Скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды

Полезная модель относится к области отделения взвешенных грубо дисперсных и коллоидных веществ от воды путем обработки известкованием, коагуляцией и флокуляцией в осветлителях воды и может быть использована во всех процессах предварительной очистки воды в энергетике и в различных отраслях промышленности, например, для подготовки воды на ТЭС перед подачей ее на установки обессоливания.
Уровень техники.
В процессах предварительной очистки воды в энергетике и в различных отраслях промышленности распространен способ умягчения и декарбонизации воды известкованием, который позволяет снизить жесткость питающей воды, удалить углекислоту, взвешенные и органические загрязнения. Процесс известкования включает подогрев исходной воды, смешивание ее с раствором известкового молока, введение коагулянта - сернокислого или хлористого железа, введение флокулянта, созревание осадки и его отделение от очищенной воды.
В отечественной практике широко применяются вертикальные осветлители воды типа ВТИ в книге: Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. - М.: МЭИ, 2003 с. 289) и типа ЦНИИ (там же с. 293) и более современно их развитие типа ОРАШ описанные в книге: Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. - М.: ДеЛи плюс.2013, с. 294.
Осветлитель представляет собой цилиндрический корпус с контактной средой, внутри которого коаксиально расположены: смесительная камера, зона сбора и уплотнения осадка (шламоуплотнитель), воздухоотделитель, трубы подвода исходной воды, трубы и окна для удаления избытка взвеси из контактной среды (шламоприемные средства), осадкоуплотнитель (шламоуплотнитель) и устройство для отвода осветленной воды. Воздухоотделитель этого аппарата выполнен в виде открытой цилиндрической емкости, помещенной соосно в корпус осветлителя.
Осветлитель выполняется из металла и состоит из ряда камер, по которым вода последовательно проходит в процессе своей обработки. В начале исходная вода поступает в воздухоотделитель, где освобождается от пузырьков воздуха, мешающих осаждению взвеси. Далее по опускному трубопроводу она попадает в нижнюю коническую часть (смеситель). Патрубок ввода воды в смеситель располагается тангенциально, в результате чего создается вращательной движение воды. В начало, по ходу движения воды, подаются известковое молоко и раствор коагулянта, а в верхнюю часть смесителя - раствор флокулянта. Площадь смесителя по высоте увеличивается. Переменная скорость и вращательное движение воды способствуют интенсивному перемешиванию ее с реагентами и полному протеканию химических реакций. Высокая скорость движения воды в нижней части конуса смесителя препятствует осаждению и накапливанию осадка.
Далее поток воды проходит через перфорированные вертикальные и горизонтальные перегородки, предназначенные для стабилизации направления движения.
При выходе из перегородок сечение осветлителя увеличивается, скорость воды соответственно падает и образуется слой взвешенного осадка. При этом каждая частица взвеси хаотически перемещается, весь же слой в целом находится в фиксированном взвешенном состоянии. Поток обрабатываемой воды движется снизу - вверх через слой взвешенного осадка. Контакт воды и реагентов с частицами твердой фазы способствует полноте и скорости химических реакций, происходит т.н. контактная коагуляция.
Мелкодисперсные частицы взвеси, образующиеся в результате химических реакций и коагуляции, прилипают к ранее образовавшимся частицам, находящимся в слое. Интенсивность очистки воды зависит, главным образом от высоты и концентрации слоя осадка.
Перемешивание всех потоков растворов происходит за счет энергии очищаемой воды, без дополнительных перемешивающих устройств. Что обуславливает его низкую эффективность.
3
2
Недостатком приведенного типа осветлителей является необходимость подогрева воды до 30-35°С и поддержания ее в пределах ±0,5°С, требование стабильного расхода воды и низкая скорость восходящего потока = удельной производительности - для осветлителей с известкованием и коагуляцией проектная удельная производительность 4,2 - 4,5 м/ч (м/м ч), но обычно не превышает 2-3 м/ч. Собираются такие аппараты на месте, что требует значительных усилий и времени.
Известен Осветлитель природных вод (патентный документ RU 47766 U1), состоящий из цилиндроконического корпуса с успокоительными вертикальными и горизонтальными перегородками, трубопроводами подачи исходной воды и реагентов, сборным лотком осветленной воды и патрубками для отведения осветленной воды и шлама, коаксиально и последовательно размещенных в корпусе один под другим воздухоотделителя, шламоуплотнителя и цилиндроконического смесителя, гидравлически сообщенного с корпусом осветлителя, размещенного непосредсвенно под ним и снабженного тангенциальным патрубком для введения деаэрированной воды, сообщенным с опускным трубопроводом воздухоотделителя и размещенным в днище смесителя, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндроконического смесителя по окружности снабжена струенаправляющими винтовыми пластинами, смонтированными над патрубком для введения деаэрированной воды с постоянным шагом между пластинами, углом их наклона, равным 30-70° и высотой, составляющей 0,05-0,15 диаметра смесителя, при этом осветлитель дополнительно оснащен вторым тангенциальным патрубком для введения деаэрированной воды, расположенным по отношению к первому патрубку для введения деаэрированной воды на диаметрально противоположной стороне цилиндроконического смесителя, непосредственно над струенаправляющими винтовыми пластинами. Недостатками известного решения являются отсутствие деаэрационного устройства, невозможность безопасной и удобной транспортировки решения.
Известен Высокоскоростной способ химического умягчения из патентного документа US 2013313201 (А1), осуществляемый с помощью балластной системы флокуляции, которая химически смягчает воду и заставляет частицы жесткости выпадать в осадок из воды и кристаллизоваться; в процессе кристаллизации частицы жесткости растут и образуют балластные хлопья, которые отделяются от воды в виде осадка осветительным блоком, образуя осветленные стоки; отделенный осадок, включая кристаллы твердости, направляется в сепаратор, где ил разделяется на два потока, причем каждый поток имеет кристаллы солей жесткости, содержащиеся в нем; в одной технологической конструкции один поток включает кристаллы относительно небольшой жесткости, а другой поток включает кристаллы относительно большой жесткости; поток, имеющий относительно небольшие кристаллы жесткости, направляется в первый реактор и смешивается с поступающей водой и умягчающим реагентом; поток, имеющий относительно большие кристаллы, направляется ко второму нижестоящему реактору и смешивается с водой и флокулянтом, что способствует росту кристаллов жесткости.
Известен Способ извлечения нефти или газа и очистки полученной добываемой воды из патентного документа US 2018319690 (А1), который включает дегазацию сточных вод для удаления растворенных газов и последующее химическое размягчение сточных вод. После стадии химического умягчения сточные воды направляются через механический фильтр или мембрану, которая удаляет твердые вещества. После этого сточные воды направляются через установку Na- катионирования, которая еще больше умягчает сточные воды. Стоки ионообмена направляются через картриджный фильтр, а сточные воды из картриджного фильтра направляются через один или несколько блоков обратного осмоса.
Недостатком вышеприведенных решений является низкая удельная производительность и соответственно большие габариты, что исключает возможность транспортировки готовых установок и требует их монтаж на месте использования.
Наиболее близким прототипом является скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь компании Kriiger-Veolia (Multiflo) описанный в брошюре High rate softening solution for industry доступен на сайте: https://www.veoliawatertech.eom/asia/sites/g/files/dvc3516/files/document/2019/04/2630%2CSoftening2012.pdf с. 2.
Такой скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь для умягчения и декарбонизации природной воды представляют из себя горизонтальный аппарат составленные из ряда прямоугольных и/или цилиндрических емкостей с мешалками с организованными самотечными перетоками раствора между ними, и прямоугольным или цилиндрическим отстойником с тонкослойным блоком осветления воды, при больших размерах со скребковым механизмом для удаления образовавшегося осадка.
3
2
За счет оптимизации размеров и интенсивности перемешивания в разных камерах резко улучшаются условия осуществления протекающих процессов. В результате скорость воды/производительность такого аппарата достигает 25-30 м/ч=м/ч. Кроме того, появилась возможность существенно снизить температуру исходной воды. Благодаря резкому снижению габаритов появляется возможность производить аппараты полной заводской готовности и монтировать готовыми, а не изготавливать их на месте.
Такие аппараты разработаны применительно к европейским условиям. Как оказалось, при эксплуатации в Российском климате с резким изменением температуры поступающей воды, колеблющийся от 4 до 20°С, которая, в соответствии с технологией, должна нагреваться до 20-25°С, при этом происходит бурное выделение растворенного в ней воздуха с флотированием введенных реагентов и образующихся флокул, что приводит к полному нарушению режима работы аппарата.
Кроме того, возможности транспортировать аппарат полной заводской готовности по дорогам общего пользования ограничивается стандартными транспортными габаритами. Для того, чтобы их сократить предлагается сделать корпус с разъемными соединениями между блоком емкостей и отстойником, а сам отстойник выполнить разъемным.
Заявленное техническое решение призвано устранить выявленные недостатки. Технический результат, достигаемый за счет заявленного решения, является обеспечение работоспособности устройства при изменении температуры поступающей воды и совершенствование конструкции, обеспечивающее более качественное разделение осадка и очищенной воды с соблюдением условий для удобной и безопасной транспортировки аппарата.
Раскрытие сущности полезной модели.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается включением в скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды, который представляют из себя горизонтальный аппарат, составленный из ряда прямоугольных и цилиндрических емкостей с мешалками с организованными самотечными перетоками раствора между ними, и прямоугольным или цилиндрическим отстойником с тонкослойным блоком осветления воды и с конусным или со скребковым механизмом для удаления образовавшегося осадка, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной камерой с деаэрационным устройством для отделения воздуха, которое представляет собой отдельную колонну или прямоугольную емкость с блоком вакуумно-эжекционных дегазаторов, причем прямоугольная емкость может быть включена в общий силовой корпус осветлителя.
При большой производительности аппарата для отделения воздуха наиболее приемлемо применение блока вакуумно-эжекционных дегазаторов, описанных в книге: Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. - М.: ДеЛи плюс.2013, с. 226, как имеющих наибольшую производительность при допустимых размерах. Другие варианты деаэрационных устройств, например, в виде прямоугольной емкости с блоком форсунок-распылителей, или с многоступенчатым переливом между емкостями имеют значительно большей размер, сопоставимый с основным аппаратом.
При этом корпус для упрощения транспортировки может быть выполнен с разъемными соединениями между блоком емкостей и отстойником и между отстойником и блоком сборника осадка. Отстойник может быть выполнен цилиндрическим со скребковым механизмом для выгрузки осадка и с разъемным корпусом.
Заявленное техническое решение раскрыто с помощью представленных чертежей. На фиг. 1 показана принципиальная схема скоростного осветлителя-известкователя с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды, на фиг. 2 - вариант схемы скоростного осветлителя-известкователя с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды с единым корпусом, на фиг. 3 - вариант скоростного осветлителя-известкователя с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды с единым корпусом с цилиндрическим отстойником, снабженным скребком для выгрузки осадка. Цифрами на фигурах обозначены:
1 - камера смешения воды с известковым молоком; 2 - камера смешения с коагулянтом; 3 - камера смешения с флокулянтом и хлопьеобразования; 4 -тонкослойный отстойник; 5 - расходомер; 6 - деаэрационное устройство вакуумно-эжекционного типа; 7-9 - насосы-дозаторы; 10, 11 - шламовые насосы; 12-14, 22 - регулируемые мешалки; 15 - сотоблок; 16 - камера - деаэрационное устройство; 17, 18 - разъемные соединения; 19, 20 - рН-метр; 21 - мутномер.
Динамика полезной модели. Заявленное решение функционирует следующим образом: подогретая вода подается через расходомер 5 в деаэрационное устройство вакуумно-эжекционного типа 6, освобождается от выделившегося воздуха в камеру -воздухоотделитель 16 и самотеком переливается в первую камеру 1 с интенсивным перемешиванием, куда вводятся и известковое молоко. Время контакта в этой камере должно обеспечить окончательное растворение известковых частиц и начало их химического взаимодействия с солями жесткости в растворе. Туда же вводится часть шлама из отстойника, что добавляет новые сформированные частицы осадка. Данное время составляет 10-15 мин.
В следующей камере вводится коагулянт, что резко ускоряет реакцию и образование хлопьев. Время контакта составляет 1-2 мин.
Третья камера предназначена для окончательного формирования хлопьев осадка. Для этого в нее вводится флокулянт и организовано перемешивание низкой интенсивности. Время пребывания в ней 10-15 мин.
Образовавшаяся взвесь поступает в горизонтальный отстойник 4 с тонкослойными модулями 15, где происходит окончательное разделение фаз. Время отстаивания и разделения составляет до 30 мин.
Шлам собирается в нижней зоне отстойника 4 насосом 10 и откачивается на хранение, а часть насосом 11 возвращается в первую камеру.
Отстойник 4 может выполняться цилиндрическим со скребковым механизмом 23, приводящимся в движение мотор-редуктором 22, который сгребает шлам к центру конуса 5 и способствует его полной выгрузке из аппарата.
Чистая вода выводится из отстойника на дополнительную фильтрацию и далее к потребителям.
Пример осуществления
3
Скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды производительностью 150-200 м/ч, изготовленный в соответствии со схемой, показанной на фигуре 1 и имеющий размеры 9600x3300x3300 мм, снабженный четырьмя электрическими мешалками с частотным регулированием оборотов был изготовлен и протестирован заявителем. В камеру 1 установки через деаэрационное устройство вакуумно-эжекционного типа подавалась речная вода, после чего она самотеком перетекала в камеру 2, куда вводилось известковое молоко. Время контакта в этой камере обеспечивало окончательное растворение известковых частиц и начало их химического взаимодействия с солями в растворе. Туда же вводилась часть шлама из отстойника, что добавляло готовые сформированные частицы осадка. Смесь интенсивно перемешивалась, после чего перетекала в камеру 3. В нее вводился коагулянт - сульфат железа, что резко ускорило реакцию и образование хлопьев. Камера 4 предназначена для окончательного формирования хлопьев осадка. Для этого в нее вводился флокулянт Праестол 650 и было организовано перемешивание низкой интенсивности. Время пребывания в ней 10-15 мин. Полученная пульпа перетекла в отстойник 5, снабженным тонкослойным блоком высотой 500 мм с пластинами, установленными под углом 60°, где происходило ее интенсивное разделение на осевший шлам и чистую воду.
Осветленная вода поднялась вверх через наклонные пластины сотоблока, где она окончательно освободилась от взвесей и покинула установку.
Отстойная зона выполнена съемной (для удобства транспортировки), и стыкуется с основным корпусом посредством плоского фланцевого разъема.
В первой камере установлен проточный рН-метр, в отстойной зоне - рН метр и мутномер.
3
В процессе испытаний была определена производительность установки и ее технологические параметры. Производительность составила 150-200 м/ч, время выхода на режим не превышало 20 минут, качество умягченной воды существенно превышало показатели параллельно работающих осветлителей типа ВТИ-400и.
Таким образом, заявленное решение является новым и технически применимым, обеспечивает достижение заявленного технического результата.