Об экологически чистых и ресурсосберегающих технологиях водоприготовления

УДК 628.543:2

ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВОДОПРИГОТОВЛЕНИЯ

Доктора техн. наук, профессора ФЕЙЗИЕВ Г. К., ДЖАЛИЛОВ М. Ф., канд. техн. наук, доц. ГУСЕЙНОВА Г. Г.

Азербайджанский архитектурно-строительный университет

В связи с ужесточением требований, предъявляемых к экологическим показателям технологических процессов, в том числе в области водоприго-товления, для ТЭС и систем теплоснабжения в Азербайджанском архитектурно-строительном университете (АзАСУ) разработаны новые технологии умягчения, химического, термического и комбинированного обессоли-вания пресных вод с сокращенными реагентами и стоками.

В АзАСУ также разработаны новые технологии термического обессо-ливания морских вод без образования накипи на поверхности нагрева теп-лообменных аппаратов, в том числе испарителей путем предварительного умягчения морской воды Ка-катионированием без привозной соли для регенерации катионита [1,2].

Все современные прогрессивные технологии водоприготовления, как отечественные, так и зарубежные, основаны на противоточном принципе ионирования, который позволяет уменьшить удельный расход реагентов на регенерацию ионитов и повышает степень очистки воды. Однако противо-точное ионирование до сих пор было ограничено недостаточно эффективными конструкциями противоточных фильтров. В России принцип проти-воточной технологии ионирования и конструкции противоточных ионит-ных фильтров впервые был предложен Ф. Г. Прохоровым [3], который в качестве противоточных использовал конструкции, исполняемые в одном и двух фильтрах. В варианте с одним фильтром предусматривается установка нижней и верхней дренажной систем. Верхняя дренажная система монтируется либо в верхней части фильтра, либо немного ниже. В первом случае фильтр полностью загружается ионитом. Для взрыхления ионита часть его перегружается в другую емкость. Затем непосредственно в фильтре и емкости осуществляется взрыхление ионита, который из емкости для взрыхления вновь перегружается в фильтр. Во втором случае высота загрузки ионита принимается такой же, как в прямоточных фильтрах. Верхняя дренажная система устанавливается на 0,15...0,3 м ниже уровня ионита. Направления пропускания регенерационного раствора и отмывочной воды принимаются против направления пропускания обрабатываемой воды как снизу вверх, так и сверху вниз. Во втором варианте противоточная технология осуществляется в двух так называемых ступенчато-противо-точных фильтрах. При этом оба последовательно включаемые фильтры работают в прямоточном режиме как единое целое: они вместе регенерируются и вместе работают. Если обрабатываемая вода пропускается сначала через первый, а затем через второй фильтры, то при регенерации реге-нерационный раствор пропускается сначала через второй, а затем - через первый фильтры. Объем загрузки ионита во втором корпусе составляет

25...30 % общего количества, тем самым обеспечивая высокий удельный расход регенерационного раствора через второй корпус, а следовательно, повышение степени очищаемой воды. Предложены несколько вариантов ступенчато-противоточного ионирования воды.

Однако [3] противоточная конструкция в одном фильтре имеет такие недостатки, как вынос мелких частиц ионита через щели верхней дренажной системы; непригодность обоих вариантов ее исполнения для ионитов, резко изменяющих объем в зависимости от ионной формы; требование частичной перегрузки ионита для взрыхления; неэффективное увеличение первоначального расхода ионита на 20.30 %. Кроме того, для предотвращения перемешивания слоев ионита поверх фильтра через верхнюю распределительную систему подается блокирующий поток воды. Это приводит к увеличению удельного расхода воды на собственные нужды установки и количества образуемых при регенерации стоков, причем в разбавленном виде, что затрудняет их дальнейшую обработку. В результате того, что верхняя дренажная система устанавливается на высоте, где в основном находятся мелкие частицы ионита, щели дренажной системы забиваются этими частицами, увеличивая гидравлическое сопротивление фильтра и нарушая нормальный гидравлический режим его работы.

Эти и другие недостатки, присущие противоточному фильтру указанной конструкции, не позволяют широко использовать его в промышленности.

Применение же ступенчато-противоточной конструкции фильтров не позволяет существенно уменьшить удельный расхода регенерационно-го раствора на регенерацию ионитов.

Фирма Dow chemikal company (США) разработала технологию проти-воточной регенерации ионитных фильтров Upcore [4].

Upcore предусматривает загрузку ионитного фильтра на 80.85 % полезного объема ионитом и на 8.10 % - инертным материалом. Цикл работы фильтра состоит из обработки воды в направлении сверху вниз, прижатии слоя смолы перед его регенерацией к верхней дренажной системе потоком воды, подаваемой в фильтр с большой скоростью, регенерации и отмывки снизу вверх с обычной скоростью.

По мнению авторов, при противоточной регенерации по системе Upcore слой смолы находится в зажатом состоянии, что предотвращает перемешивание регенерируемых слоев ионита и обеспечивает высокую эффективность процесса.

Однако после поднятия и прижатия слоя ионита к верхней дренажной системе начинается регенерация ионита регенерационным раствором со скоростью, значение которой в несколько раз меньше скорости воды для его прижатия. Вследствие этого происходят постепенное оседание слоев ионита и перемешивание хорошо и плохо отрегенерированных слоев. В результате ухудшается качество регенерации ионита, а впоследствии и процесса очистки воды. Кроме того, из-за отсутствия стадии нормального взрыхления ионита происходит зашламление ионитного материала в фильтре, что тоже ухудшает показатели водоочистки. В качестве примера можно привести результаты внедрения этой технологии на Казанских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 в 1998. 1999 гг., на каждой из которых были монтированы по од-

ному противоточному фильтру для работы по технологии иРСОКЕ. В ходе пусконаладочных работ результаты процесса Н-катионирования на первой ступени ионирования оказались не лучше, чем на установке, работающей там же по традиционной технологии. Поэтому по решению руководства станции эти фильтры были переделаны под двухпоточно-противоточную конструкцию, которая будет рассматриваться ниже.

Технология ирсоге внедрена также на ТЭЦ-12 Мосэнерго. Здесь удельные расходы реагентов кислоты и щелочи на регенерацию ионитов почти в 1,5 раза превышали стехиометрические расходы и составили соответственно 1,5. 1,6 и 1,4. 1,5 г-экв/(г-экв) [5].

В соответствии с противоточной технологией «Швебебет» подача обрабатываемой воды осуществляется снизу вверх, а регенерационного раствора - сверху вниз. Фильтр практически полностью загружается ионитом. Для предотвращения засорения колпачков верхней дренажной системы мелкими частицами ионита часть свободного объема фильтра заполняется инертным материалом. Перед регенерацией уплотненный слой катионита опускается к нижнему дренажу и происходит его разрыхление, эта операция заменяет стадию взрыхления. По мере роста перепада давления в фильтре для нормального взрыхления ионита он перегружается в другую емкость. При очистке воды ионитный слой должен постоянно прижиматься к верхней дренажной системе. При эксплуатации же ионитных установок расход обрабатываемой воды через фильтр постоянно меняется. Это приводит к ухудшению качества очищенной воды и препятствует внедрению данной технологии.

По технологии «Амберпак» направление движений потоков очищаемой воды и регенерационного раствора аналогично направлению по технологии «Швебебет». Она предусматривает загрузку всего объема фильтра ионитом. Взрыхляющая промывка осуществляется периодически для нижнего слоя в специальной емкости. Поэтому ионитные фильтры часто забиваются шламом, ухудшая очистку воды. Из-за высокой чувствительности к содержанию взвешенных веществ в исходной воде, как и другие аналогичные технологии, системы «Швебебет» и «Амберпак» не нашли практического применения на водоподготовительных установках СНГ.

Конструкции противоточных ионитных фильтров разработаны также в России. Противоточный ионитный фильтр ЗАО «Энергокаскад» представляет собой «фильтр в фильтре». Это увеличивает металлоемкость конструкции, усложняет и увеличивает количество операций, в процессе которых происходит разбавление отработанного регенерационного раствора, что затрудняет его утилизацию.

НИИ «Водгео» и НПФ «Экос Водгео» запатентован (РФ № 2139253 «Способ ионообменной обработки воды») способ, аналогичный технологии Ирсоге. Его отличие от зарубежной технологии заключается в основном в том, что регенерация и отмывка фильтра производятся после прижатия слоя ионита к верхнему распределительному устройству с той же скоростью, как для воды прижатия. Ионит периодически перегружается в специальную емкость взрыхляющей промывки.

Недостатки этой технологии заключаются в: уменьшении времени контакта катионита с регенерационным раствором, в результате чего ухудша-

ются показатели регенерации катионита; частичном перемешивании слоев ионита после его регенерации и отмывки, что ухудшает качество обрабатываемой воды; усложнении процесса взрыхления ионита, что должно осуществляться не периодически, как утверждают авторы, а часто из-за недостаточно эффективной работы предочисток.

Данная технология была внедрена в 1999 г. в «Плутон» и 2001 г. - на РТС «Люблино», где получены следующие результаты: рабочая динамическая обменная емкость КУ-2-8 - 1100.1200 г-экв/м3; удельный расход поваренной соли на регенерацию - 100.110 г/(г-экв); жесткость умягченной воды в течение основной части фильтроцикла не превышает 10. .15 мкг-экв/л [6]. Отсюда следует, что удельный расход соли на регенерацию КУ-2-8 составляет 100. 110 г/(г-экв), как и при использовании наиболее простых и дешевых прямоточных фильтров. При этом возникает вопрос о целесообразности применения данных конструкций противоточных фильтров.

«ВНИИАМ-Аквахим» предлагает технологическую схему противоточ-ной регенерации ионитных фильтров, согласно которой регенерационный раствор в фильтр подается снизу вверх. Для предотвращения перемешивания слоев ионита осуществляется рециркуляция части отработанного раствора с выхода из средней распределительной системы в верхнюю часть фильтра насосом.

Такая технологическая схема противоточной регенерации фильтра была предложена в АзАСУ в 1986 г. В [7], например, отмечалось, что насос прокачивает отработанный раствор, выходящий из среднего дренажного устройства, в верхнюю часть фильтра. Тогда применение этой технологии регенерации считали нецелесообразной из-за ее сложности по сравнению с двухпоточно-противоточной (ДП) технологией. Кроме того, при регенерации катионита раствором кислоты увеличивается опасность выпадения гипса в верхней части фильтра в отработанном растворе, подаваемом туда насосом.

С учетом недостатков противоточной конструкции фильтров в АзАСУ разработана технология двухпоточно-противоточного ионирования на двухпоточно-противоточных фильтрах [8]. В этой конструкции в фильтре, нижней части и загрузке ионита расположены сборно-распределительные устройства (СРУ), дренажные системы.

Согласно разработанной технологии обрабатываемая вода (регенераци-онный раствор) в ДП-фильтр подается двумя потоками: сверху и снизу, а обработанная вода (отработанный регенерационный раствор) отводится через СРУ. При регенерации ионита (обработки воды) регенерационный раствор (обрабатываемая вода) в фильтр подается сверху. Отработанный регенерационный раствор (обработанная вода) из фильтра отводится через нижнее распределительное устройство (НРУ).

Следовательно, ДП-фильтры могут эксплуатироваться в двух режимах: двухпоточной подачи обрабатываемой воды и двухпоточной подачи реге-нерационного раствора. Первый режим обычно используется на установках с большой производительностью, так как производительность ДП-фильтра почти в два раза превосходит производительность обычных прямоточных фильтров. Независимо от этих режимов загрузка ионита, расположенного

под СРУ, всегда работает по противоточной схеме. Причем этот слой ионита, как правило, находится в неподвижном состоянии, что обеспечивается потоком обрабатываемой воды (регенерационного раствора), подаваемого сверху в фильтр, позволяет снизить удельный расход регенерата в ДП-фильтрах в 1,5.2,0 раза по сравнению с обычными прямоточными фильтрами. Таким образом, использование ДП-конструкции фильтров позволяет снизить удельный расход реагентов на регенерацию, расход воды на собственные нужды, количество образующихся при регенерации стоков и сбросных солей в их составе, а также повысить производительность в рабочем режиме почти в два раза.

Названные ДП-конструкции фильтров в настоящее время выпускаются Таганрогским котельным заводом (Россия) под маркой ФИПр-2П (фильтр ионитный двухпоточно-противоточный) как для катионитных, так и для анионитных фильтров диаметрами 2,6; 3,0 и 3,4 м. Головные образцы данных фильтров диаметрами 3,0 и 3,4 м смонтированы на установке водопри-готовления на Минской ТЭЦ-3 (химобессоливание - 560, умягчение -930 м /ч). Технологическая схема этой установки разработана в АзАСУ, спроектирована БЕЛНИПИэнергопром и работа ее налажена с участием наших представителей. Как показали результаты испытаний и эксплуатации на натрий-катионитной установке, удельный расход соли на регенерацию по сравнению с прямоточными фильтрами для катионита КУ-2-8 при обменной емкости поглощения 1010 г-экв/м3 снижается с 2 до 1,5 г-экв/(г-экв). Количество выбрасываемой соли в дренаж и воды на отмывку катионита соответственно уменьшилось в 2 и 1,5 раза. Расход обрабатываемой воды на фильтре диаметром 3,0 м можно повысить до 700 м /ч, т. е. в два раза больше, чем на прямоточных фильтрах одинаковых диаметров [9]. На этой же станции на химобессоливающей части установки были использованы ДП-фильтры диаметром 3,4 м. Удельные расходы реагентов кислоты и щелочи на регенерацию ионитов были снижены практически до стехиометри-ческих значений (1,2. 1,3 г-экв/(г-экв)), т. е. значительно ниже, чем на других аналогичных конструкциях.

Работа ДП-фильтров на этой установке показала ее эффективность. Фильтры ДП-конструкции используются на Казанских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, на электростанциях Башкирии (Кармановсая ГРЭС, Салаватская ТЭЦ и др.). У данных фильтров отсутствует проблемы со взрыхлением ионита. При удовлетворительной работе предочистки нет необходимости взрыхлять каждый раз весь объем загрузки, достаточно взрыхлять только часть ионита, расположенного над СРУ. Вся загрузка ионита участвует в ионном обмене и взрыхляется через каждые 4.5 фильтроциклов. При работе фильтров нет необходимости в загрузке инертного материала, не требуется подача «блокирующего» потока, вследствие чего отсутствует разбавление отработанного раствора. Таким образом, фильтры ДП-кон-струкции в настоящее время являются наиболее приемлемыми для водо-подготовительных установок и не имеют аналогов.

Производство ДП-фильтров налажено также на Бийском котельном заводе.

За последние годы в АзАСУ разработаны новые высокоэффективные, экологически чистые и ресурсосберегающие технологии химобессоливания и умягчения пресных и соленых вод. Условно их можно подразделить на две группы:

1. Технологии, для внедрения которых не требуются схемные изменения на водоподготовительных установках. Их можно внедрять на установках с традиционными схемами при отсутствии возможности вложения средств для резкого повышения эффективности режима работы. Данные технологии позволяют значительно снизить удельный расход реагентов кислоты или щелочи или же обеих на регенерацию ионитов, уменьшить количество воды на собственные нужды, выбрасываемых стоков и солей в их составе, повысить значение рабочих емкостей поглощения ионитов.

2. Технологии, внедрение которых требует изменения в схеме установки. С их помощью, кроме отмеченных, достигается снижение удельного расхода регенерационных растворов (практически до стехиометрических значений), резкое повышение значений рабочих обменных емкостей поглощения ионитов, особенно катионитов, получение сточных вод в виде легкоутилизируемых мягких растворов.

Иногда эффективность водоприготовления еще больше повышается при комбинированной выработке различного качества вод, например химобес-соленной для восполнения потерь в цикле паротурбинной установки, умягченной для подпитки тепловых сетей, воды для подпитки оборотного охлаждения и так далее. Для таких условий разработанные технологические схемы водоприготовления позволяют улучшить не только технико-экономические, но и экологические показатели установки. В большинстве случаев отработанные растворы, образующиеся при регенерации ионитных фильтров, утилизируются в самом процессе регенерации (например, технология, разработанная для снижения удельного расхода щелочи на регенерацию анионитных фильтров практически до стехиомет-рических значений). Способ запатентован в Азербайджанской Республике (№ И20030003 от 02.01.2003). Для внедрения указанной технологии на хи-мобессоливающей установке не требуются изменения в схеме. Для этого достаточно поменять параметры технологического процесса, что позволит снизить практически до теоретического значения удельный расход щелочи на регенерацию, повысить обменную емкость поглощения низко- и среднеосновных анионитов, уменьшить количество выбрасываемых солей в составе отработанного раствора почти в 1,5.2,0 раза, получить отработанный раствор, не содержащий щелочи.

Для Н-катионитных фильтров, которые функционируют по традиционным технологиям, разработан способ регенерации катионита без изменения в схеме установки, позволяющий снизить удельный расход кислоты на регенерацию на 30.40 % [10].

Разработана экологически чистая технология регенерации Н-ка-тионитных фильтров с повторным использованием кислоты из предыдущей регенерации. Для внедрения этой технологии не требуются изменения в схеме водоподготовительной установки.

Разработаны, исследованы и внедрены на нескольких объектах новые высокоэффективные технологии химобессоливания воды, позволяющие уменьшить удельный расход кислоты и щелочи на регенерацию ионитов практически до стехиометрических значений, повысить значение обменной емкости катионитов в 1,5.2,5 раза, снизить расход воды на собственные нужды и количество образующихся при этом стоков в виде мягких растворов. Для внедрения этих технологий необходимы схемные изменения на установке и использование фильтров ДП-конструкции.

Для приморских условий разработаны технологии химобессоливания пресной воды с сокращенными стоками и с реагентами на регенерацию ионитов с использованием морской воды. Все стоки, полученные на хи-мобессоливающей установке в этих условиях, представляют собой нейтральные растворы, которые можно сбрасывать в море.

Разработаны новые оригинальные технологии, позволяющие обессоливать пресные воды в одном фильтре. Отличие этой технологии от зарубежных заключается в том, что здесь удельные расходы реагентов на регенерацию ионитов приближаются к стехиометрическим значениям, улучшаются также и другие технико-экономические и экологические показатели.

Представляет несомненный интерес разработанная нами технология, обеспечивающая получение химобессоленной и умягченной воды на одной установке, что осуществляется внедрением двухстадийного режима работы катионитов. Вследствие этого удельный расход регенерационного раствора кислоты на регенерацию катионитных фильтров снижается практически до стехиометрической величины, повышается значение рабочей обменной емкости слабокислотных и полифункциональных катионитов, сокращаются в 1,5.2,0 раза количество сбросных стоков (причем они получаются в виде мягких растворов) и расход воды на собственные нужды установки.

В Ы В О Д

Технологии, разработанные в АзАСУ в последние годы, разнообразны и могут использоваться в зависимости от условий работы водоподготови-тельной установки, т. е. от состава исходной воды, количества и качества требуемых вод, возможности применения реагентов, наличия разрешения на сбросы, и многих других факторов, во главе которых - финансовые возможности объекта.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ф е й з и е в Г. К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоли-вания 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. Ш к р о б М. С., П р о х о р о в Ф. Г. Водоподготовка и водный режим паротурбинных электростанций. -М.: Госэнергоиздат, 1961. -471 с.

4. Г р о м о в С. Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол иРСОКЕ: Промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. - 1998. -№ 3.-С. 52-55.

5. В н е д р е н и е противоточной технологии иРСОКЕ на ВПУ по обессоливанию воды на ТЭЦ-12 Мосэнерго / И. И. Боровкова, И. С. Балаев, С. Л. Громов и др. // Электрические станции. - 2000. - № 5. - С. 37-39.

6. О п ы т применения технологии противоточного натрий-катионирования в котельных / Э. Г. Амосова, П. И. Долгополов, Н. В. Потапова и др. // Сантехника. - 2003. - № 2.

7. Д ж а л и л о в М. Ф., Н а с и р о в А. М. Способ регенерации ионитных фильтров // Информационный листок Аз.НИИНТИ: Сер. Энергетика и автоматика. - 1986. - № 28. - 4 с.

8. А. с. 676311 СССР, МКИ2 В 01 I 1/09//С 02В 1/76. Способ регенерации ионитных фильтров / Г. К. Фейзиев // Открытия. Изобретения. - 1979. - № 28.

9. О п ы т 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 и энерг. объединений СНГ). - 1997. - № 1-2. - С. 71-75.

10. Д ж а л и л о в М. Ф., К у л и е в А. М., Ф е й з и е в И. Г. О технологиях хи-мобессоливания воды с сокращенными расходами реагентов и сокращенными стоками // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2001. - № 2. -С. 106-109.

Представлена кафедрой теплоснабжения и теплотехники Поступила 20.04.2005