Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung des Kühlwassers in Kraftwerken.

Zur Abführung schädlicher Verlustwärme und zur Kondensation des Arbeitsdampfes werden in Wärmekraftanlagen grosse Mengen an Wasser und Luft als Kühlmittel benötigt. Die Luft dient der Kühlung des im Kondensator aufgeheizten Kühlwassers, indem sie dessen Verdampfungswärme aufnimmt und ausserdem zur Verdunstung beiträgt. Aufgrund der Verdunstung steigt jedoch der Salzgehalt des Kühlwassers, was zu Abscheidungen von Kalziumkarbonat im Kühlwasserkreislauf führt. Um solche Kalkablagerungen zu vermeiden, wird das Kühlwasser unter Zudosierung von Chemikalien gereinigt.
Bekannt sind derartige Verfahren zur Konditionierung des Kühlwassers in Kraftwerken unter Verwendung von Schwefelsäure, wobei die Karbonathärte in Kalziumsulfat umgesetzt wird. Dabei hat die Schwefelsäure mehrere Funktionen zu erfüllen. Durch die Senkung des pH-Wertes der Lösung wird das vorhandene schwerlösliche, suspendierte Kalziumkarbonat in der Kondensatorberohrung in Hydrogenkalziumkarbonat (Bikarbonat) nach:
überführt und ein Teil der Bikarbonat-Anionen
werden in gelöstes Kohlendioxyd umgewandelt. Im Kühlturm geht das gelöste Kohlendioxyd nach der Gleichung
in den gasförmigen Zustand über, so dass sich ein Bikarbonat-Niederschlag bildet. Infolge der Dosierung von Schwefelsäure wird ein Teil der Bikarbonat-Anionen in der Lösung durch Sulfat-Anionen ersetzt. Kalziumsulfat, in seiner gewöhnlichen Kristallform mit zwei Wassermolekülen, d.h. Gips, besitzt ein viel höheres Löslichkeitsprodukt als Kalziumkarbonat (siehe folgende Gleichung).
Damit lassen sich die Kalziumkonzentrationen in der gelösten, solvatierten Form im Wasserbecken des Kühlturmes um etwa zwei Grössenordnungen erhöhen. Auf diese Weise kann die Bildung von Kalkinkrustationen im Kühlwasserkreislauf verhindert werden und man erreicht zudem einen hohen Eindickungsgrad bei konsequenter Verringerung der Abschlämmung.

Der Einsatz von Schwefelsäure zur Konditionierung des Kühlwassers ist allerdings mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. So entstehen wegen deren ätzenden und korresiven Eigenschaften relativ hohe Kosten und Risiken bei der Lagerung und Manipulation. Ausserdem werden sowohl das zumeist aus Buntmetall bestehende Material der Kondensatorberohrung als auch das Betonmaterial des Kühlturmes durch die Schwefelsäure angegriffen.

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung des Kühlwassers in Kraftwerken zu schaffen, welche ohne die Zugabe von Schwefelsäure auskommen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass als Mittel zur Konditionierung des Kühlwassers Kohlendioxyd eingesetzt wird. Dazu ist der Kühlwasserkreislauf direkt oder über eine Zuführleitung mit einem Kohlendioxyd-Behälter verbunden und zwischen beiden eine Mess- und Regelvorrichtung angeordnet.

Durch das Einspeisen des Kohlendioxyds in den Kühlwasserkreislauf wird der pH-Wert, ähnlich wie beim Einsatz von Schwefelsäure, gesenkt und damit das vorhandene schwerlösliche, suspendierte Kalziumkarbonat in Hydrogenkalziumkarbonat (Bikarbonat) nach:
überführt. Ein Teil der Bikarbonat-Anionen werden entsprechend Gleichung (2) wieder in gelöstes Kohlendioxyd umgewandelt. Dadurch sinkt die Konzentration der Karbonat-Ionen in der Lösung drastisch und das Löslichkeitsprodukt der beiden beteiligten Ionen (CO₃⁻² und Ca⁺²) wird unterschritten, so dass ein Niederschlag von Kalziumkarbonat nicht möglich ist. Das Kohlendioxyd bewirkt im geschlossenen Kühlwasserkreislauf die Auflösung der Kalziumkarbonat-Niederschläge nach Gleichung (3).

In fossilbefeuerten Kraftwerken ist es besonders zweckmässig, das ohnehin anfallende Kohlendioxyd der Kaminabgase als Mittel zur Konditionierung zu verwenden. Dazu ist der Kühlwasserkreislauf über eine hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage angreifende Zuführleitung mit der Abgasleitung des Kessels verbunden. In der Zuführleitung sind ein Kompressor und eine Begasungseinrichtung mit einer Düse angeordnet. Zwischen der Zuführleitung und dem Kühlwasserkreislauf ist eine Mess- und Regelvorrichtung angeordnet.
Der erfindungsgemässe Ersatz der Schwefelsäure durch das hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage aus der Abgasleitung entnommene Kohlendioxyd führt zur völligen Freihaltung des Kühlwassekreislaufes von Schwefelverbindungen. Auf diese Weise können weder das Buntmetall der Kondensatorberohrung noch der Beton des Kühlturmes durch Schwefelsäure angegriffen werden.

Wird dagegen die Zuführleitung vor der Rauchgasentschwefelungsanlage mit der Abgasleitung verbunden und sind in der Begasungseinrichtung zwei Düsen angeordnet, kann auch der Schwefeldioxyd-Anteil der Kaminabgase als Mittel zur Konditionierung des Kühlwassers eingesetzt werden.
Ausser den bereits beschriebenen Reaktionen kommt es dabei durch die Zufuhr von Schwefeldioxyd und in Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff nach:
zur Bildung von Sulfat-Anionen. Damit wird eine weitere Funktion der Schwefelsäurezugabe ersetzt, ohne dafür Schwefelsäure zu dosieren.

Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lösungen zur Konditionierung des Kühlwassers bei fossilbefeuerten Kraftwerken ist der Wegfall der Notwendigkeit, von aussen chemische Verbindungen in das System einführen zu müssen.

Wird in der Zuführleitung ein Kohlendioxyd-Behälter mit integriertem Wechselventil angeordnet, kann bei höherem Bedarf zusätzlich Kohlendioxyd von aussen zugeführt werden. Dagegen wird das Kohlendioxyd bei einem Überschuss aus dem Verbrennungsprozess im Kohlendioxyd-Behälter gespeichert.

In der Zuführleitung ist zwischen dem Kompressor und der Begasungseinrichtung eine Rückschlagklappe angeordnet welche das Eindringen von Kühlwasser in den Kamin bei einer eventuellen Havarie verhindert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines fossilbefeuerten Kraftwerkes mit in den geschlossenen Kühlwasserkreislauf integriertem Kühlturm dargestellt.
Die Figur zeigt die schematische Darstellung eines Kühlwasserkreislaufes mit Rauchgaseinspeisung hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Im geschlossenen Kühlwasserkreislauf 1 eines fossilbefeuerten Kraftwerkes sind neben dem Kühlturm 2 und dem Kondensator 3, eine Kühlwasserpumpe 4 sowie eine Zusatzwasserleitung 5 angeordnet. Die Abgasleitung 6 verläuft vom Kessel 7 über einen Elektrofilter 8, die Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) 9 und eine Entstickungsanlage (DENOX) 10 zum Kamin 11. Hinter der Rauchgasentschwefelungsanlage 9 zweigt von der Abgasleitung 6 eine Zuführleitung 12 ab, welche in den Kühlwasserkreislauf 1 mündet. Sie weist einen Kompressor 13, eine Rückschlagklappe 14 und eine Begasungseinrichtung 15 mit einer Düse 16 auf. Zwischen der Abgasleitung 6 und dem Kühlwasserkreislauf 1 ist eine Mess- und Regelvorrichtung 17 und am Kühlturm eine Messvorrichtung 18 für den pH-Wert angeordnet. Ausserdem ist die Zuführleitung 12 mit einem Kohlendioxyd-Behälter 19 über ein Wechselventil 20 verbunden.

Beim Betrieb des Kraftwerkes kommt es im Kühlturm 2 und im Kondensator 3 aufgrund der teilweisen Verdunstung des Kühlwassers zu Kalkablagerungen. Um das zu verhindern, bzw. die Ablagerungen aufzulösen, werden zunächst die pH-Werte im Kühlwasserkreislauf 1 mittels der Messvorrichtungen 17, 18 ermittelt. Die Regelvorrichtung 17 dosiert anschliessend die benötigten Mengen Rauchgas, d.h. Kohlendioxyd an die Begasungseinrichtung 15. Nach dessen Einspeisen über die Düse 16 in den Kühlwasserkreislauf 1 werden die Kalkablagerungen aufgelöst und in einer wässrigen Suspension ausgefällt, welche sich relativ einfach abschlämmen lässt.
Die in der Zuführleitung 12 angeordnete Rückschlagklappe 14 verhindert das Eindringen von Kühlwasser in den Kamin 11 bei einer eventuellen Havarie.
Benötigt man mehr Kohlendioxyd, als die fossile Verbrennung freisetzt, lässt sich das System durch zusätzliche Einspeisung von reinem CO₂ aus dem Kohlendioxyd-Behälter 19 weiter betreiben. Wird dagegen durch die Verbrennung mehr als das benötigte Kohlendioxyd erzeugt, kann dieses im Kohlendioxyd-Behälter 19 gespeichert werden. Mittels des Wechselventils 20 wird die Freigabe bzw. die Speicherung des Kohlendioxyds realisiert.

1

Kühlwasserkreislauf

2

Kühlturm

3

Kondensator

4

Kühlwasserpumpe

5

Zusatzwasserleitung

6

Abgasleitung

7

Kessel

8

Filter

9

Rauchgasentschwefelungsanlage (REA)

10

Entstickungsanlage (DENOX)

11

Kamin

12

Zuführleitung

13

Kompressor

14

Rückschlagklappe

15

Begasungseinrichtung

16

Düse

17

Mess- und Regelvorrichtung

18

Messvorrichtung

19

Kohlendioxyd-Behälter

20

Wechselventil