Navigation

Kyltorn

ozon i kyltorn

Kyltorn har länge använts som kylapplikation pga. en hög verkningsgrad och kostnadseffektivitet. Användandet av vatten som kylmedel kan dock leda till problem allteftersom halten föroreningar i vattnet ökar. Detta leder bland annat till förkalkning, korrosion, uppbyggnad av biofilm, samt tillväxt av patogener som t.ex. Legionella. Dessa problem leder till ökade kostnader pga. minskad verkningsgrad, förslitning av utrustningen, samt hälso- och miljörisker.

Traditionellt sett har man använt sig av olika sammansättningar av kemikalier för att behandla vattnet och motverka ovan nämnda problem. Det handlar dels om att deaktivera biologisk tillväxt och dels att minska förkalkning- och korrosionsproblem. Ozon har emellertid visats kunna utgöra ett slagkraftigt alternativ med både ekonomiska och effektivitetsvinster som följd.

Det ozonbehandling tillför processen är att lösa det ursprungliga problemet och avsevärt minska de sekundära kostnaderna och problemen. Ozon är en kraftfull biocid, som dödar virus och eliminerar bakterier samt har visat sig ha en positiv effekt på avlagringar. Det minskar också mängden och kostnaden av vatten som blöds ut avsevärt tack vare ozonets specifika egenskaper. Till detta tillkommer den besparing som beror att man inte har något behov av att hantera kemiska ämnen då ozonet produceras på plats. Detta gör det betydligt enklare att följa lagstiftningens krav.

Nya fördelar och möjligheter med ozontekniken upptäcks hela tiden och huvudfördelarna ligger i besparingar av vatten, kemikalier, energibesparingar, samt ökad miljövänlighet.

Varför ozonbehandling?

Genom att implementera ozonteknik i kyltorn kan följande positiva effekter uppnås:

  • Ökad verkningsgrad i kylprocessen (vilket minskar energikonsumtionen)
  • Minskade utsläpp av kylmedia (vilket minskar utsläppskostnader samt kostnader för komplementvatten)
  • Minskade underhållskostnader till följd av kontaminering av systemet. Dessutom är kostnaderna för ozonsystemets kontinuerliga underhållsarbete låga. 
  • Obetydlig uppbyggnad av kemikalier (som desinfektionsmedel och dess biprodukter)
  • Mycket effektiv desinfektion
  • Ingen hantering av hälsovådliga kemikalier
  • Låg korrosion
  • Miljövänlig behandling, vilket underlättar efterlevnad av regler gällande miljöpåverkan

Nedan visas även några konkreta fördelar med ozoneringsteknik för anläggningar med eget reningsverk:

  • Minskad energianvändning för pumpning av komplementvatten till kyltornet. 
  • Minskad energianvändning för pumpning av avtappningsvatten till reningsverket. 
  • Minskad energianvändning för pumpning av vatten från reningsverket. 
  • Minskade utsläppskostnader för avtappningsvatten
  • Minskade kostnader för kemikalier, filtrering, samt underhåll. 

En annan stor fördel med ozonbehandling är det faktum att det inte sker någon uppbyggnad av desinfektionsmedel eller dess biprodukter. Detta är pga. ozonmolekylens korta halveringstid och att ozonet kontinuerligt återbildas till syrgas. 

Potentialen med ozonbehandling

Ozon är ett mycket kraftfullt oxidationsmedel och produceras in-situ. Det möjliggör därför en reduktion eller elimination av användandet av miljö- och hälsovådliga kemiska behandlingsmetoder. Det underlättar även efterlevnad av lagstiftning gällande hälsa- och miljöskydd.

Ozonbehandling kan öka kyltornets verkningsgrad avsevärt genom att möjliggöra drift vid högre koncentrationscykler vilket även ger driftkostnadsbesparingar, energibesparingar, samt minskade utsläpp (se "Fallstudie" nedan).

Följande citat är hämtat från en utredning genomförd av U.S. Department of Energy:

In a properly installed and operating system, bacterial counts are reduced, with subsequent minimization of biofilm buildup on heat exchanger surfaces. The reduction in energy demand, the increased operating efficiency, and the reduced maintenance effort provide cost savings as well as environmental benefits and improved regulatory compliance with respect to discharge of wastewater from blowdown. 

Ozonets verkan

Ozon deaktiverar och dödar mikroorganismer på ett effektivt sätt genom att oxidera deras organiska beståndsdelar och bryta ned cellväggar. Det är därför en desinfektionsmetod som mikroberna inte kan utveckla resistans mot till skillnad från vissa andra biocider. Exempelvis leder en koncentration på 0.4 mg/L till 100 % avdödning inom 2 – 3 minuter för Pseudomonas fluorescens vilken är en känd orsak till biofilmproblem. En koncentration på 0.1 mg/L avlägsnar ca 80 % av biofilmen inom 3 timmar.

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

Ozonmolekyl

Ozonmolekylen

Låga korrosionseffekter

Farhågor rörande korrosionsproblem är vanligt förekommande i samband med användandet av ozon. I själva verket blir korrosionseffekterna av ozon små (till och med hälften av korrosionseffekterna från kloranvändning). Dessutom minimeras korrosionseffekter som orsakas av biologisk tillväxt. Vidare har ozonbehandling en något pH-höjande effekt vilket ökar skyddet mot korrosion. 

Fallstudie

Fallstudier har visat att typiska nyckelfärdiga ozonanläggningar för att behandla kyltorn med kapaciteter på 3.5 MW kostar mellan 300000 och 400000 kronor. En fallstudie gjord av U.S. Department of Energy 1994 vid en anläggning för Lockheed Martin i Florida visade en 90 % reduktion av avtappningsvatten och förhållande mellan besparing och investering på 31.2. Dessutom visade studien att korrosionseffekterna kunde halveras jämfört med klorbehandling. En jämförelse mellan de årliga kostnaderna för de olika behandlingsmetoderna visas nedan i tabellen. 

Kostnadspost

Kemisk behandling

Ozonbehandling

Elektrisk driftkostnad

$0

$2,592

Kemikalier

$18,613

$0

Manuellt arbete

$9,360

$2,808

Hantering av avtappningsvatten

$45,360

$4,536

Klorgas

$6,120

$0

Elkostnad

$118,715

$47,479

Totalkostnad/år

$198,168

$57,415


Kostnadsjämförelse mellan traditionell kemisk behandling och ozonbehandling för Lockheed Martin studien

Kostnadsjämförelse mellan traditionell kemisk behandling och ozonbehandling för Lockheed Martin studien

Viktiga parametrar vid ozonbehandling

Följande aspekter är viktiga att beakta när man utformar, installerar, och använder ozonteknik för behandling av kyltornsvatten:

  • Förbehandling, avfuktning, och syrgaskoncentrering av matargas till ozongeneratorn. Detta ökar livslängden och kapaciteten på generatorn avsevärt.
  • Lämplig dosering och capacitet på ozongeneratorn.
  • Effektiv& stabil kylning till ozongeneratorn. Även detta ökar generatorns livslängd och kapacitet.
  • Svårare implementering då höga COD/BOD-halter införs till kylmediet från komplementvatten och omgivande luften. Detta kan i vissa fall konsumera en stor del av ozonet.
  • Då komplementvattnet har en hårdhet på över 150 ppm calcium kan ett filter behövas. Är hårdheten (CaCO3) över 500 ppm eller sulfathalten över 100 ppm är ozonbehandling inte lämplig.
  • Ozonbehandling är heller inte lämpligt vid vattentemperaturer över 45 ⁰C pga. den låga lösligheten av ozon vid högre temperaturer.
  • Långa rörsystem. Pga. ozonets relativt korta halveringstid på ca 10 – 15 minuter kan ozonbehandling bli något mer komplicerad då kylmedievolymen överstiger ungefär 400 m3. Detta problem löses dock genom att tillföra ozon till flera punkter i systemet.

Skadeverkningar från förorenat kylvatten

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

Visuell beskrivning skadeverkningar som kan uppkomma pga. korrosion och/eller förkalkning

Visuell beskrivning av skadeverkningar som kan uppkomma pga. korrosion och/eller förkalkning

Korrosion Korrosion är ofta ett problem vid användning av vatten som media. Det kan till viss del kontrolleras men kan ej undvikas helt. Korrosionseffekter är särskilt problematiska när mjukt vatten används. 
>Behandling Korrosion är ett fenomen som är kontrollerbart men är omöjligt att undvika helt. Olika komplementvatten ger olika förutsättningar men mjukt vatten ger en särskilt korrosiv miljö. 
Förkalkning Förkalkning leder I huvudsak till två problem, dels strömningsblockering och dels kraftigt minskad värmetransport. Konduktiviteten är t.ex. 400 större för koppar än för kalciumkarbonat. Med andra ord, ett förkalkningslager på bara 0.025 mm tjocklek minskar värmeöverföringen i värmeväxlaren med ca 12.5 %.
>Behandling Förkalkning kan behandlas med olika metoder. Kemikaliebehandling kan adsorbera eller ombilda förkalkningsbildande joner till andra ämnen. Man kan också minska pH-värdet eller späda kylvattenflödet med färskt vatten.
Biofilm Biofilmer i värmeväxlaren har samma typ av negativa effekter som förkalkning men biofilmer har generellt sett ännu sämre konduktivitet än kalklager. Därför är det viktigt att behandla vattnet både med avseende på mineralinnehåll och mikroorganismer.
>Behandling Oxiderande och icke- oxiderande biocider (se beskrivning nedan).
Patogener Patogener i kylsystemet är ett vanligt problem vilket riskerar att orsaka infektioner i närheten av kyltornet. Patogener kan då färdas från kyltornet med det avdunstande vattnet. 2004 rapporterades ett fall i Pas-de-Calais i Frankrike där bakterier hittades så långt som 6 km från kyltornet som var källan. Bakterien dödade 21 av de 86 som kunde bekräftas smittade.
>Behandling Oxiderande och icke- oxiderande biocider (se beskrivning nedan).

Antibakteriell behandling - biocider

Biocider (för behandling av både biofilm och patogener) har en viktig roll i kyltorn då det hela tiden utsätts för luft- och vattenburet organiskt material och mikroorganismer. Biocider kan delas in i två kategorier: oxiderande och icke-oxiderande.

Oxiderande biocider

Generellt sett kan oxiderande biocider anses vara effektiva desinfektionsmedel som oxiderar och därmed dödar mikrober vid relativt låga doser. Vanliga nackdelar med dessa ämnen är bl.a. att de ofta minskar pH, ökar korrosionseffekter, samt att dess effekt påverkas av pH-förändringar. Det visar sig för övrigt att ozon (som är en oxiderande biocid) inte följer mönstret när det gäller någon av dessa nackdelar.

Icke-oxiderande biocider

Icke-oxiderande biocider deaktiverar mikrober genom att utsätta dem för stress och störa deras metabolism. En fördel är att behandlingen kan riktas specifikt mot vissa organismer. I vissa fall kan dock mikroberna utveckla resistans mot denna typ av behandling vilket leder till att mer resistenta organismer tar över. Andra nackdelar är t.ex. att det krävs höga doser, lång desinfektionstid, samt högt pris.

Exempel på biocidtyper

I tabellen nedan visas några oxiderande och icke-oxiderande biocider som används eller har använts.

Oxiderande biocider

Icke-oxiderande biocider

  • Elektrolytisk brom
  • Stabiliserad brom
  • Hydantoin
  • Klordioxid
  • Hypoklorit
  • Klorgas
  • Brom
  • Ozon
  • Hydroxymetyl nitro (Trisnitro)
  • Metylen-bis(tiocyanat)
  • Kvartenära ammoniumjoner
  • Karbamater
  • Isothiazolin
  • Glutaraldehyd
  • Dibromo nitrilo propionamid (DBNPA)

Hårdhet, förkalkning, och koncentrationscykler

Förkalkningsproblem uppkommer genom att mineralkoncentrationen av huvudsakligen calcium, magnesium, och karbonater ökar i kylvattnet. En del av förkalkningsprocessen kan beskrivas genom följande kemiska jämviktsreaktion:

Calcium carbonate equilibrium reaction

Jämviktsreaktion

Genom jämviktsreaktioner som denna kan man se att högre mineralkoncentrationer leder till utfällning av exempelvis kalciumkarbonat vilket leder till förkalkningsproblem. 

Förkalkning av rörsektion

Förkalkning av rörsektion

En andra förkalkningsmekanism är genom uppbyggnad av kalkavlagringar på biofilm. Mikrokristaller adsorberas till biofilmen och bygger snabbt upp kalklager.

Koncentrationscykler

När mineralkoncentration ökar och överstiger lösligheten inträffar utfällning av mineralsalt vilket leder till kalkavlagringar. Detta regleras genom att blöda av en del av flödet samtidigt som man tillför komplementvatten. Samtidigt ökas lösligheten genom kemiska behandlingsmetoder.

Koncentrationscykler är ett begrepp som är ett relativt mått som jämför mineralkoncentrationen i kylsystemet relativt komplementvattnets koncentration. Till exempel, om koncentrationen i kylvattnet är fyra gånger högre än koncentrationen i komplementvattnet är koncentrationscyklerna fyra. 

Tabellen nedan visar tydligt kostnadsfördelarna med drift vid höga koncentrationscykler. Något som också kan utläsas är att bara lägre cykler är möjliga då mineralhalten i komplementvattnet är högt.

Koncentrationscykler

Avtappning (m3/dag)

komplementvatten (m3/day)

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

 

Att mäta koncentrationscykler

Koncentrationscykler kan mätas antingen genom kemisk analys eller genom att utföra en massbalans över systemet. I den kemiska analysmetoden kan man använda sig av följande samband: 

Kemisk bestämning av antalet cykler

Kemisk bestämning av antalet cykler

Om man istället använder ser till den totala massbalansen kan följande samband användas:

Bestämning av cykler genom massbalans

Bestämning av cykler genom massbalans

Där:

avtappningsflode & komplementvattenflode

 

Övervakning och justering av mineralhalten

Det är mycket viktigt att bestämma den högsta tillåtna mineralhalten innan förkalkningseffekter uppkommer. Detta värde används sedan för att justera avtappningsflödet och antalet koncentrationscykler.

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.

Practical Ozone Scaling Index (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 calcium-mängden i vattnet till följd av ozonering. Indexet förklaras i nedanstående formel:

POSI-formeln

POSI-formeln

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

Value

Unit

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 i detta fall: 

POSI-exempel

Med andra ord, då ozonbehandling används för ovanstående vattenkvalitet får konduktiviteten nå upp till knappt 3000 µS för att undvika förkalkning. Detta möjliggör en process vid ca 23 koncentrationscykler. Kemisk behandling hade vid samma vattenkvalitet uppnått drift vid ca 10 koncentrationscykler.

Processdesign och ozondosering

I följande avsnitt presenteras några förenklade matematiska samband för uppskatta designen och kapacitetsbehovet hos ozonsystemet. Ozonbehovet baseras på kylmedieflödet genom kyltornet. Detta flöde kan fås genom följande samband: 

Cirkulationsflöde

Cirkulationsflöde

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

Del av kyltornet

Rekommenderat koncentrationsspann [ppm]

Uppehållstank

0.025 – 0.250

Inlopp till recirkulationspump

0.075 – 0.150

Inlopp till värmeväxlare

0.040 – 0.080

Återflöde till uppehållstank

0.010 – 0.040

 

En ozondosering på motsvarande 0.2 ppm i relation till totala cirkulationsflödet kan tillföras 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:

Ozonproduktionskapacitet

Ozonproduktionskapacitet

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 även att doseringsbehovet också beror av temperatur och vattenkvaliteten. Dessutom borde ozondoseringen inte överstiga 10 g/m3 komplementvatten. 

Mäta ozondoseringen

ORP-mätningar skall göras kontinuerligt för att säkerställa att en korrekt ozondos tillförs systemet. ORP-sensorns funktion kan dock försämras över tid pga. av t.ex. kalkavlagringar. Det är därför nödvändigt och också enkelt att rengöra den. Ett väldoserat system minskar energikostnaden och minimerar dessutom skadeverkningar som t.ex. korrosion från för hög ozonhalt. 

Ozonkompatibla material

Nedan listas några vanliga material som kan användas I ozonbehandlade system.

   

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 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.

Ozone tech