De tijdelijke hardheid zal bij verhoging van de watertemperatuur kalk vormen, dat als harde, isolerende
afzetting neerslaat op vooral de heetste delen van de stoomketel.
Om te voorkomen dat kalk in de ketel ontstaat kan het suppletiewater onthard worden.
Ontharding geschiedt door alle calcium- en magnesiumionen te vervangen door natrium, middels een
klassieke onthardingsinstallatie.
1.2 Decarbonatatie
Decarbonatatie heeft net als ontharding ionenwisseling als principe.
Wordt bij ontharding Calcium en Magnesium uitgewisseld tegen Natrium; bij decarbonatatie worden
positieve ionen tegen waterstofionen of alle bicarbonaat- en carbonaationen tegen
chloride-ionen uitgewisseld. Resultaat is dat calcium-carbonaat (kalk) niet meer kan neerslaan in de ketel
omdat het bicarbonaat verwijderd is.
Indien een sterk zure harsmassa gekozen wordt zullen alle positieve ionen worden uitgewisseld tegen H+,
waarbij mineraalzuur ontstaat.
Is de harsmassa zwakzuur, dan zullen alleen de positieve ionen in verbinding met het zwakzure
bicarbonaat worden uitgewisseld waardoor de blijvende hardheid blijft bestaan.
Achter een (zure) decarbonatatie-installatie dient een uitdrijftoren te worden geplaatst om het ontstane
koolstofdioxide te laten ontwijken. Hiertoe is een optimale menging met lucht noodzakelijk. Regeneratie
vindt plaats met zoutzuur.
1.3 Demineralisatie
Het principe van ontzouting middels demineralisatie is ook gebaseerd op het uitwisselen van ionen.
Alle positieve ionen én negatieve ionen worden hierbij vervangen door respectievelijk (waterstofion) en
- (hydroxylion) welke tezamen vormen.
Er zijn dan ook twee types hars nodig.
Het kationhars is beladen met H+-ionen en het anionhars met OH--ionen.
Regeneratie geschiedt met natronloog voor de anionzuil en met zoutzuur voor de kationzuil.
1.4 Reverse Osmosis (R.O.)
Reverse Osmosis (omgekeerde osmose) is gebaseerd op de osmotische druk van water.
Indien twee zoutoplossingen van verschillende concentraties door een semi-permeabel membraan (alleen
passeerbaar voor water moleculen) gescheiden worden, zal water van de oplossing met de laagste
zoutconcentratie door het membraan naar die met de hoogste concentratie gaan. Op deze manier zal de
osmotische druk in de hoogste concentratie verlagen en dus het verschil tussen hoog en laag verkleinen.
Wordt nu op het water met de hoogste zoutconcentratie een druk uitgeoefend welke groter is dan de
osmotische druk, dan zal de waterstroom door het membraan omkeren (omgekeerde (reverse) osmose). Bij
toepassing van dit principe verkrijgt men zeer zoutarm water.
Indien het oorspronkelijke water een hoge hardheid heeft dient dit vooronthard of van een antiscalant
voorzien te worden om kalkafzetting op het membraan te voorkomen.
1.5 Thermische ontgassing
Het ontgassen van het ketelvoedingswater is noodzakelijk om schadelijke gassen uit het voedingswater te
verwijderen. De schadelijke gassen zijn in dit geval zuurstof en vrij koolzuurgas.
Beide gassen moeten uit het voedingswater worden verwijderd in verband met corrosie, die zij in het verdere
deel van de ketelinstallatie kunnen veroorzaken.
Met het ontgassen wordt daarom beoogd in het voedingwater het zuurstofgehalte te verlagen tot minder dan
0,1 mg/l en het koolzuurgehalte tot minder dan 5 mg/l. Dit zijn de richtlijnen zoals die gelden voor
voedingswater ten behoeve van stoomketelinstallaties tot circa 20 bar werkdruk.
Ontgassing van het ketelvoedingswater geschiedt door verwarming van het water onder druk of vacuüm.
Men maakt hierbij gebruik van het principe dat de oplosbaarheid van gassen in water bij
temperatuurverhoging afneemt. Dit fysische proces vindt plaats in een gesloten tank.
2. "Problematiek"
2.1 Bicarbonaat- en sodasplitsing
De bicarbonaat- en sodasplitsing is voor het ketelbedrijf van groot belang, omdat dit de bron is voor het
koolstofdioxide in de gecondenseerde stoom. Dit koolstofdioxide is in belangrijke mate
verantwoordelijk voor de aantasting van condensaatleidingen en apparatuur.
Bevat het voedingswater van een stoomketel geen hardheid, dan is het bicarbonaat gebonden aan
natrium. Reeds in de ontgasser vindt ten gevolge van de hoge temperatuur deels een chemische omzetting
plaats van het natriumbicarbonaat in koolstofdioxide en natriumcarbonaat (soda).
Het gevormde koolstofdioxide wordt in de ontgasser uitgedreven, hetgeen gunstig is.
Ten gevolge van de gedeeltelijke ontleding van het natriumbicarbonaat in natrium-carbonaat, gaat
vervolgens een mengsel van natriumbicarbonaat en natriumcarbonaat naar de ketel.
Onder invloed van de aldaar heersende druk en temperatuur, wordt het resterende deel
natriumbicarbonaat omgezet in natriumcarbonaat (soda). Dit natriumcarbonaat wordt vervolgens omgezet
tot natriumhydroxide en koolstofdioxide.
2.2 Indikking van het ketelwater
Het voedingswater dat van de ketelvoedingswatertank of de ontgasser naar de ketel gaat, bevat een
hoeveelheid zouten en andere componenten. In de ketel wordt stoom geproduceerd, hetgeen in
principe vergelijkbaar is met een destillatie proces. De geproduceerde stoom bestaat uit zuiver water
en de in het water aanwezige zouten blijven dus achter in de ketel. Zou men de voedingswatertoevoer
naar de ketel stoppen en doorgaan met stoom produceren, dan wordt de concentratie van de opgeloste
zouten steeds groter. Uiteindelijk zullen de oplosbaarheidgrenzen van de verschillende zouten
overschreden worden en gaan deze over in vaste stoffen. Tenslotte zou men slechts een vaste massa
overhouden. Ook indien men steeds voedingswater toevoert, zal op een gegeven moment de
oplosbaarheidgrens van bepaalde componenten overschreden worden. Men heeft het water dan te
ver laten indikken. Men dient dan ook, om de concentraties in het ketelwater binnen bepaalde grenzen
te houden, regelmatig een bepaalde hoeveelheid ketelwater af te voeren door te spuien.
De hoeveelheid te spuien ketelwater, wordt bepaald door meetbare parameters, zoals die door
bijvoorbeeld fabrikanten van stoomketels in richtlijnen zijn opgesteld. Het naar de ketel teruggevoerde
condensaat, bevat normaliter praktisch geen zouten en bij een volledig gesloten systeem, waarbij geen
verliezen optreden, zou het spuien derhalve niet nodig zijn. Zodra er echter verliezen zijn in de vorm van
water of stoom, zal men vers water moeten suppleren. Het suppletiewater bevat, op bepaalde
uitzonderingen na, een hoeveelheid zouten en staat dus in direct verband met de hoeveelheid te spuien
ketelwater.
Ten gevolge van een ongecontroleerde hoge indikking en dus een toenemende zoutconcentratie in het
ketelwater, kunnen diverse problemen ontstaan, die hoge kosten met zich meebrengen.
2.3 Afzettingen
Ten gevolge van een te hoge indikking, kunnen de oplosbaarheidgrenzen van bepaalde zouten
overschreden worden, met afzettingen in de ketel tot gevolg.
Daar afzettingen een veel lagere warmtegeleidingcoëfficiënt hebben dan het ketelmateriaal zelf,
heeft dit tot gevolg dat op plaatsen waar zich afzettingen bevinden, de warmte minder goed kan worden
uitgevoerd. Dit kan oververhitting en materiaalspanning tot gevolg hebben en uiteindelijk leiden tot schade
aan de ketel. Tevens vermindert het rendement van de ketel sterk, hetgeen een verhoging van de
energiekosten tot gevolg heeft.
2.3.1 Calciumcarbonaat
Calciumcarbonaat in ketelwatersystemen ontstaat doordat calciumbicarbonaat ten gevolge van
temperatuur en druk wordt omgezet in calciumcarbonaat, koolstofdioxide en water.
Daar de oplosbaarheidgrens van het calciumcarbonaat zeer laag is, kan zelfs bij toepassing van zacht
water bij lage indikking reeds afzetting ontstaan. Het gevormde koolstofdioxide gaat met de stoom
mee en kan problemen in het condensaatnet veroorzaken.
2.3.2 Magnesiumhydroxide
Wat voor calciumbicarbonaat geldt, is ook van toepassing op magnesiumbicarbonaat. Het
calciumbicarbonaat zet zich als een harde laag af. Magnesiumbicarbonaat zet zich om tot onoplosbare
magnesiumhydroxide en koolstofdioxide.
Door toepassing van eerder genoemde voorbehandelingsmethoden, worden de calcium- en
magnesiumconcentraties uitermate laag gehouden.
Echter als gevolg van een zeer hoge indikking, kunnen van de restconcentraties toch de
oplosbaarheidgrenzen worden overschreden. Het magnesiumhydroxide kan zich afzetten als slib.
2.3.3 Calciumfosfaat
Afzettingen van calciumfosfaat ontstaan alleen indien aan calciumhoudend ketelvoedings-water
fosfaat wordt toegevoegd. Er vormt zich dan uit mono-, di- of trinatriumfosfaat en calciumzouten
het zeer slecht oplosbare calciumhydroxi-apatiet.
Het hydroxi-apatiet zet zich als slib en niet als een harde laag af en wordt grotendeels via de spui uit
de ketel verwijderd.
2.3.4 Magnetiet en hematiet
Indien in het ketelwater geen zuurstof aanwezig is, maar wel voldoende alkaliteit, reageert ijzer bij
temperaturen boven 120 °C met water, onder de vorming van magnetiet.
Dit zwarte ijzeroxide vormt een beschermende huid op het metaaloppervlak.
Als in een later stadium regelmatig zuurstof wordt aangevoerd, wordt het magnetiet afgebroken en
omgezet in het niet beschermende hematiet (roest)
2.3.5 Organische vervuilingen
In de ketel gekomen organische vervuilingen vanuit het voedingswater en/of retourcondensaat zullen
afhankelijk van de aard van de verbinding en de keteldruk in meer of mindere mate ontleden, waarbij
zich dan onoplosbare verbindingen vormen.
Door een vergaande ontleding kan uiteindelijk koolstof ontstaan dat, in verband met zijn sterk
isolerend karakter, als afzetting zeer zeker niet gewenst is. Een eenmaal gevormde inerte koolstoflaag
is zelfs door middel van een chemische reiniging praktisch niet te verwijderen.
2.3.6 Silicaten
Afzettingen van silicaten kunnen voorkomen in diverse vormen. De eigenschap die dit soort afzettingen
gemeen hebben, is dat zij sterk isolerende van karakter zijn en uitermate hardnekkig.
2.4 Opkokers en schuimvorming
Ten gevolge van een te hoge indikking kan het ketelwater gaan schuimen met de volgende problemen:
- De productie van natte stoom ten gevolge van het meegaan van ketelwater met de stoom; dit
kan vervuiling van de stoom- en condensaatleidingen betekenen.
- Schuim in contact met het verwarmde oppervlak van de ketel geleidt de warmte niet zo effectief
als water, waardoor oververhitting kan optreden.
Detergenten, olie en vetten kunnen eveneens sterke schuimvorming veroorzaken.
Schuimvorming en opkokers kunnen echter ook mechanische oorzaken hebben, zoals:
- Het produceren van stoom bij een lagere druk dan de druk waarvoor de ketels ontworpen.
- Een plotselinge en sterke verhoging van de stoomvraag.
Het aanhouden van een te hoog waterpeil in de ketel geeft opkokers. Schuimvorming kan gesignaleerd
worden door een onrustig gedrag van het ketelwater in de peilglazen.
2.5 Corrosie
Op diverse wijzen kan een ketelwatersysteem zowel water- als stoomzijdig door corrosie worden
aangetast. Hierna zullen de meest bekende vormen besproken worden.
2.5.1 Zuurstofcorrosie
Zuurstofcorrosie is van alle vormen de meest bekende. Het meest voorkomende corrosieprobleem
in het voedingswatersysteem is zuurstofcorrosie, veroorzaakt door een slecht werkende ontgasser.
Deze kan aanleiding geven tot pitting, zowel in de ontgasser zelf als in de voedingswaterleiding naar
de stoomketel. Daarbij treedt van de diverse deelreacties (zie vorming hematiet) de volgende reactie
op, waarbij de putten worden bedekt met roodbruine pokken ijzerroest.
Slecht ontgast ketelvoedingswater zal uiteindelijk ook corrosie veroorzaken in de ketel en het
condensaatnet. Het condensaatnet kan op zeer korte termijn worden aangetast, waarbij de corrosie
ook kan leiden tot verontreiniging van het ketelwater met ijzeroxidenslib.
Zuurstofcorrosie kan ook optreden tijdens bedrijfsstilstand. Indien het systeem slecht geconserveerd
is en een vacuüm in het condensaatnet ontstaat waardoor lucht wordt aangezogen.
2.5.2 Koolstofdioxidecorrosie
Ten gevolge van de door bicarbonaat- en soda-splitsing ontstane H+ ionen daalt de pH van het
condensaat fors. Hierdoor kan aantasting van het staal optreden.
Koolstofdioxide corrosie leidt tot een egale aantasting van het staal, in de vorm van een geul.
2.5.3 Loogcorrosie
Een andere vorm van corrosie is de aantasting van koolstofstaal ten gevolge van een te hoge pH, de
zogenaamde loogcorrosie. In stoomketels is loogcorrosie een gevolg van een extreem hoge indikking.
Daarbij wordt in eerste instantie de beschermende magnetiethuid opgelost, waarna vervolgens loog
en water rechtstreeks reageren met het staal onder de vorming van hematiet (roest).
2.5.4 Zuurcorrosie
Ook ten gevolge van een lage pH kan ernstige corrosie ontstaan, namelijk:
- Zuurcorrosie als gevolg van een niet goed uitgevoerde chemische reiniging of nabehandeling.
- Zuurcorrosie als gevolg van het meevoeren van regeneratiezuur met het suppletiewater of inlek
van zure producten via het condensaat.
3. "Doseren"
De dosering van de diverse typen conditioneringsmiddelen vindt over het algemeen automatisch en
gestuurd plaats, waarbij de dosering bij voorkeur geschiedt in de ketelvoedingwaterleiding aan de
zuigzijde van de voedingspomp. Dosering vóór of in de ontgasser wordt in de praktijk ook wel
toegepast, waarbij echter dient te worden opgemerkt dat op deze wijze het verbruik van een chemische
zuurstofbinder hoger is.
Bepaalde typen conditioneringmiddel dienen rechtstreeks in de stoomleiding geïnjecteerd te worden.
In verband met specifieke toepassingen is het derhalve raadzaam het doseerpunt met de
waterbehandelaar te bespreken.
Op kleine ketelwatersystemen wordt nog wel eens handmatig gedoseerd, waarbij het nadeel is dat de
actieve concentratie dan niet van een constant niveau is en diverse menselijke factoren voor een sterk
schommelende dosering kunnen zorgen.
Handmatige dosering is derhalve ter voorkoming van problemen niet aan te bevelen.
4."Spuiprogramma’s"
Ten gevolge van de stroomproductie wordt het ketelwater ingedikt en neemt dus de totale
zoutconcentratie sterk toe. Om aan de richtlijnen te voldoen en om negatieve effecten zoals corrosie,
afzettingen, opkokers, slibvorming, etc. te voorkomen, dient er naast een conditioneringprogramma
een bepaalde hoeveelheid water gespuid te worden. Spuien is noodzakelijk om de concentratie
opgeloste stoffen in het ketelwater te beperken tot de maximaal toelaatbare waarden. Om water en
energie te besparen, is het echter noodzakelijk te streven naar de maximale toelaatbare indikking en
dus een minimale hoeveelheid spui. Het spuien van het ketelwater kan zowel continu als discontinu
worden uitgevoerd.
4.1 Continue spui
Bij een continue spui wordt een constante hoeveelheid water per tijdseenheid afgevoerd. Deze wijze
van spui kan worden toegepast op systemen met een gemiddeld constante belasting. Hierbij wordt
echter niet ingespeeld op eventueel wisselende hoeveelheden retourcondensaat, waarbij de maximaal
haalbare indikking sterk kan fluctueren.
4.2 Discontinue spui op basis van tijd
Bij een discontinue spui op basis van tijd wordt op gezette tijden automatisch door middels van
bijvoorbeeld een tijdgestuurde bodemspui-afsluiter gespuid. Een dergelijk systeem speelt echter niet
in op een wisselende belasting van het systeem en op eventuele wisselende hoeveelheden
retourcondensaat.
4.3 Discontinue spui op basis van geleidbaarheid
Bij een spui op basis van geleidbaarheid, wordt continu en automatisch door een elektrode de
geleidbaarheid van het ketelwater gemeten. Bij het overschrijden van de ingestelde maximaal
toelaatbare geleidbaarheid, wordt automatisch een afsluiter opengestuurd, waarna een hoeveelheid
gespuid wordt, tot het moment dat de ingestelde geleidbaarheid weer bereikt wordt. Een dergelijk
systeem speelt goed in op wisselende belastingen van het systeem.
5. "Landelijke aanvaarde richtlijnen ketelvoeding- en ketelwater"
Voedingwater
Ketelwater |
Tot
0,5 bar |
0,5 tot 20 bar |
Keteltype |
Alle typen |
Vuurgang
vlampijp |
Waterpijp |
Uiterlijke
hoedanigheid |
Helder,
kleur- en reukloos |
Helder, geen afwijkende kleur of geur |
pH minimaal |
7,0 |
7,0 |
7,0 |
Totale hardheid maximaal (°D) |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
IJzer
maximaal (mg/l) |
0,5 |
0,3 |
0,1 |
Koper
maximaal (mg/l) |
0,1 |
0,1 |
0,05 |
Zuurstof
maximaal (mg/l) |
- |
0,1 |
0,1 |
Organische
stoffen als chemisch zuurstofverbruik |
(25) |
(25) |
(25) |
CZV
maximaal (mg/l) |
- |
- |
- |
Bij
een toevoeging van: een moderne organische zuurstof-binder, zoals:
DEHA,Hydrochinon,isoascorbinezuur, methylethylketoxine (mg/l) |
0,5 - 1,0 |
0,5 - 1,0 |
0,5 - 1,0 |
( ) = streefwaarde
Ketelwater
Keteldruk |
Tot
0,5 bar |
0,5
tot 20 bar |
Keteltype |
Alle typen |
Vuurgang vlampijp |
Waterpijp |
Uiterlijke
hoedanigheid |
Praktisch
vrij van slib, geen afwijkende geur of reuk, weinig of geen neiging
tot schuimen.
|
p-getal
minimaal (meq/l) |
5 |
5 |
5 |
p-getal
maximaal (meq/l) |
10 |
20 |
15 |
Kiezelzuur
maximaal (mg/l) |
15 x p-getal |
15 x p-getal |
15 x p-getal |
Totaal
opgeloste stof uitgedrukt als: |
- |
- |
- |
-
Elektrisch geleidingsvermogen bij 20°C, pH 8,3 maximaal (µS/cm) |
4000 |
7000 |
6000 |
-
Soortgelijk gewicht bij 15°C maximaal (°Bé) |
0,4 |
0,7 |
0,6 |
Organische
stoffen als chemische zuurstofverbuik (CZV) maximaal (mg/l) |
(100) |
(200) |
(150) |
Bij
toevoeging van: |
- |
- |
- |
-
Fosfaat |
- |
30 - 80 |
30 - 80 |
-
Tannine |
100 - 150 |
100 - 150 |
100 - 150 |
- Sulfiet |
40 - 100 |
40 - 100 |
40 - 100 |
| - Hydrazine |
0,4 - 1,0 |
0,4 - 1,0 |
0,4 - 1,0 |
( ) = streefwaarde
