Современные проблемы реконструкции водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий

УДК 541.183

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

© 2012 г. Е.В. Веселовская, О.В. Луконина, А.Г. Шишло

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрены вопросы реконструкции ионообменной части водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий, в том числе при различных вариантах реализации технологии ионного обмена. В современных условиях подготовка добавочной воды требует использования новых материалов и технологий, применение которых характеризуется минимальным вторичным загрязнением. В лабораторных и промышленных условиях доказана эффективность подобной комплексной реконструкции при обработке некоторых категорий природных вод.

Ключевые слова: водоподготовительные установки; технологии ионного обмена; вторичное загрязнение.

We considered the issues of reconstruction of the ion-exchange part of the water purification systems on the heat power enterprises, also in different variants of realization the technology of ion exchange. Under present conditions the preparation of additional water requires the use of new materials and technologies, the use of which is characterized by minimal secondary pollution. The efficiency of this complex reconstruction during the processing certain categories of natural water is proved In laboratory and industrial conditions.

Keywords: water purification systems; technology of ion exchange; secondary pollution.

Традиционно технологические схемы водоподготовительных установок (ВПУ) ТЭС и ТЭЦ представляет собою, как правило, два последовательно соединенных блока - так называемую предочистку, предназначенную для удаления из воды взвешенных и коллоидных примесей, и обессоливающую часть ВПУ, назначение которой - корректировка ионного состава обрабатываемой воды.

От эффективности работы предочистки существенно зависит качество корректировки ионного состава воды на второй ступени технологической схемы. При резком повышении концентрации взвешенных веществ, а в паводковый период данный показатель может возрастать в 5 - 6 и более раз, происходит вынос взвешенных частиц и коллоидных примесей вместе с фильтратом и, соответственно, ухудшение условий эксплуатации обессоливающей части технологической схемы. Данное явление крайне нежелательно, независимо от того, чем представлена обессоливающая часть ВПУ - мембранными или традиционными ионообменными установками.

Проведенные нами исследования касались проверки устойчивости работы традиционных ионообменных установок в условиях повышенного выноса взвесей при различных вариантах реализации технологии ионного обмена.

В настоящее время на ВПУ современных предприятий теплоэнергетики используются противоточ-ные ионообменные технологии «швебебед», «апкоре», «амберпак», а также менее распространенные технологии «мультистеп», «ринзебет», «лифтбет», пришедшие на смену традиционной прямоточной (параллельно-точной) технологии ионного обмена. Прямоточная технология является наименее совершенной с точки зрения величин расходов регенерирующих растворов. Это объясняется тем, что концентрационный напор, представляющий собой разность концентраций между ранее задержанными ионами, извлеченными из обрабатываемой воды, и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора, по мере продвижения регенерационного раствора через слой ионита, уменьшается. Это приводит к неполноте регенерации нижерасположенных слоев ионита, что в свою очередь сказывается на качестве обессоливания воды в последующем цикле фильтрования. Помимо повышенных расходов регенерирующих растворов, при использовании данной технологии наблюдаются увеличение объемов вод, идущих на отмывку ионита от агрессивных регенерационных растворов и, соответственно, рост общего количества сточных вод, не соответствующих нормативам сбросов в природные водоемы и

канализационные сети. В отличие от прямоточного противоточное фильтрование заключается в подаче регенерационного раствора и обрабатываемой воды в разных направлениях. Несмотря на преимущества данной технологии, противоточное фильтрование нашло промышленное применение лишь с появлением специальных конструкций фильтров и развитого производства разнообразных высокоэффективных и высокопрочных ионитов. При противоточной технологии ионирования наиболее хорошо отрегенерирован-ный слой ионита располагается на выходе из фильтра. В данном случае обрабатываемая вода проходит слои ионита со всё более увеличивающейся глубиной регенерации, т. е. концентрационный напор сохраняет свою величину по всему направлению движения воды. Это обеспечивает высокое качество умягчения и деминерализации, максимальную полноту использования рабочей обменной емкости ионита, уменьшение расхода реагентов на регенерацию, снижение объемов вод, идущих на отмывку отрегенерированных фильтров и, соответственно, объемов агрессивных сточных вод, требующих очистки или утилизации.

При организации работы ВПУ необходимо учитывать, что несмотря на то, что большая часть основных органических загрязнений воды имеет небольшую молекулярную массу, но при определенных условиях они могут образовывать крупные ассоциаты и частично переходить в коллоидно-дисперсионное состояние. Данное обстоятельство особенно важно учитывать в том случае, когда обессоливающая часть ВПУ представлена прямоточными ионно-обменными фильтрами, работающими при линейных скоростях 10 - 15 м/ч в условиях низкоэффективной предочист-ки. По различным оценкам до 85 - 95 % величины цветности природных вод обусловлено именно гуми-новыми соединениями и фульвокислотами. Гумино-вые кислоты содержат ароматические кольца изо- и гетероциклического строения, являясь природными полиоксикислотами. Особенностью гуминовых кислот является способность из кислых солей щелочных и щелочно-земельных металлов образовывать коллоидные растворы. Молекулярная масса гуминовых и фульвокислот может составлять до 50000, а размеры молекул находятся в интервале 5-10"10 - 5-10"8 м.

Молекулярная масса примесей антропогенного происхождения изменяется в очень широких пределах, но большая часть имеет относительно небольшую массу (порядка 200 - 300) и может при определенных условиях образовывать крупные ассоциаты и частично переходить в коллоидно-дисперсионное состояние. Данное обстоятельство чрезвычайно важно, если в состав ВПУ ТЭС входят баромембранные установки, так как переход примесей в коллоидно-дисперсионное состояние весьма вероятен в застойных зонах мембранных установок и в зонах выраженной концентрационной поляризации.

Реконструкция ионообменных фильтров с прямоточной регенерацией в фильтры с противоточной регенерацией с восходящим потоком регенерата осуществляется достаточно просто и не требует существенных материальных затрат. Однако гидравлические характеристики ионообменных фильтров после подобной реконструкции оставляют желать лучшего с учетом того, что соотношение высота/диаметр (H/D) фильтров составляет 0,5 - 1 (оптимальное соотношение для прямоточных фильтров, работающих при низких скоростях фильтрования), а предпочтительное значение для противоточных фильтров - порядка 2. Кроме того, зачастую ионообменные фильтры изношены и качество химической защиты их внутренней поверхности неудовлетворительно, что недопустимо при повышенных скоростях фильтрования, составляющих для противоточного фильтрования до 40 м/ч и более .

Преимущество противоточных технологий перед традиционным прямоточным фильтрованием состоит в существенном увеличении скорости фильтрования, снижении расходов реагентов на регенерацию и расходов воды на собственные нужды ионообменной части ВПУ, увеличении рабочей обменной емкости фильтрующей загрузки и улучшении качества фильтрата. Однако полученные нами данные в лабораторных условиях исследования показали, что перевод фильтров с соотношением H/D 0,5 - 1 на противо-точное фильтрование все вышеперечисленные достоинства данной технологии сводит на нет. В частности, во избежание гидравлических нарушений требуется снизить скорость фильтрования и, соответственно, увеличить продолжительность фильтро-цикла. В то же время увеличение фильтроцикла приводит к отравлению ионообменных смол органическими соединениями и, соответственно, сказывается на качестве фильтрата.

Проведенные нами в лабораторных условиях исследования показали, что минимизировать недостатки при подобном переходе на противоточную схему фильтрования возможно при использовании технологии «амберпак» и «ринзебет». Очевидно, данные конструктивные особенности ионообменных фильтров при реализации противоточной технологии позволяют уменьшить гидравлические нарушения.

Нами была разработана технологическая схема ВПУ ТЭЦ для подготовки добавочной воды для котлов среднего давления на основе воды, подаваемой на ВПУ из скважины глубиной 28,5 м, характеризующейся высокой мутностью (прозрачность - 2,5 см), цветностью и величиной солесодержания, препятствующей ее непосредственному использованию для нужд теплоэнергетики (подготовка и качество обессоленной воды соответствовали «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» Минэнерго России. М.: СПО ОРГРЭС, 2003).

С учётом данных факторов была предложена следующая технологическая схема водоподготовки: предварительное отстаивание с последующим обеззараживанием; механическое фильтрование; фильтрование на макропористых анионообменных фильтрах; ионообменное умягчение и, наконец, обессоливание методом ионного обмена.

Таким образом, предварительная механическая очистка от грубодисперсных взвешенных частиц осуществляется методами отстаивания и фильтрации. Бак-отстойник, снабженный внутренней кольцевой перегородкой, рассчитан на четырехчасовое пребывание в нем воды, непрерывно движущейся в направлении сверху вниз и затем снизу вверх со скоростями порядка 1,2 м/ч. Скапливающийся в нижней конической части бака-отстойника осадок не содержит никаких искусственно внесенных химических реагентов и периодически сбрасывается в систему городской канализации. Предварительная аэрация способствует переводу растворенного двухвалентного железа в нерастворимую форму, которая (с учетом величины исходной концентрации) легко извлекается из воды методами отстаивания и последующей механической фильтрации. После отстаивания вода попадает в промежуточный бак, откуда насосом подается на последующие сооружения. Механический фильтр загружен антрацитовой крошкой фракциями 1,6 - 2,2 мм, обеспечивающей достаточную степень очистки при приемлемых гидравлических характеристиках. Для предотвращения возможного биообрастания загрузочного материала фильтров вода перед подачей на механический фильтр подвергается обеззараживанию ультрафиолетовым облучением на установке УФО-обез-зараживания. Очищенная таким образом от грубодис-персных взвешенных частиц на механическом фильтре вода поступает на фильтр, загруженный макропористым анионообменным материалом в С1-форме. Назначение данного материала - полное извлечение из воды органических соединений и коллоидных частиц, которые оказывают деструктивное воздействие на катионообменный материал ионообменного фильтра и мембраны обратноосмотической установки, сокращая срок их службы и ухудшая качество очистки воды.

Предварительная корректировка ионного состава воды (умягчение) осуществляется на №-катиони-товом фильтре. Его предназначение - удаление катионов жесткости (остаточная величина жесткости - менее 0,1 мг-экв/л), способствующее улучшению условий эксплуатации (снижению осадкообразования) мембран обратноосмотической установки. Преимущество данной технологической схемы - использование одного реагента для регенерации обоих ионообменных фильтров - поваренной соли в виде 8%-го раствора. Обессоленная вода после обратноосмотической установки, соответствующая по качеству нормам ПТЭ, попадает в бак запаса обессоленной воды. Реге-

нерация механического фильтра осуществляется обратной промывкой очищенной водой (после аниони-тового фильтра в С1-форме). Регенерация анионитово-го и №-катионитового фильтров осуществляется раствором №С1, для приготовления которого используется обессоленная вода. Для приготовления 4%-го регенерационного раствора лимонной кислоты для периодических промывок мембран установки также используется обессоленная вода из бака запаса обессоленной воды.

Работа установки полностью автоматизирована, в том числе управление насосами, контроль качества воды на входе и выходе из установки и переключение основного оборудования на режимы регенерации через заданные интервалы времени

При эксплуатации установки образуются следующие виды сточных вод: сбросные воды бака-отстойника, промывные воды механического фильтра, отработанные регенерационные воды анионитового фильтра, промывные воды анионитового фильтра, отработанные регенерационные воды катионитового фильтра, промывные воды катионитового фильтра, отработанные регенерационные воды установки обратного осмоса, концентрат установки обратного осмоса.

При этом эксплуатация установки имеет следующие преимущества:

- при эксплуатации установки не образуются осадки, требующие обезвоживания и утилизации;

- все сточные воды, образующиеся в процессе эксплуатации установки, подлежат приему в городскую канализационную сеть - они имеют нейтральную величину рН и не требуют создания дополнительных технологических узлов для их нейтрализации и обезвреживания;

- для регенерации катионитового и анионитового фильтров используется один реагент, что позволяет минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты;

- стабильность работы ионообменных фильтров обеспечивается при изменениях расхода поступающей воды и даже при кратковременных перерывах в подаче воды за счет сохранения отрегенерированного слоя ионита в нижней части фильтра;

- роль взрыхляющей промывки сведена к минимуму, что также позволяет минимизировать объемы сточных вод;

- очищаемая вода перед установкой обратного осмоса проходит многоступенчатую очистку, в том числе на высокоэффективном анионообменном материале, что позволяет избежать осложнений, характерных для эксплуатации баромембранных установок с недостаточной предочисткой;

- узел умягчения (катионитовый фильтр) и узел обессоливания (обратноосмотическая установка) являются автономными, и при выходе одного из них из строя другой в течение краткого периода времени (до устранения неполадок) может осуществлять подго-

товку добавочной воды приемлемого качества, соответствующего нормам ПТЭ;

- проверка возможности перевода стандартных параллельно-точных ионообменных фильтров на про-тивоточное фильтрование путем замены только внутренних дренажно-распределительных устройств доказала возможность получения устойчивых удовлетворительных технических параметров эксплуатации в целом по ВПУ.

Преимущество данной технологической схемы состоит также в том, что позволяет обеспечивать оптимальную продолжительность фильтроцикла при обработке высокоцветных вод, обеспечивая удаление низкомолекулярной органики более чем на 98 %. При этом устойчивая работа установки возможна даже при скоростях фильтрования через ионообменные фильтры при противоточной схеме регенерации не менее 25 - 30 м/ч.

Поступила в редакцию 5 февраля 2012 г.

Веселовская Елена Вадимовна - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru

Луконина Ольга Владиславовна - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru

Шишло Анна Геннадьевна - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru

Veselovskaya Elena Vadimovna - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru

Lukonina Olga Vladislavovna - post-graduate student, department «Thermal Power Stations», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru

Shyshlo Аnna Gennadievna - post-graduate student, department «Thermal Power Stations», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-903-461-87-26. E-mail: tes252@yandex.ru