Безреагентная технология подготовки воды для ТЭС

БЕЗРЕАГЕНТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ
Переход экономики на рыночные отношения характеризуется резким
обострением конкуренции. Одним из решающих факторов, позволяющем производителям товаров и услуг выживать в конкурентной среде, является снижение
себестоимости продукции, т.е. издержки производства или эксплуатационные расходы.
Теплоэнергетический комплекс, как и многие отрасли промышленности,
нуждается в производстве высококачественной воды для технологических целей.
Подготовка воды для энергетических котлов, теплосетей и систем оборотного водоснабжения является необходимым звеном в обеспечении надежности и экономичности работы энергооборудования.
Несмотря на то, что все большее внимание уделяется охране окружающей
среды, общемировой тенденцией является ухудшение качества воды, подаваемой
из источников хозяйственного водоснабжения. В число вредных компонентов, загрязняющих водные объекты, входят весьма токсичные вещества: соединения тяжелых металлов, радионуклиды, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества органические соединения, в том числе кремний- и железосодержащие.
Неотъемлемой частью эксплуатационных расходов предприятий энергетического и нефтехимического комплексов являются затраты на водоподготовку. Задача сокращения расходов на водоподготовку усложняется как все возрастающими тарифами на водопользование, так и постоянным ухудшением качества воды,
пригодной для промышленного использования, ужесточением требований и качеству и количеству сбрасываемых сточных вод, повышением требований и качеству обработанной воды, используемой в технологическом цикле.
Решить задачу сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку
позволяет внедрение новых технологий. Говоря о современных подходах к решению задач по водоподготовке, необходимо, в первую очередь, выделить безреагентные мембранные технологии – фильтрацию воды через пористые материалы,
размер пор которых колеблется от микрон до тысячных долей их. В зависимости
от величины пор мембранные технологии подразделяются на ультра- и нанофильтрацию, обратный осмос, мембранную дегазацию и электродеионизацию.
СПЕКТР ФИЛЬТРОВАНИЯ
Микро
Фильтрация
10 um–100 nm
ооцисты
коллоиды
вирусы
цветность
жесткость
пестициды
соли
вода
Ультра
Фильтрация
Нано
Фильтрация
Обратный
Осмос
100 - 10 nm
10 - 1 nm
< 1 nm
коллоиды
вирусы
цветность
жесткость
пестициды
соли
вода
цветность
жесткость
пестициды
соли
вода
соли
вода
На представленном слайде показаны возможности очистки воды с использованием мембран. Фильтрация воды через мембраны с размером пор 0,1 – 1,0 мкм
(микрофильтрация) позволяет задерживать взвешенные вещества, бактерии, частично коллоидные вещества и вирусы, а при размере пор 0,01 – 0,1 мкм (ультрафильтрация) – удалять их практически полностью. Нанофильтрационные мембраны с размером пор от 0,001 – 0,01 мкм позволяют удалять двух и поливалентные ионы, в частности, катионы жесткости, обратноосмотические с величиной пор
менее 0,001 мкм – практически полностью удаляют все ионы. Восстановление работоспособности мембран осуществляется проведением обратных промывок и при
необходимости периодическими химическими очистками, расход реагентов для
которых несравнимо ниже, чем для восстановления ионообменных смол. В связи с
отсутствием агрессивных реагентов, шлама и солей сбросные воды от мембранных установок могут быть направлены в канализацию практически без разбавления, что ведет к экономии воды и улучшению экологии.
Таким образом, комбинируя оборудование с различной величиной пор можно
решать любые технологические вопросы: предочистки воды (ультрафильтрация),
ее умягчения (нанофильтрация) и обессоливания (обратный осмос).
Сравним эксплуатационные расходы по каждой из технологий.
1 Ультрафильтрация используется в качестве предварительной подготовки
воды перед ее дальнейшей деминерализацией.
Традиционная технология – громоздкий осветлитель с реагентным хозяйством – известковым, коагулянтным и флокулянтным, расходные мешалки, баки,
насосы, осветлительные фильтры, загруженные антрацитом или кварцевым песком, мощные насосы для взрыхляющей отмывки антрацита от загрязнений. Кроме
того, для обеспечения нормального ведения технологического процесса часть во2
ды из осветлителя непрерывно сбрасывается. Вследствие высокого загрязнения
сбросных вод взвешенными веществами и щелочами необходима их дополнительная обработка на очистных сооружениях. Расход воды на собственные нужды
только предочистки составляет до 10%. Кроме этого необходимы тонны реагентов, большое количество тепла, так как процесс осуществляется при подогреве воды до 30-350С, и электроэнергии. Узел чрезвычайно требователен к постоянству
расхода воды и реагентов, температуры, работает в полуавтоматическом режиме.
Качество обработанной воды зависит от вышеперечисленных факторов плюс от
сезонного качества обрабатываемой воды.
Наконец, традиционная предочистка занимает большие отапливаемые площади. В случае необходимости реконструкции с увеличением производительности
ставится дополнительные единицы такого же оборудования.
Достоинство технологии – снижение жесткости воды, что при традиционной технологии деминерализации снижает расход кислоты.
Технология ультрафильтрации – не требует реагентов, специального подогрева воды, постоянства расхода и температуры, не зависит от сезонных колебаний качества воды; оборудование изготавливается из полимерных материалов, работает в автоматическом режиме. Качество обработанной воды постоянное. Оборудование занимает небольшие площади, может быть смонтировано в два и более
ярусов, так как высота менее 2 метров. В случае необходимости реконструкции с
увеличением производительности добавляются отдельные элементы.
Ультрафильтрация обеспечивает предварительную подготовку воды для
дальнейшей деминерализации, заменяя стадии известкования с коагуляцией и
осветлительного фильтрования. При этом резко сокращается потребление реагентов, потребление воды на собственные нужды (до 2-5%), в фильтрате отсутствуют
взвеси и коллоиды, значительно уменьшается содержание железа (в основном, менее 0,1 мг/л).
Недостаток – жесткость воды не изменяется.
Технология ультрафильтрации может быть использована не только для водоподготовки, но и для систем оборотного охлаждения, очистки конденсатов, сточных вод и подготовки питьевой воды, так как позволяет удалять вирусы, бактерии,
железо, цветность и мутность воды. Например, на одном из водоканалов г. Москвы очистка воды производится методом ультрафильтрации, а в дальнем зарубежье
эта технология широко применяется.
3
СРАВНЕНИЕ ТРАДИЦИОННОГО МЕТОДА
ВОДОПОДГОТОВКИ И УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ
Дозирование
Коагуляция и
флокуляция
Седиментация
Песчаный/глубинный фильтр
исходная вода
Потребитель
мембранная система
Традиционная
технология
Капитальные затраты
2182 тыс.
тыс.$
Эксплуатаци
40тыс
Эксплуатационные затраты
40тыс.. $
Расход воды на собственные нужды 10%
Мембранная
технология
320 тыс.
тыс.$
25 тыс.
тыс. $
5%
расчет выполнен для установок производительностью 65 куб.
куб. м/час
Подготовка воды для тепловых сетей и паровых котлов низкого и среднего
давления заключает в себя удаление накипеобразующих катионов жесткости.
Умягчение воды производится обычно на ионообменных фильтрах, загруженных полимером – катионитом. Для возможности удаления жесткости катионит
обрабатывается раствором соли. В процессе поглощения катионов жесткости катионит срабатывается и для восстановления его работоспособности его вновь обрабатывают солью. Для того чтобы полностью перевести катионит в рабочую
форму количество соли должно в 2,5 – 3 раза превосходить количество поглощенных ионов жесткости. Сбросные воды состоят из хлоридов кальция, магния и
натрия, которые являются хорошо растворимыми в воде, утилизировать стоки невозможно, поэтому для достижения требуемого качества сбросной воды их просто
разбавляю в разы. А это размер водопользования и, соответственно плата за него.
Для возможности восстановления обменной способности катионита требуется
наличие солевого хозяйства.
Альтернативой ионообменному умягчению воды служит мембранный метод
– нанофильтрация, при которой ионы не замещаются, а задерживаются порами
материала. Для предотвращения образования отложений солей двух- и более валентных ионов в порах мембран в обрабатываемую воду вводится специальный
реагент-антискалант.
Увеличение производительности установки нанофильтрации производится
увеличением количества элементов, как и при ультрафильтрации.
4
Ионообменное обессоливание воды предполагает наличие разнофункциональных фильтров – катионитовых и анионитовых, что требует использование для
восстановления их обменной способности кислоты и щелочи, а оборудование антикоррозионной защиты. Сточные воды обладают высоким солесодержанием,
требуют очистных сооружений. Расход реагентов, как и при умягчении, в 2-2,5 раза выше количества удаленных ионов. Дополнительно используется декарбонизатор, удаляющий углекислоту и снижающий ионную нагрузку на анионит.
Обратноосмотический метод обессоливания воды, как и нанофильтрационный основан на задержании ионов порами, размер которых меньше размера атомов одновалентных ионов.
Внешний вид установки обратного осмоса производительностью 50 м3/час.
Промышленная установка обратного
осмоса, производительность 50 м3/ч
Отличие от нанофильтрации – необходимость более высокого давления воды
вследствие уменьшения размера пор и высокое качество обрабатываемой воды по
взвешенным веществам, коллоидным соединениям, железу и жесткости воды, что
может быть обеспечено предварительной подготовкой методом ультрафильтрации, а при жесткости воды выше 3 мг-экв/л дополнительным умягчением.
Преимущества технологии обратного осмоса перед традиционной схемой
двухступенчатого параллельноточного ионирования:
- значительно меньшее количество реагентов – только на химические мойки,
примерно, 1 раз в квартал;
- исключается образование высокоминерализованных сточных вод, вызванных необходимостью избытков реагентов для регенерации;
- отсутствие необходимости нейтрализации сбрасываемых сточных вод;
5
- более высокая, чем при ионном обмене степень удаления из обрабатываемой воды органических соединений и коллоидной кремнекислоты;
- полная автоматизация процесса деминерализации;
- обеспечивает минимальное количество обслуживающего персонала;
- минимальная вероятность сбоев, вызываемых «человеческим фактором»
- компактность;
- отсутствие необходимости антикоррозионной защиты оборудования.
Недостатки – количество сбросных вод может достигать 30%. Однако
количество солей в сбросных водах то же, что поступило на обработку. В случае использования умягчения перед обратным осмосом сбросные воды могут
быть утилизированы.
Мембранное оборудование можно компоновать с ионообменным в так называемые интегрированные технологии, что позволяет исключить негативные факторы каждой из них.
Из приведенного выше следует, что перевод водоподготовительных установок на мембранные технологии обеспечивает не только высококачественную обработку воды, но и экологическую чистоту и снижение затрат как эксплуатационных, так и строительных, так как сокращаются производственные площади, металло- и энергоемкое оборудование.
PALL
Water Processing
Удельная стоимость опреснения
воды разными методами
Cебестоимость
Обработки 1 м3
Ионный обмен
выпаривание
Обратный осмос
концентрация (общая минерализация)
минерализация)
Filtration. Separation. Solution. SM
Приведенная выше диаграмма представлена американской компанией
«Палл», одной из ведущих компаний в мире. Из диаграммы видно, что рост
удельной стоимости опреснения методом обратного осмоса практически не зави6
сит от минерализации воды выше 150 мг/л, а это наша воды, минерализация которой порядка 300-400 мг/л.
Перевод водоподготовительных установок на мембранные технологии широко происходит во всем мире, в том числе и в странах СНГ – России и Украине.
Министерство энергетики Республики Беларусь уделяет много внимания развитию передовых технологий, в частности, и в области водоподготовки. В системе
«Белэнерго» мембранные технологии появились в 2006г. с пуском первой в Республике мини-ТЭЦ (Осиповичской) на местных видах топлива. В настоящее время на разных мини-ТЭЦ в эксплуатации находится 4 обратносмотические установки. Как показал опыт эксплуатации, эти установки нуждаются в предварительной подготовке воды, что может быть осуществлено использованием ультрафильтрации.
Для обеспечения энергообъектов отечественным мембранным оборудованием
в соответствии с Государственной научно-технической программой «Энергетика
2010» Институтом физико-органической химии НАН Беларуси совместно с ОАО
«Белэнергоремналадка» выполнена работа по разработке мембранной технологии
и оборудования для очистки природных вод и конденсатов.
Исследовательские и конструкторские работы были завершены разработкой
кт головного образца автоматизированной установки ультрафильтрации производительностью 30 м3/час, изготовление которого осуществлялось на базе ОАО
«Белэнергоремналадка». Конечным этапом работы явилась организация на базе
ОАО «Белэнергоремналадка» производства установок ультрафильтрации.
ГОЛОВНОЙ ОБРАЗЕЦ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ВОДЫ
НА БАЗЕ КАПИЛЛЯРНЫХ МЕМБРАН
В настоящее время в рамках ГНТП «Энергетика 2015» этими же исполнителями начаты работы по исследованию возможности применения нанофильтрации
7
для очистки природных и технологических вод, а также удаления органических
соединений с использованием волокнистых анионитов.
Надеемся, что с привлечением ученых нам удастся оснастить объекты электроэнергетики, а может быть и промышленной энергетики современным мембранным оборудованием для водоподготовки. Для пропаганды современных технологий водоподготовки Институт физико-органической химии совместно с ОАО
«Белэнергоремналадка» в 2009 и 2010г.г. провели Международные воднохимические форумы, где приняли участие ученые, бизнесмены и производственники стран СНГ и дальнего зарубежья. В следующем году планируется проведение третьего Международного форума с участием ЮНЕСКО.
8