Ketelvoedingswater - Algemeen

Ketelvoedingswater en de voedingswaterreiniging

Het water dat in aanmerking komt voor de stoomvorming in de stoomketel moet zo rein mogelijk zijn.
De ketelwanden mogen bij het verhitten van het water niet aankoeken. Een korst aan de waterzijde op de binnenwanden van de ketel is heel onvoordelig voor de warmteoverdracht aan het ketelwater. Chemisch gezien zou het ketelwater daarom zo elementair mogelijk moeten zijn. Eigenlijk voldoet alleen gedestilleerd water aan deze eis, maar dat kunnen we in de natuur niet vinden.

Voedingswater

Voor het voeden van stoomketels komen verschillende natuurlijke watersoorten in aanmerking.

Regenwater

• Het zuiverste water in de natuur is regenwater.
• Regenwater is water dat de natuurlijke weg door de atmosfeer heeft afgelegd en is opgevangen in een reservoir. Als het regenwater zorgvuldig is opgevangen, bevat het uitsluitend bestanddelen uit de lucht. De zuurstof en vrij koolzuur kunnen daarentegen wel al last veroorzaken in het stoombedrijf.
• Helaas kan men het regenwater niet in voldoende hoeveelheden verzamelen om dagelijks grote stoomketels te kunnen vullen en tijdens het stoombedrijf van water te blijven voorzien. Zelfs in het geval van het Nederlandse zeeklimaat, waarbij sprake is van zachte regenrijke winters en gematigde koele zomers, kan het rechtstreeks opvangen van regenwater uit de lucht niet aan de vraag voldoen.
  Er blijft ons dus niets anders over dan voor het vullen van de stoomketels naar andere waterbronnen en -voorraden om te zien.

Oppervlaktewater

Oppervlaktewater uit rivieren, meren, kanalen en vaarten.
Dit water betreft, naast door rivieren aangevoerd water, meestal ook regenwater dat via de oppervlakte in greppels, sloten, vaarten, kanalen in meren en boezems wordt bijeengebracht. Dit water heeft bovendien in bepaalde gevallen ook nog een betrekkelijk korte weg door de aardbodem afgelegd.
Het oppervlaktewater is meestal verontreinigd door onopgeloste bestanddelen, die er in min of meer fijne toestand in voorkomen en van anorganische of organische oorsprong zijn. Ook bevat het oppervlaktewater colloïdaal opgeloste stoffen, die zo fijn verdeeld zijn, dat ze door filtratie niet verwijderd kunnen worden.
Het neemt door het transport uit de bodem bestanddelen in zich op als: zuurstof, stikstof, koolzuur, magnesiumchloride, gips, koolzure kalk, koolzure magnesia, kiezelzuur, koolzure ijzeroxyde, salpeterzuur en vetzuren.
Van deze stoffen zijn vooral de zuurstof en de zuren schadelijk voor de ketelwanden die erdoor worden aangetast. Ook de chlorideverbindingen kunnen gevaarlijke schade aanbrengen als ze in de ketel ontleed worden en dan zoutzuur kunnen vormen.
De vorming van ketelsteen vindt vooral plaats uit de dubbelkoolzure kalk, gips en koolzure magnesia.

De zouten zijn op zichzelf minder schadelijk, maar ze moeten wel zo nu en dan worden afgevoerd door ze uit de ketel te spuien (via de spuileiding onder in de ketelwandwand aangebracht)

Grondwater

Grondwater is als regenwater in de bodem gedrongen en dat dieper in de aardbodem voldoende tijd heeft gekregen om uit de bodem verschillende bestanddelen en stoffen op te lossen en op te nemen.
Grondwater bevat weinig of geen zuurstof, omdat dit bij de afbraakprocessen in de bodem door de organische stoffen wordt verbruikt. Het bij deze processen gevormde koolzuur gas wordt door het water opgelost, waardoor het min of meer zuur wordt en bij het lange doordringsproces volop de gelegenheid krijgt om de bestanddelen uit de bodem op te nemen.

Omdat oppervlaktewater en in sommige gevallen ook wel grondwater in Nederland in ruime hoeveelheden voorhanden zijn, worden de stoomketels in het stoombedrijf bijna altijd gevuld met deze watersoorten. De hierin opgenomen bestanddelen hebben wel gevolgen voor de behandeling van dit water, voordat ze als ketelvoedingswater kunnen worden gebruikt.

Behandeling van het oppervlakte- en grondwater ter voorbereiding voor het stoombedrijf

In het begin vormt zich alleen maar een laag slib in de ketel, maar naarmate de verdamping doorgaat zal zich al spoedig een laag ketelsteen vormen, die zolang er geen gips aanwezig is, eerst nog redelijk zacht zal blijven. Als er echter gips afgescheiden wordt, dan zal dit de ketelsteen geleidelijk hard maken.
Deze hardgeworden ketelsteen is voor het stoombedrijf heel onvoordelig, omdat de warmteoverdracht al snel veel slechter wordt. Als de laag ketelsteen 1 mm dik wordt neemt het brandstofverbruik ca. 10 %, bij 10 mm ca, 100 % toe.

Als de laag ketelsteen te dik wordt zal er tenslotte helemaal geen warmteoverdracht meer plaats kunnen vinden, het ketelwater wordt niet meer verhit en stoomvorming blijft uit! Bovendien wordt, andersom gezien, de ketelwand niet meer door het water afgekoeld en dan zal de ketelplaat zo sterk verhit worden dat die uiteindelijk door de stoomdruk gaat scheuren en een ketelexplosie kan volgen.

Hardheid

Om de hoedanigheid van het water te kunnen normeren spreekt men van hard en zacht water. Daarvoor heeft men een schaal van hardheidsgraden vastgesteld.
Men onderscheidt hierbij Duitse, Franse en Engelse harheidsgraden.

• 1 Duitse harheidsgraad komt overeen met 1 deel calciumoxyde (CaO) op 100.000 delen water
• 1 Franse hardheidsgraad komt overeen met 1 deel koolzure kalk (CaCO3) op 100.0000 delen water
• 1 Engelse hardheidsgraad komt overeen met 1 deel koolzure kalk (CaCO3) op 70.000 delen water

Als men rekent met de scheikundige verbindingsgewichten, bevat 1m3 water met 1 Duitse hardheidsgraad dan: 10 gr calciumoxyde (CaO), 17,9 g koolzure kalk (CaCO3), 7,15 g magnesiumoxyde (MgO), 24,5 g gips (CaSO4) en 15 g koolzure magnesia (MgCO3),
waaruit we kunnen afleiden dat 1 Duitse hardheidsgraad = 1,79 Franse = 1,25 Engelse hardheidsgraden.

Door middel van een zeepoplossing kan men in zekere zin bepalen, of het water hard is. Een zeepoplossing schuimt namelijk niet in hard water en wordt door de magnesia- en kalkzouten ontleed. Pas als alle kalk- en magnesiazouten door de zeep zijn gebonden, zal die beginnen te schuimen.
Hoe meer zeep men hiervoor nodig heeft, hoe harder het water is.

Het is goed om het water, dat voor de ketelvoeding gebruikt gaat worden, eerst scheikundig te gaan onderzoeken, omdat de maximum toegestane hardheid afhankelijk is van de soort ketel in de stoominstallatie.
Zo moet men het water bij vuurhaard-ketels gaan reinigen, als het water meer dan 6 a 7 hardheidsgraden bezit.
Bij waterpijpketels (bij voorbeeld Babcock en Wilcoxketels) kan men zelfs een veel kleinere hardheid toestaan.

Reiniging van ketelvoedingswater

De reiniging van het voedingswater kan op verschillende manieren gebeuren:

• mechanische reiniging
• reiniging door verwarming
• scheikundige reiniging, die nog onderverdeeld kan worden in:
  • reiniging met soda
  • reiniging met gebluste kalk, etsnatron en koolzure baryt
  • reiniging door middel van de permutiet-methode
• thermisch-chemische reiniging
• verdamping
• het gebruik van condensatiewater voor het voedingswater

De mechanische reiniging

De stoffen, die zwaarder dan water zijn bezinken als het water een tijdje stilstaat. De stoffen die echter in fijnverdeelde toestand in het water zitten, bezinken niet zo gemakkelijk. Het water moet eerst door een filter geleid worden. Het filtermateriaal moet niet te grofkorrelig zijn, men gebruikt hiervoor vaak kiezel of cokes. Het water moet eerst door het grove materiaal gevoerd worden en dan door het fijn korrelige materiaal.

Als voorbeeld wordt hier het toestel van de firma Reisert (Keulen) getoond.

figuur 170, pag 186 uit Imelman

Het te reinigen water komt door de leiding A binnen, stroomt door de kiezelmassa F en vloeit door B gereinigd uit het toestel.
In het bedrijf zijn alleen de buizen A en B geopend, alle andere blijven gesloten.
Om het toestel schoon te maken, wordt A gesloten en vervolgens laat men water door B in R stromen, zodat het door F naar buiten stroomt (bij S). Dan wordt ook het straaltoestel D in werking gebracht, zodat het door de geopende kraan C de lucht beneden het filtermateriaal van de slib reinigt, die dan met het water wegvloeit. Het kraantje k moet daarbij geopend zijn, opdat de lucht ontwijken kan.

Het is duidelijk dat deze reinigingsvorm alleen toegepast kan worden als scheikundige reiniging niet nodig wordt geacht. Men kan ook mechanische en scheikundige reiniging combineren.

Reiniging door verwarming Reiniging door verwarming berust op een eenvoudig principe. Bij normale temperatuur zijn koolzure kalk, koolzure magnesia en gips in het water opgelost. Deze ketelsteenvormende stoffen worden bij temperaturen hoger dan 145 gr. C. uit het water afgescheiden.
Als men het water dus verwarmd tot boven deze temperatuur voordat het in de ketel komt voor de stoomvorming en zodoende dus pas later met de ketelwanden in aanraking komt, zal er nog maar heel weinig afzetting plaatsvinden.
Hiervoor zijn verschillende toestellen uitgedacht. Als voorbeeld tonen we hier enige toepassingen.

Figuur 171 a pag 186 Imelman Figuur 171 b pag 186 Imelman Figuur 172 pag 187

Het toestel van de Fig. 171a wordt boven in de ketel in de stoomruimte aangebracht. Op het toestel slaan lucht, gassen en vaste stoffen uit het voedingswater neer. Lucht en gassen worden direct met de stoom weggeleid, zodat het aantasten van de ketelwanden door deze gassen niet meer mogelijk is. Het water stroomt vanaf de top van de tafels over de tafeletages via de openingen.
Het toestel is van een plaatijzeren kap voorzien, waardoor het slib niet in de ketel terecht komt. Het water komt door bemiddeling van de kap bovendien met de stoom in aanraking en wordt zo ook verwarmd.
Het weke slib kan dagelijks door het openen van de spuikraan (Fig. 171b) uit het toestel worden verwijderd. Dan blijft nog wel de hardere massa op de tafels liggen, maar ook deze nog zachte massa kan gemakkelijk worden verwijderd. Als verbetering kan dit toestel ook in een aparte ketel buiten de stoomketel worden ondergebracht, zodat het water al gereinigd en voorverwarmd in de stoomketel stroomt. Op die wijze kan het toestel ook veel groter worden uitgevoerd. Deze reiniging door verwarming kan een stoomketel gemakkelijk een jaar in bedrijf houden, zonder dat hij inwendig moet worden geschoond.

In Fig. 172 zien we de ketelwatercirculator van Hotchkiss. De trechter D is op waterspiegelhoogte aangebracht en door pijp F met de kogel E, die op de ketel gemonteerd is, is verbonden. De watercirculatie gaat door F, E en C. Het slib wordt via B periodiek afgevoerd. (bij slecht water 1x per uur, bij beter water 2x per uur). Het luchtkraantje l wordt bij het opstoken open gezet, en gesloten als het water eruit stroomt, waardoor het toestel in bedrijf is gekomen.

Economiser Een aandachtspunt is het feit dat het op bovenomschreven wijze gereinigde voedingswater als het nog ter voorwarming door een economiser stroomt, niet alleen de economiser vrij zal houden van ketelsteenvorming, maar er ook voor zal zorgen dat eventueel ketelsteen uit de economiser oplost. Als men dus een reinigingsinstallatie plaatst bij een ketelinstallatie, die al eerder met een economiser is ingericht, dan moet men er rekening mee houden dat de opgeloste ketelsteen uit de economiser gemakkelijk tot verstoppingen kan leiden.

Scheikundige reiniging Alle scheikundige waterreinigingsmiddelen zorgen ervoor dat de toegevoegde stoffen zich met de ketelsteenvormers chemisch verbinden, zodat die laatste dan van het voedingswater worden afgescheiden.
De ketelsteenvormers zijn:

Koolzure kalk (uit dubbelkoolzure kalk) (CaCO3) laat zich uitscheiden door -1. gebluste kalk [Ca(OH)2] -2. soda (Na2CO3) -3. natronloog (N)

Zwavelzure kalk laat zich uitscheiden door -1. alleen door soda, volkomen en alleen bij hoge verhitting

Koolzure magnesia laat zich uitscheiden door -1. gebluste kalk bij verhitting -2. natronloog

De te gebruiken chemicaliën zijn dus vooral gebluste kalk, soda en natronloog.
de soort en hoeveelheid van deze chemicaliën kunnen dus slechts op grond van scheikundig onderzoek worden bepaald. Als er in het voedingswater hoofdzakelijk zwavelzure kalk aanwezig is, zal men soda gebruiken, terwijl bij veel dubbelkoolzure kalk goedkope kalk en bij een combinatie van dubbelkoolzure kalk, gips en magnesium eerder natronloog met soda wordt toegepast.

Reiniging met soda Reiniging met soda wordt toegepast in kleinere ketels en bij niet te hard voedingswater. De soda wordt samen met het water in de ketel geperst (bij grotere ketelinstallaties wordt het water al gereinigd nog voordat het in de ketel komt).
Fig. 173

In Fig. 173 zien we het toestel van Dervaux.
De soda wordt uit L in de voedingsleiding gebracht, terwijl het water door B en S in de ketel wordt geperst. De cilinder D, op de ketel aangebracht, is met de ketel verbonden door buis V, die om zich heen een stoommantel U heeft. Ook de buis R is verbonden met de ketel, zonder stoommantel.
Omdat buis V veel warmer wordt dan R zal het water hierin stijgen en gereinigd door R in de ketel terugstromen. Bij het terugstromen zal het water eerst de weg door de trechters G volgen, zodat het slib hier kan bezinken om af en toe door N weggespuid te worden.
Men moet ervoor oppassen dat er niet te veel soda in de ketel komt, omdat het water dan kan opkoken en men natte stoom kan krijgen, terwijl dan ook de ketel en appendages worden aangetast. Het beste is om de reiniging met soda al te laten plaatsvinden in een verbonden toestel vóór de ketel. In het toestel wordt dan de soda met het voedingswater vermengd om het chemisch gereinigde voedingswater met een hoge temperatuur in de ketel te brengen, wat men met de afgewerkte stoom voor elkaar kan brengen.

Foto reactievat bij Halbertsma!

Reiniging met kalk en soda Het meest gebruikte toestel is ook hier een toestel van Dervaux, vaak geleverd door de firma Reisert.
Fig. 174
De gebruikte chemicaliën zijn hier soda en kalk.
Het voedingswater, dat gereinigd moet worden, komt via buis H in het reservoir R en vervolgens door de kraan P in E, waar het met de chemicaliën samnkomt en met deze in het reservoir D stroomt. Hierin worden de ketelsteenvormende stoffen afgescheiden.
Het slib verzamelt zich onderin het reservoir D, waaruit het periodiek met kraan O wordt afgetapt.
Het kalkwater (kalkmelk) wordt voorbereid in I, dat door K in t stroomt. Vanuit r stroomt tegelijkertijd het te reinigen water door V in t. Door de buis b komt het mengsel in het reservoir S, waarin het water met kalk verzadigd wordt. Het kalkwater stijgt dan langzaam op waarbij de snelheid van het water steeds afneemt vanwege de groter wordende doorsnede. Daardoor bezinken de kalkdeeltjes in S. Het kalkwater loop over door U in E.
De soda wordt in c opgelost, komt daaruit in B, waarin de vloeistofspiegel door een vlotter op gelijke hoogte gehouden wordt en komt dan door het buisje n in E, waar het met het te reinigen water uit P en het kalkwater uit U samenkomt.
Als door buis H minder water wordt toegelaten, dan daalt de waterspiegel in R, ook zal het wegvloeien door P en V afnemen, de vlotter in R zal dalen, waarmee het buisje N door middel van ketting Q verbonden is en zodoende zal het toevloeien van sodawater ook afnemen.

Reiniging door middel van permutiet Permutiet is een aluminiumsilicaat, verkregen door samensmelten van veldspaat, kaoline, klei, zand en soda door latere reiniging met heet water.
Het te reinigen voedingswater wordt in bakken door een dikke laag permutiet gefiltreerd, waarbij natrium van het permutiet zich met calcium en magnesium van het water verbindt.
Deze reiniging is heel eenvoudig, maar niet zo goedkoop. Als de werking afneemt moet het permutiet met chloornatrium (keukenzout) geregenereerd worden. Bij het later ontwikkelde neo-permutiet gaat de regeneratie sneller.

Thermisch-chemische reiniging Dit procédé wordt voornamelijk toegepast bij waterpijp-ketelsystemen die als hoge-drukketels fungeren. Hier is het belangrijk om naast verregaande chemische ontharding ook ketelcorrosie als gevolg van inwerking van zuurstof en koolzuur te voorkomen. Ook het kiezelzuurgehalte wordt gecontroleerd. Voedingswater dat kiezelzuur, humus, hoog chloor- en zoutgehalte bezit, bedoeld voor ketels met een druk boven 20 atmosfeer reinigt men niet graag langs chemische weg.

Reiniging door verdamping
Fig. 180 a, b, c. Pag 195 Imelman
-a. de stoominlaat -b. de condensatiewateruitlaat -c. damp van het te reinigen water -d. desillaatuitlaat -e. koelwaterinlaat -f. koelwateruitlaat

Bij stoomkrachtinstallaties voor hoge druk is steen- en gasvrij voedingswater een absolute vereiste. Dat is alleen voor elkkaar te krijgen als men het voedingswater verdampt, voordat het met het condensatiewater wordt vermengd. Bij moderne turbine-installaties is suppletie nodig met ca. 5% van de totale omlopende hoeveelheid.
Hiervoor worden verdampers gebruikt: de stoom gaat door pijpen en het te reinigen water gaat om de pijpen. Het verdapmte water wordt omgekeerd door pijpen geleid met daaromheen de koelwaterpijpen. Op deze wijze is er gedestilleerd water beschikbaar. De verdampers kunnen worden uitgevoerd als één-,twee- en meervoudig getrapte systemen. De slib wordt uit de verdampers afgevoerd (gespuid)

Condensatiewater als voedingswater Wanneer het condensatiewater vrij van olie is (bij stoomturbines), zal dit het beste voedingswater vormen. Bij stoommachines zal er door smering altijd olie in het condensaat zitten en dus zal de olie eerst van het water moeten worden afgescheiden. Het water simpelweg van de stoom gaan scheiden door het toepassen van een reservoir met houtwol of met een spons is niet altijd voldoende, om de ketelwanden te beschermen voor intering. In het Woudagemaal past men nog aanvullende methoden toe: men laat in de compartimenten van de olieafscheider de olie eerst opdrijven, en verwijderd de olie vervolgens door oprdijving. Door het vervolgens toevoegen van aluminium-sulfaat aan het afgeroomde condensaat, vlokken de laatste olieresten uit en deze vormrn in het doeken-persfilter een geschikt substraat, dat als eindfilter dient voor het condensatiewater. Daarna is het water geschikt om als voedingswater te dienen en zodoende te worden hergebruikt.

Bronnen: samenvattingen uit:
Stoom, uitgave: Krachtwerktuigen Amersfoort/Groningen, 1929 en 1942
Het Stoombedrijf, deel I, Nanno A. Imelman, Ae. E. Kluwer, Deventer 1932