Ionenaustauscherharze in der Energieerzeugung
Wasser-Dampf-Kreisläufe stellen das Herzstück aller thermischen Kraftwerke dar, die Elektrizität aus fossilen oder auch Kernbrennstoffen erzeugen. Wasser bzw. Wasserdampf dienen dabei als Energieüberträger und Kühlmedium.
Lewatit® Ionenaustauscherharze tragen weltweit dazu bei, über Jahre hinweg einen effizienten, sicheren und zuverlässigen Betrieb dieser Kraftwerke zu gewährleisten. So werden sie maßgeblich zur Demineralisierung des Kühl- und Kesselspeisewassers und zur Kondensatreinigung (condensate polishing) in den Wasser-Dampf-Kreisläufen eingesetzt. Nur so lassen sich Verkrustungen vermeiden, was dauerhaft einen optimalen Wärmeübergang sicherstellt. Zudem kann so Korrosion wirksam vermindert oder vermieden werden. Zusammen mit der hohen Regenerierfähigkeit der Harze gewährleistet dies einen lang dauernden, ökonomischen Betrieb der Kraftwerke.
In Kernkraftwerken sind Ionenaustauscher außerdem wichtige Komponenten des „Chemical and Volume Control System“ (CVCS), das Wassermengen und gelöste Inhaltsstoffe der Kühlkreisläufe steuert und überwacht. Mit Hilfe selektiver Ionenaustauscher lassen sich sowohl radioaktive als auch nicht radioaktive Ionen aus dem Prozesswasser und dem Abwasserstrom entfernen. Auch das Wasser in den Abklingbecken für verbrauchte Brennelemente wird zur Aufbereitung über Ionenaustauscher geleitet.
Für alle diese und weitere Anwendungen bietet LANXESS ein umfangreiches Sortiment von Ionenaustauschern, welche jeweils speziell auf die Anwendung zugeschnittenen sind.
Unsere Auslegungssoftware LewaPlus® ist in der Lage, verschiedene Kombinationen von Ionenaustauscherharzen und Austauschstufen maßgeschneidert abzubilden und hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu analysieren. Damit erhält der Anwender ein Höchstmaß an Sicherheit, die optimale Aufbereitungslösung für das jeweilige Speisewasser und die jeweils benötigte Prozesswasserqualität zu erhalten.
Wasser ist aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität ein sehr guter Wärmeüberträger. Wasserdampf ist ein leistungsfähiger Energieträger. Diese Eigenschaften werden in zahlreichen industriellen Prozessen in Wasser-Dampf-Kreisläufen genutzt. Je nach Qualität des in solchen Kreisläufen eingesetzten Speisewassers kann dafür eine vorherige Entsalzung oder Enthärtung erforderlich sein.
Dampfkesselhersteller geben detaillierte Spezifikationen für Speisewasser in Anlehnung an die VGB-Richtlinien an (z. B. max. elektr. Leitfähigkeit; Gehalt an Kieselsäure, Natrium und organischen Verbindungen), um eine optimalen Betrieb zu gewährleisten. Zwangsdurchlaufkessel etwa, die unter hohem Druck von bis zu 290 bar und bei Heißdampftemperaturen von 600 °C arbeiten, benötigen sehr reines, entsalztes Wasser. Nur so können Korrosion, Verschmutzung und Ablagerungen bzw. eine Beschädigung z. B. von Turbinen vermieden werden.
Übliche Quellen für Speisewasser sind Brunnen- oder Oberflächenwasser, wiederverwendetes Abwasser und Meerwasser. Diese Vielfalt macht deutlich, dass auch die Aufbereitungsschritte individuell konfiguriert werden müssen. Dafür eignet sich unsere Auslegungssoftware LewaPlus®.
Im Zuge der Erzeugung von Kesselspeisewasser gilt es auch, gelösten organischen Kohlenstoff (total organic carbon, TOC) mit Hilfe von Ionenaustauschern zu reduzieren. Dies ist erforderlich, um der Bildung von Kohlendioxid oder organischen Säuren und damit zum Beispiel einer Absenkung des pH-Werts im Kondensatkreislauf entgegenzuwirken, was andernfalls Korrosion begünstigen würde.
Je nach Art der organischen Verunreinigungen im Rohwasser bieten sich dafür unterschiedliche Vorgehensweisen an. Gleiches gilt für die Reinigung der eingesetzten Ionenaustauscher. Speziell optimierte Harze zeichnen sich durch eine sehr geringe TOC-Abgabe aus, tragen also selbst nur minimal zum TOC-Aufkommen bei.
Das Kesselspeisewasser wird im Wasser-Dampf-Kreislauf in den meisten Fällen mit Ammoniak konditioniert, um so ein alkalisches Milieu zu schaffen, was dem Korrosionsschutz dient. Trotzdem werden im Betrieb in einem Wasser-Dampf-Kreislauf Verunreinigungen erzeugt, welche zum größten Teil in Form von Ionen in das Kondensat gelangen.
Auch können selbst minimale Kühlwasser-Leckagen das Eindringen von anorganischen Salzen sowie organischen Verbindungen ermöglichen, die dann unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen im Kessel das Korrosionsrisiko erhöhen oder zur Schaumbildung führen. Um die Wiederverwendung des Kondensats als Kesselspeisewasser zu gewährleisten, ist daher in vielen Fällen eine Reinigung mit Ionenaustauschern sinnvoll bzw. notwendig.
Die Ionenaustauscherharze der Reihe Lewatit® KR zeichnen sich durch besonders hohen Umladegrad aus und besitzen eine besonders gute mechanische, chemische und osmotische Stabilität. Ihre Monodispersität bei sehr niedrigem Feinkornanteil schafft die Voraussetzung für sehr geringe Druckverluste im Vergleich zu heterodispersen Standard-lonenaustauschern.
Beim Einsatz in radioaktiven Wasserkreisläufen erfüllen sie eine Vielzahl von Aufgaben und erzeugen eine Wasserqualität, die alle Anforderung der Kernkraftindustrie erfüllen kann. Aufgrund ihrer herausragenden hydraulischen Eigenschaften erlauben diese Harze besonders hohe Fließgeschwindigkeiten.
In Kernkraftwerken sind Ionenaustauscher wichtige Komponenten des „Chemical and Volume Control System“ (CVCS). Das CVCS steuert unter anderem den Borsäuregehalt im Wasser des Primärkreislaufs. Da 10B ein hoch wirksamer Neutronenabsorber ist, wirkt sich seine Konzentration unmittelbar auf die Reaktorleistung aus.
Hochreine Ionenaustauscher-Mischbetten, die teilweise mit 7Li vorbeladene Kationenaustauscher enthalten, dienen als Reinigungsfilter. Zusammen mit parallel geschalteten, anfänglich Li-freien Abreicherungsfiltern, die das im Reaktorprozess aus Bor durch Neutroneneinfang zusätzlich entstandene 7Li aufnehmen (koordinierte B-Li-Fahrweise), sorgen sie für eine weitgehend konstante Konzentration des Lithiumhydroxids, das als Alkalisierungsagens wirkt.
