Vandbehandling på H. C. Ørsted Værket

Transkript

1 Vandbehandling på H. C. Ørsted Værket

2 Titelblad Titel: Emne: Vandbehandling på H.C. Ørsted Værket Valgfagsprojekt i vandbehandling Tidsramme: September November 2006 Virksomhed: DONG Energy A/S H.C. Ørsted Værket Tømmergravsgade København SV Synopsis Denne rapport tager udgangspunkt i vandbehandlingen på H. C. Ørsted Værket. Rapporten er udfærdiget i valgfaget vandbehandling på 4. semester af maskinmesterstudiet. Rapporten belyser behovet for vandbehandling på kraftværker og gennemgår principperne for ionbytning. Vandbehandlingen udgøres af et spædevandsanlæg og et kondensatrensningsanlæg som henholdsvis behandler råvand og procesvand. Funktionsbeskrivelse og opbygning for begge anlæg er beskrevet i separate afsnit. Der afsluttes med en gennemgang af regenerationscyklus en for kondensatrensningsanlæg, samt en gennemgang af CO 2 -aflufter. KME Vandbehandling

3 Indholdsfortegnelse TITELBLAD... 1 INDHOLDSFORTEGNELSE... 2 PROBLEMFORMULERING... 3 INDLEDNING... 3 PROBLEMAFGRÆNSNING... 3 INTRODUKTION... 4 VANDETS KREDSLØB... 4 GRUNDVAND... 4 IONBYTNING... 5 GENERELT... 5 PRINCIPIELT... 5 BLØDGØRING... 6 TOTAL AFSALTNING... 6 KATIONBYTTER... 6 ANIONBYTTER... 7 KONDUKTIVITET... 7 H. C. ØRSTED VÆRKET... 8 GENERELT... 8 BEHOVET FOR PROCESVAND... 8 ANLÆGSBESKRIVELSE GENERELT SPÆDEVANDSANLÆG KONDENSATANLÆG IONBYTTERKOLONNE REGENERATION IONBYTTERMASSE CO 2 - AFLUFTER KONKLUSION KILDELISTE LITTERATUR INTERNETSIDER DIVERSE KME Vandbehandling

4 Problemformulering Indledning I valgfaget vandbehandling på 4. semester af maskinmesterstudiet skal der afsluttes med et projekt. Valgfaget er udlagt som en introduktion til vandbehandling, og vi har derfor valgt at udforme rapporten som en ren dokumentationsopgave. I samråd med vejleder valgte vi at arbejde med H. C. Ørsted Værkets spædevandsanlæg og kondensatrensningsanlæg. De to anlæg behandler og leverer procesvand til brug i værkets damp og fjernvarme-produktion. Begge anlæg er projekteret og leveret af HOH Water Technology A/S og idriftsat i henholdsvis 1988 og Begge anlæg er opbygget omkring princippet om dobbelt ionbytning, og vi har derfor valgt at lægge det primære fokus på kondensatrensningsanlægget som er det nyeste og har den største kapacitet. Materiale er dels indsamlet ved 3 uafhængige besøg på H.C. Ørsted Værket, via vejleder og gennem vores kontakt hos HOH Water Technology A/S. Problemafgrænsning Projektet vil være afgrænset til følgende punkter: o At opnå forståelse for princippet omkring dobbelt ionbytning o At opnå kendskab til behovet for henholdsvis spædevands- og kondensatanlæg o At opnå forståelse for kondensatanlæggets opbygning og virkemåde o Beskrivelse af spædevandsanlæggets grundlæggende funktion o At opnå forståelse for spædevandsanlæggets CO 2 aflufter KME Vandbehandling

5 Introduktion Vandets kredsløb Mere end 2/3 af klodens overflade er dækket af havvand, dertil kommer store mængder ferskvand fra søer, floder, is, vanddamp i luften osv. Alt dette vand gennemgår en evig naturlig kredsløbs cirkulation: fordampning nedbør afstrømning nedsynkning til grundvandet. Fordampningen sker alle steder, i have, søer jordoverfladen og i levende organismer. Afstrømningen af vand foregår både over jorden (dræn, vandløb osv.) der ender i havet og under jorden i form af ikke fordampet vand (grundvand) som synker ned igennem jordlagene, dette vand ender også i havet. Vandet er destilleret når det begynder nedsynkningen, på vej igennem jordlagene optager det en del salte som tilføres havet. De store oceaner har et salt indhold på omkring 3,5 %, af det udgår alm. NaCl (kogesalt) ca. 2,7 %, resten kommer fra Calcium (Ca ++ ) og Magnesium (Mg ++ ). Grundvand Vand indsamlet 6 m. under terræn defineres som grundvand, nedbørens andel af dette vand varierer afhængigt af jordforhold fra sted til sted, nedbøren opløser på sin vej igennem jorden en række stoffer. De mest almindelige er de samme over hele landet, men der forekommer store variationer i både totalindhold og mængdeforhold af de opløste stoffer. Alt dansk grundvand har dog det til fælles at de indeholder metallerne Magnesium og Calcium som gør vandet hårdt. Det er igennem de øverste jordlag vandet mættes med Calcium og bliver hårdt, hvorimod kalkfattige områder som f.eks. i vest Jylland, optræder grundvandet som blødt aggressivt vand, fordi kulsyre indholdet i vandet er for stort i forhold til den mængde kalk der ellers ville have neutraliseret syren, derudover findes der vandtyper der indeholder varierende mængder af natriumbikarbonat. Ligesom jordlagene indeholder kalk og kridt, består undergrunden også af større mængder ler, Dette ler optræder på en såkaldt ionbyttende måde, det betyder at ler mineralerne indeholder løstsiddende metal ioner, specielt Ca ++, Mg ++, Na ++ og K +. Marint ler indeholder almindeligvis Natrium-ioner, når nedbøren indeholdende Calcium og Magnesium passerer dette lerlag byttes vandets metal ioner med lerets Natrium-ioner. Nedbøren der falder igennem luften bliver mættet med ilt, kvælstof og optager kuldioxid, i jorden bliver ilten i vandet brugt samtidig med at kulsyre fra den biologiske nedbrydnings proces bliver tilført, denne kulsyre opløser under sin vej igennem jorden kalk, calciumsulfat, jern og mangan, grundvandet indeholder derfor en række salte. KME Vandbehandling

6 Ionbytning I dette afsnit gives der en generel introduktion til de forskellige kategorier af ionbyttere og deres unikke egenskaber, samt hvordan de eventuelt kan kombineres for at opnå den ønskede vandkvalitet ved de lavest mulige driftsomkostninger. Følgende bilag hører med til dette kapitel: o Bilag 4 (Ionbytning) Generelt Ionbytning kan beskrives ved en proces hvor der udveksles ioner mellem en fast masse og den flydende væske som omgiver den. Efter en hvis mængde behandlet vand stiger afgangsvandets ledningsevne hvilket er et tegn på filtret er mættet, så derfor skal ionbytteren regenereres, processen går ud på at få renset filtret så det igen kan udveksle ioner med vandet. Når regenereringsprocessen er startet bliver ionbyttermassen først returskyllet for at fjerne snavs og mekanisk nedslidt filter materiale, dernæst gennemledes et regenerationsmiddel, der skyller de ioner, der er optaget fra råvandet ud. Til sidst skylles ionbyttermassen ren med deionat (afluftet renset vand) så rester af regenerationsmidlet, bliver bortledt. Kat- og an- ionbyttere findes i stærke og svage udgaver, svage basiske anionbyttere fjerner stærke syrer og har et lille behov for regenereringsmiddel, stærke basiske ionbyttere reagere både med stærke og svage syrer og salte, men er dyrere i drift i forhold til den svage anionbytter, derfor placeres den stærke anionbytter som regel efter den svage, hvorved driftsperioden for den stærke anionbytter forlænges og regenerationsmidlet kan anvendes først i den stærke bytter og siden i den svage. Selve filterbeholderen som indeholder ionbyttermassen, enten kat- an- eller en blanding af de to, udføres af korrosionsbestandige materialer, som regel belagt med gummi på indersiden. Principielt Ionbytning i forbindelse med vandbehandling deles op i 2 kategorier hvor den ene benævnes blødgøring (afsaltning) og den anden for total afsaltning (dobbelt ionbytning). I det følgende beskrives de to typer ionbytning separat. Der vil blive lagt mest vægt på dobbelt ionbytning, da dette princip anvendes på H.C. Ørsted Værket til behandlingen af det hjemkomne kondensat. KME Vandbehandling

7 Blødgøring Blødgøring er en let og effektiv metode til fjernelse af hårdhed, vandet ledes igennem en kationbeholder på natriumbasis, ved passage byttes alle vandets calcium og magnesium ioner med natrium som er et let opløseligt salt der ikke danner belægninger. Råvandet føres ind i toppen af beholderen, og løber langsomt ned igennem ionbyttermaterialet, under passagen byttes vandets Mg og Ca ioner ud med Na-ioner i et grænselag som hele tiden flytter sig nedad efterhånden som kation materialet bliver mættet med vandets hårdhedsdannere, når dette grænselag har nået bunden af beholderen vil Mg og Ca koncentrationen i afgangsvandet være den samme som tilgangsvandets koncentration, dette må naturligvis ikke forekomme i praksis så derfor afbrydes processen, og en såkaldt regeneration finder sted inden dette sker. Blødgøringsprocessen fjerner mere en 99 % af den tilførte hårdhed i vandet. Kationbytterens effektivitet er afhængig af indholdet af Na-ioner i råvandet, mængden af NaCl ionbytteren bliver regenereret med, regenerationshastighed, driftshastighed og grænselagets tykkelse. Total afsaltning Ved den totale afsaltning fjernes alle opløste mineraler og salte fra råvandet, i teorien kan afsaltningen udføres ved at lede råvandet igennem en kationbytter og derefter igennem en anion bytter, i kationbytteren byttes vandets positive ioner ud med H + ioner, i det næste filter sker en ombytning af vandets negative ioner til OH - ioner, dette betyder at det behandlede vand nu kun indeholder OH - og H + ioner disse ioner går sammen og danner vand ud fra følgende reaktion: H + + OH - H 2 O I store industrielle anlæg hvor der stilles store krav til vandkvaliteten, vil der ofte være placeret en ekstra kationbytter eller mix-bed filter. Et mix-bed filter er en blanding af kation og kation hvor ionbyttermassen under drift er blandet sammen. Filtre af denne type benævnes ofte politifilter da deres primære opgave er at bytte de aller sidste ioner som er undsluppet den dedikerede anion og kationbytter. Belastningen på disse filtre er derfor meget mindre og de er derfor også mindre end et normalt filter. Kationbytter Der findes to typer kationbyttere, en stærk sur og en svag sur kationbytter. Den stærkt sure kation bytter er fremstillet af polystyren med mobile hydrogen ioner og fjerner alle kationer fra vandet forudsat at der er overskud af syre under regeneration. Når vandet passerer sådan en kationbytter stiger koncentrationen af brintioner i vandet hvilket medfører at vandet bliver surt da PH er defineret som følgende: log H + KME Vandbehandling

8 Dette betyder altså at vandet som forlader kationbytteren er af en tynd syreopløsning svarende til vandets indhold af anioner dvs. HCl, H 2 SO 4, H 2 CO 3 når den bliver ledt til anionbytteren. Den svagt sure kationbytter fjerner kationer i forbindelse med kulsyreforbindelser under dannelse af kuldioxid (CO 2 ) den regenererer med effektivt ved en syredosis kun lidt over den teoretisk nødvendige dosis. Det er derfor fordelagtigt økonomisk at kombinerer de to typer kationbyttere og regenerere dem i serie, for på den måde at opnå at den stærke sure bytter får det nødvendige overskud af syre og at dette overskud er tilstrækkeligt til at regenerere den svagt sure bytter. Anionbytter Der eksisterer stærke og svage basiske anionbyttere, En stærk basisk anionbytter kan fjerne alle anioner fra vandet hvis, altså regenerationen udføres med et stort overskud af base. Den svage basiske anionbytter kan fjerne stærke syre som HCl, H 2 SO 4 og HNO 3 med et mindre base overskud Det er derfor en fordel at kombinerer de to typer af anion byttere og regenerere dem i serie. Anionbytteren modtager altså vand med en lav PH-værdi og neutraliserer de syrer som ledes til fra kationbytteren. Klorid (Cl - ), sulfat (SO 4 -- ), bikarbonat (CO 3 -- ) byttes i anionbytteren med mobile hydroxidioner. Konduktivitet Måling af vands konduktivitet eller ledningsevne giver mulighed for meget hurtigt at danne sig et skøn over de dissocierede stoffers koncentration. Som enhed for den elektriske ledningsevne anvendes 1 mikrosiemens/cm, som skrives 1 µs/cm. 1 µs/cm angiver ledningsevnen af en vandterning med kantlængden 1 cm. Ledningsevne er betinget af frie elektriske ladninger i vandets salte, dvs. jo flere salte jo højere konduktivitet, eller sagt på en anden måde, voksende indhold af dissocierede stoffer øger ledningsevnen. Fødevand til kraftværkskedler har en ledningsevne på 0,1-5 µs/cm ved 20 C. Ved samme temperatur har drikkevand en ledningsevne på µs/cm og havvand µs/cm. KME Vandbehandling

9 H. C. Ørsted Værket Generelt Vandbehandlingen på H.C. Ørsted Værket består af 2 individuelle systemer, som behandler råvand og procesvand til damp- og fjernvarmeproduktion. 1. del af vandbehandlingen er spædevandsanlægget som har til formål at levere behandlet vand (deionat) til en 2000m 3 opbevaringstank placeret udenfor. 2. del af vandbehandlingen udgøres af kondensatanlægget som udelukkende gennemløbes af procesvand fra henholdsvis damp- og fjernvarmesystemer. Spædevandsanlægget er leveret af HOH Water Technology A/S i 1988 og er opbygget som et dobbelt ionbytteranlæg, bestående af H + bytter, CO 2 aflufter, OH - bytter og mix-bed filter. Ionbyttermassen regenereres med henholdsvis saltsyre (HCL) og natronlud (NaOH). Når der forbruges spædevand falder niveauet i deionattanken, hvorved spædevandsanlægget automatisk går i gang med at levere nyt deionat. Spædevandsanlægget er konstrueret således at det kun kører når der forbruges spædevand fra deionattanken. Kondensatanlægget er også leveret af HOH Water Technology A/S og blev sat i drift i Anlægget er ligesom spædevandssystemet opbygget som et fuldautomatisk dobbelt ionbytteranlæg, dog med den forskel at kondensatanlægget er konstrueret som in-stream dvs. at anlægget gennemløbes af den fulde mængde kondensat fra dampnettet. Anlægget består af 2 separate strenge, hver med en kapacitet på max. 400 m 3 /h. Hver streng indeholder 2 H + byttere og en OH - bytter. Anlægget regenereres med saltsyre og natronlud. Behovet for procesvand Moderne kraftværker bruger højtydende kedel- og dampsystemer som stiller store krav til det cirkulerende procesvand. Råvand indeholder opløste salte, dissocieret i positivt ladede ioner (kationer) og negativt ladede ioner (anioner). Eksempler på disse salte kan være (Ca ++, Mg ++, K +, Na ++, Cl -, SO 4 --, HCO 3 -, Fe ++ ) Andre stoffer i råvandet er opløst uden at dissocieret f.eks. SiO 2, O 2 og N 2. Nogle stoffer afsætter belægninger f.eks. (Ca ++, Fe ++, Mg ++ ), mens andre stoffer virker tærende (SiO 2, O 2 ) Belægninger på kedelrør vil medføre dårligere varmetransmissionskoefficient, og dermed dårligere virkningsgrad, ligesom der vil være risiko for tæringer på kedelvæggen, da saltene kan fungere som katalysatorer ved dannelse af syre. Saltene i råvandet udfældes ved fordampningen i kedlen, men fordampningen i højtydende kedelsystemer foregår ved så stor en kraft at der er fare for at de trækkes med over i turbinerne. Saltene vil i turbinen forårsage øget slitage eller afsætte belægninger som hurtigt vil føre til havari. Vandets indhold af silikat er specielt vigtigt at få nedbragt, da silikater kan afsætte meget hårdføre belægninger på turbinebladene som kun svært kan fjernes igen. Det er derfor kritisk at det benyttede procesvand er så rent som overhovedet muligt for at sikre en lang levetid på kedler og turbiner. Råvandet må altså forbehandles inden det kan bruges som procesvand, og det er derfor nødvendigt at rense vandet for partikler, silikat og opløste salte. Rensningen kan foregå mekanisk eller kemisk, eller ved en kombination af begge. Mekanisk rensning er typisk en simpel partikelfiltrering, beregnet til for-filtrering af råvand eller procesvand. KME Vandbehandling

10 Filtrenes maskestørrelse kan variere afhængig af filtrets formål og konstruktion, som oftest er poseeller kertefiltre (0,5-100µm). Den kemiske rensning foregår ved total afsaltning også kaldet dobbelt ionbytning, hvor de skadelige ioner erstattes af en anden ion med samme ladning, dvs. kationer erstattes af en kation (OH - ) og anioner erstattes af en anion (H + ). I tabellen er der vist en sammenligning mellem råvand (K.E. 2005) og de typiske krav der stilles til procesvand ved kedeldrift. TABEL Stof Enhed Procesvand (max) Råvand Oxygen O 2 mg/l 0,03 9,8 Carbondioxid CO 2 mg/l 1 25 Kiselsyre SiO 2 mg/l 0,02 24 PH 9,5 7,4 Ledningsevne μs/cm Spædevandsanlæggets opgave er at foretage den første grundlæggende behandling af råvandet inden det leverer procesvand til deionattanken. Herved sikres fødevandssystemet imod forureninger fra råvandet. Når procesvandet cirkulerer i kedler, turbiner, dampnet og fjernvarmerør kan det dog ikke udelukkes at eksterne og/eller interne forureningskilder kan trænge ind i procesvandet. Undersøgelser har vist, at helt rent iltfrit vand kan opløse stål, ganske vist langsomt og i meget små mængder, men alligevel i målelige mængder og så meget, at det har betydning på længere sigt. Her er der altså tale om forurening med metaller typisk jern (Fe ++ ) og kobber (Cu ++ ). Disse metalioner kan oprinde fra rørlegeringer, f.eks. i forbindelse med tæring eller rørbrud. Ved fejl på rørsystemer vil der ofte trænge faste partikler ind i procesvandet, hvorfor det er nødvendigt med mekanisk for-filtrering. Disse urenheder er naturligvis uønskede og det er derfor nødvendigt at foretage en kontinuerlig oprensning af procesvandet. Den cirkulerende mængde er dog så stor ( m3/h) at spædevandsanlægget er uegnet til denne opgave. Det er derfor nødvendigt med en dedikeret filtrering som er dimensioneret til de store mængder, jvf. kondensatanlægget. Kondensatanlægget er som nævnt et in-stream anlæg og gennemløbes af den samlede mængde af hjemkommende kondensat, hvorved der opnås en høj og stabil vandkvalitet. En meget anvendt metode hvormed man nemt og kontinuerligt kan måle og overvåge kvaliteten af det producerede deionat er ved at måle vandets ledningsevne. Ledningsevnen er en simpel modstandsmåling og er et udtryk for antallet af opløste ioner i vandet, færre ioner giver dårligere ledningsevne og omvendt. Der bør ved opgivelse af vands ledningsevne følge en måletemperatur med, da ledningsevnen er stærkt temperaturafhængig. Der er i denne sammenhæng en problemstilling i forhold til vandets indhold af silikater, idet en ændring af silikatindholdet ikke vil afføde en ændring i ledningsevne. Af denne årsag vil man ofte se at der på vandbehandlingsanlæggets afgang er monteret en dedikeret følecelle til måling af silikatindhold. KME Vandbehandling

11 Anlægsbeskrivelse I dette kapitel gennemgås i detaljer vandets forløb igennem henholdsvis spædevands- og kondensatanlæg. Kapitlet er beregnet til at skabe overblik over opbygningen af de 2 anlæg, hvorfor teorien omkring de enkelte delprocesser vil være udeladt i dette kapitel. Der vil blive lagt vægt på at opnå forståelse for systemernes indbyrdes placering og hvordan de indvirker på hinanden. Følgende bilag hører med til dette kapitel (aktuelle driftsdata påtegnet): o Bilag 1 (Oversigtstegning) o Bilag 2 (Spædevandsanlæg) o Bilag 3 (Kondensatrensningsanlæg) Generelt H. C. Ørsted Værket er fra 1920 og er i modsætning til mere moderne blok-kraftværker opbygget som et samleskinne-kraftværk, og er dermed et af de få tilbageværende samleskinne-værker i Danmark. Dampproduktionen er opbygget omkring en række forskellige kedelsystemer af varierende type og alder. Ældre kedler som oprindeligt kun kunne fyres med olie, er blevet moderniseret således at gas nu er det primære brændsel. Olien bruges dog stadig i forbindelse med kedelopstart og som reserve. En af bygningerne huser en gasturbine som driver en generator og leverer røggas til en af kedlerne. Denne konfiguration bruges ofte i sommerhalvåret hvor behovet for varme er minimalt. Værket er med sin lange historie og mangfoldige teknik, det mest alsidige værk i København og dermed i stand til at imødekomme ethvert el- eller varmebehov, stort som småt. Værkets primære rolle er el-produktion men der produceres også fjernvarme og damp til et 14-bar damp-net som bruges til opvarmningsformål i indre by. Fjernvarmen produceres i sammenhæng med de andre grundlastværker i København; Avedøreværket, Amagerværket og Svanemølleværket. H.C. Ørsted Værket og Svanemølleværket deles om dampproduktionen til bynettet, og det er det hjemkommende kondensat fra dette net som løber igennem kondensatanlægget. Fjernvarme Turbine Gas Damp Damp 14 bar damp, bynet Kedel Generator Kondensat retur elektricitet KME Vandbehandling

12 Spædevandsanlæg Anlægget er et fuldautomatisk dobbelt ionbytteranlæg udført som et 1-strengs system til demineralisering af råvand. Råvandet gennemløber anlægget i følgende rækkefølge: o 1. trin Svagt sur kationbytter (H + ) Stærkt sur kationbytter (H + ) o 2. trin CO2 aflufter o 3. trin Svagt basisk anionbytter (OH - ) Stærkt basisk anionbytter (OH - ) o 4. trin Mix-bed Stærkt sur kationbytter (H + ) Stærkt basisk anionbytter (OH - ) Under drift pumpes råvandet fra reservoiret til bunden af den første H + bytter (1.trin), fra toppen af denne til toppen af CO2 aflufteren (2. trin) Herfra pumpes med transportpumpe 1 eller 2 vandet til bunden af anionbytteren (3. trin), fra toppen af dette til toppen af mix-bed (4. trin) og herfra til reservoir for behandlet vand (deionattank). Den svage og den stærke kationbytter, er ligesom den svage og den stærke anionbytter placeret i et fælles to-kammer filter, der er delt i et øvre og et nedre kammer ved en mellembund. Fra bunden af mix-bed filtret (4.trin) passerer vandet en følecelle fra en ledningsevnemåler, der sikrer at råvandet ionbyttes til specifikation. Herefter passerer vandet en silikat måleenhed. I afgangen er der desuden monteret en vandmåler som på tavlefronten registrerer den producerede mængde (m 3 ). Anlægget regenereres med saltsyre (HCl) for kationbytteren og natronlud (NaOH) for anionbytteren og begge for mix-bed filtret. Efter kationbytter, anionbytter og mix-bed filter er der indsat et massefang, der vil tilbageholde ionbytterkorn ved evt. brud i ionbyttersøjlen. Under regenerationer føres vand og overskud af kemikalier til neutraliseringsanlæg hvorfra PH værdien neutraliseres før vandet sendes i afløb. Anlægget har følgende dimensioneringsdata: o Kapacitet: 76 m 3 /h 1500 m 3 /regeneration o Ledningsevne ved 20 C: o Kiselsyre, SiO 2 : 0,1 µs/cm max. 10 µg/l max. KME Vandbehandling

13 Kondensatanlæg Kondensatanlægget er et fuldautomatisk 2-strenget system, der tillader drift med 1 eller 2 linier med en kapacitet på m 3 /h hver. Det ubehandlede kondensat gennemløber anlægget i følgende rækkefølge: Kertefiltre Krydsvarmeveksler Køleveksler Stærkt sur kationbytter (H+) Stærkt basisk anionbytter (OH-) Stærkt sur kationbytter (H+) Krydsvarmeveksler Råkondensat (ufiltreret kondensat) pumpes via frembringerpumper igennem kertefiltre og videre til krydsvarmeveksler. I veksleren afkøles den varme råkondensat af det behandlede kondensat, som til gengæld opvarmes til driftstemperaturen. Fra krydsvarmeveksleren ledes vandet igennem køleveksler som er kølet af havvand og sikrer en korrekt tilgangstemperatur til kondensatanlægget på 38 C. Vandet ledes herefter videre til ionbyttersøjlerne. Råkondensatet trykkes ind i bunden af den første ionbytterbeholder som indeholder en fyldning af stærkt sur kationbytter, vandet fortsætter videre til bunden af anionbytteren som indeholder en fyldning af stærkt basisk anionbytter, og passerer til sidst en stærkt sur kationbytter inden det ledes igennem krydsvarmeveksleren og over til fødevandssystemet. I bunden af hver af de 3 ionbytterbeholdere er monteret et massefang, som opfanger ionbytterkorn ved brud på dysebund. I afgangen fra sidste H + bytter er der monteret en følecelle som kontinuerligt måler og registrerer kvaliteten af det behandlede vand på grundlag af vandets ledningsevne. H + bytter I og H + bytter II regenereres med saltsyre og OH - bytter regenereres med natronlud. Overskud af kemikalier og skyllevand efter regenerering ledes via afløb til neutraliseringsanlæg. Anlægget har følgende dimensioneringsdata: o Kapacitet: 2 x 400 m 3 /h m 3 /regeneration o Ledningsevne ved 20 C: o Kiselsyre, SiO 2 : o Kertefiltre: 0,2 µs/cm max. 20 µg/l max. 80 stk. kerter 5 µm 40 in. KME Vandbehandling

14 Ionbytterkolonne Kondensatanlægget er opbygget som et såkaldt packed bed system som under drift har flow i modstrøm. Inde i ionbytterkolonnen sidder der i top og bund monteret en dysebund som sikrer at ionbyttermassen belastes jævn over hele tankens diameter. Denne opbygning kaldes for et schwebebett-anlæg eller på engelsk floating bed, fordi at ionbyttermassen praktisk talt svæver når anlægget er i drift. Ionbyttermassen presses altså op imod den øverste dysebund under drift, og herved undgår man at ionbyttermassen flyder ud, da dette fænomen kan medføre at behandlet og ubehandlet vand blandes i toppen af søjlen. Denne anlægstype har rensning i modstrøm og regeneration i medstrøm. Et floating bed system er mere kompleks og kræver en meget omfattende rørføring, som kan være medvirkende til at øge anlægsprisen. Den primære begrundelse for at benytte anlæg af denne type er at der kan regenereres med et mindre kemikalieoverskud. En af ulemperne er som sagt at ionbyttermassen skal holdes svævende under drift, hvilket ikke er noget problem når anlægget kører max flow. Men ved mindre flow hvor det kan være svært at holde massen svævende er man nødt til at starte en cirkulationspumpe som kan øge flowet nok til at ionbyttermassen holdes oppe. Efterhånden som anlægget slides vil der opstå fysisk slitage på ionbytter-kornene som herved slides ned til en mindre diameter. Disse mindre ionbytter-korn kaldet fines er uønskede i ionbytterkolonnen da de lægger sig imellem de normale korn og øger kolonnens densitet, som igen resulterer i et større trykfald. Fjernelsen af fines i floating bed systemer besværliggøres af dysebunden. Kondensatanlægget benytter en amberpack ionbyttermasse og 2 separate tanke til returskyl af ionbyttermassen. Når der observeres et øget trykfald over ionbytterkolonnen standses rensningen og hele eller dele af ionbyttermassen skylles ved hjælp af deionat over i skylletanken, en til anionbytter og en kationbytter. Inde i skylletanken føres et flow af deionat op i modstrøm, hvorved de mindre og lettere fines fraseperareres i toppen af skylletanken. Hvis det er nødvendigt at spæde op med nye friske ionbytterkorn gøres det også via skylletanken. Når separationsprocessen er færdig pumpes massen tilbage i ionbytterkolonnen hvor driften kan genoptages Regeneration Efterhånden som ionbytterne bliver mættet med salte, vil kapaciteten falde og til sidst blive så lav, at salte vil bryde igennem filtret. Ionbyttersøjlen vil blive belastet i forskellige lag som efterhånden rykker tættere på toppen af søjlen. Når kapaciteten i de sidste lag er opbrugt regenereres ionbytterne kationbytteren med en saltsyre (HCl) og anionbytteren med natronlud (NaOH). Brintionerne i saltsyren trænger ind i kationbytterens porer og bytter plads med de ophobede kationer. Hydroxylionerne i natronluden trænger ind i anionbytterens porer og bytter plads med de ophobede anioner. Herved fjernes saltene, ionbytterne oplades på ny og kan gennemføre en ny driftscyklus. Anlægget kører som nævnt under drift i opstrøm også kaldet modstrøm, hvorfor regenereringen foregår i nedstrøm. Modstrømsteknikken opnår en bedre kemisk udnyttelse ved regeneration fordi den nederste del af ionbyttersøjlen, som passeres først af vandet i drift vil få en stor andel af kemikalierne. KME Vandbehandling

15 På denne måde belaster man ikke ionbyttersøjlen under regenerering, og man kan derfor benytte et mindre kemikalieoverskud, samtidig med at man har en kraftig kemikaliepåvirkning i den nederste del af ionbytterkolonnen. Samtidig bevirker medstrømregenereringen at den øverste del af ionbytterkolonnen som passeres sidst af vandet under drift og som har mest tilbageværende kapacitet, opnår en næsten total regeneration. Dette er ønskeligt fordi den øverste del af ionbytteren kommer til at fungere som politifilter som er en slags polering af vandet. Dette fænomen producerer vand af meget høj kvalitet og er altså en af fordelene ved anvendelse af floating bed systemet. Følgende viser forløbet for regeneration: Kationbytter 283 kg HCl overføres til målebeholder Deionatdrevne ejectorpumper fortynder 30 % koncentreret HCl opløsning til ca. 5 % Målebeholdere afspærres og cirkulation fortsætter ved uændret flow (43 min) Skyllevand føres til neutraliseringsanlæg Rentskyl starter ved recirkulation indtil ledningsevne er tilfredsstillende (max. 10 min),(70-140m 3 /h) Anlæg returnerer til normal drift Anionbytter 290 kg NaOH overføres til målebeholder Deionatdrevne ejectorpumper fortynder 46 % koncentreret NaOH opløsning til ca. 4 % Målebeholdere afspærres og cirkulation fortsætter ved uændret flow (65 min) Skyllevand føres til neutraliseringsanlæg Rentskyl starter ved recirkulation indtil ledningsevne er tilfredsstillende (max. 10 min),(70-140m 3 /h) Anlæg returnerer til normal drift Den stærke syre og base belastning som anlægget udsættes for stiller naturligvis krav til de valgte konstruktionsmaterialer til opbevaringstanke, rørføringer osv. Af samme årsag er alle rør som fører koncentreret syre lavet af plastmaterialer, ligesom målebeholderen først fyldes umiddelbart før regeneration. Tankene som indeholder ionbyttermassen er lavet af stål og må derfor beskyttes imod korrosionsangreb under drift og specielt under regeneration. Derfor er indersiden af tankene belagt med et 4 mm gummilag. KME Vandbehandling

16 Ionbyttermasse Ionbyttere består af et materiale som er uopløseligt i vand, materialet indeholder aktive molekylegrupper som ved berøring med vand udveksler ioner med vandet, i dag er ionbyttere udført som kugler af polystyren kunststoffer. Den enkelte kugle er meget porøs fordi der er fine porer imellem molekylekæderne, alt efter disse porers størrelse ændre kuglens egenskaber sig. Kuglen besidder i sig selv ingen ionbytnings egenskaber, disse tilføres ved ren kemisk behandling af kuglerne. Afhængig af den kemiske behandling kuglen udsættes for under produktion, er det muligt at producere stærke og svage kation- og anionbyttere. Ionbytteren er lavet af et plast skelet med aktive og inaktive molekylegrupper. Når de aktive molekylegrupper kommer i berøring med vandet udveksler de ioner med de i vandet uønskede ioner. Ionbyttermassen er opbygget af små fine korn (resin) som typisk har en diameter på 0,2-1 mm. CO 2 - aflufter Når vandets bikarbonat indhold er højt, kan den dannede CO 2 fjernes med fordel mekanisk ved gennemblæsning af vandet fra kationbytteren med luft, og derved reducere belastningen af den efterfølgende anionbytter da HCO 3 - i praksis udgør % af de stoffer der skal fjernes i anionbytteren. En anvendelse af CO 2 aflufter medfører altså en væsentlig besparelse på en dyr anionbytter. Aflufteren fungerer på den måde at vandet fra kationbytteren ledes ind i toppen til nogle dyser, som nærmest forstøver vandet ud i toppen af beholderen, samtidig sidder der en kraftig blæser som blæser luft op igennem tanken imod vandet, på denne måde fjernes CO 2 mekanisk fra vandet. Ulempen ved aflufteren er at man behøver en pumpe for presse vandet videre til anionbytteren. Fordi aflufteren har direkte udluftning til atmosfæretryk og dermed ikke skal modstå et højt vandtryk, er det muligt at konstruere aflufteren i plast. En plastkonstruktion har desuden den fordel at den er syrebestandig, jvf. den før nævnte syrebelastning fra kationbytteren. CO 2 Fra kationbytter Til anionbytter KME Vandbehandling

17 Konklusion Under udarbejdelsen af projektet er der lagt vægt på at opnå forståelse for principperne omkring dobbelt ionbytning. Problemformuleringen er som helhed søgt besvaret dels ud fra et teoretisk synspunkt men også et praktisk synspunkt. De 3 uafhængige besøg på H. C. Ørsted Værket har medvirket til en dybere forståelse for den praktiske anvendelse og opbygning af dobbelt ionbytteranlæg. Endvidere har besøgene givet en øget indsigt i behovet for behandling af fødevand til højtryks kedelsystemer. Projektet har givet os indblik i fordelene ved anvendelse af CO 2 -aflufter i spædevandsanlæg. Valgfaget er i stor udstrækning udlagt som et selvstudie hvor de studerende frit kan vælge emne og projektsted. Det er vores holdning at undervisningen har været mangelfuld og at vejleder under projektperioden har været særdeles svær at få i dialog. Desuden bør der på fremtidige semestre lægges vægt på en hurtig opstart af valgfag, umiddelbart efter semesterstart. Samlet set har projektperioden givet os meget ny viden indenfor vandbehandling, ionbytning, kraftværksteknik og systemforståelse, hvorfor vi overordnet ser positivt på udbyttet af projektet. KME Vandbehandling

18 Kildeliste Litteratur Kraftværksteknik, Tekstbog Leif Terkelsen & Anders Bjerre, Bogfondens forlag 1987 Termodynamik Aage Birkkjær Lauritsen, Søren Gundtoft & Aage Bredahl Eriksen, 1. udgave, 2. oplag 2004 Kemiske og fysiske tabeller Otto V. Rasmussen, 9. udgave, 1. oplag 2003, Gyldendal Kemigrundbog for teknikere Dennis Hansen, 2. udgave 1997, Bogfondens forlag Kemi 2000 serien C-niveau Helge Mygind, 1. udgave 1994, 12. oplag 2003, P. Haase & Søns Forlag Kemiske regneopgaver Bernhardt Mathiesen, 4. udgave 1995, Erhvervsskolernes Forlag Internetsider Diverse Driftsinstruktion for kondensatrensningsanlæg HOH Water technology A/S Kursusmappe for generel vandbehandling HOH Water Technology A/S Ion Exchangers Uddrag af engelsk kemi bog, venligst udlånt af HOH Water Technology A/S KME Vandbehandling

19 Oversigtstegning Råvandsbeholder Genbrugsvand Buffertank Deionat 2000 m 3 Til fødevandsafluftere Reservoirbeholdere for kondensat Beholdere for behandlet kondensat Spædevandsanlæg Neutraliseringsanlæg Kondensatløftepumper Kondensatrensningsanlæg Tilgang råvand Reservoirbeholdere for kondensat Hjemkommende kondensat fra 14 bar net Temp o C B C D E F G H Råvandsopvarmning Nedtapning Svanemøllepumper Kertefiltre Krydsvarmeveksler Saltvandskøler 38 o C Pumpeledning Beholdere for ufiltreret kondensat Frembringerpumper

20 Spædevandsanlæg Afluftning H + bytter CO2 - aflufter Blæser OH - bytter Mix-Bed Råvand Væskestandsglas SiO2 måling Flowmåler µs/cm Differenstrykmåler Differenstrykmåler Differenstrykmåler Deionat Massefang Massefang Massefang Behandlet kondensat Kondensatrensningsanlæg Regeneration NaOH Regeneration HCl Frembringerpumpe SiO2 måling H + bytter OH - bytter H + bytter Flowmåler dpt dpt Kertefiltre dpt µs/cm Differenstrykmåler Differenstrykmåler Differenstrykmåler Neutralisering Massefang Neutralisering Massefang Krydsvarmeveksler Saltvandskøler Cirkulationspumper Massefang

21 Kationbytter / H + bytter Anionbytter / OH - bytter Drift HCO3 - Cl - H + SO4 -- NO3 - Blødt vand (Til anionbytter) Drift H2O Total afsaltet vand H2SiO3 H + OH - Na + Fe +++ Cl - (Si) Mg ++ Mn ++ SO4 -- NO3 - Ca ++ HCO3 - Vandværksvand (Råvand) Ca ++ HCO3 - Mg ++ Cl - Na + SO4 -- Mn ++ NO3 - Fe +++ Blødt vand (Fra kationbytter) HCO3 - Cl - H + SO4 -- NO3 - SiO2 Drift (modstrøm) H2SiO3 Drift (modstrøm) Regeneration HCl (Saltsyre) Regeneration NaOH (Natronlud) H + OH - Na + Fe +++ Mg ++ Ca ++ Mn ++ Cl - (Si) SO4 -- HCO3 - NO3 - Til neutralisering Ca ++ Mg ++ Na + Cl - Mn ++ Fe +++ Til neutralisering HCO3 - Cl - Na + SO4 -- H2SiO3 NO3 - Regeneration (medstrøm) Regeneration (medstrøm)