04 Apr 2017

Kaltentgasung: viel Sattdampf für wenig Geld

Die Kaltentgasung ist erheblich wirtschaftlicher für die Erzeugung von Sattdampf als die übliche thermische Entgasung mittels Fegedampf

04 Apr 2017

Die Nutzung von Sattdampf zum Aufheizen von Flüssig-Medien ist auch heute noch das wirtschaftlichste und daher gebräuchlichste Verfahren zur Energieübertragung. Doch die Wirtschaftlichkeit in der Dampferzeugung ist eng verknüpft mit der Vermeidung von Korrosion – sonst ist der Dampfkessel mit seiner gewaltigen Investitionssumme schnell ruiniert.

Korrosion ist das Ende jedes Dampfkessels

Jeder Betreiber einer Kesselanlage weiß, dass er dem Thema Korrosion eine hohe Aufmerksamkeit widmen muss, um Lochfraß und dauerhafte Korrosionsschäden an der Kesselanlage zu verhindern. Ansonsten ist dieser Druckbehälter technisch nicht mehr einsatzfähig, und der jährlich zur Prüfung der Kesselanlage anrückende TÜV verweigert die Verlängerung der Betriebsgenehmigung.

Eine Kesselanlage ist im Grunde relativ einfach aufgebaut: in einem Großraumkessel (z.B. Dreizugkessel) wird durch Einbringen von Verbrennungswärme (in der Regel durch einen Gasbrenner) eine mehr oder minder große Menge an Wasser verdampft (in vielen Anlagen in Industrie und verarbeitendem Gewerbe sind Kessel mit Leistungen von 6-15 t Dampf / h in Betrieb).

Schema Dampferzeugung

Foto: Wikipedia / publ. domain, CC 3.0

Der so entstehende Sattdampf wird über entsprechende Rohrleitungen zu den Verbrauchern geleitet, das dabei ggf. anfallende Kondensat wird in der Regel in einen Speisewasserbehälter zurückgeführt.

Die zur Dampferzeugung benötigte Wassermenge gelangt aus dem Speisewasserbehälter in den Kessel; dieser Speisewasserbehälter wird mit weitestgehend entsalztem Rohwasser, in der Regel aus einer Umkehrosmoseanlage, versorgt und befüllt.

Härtestabilisierung und Korrosionsschutz erhalten die Lebensdauer eines Dampfkessels

Zwei wesentliche Punkte müssen im Zusammenhang mit der Verdampfung großer Wassermengen beachtet werden:

  1. eine Stabilisierung der Wasserhärte aus den mit dem Speisewasser eingetragenen Salzen
  2. eine Vermeidung von Korrosion durch Reduzierung des im Speisewasser enthaltenen Sauerstoffs

Ein Blick in den Wasserkocher oder den Wasserbehälter des Kaffeevollautomaten genügt um festzustellen, dass das klare, farblose Wasser, das aus unserem Wasserhahn kommt, noch mehr enthalten muss als nur Wasser, nämlich zum Beispiel gelöste Salze. Die sind für unseren Mineralhaushalt auch sehr wichtig, daher ist der Genuss von Trinkwasser aus der Wasserleitung auch sehr gesund. Beim Verdampfen des Wassers macht dieser Salzgehalt jedoch Probleme, da die beim Verdampfen des Wassers zurückbleibenden Salzkrusten sich an der Wandung eines Kessels ebenso absetzen wie am Boden unseres Wasserkochers in der Küche. Aus diesem Grund werden in großen Kesselanlagen dem zugeführten Wasser die enthaltenen Salze soweit wie möglich (und wirtschaftlich sinnvoll) entfernt, denn solche Kalkbeläge und -verkrustungen behindern den Wärmetransport erheblich und vermindern so die Wirtschaftlichkeit des Kesselbetriebs.

Wenig gelöster Sauerstoff im Wasser ist immer noch zuviel

Das zweite Problem, die Korrosion, begegnet uns dagegen bei unserem kleinen Wasserkocher in der Küche kaum, denn dieser arbeitet unter Normaldruck, bei dem der im Wasser ggf. noch enthaltene Sauerstoff dem Behältermaterial Edelstahl (oder auch Kunststoff) wenig Schaden zufügt. Anders sieht es dagegen bei einer Kessel-Großanlage aus. Hier wird der Dampf unter Drucken bis zu ca. 20 bar erzeugt und verwendet. Jede geringe Spur an vorhandenem Sauerstoff führt unter den in einem Großkessel vorliegenden Temperatur- und Druckbedingungen schnell zu irreparablen Korrosionsschäden (Druckbehälter – kann nicht „repariert / geflickt“ werden!). Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser nimmt mit abnehmendem Druck und steigender Temperatur schnell ab: beispielsweise bei 1 bar / Atmosphärendruck von ca. 10 mg/l bei 0 °C auf < 2 mg/l bei 80 °C. Doch auch „nur“ 2 mg/l Wasser sind noch viel zu viel, um Korrosion im Dauerbetrieb eines Kessels zu verhindern.

Daher ist eine Restentfernung des enthaltenen Sauerstoffs im Speisewasser unerlässlich. Im Prinzip kommen dafür in der klassischen Kesseltechnik zwei technische Prozessstufen zum Einsatz :

  1. Entfernung des Hauptanteils an gelöstem Sauerstoff mittels thermischer Entgasung
  2. Entfernung des Restanteils an gelöstem Sauerstoff durch Zusatz eines Überschusses an chemischen Reduktionsmittteln

Thermische Entgasung: effizient, aber unwirtschaftlich

Der thermische Entgaser übernimmt dementsprechend die Hauptaufgabe bei der Sauerstoffentfernung: er kann den Sauerstoffgehalt im Dauerbetrieb auf Werte < 0,5 mg/l Wasser erniedrigen; die zugegebenen chemischen Reduktionsmittel verhindern dann, dass das so entgaste Speisewasser wieder Sauerstoff aus der im Speisewasser noch befindlichen Luft aufnimmt. Doch diese thermische Entgasung ist keineswegs kostenfrei: um das Speisewasser auf diesem Wege zu entgasen (von Sauerstoff zu befreien), wird ein merklicher Anteil des im Kessel erzeugten Dampfes als Strippmedium verwendet („Fegedampf“); dieser Fegedampf strömt dem ihm im Entgaser entgegenrieselnden Speisewasser entgegen, reißt dabei die enthaltenen Sauerstoffmoleküle mit und wird dann in einem Ausströmrohr, in der Regel auf dem Gebäudedach, in die Umgebungsluft abgeführt.

thermische Entgasung, schematisch

Foto: Wikipedia / publ. domain

Fegedampf ist verlorenes Kapital

Der Anteil des für eine weitgehend vollständige Sauerstoffentfernung benötigten Fegedampfs hängt von verschiedenen Einflussgrößen ab (Größe / Oberfläche des thermischen Entgasers, Druck- / Temperaturverhältnisse im Speisewasserbehälter, …). In der Regel liegt dieser Anteil bei 0,5-6 % der Dampfkapazität. Das klingt nach wenig, summiert sich aber im regulären Dampfkesselbetrieb sehr schnell zu einem erheblichen Kostenfaktor, denn 1 t Sattdampf kostet den Anlagenbetreiber in der Regel in der Erzeugung ca. 50,- EUR (Energie-, Wasser- / Abwasserkosten, Abschreibung der Anlage, …), und ein Dampfkessel ist, aus verschiedenen Gründen (Aufheiz- / Abkühlzeiten und damit verbundene Materialbelastung des Kessels), in aller Regel im „Dauerbetrieb“, also z.B. 350 Tage im Jahr / 24 h pro Tag = 8.400 Betriebsstunden. Ein kleines Rechenbeispiel illustriert ganz anschaulich, welche Kosten dabei für den Betreiber entstehen können; hier wurde neben einer Umstellung der Entgasung vom thermischen Verfahren auf die Kaltentgasung auch noch die „Behandlungs-Chemie“ von Speise- und Kesselwasser optimiert:

Kaltentgaser EDS, Rechenbeisp. Einsparmöglichkeiten

Foto: eig. Präsentation

Kaltentgasung ist die kostengünstigere Alternative zum Fegedampf

Daher wäre es aus energetischer / umwelttechnischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht sehr sinnvoll, wenn man den energieintensiven Schritt der thermischen Entgasung durch eine ökonomischere und gleich effiziente Variante ersetzen könnte. Dies gelingt beispielsweise durch den Einsatz eines sog. „Kaltentgasers“. Hier kommt ein ähnliches Wirkprinzip wie bei der Umkehrosmose zum Tragen: das mit Sauerstoff beladene Speisewasser strömt (mit möglichst niedriger Temperatur) unter einem innerhalb des Kaltentgasers erzeugten Unterdruck (ca. 35 mbar) an einer speziellen Membran entlang. Aufgrund von Druckdifferenz, Strömungsgeschwindigkeit, Sauerstoffgehalt und Eigenschaften der Membran (Porengröße, Rauigkeit, Hydrophilie, …) werden im anströmenden Wasser enthaltene Gase (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid) aus diesem weitestgehend entfernt – und das mit einer hohen Effizienz: im Dauerbetrieb des Kaltentgasers können durchaus Werte von < 0,3 mg Sauerstoff / l Wasser erreicht werden. Dabei wird der Kaltentgaser im Regelbetrieb zwischen Wasseraufbereitung (z.B. durch eine Umkehrosmoseanlage) und den Speisewasserbehälter eingefügt:

EDS 2500, Einbauschema

Foto: © EKOWA

Betriebskosten der Kaltentgasung vernachlässigbar

Da die einzigen anfallenden Betriebskosten des Kaltentgasers im elektrischen Anschlusswert der verwendeten Vakuumpumpe liegen, ist leicht vorstellbar, welche Einspareffekte mit einer solchen Umstellung erreicht werden können. Auch hier kann wieder ein kleines Rechenbeispiel aus einem konkreten „Umstellungs-Projekt“ die konkreten Zahlen liefern:

Berechnungen u. Konzept optim. Kesselanlage

Foto: eig. Präsentation

Selbst unter Berücksichtigung der nicht unerheblichen Investitionskosten für eine kapazitätsmäßig angepasste Kaltentgasung sind durch eine Verfahrensumstellung bei der Entgasung / Sauerstoffentfernung im Kesselbetrieb Amortisationszeiten von < 1 Jahr realisierbar.

Für weitere Informationen und Lösungen rund um die Erzeugung von Dampf, Vermeidung von Korrosion und Härteausfällung und die nachhaltige Nutzung und Aufbereitung von Kühl- und Prozesswasser schauen Sie sich gerne die weiteren Beiträge auf meiner Web-Site an und nutzen Sie das Kontaktformular der Web-Site für Ihre spezielle Anfrage.

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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