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Aria™ Microfiltration system

Erfahren Sie mehr über das integrierte Membransystem von Pall

Das integrierte Membransystem von Pall steigert die Qualität des Kesselspeisewassers und senkt die Betriebskosten

Produkt: Pall Aria™ Mikrofiltrationssystem

 

Herausforderungen

Ein größeres nordamerikanisches Kraftwerk nutzt konventionelle Wasserenthärtung und Entmineralisierung zum Erreichen hoher Wasserqualität für den Kesselbetrieb. Dieses große Kohlekraftwerk besteht aus drei verschiedenen Kohlekraftwerkseinheiten. Die Einheiten haben jeweils ca. 600 MW Kapazität und wurden ursprünglich für den Betrieb mit bitumenhaltiger Kohle mit hohem Schwefelgehalt konzipiert. Das konventionelle System nutzt Koagulationsmittel, Kalkstein, Säuren und Basen in großen Mengen für die Produktion von entmineralisiertem Wasser. Die Pall Corporation und das Kraftwerkspersonal haben zusammen ein integriertes, membranbasiertes System entwickelt, um qualitativ hochwertiges Permeatwasser zu produzieren und die Betriebszeiten des Ionenaustauschers zu maximieren.

 

Konventionelle Klärapparate/Multimedienfilter zur Aufbereitung von Süßwasser, das in Werke eingespeist wird, haben einige Nachteile. Der schwerwiegendste ist, dass diese Systeme nicht mit abrupten Störungen zurechtkommen, wodurch die Menge der Schwebstoffe im Speisewasser rapide ansteigen kann. Das spiegelt sich dann auch in einer Zunahme des Silt Density Index (SDI) oder der Trübung (NTU-Wert) beim Speisewasser und Permeat (Filtrat) wider.

 

Das Kraftwerk hat das frische Oberflächenwasser von einem angrenzenden Fluss als Süßwasserquelle verwendet. Bei der ursprünglichen Aufbereitungsmethode wurden etwa 1500 gpm dieses Wassers mit einem konventionellen Klärungs- und Wasserenthärtungsprozess und einer anschließenden Sand-/Kiesbettfiltration aufbereitet. Danach wurden Entmineralisierungsanlagen verwendet, um die erforderliche Wasserqualität für die Hochdruckkessel zu erzeugen. Diese Anlagen bestanden aus einem konventionellen Kationenbett mit Schwefelsäure zur Harzbettregeneration und Anionenbetten mit schwachen und starken Basen sowie einem Mischbettentmineralisierer mit Natronlauge zur Harzregeneration. Nach den Entmineralisierungsanlagen wurde das Kondensatwasser für die Kessel in Speichertanks geleitet. Ein Graver Powdex® Precoating-Filtrationssystem wurde zur Aufbereitung des Kondensats vor den Niedrigdruckerhitzern verwendet.

Es gab mehrere Gründe dafür, dass das Kraftwerk alternative Aufbereitungsmethoden statt der konventionellen Klärung/Sandbettfiltration in Erwägung gezogen hat. Der erste Grund waren die Kosten der Chemikalien zum Regenerieren der Entmineralisierungsbetten. Diese Kosten waren extrem hoch, weil die Harzregeneration mindestens einmal am Tag durchgeführt wurde. Die Ionenaustauscher-Laufzeit musste deutlich verbessert werden.

 

Zweitens wollten die Betreiber die Abläufe vereinfachen. Häufige Störungen bei den Klärapparaten haben die häufige Regeneration ergeben. Obwohl das Kraftwerk einen Dreibettentmineralisierer und nachgelagerte Mischbettaufbereiter verwendet hat, um die Kesselspeisewasserqualität zu erreichen, durchdrang das Siliziumoxid häufig das Bett mit den starken Basen und die Betten wurden oft regeneriert. Und zuletzt musste das Kondensataufbereitungssystem aufgrund der geringen Kondensatwasserqualität häufig vorbeschichtet werden. Wenn das Harz-Precoating weniger häufig durchgeführt werden muss, hat das indirekte Vorteile für das Kraftwerk. Das Kraftwerk hatte diese dringend notwendigen Veränderungen im Sinn und beauftragte Pall damit.

 

Lösung

Die Wasseraufbereitungsexperten von Pall haben die Bedingungen des Kraftwerks detailliert analysiert und sich für die Empfehlung eines integrierten Membransystems (IMS) mit Mikrofiltration (MF) und Umkehrosmose (RO) entschieden, um die Klärapparate zur Wasserenthärtung und die Sand-/Kiesfilterbetten zu ersetzen. Da das Kraftwerk in Betrieb war, bestand eine zusätzliche Herausforderung darin, die Systeme zu installieren, ohne die Entmineralisierung zu beenden oder die Menge des aufbereiteten Wassers zu reduzieren, während die neue IMS-Anlage in Betrieb genommen wurde. Pall hat empfohlen, das IMS parallel zu den Klärapparaten und Sand/Kiesfiltern zu installieren und die vorhandenen Filterwassertanks wiederzuverwenden. Ein Filterwassertank wurde für die Unterbrechung der MF/RO (Filtrattank) und der andere als Umkehrosmose-Permeatwasserspeichertank (Speisetank der neuen Entmineralisierungslinie) verwendet.

 

Nach Inbetriebnahme des IMS hat das Werkspersonal das Klärapparat-/Sandbettsystem umgangen und das Speisewasser direkt in das MF-System geleitet.

 

Das integrierte System von Pall besteht aus einem Pall Aria™ Mikrofiltrationssystem mit Microza Mikrofiltrationsmodulen. Das System verfügt über zwei unabhängige Aufbereitungslinien mit jeweils 42 Modulen. Dieses System bietet 2 x 100 % Kapazität (jeweils maximal ca. 2.900 l/min [770 gpm]) und ermöglicht eine durchschnittliche Produktion von etwa 5.300 l/min (1400 gpm) bei einem Eingang von etwa 5.800 l/min (1540 gpm) mit einer Rückgewinnung von 95 %, wenn beide Linien in Betrieb sind. Weil das IMS zusätzlich zum bestehenden System installiert wurde, war nur ein begrenzter Raum für das RO-System vorhanden. Deshalb musste das RO-System speziell angefertigt werden, um in den vorhanden Raum zu passen. Das RO-System bestand aus drei Stufen (einzelne Linie) und wurde dazu in einer 16:8:4-Anordnung mit jeweils fünf Membranelementen konfiguriert. Der Volumenstrom in das RO-System betrug etwa 625 gpm. Das System war auf eine Gesamtpermeatproduktion von 500 gpm ausgelegt, die durchschnittliche Kapazität des Kessels.

 

Die Kapazität des RO-Systems war auf einen durchschnittlichen Bedarf an entmineralisiertem Wasser von etwa 1.900 l/min (500 gpm) ausgelegt. Doch bei der chemischen Kesselreinigung oder Leitungsleckagen könnte der Bedarf an entmineralisiertem Wasser bis zu 900 gpm erreichen. Im Falle eines großen Bedarfs wird das RO-Permeat mit dem MF-Filtrat vermischt. Die Entmineralisierungsförderpumpe kann sowohl das MF-Filtrat als auch das RO-Permeat befördern und damit die beiden Ströme mischen, bevor sie in die Entmineralisierungslinien eingespeist werden.

 

Das durchschnittlich erforderliche MF-Filtrat für die RO beträgt etwa 2.400 l/min (625 gpm), und während einer Bedarfsspitze ist ein MF-Filtrat von etwa 3.900 l/min (1.025 gpm) erforderlich, damit die Mischung aus etwa 3.400 l/min (900 gpm) zum Entmineralisierungssystem geleitet werden kann. Flux Maintenance (FM) wird häufig durchgeführt, um den Transmembrandruck der gesamten MF-Membran zu senken. In diesem System werden drei FM-Methoden verwendet.

 

Die erste FM-Methode ist die Luftreinigung/Rückspülung, bei der ungefähr alle 20 Minuten Luft mit geringem Druck in die Zufuhrseite des Moduls eingeleitet wird. Zudem wird sauberes Filtrat in die umgekehrte Richtung durch die Hohlfasern gepumpt, um Fäulnis und Ablagerungen zu lösen. Nach der Luftreinigung/Rückspülung erhöht die MF-Anlage direkt auf den Spitzenvolumenstrom, um den Verlust an gefiltertem Wasser auszugleichen und den konstanten durchschnittlichen Filtrat-Output beizubehalten.

 

Die zweite FM-Methode ist die Enhanced Flux Maintenance (EFM), bei welcher der Transmembrandruck erhöht wird. Das schwankt zwischen einmal am Tag und einmal pro Woche, um mikrobielle Fäulnis zu entfernen, wodurch der Transmembrandruck gesenkt wird. Bei der EFM zirkuliert eine ätzende oder heiße Chlorlösung durch die Zufuhrseite der Membran. Während der EFM ist die MF-Anlage für 30–60 Minuten außer Betrieb.

 

Wenn der Transmembrandruck 25–30 psig erreicht, wird normalerweise ein chemisches Clean In Place (CIP) durchgeführt – die dritte FM-Methode. Das Verfahren besteht aus zwei Schritten, zuerst wird heißes/ätzendes Chlor und dann eine saure Lösung verwendet – danach sind die Module „fast wie neu“. Während der Lebensdauer der Module wird dieses Verfahren mehrere Hundert Male durchgeführt. Ein CIP kann auch in regelmäßigen Abständen als Vorsichtsmaßnahme durchgeführt werden (beispielsweise alle 60 Tage), um die Membran zu schützen, selbst wenn der Transmembrandruck während des Intervalls nicht signifikant steigt.

 

Aufgrund der FM-Anforderungen an das MF-System wurden zwei MF-Anlagen ausgewählt. Weil die durchschnittliche Zufuhrrate der Entmineralisierung 500 gpm (RO-Zufuhr von 625 gpm) beträgt, wurde jede MF-Anlage auf eine durchschnittliche Filtratproduktion von etwa 700 gpm ausgelegt.

 

Ergebnisse

Das Kraftwerk verwendet ein Powdex Kondensataufbereitungssystem (drei Behälter pro Einheit) zum Behandeln des Kondensats. Diese Systeme wurden installiert, um die strengen Anforderungen an das Kesselspeisewasser zu erfüllen, die Zuverlässigkeit der Produktion zu verbessern und die Effizienz des Kraftwerks zu steigern. Vor der Installation des integrierten Systems von Pall wies das Kondensatsystem zu den Kesseln eine erhöhte Leitfähigkeit auf, möglicherweise durch den hohen Gehalt des gesamten organischen Kohlenstoffs. Diese Precoating-Filter wurden sehr häufig vorbeschichtet – einmal pro Tag. Weil die Kosten etwa 850 USD/Precoating betragen, gab das Kraftwerk 1.100 USD/Tag für das Precoating der beiden Aufbereitungsanlagen in den Betriebszeiten und Starts aus.

 

Seit der Inbetriebnahme des integrierten Systems verringerte sich die Häufigkeit der Precoatings von einmal am Tag zu einmal pro Woche. Das Doppelmembran-IMS mit MF und RO hat den Gehalt des gesamten organischen Kohlenstoffs im Kondensat effektiv auf sehr niedrige Mengen reduziert und das hat sich sofort positiv auf die Leistung des Kondensataufbereitungssystems ausgewirkt. Die Precoating-Gesamtkosten sind gesunken und haben zu den beachtlichen Einsparungen von etwa 250.000 USD/Jahr beigetragen. Diese Einsparungen wurden zusätzlich zu den 1,2 Millionen USD/Jahr bei den Chemikalienkosten erreicht, die zuvor beschrieben wurden.

 

Die Kosten des integrierten Systems von Pall betrugen etwa 1,2 Millionen USD. Einsparungen bei Chemikalienkosten durch Installation des Systems: 1,2 Millionen USD/Jahr. Einsparungen durch verbesserte Leistung des Aufbereitungssystems: 250.000 USD/Jahr. Somit betragen die insgesamten Einsparungen des Kraftwerks: 1,2 USD + 0,25 USD = 1,45 Millionen USD/Jahr. Die Investition hat sich in weniger als 10 Monaten des Betriebs amortisiert.

 

Das integrierte System von Pall lieferte erstaunliche direkte Einsparungen bei den Chemikalienkosten und verbesserte die Ionenaustauscher-Laufzeiten. Beachtliche indirekte Einsparungen wurden erreicht, indem die Häufigkeit der Precoatings im Kondensataufbereitungssystem reduziert wurde. Zusätzlich war in diesen Kosten die durchschnittliche Lebensdauer der Precoating-Elemente enthalten. Die Elemente wurden bisher alle zwei Jahre gewechselt, jetzt werden sie wahrscheinlich fünf Jahre lang halten. Es wurde eine innovative technische Lösung für das Problem gefunden, dass die RO-Vorfilter im Sommer verstopft waren.

 

In Zusammenarbeit mit Pall konnte dieses erfolgreiche nordamerikanische Kraftwerk signifikante finanzielle Verluste vermeiden, indem es eine integrierte Lösung für hochreines Wasser eingesetzt hat. Wenn Sie Lösungen für die industrielle Produktion suchen, kontaktieren Sie direkt einen Pall Vertreter.