Als Speisewasser wird Wasser bezeichnet, das in einem Speisewasserbehälter vorgehalten wird und kontinuierlich einem Dampferzeuger zugespeist wird. Große Mengen von Speisewasser werden in Dampfkraftwerken benötigt. Der Dampfkessel erzeugt Wasserdampf, der zum Beheizen, für verfahrenstechnische Prozesse oder zum Antrieb einer Dampfturbine bzw. Dampfmaschine genutzt wird. Das Speisewasser wird so aufbereitet, dass für den Betrieb des Kessels schädliche Bestandteile des Wassers entfernt oder in Stoffe umgesetzt worden sind, die keine nachteilige Wirkung auf den Kesselbetrieb haben.
Schädliche Inhaltsstoffe des eingesetzten Wassers sind Salze der Erdalkalien, die bei höheren Temperaturen auf den Heizflächen ausfallen, eine Isolierschicht bilden und somit den Wärmeübergang behindern. Dies führt zu einer Überhitzung mit der Folge von thermischen Spannungsrissen. Darüber hinaus kann der Kesselstein sicherheitsrelevante Ausrüstungsteile durch Ablagerung außer Funktion setzen. Die im Wasser gelösten Gase O2 und CO2 führen zu Korrosion. Bei Durchlaufkesseln wird das gesamte Speisewasser verdampft. Bei diesem Kesseltyp müssen deshalb alle gelösten Inhaltsstoffe des Rohwassers aus dem Speisewasser entfernt werden. Es darf daher nur Deionat (= Reinwasser ohne Inhaltsstoffe) verwendet werden.
Je nach Nutzung des Dampfes kann mehr oder weniger Dampf als Kondensat wieder als Speisewasser genutzt werden. In einem Dampfkraftwerk müssen die Verluste durch Absalzung und thermische Entgasung durch Zusatzwasser ausgeglichen werden. In verfahrenstechnischen Anlagen wird teilweise der Dampf zur Direktbeheizung genutzt, so dass kein Kondensat zur Weiterverwendung zur Verfügung steht.
Das Speisewasser besteht aus dem wiederverwendeten Kondensat und aufbereitetem Zusatzwasser.
Kondensat Das Kondensat wird in dem Kondensatbehälter aufgefangen und mittels Kondensatpumpen dem Speisewasserbehälter zugeführt. Die Qualität des wiederverwendeten Kondensates muss gegebenenfalls überprüft werden, wenn ein Fremdstoffeinbruch – z. B. an einem undichten Wärmeübertrager – möglich ist.
Beim Antrieb von Dampfmotoren ist das Kondensat mit Öl belastet. Wenn größere Mengen Öl in das Kesselwasser gelangen, besteht die Gefahr der Überhitzung der Heizflächen, da das Filmsieden bei niedrigeren Wärmestromdichten einsetzt. Das Öl muss mechanisch durch Aufschwimmen abgetrennt und Reste durch Aktivkohlefilter adsorbiert werden.
In Abhängigkeit von den möglicherweise eindringenden Stoffen kann eine automatische Trübungsüberwachung oder Leitfähigkeitsmessung eingesetzt werden, die ein 3/2-Wege-Ventil ansteuert und das Kondensat dem Entspanner zuführt. Diese Einrichtung ist bei einem Betrieb ohne ständige Beaufsichtigung (TRD 604) vorgeschrieben. Bei Hochdruckkesseln (Betriebsdruck > 64 bar) ist insbesondere bei Durchlaufkesseln eine Aufbereitung der Kondensate erforderlich. Ungelöste Bestandteile wie Eisenoxide, die vom Werkstoff der Rohre durch Korrosion bzw. Erosion abgelöst werden, und Salzspuren, die vom Kühlwasser im Kondensator bzw. in diversen Wärmeübertragern in das Dampf-/Kondensatsystem gelangt sind, müssen entfernt werden. Typische Anlagen für die Kondensataufbereitung sind Kerzenfilter (für die Entfernung ungelöster Partikel) und Mischbettfilter (für die Entfernung von gelösten Salzen).
Förderung Zwischen Speisewasserbehälter und Eintritt des Speisewassers in den Dampferzeuger befinden sich eine oder mehrere Speisewasserpumpen, die das Speisewasser fördern.
Behandlung Thermische Entgasung mini|Speisewasserbehälter mit Entgaser und Brüdenkondensator
In der Regel wird das Speisewasser in einem Entgaser, der auf dem Speisewasserbehälter angeordnet ist, entgast. Hierdurch werden die schädlichen Gase Sauerstoff und Kohlendioxid weitgehend entfernt. Für die Entgasung wird der physikalische Umstand genutzt, dass mit zunehmender Temperatur die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten sinkt. Weitergehende Informationen zum physikalischen Vorgang der Entgasung sind unter Entgasung (Dampf- und Heißwassertechnik) angeführt.
Die Entgasung des Speisewassers wird überwiegend bei Überdruck (p = 0,1–0,4 bar/Ü) und entsprechenden Sattdampftemperaturen von 102–108 °C angewendet. Der Speisewasserbehälter wird durch eine Dampflanze im Wasserraum zur Durchmischung der Flüssigkeit und durch Zugabe von Dampf im Gasraum beheizt. Auf dem Scheitel des Speisewasserbehälters ist ein Entgaserdom aufgeflanscht. Das kalte Zusatzwasser und das Kondensat werden auf das obere Verteilerblech geleitet und laufen über Rieselbleche in den Speisewasserbehälter. Im Gegenstrom strömt Dampf zum Kopf des Entgasers und erwärmt das eingeleitete Wasser. Dabei werden die gebundenen Gase freigesetzt und steigen mit dem Dampf nach oben. Die aufsteigenden Brüden entweichen am Kopf des Entgasers und werden als Fegedampf bezeichnet. Zur Nutzung der Enthalpie der Brüden wird bei größeren Anlagen ein Brüdenkondensator eingesetzt. Durch die Kondensation des Wasserdampfes in den Brüden wird das aufbereitete Zusatzwasser vorgewärmt.
Der zulässige Druck des Speisewasserbehälters kann durch ein Sicherheitsventil oder ein Siphon abgesichert werden. Ein Siphon kann nur bei Entgasern bei Betriebsdrücken bis etwa 1,5 bar eingesetzt werden, da sonst die Rohrschleife (notwendig für die erforderliche statische Wassersäule als Gegendruck) zu hoch wird. Die Verwendung eines Siphon hat jedoch den Vorteil, dass bei Versagen der Zuflussregelung eine Überfüllung des Speisewasserbehälters nicht auftreten kann.
Außer der vorstehend beschriebenen Entgasung bei einem Druck von > 1,0 bar gibt es Vakuumentgaser. Diese sind vom Aufbau und der Wirkungsweise weitgehend mit Druckentgasern vergleichbar. Der Betriebsdruck liegt in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur unter 1,0 bar. Das Vakuum wird durch Vakuumpumpen (überwiegend Wasserringpumpen und/oder Dampfstrahler) erzeugt. Bei zu entgasenden Kondensaten mit einer Rohkondensattemperatur von ca. 35–100 °C können auch sogenannte Entspannungsentgaser eingesetzt werden, die in der Bauweise weitgehend mit normalen Vakuumentgasern vergleichbar sind.
Chemische Entgasung Neben der vorstehend angeführten physikalischen Entgasung ist für das Zusatzwasser auch eine katalytische Entgasung möglich. Hierbei wird ein Harz, das mit einem Schwermetall aus der Platingruppe beladen ist, als Katalysator verwendet.P. Thomas: Betriebserfahrungen mit der katalytischen Reduktion. In: VGB Kraftwerkstechnik. 61, 1981, Heft 1, S. 59–61. Als Reduktionsmittel wird Wasserstoff oder Hydrazin benutzt. Die Sauerstoffentfernung erfolgt in einem Filter, der in der Bauweise mit einem Ionenaustauschfilter vergleichbar ist. Die Betriebstemperatur bei diesem Verfahren liegt normalerweise bei 10–30 °C.
Geringe Sauerstoffgehalte in Kondensaten von Kesselanlagen in der Industrie und Kraftwerken werden ebenfalls chemisch abgebunden. Die Zugabe der Reduktionsmittel erfolgt nach Kondensator und zur Entfernung von Restsauerstoff nach Entgaser. Durch diese Behandlung werden Anlageteile aus dem Werkstoff Eisen vor Korrosion durch Sauerstoff geschützt. Durch eine Dosierung nach Entgaser können geringe Restgehalte von ca. 5–10 ppb Sauerstoff chemisch noch weiter reduziert werden.
Für diese Art der Sauerstoffentgasung sind folgende Chemikalien geeignet und gebräuchlich: Natriumsulfit Diethylhydroxylamin (DEHA) Hydrazin Morpholin 2-Butanonoxim auch als Methylethylketoxim bezeichnet Ascorbinsäure als Ammoniumascorbat Carbodihydrazid (auch als Carbohydrazid bzw. Diaminoharnstoff bezeichnet)
Bis auf Natriumsulfit (Na2SO3) sind diese Chemikalien dampfflüchtig und können in Systemen mit Zwangsdurchlaufkessel eingesetzt werden. Die Verwendung von Natriumsulfit dagegen ist auf Anlagen mit Umlaufkesseln und Heißwasserkreisläufen beschränkt.
Bis in den 1980er Jahren wurde überwiegend Hydrazin verwendet. Da bei der Reaktion von Hydrazin mit Sauerstoff nur Stickstoff und Wasser gebildet wird, ist es eine optimale Chemikalie für die Sauerstoffentfernung. Da aber Hydrazin gemäß Gefahrstoffverordnung zu den krebserregenden Chemikalien gehört, werden zunehmend die ungefährlicheren anderen Mittel verwendet. Nachteilig bei diesen Ersatzmitteln ist jedoch, dass diese organische Abbau- und Spaltprodukte wie organische Säuren, Kohlenstoffdioxid, Aldehyde oder Ketone bilden. Der COD-Gehalt im Wasser-Dampfkreislauf wird dadurch erhöht und die Qualität verschlechtert.
Kaltentgasung Neben der klassischen thermischen Entgasung und der chemischen Entgasung bietet auch die Kaltentgasung eine Möglichkeit, gelösten Sauerstoff aus dem Speisewasser zu entfernen. Gerade für Schnelldampferzeuger-Anlagen bietet sich diese Methode an, da, gerade bei wenig bis gar keinem rückgeführten Kondensat, das Weichwasser zur Entgasung nicht aufgeheizt werden muss, sondern, bereits sauerstoffarm, im Speisewasserbehälter eingeleitet wird und hier dann auf teuren Sauerstoffbinder nahezu verzichtet werden kann. Da das Speisewasser bei Schnelldampferzeugern im Regelfall nicht höher als 95 °C erwärmt wird und auch eine ordnungsgemäße Durchmischung, welche notwendig wäre, um chemischem Sauerstoffbinder eine garantierte Wirkung zukommen zu lassen, sehr selten eingesetzt wird, ist die Kaltentgasung die einzig wirksame Methode, hier auf die benötigten Werte zu kommen.
Weitere Behandlung des Speisewassers Eine Speisewasseraufbereitung mit einer Austauschenthärtung muss durch Entfernen oder Bindung des Sauerstoffs und durch Wasserkonditionierungsmittel ergänzt werden, die die Resthärtebildner abbinden. Meistens werden die Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid) durch eine thermische Entgasung am Speisewasserbehälter entfernt. Durch Zugabe von Natriumsulfit wird der Restsauerstoff chemisch in Natriumsulfat umgesetzt. Auch Hydrazin kann für die chemische Abbindung von Sauerstoff verwendet werden. Durch Zugabe von Trinatriumphosphat werden die Härtebildner abgebunden und als Schlamm ausgeschieden. Eine pH-Wertanhebung erfolgt durch Zugabe von Ätznatron oder Ammoniak. Die Dosierung von Salzen wie Trinatriumphosphat und Ätznatron ist allerdings nur bei Trommelkesseln zulässig. Für Durchlaufkessel ist nur die Verwendung von dampfflüchtigen Chemikalien möglich, da Salze im Bereich der Restwasserverdampfung auf den Heizflächen auskristallisieren würden.
Um die Wasseraufbereitung zu vereinfachen, werden diese Wasserkonditionierungsstoffe meistens als fertiges Gemisch geliefert. Diese Mittel werden in Kunststoffbehälter abgefüllt und mittels Membranpumpen in den Speisewasserbehälter oder in das Zusatzwasser gepumpt. Um eine gleichmäßige Dosierung zu erhalten, wird die Pumpe gleichzeitig mit der Speisepumpe angesteuert. Die Fördermenge der Dosierpumpe wird so eingestellt, dass im Kesselwasser ein Überschuss der Komponenten der Aufbereitungsmittel nachweisbar ist.
Zusatzwasser mini|300px|Bestandteile des Rohwassers mini|300px|Auswirkung der Bestandteile des Rohwassers auf den Betrieb eines Dampfkessels
Das verwendete Zusatzwasser muss aufbereitet werden, um eine schädliche Wirkung der Inhaltsstoffe auf den Kessel zu unterbinden.
Je nach Anwendungsfall und insbesondere in Abhängigkeit vom Betriebsdruck des Kessels wird zwischen folgenden Aufbereitungsstufen unterschieden: salzhaltiges Speisewasser, salzarmes Speisewasser, salzfreies Speisewasser. Aus dem Zusatzwasser müssen zuerst unlösliche Bestandteile entfernt werden. Grobe Bestandteile können durch Rechen oder in Absetzbecken entfernt werden. Die feineren Bestandteile werden durch Filtration oder Flockung entfernt.
HärtebereichBezeichnungGesamthärte1weich0 bis 1,3 mmol/l2mittelhart1,4 bis 2,5 mmol/l3hart2,6 bis 3,8 mmol/l4sehr hart2,6 bis 3,8 mmol/l