahlmetallen der Serie 300 vor Chloridlochfraß und -rissen hin, was ein Thema aufwirft, mit dem sich dieser Autor befassen wollte. Mehrere Jahre lang war ich intensiv an der Überprüfung der Designspezifikationen für die Wasseraufbereitung für neue GuD-Kraftwerke beteiligt. In zahlreichen Fällen spezifizierte das Konstruktionsbüro Edelstahl 304 oder 316 für Dampfoberflächenkondensatorrohre, offenbar ohne sich Gedanken über die Chemie des Kühlwassers und mögliche Probleme durch Verunreinigungen zu machen.

Ein typisches Beispiel dafür ist, dass rostfreie Stähle eine Oxidschicht bilden, die das Grundmetall schützt, bei der jedoch Chlorid in ausreichenden Konzentrationen die Oxidschicht durchdringt und Lochfraß auslöst. Jahrelang lagen die empfohlenen maximalen Chloridgrenzwerte für diese Stähle bei Umgebungstemperatur zwischen 500 ppm für 304 SS und 3.000 ppm für 316L (L steht für Low Carbon Content) SS. Untersuchungen haben später gezeigt, dass diese Grenzwerte zu hoch waren, und ein bekannter Materialexperte schlägt 100 bzw. 400 ppm für saubere Rohre vor. (2) Ablagerungen erhöhen das Korrosionspotential. Einige Ergänzungswässer weisen Chloridgehalte auf, die diese Richtlinien überschreiten, bevor sie überhaupt in einem Kühlturm aufbereitet werden. (3) Lochfraß ist ein heimtückischer Korrosionsmechanismus und kann bekanntermaßen innerhalb von Monaten und manchmal sogar Wochen zum Ausfall von Materialien führen, die eigentlich Jahrzehnte halten sollten. Ein weiteres Element, das schwere Edelstahlkorrosion verursachen kann, ist Mangan. Wir werden dieses Problem in einem zukünftigen Artikel untersuchen.

Aus diesem Beispiel lassen sich zwei wesentliche Erkenntnisse ziehen. Erstens müssen Konstrukteure für Großprojekte, die über Wasser- und Prozessflüssigkeitssysteme verfügen, Chemie- und Korrosionsexperten konsultieren oder über Mitarbeiter verfügen, die die richtigen Materialien auswählen können. In der Entwurfsphase ist es in der Regel viel einfacher, die richtigen Materialien auszuwählen, als sich nach der Installation mit betrieblichen Problemen zu befassen. Zweitens und von unmittelbarer Bedeutung für diese Diskussion ist, dass die oben hervorgehobene filmbildende Chemie eine Lösung in bestehenden Anlagen bieten könnte, in denen ein Materialaustausch zu teuer wäre.

Ein weiterer Vorteil dieser modernen Kühlwasseraufbereitungsalternative ist umweltbedingt. Phosphor ist ein primärer und häufig limitierender Nährstoff für das mikrobiologische Wachstum in Kühlsystemen und in aufnehmenden Gewässern, einschließlich Rückhaltebecken für die Abschlämmung von Kühltürmen. Die folgenden beiden Abbildungen aus Referenz 1 zeigen ein Vorher-Nachher-Foto des Rückhaltebeckens in einer Industrieanlage, in der die Behandlung von einem Polyphosphat/Zink-Programm auf ein filmbildendes Programm ohne Phosphor (ohne P) umgestellt wurde.

Ergebnisse wie diese sind oft ein zusätzlicher treibender Faktor für Programmänderungen, insbesondere an Standorten, an denen Umweltvorschriften die Phosphoreinleitung aus Punktquellen einschränken oder vielleicht sogar verbieten. (Landwirtschaftliche Abflüsse sind ein anderes Thema, das hier nicht behandelt werden kann.) Darüber hinaus werden die Vorschriften für die Einleitung anderer Elemente und Verbindungen, zu denen in diesem Fall häufig Zink gehört, immer strenger. ein üblicher Korrosionshemmer in Phosphat-/Phosphonatprogrammen.

Wie in Teil 1 dargelegt, erfüllen Phosphat-/Phosphonatprogramme eine doppelte Funktion als Korrosions- und Ablagerungskontrollmethode. Bei den fortgeschrittenen Nicht-P-Programmen dienen nun Polymere mit aktiven Gruppen zur Skalenkontrolle. Abbildung 6 zeigt die allgemeine Struktur und gemeinsame aktive Gruppen auf den Polymeren.

Diese Verbindungen wirken über eine Vielzahl von Mechanismen, um die Bildung von Ablagerungen zu kontrollieren, darunter:

Ein oft wichtiger Faktor für die Ablagerungskontrolle ist die Verbesserung der Fähigkeit der Polymere, Ablagerungen zu durchdringen. Dies gilt insbesondere für organische Stoffe wie Öle und Fette, da diese Verbindungen Ablagerungen zusammenbinden. Tenside können beim Abbau dieser Materialien helfen. Nichtionische Tenside ähneln Waschmitteln, da sie über eine hydrophile (wasserliebende) funktionelle Gruppe und eine lipophile (ölliebende) Kette verfügen. Während sich das lipophile Ende mit Ölen verbindet, bindet das hydrophile Ende an Wassermoleküle, um das Öl zu entfernen. Strukturelle Modifikationen der lipophilen und hydrophoben aktiven Zentren ermöglichen spezielle Eigenschaften.

Es stehen Polymere mit variabler Kettenlänge zur Verfügung, bei denen eine gründliche Analyse der Wasserbestandteile erforderlich ist, um die Kettengröße und die effizientesten aktiven Gruppen auszuwählen. Außerdem können einige Verbindungen Schaumbildung verursachen, und diese Probleme müssen bei der Produktauswahl berücksichtigt werden. Und natürlich sind manchmal Anpassungen vor Ort erforderlich, da Labortests von der tatsächlichen Anwendung im Großmaßstab abweichen können.

Es stehen moderne Methoden zur Verfügung, um die Kontrolle der Umlaufwasserchemie über die komplizierten Phosphat-/Phosphonatprogramme hinauszuführen, die vier Jahrzehnte lang vorherrschten. Die Chemie kann jedoch nicht blind oder ohne Überwachung angewendet werden, mit der Erwartung, dass alle Probleme sofort gelöst werden. Es sind Fälle bekannt, in denen Korrosionsproben auf eine gute Leistung hinweisen, Stellen innerhalb des Systems jedoch stark verschmutzt oder korrodiert sind. An diesen Orten können Temperatureffekte und andere Faktoren eine Rolle spielen. Noch wichtiger ist, dass mikrobiologische Verschmutzung alle Auswirkungen der Kesselstein-/Korrosionsinhibitoren vollständig ausgleichen kann. Mikrofouling ist oft der sprichwörtliche „800-Pfund-Gorilla im Raum“, wenn es um Probleme mit dem Kühlwasser geht. In den nächsten Teilen der Serie werden wir uns mit diesen Themen befassen.

Diese Diskussion stellt gute technische Praxis dar, die sich im Laufe der Zeit entwickelt hat. Es liegt jedoch in der Verantwortung der Anlagenbesitzer, Betreiber und des technischen Personals, zuverlässige Programme auf der Grundlage von Konsultationen mit Branchenexperten umzusetzen. In das Design und die anschließende Nutzung dieser Technologien fließen viele weitere Details ein, die in einem einzigen Artikel dargelegt werden können.

Verweise

Über den Autor: Brad Buecker ist Präsident von Buecker & Associates, LLC, Beratung und technisches Schreiben/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.