Повышение эффективности реагентной предварительной очистки воды на Казанской ТЭЦ-3

УДК:621.187

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАГЕНТНОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ НА КАЗАНСКОЙ ТЭЦ-3

Н.Д. ЧИЧИРОВА, А.А. ЧИЧИРОВ, А.Г. ФИЛИМОНОВ, А.А. ЕЛИСЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

В работе проведена оптимизация реагентной предварительной очистки воды на ТЭС.

Ключевые слова: водоподготовка, реагентная предварительная очистка воды.

Наиболее распространенным методом предварительной очистки воды на ТЭС является реагентная обработка воды методом совместного известкования-коагуляции.

Если очистка воды от тяжелых грубодисперсных примесей может быть принципиально осуществлена обычным отстаиванием, время которого определяется размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за счет их особого свойства (агрегативной устойчивости) могут быть выделены из воды только методом коагуляции.

Коагуляция - это физико-химический процесс слипания коллоидных частиц под действием сил молекулярного притяжения с образованием грубодисперсной макрофазы (флокул) с последующим выделением её из воды. В практике водоподготовки под коагуляцией понимают очистку воды от коллоидных веществ с одновременной очисткой от грубодисперсных примесей и обесцвечиванием воды путем дозировки в обрабатываемую воду специального реагента - коагулянта.

В качестве коагулянтов применяют сульфат алюминия А12 (§04)• 18Н2О или сульфат двухвалентного (II) железа Ге804 • 7Н2О, причем последний реагент используют при совмещении процессов коагуляции и известкования в осветлителях.

Известкование реализуется при обработке исходной воды в осветлителях суспензией гашеной извести Са(0Н)2, называемой известковым молоком. Основное назначение известкования - снижение щелочности обрабатываемой воды. При этом происходит также частичное снижение общей жесткости Жо ,

общего солесодержания, кремнийсодержания, концентрации соединений железа, и одновременно из воды удаляются грубодисперсные примеси.

Разработана и предложена методика [1-3], позволяющая проводить расчет состава обрабатываемой воды, фактических доз расхода реагентов (коагулянта и извести), а также количества и состава осадка в зависимости от режима обработки. В основе методики лежит математическое моделирование всех значимых равновесных химических реакций и неравновесных физико-химических процессов с последующим расчетом по прикладной программе. Подробное описание методики и программы расчета приведено в [1-5]. В данной работе приводятся результаты математического моделирования предварительной очистки воды методом известкования-коагуляции-фильтрования на Казанской ТЭЦ-3.

В качестве исходной воды для приготовления обессоленной и умягченной воды в химическом цехе Казанской ТЭЦ-3 используется сырая вода из системы оборотного охлаждения (СОО). В свою очередь, в СОО забор воды осуществляется из р. Волга. При этом в воде СОО происходит частичное испарение воды и удаление газообразной СО 2, осаждение части взвешенных веществ и грубодисперсных примесей, возможны отложения труднорастворимых соединений, коррозионные процессы. Поэтому состав сырой (исходной) воды заметно отличается от состава волжской воды. © Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, А.Г. Филимонов, А.А. Елисеев Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

Первая очередь обессоливающей установки ХВО Казанской ТЭЦ-3 включает двухступенчатое обессоливание с предварительным известкованием и коагуляцией сырой воды в осветлителях и осветление её на механических фильтрах. Производительность - 510 т/ч.

С помощью прикладной программы (далее - ПП) выполнен термодинамический расчет всех значимых химических реакций и физико-химических процессов, протекающих в водных средах при известковании и коагуляции сырой воды, в предположении, что все реакции (запись системы уравнений в виде компонентной стехиометрической матрицы приведена в [5]) идут до конца в соответствии с их термодинамическими константами. Реакциями с газовой фазой можно пренебречь, т.к. в условиях обработки небольшие поверхности межфазного раздела вода - воздух и время недостаточны для установления равновесия. Кроме того, образования газов в системе не происходит [6].

Получены зависимости состава обрабатываемой воды и характера образующихся осадков от вида добавляемых реагентов, их дозы, соотношения, температуры обработки за период 2006г. по отдельным месяцам с учетом сезонных колебаний.

В расчетах использованы фактические дозы коагулянта, определяемые нами по изменению содержания сульфатов в сырой и известково-коагулированной воде. Температура сырой (исходной) воды принималась 38-400С. Фактическая доза извести, в ммоль/кг (мг-экв/кг), определялась из соответствия фактического состава обработанной воды и расчетного состава. Полученные результаты известкования-коагуляции исходной воды в качестве примера показаны на рис. 1.

Рис. 1. Результаты известкования-коагуляции воды (КТЭЦ-3, р.Волга, исх.вода; 12.2006;

СаСО 3 =0; Тоб.воды=400С; Тсыр.воды=40С; Дк=0,563мг-экв/дм3)

В табл. 1 приведены результаты расчетов фактических значений доз реагентов на предочистке КТЭЦ-3 в 2006г. В табл. 2 представлены результаты интегрирования фактического расхода реагентов в течение 2006 года. Обращает на себя внимание практически полное совпадение расчетного годового расхода реагентов и реально израсходованного объема реагентов на КТЭЦ-3. Это свидетельствует о том, что расчет по ПП позволяет получать достоверные данные.

Таблица 1

Сравнительный анализ данных по расходу реагентов на предочистке Казанской ТЭЦ-3 за 2006г.

Месяц, 2006 г. Фактические дозы реагентов на ТЭЦ-3 (среднемесячные) Рекомендуемые дозы реагентов, мг-экв/дм3 % от клоп. Дк по Мещерскому % отклон. Дк по Голубцову % отклон. Ди от Руковол, Указ % ОТКЛОН. Ди от оптнм но Прикладной Программе

Дк Ди Дк но Мещерскому Дк по Голубцову Ди но Рук овод. Указ. Расчет оптн маль-ное Ди

Декабрь 0,563 4,6 0,7 1 3,69 3,7 -19,57 -43,7 24,66 24.32

Ноябрь 0,541 4,4 0,685 0,75 3,36 3,4 -21,02 -27,87 30,95 29,41

Октябрь 0,529 4,3 0,63 0,75 3,36 3,4 -16,03 -29,47 27,98 26,47

Сентябрь 0,483 4,25 0,578 0,75 3,2 3,2 -16,44 -35,6 32,81 32,81

Август 0.495 4,35 0,757 1 3,56 3,6 -34,61 -50,5 22,19 20,83

Июль 0,5 4,7 0,672 0,75 3,68 3,7 -25,6 -33,33 21,12 27,03

Июнь 0,479 4,6 0,77 1 3,35 3,4 -37,79 -52,1 37,31 35,29

Май 0,5 3,65 0,71 1 2,52 2,5 -29,58 -50 44,84 46

Апрель 0,583 4,65 0,575 0,75 3,43 3,55 1,39 -22,27 35,57 30,99

Март 0.472 5,1 0.5 0,75 3,76 3,7 -5,6 -37.07 35.64 37.84

Февраль 0,52 4,8 0,56 0,75 3,67 3,7 -7,14 -30,67 30,79 29,73

Январь 0,566 4,7 0,63 0,75 3,51 3,5 -10,16 -24,53 33,9 34,29

Таблица 2

Расчет расхода реагентов на предочистку воды на Казанской ТЭЦ-3 за 2006 г.

Месяц в Объемы Доза Расчет Расчет Доза Расчет Расчет

2006 г. Обработан- коагу- коагу- техничес- извести, извести, техни-

ной воды, т лянта, лянта, в кого мг- в перес- ческой

мг-экв/дм3 пересчете на чистый Ке804, т коагулянта, т экв/дм3 чете на чистый Ке804, т извести, Са (ОН) 2, т

Январь 702942 0,566 30,24 75,59 4,7 122,24 135,82

Февраль 648316 0,52 25,62 64,05 4,8 115,14 127,93

Март 660325 0,472 23,69 59,22 5 122,16 135,73

Апрель 607983 0,583 26,94 67,35 4,65 104,6 116,23

Май 462480 0,5 17,57 43,94 3,65 62,46 69,4

Июнь 380564 0,479 13,85 34,64 4,6 64,77 71,97

Июль 338570 0,5 12,87 32,16 4,7 58,88 65,42

Август 337604 0,495 12,7 31,75 4,35 54,34 60,37

Сентябрь 348337 0,483 12,79 31,97 4,25 54,78 60,86

Октябрь 504086 0,529 20,27 50,67 4,3 80,2 89,11

Ноябрь 594454 0,541 24,44 61,1 4,4 96,78 107,53

Декабрь 560500 0,563 23,98 59,96 4,6 95,4 106

Наш расчет Сумма за год 6146161 244,96 612,39 1031,74 1146,38

Данные КТЭЦ-3 Сумма за год 6569118 614 1328

Средняя в час 749,9

Как следует из результатов, представленных на (рис. 1) и в (таб. 1-2), доза коагулянта явно недостаточна для удаления из воды высокомолекулярных органических соединений. В Волжской воде органические соединения представлены, главным образом, гуминовыми кислотами (рис. 2) и, в меньшей степени, таниновыми веществами.

соон

Рис. 2. Фрагмент структуры одной из гуминовых кислот © Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

В то же время доза извести систематически сильно завышена. Из рис. 3 видно, что после зоны оптимума для повышения рН обработанной воды требуется большой избыток извести, т.к. зависимость рН - доза извести становится более крутой. Из данных табл. 1 следует, что переизбыток извести составляет более 30 %. Кроме того, дозирование извести с таким переизбытком приводит к ухудшению качества обработанной воды: более высокой остаточной жесткости, щелочности, общего солесодержания и содержания кремниевых соединений.

7

5 6

2

•л

it а

о

п

Зона оптимума

f jff

ф Существующий * режим

7,5 8 8,5

9,5 10 ,,Н

10,5 II 11,5

Рис. 3. Зависимость рН обработанной воды от дозы извести. Исходная вода из СОО КТЭЦ-3,

декабрь 2006 г

Предложены два режима предочистки воды, которые позволяют добиться существенной экономии реагентов и получать воду допустимого или лучшего качества.

Режим 1. «Оптимальный гидратный». При этом несколько повышается доза коагулянта (Дк = 0,7 мг-экв/дм3 и более) и понижается доза извести (до 4,2), по

сравнению с существующим. pH (25о с) обработанной воды при этом находится в диапазоне 10,2 - 10,3. Выделение гидроксида магния в некотором количестве сохраняется. Из экспериментальных данных и проведенных расчетов следует, что при таком режиме происходит максимальное удаление из воды высокомолекулярных органических соединений и кремниевой кислоты. Остаточные значения жесткости, щелочности и солесодержания ниже, чем при существующем режиме.

Режим 2. «Оптимальный бикарбонатный». Дозирование коагулянта и извести проводят в количествах, обеспечивающих попадание в зону оптимума. Выделение гидроксида магния не допускается. При этом достигается минимальное содержание основных примесей в воде и минимальный расход реагентов как на стадии предочистки, так и на последующих стадиях обработки. Недостатком режима 2 является необходимость строгого соблюдения оптимальных условий. Передозировка извести приведет к попаданию на границу «бикарбонатного» и «гидратного» режимов, что вызывает повышенную нестабильность воды (рис. 4), а недостаточная дозировка извести приведет к повышению содержания железа и кремниевой кислоты в обработанной воде.

Рис. 4. Количество шлама (мг/кг воды), его состав и нестабильность воды в зависимости от дозы извести при предочистке воды. Исходная вода из СОО

Наиболее удобным параметром для контроля и поддержания заданного режима обработки воды является рН обработанной воды. рН определяется с высокой точностью в автоматическом режиме. Основная сложность заключается в том, что рН сильно зависит от разных параметров - температуры, состава воды, диапазона рН . Причем, зависимость рН от температуры нелинейна. По этой причине введение поправочного температурного коэффициента для приведения значения рН к 25о С проблематично. На первом этапе предлагается использование диаграмм. В качестве примера на рис. 5. приведена диаграмма для расчета рН(25о с) при различных режимах для обработки воды декабря 2006 г.

Рис. 5. Диаграммы для определения рН (250С) в зависимости от температуры и режима обработки воды. КТЭЦ-3, декабрь 2006 г.

В табл. 3 приведены сравнительные данные по дозам реагентов, составу обработанной воды и расходам реагентов для обработки воды в декабре 2006 г.

при разных режимах обработки. В расчетах учитывались расходы реагентов на последующие стадии обработки воды - ионитное обессоливание части воды, подкисление воды для подпитки теплосети, ионитное умягчение воды для питания испарителей.

Таблица 3

Сравнительный анализ существующего и оптимальных режимов предварительной очистки

воды на КТЭЦ-3, декабрь 2006 г

Параметр Существующий режим Режим 1. Оптимальный гидратный Режим 2. Оптимальный бикарбонатный

Дк, мг-экв/дм3 0,542 0,7 0,7

Ди, мг-экв/дм3 4,7 4,2 3,5

рН(250С) 10,51 10,25 10

Щобщ, мг-экв/дм3 0,81 0,56 0,56

Жобщ, мг-экв/дм3 2,3 2,01 2,01

В т.ч Жса, мг-экв/дм3 2 1,48 0,9

ССобщ, мг-экв/дм3 0,169 0,16 0,157

Расход технич. коагулянта, т 59,96 75 75

Расход технич. извести, т 106 94,7 78,9

Расход 100% Н2§04, т 72,7 68 63

Расход 100% №ОИ, т 39,8 40,6 40,6

Расход 100% №С1, т 87,6 81,9 76,2

Из представленных данных видно, что при режиме 1 получается лучшая по составу вода, а при режиме 2 достигается максимальная экономия реагентов при сохранении допустимого качества воды.

Выводы

Разработанная математическая модель и программный комплекс позволяют давать адекватное описание стадии реагентной предочистки на тепловых электрических станциях и многих других объектах, на которых применяется водоподготовительные установки, а также проводить оптимизацию процессов.

Проведены технико-экономические расчеты стадии предварительной очистки воды на Казанской ТЭЦ-3. Показано (табл. 4), что оптимизация режима предочистки может привести к существенной экономии химических реагентов.

Таблица 4

Сравнительный анализ существующего и оптимального режимовпредварительной очистки

воды на КТЭЦ-3, декабрь 2006 г

Реагент Стоимость в 2006 г., руб/т Режим 1. Режим 2.

т руб. т руб.

Технический коагулянт 1882 -112,2 -211 725 -112,5 -211 725

Техническая известь 1521,4 135,6 206 302 325,2 494 759

Технич. Н2§04 1153,94 61 70 390 125,4 144 704

100% ^ОН 10085,53 -6,35 -64 043 -6,35 -64 043

100% №С1 1031,67 68,4 70 566 136,8 141 132

Итого за год 159,15 199 576 468,55 504827

Summary

In the present work was carried out optimization of reagent pre-treatment of water for thermal power station.

Key words: Water treatment, reagent pre-treatment of water.

Литература

1. Чичиров А.А., Филимонов А.Г. Термодинамический расчет химических процессов при обработке воды на ТЭС // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. №5-6. С. 92-98.

2. Чичиров А.А., Филимонов А.Г. Математическое моделирование процессов комплексообразования при реагентной обработке воды // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. №7-8. С. 111-114.

3. Чичиров А.А., Филимонов А.Г. Математическое моделирование процессов образования и поведения основных карбонатов магния // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. №11-12. С. 99-105.

4. Филимонов А.Г. Повышение эффективности процесса реагентной обработки воды на тепловых электрических станциях // Энергетика Татарстана. 2007. №1. С. 96-101.

5. Чичирова Н.Д. Глава 1. Математическое моделирование физико-химического отклика в равновесных системах // В монографии: «Синтез, структура и свойства соединений молибдена». КГЭУ. 2003. 280с.

6. Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Хусаинов Р.Р. и др. Математическое моделирование физико-химических процессов при реагентной обработке воды // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. №2. С. 31-34.

Поступила в редакцию 01 сентября 2010 г

Чичирова Наталья Дмитриевна - д-р хим. наук профессор, заведующая кафедрой «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Чичиров Андрей Александрович - д-р хим. наук профессор, заведующий кафедрой «Химия» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Филимонов Артем Геннадьевич - канд. техн. наук, преподаватель кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-987-2908813.

Елисеев Алексей Александрович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4141255. E-mail: 41255@mail.ru.