Die Kühlturmzusatzwasseraufbereitung erfüllt folgende Aufgaben:

  • Verminderung von Hydrogencarbonat-, Calcium- und Magnesium-Ionen
  • Verminderung der Trübstoffe
  • Verminderung der Mikrobiologie

Trübstoffe und Mikrobiologie werden zu mehr als 90 % vermindert.

Schlüsselprozess ist hierbei die gezielte Bildung von Kalk und die nachfolgende Fällung der gebildeten Kalkpartikeln.

Für die Kalkfällung bedeutsam ist die Tatsache, dass die Löslichkeit des CaCO3 stark vom pH abhängt [[Quelle: VEOLIA Handbuch Wasser, 10. Auflage, S. 209]. Bei Anwesenheit von Magnesium-Ionen verschiebt sich der pH der minimalen Kalklöslichkeit zu etwas höheren pH, was in der Praxis von großer Bedeutung ist.

Der pH ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration. Von daher macht es Sinn, den dekadischen Logarithmus der Kalklöslichkeit zu bestimmen und diesen in Abhängigkeit vom pH darzustellen. Es ergeben sich ausgehend vom pH 9,4 zwei Geraden mit unterschiedlicher Neigung. 

Trägt man den natürlichen Logarithmus der Kalklöslichkeit gegen den pH auf, so ergeben sich – ausgehend vom pH 9,4 zwei Geraden mit unterschiedlicher Neigung. Oberhalb von 9,4 steigt der natürliche Logarithmus der Kalklöslichkeit mit 0,97 [mg/l] pro pH-Einheit an. Unterhalb von 9,4 steigt der natürliche Logarithmus der Kalklöslichkeit nur noch mit 0,41 [mg/l] pro pH-Einheit an.

Hiervon ausgehend kann man – unter der Annahme, dass keine Magnesium-Ionen vorliegen – die Kalklöslichkeit bei jedem pH berechnen.

Oberhalb von pH 9,4 gilt dann folgende Gleichung:
lg Kalklöslichkeit bei pH>9,4 = 0,60 + 0,97 • (pH – 9,4)

Beispiel: pH = 10,4
lg Kalklöslichkeit = 0,60 + 0,97 • (10,4 – 9,4) = 1,57

Nimmt man nun 10lg Kalklöslichkeit, so folgt für die Kalklöslichkeit gleich 37,2 mg/l.

Unterhalb von pH 9,4 gilt:
lg Kalklöslichkeit bei pH<9,4 = 0,60 + 0,41 (9,4 – pH)

Beispiel: pH = 8,4
lg Kalklöslichkeit = 0,60 + 0,41 (9,4 – 8,4) = 1,01

Nimmt man nun 10lg Kalklöslichkeit, so folgt für die Kalklöslichkeit gleich 10,2 mg/l.

Eine pH-Abweichung hin zu höheren pH hat somit deutlich stärkere Auswirkungen im Vergleich zu pH-Abweichungen zu geringeren pH.

Stellt man nun den pH bei 9,4 ein, so wird die maximal mögliche Menge an Kalk gefällt. Weiterhin werden Trübstoffe und Mikrobiologie in einem erheblichen Maße mit ausgefällt. Das Kühlturmzusatzwasser wird qualitativ deutlich verbessert.

Gelangt danach das Kühlturmzusatzwasser in den Kühlkreislauf, dann verdunstet dort das Wasser und die Salze bleiben zurück und werden aufkonzentriert. Zugleich wird aus der Luft Kohlenstoffdioxid aufgenommen, das als Kohlensäure den pH absenkt. Üblicherweise stellt sich im praktischen Betrieb ein pH um 8,0 ein.

Damit einhergehend nimmt die Kalklöslichkeit von 4 mg/l (bei pH 9,4) auf 15 mg/l (bei pH 8,0) zu. Das bedeutet, dass man das Kühlwasser mit einer Eindickung von 15/ 4 = 3,75 nutzen kann, ohne dass es zu einer Kalkfällung kommt.

Eine Abweichung im pH von 9,4 auf 9,6 hingegen würde bedeuten, dass im Zusatzwasser anstelle von 4 mg/l Kalk bereits 6,2 mg/l vorhanden sind. Damit darf dann die Eindickung den Wert von 15/6,2 gleich 2,42 nicht überschreiten. Anderenfalls droht eine Kalkfällung.

Diese Verschiebung in der Eindickungszahl von 3,75 auf 2,42 bedeutet:

  • 100 %ige Zunahme der Abflut
  • 30 % höherer Zusatzwasserbedarf

Das ist mit spürbaren Mehrkosten verbunden.

Würde man die Eindickungszahl dennoch bei 3,75 konstant halten, dann wären die Folge:

  • Kalkfällung (23,25 mg/l – 15 mg/l gleich 8,25 mg/l)
  • Damit nehmen die abfiltrierbaren Stoffe auf größer 5 mg/l zu. Wie aus einer Vielzahl von technischen Einsatzfällen bekannt, steigt oberhalb von 5 mg/l die Gefahr, dass Legionella oberhalb der Maßnahmewerte gem. 42. BImschVO auftreten können.
  • Die Kalkfällung kann den Wärmetausch und damit den Wirkungsgrad des Kraftwerkes beeinträchtigen.
  • Die Kalkfällung kann Spaltkorrosion begünstigen.

Diese Betrachtungen beziehen sich auf ein Magnesium-freies Kühlwasser. Bei Kenntnis der konkreten Zusammensetzung des Zusatzwassers und Kühlwassers ist es möglich, diese Berechnungen auch für andere Kühlwasserzusammensetzungen durchzuführen und entsprechende Handlungsempfehlungen abzugeben.

In jedem Falle gilt jedoch, dass eine punktgenaue pH-Einstellung in der KZA entscheidend die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit des Kühlkreislaufes beeinflusst sowie die persönliche Gesundheit eines jeden Mitarbeiters.

MOL Katalysatortechnik GmbH

Dr. Jürgen Koppe

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