Bypass-Filtration in Kühlwassersystemen

Einführung

In der Industrie und der Stromerzeugung werden Kühlwassersysteme in großem Umfang eingesetzt, um überschüssige Prozesswärme abzuführen. Eine häufig verwendete Technik ist das offene Kühlwasserkreislaufsystem, bei dem die Prozesswärme durch Verdunstung eines Teils des Kühlwassers an die durch den Kühlturm strömende Luft an die Atmosphäre abgegeben wird. Einige Umweltaspekte dieser Technik der Ableitung überschüssiger Prozesswärme sind:
  • Die Entnahme von Wasser aus natürlichen Ressourcen;
  • Die Verdunstung von Wasser in die Atmosphäre;
  • Der Einsatz von Chemikalien, um das Kühlwassersystem vor Korrosion, Ausfällungen und mikrobiellem Wachstum zu schützen;
  • Die Ableitung von Abschlämmwasser, das (un-)lösliche Bestandteile enthält.
Die Schadstoffkonzentration im Kühlwassersystem steigt durch Teilverdampfung, Einblasen von Masse über den Luftstrom und durch mikrobielles Wachstum kontinuierlich an. Diese Phänomene führen zu Verunreinigungen und Korrosion im Kühlwassersystem und erfordern häufige Wartungsmaßnahmen, um die Ausfallzeiten des Produktionsprozesses zu minimieren und eine Verringerung des Wärmeübergangs durch Filmbildung auf den Oberflächen der Wärmetauscher zu verhindern. Die Konditionierung des Kühlwassers sollte auch auf eine Minimierung der Umweltbelastung (Ableitung des Abwassers und Bereitstellung von Zusatzwasser) und auf eine Maximierung der Zuverlässigkeit des Kühlwassersystems ausgerichtet sein. Diese beiden Ziele werden durch die Anwendung der Wanderbettfiltration in einem Bypass des Kühlwassersystems zu geringen finanziellen Kosten erreicht. Die Merkmale des Systems werden im Folgenden erläutert.

Offene Kühlwasserumlaufsysteme

In einem offenen Kühlwasserumlaufsystem wird das Kühlwasser in die Wärmetauscher gepumpt, in denen es die überschüssige Prozesswärme aufnimmt, die in den Kühltürmen abgeführt wird. Im Kühlturm wird das warme Kühlwasser berieselt und mit einem gegen- oder querverlaufenden Luftstrom in Kontakt gebracht, der das verdunstete Wasser abführt.
 
Um die Verdunstungsverluste auszugleichen, muss Frischwasser zugeführt werden, was zu einem Anstieg der Konzentrationen an löslichen und unlöslichen Bestandteilen im Kühlwassersystem führt. Die Konzentrationen an löslichen und unlöslichen Bestandteilen werden durch eine kontinuierliche Abschlämmung des Kühlwassers auf einem zufriedenstellenden Niveau gehalten. Die sich ergebende Aufkonzentration für Feststoffe kann durch das Durchflussverhältnis von Zufuhr und Abschlämmung abgeschätzt werden. Dieser Konzentrationsfaktor wird mit Hilfe der Leitfähigkeit oder des Chloridgehalts gemessen und normalerweise auf Werten zwischen 1,5 und 4 gehalten.
 
Bei einem Kühlwassersystem mit einer Leistung von 10 MW und einem Temperaturabfall von 8oC machen die Verdunstungsverluste 15 m3/h. Ein Konzentrationsfaktor von zwei ergibt sich bei einem 15 m3/h abblasen. Dies ergibt eine Auffüllung von 30 m3/h.
 
Der zulässige Konzentrationsfaktor für ein bestimmtes Kühlwassersystem wird durch die Löslichkeitsprodukte bestimmter Ionen an den Oberflächen der Wärmetauscheranlagen bestimmt.
 
Häufig anzutreffende Ausfällungen auf den Oberflächen von Wärmetauschern sind CaCO3- und Ca3(PO4)2-Salze. Diese Ablagerungen können zu einer verminderten Wärmeübertragungseffizienz und zu Korrosionsangriffen führen, was wiederum Produktaustritte in das Kühlwassersystem zur Folge haben kann. Um die Bildung von Ausscheidungen zu verhindern, werden dem Speisewasser Dispergiermittel, Härtestabilisatoren und Korrosionsinhibitoren zugesetzt.
 
Der Anstieg der Konzentration von Schwebstoffen in Kühlwassersystemen ist noch stärker als der Anstieg der Salze. Abgesehen vom Beitrag der Schwebstoffe in der Speisewasserzufuhr wird der Gesamtgehalt an Schwebstoffen im Kühlwassersystem hauptsächlich durch die "Wäsche" der durch den Turm strömenden Luft und durch biologisches Wachstum im Kühlwassersystem beeinflusst. Die durch den Kühlturm strömende Luft enthält Insekten, Staub und organische Stoffe, die vom fallenden Kühlwasser mitgerissen werden. Die Bedingungen im Kühlwassersystem in Bezug auf Temperatur, Sauerstoffkonzentration und Nährstoffgehalt sind optimal für biologisches Wachstum. Die durch das biologische Wachstum gebildeten organischen Stoffe können an bestimmten Stellen zu Korrosion führen. Diese Probleme könnten durch eine Erhöhung des Abblasedurchflusses gelöst werden, was jedoch eine weniger günstige Lösung ist. Eine bessere Option ist der Einsatz einer Bypass-Filtration, die sowohl für die Entfernung von Feststoffen als auch für die Biofiltration genutzt werden kann.

Bypass-Filtration

In Abbildung 1 ist ein Prozessablaufschema für ein offenes Kühlwasserkreislaufsystem mit Bypass-Filtration dargestellt. Die Nebenstromfiltrationsanlage besteht aus einem Wanderbettfilter, der mit einem kleinen Teil des aus den Produktionsprozessen zurückfließenden Warmwasserstroms gespeist wird. Die Aufbereitung des Warmwasserstroms wird wegen der besseren Filtrationseigenschaften (geringere Viskosität des Wassers) und wegen der günstigen Temperaturen für die biologische Aktivität im Sandfilter bevorzugt. Aufgrund der Höhe der Kühltürme kann der Wanderbettfilter durch Schwerkraft beschickt werden. Das Filtrat wird ebenfalls durch Schwerkraft in das Kühlwasserbecken abgeleitet, ebenso wie der kontinuierliche Waschwasserstrom, der in die Abschlämmgrube abgeleitet wird. Der Waschwasserstrom ist so gering, dass der Abschlämmstrom aus dem Kühlwasserbecken durch Überwachung der Leitfähigkeit gesteuert werden kann. Für den Betrieb des Filters wird nur eine sehr geringe Druckluftmenge benötigt, die in der Regel der vorhandenen Werksluftversorgung entnommen werden kann.
Die besonderen Merkmale und Vorteile der Nebenstromfiltration werden anhand folgender Beispiele erläutert
ein Beispiel für ein 10 MWth Kühlwassersystem mit einem Temperaturgradienten von 8,6oC über den Kühlturm. Die Prozessmerkmale sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zwei dieser Nebenstromfiltrationsanlagen wurden in der DOWLEX-Anlage von DOW Chemicals, Terneuzen, Niederlande, installiert. In diesem speziellen Beispiel reduziert die Bypassfiltration die Abschlämmung und die Zufuhr nicht, da der Konzentrationsfaktor durch die Sättigung der kritischen Ausfällungen bestimmt wird. Hier liegt der Vorteil der Nebenstromfiltration im Schutz der wertvollsten Elemente des Kühlsystems: der Wärmetauscher. Die spezifischen Vorteile sind:
  • verbesserte Wärmeübertragung durch sauberere Wärmetauscher;
  • Entfernung von Schwebestoffen;
  • eine Verlagerung der mikrobiellen Aktivität vom Kühlsystem zum Wanderbettfilter;
  • geringerer Wartungsaufwand und Reduzierung von Produktleckagen.
Kühltisch-1

Wärmeübertragung

Die überschüssige Prozesswärme wird über die inneren Oberflächen der Wärmetauscheranlage übertragen. Es ist allgemein bekannt, dass Ablagerungen von Feststoffen auf den Wärmetauscheroberflächen zu einer erheblichen Verringerung der Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten führen. Ein weniger kontrolliertes Kühlwassersystem weist Temperaturgradienten über Foulingfilme im Bereich von 1 bis 4oC auf. Wenn ein zusätzlicher Energiebedarf von 3,5 kWth/MWth-oC angenommen wird, führt der zusätzliche Widerstand für den Wärmeaustausch zu einem zusätzlichen Energieverbrauch von 30 - 140 kWth. Unter Berücksichtigung des Preises für thermische Primärenergie (120 €/kWth) tragen diese Ablagerungen zu zusätzlichen Kosten im Bereich von 3.600 bis 16.800 €/Jahr bei.

Entfernung von Schwebstoffen

Der Wanderbettfilter ist gut geeignet, um Schwebstoffe aus dem Kühlwassersystem zu entfernen. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ist der Konzentrationsfaktor für Schwebstoffe (1,3) viel niedriger als für Salze (3,0), was auf eine beträchtliche Entfernung von Schwebstoffen hinweist. Geht man von einem Gesamtgehalt an Schwebstoffen von 5 mg/l im Speisewasser aus, so entfernt der Wanderbettfilter 70 g/h an Schwebstoffen, die mit dem Waschwasserstrom des Filters abgeleitet werden. Darüber hinaus trägt die regelmäßige Chlorung im Kühlwassersystem zur Beseitigung organischer Ablagerungen bei, da diese Ablagerungen abgelöst, in das Kühlwassersystem abgegeben und vom Filter entfernt werden. Auf diese Weise werden die organischen Schwebstoffe effizient aus dem Kühlwassersystem entfernt, ohne dass es zu neuen Ablagerungen oder biologischem Wachstum kommt.

Wartung von Wärmetauschern

Ein relativ großer Teil der Betriebskosten eines Kühlsystems wird durch die Kosten für die Wartung der Wärmetauscheranlagen bestimmt. Um die Korrosion zu kontrollieren und eine Verringerung der Wärmeübertragungsleistung zu verhindern, ist eine regelmäßige Wartung erforderlich. Diese Wartungsarbeiten sind mit erheblichem Arbeitsaufwand, Ausfallzeiten und Kosten verbunden. Für den in Tabelle 1 beschriebenen speziellen Fall mit einer Gesamtwärmetauscherfläche von 2.000 m2 belaufen sich die Einsparungen bei den Wartungskosten nach 5 Jahren Bypass-Filtration auf über 1.500 €/Jahr pro MWth installierter Kühlleistung. Im Hinblick auf die reduzierten Wartungskosten hat sich die Anlage bereits nach wenigen Jahren rentiert. Von ähnlicher Bedeutung ist die längere Lebensdauer der Wärmetauscherausrüstung, die geringere Wahrscheinlichkeit von Produktleckagen und die höhere Betriebssicherheit des Kühlwassersystems.

Gestalterische Aspekte

Im konkreten Fall basiert der Bypass-Durchfluss auf 1,5% des Kühlwasserkreislaufs. In der Praxis sollte die hydraulische Filtrationskapazität groß genug sein, um das gesamte Kühlwasservolumen ("Totvolumen") in etwa 1 bis 2 Tagen zu behandeln, was zu einer ausreichenden Kontrolle der Schwebstoffbelastung und der biologischen Aktivität führt. Der Schwerpunkt der Nebenstromfiltration liegt in der Kontrolle der Feststoffbelastung des Kühlwassersystems und nicht in der vollständigen Entfernung der Schwebstoffe aus dem System. Neben der Kontrolle der Feststoffbelastung im stationären Zustand führt die Nebenstromfiltration auch zu einer verbesserten Bewältigung von Stoßbelastungen, zum Beispiel bei erhöhtem Einblasen von Schwebstoffen.
 
Bei der Abscheidung von Schwebstoffen ist der wichtigste Auslegungsparameter die Abscheideleistung in Masse pro Zeit, die durch den Bypass-Durchfluss [m3/h] und den Abscheidegrad [%] bestimmt wird. Der Abscheidegrad hängt hauptsächlich von den Eigenschaften der zu entfernenden Schwebstoffe und von der hydraulischen Belastung (in m3/m2.h) ab. Trotz der geringeren Abscheidegrade bei höherer hydraulischer Belastung führt eine höhere hydraulische Belastung zu einer höheren Abscheidekapazität für Feststoffe. Wenn beispielsweise der Abscheidegrad von 80% auf 65% sinkt, weil die hydraulische Belastung von 10 auf 15 m/h ansteigt, dann ist die Feststoffabscheideleistung bei 15 m/h und 65% Abscheideleistung um 25% höher. Abgesehen von der positiven Auswirkung höherer hydraulischer Lasten auf die stationäre Leistung führen höhere hydraulische Lasten auch zu schnelleren Abscheideraten nach Stoßbelastungen von in das Kühlsystem eingebrachten Schwebstoffen.

Verlagerung der biologischen Aktivität in den Sandfilter

Neben der Entfernung von Schwebstoffen fungiert der Nebenstromfilter auch als Katalysator für biologische Aktivität. Biologische Aktivität im Kühlwassersystem wird durch Nährstoffe und Mikroorganismen verursacht, die durch Nachspeisung, Einblasen und Produktleckagen in das System gelangen. Biofilme können zu mikrobiell induzierter Korrosion (MIC), zur Verringerung der Wärmeaustauschkapazität und zur lokalen Verstopfung von Kühltürmen führen. Der Einsatz oxidierender Biozide ist ein wirksames Mittel zur Bekämpfung des übermäßigen Wachstums unerwünschter Biofilme, kann aber auch als "Symptombekämpfung" bezeichnet werden, da die Hauptursache des Biofilmwachstums nicht beseitigt wird: das Vorhandensein von (löslichen) Nährstoffen im Kühlwasser. Der Einsatz eines Wanderbettfilters als Nebenstrom-Biofilter ermöglicht die biologische Entfernung von löslichen Nährstoffen und die Filtration von suspendierten Mikroorganismen und Feststoffen. Die Eignung des Wanderbettfilters als Biofilter im Hinblick auf eine angemessene Kontrolle der Biomasse in Kombination mit der physikalischen Filterung gab den Anlass, den physikalischen Nebenstromfilter um eine biologische Funktion zu erweitern. Die hydraulischen Bedingungen im Sandfilter sind im Vergleich zu den turbulenten Strömungsverhältnissen im Kühlturm und in den Wärmetauschern sanft und führen daher zur Ablagerung von Salzausscheidungen, zur Bildung und Entfernung von Biomasse und zur Demineralisierung von Nährstoffen. Trotz der Tatsache, dass der Wanderbettfilter in diesem Beispiel nicht ordnungsgemäß als biologischer Reaktor betrieben wurde, wurde eine beträchtliche Verringerung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) im Vergleich zu einer Anlage ohne Bypass-Filtration gemessen.
 
Die günstigeren Bedingungen für die biologische Aktivität im Wanderbettfilter im Vergleich zu den Bedingungen in der Wärmetauscheranlage sind in Tabelle 2 dargestellt. Der Wanderbettfilter, der durch ein laminareres Strömungsregime in Kombination mit einer größeren Oberfläche gekennzeichnet ist, bietet die notwendigen Voraussetzungen für die Förderung der biologischen Aktivität im Filter.
Der Einsatz eines Bypassfilters mit beweglichem Bett als Biokonverter wurde in der DSM-Ammoniakanlage (AFA 2) in den Niederlanden eingehend getestet. Im Filterbett wurde eine erhebliche Konzentration von Mikroorganismen im Vergleich zum Kühlwassergehalt festgestellt. Ausgehend vom durchschnittlichen Gehalt an Mikroorganismen im Waschwasser und der Menge des gewaschenen Sandes wurde festgestellt, dass die Biomassekonzentration in den Poren des Filterbetts 40 bis 200 Mal höher ist als im Kühlwasser (etwa 200-400 RLU). Trotz relativ hoher Nährstoffgehalte und hoher Biomassegehalte im Filterbett ist es von entscheidender Bedeutung, den Filtratgehalt an Mikroorganismen so gering wie möglich zu halten. Der Filtratgehalt an Mikroorganismen (ausgedrückt in ATP) war recht gut mit dem Gehalt an mikrobiellem ATP im Filterbett korreliert. In Abbildung 2 ist dieser Zusammenhang dargestellt.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, tendiert der Gehalt an mikrobiellem ATP im Abwasser zu Werten von etwa 200 RLU. Auf der Grundlage von mindestens 10 Jahren Erfahrung mit der Auswertung der ATP-Messung an etwa 50 offenen Kühlwasserkreisläufen am DSM-Standort in Geleen (Niederlande) wird ein Kühlwassersystem bei ATP-Werten unter 300 RLU als biologisch unter Kontrolle angesehen. Das bedeutet, dass der Betrieb eines Nebenstrom-Biofilters dazu führt, dass der Gehalt an Mikroorganismen im Kühlwasser auf akzeptable Werte sinkt.

Referenzen

1. Defrancq, J., Scalingproblemen in koelwatersystemen, Syllabus nr. 36 van het 1e Nederlandse Koelwatersymposium, p. 44-56, Nederlands Corrosie Centrum, Bilthoven, juni 1993
2. Donk, M. van; Jenner, H.A., Optimization of biofouling control in industrial cooling water systems with respect to the environment, 64387- KES/WBR 96-3113, KEMA, Arnhem, 28 mei 1996
3. Kramer, J.P.; Wouters, J.W.; Kop, J.H., DynaSand filtratie; mededeling no. 31 van de vakgroep Gezondheidstechniek en Waterbeheersing, Technische Universiteit Delft, 1989
4. Paping, L.L.M.J., Energiebesparing door schone koelers, Watersymposium '95, S. 23-47, Nederlands Corrosie Centrum, Bilthoven, mei 1995

PAPIER

Bypass-Filtration in Kühlwassersystemen

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