Bachelorprojekt. Kedelvandsbehandling Udarbejdet af Mads Bang

Transkript

1 Bachelorprojekt Kedelvandsbehandling Udarbejdet af Mads Bang

2 Aarhus Maskinmesterskole Titel: Kedelvandsbehandling Projektperiode: Aug - Dec 2013 Afleveringsdato: 16. dec 2013 Fag: BA Normalsider ekskl. bilag: 26,4 sider Sideantal: 51 sider Vejledere: Lars Bang Vestergaard Udarbejdet af: Abstract The following report is written by Mads Bang. This is the final result of the bachelor semester on Aarhus School of Marine and Technical Engineering on 6 th semester. The 6 th semester involved an internship at 2 month and 17 days onboard the chemical tanker Carla Maersk. During the internship I was involved in the daily work in the engine room and was responsible for the boiler samples and chemical dosing treatment. The purpose of the project is to analyze and gain insight into boiler system. This analysis should raise the question if it is possible to optimize the treatment system so it can run more efficiently. The auxiliary boiler was worn out and was replaced during dry dock in October This led to several questions about what has caused these damages to the boiler. This project will evaluate the boiler analyzes and try to find the cause of the damages. Hereafter the project will discuss potential improvement to the boiler treatment system. Also a management point of view regarding the use of value-based leadership in the daily work will be taking in consideration. Mads Bang V10390 Side 1 af 51 16/12/2013

3 1 FORORD Dette bachelorprojekt er udarbejdet i perioden oktober 2013 til december 2013 og tager sit udgangspunkt i kedelvandsbehandling af en hjælpekedel ombord på det gode skib Carla Maersk. Her har jeg gennemført mit praktikforløb som strakte sig fra d 21/ til 7/ , hvor jeg indgik i det daglige arbejde i maskinrummet. Min baggrund og motivation for dette projekts problemstilling kommer af at jeg ombord havde ansvaret for kedelvandsprøverne. Igennem dette arbejde opdagede jeg flere problematiske forhold, hvilket medførte en vis undren og interesse i at undersøge hvordan og hvorfor. Jeg vil gerne benytte dette forord til at rette en stor tak til Mads Rold Kristensen technical sales supporter ved Alfa Laval, som har været behjælpelig med at svare på tekniske spørgsmål om produkter fra Aalborg Boiler og Alfa Laval. Side 2 af 51 16/12/2013

4 2 LÆSEVEJLEDNING Dette bachelorprojekt henvender sig til undervisere og studerende ved tekniske uddannelser, primært maskinmesterstuderende. Projektet retter sig ligeledes til maskinmestrer der arbejder med kedelbehandling ombord på skibe. Det forventes at læseren af dette projekt har indsigt i og kendskab til maritime systemer og termer. Hvert afsnit indledes med et kort resume, samt en evt. læsevejledning, i så fald det er nødvendigt. Hvis bilag har væsentlig betydning for afsnittet, henvises der til vedlagte bilagsrapport med tilhørende indholdsfortegnelse. Ved henvisninger til bilag skrives bilagsnummer, emnenummer. Eks. (bilag 1,(1.01)). I rapporten benyttes der sommetider engelske fagudtryk og forkortelser. Dette skyldes at de bruges i daglig tale ombord, og fordi meget af dokumentationen kun findes på engelsk. Kilder i dette projekt kan være egne observationer, indsamlet data, tekniske artikler, samt dokumentation fra skibet og leverandørers manualer. Kildehenvisninger markeres efter Harvard-metoden og kan ses i ( ) umiddelbart efter henvisningen. En samlet Bibliografi findes i kapitel 17. Side 3 af 51 16/12/2013

5 3 INDHOLD 1 Forord Læsevejledning Indhold Indledning Anlægsanalyse Dampanlæg Generelt om AQ- 18 kedlen Type/anvendelse Kedlens hoveddele Overbeholderen Fordamper- og faldrør Faldrørssektionen Underbeholderen Proces fra vand til damp Kedelvandscirkulation Produktion af destillat fordampningsproce (ferskvandsgenerator) Føde- og kedelvands karakteristikker Begreber og oversigt over kemiske betegnelser Hårdhed (Hardness) Salte der ikke danner scale ph- værdi Alkalitet (P & T) Klorid Magnesium/fosfat Silikater Opløste gasser Ilt (O 2) Kuldioxid (CO 2) Ammoniak (NH 3) Side 4 af 51 16/12/2013

6 6.10 Ledningsevne (conductivity) Densitet Kemisk kedelvandsbehandling Problemformulering Problemanalyse Problemstilling Afgrænsning Metode Teoretisk tilgang Fejlkilder Data Carla Maersk Jan til medio Sep Fødevandstemperatur Hydrate Alkalinity Fosfat (PO 4) Konduktivitet Hydrazine Delkonklussion Korrosion og revner Spændingskorrosion Termiske revner Udmattelse Vandanalyser Anbefalede steder til aftapning af vandprøver vandprøver Løsningsmodeller Hotwell Minimering af varmetab ved blowdown Blowdown Beregning af nødvendigt blowdown Varmegenvinding fra blowdown Ledelse af dem der kan lede selv Side 5 af 51 16/12/2013

7 15 Konklusion Perspektivering Bibliografi Side 6 af 51 16/12/2013

8 4 INDLEDNING Projektet er et projekt der vedrører kedelbehandling og tager sit udgangspunkt på Carla Maersk, som er et olie/kemikalietankskib som er bygget af Halla Engineering & Heavy Industries i Skibet har en GT 1 på Skibet sejler trampfart, altså har det ikke nogen fastlagt rute, men chartres for en rejse ad gange. Man kan derfor ikke vide noget om hvor mange havne skibet anløber. Ligeledes er det svært at vide, hvornår det ligger for svej og venter på charter. Carla Maersk har igennem min praktiktid sejlet i Brasilien, USA, Frankrig og endte så i Remontowa tørdok i Gdansk Polen. I løbet af min praktiktid har det to gange været nødvendigt for chartreren at få DNV 2 ombord for at klassificere hjælpekedlen. For at Carla kunne blive godkendt til at sejle med lasten, krævede olie/kemikaliefirmaet at kedlen blev godkendt af DNV. Grunden hertil var fordi kedlen ikke kunne opretholde det forskrevne designtryk på 9 bar. Ved disse DNV inspektioner trykprøvede vi kedlen til 7 bar og heldigvis blev kedlen godkendt begge gange på trods af tydlige utætheder. For mig stod det klart at kedlen var gennemkorroderet. I tørdokken i Gdansk blev hjælpekedlen udskiftet til en ny af samme type. Det er ikke ligefrem nemt projekt at udskifte en hjælpekedel, projektet strakte sig over 3 uger. Bare det at få skåret hul i skibets skrog så kedlen kan løftes ud tager mange arbejdsdage. Kedlen er 6,8 m høj og vejer ca. 30 tons så det er også et projekt i sig selv at få den nye kedel på plads uden at beskadige den. Projektets formål i uddannelsesforløbet er at opfylde kravene i undervisningsplanen for modul M6. Formålet med rapportens indhold er at give et overblik over relevante indsatsområder vedrørende kedelvandbehandlingen ombord på Carla Maersk. De eventuelle optimerende tiltag, vil bygge almindelig kendt kedelvandsteori og kan derfor bruges generelt til andre kedelanlæg. 1 Gross Tonage 2 Det Norske Veritas Side 7 af 51 16/12/2013

9 5 ANLÆGSANALYSE Kapitlet Anlægsanalyse beskriver, opbygningen af kedel og dampanlægget, samt en beskrivelse af hvordan man producerer destillat ombord på Carla Maersk Der henvises til bilag 2 og DAMPANLÆG Dampanlægget ombord består af en hjælpekedel og en udstødningskedel. I havn kommer dampforsyningen fra hjælpekedlen og til søs kommer forsyningen fra udstødningskedlen. Udstødningskedlen er placeret i skorstenen, da den genvinder varmen fra udstødningsgassen fra hovedmotoren. Det kan være nødvendigt at benytte hjælpekedlen, i områder hvor temperaturen er lav eller hvis hovedmotorens omdrejninger reduceres ved fx manøvrering eller ved slow steaming på søpassagen. Det vil ligeledes kræve et supplement fra hjælpekedlen, når lasttanke skal opvarmes og ved tankrensning hvor der kræves opvarmet vand til rensningen. 5.2 GENERELT OM AQ-18 KEDLEN TYPE/ANVENDELSE Kedlen er produceret af Aalborg Industries og heder AQ-18. Kedlen er en dampkedel som er produceret til kemikalietankskibe, produkttankskibe, krydstogtskibe og færger. Disse skibstyper kræver høj driftssikkerhed, virkningsgrad, samt lav vægt og rumfang i forhold til dampproduktion, desuden kræver disse skibstyper at der er let tilgang til vedligehold af kedlen. AQ-18 dampkedlen er fuldsvejset vertikal cylindrisk vandrørskedel med naturlig cirkulation. Dampproduktionen er 6-45 t/h ved et tryk på 8-16 bar, og et fugtighedsindhold på 0,5-1,0%, afhængig af dampproduktionen. Virkningsgraden er 84% ved 100% dampproduktion og 87% ved 50% dampproduktion. Kedlen er topfyret og der benyttes en KBSD brænder. Fyrrummets vægge er opbygget af membranrør, Side 8 af 51 16/12/2013

10 varmeoverførslen sker fortrinsvis ved stråling. Fra strålingsrummet strømmer forbrændingsprodukterne igennem et konvektionstræk til skorstenen. (Larsen 2001) KEDLENS HOVEDDELE Kedlen er konstrueret som en fordamper, den har hverken economiser eller overheder. Economiseren er undladt da den komplicerer kedelkonstruktionen og fordi kedlen strømningsmæssigt er konstrueret således at røgtabet er lavt. Overhederen er udeladt, da dampen anvendes i varmeveksleren, som bruges til opvarmning af tanke, aptering brugsvand mm.. Hvis vi kigger på kedlen kan vi opdele den i tre hoveddele, som jeg herefter vil beskrive individuelt. De tre hovedele er: Overbeholderen Fordamper- og faldrørene Underbeholder OVERBEHOLDEREN Overbeholderen er fremstillet som en lodretstående cylinderformet beholder, som består af et svøb og to endebunde. Svøbet og endebundene er svejst sammen og fremstillet af blødt stål, som overalt har samme tykkelse. Grunden til at materialet skal have samme tykkelse er for at minimere materialespændingerne, som opstår omkring samlingerne og skyldes temperaturvariationerne i forbindelse med kedlens opfyring og brænderens ind og udkobling. Dette resulterer i en kortere opfyringstid og en længere levetid. For at mindske deformation pga. af dampens tryk, er overbeholderens to endeplader sammenholdt af stag, som er svejset til pladerne. Den nederste endebund er en rørplade i denne plade er der boret huller hvori fordamper- og faldrørene er fastsvejset. Den nederste del af overbeholderen er vandfyldt, mens den øverste del er fyldt med våd mættet damp. For at mindske fugtigheden i dampen, inden den strømmer ud til forbrugerne, passere den en vandseparator, som er monteret inden hovedstopventilen. Hovedstopventilen, (bilag 2. (1.02)) Side 9 af 51 16/12/2013

11 Fødevandet ledes ind i overbeholderen gennem de indvendige fødevandsrør. Dette sikrer at det underafkølede vand fordeles og blandes med vandet med mætningstemperaturen, så der ikke opstår for store materialespændinger som følge af temperaturforskellene. Der er monteret et mandehul i svøbet til inspektion og i midten af overbeholderen er der monteret en cylinder til oliebrænderen. (Larsen 2001) FORDAMPER- OG FALDRØR Fordampersektionen består af membranrør og glatrør. Membranrørene danner to gastætte vægge. Den inderste væg danner fyrrummet, og den yderste væg danner kedlens yderside. Rummet imellem de to gastætte membranvægge er kedlens konvektionstræk, hvori glatrørene er monteret. Den øverste del af membran- og glatrørene er forbundet til overbeholderen, mens den nederste ende er forbundet til underbeholderen. Samlingerne er svejset. Rørene danner tilsammen en 10-sidet polygon. Gennem fyrrummets membranvægge overføres varmen fra forbrændingen hovedsageligt som strålingsvarme. Varmen overføres via konvektionstrækkets glatrør fortrinsvis via konvektion. Forbrændingsprodukterne ledes fra fyrrummet til konvektionstrækket igennem en åbning i den inderste membranvæg. Åbningen er dannet ved at membranrørenes finner er fjernet på et stykke af et passende antal rør, hvorefter rørene er fortsat for hinanden, således at der dannes en strømningsvej for forbrændingsproduktet. Forbrændingsproduktet strømmer fra fyrrummet igennem den omtalte åbning i konvektionstrækket, hvor glatrørene er anbragt. Ved sammenstødet med glatrørene, retningsændres forbrændingsproduktet, og ledes herefter op gennem konvektionstrækket, dvs. at den ene siden af kedlen, er rørene markant mere belastet end den modsatte side. Forbrændingsprodukterne strømmer gennem konvektionstrækket i to halvcirklede røggasstrømme. Herefter ledes de samlet op til optrækket og igennem en afstrømningsåbning i den yderste membranvæg til skorstenen. Afstrømningsåbningen i den yderste membranvæg er udformet på samme måde som overstrømningsåbningen i den inderste membranvæg. (Larsen 2001) Side 10 af 51 16/12/2013

12 5.2.5 FALDRØRSSEKTIONEN Faldrørene skaber forbindelse mellem overbeholderen og underbeholderen, så der dannes en naturlig vandcirkulation i kedlen. Faldrørene skal være udformet og monteret så vandet fra overbeholderen kan strømme i en tilstrækkelig mængde til underbeholderen. Fra underbeholderen strømme vandet gennem fordamperrørene, som køles, hvorved materialetemperaturen bliver passende lav. Dette sikrer rørene mod overophedning. På AQ-18 kedlen er faldrørene placeret, der hvor forbrændingsproduktet strømmer til optrækket. Varmeoverførelsen er lavest ved optrækket og størst ved indgangen til konvektionstrækket, dette medføre at der sker en densitetsforskellen og bevirker at der sker en naturlige cirkulation i kedlen som jeg vil beskrive i kapitel (Larsen 2001) UNDERBEHOLDEREN Underbeholderen er udformet magen til overbeholderen. Underbeholderen er fyldt med vand og forsynes som sagt via faldrørene. På den nederst endebund er der påsvejst fire fødder, som er monteret til fundamentet. Den ene fod er fastspændt til kedelfundamentet med pasbolte, som fastholder foden, så den ikke kan bevæge sig i forhold til fundamentet. De tre andre fødder er monteret til fundamentet så de kan glide, når der som følge af temperaturændringer i kedlen forekommer udvidelse eller sammentrækning af kedlens stål. Der er desuden en mandedør til inspektion. I underbeholderen er der installeret heating-coils som hjælper til en hurtigere opstart af kedlen og sørger for at holde en højere temperatur når kedlen ikke benyttes, hvilket sikrer den mod korrosion. (Larsen 2001) 5.3 PROCES FRA VAND TIL DAMP Vandet pumpes via fødeventilerne (bilag 2, (1.04)) og de indvendige fordelerrør ind i overbeholderen. Det underkølet fødevand opnår samme mætningstemperatur som dampvandet i overbeholderen. Vandet strømmer gennem faldrørene til underbeholderen og herfra videre til fordamperrørene, hvor en del af vandet fordampes pga. Varmetransmission fra røggassen. Blandingen af damp og vand strømmer fra Side 11 af 51 16/12/2013

13 fordamperrørene til overbeholderen, hvor dampen pga. sin lave densitet frigør sig fra vandet og der skabes en damplomme øverst i beholderen. Denne lomme af damp strømmer med høj hastighed ud til forbrugerne. Pga. den høje hastighed tager dampen vand med ud, altså dampen er mættet. For at minimere vandindholdet i dampen strømmer den igennem en vandseparator som retningsændrer dampen. Vanddråberne har en højere densitet en damp og forsætter ligeud og bliver opfanget nogle udskillerplader (tagrender), hvorfra vandet ledes tilbage til overbeholderen. Dampen har et vandindhold på omkring 0,5-1,0 % ved afgangen. (Larsen 2001) KEDELVANDSCIRKULATION I en vandrørskedel er fyrrummet omgivet af rør, som er forbundet med henholdsvis overbeholderen og underbeholderen. Brændstoffet forbrændes i fyrrummet og afgiver varme til vandet via stråling. Når vandet nu bliver opvarmet bliver dets densitet mindre og vandet vil stige. Derved skabes der nu en naturlig cirkulation, da det kolde vand vil have tildens til at synke og det varme vand vil stige op. Den naturlige cirkulation fra overbeholderen igennem faldrørene til underbeholderen og retur til overbeholderen skyldes denne densitetsforskel på koldt og varmt vand. Densitetsforskellen opnås konstruktionsmæssigt på følgende måde: Hedefladebelastningen på fordamperrøene er størst, der hvor forbrændingsprodukterne strømmer fra fyrrummet til konvektionstrækket. Det skyldes forbrændingsprodukternes høje temperatur og er årsagen til at dampdannelsen er størst på lige nøjagtig dette sted. Den høje temperatur medføre samtidig at dampvandsblandingens densitet er den laveste densitet i fordampersektionen. Hedefaldebelastningen på rørene er mindst i fordamperrørsområdet, der hvor forbrændingsprodukterne strømmer ud fra konvektionstrækket og videre til optrækket. Årsagen er at temperaturen på forbrændingsprodukterne, her er væsentlig lavere pga. varmeafgivelse i konvektionstrækket. Da dampdannelsen tilsvarende vil være lavere i dette område, vil vanddampens densitet her være den højeste i fordampersektionen. (Larsen 2001) Side 12 af 51 16/12/2013

14 5.4 PRODUKTION AF DESTILLAT Det vand som benyttes ombord, kommer oprindeligt fra havet. Det er ligegyldigt om vandet benyttes til kedlen eller om det er drikkevand, oprindeligt er det saltvand. Selvfølgelig skal salte og andre forureningspartikler skilles fra inden det kan benyttes til produktion af damp. Dette gøres for at minimere saltbelægninger og korrosion i vand- og dampkredsløbene ombord. Ombord benyttes både mekanisk og kemisk rensning af vandet. I det efterfølgende afsnit vil jeg diskutere, hvordan man kan producere højkvalitets destillat. Der findes tre metoder til at destillere søvand. Omvendt osmose, ionombytning og fordampningsprincippet. Ombord på skibe benyttes ofte fordampningsprincippet og på Carla Mærsk er det også tilfældet. Jeg vil derfor kun beskæftige mig med fordampningsprincippet FORDAMPNINGSPROCE (FERSKVANDSGENERATOR) På Carla Mærsk benyttes en Alfa Laval Desalt JWP-26-C Series ferskvandsgenerator. Den omdanner saltvand til destillat ved hjælp af vakuum destillation. Nedenfor ses principtegningen for ferskvandsgeneratoren. Den fungerer på følgende måde: Fødevandet som skal destilleres tages fra sø-kølingsafgangen på kondenseringssiden (1). Herefter kommer det til fordamperen (10), hvor vandet fordamper ved en temperatur på C, når det passerer mellem pladerene. Denne fordampningstemperatur svarer til et vakuum på 85-95% som opretholdes af brine/luft ejektoren. Dampen passerer gennem en demister (8) (tågefjerne), hvor eventuelle dråber af saltvand, som der er kommet med dampen vil blive fjernet, pga. tyngdekraften. Det vil herefter falde ned til brinesumpen i bunden af fordamperen og vil så pumpes overbord(11). De rene ferskvandsdampe forsætter op til kondensatoren(9), hvor de kondenserer til ferskvand, idet de passerer mellem pladerne som er afkølet af søvandet. Det producerede destillat bliver nu pumpet til tanke hvor det kan benyttes til, teknisk vand og domestisk vand. Side 13 af 51 16/12/2013

15 Figur 1 Alfa Leval desalt JWP-26 principtegning (Alfa Leval) Side 14 af 51 16/12/2013

16 6 FØDE- OG KEDELVANDS KARAKTERISTIKKER Kapitlet behandler forskellige begreber, som er relevante i forhold til et kedelvandsbehandlingsprogram. 6.1 BEGREBER OG OVERSIGT OVER KEMISKE BETEGNELSER I kedelvand skelner man mellem fire forskellige forureningskilder. 1. Opløselige faste stoffer Scale dannende stoffer, de vigtigste er sulfat (SO4), Karbonat (CO3), kalcium (Ca), og Magnesium (Mg). 2. Udfældede faste stoffer Slam dannende stoffer, normalt er det faste mineraler eller organiske stoffer. 3. Opløselige gasser Korrosive urenheder som oxygen (O2) og kuldioxid (CO2) som let kan opløses i vand. 4. Skumdannende stoffer Mineralurenheder der danner skum, det er normalt forskellige sodaer. I praksis skal alle scale-dannende salte som ophobes i kedlen, kemisk kontrolles så de i stedet for hård scale, udfældes som slam. Hvis ikke saltene udfældes som slam vil det resultere i at scale belægninger på hedefladerne, der derfor vil mindske varmetransmissionen i kedlen og i værste fald føre til havari. Når vi snakker om disse urenheder der er tilstede, snakker vi om et ekstremt lille indhold og enheden er normalt parts per million (ppm). Parts per million kan udtrykkes som forholdet mellem en del af et stof til en million dele af en andet. Fx hvis en vandprøve indeholder 1 ppm klorid kan det udtrykkes som: 1 gram klorid = 1ppm klorid 1,000,000 gram (1 metrisk ton) Side 15 af 51 16/12/2013

17 6.2 HÅRDHED (HARDNESS) Når vi referer til vand, snakker vi om at vand enten kan være hårdt eller blødt vand. Man skelner mellem letopløselige og tungtopløselige salte. Salte med kationer 3 Ca 2+ og Mg 2+ vil være tungt opløselige og det vil primært være disse salte der udfældes på kedlens hedeflader. Andre salte med andre kationer vil være mere letopløselige og vil dermed forblive i opløst form i kedlen. Dampen der forlader kedlen indeholder ikke salte og koncentrationen af letopløselige salte i kedlen vil derfor stige, og på et tidspunkt vil koncentrationen af salte være så høj at de udfældes. Inden dette er tilfældet vil kedelvandets densitet være steget markant, og vil vise sig ved en mere ustabil kogning(stødkogning). Dette kan undgås ved at lave regelmæssigt blowdown. Calcium og magnesium er de salte der giver de største belægningsproblemer og man definere vandets hårdhed ud fra mængden af de opløste calcium- og magnesiumsalte. (Rønbjerg 2009) Der findes to former for hårdhed: 1. Alkalisk hårdhed (midlertidig hårdhed) Calcium- og magnesiumbikarbonat er ansvarlige for den alkaliske hårdhed. Saltene opløses i vandet og danner en basisk opløsning, ved opvarmning nedbrydes de og udskiller kuldioxid og blød scale eller slam. Navnet midlertidig hårdhed bruges nogle gange fordi hårdheden forsvinder ved kogning. Vand kombineret med kuldioxid danner kulsyre: H2O + CO2 H2CO3 Kulsyre og calcium karbonat (kalksten) danner calcium bikarbonat: H2CO3 + CaCO3 Ca(HCO3)2 3 Positiv ion Side 16 af 51 16/12/2013

18 Når calcium bikarbonat opvarmes danner det scale i form af calciumkarbonat og kulsyre, da vand kombineret med kuldioxid vil danne kulsyre: Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2 Ligeledes danner magnesiumbikarbonat ved opvarmning scale i form af magnesiumkarbonat og kulsyre: Mg(HCO3)2 MgCO3 + H2O + CO2 Calciumkarbonat eller Magnesiumkarbonat bundfælles som kedelsten og kuldioxiden forlader kedlen sammen med dampen. Kuldioxid vil som vidst danne kulsyre (H2CO3), denne syre vil nedbryde hele dampsystemet (Kim Bruun 2011) 2. Ikke alkalisk hårdhed (permanent hårdhed) Her er det salte der udfældes som hård permanent scale. Det er stadig calcium og magnesium som reagerer med sulfat og klorid, som udfældes når temperaturen stiger og danner det her ekstremt hårde scale, som er svært at fjerne. Total hårdhed den permanente hårdhed udgør ca. 20% og den midlertidige hårdhed ca. 80% tilsammen bliver de til total hårdhed. (Rønbjerg 2009) 6.3 SALTE DER IKKE DANNER SCALE Natrium salte er selvfølgelig også tilstede, natrium er langt mere opløselig end calcium og magnesium og vil generelt ophobes i overbeholderen af kedlen. Nedenfor ses reaktionen: 2Na(HCO3) NaCO3 + H2O + CO2 Na2CO3 + H2O 2NaOH + CO2 Her kan det ses at der dannes natriumhydroxid som der er stærkt basisk. Hvis vi lægger vores totale hårdhed sammen, med de salte der ikke danner scale får vi TDS som betyder Total Dissolved Solids. Total hardness + non-hardness salts = Total dissolved solids (TDS) (Sarco u.d.) Side 17 af 51 16/12/2013

19 Koncentration af 6.4 PH-VÆRDI En vandig opløsning kan enten være sur, neutral eller basisk. Hvis man vil fortælle noget om opløsningens kondition bruger man ph-skalaen. ph er det reciprokke af logaritmen til et hydrogenion (H + ). Dvs. At en større mængde hydrogenioner vil give en mindre phværdi ph-værdi Koncentration af hydrogen ioner H + hydroxid ioner OH Sur Neutral Basisk Tabel 1 sammenhæng mellem ph-værdi, hydrogen ioner og hydroxid ioner (eget arkiv) Nedenfor er vist ph-skalaen og i kedelvand tilstræber vi at vandet er basisk med en ph på 9-10 af hensyn til korrosion. Figur 2 ph-skala (alkapod.dk) Ved 25 C danner vand følgende ligevægt, dette kaldes for vands autoprotolyse: H2O(l) + H2O(l) H3O + (aq) + OH (aq) En ganske lille del af vandmolekylerne går på ionform, og forsøg har vist at koncentrationen af hydronium (H3O + ) og OH - i rent vand selvfølgelig er lige store, men også at molariteten af ionerne ved 25 C er 1, M. Opskrives ligevægtskonstanten, Kv for denne ligevægt ser den ud som følgende: Kv=[H3O + ] [OH - ] Dette medføre at Kv = 1, M 1, M = 1, M 2 (ved 25 C). Af ovenstående fremgår at ph = -log(h3o + ) = -log10-7 = 7 i neutralt vand. I en sur opløsning vil koncentrationen H3O + være større end 1, M, dvs. ph-værdien er < 7 og i basiske opløsninger er koncentrationen af H3O + mindre end 1, M dvs. > 7. Side 18 af 51 16/12/2013

20 (Møller 2013) Ved opvarmning af vandet forskydes ligevægten så ph-værdien vil falde, altså der er koncentration af H3O + bliver større, så man tilsætter en base til kedelvandet for at imødekomme faldet i ph-værdien ved opvarmning. 6.5 ALKALITET (P & T) Alkalitet viser kedelvandets evne til at neutralisere stærk syre ved en bestemt ph-værdi. Altså virker alkaliteten som en slags ph-bremse. Har vandet en tilpas høj alkalitet minimerer det udsvinget i vandets ph-værdi, hvis der fx tilføres syre til vandet. Alkalitets ligevægt måles og reporteres i ppm P og som ppm T man benytter farveindikatorer som phenolphthalein og bromcresolgrønt, metylrødt der viser en tydelig farveændring med ændringen i ph-værdien. P alkalitet eksisterer når ph-værdien er større end 8,3, hvilket svarer til kedelvand. Når kedelvand titreres med syre vil ph-værdien falde støt, eftersom der vil blive tilføjet mere og mere syre. Når men benytter phenolphthalein som indikator, som på Carla Maersk vil farven af vandprøven ændre farven sig fra pink til farveløs, når prøvens ph-værdi falder til 8,3. Dette er P alkalitet eller Phenolphtalein alkalitet og repræsenterer alt hydroxid alkalitet, ½ af karbonat alaklitet og 1/3 af fosfat og andre alkaliske materialer, der er tilstede i vandprøven med en ph-værdi på over 8,3. (Se bilag 6) T alkalitet eksistere når ph-værdien er større end 4,3. Når man tilsætter bromcresolgrønt og metylrødt til vandprøven, vil prøven bliver blågrøn. Jo mere syre der tilsættes vil farven skifte til lilla-lyserød, dette vil sige at man er nået til en ph-værdi på 4,3. Dette er T alkalitet og repræsenterer alt hydroxid, alle karbonater, og 2/3 af fosfat og andre alkaliske materialer, der er tilstede i vandprøven med en ph-værdi på over 4,3. P og T alkaniltet kan benyttes til at bestemme karbonat og bikarbonat koncentrationen i vandprøven. Alkaliteten kan bestemmes som følgende: Hvis P alkalitet = 0, alt alkalitet er bikarbonat Side 19 af 51 16/12/2013

21 T alkalitet 2P alkalitet = karbonat alkalitet 2P T alkalitet = hydroxid alkalitet Ph-værdien i naturligt vand er normalt mindre end 8,3 og større end 4,3 så i naturligt vand er der hverken P eller T alkalitet. Neden for er vidst en grafisk illustration af det omtrentlige forhold mellem ph og alkalitet. (Marine 2003) Figur 3 omtrentlig sammenhæng mellem ph-værdi og alkalitet (Marine 2003) 6.6 KLORID Det kan være nødvendigt at kontrollere kloridindholdet på vandet. Hvis ferskvandsgeneratoren har forurenet makeup vandet med havvand fx ved at kondensatoren har en lækage. Når magnesiumklorid (MgCl2) kommer over i kedelsystemet spaltes det til magnesium (Mg 2+ ) og klorid (C - ). Klorid ionerne reagerer med hydrogenionerne og danner saltsyre (HCL) som sænker ph-værdien i kedlen og angriber metaloverfladerne. (Rønbjerg 2009) Side 20 af 51 16/12/2013

22 6.7 MAGNESIUM/FOSFAT Magnesium ionerne (Mg 2+ ) reagere med fosfat ionerne (PO4 3- ) og hydroxid ionerne (OH - ) disse ioner kan danne slam. Hvis Magnesium kun reagere med fosfat danner de magnesiumfosfat (MgPO4), som er en blød aflejring, som har det med at binde alle andre aflejringer til røroverfladerne. Disse aflejringer på røroverfladerne vil virke som en isolator og i værste fald, vil det føre til overhedning. Der kan i øvrigt være vand der skjuler sig mellem varmefladen og aflejringen, vandet vil koncentreres til en syre eller en base og når dette sker vil området korrodere ekstremt hurtigt. (Jensen 2004) 6.8 SILIKATER Siliciumoxid (SiO2) er et surt oxid, der kan optræde i forskellige sammensætninger med vand. Disse kaldes under et kiselsyre, som er en svag syre. Kisel kan ved varmepåvirkning bundfældes og derudover danne kiselsten, som er stærkt isolerende. Det kan mindske kedlens virkningsgrad og i værste fald forårsage en overophedning af kedelmaterialet med risiko for at kedlen kan sprænge. Kisel vil tiltrække ioner med samme ladning. I kedelvandet dannes en kloridopløsning, som ikke kan gå i forbindelse med andre stoffer. For at undgå kiselsten holdes alkaliteten i en passende størrelse, da der så er et overskud af hydroxid ioner. (Rønbjerg 2009) 6.9 OPLØSTE GASSER ILT (O2) Når vi snakker om opløste gasser kan vi ikke komme uden om ilt (O2). Når vi ser på de optimale betingelser for korrosion, skal der være tre ting tilstede: Jern, dioxygen og vand. I en kedel er alle disse elementer tilstede. Men hvis vi ser på korrosion; hvad er det så der sker? På jernet opstår negative områder med elektronoverskud og positive områder med elektronunderskud. De negative områder er netop negative, fordi jernet oxideres: Side 21 af 51 16/12/2013

23 Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e - Jern (II) ionerne opløses i vandet omkring metallet, og der opstår fordybninger i overfladen. Elektronerne strømmer gennem metallet til de positive områder, dioxygen reduceres: O2(aq) + 2H2O(l) + 4e - 4OH - (aq) De dannede jern (II) ioner og hydroxidioner mødes i opløsningen og danner det tungtopløselige jern(ii)hydroxid: Fe 2+ (aq) + 2OH - (aq) Fe(OH)2(s) Jern (II) ionerne vil efterhånden oxideres til jern (III) ioner: 4Fe 2+ (aq) + O2(aq) + 2H2O(l) 4Fe 3+ (aq) + 4OH - (aq) Jern (III) ionerne danner et endnu mere tungtopløseligt bundfald med hydroxidionerne: Fe 3+ (aq) + 3OH - (aq) Fe(OH)3(s) Denne blanding af jern(ii) hydroxid, jern(iii)hydroxid og varierende mængder vand kaldes for rust. Man kan ikke angive nogen præcis formel for rust. (Kim Bruun 2011) KULDIOXID (CO2) I kapitel 6.2 beskriver hvordan der dannes kuldioxid pga. karbonat og bikarbonat opløses og bliver til calciumkarbonat og kuldioxid. Denne proces sker i ferskvandsgeneratoren her forlader gasserne ferskvandsgeneratoren og opløses i destilatet. Kuldioxiden sænker vandets ph-værdi og bliver til en syre der accelererer korrosionsprocessen. Kulsyre skaber generelt en type korrosion, som kan klassificeres ved at den har grobund langs bunden af rør, i stressede område som ved rørbuk og generel korrosion som fortynder metallet. Nedenfor er vist et billede fra AQ-18 kedlen på Carla Maersk hvor der er tydlige tegn korrosion i bunden af rørene. (Rønbjerg 2009) Side 22 af 51 16/12/2013