О повышении экономической и экологической эффективности процесса водоприготовления

УДК 628.543:2

О ПОВЫШЕНИИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВОДОПРИГОТОВЛЕНИЯ

Докт. техн. наук, проф. ДЖАЛИЛОВ М. Ф., инж. БАДАЛОВ Б. Ш.

Азербайджанский архитектурно-строительный университет

Значительная доля загрязнений окружающей среды тепловыми электрическими станциями (ТЭС) приходится на сбросные стоки водоподгото-вительных установок по выработке различного качества вод. Эти воды на современных ТЭС готовятся в основном химическими методами. Как правило, применяются ионитные способы химобессоливания и умягчения воды. Образуемые при регенерации ионитов соленые сточные воды, содержащие смесь солей кальция, магния, натрия и иногда кислоты или щелочи, перед сбросом в водоемы должны подвергаться специальной обработке. Поэтому сегодня повышение эффективности технологий водоприготов-ления представляет большой интерес как в научном, так и практическом плане.

По своей оригинальности и эффективности особое место занимают выполненные в Азербайджанском архитектурно-строительном университете работы по химическому обессоливанию воды с сокращенными реагентами и сокращенными стоками, бессточному умягчению и комбинированной выработке химически или термически обессоленной и умягченной воды [1^4]. Исследования, проведенные по комбинированию процессов выработки различного качества вод, доказали возможность утилизации реагентов и отработанных регенерационных растворов, например, от химобессо-ливающей части на умягчительной части установки, что позволяет существенно повысить эффективность как химобессоливания, так и умягчения воды. Характерным для катеонитов, находящихся перед регенерацией раствором кислоты в Na-форме, является то, что незначительное увеличение удельного расхода кислоты на их регенерацию способствует резкому повышению его обменной емкости [1]. Избыток кислоты, содержащейся в отработанном растворе, можно использовать для подкисления подпиточ-ной воды теплосети, добавочной воды оборотного охлаждения и регенерации катионитных фильтров умягчающей воды для различных потребителей. Несмотря на это, до сих пор в достаточной степени не изучены составы и удельные количества отработанных регенерационных растворов (ОРР) Н-катионитных фильтров, регенерируемых, из Na-формы.

ОРР Н-катионитных фильтров, находящиеся в Na-форме, перед регенерацией, например раствором серной кислоты, в зависимости от ее удельного расхода на регенерацию, могут содержать Na2S04 или же смесь Na2S04 и H2S04. ОРР целесообразно делить на нейтральные и кислые части. Нейтральную часть ОРР, содержащую практически только Na2S04, целесообразно использовать при регенерации Na-катионитных фильтров. Кислую же часть ОРР, содержащую смесь Na2S04 и H2S04, можно применять для регенерации H-Na-катионитных и Н-катионитных фильтров, работающих в «голодном» режиме регенерации, для подкисления подпиточной воды

тепловой сети или оборотного охлаждения. Современный уровень автоматизации водоподготовительных установок обеспечивает разделение ОРР на нейтральные и кислые порции. Однако для использования частей ОРР необходимо иметь информацию об их количестве и качестве в зависимости от конкретных условий работы водоподготовительной установки.

Для определения удельного объема (объем, приходящийся на 1 м3 Н-катионированной воды) нейтральной ун и кислой ук частей ОРР Н-катионитного фильтра выведены выражения, м3/м3:

Ун=-^ + оц

те - е

г +&,-<*.

где е„, е - обменная емкость катионита при стехиометрическом и т-кратном (г-экв/(гэкв)) расходе кислоты на его регенерацию, г-экв/м3; Ср - концентрация регенерационного раствора кислоты, мг-экв/л; а - водяная часть фильтра; g0 - удельный расход воды на отмывку катионита, м3/м3. Учитывая, что при этом используется двухпоточно-противоточная конструкция фильтров, для них удельный расход воды на отмывку катионита составляет 3 м3/м3 [3], а значение а можно принимать равным 0,7 [2].

Тогда концентрация №+-ионов в составе нейтральных порций (в мг-экв/л) составит

Отсюда следует, что концентрация №+-ионов в составе ОРР зависит от значения концентрации регенерационного раствора и обменной емкости катионита при стехиометрическом расходе кислоты на его регенерацию. Значение еог зависит также от концентрации регенерационного раствора кислоты [1]. Расчеты показывают, что величина удельного объема нейтральной части ОРР Н-катионитного фильтра при концентрациях регенерационного раствора от 100 до 2000 мг экв/л меняется в пределах от 7,4 до 1 м3/м3. Концентрация №+-ионов в этом растворе колеблется от 90 до 600 мг экв/л. Расход нейтральной части ОРР определяется выражением

К

г \ — + а

о.н г< ~

У

^пр.х.о

I + ^м.нУ] , ЯснЛц/ м3/ч ("44

100 X 100) ы' ' ^ ;

где дс.н.н, £/с.н.а - удельный расход воды на собственные нужды Н-ка-тионитных и анионитных фильтров, %; Спр1Х.0 - солесодержание обессоливаемой воды после предварительной очистки, мг-экв/л; Я7'^ - (нетто) производительность химобессоливающей установки, м3/ч.

Максимально возможный расход умягченной воды Жут, получаемой на установке с использованием нейтральной части ОРР для регенерации №-катионитных фильтров, определяется по выражению

юо X 100 Г

е.к

-/ А л-2-, ^/ч,

1 +

Чс.п.у 100

ш

ш

Жир,

где Яс.н.в, Яс.пл - жесткость умягчаемой воды после предварительной очистки, мг-экв/л; ш-да - удельный расход соли на регенерацию №-катионитных фильтров, гэкв/(г-экв); дсжу - удельный расход воды на собственные нужды Ыа-катионитных фильтров.

Учитывая, что с увеличением удельного расхода соли на регенерацию катионитных фильтров возможное количество умягчаемой воды уменьшается, для ее увеличения требуется применение прогрессивных технологий регенерации катионитов и конструкции ионитных фильтров. В качестве таковой можно использовать двухпоточно-противоточную конструкцию ионитных фильтров и технологию двухпоточной регенерации ионитов [1]. С их помощью удельный расход соли на регенерацию катионитных фильтров можно уменьшить до 1,3-1,5 гэкв/(г-экв) [5].

Большой практический интерес представляет также кислая часть ОРР Н-катионитных фильтров, где кроме натриевой соли содержится избыток поданной на регенерацию кислоты. Концентрация натриевой соли и избытка кислоты в кислой части ОРР Н-катионитного фильтра (мг-экв/л), определяется следующим образом:

СНк=--;

н'к те-е.„ г

~р

—т^ + ^о-«

Ч

С помощью этих выражений определены концентрации натриевой соли и кислоты в кислой части ОРР Н-катионитных фильтров в зависимости от удельного расхода и концентрации кислоты, подаваемой на регенерацию. Результаты расчетов графически показаны на рис. 1 и 2.

Как следует из рис. 1, с увеличением концентрации и удельного расхода кислоты на регенерацию концентрация Кта' -ионов в кислой части ОРР повышается. Однако при постоянной концентрации регенерационного раствора концентрация №+-ионов в кислой части ОРР сначала увеличивается и после достижения максимального значения постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что при относительно малых избытках кислоты на регенерацию происходит значительный прирост обменной емкости катио-нита. Поэтому концентрация №+-ионов в составе ОРР с увеличением удельного расхода кислоты при относительно малых его значениях растет. После определенного значения удельного расхода кислоты на регенерацию прирост обменной емкости катионита замедляется. Поэтому увеличение концентрации Ыа'-ионов отстает от повышения концентрации в растворе Н+-ионов, в результате чего концентрация первых уменьшается. Изменение

концентрации №' -ионов в составе ОРР при больших значениях концентрации регенерационного раствора происходит более существенно, чем при низких. Это связано с тем, что объем регенерационного раствора при больших концентрациях меньше, чем при малых.

1,2 1.3 1,4 1.5 1.6 1,7 1.8 2 г2 24 гб

тн, г-экв/

Рис. 1. Изменение концентрации натриевой соли в кислой части ОРР Н-катионитного фильтра в зависимости от удельного расхода и концентрации кислоты, подаваемой на регенерацию

Из рис. 2 видно, что с повышением удельного расхода кислоты концентрация Н+-ионов в ОРР все время увеличивается, причем интенсивность ее выше при больших значениях концентрации регенерационного раствора. Это связано с уменьшением удельного объема ОРР.

Гч. . МГО!ГВ/п

о I --И М I 1 I 1

1,2 1.3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 2 2,2 2,4 2,6

тн, г-экв/

Рис. 2. Изменение концентрации кислоты в кислой части ОРР Н-катионитного фильтра в зависимости от удельного расхода и концентрации кислоты, подаваемой на регенерацию

В качестве одного из вариантов утилизации кислой части ОРР предлагается ее использование для подкисления известкованной воды, подаваемой в теплосеть в качестве подпиточной. При этом кислота, содержащаяся в кислой части ОРР, используется для корректировки рН известкованной воды. При регенерации катионитных фильтров раствором Н2804 происходит также увеличение концентраций 80^"-ионов в подпиточной воде в количестве

есг

т —— е

т

Лв04извп = ЛЩизв е , мгэкв/л.

Тогда концентрация БО^ -ионов в подкисленной известкованной воде составит

т ——

^О^изв п - БО^ + ДК ь ДЩИЗВ , мг • экв/л,

где БО^" сх - концентрация сульфат ионов в исходной воде; Дк - доза коагулянта Ре804; ДЩюв- уменьшение щелочности известкованной воды в

процессе подкисления, мг экв/л.

Солесодержание в подкисленной известкованной воде Сшвп определяется следующим образом:

в е

т-—

= + мг экв/л,

где ЩИСХ) Щизв, Щп - щелочность в исходной, известкованной и подпиточ-ной воде, мг-экв/л.

Учитывая, что солесодержание подпиточной воды теплосети не должно превышать солесодержания в исходной воде, в качестве условия применения кислой части ОРР Н-катионитного фильтра для подкисления известкованной воды, можно записать:

е е

т—^ 1--^

Щ„сх,р.ми„ ^ Дк + Щгав - Щп > МГ ЭКВ/Л.

Принимая Щизв = 1,0; Щп - 0,4 и Дк - 0,4 мг-экв/л и используя данные [1] по изменению обменной емкости катионита КУ-2-8 из Ыа-формы в зависимости от удельного расхода регенерационного раствора серной кислоты концентрацией 500 мг-экв/л для минимально возможного значения щелочности исходной воды, обрабатываемой для подпитки теплосети, получим данные, представленные в табл. 1.

Таблица 1

7И, Г-ЭКВ/(Г-ЭКВ) 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,6

-^-Цисх.пр.мин 2,69 2,18 1,97 1,85 1,77 1,72 1,64

Как видим, с повышением удельного расхода кислоты на регенерацию Н-катионитного фильтра минимально возможное значение щелочности исходной воды, обрабатываемой для подпитки теплосети известкованием и последующим подкислением кислыми порциями ОРР этого фильтра, уменьшается. Это связано с тем, что с повышением удельного расхода кислоты на регенерацию количество кислоты в составе ОРР Н-катионитного фильтра увеличивается. Отсюда также следует, что даже при минимальном значении избытка кислоты на регенерацию минимально возможное значе-

ние щелочности исходной воды получается около 2,7 мг-экв/л, что характерно для большинства пресных вод.

Для определения предела возможного применения подкисления известкованной воды кислыми порциями ОРР выведено выражение

- <{т - 1/1 + %Н| 1 + Спрхо ,

4 \ ЮО А 100 МЩ-э,

где - расход подпиточной воды теплосети, м3/ч.

Однако при этом необходима проверка условия по выражению (11). Для вод щелочностью меньше 1,6 мг-экв/л солесодержание подпиточной воды может незначительно превышать солесодержание в исходной воде. Если это допускается, то проверка условия по выражению (11) не обязательна.

ВЫВОД

Таким образом, утилизация ОРР Н-катионитных фильтров химобессо-ливающей части установки в процессе подготовки подпиточной воды теплосети или же при получении умягченной воды позволяет улучшить технико-экономические и экологические показатели всей водоподготовитель-ной установки и тем самым обеспечить защиту окружающих водоемов от сбросных сточных вод, а также удешевить процессы очистки различного качества вод. Рассмотренные в предлагаемой статье разрешенные вопросы, связанные с ОРР Н-катионитных фильтров, могут быть приняты за основу применения предложенных вариантов технологий их утилизации.

ЛИТЕРАТУРА

1.Фейзиев Г. К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессолива-ния воды. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.

2. Д ж а л и л о в М. Ф. Химическое обессоливание воды на ТЭС с сокращенными количествами реагентов и стоков. -Баку: ЭЛМ, 1996. - 150 с.

3. М У-34-70-126-85. Методические указания по проектированию обессоливающих установок с сокращенными стоками / Э. Н. Гоуфман, Т. Ф. Быстрова, В. А. Образцова и др. -М.: М-во энерг. и электрифик. СССР, СПО «Союзтехэнерго», 1987. - 63 с.

4. Методические указания по проектированию ТЭС с максимально сокращенными стоками / Ю. Ф. Боднарь, Т. Ф. Быстрова, Р. К. Гронский и др. - М.: ВТИ, ВНИПИэнер-гопром, АзИСИ, 1991. - 152 с.

5. Опыт эксплуатации установки подготовки подпиточной воды теплосети на Минской ТЭЦ-3 / М. Ф. Джалилов, А. М. Кулиев, Л. С. Прибыльский и др. // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений СНГ). - 1997. -№ 1-2. - С. 71-75.

Представлена кафедрой газоснабжения

и обеспечения микроклимата Поступила 24.06.2005