Är du intresserad?
Kyltorn 

Eliminera biologiska ansamlingar i kyltorn och minska kemikalie-, vatten- och energiförbrukningen

Kyltorn är en relativt ny applikation för ozonbehandling. Därför utforskas fördelarna med tekniken fortfarande av användare inom sektorn. De främsta fördelarna med ozonbehandling istället för traditionell kemikalieanvändning utgörs av de möjliga besparingarna på vatten- och energiförbrukningen. Minskningen och den potentiella elimineringen av kemikalieanvändningen kan också innebära kostnadsbesparingar för användaren.

Det första problemet man ställs inför gällande kyltorn är uppbyggnaden av biologisk tillväxt och mineraler, också kallat "scale". Dessa problem hämmar kyltornens värmeöverföringseffektivitet. Sättet man tidigare löst problemet på är genom användandet av kemikalier som klor och kelateringsmedel. Detta verkar som en adekvat lösning på det initiala problemet men kemikalier leder till andra problem. På grund av förångningen av vattnet i kyltornet, når det kvarvarande vattnet höga kemikalie- och kontamineringskoncentrationer. För att reglera det släpps vattnet ut ur systemet och ersättas av nytt vatten. Det är vattnet som släpps ut som kan vara problematiskt att hantera, med extra kostnader som uppstår.

Ozonbehandling löser det ursprungliga problemet med ett kraftigt minskat antal sekundära kostnader och överväganden. Förutom att vara en kraftfull biocid och döda virus och bakterier, har ozon bevisligen en positiv effekt på avlagringar. Ozon reducerar också mängden vatten som släpps ut från kyltornen, liksom kostnaden per enhet för att hantera vattnet, på grund av sina miljövänliga egenskaper. Dessutom innebär ozonbehandling besparingar av lagerkostnader och reducerad hantering av kemikalier eftersom det produceras på plats. Detta underlättar regelefterlevnad.

Varför ozonbehandling?

Några fördelar med att använda ozon för kyltorn::

  • Ökad verkningsgrad i kylprocessen (vilket minskar energikonsumtionen)
  • Minskade avtappningsflöden (vilket minskar kostnader för påfyllningsvatten och kemikalieavfall )
  • Minskade underhållskostnader. Underhållsarbete och kostnader för ozonsystem är små.
  • Obetydlig uppbyggnad av kemikalier (som desinfektionsmedel och biprodukter)
  • Mycket effektivt desinfektionsmedel
  • Ingen hantering av farliga kemikalier.
  • Låg korrosion.
  • Miljövänlig behandling, vilket underlättar regelefterlevnad.

Ännu fler fördelar för anläggningar som driver sina egna vatten- eller avloppsreningsanläggningar. ellerom vårat sewage treatment facilities:  

  • Minskad energiförbrukning för pumpning av komplementvatten till kyltornet till följd av minskat behov av påfyllningsvatten.
  • Minskade kemikalie-, filter- och underhållskostnader.
  • Minskad energiförbrukning för att pumpa det utsläppta vattnet till avfallsanläggning.
  • Minskad pumpkraft för vattentransportering från vattenbehandling till slutgiltig användningsplats.
  • Minskade tillståndskostnader för utsläpp av behandlat vatten i omgivningen.

Ozonbehandlingens potential

Citat från US Department of Energy Federal Technology Alert om ozonbehandling:

I ett korrekt installerat och fungerande system reduceras antalet bakterier och således minimeras biofilmsuppbyggnad på ytan av värmeväxlare. Reduktionen i energiförbrukning, ökad drifteffektivitet och minskade underhållskostnader erbjuder ekonomiska besparingar och miljömässiga fördelar samt förbättrad regelefterlevnad relaterat till utsläpp av processvatten från kyltornet.

Ozonets verkan

Ozon deaktiverar och dödar effektivt mikroorganismer genom att oxidera dess organiska beståndsdelar och förstöra cellväggarna. Det är en desinfektionsmetod mot vilken mikrober inte kan utveckla immunitet. Till exempel resulterar en koncentration på 0.4 mg/L i 100% avdödande på 2-3 minuter för biofilmsskaparen Pseudomonas fluorescenser.En koncentration på 0.1 mg/L tar bort cirka 80 % av biofilmen på 3 timmar.

Ozonbehandlingen motverkar även problem med förkalkning. Genom att avlägsna biofilm som annars accelererar kalkuppbyggnad kan förkalkningseffekter kraftigt reduceras.

Du kan läsa mer om ozon och vår RENA Vivo här. 

Låga korrosionseffekter

Korrosionseffekter är vanliga farhågor kring ozonanvändning. Men sådana effekter av ozon är väldigt låga, jämfört med klor är effekterna halverade, det är möjligt på grund av den väldigt låga koncentrationen ozon som krävs samt dess korta halveringstid. Dessutom minimerar effektiviteten hos biocider signifikant korrosionseffekter som uppstår på grund av mikrobiologisk aktivitet. Ozonbehandling har också visat sig bilda en passiv film som täcker och skyddar den exponerade ytan.

Fallstudie

Fallstudier visar att typiska totala kostnader för ozoneringssystem som krävs för att behandla en mängd på 1000 ton (3.5 MW) varierar mellan $40,000 och $50,000. I en fallstudie (utförd av USA:s energidepartement) från år 1994 vid en Lockheed Martin-anläggning i Florida kunde ozoneringssystemet installeras på en dag och resulterade till slut i en minskning av avloppsvatten med 90 % och en sparande-till-investering-förhållande (SIR) på 31.2. Dessutom visades det att den fruktade korrosionseffekten av att använda ozon bara var hälften så stor som den som uppstod vid klorbehandling. Jämförelsen av årliga driftskostnader för Lockheed Martin-fabriken visas i tabellen nedan.

Viktiga parametrar att överväga vid ozonbehandling

  • För att maximera livstiden och kapaciteten för ozongeneratorn ska torr, koncentrerad syrgastillförsel tillhandahållas.  
  • Lämplig dosering och kapacitet på ozongeneratorn.
  • Effektiv kylning till ozongeneratorn. Det är också kritiskt för att uppnå lång livslängd och kapacitet hos ozongeneratorn.
  • Svårare implementering när höga COD-nivåer tillförs till vattnet från påfyllnadsvatten eller från lokala luftförhållanden. Det förbrukar huvuddelen av ozonet. Detta är till exempel anledningen till att ozonbehandling är svårare i vissa kemiska och petrokemiska anläggningar där organiskt material från luften tillförs systemet.
  • Då komplementvattnet har en hårdhet på över 150 ppm kalcium kan ett filter behövas. Är hårdheten (CaCO3) över 500 ppm eller sulfathalten över 100 ppm är ozonbehandling inte lämplig.
  • Temperaturen på kylvattnet bör inte överstiga 45 ⁰C för effektiv ozonbehandling. Det beror främst på ozonets låga inlösning i höga temperaturer.
  • Långa rörsystem. På grund av ozonets korta halveringstid på ca 10 – 15 minuter kan flera injektionspunkter krävas i kyltorn större än cirka 400 m3.
  • Använd ozonkompatibla material och övervaka korrosionen (t.ex. med hjälp av korrosionsprover).

Huvudsakliga effekter av föroreningar

Som redan nämnts ovan uppstår i huvudsak fyra typer av problem i kyltornsvattnet, nämligen korrosion, förkalkning, biofilm, och tillväxt av patogener.

De fyra huvudsakliga föroreningseffekterna samt deras respektive behandlingar beskrivs kortfattat i tabellen nedan

Korrosionsproblem Korrosion uppträder i allmänhet i applikationer som kommer i kontakt med vatten på grund av oxidationsreaktioner. Detta leder till struktur- och utrustningsskador som påverkar processens prestanda och livslängd. Tillsats av frätande kemikalier förstärker dessa effekter.
Korrosionsbehandling Korrosion är möjligt att kontrollera men omöjligt att undvika helt. Olika kvalitéer på komplementvatten kräver olika behandling, men mjukt vatten ger en särskilt korrosiv miljö.
Beläggningsproblem Bildning av beläggning och förkalkning leder I huvudsak till två problem, dels strömningsblockering och dels kraftigt minskad värmeöverföringseffektivitet. Ledningsförmågan hos koppar är t.ex. 400 större än hos kalciumkarbonat. Exempelvis minskar ett 1,5 mil eller 0,025 mm skikt av kalciumkarbonat värmeöverföringseffektiviteten med ca 12,5 %.
Beläggningsbehandling Beläggning kan behandlas med olika metoder. Kemikaliebehandling kan adsorbera eller ombilda beläggningsbildande joner till andra ämnen som inte bildar beläggning. Man kan också sänka pH-värdet genom att addera syra som löser upp beläggning eller genom att addera mjukt vatten som mildrar beläggningseffekter.
Biofilmproblem Biofilm visar liknande negativa effekter som beläggning men med ännu lägre ledningsförmåga än beläggning av kalciumkarbonat. Därför är det viktigt att hantera vattenkvalitén med avseende på både mineralinnehåll och mikroorganismer.
Biofilmbehandling Oxiderande och icke-oxiderande biocider (se beskrivning nedan).
Patogenproblem Patogena utbrott i kylvattenkretsar är ett vanligt problem som leder till infektionsrisk i närheten av kylanläggningen. Patogenerna kan transporteras till omgivningen tillsammans med förångningsströmmen. År 2004 rapporterades ett utbrott av Legionella i Pas-de-Calais i Frankrike, där bakterier hittades upp till 6 km från ett kyltorn, som var källan till utbrottet. Utbrottet dödade 21 av 86 personer med laboratoriebekräftad infektion.
Patogenbehandling Oxiderande och icke-oxiderande biocider (se beskrivning nedan).

Biologisk behandling – biocider

Biocidfunktionen är mycket viktig i kyltornssystemet eftersom det kontinuerligt utsätts för luftburet organiskt material och organismer. Biocider för att kontrollera mikrobiologisk tillväxt (för att förhindra både biofilm och patogener) kan delas in i två typer, nämligen oxiderande och icke-oxiderande biocider.

Oxiderande biocider

Generellt har oxiderande biocider bevisats vara effektiva desinfektionsmedel som oxiderar och därmed dödar mikrober vid relativt låg dosering. Vanliga nackdelar med dessa ämnen är att de sänker pH-värdet, ökar korrosionseffekter, samt att dess känslighet för pH-förändringar. Ozon är en oxiderande biocid med obetydliga negativa effekter vid professionell hantering.

Icke-oxiderande biocider

Icke-oxiderande biocider verkar genom att utsätta mikrober för stress och stör dess metabolism, vilket så småningom förstör dem. På grund av detta utvecklar vissa mikroorganismer immunitet mot icke-oxiderande ämnen vilket leder till att en typ av mikrob ersätts av en annan. Därför bör icke-oxiderande biocider användas i kombination med andra icke-oxiderande eller oxiderande ämnen. Därtill kräver icke-oxiderande biocider hög dosering, lång kontakttid och är relativt dyra. Fördelen är dess förmåga att rikta sig mot specifika typer av mikrober och dess icke-korrosiva egenskaper.

Exempel på biocidtyper

I tabellen nedan visas några oxiderande och icke-oxiderande biocider som används eller har använts för att kontrollera mikrobiell tillväxt.

 

Oxiderande biocider Icke-oxiderande biocider
  • Elektrolytiskt brom

 

  • Stabiliserat brom

 

  • Hydantoin

 

  • Klordioxid

 

  • Hypoklorit

 

  • Klor

 

  • Bromid

 

  • Ozon
  • Hydroxymetyl nitro (Trisnitro)

 

  • Metylenbistiocyanat

 

  • Quats (kvartära ammoniumkatjoner) och polyquats

 

  • Quat-bistributyl tenn

 

  • Karbamater

 

  • Isotiazolin

 

  • Glutaraldehyd

 

  • Dibromo nitrilo propionamid (DBNPA)

 

Benzalkoniumklorid, en så kallad "quat".

Langelier saturation index (LSI)

LSI-metoden baseras på kalciumkoncentrationen, konduktiviteten (i TDS), och vattentemperaturen för att bestämma det högsta stabila pH-värdet med avseende på kalcium. Kemisk behandling används sedan för att möjliggöra drift vid högre cykler. Vanligtvis tillåter den kemiska behandlingen en drift vid ca LSI +3 utan signifikanta förkalkningseffekter.

Praktiskt Ozonskalningsindex (POSI)

För att övervaka och kontrollera förkalkningseffekter vid ozonbehandling kan POSI användas. Det är ett index som utvecklades av Pryor och Fischer 1993 och anger den maximala konduktiviteten vid drift för att undvika förkalkning. Det tar hänsyn till den reducerade kalcium-mängden i vattnet till följd av ozonering. Indexet förklaras i nedanstående formel:

POSI exempel

För att förtydliga hur POSI kan användas ges ett exempel på kvaliteten hos ett komplementvatten i tabellen nedan med vilket POSI beräknas:

 

Parameter Värde Enhet
pH 8.4
Konduktivitet 130 µS
Kalcium hårdhet 30 ppm CaCO3
Magnesium hårdhet 10 ppm CaCO3
Natrium 10 ppm Na
Klor 7 ppm Cl
Total alkalinitet 39 ppm CaCO3
Temperatur 13 ⁰C

Detta ger följande resultat:

Med andra ord, när ozonbehandling tillämpas på detta komplementvatten kan den maximala konduktiviteten nå ett värde strax under 3000 µS för att undvika bildandet av avlagringar. Detta möjliggör att processen kan köras med nästan 23 cykler. Ett kemiskt program för samma vattenkvalitet vid tillförsel skulle möjliggöra att processen kan köras med cirka 10 cykler.

Ozondosering och processdesign

I följande avsnitt presenteras några förenklade matematiska samband för uppskatta designen och kapacitetsbehovet hos ozonsystemet. Mängden ozon som krävs baseras på recirkulationshastigheten för kyltornsvattnet. Recirkulationshastigheten kan erhållas från systemvolym och omsättningstid.

Ozonkoncentrationer

Typiska rekommenderade värden på ozonkoncentrationen för olika delar av kyltornet presenteras i tabellen nedan.

 

Cyklar Avtappning (m33/dag) Komplementvatten (m3/dag) Årlig vattenkostnad* Minskning av vattenkostnad (%) Minskning av kemikaliekostnad (%)
1.5 163.53 245.29 $70,956 0 0
3 40.88 122.65 $35,478 50.0 75.0
5 20.44 102.21 $29,565 58.3 87.5
8 11.68 93.45 $27,031 61.9 92.8
10 9.08 90.85 $26,280 62.9 94.4

Ozonering

En ozondosering på motsvarande 0.2 ppm i relation till totala cirkulationsflödet kan tillföras i ett sidoflöde. Inlösningsmetoden har en inlösningsgrad på ca 90 % men här används ett värde på 80 % för extra marginal. I övrigt räknas också en viss effektivitetsminskning in över tid.

För att återigen få extra marginal används ett effektivitetsminskningsvärde på 10 % över två års tid. För att uppskatta ozonproduktionskapaciteten, “ṁO3”, kan sedan följande samband användas.

Detta medför att en systemvolym på 500 m3 och omsättningsperiod på 30 min har ett behov av ett ozonsystem med en kapacitet på ca 280 g/h. Notera att doseringsbehovet måste justeras med hänsyn till viktiga faktorer som vattnets temperatur och kvalité för optimal effektivitet. Dessutom bör ozondoseringen inte överstiga 10 g/m3 komplementvatten.

Mäta och reglera ozonbehov

ORP-mätningar bör göras kontinuerligt för att säkerställa tillräcklig ozondosering i systemet. Observera att ORP-sensorer är känsliga för nedsmutsning av t.ex. kalciumkarbonatnivåer. Rengöring är dock enkel, om än nödvändig. På så sätt säkerställs en tillräcklig ozonmängd, vilket leder till energibesparingar och eliminering av korrosiva effekter från för mycket ozon.

Ozonkompatibla material

Nedan listas några vanliga material som är lämpliga i ozoneringsprocesser:

 

Rör: 316 Rostfritt stål
Teflon/PTFE
Kynar/PVDF
Behållare/tankar: 316 rostfritt stål
Packningar: Teflon/PTFE
FPM/Viton

Ozonkompatibla kemikalier

Beroende på vattenkvalitet och typ av process kan det vara fördelaktigt att använda sig av kemikalier i kombination med ozonbehandling i viss utsträckning. Det är i dessa fall viktigt att utvärdera vilka kemikalier som kan bibehålla sin funktion och stabilitet i kombination med ozon. Nedan listas ett antal sådana kemikalier:

  • PBTC, motverkar korrosion och förkalkning.
  • Molybdat, motverkar korrosion vid användning av mjukt vatten.
  • Silikat, motverkar korrosion vid kalciumkoncentrationer under 200 ppm.
  • TTA/BTA, skydd för koppar- och mässinglegeringar.
  • Zinkbaserade kemikalier, motverkar korrosion.