СИСТЕМА ГЛУБОКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ ПРЕСНЫХ И СОЛОНОВАТЫХ ВОД

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована для получения глубоко обессоленной воды из природных пресных и солоноватых вод.
В настоящее время на ряде ТЭС для глубокого обессоливания воды применяют систему, последовательно включающую осветлительную установку (осветлители и механические фильтры), установку обратного осмоса (УОО) в качестве первой ступени обессоливания и Н- ОН-ионитные фильтры в качестве второй ступени обессоливания [1, 2] - аналоги. Недостатком этой системы является повышенный расход концентрата (продувочной воды) вследствие неглубокого концентрирования обрабатываемой воды в УОО и соответственно низкий расход получаемого пермеата (обессоленной воды) после УОО. Указанный недостаток является результатом того, что в УОО не предусмотрено повышение рабочего давления, обеспечивающего неизменные условия проведения обратноосмотического процесса по мере увеличения солесодержания концентрата. Кроме того, указанный недостаток является следствием упрощенной схемы предочистки, которая не позволяет достаточно глубоко удалять из воды карбонатную жесткость. Еще одним недостатком системы по [1, 2] является сброс отработанных регенерационных растворов от ступени Н-ОН-ионирования, содержащих высокие концентрации реакционноспособной кислоты и щелочи.
Известна принимаемая в качестве прототипа система глубокого обессоливания пресных и солоноватых вод, содержащая последовательно включенные осветлительную установку, установку обработки осветленной воды на ионообменных фильтрах и обессоливающую мембранную установку обратного осмоса [3]. Процесс обратноосмотического обессоливания в установке по прототипу осуществляется при постоянном значении приложенного давления в аппаратах с однотипными мембранными элементами, при значительных величинах сброса концентрата 15-30%, которым соответствуют
низкие значения отношения расходов пермеата к концентрату n=2,3-5,7. Такая система обессоливания позволяет обеспечить режим работы УОО без образования минеральных отложений в мембранных элементах при относительно неглубоком концентрировании обрабатываемой воды. Вместе с тем эта система, так же как и [1, 2], не позволяет увеличить выработку пермеата, а следовательно увеличить отношение расходов пермеата к концентрату и полезно использовать концентрат в качестве регенеранта Na-катионитного фильтра вследствие низкой концентрации в нем натриевых солей. В результате указанных особенностей прототипа расход воды на собственные нужды в целом по установке обессоливания остается достаточно высоким 23,5-51,4% от расхода получаемой обессоленной воды. Этот расход обусловлен значительной величиной сброса концентрата 15- 30% от расхода исходной обрабатываемой воды (или 17,6-42,8% от расхода обессоленной воды), а также расходом воды на собственные нужды предвключенных перед УОО Н- или Na-катионитных фильтров, который обычно составляет 5-6% от расхода катионированной воды (или 5,9-8,6% от расхода получаемой обессоленной воды). Итого в целом по установке расход воды на собственные нужды составляет 23,5-51,4% от расхода получаемой обессоленной воды.
К недостатком прототипа следует отнести также:
- относительно высокие значения показателей жесткости и щелочности в исходной воде перед УОО,
- неглубокое обессоливание воды (7-50 мкСм/см электропроводимости) вследствие отсутствия дополнительной ступени Н-ОН-ионирования пермеата,
- загрязнение мембранных элементов органосодержащими отложениями при обработке воды с повышенным содержанием органических веществ (в том числе техногенного происхождения).
Достигаемыми результатами полезной модели являются:
- существенное увеличение выхода пермеата с обратноосмотической установки и уменьшение расхода концентрата, которым соответствуют более высокие значения отношения расходов пермеата к концентрату 7-99;
- повышение качества обессоленной воды (до <0,5 мкСм/см электропроводимости);
- сокращение сбросов концентрированных растворов по ступеням обессоливания и, соответственно, уменьшение расходов воды на собственные нужды установки (до 3-17% от расхода получаемой глубоко обессоленной воды).
Указанные результаты обеспечиваются тем, что в системе глубокого обессоливания природных пресных и солоноватых вод, содержащей последовательно включенные осветлительную установку, установку обработки осветленной воды на ионообменных фильтрах и обессоливающую установку обратного осмоса, согласно полезной модели установка обратного осмоса имеет по меньшей мере две соединенные последовательно по ходу движения концентрата ступени обратноосмотических аппаратов с установленным между указанными ступенями повысительными насосами, а также линии соединения между указанными установками, причем каждая последующая ступень установки обратного осмоса оснащена мембранами, работающими при рабочем давлении, необходимом для обработки концентрата предыдущей ступени. При этом ионообменная установка обработки осветленной воды может содержать H-Na-фильтры или Na-катионитные фильтры, а после установки обратного осмоса включена установка Н-ОН-ионирования пермеата. Причем линия отвода концентрата с обратноосмотической установки подведена к Na-катионитныму фильтру, линия отвода кислого раствора от ступени Н-ОН-ионирования пермеата подключена к Н-катионитному фильтру или к линии осветленной воды перед Na-катионитным фильтром, а линия отвода щелочного раствора от той же ступени - к Na-катионитному фильтру.
При повышенном содержании органических соединений установка обработки осветленной воды может содержать Cl-ионитный или Н-Na-
катионитный и Сl-ионитный фильтры. Линия отвода концентрата из обратноосмотической установки и линия отвода щелочного раствора от ступени Н-ОН-ионирования пермеата подключены к Cl-ионитному фильтру.
Линия отвода кислого раствора от ступени Н-ОН-ионирования и линия отработанного раствора от Cl-ионитного фильтра подключены к Н-Na-катионитному фильтру.
В предлагаемой системе содержание ионов жесткости в воде, поступающей на обратноосмотическую установку составляет 3-5 мкг-экв/л, а щелочности - (0,1-0,2) мг-экв/л, т.е. существенно ниже, чем в прототипе.
Глубокое умягчение и декарбонизация питательной воды позволяют исключить загрязнение мембранных элементов даже при глубоком концентрировании воды, соответствующем заявленным значениям отношения расходов пермеата к концентрату в пределах n=7-99.
Предотвращение органических отложений на поверхности мембран обеспечивается дополнительной очисткой осветленной воды на Cl-ионитном фильтре, загруженном органопоглощающим анионитом, а необходимая эффективность поглощения органических веществ достигается за счет глубокой регенерации анионита концентратом обратноосмотической установки и отработанным щелочным раствором ОН-анионитного фильтра ступени Н-ОН-ионирования пермиата.
Выбранные диапазоны отношения расходов пермеата к концентрату обоснованы предельными условиями работы УОО на глубоко умягченной и декарбонизованной пресной или солоноватой воде.
Процесс обратноосмотического обессоливания воды реализуется под воздействием давления, значение которого превышает величину осмотического давления. Таким образом, значение рабочего давления, обеспечивающего процесс разделения (на пермеат и концентрат) определяется разностью между приложенным и осмотическим давлениями - ΔР.
По мере роста солесодержания концентрата при неизменной величине приложенного давления рабочее давление ΔР уменьшается, что и приводит к снижению производительности мембран.
Характерный диапазон общей минерализации природных вод составляет 100-1250 мг/л. В процессе обратноосмотического обессоливания происходит концентрирование до солесодержания соответственно солоноватых и засоленных вод. Используемые в практике обессоливания подобных вод мембранные элементы соответствующего типа имеют ограничения по солесодержанию концентрата ~5000 мг/л - солоноватые воды и ~10000 мг/л - засоленные воды. Указанное ограничение обусловлено тем, что при солесодержании концентрата в указанных пределах создаваемое давление ~1,6 МПа и ~4,0 МПа для соответствующего типа мембран обеспечивает необходимые параметры обратноосмотического процесса. При солесодержании концентрата выше 5000 мг/л и 10 000 мг/л вследствие роста осмотического давления приложенное давление (1,6 МПа и 4,0 МПа) для соответствующих типов обратноосмотических мембран недостаточно для обеспечения номинальной их производительности. В результате процесс обратноосмотического обессоливания нарушается и приводит к снижению производительности обратноосмотических мембран и установки в целом и ухудшению качества пермеата.
Рассмотрим процесс обессоливания в установке с последовательно смонтированными в две и более ступени (по ходу движения концентрата) блоками обратноосмотических мембранных аппаратов (модулей), собранных по параллельно-последовательной схеме и оснащенных двумя типами обратноосмотических мембранных элементов (например BW для обессоливания солоноватой воды и HR для обессоливания засоленной воды). В установке предусмотрено повышение приложенного давления не более 1,6 МПа на первой ступени и до 3,5-4,0 МПа на последней ступени при обеспечении необходимой скорости движения раствора (концентрата) в напорных каналах над поверхностью мембран в фильтрующих элементах (не менее 1 м/с).
Для маломинерализованных вод с солесодержанием 100 мг/л оптимальные условия обессоливания будут характеризоваться значением n=99, которому соответствует режим работы обратноосмотической установки с величиной расхода концентрата 1,0% от расхода питательной воды. При
этом солесодержание концентрата близко к предельному по условиям работы мембран. При n<99 увеличивается расход концентрата и соответственно снижается выход пермеата, кроме того, снижается солесодержание концентрата и его регенерирующая способность по отношению к сильнокислотному катиониту Na-фильтра. То есть, режим работы УОО не является оптимальным.
При n>99 в результате увеличения осмотического давления, производительность установки снижается до 90% от номинального, а также увеличивается солесодержание пермеата.
Для вод с солесодержанием 1250 мг/л оптимальные условия обессоливания будут характеризоваться значением n=7, которому соответствует режим работы обратноосмотической установки с величиной расхода концентрата 12,5% от расхода питательной воды. При этом солесодержание концентрата близко к предельному по условиям работы мембран. При n<7 увеличивается расход концентрата и соответственно снижается выход пермеата, кроме того, снижается солесодержание концентрата и его регенерирующая способность по отношению к сильнокислотному катиониту Na-фильтра. То есть, режим работы УОО также не является оптимальным.
При n>7 в результате увеличения осмотического давления, производительность установки снижается до 85% от номинального, а также увеличивается солесодержание пермеата.
Таким образом, приведенный диапазон значений отношения расходов пермеата к концентрату (n=7-99) определен, исходя из того, что при значениях n>99 даже для вод с исходной минерализацией 100 мг/л имеет место превышение предельного солесодержания концентрата 10000 мг/л, а при значениях n<7 даже для вод с исходной минерализацией 1250 мг/л солесодержание концентрата существенно ниже допустимого.
На фиг.1 в качестве одного из примеров реализации полезной модели схематически изображена система глубокого обессоливания (СГО), в которой на стадии предподготовки, кроме осветлителя (О) и механических фильтров (М), предусмотрены Н- и Na-катионитные фильтры; на фиг.2 -
другой пример реализации полезной модели в виде СГО, в которой на стадии предподготовки вместо Н-катионитного фильтра предусмотрено устройство для подкисления воды; на фиг.3 - еще один пример реализации полезной модели применительно к исходной воде с высоким содержанием органических соединений, в котором на стадии предподготовки дополнительно предусмотрен Cl-анионитный фильтр для удаления органических веществ.
СГО согласно полезной модели содержит осветлительную установку в составе осветлителя (О) 1, и механических (осветлительных) фильтров (М) 2, Н-катионитного фильтра (Н) 3, Na-катионитного фильтра (Na) 4 (фиг.1), H-Na-катионитного фильтра (Н, Na) 3,4, Сl-ионитного фильтра (Сl) 5 (фиг.3), а также насос 6 УОО первой ступени, УОО 7 первой ступени обессоливания, повысительный насос 8 УОО второй (или насосы второй и третьей) ступени, УОО 9 второй (или второй и третьей) ступени обессоливания, Н-ионитный фильтр 10, ОН-ионитный фильтр 11, линию 12 концентрата, линию 13 пермеата, линии 14, 15 соответственно подачи исходной воды и отвода глубоко обессоленной воды, а также линии 16, 17 подачи в ионитные фильтры и отвода соответственно кислоты и щелочи.
Система согласно полезной модели (фиг.1, 2) работает следующим образом. Исходная вода предварительно подается в осветлительную установку, где последовательно проходит осветлитель 1, механический фильтр 2, Н-катионитный фильтр 3 (фиг.1) и Na-катионитный фильтр 4. Умягченная декарбонизованная вода с помощью насоса 6 подается в первую ступень обессоливания УОО 7, затем с помощью повысительного насоса 8 под более высоком давлении поступает в УОО 9 на вторую ступень обессоливания. Пермеат из обеих ступеней обессоливания по линии 13 подается последовательно на Н- и ОН-ионитные фильтры соответственно 10 и 11. Для регенерации в Н-катионитный фильтр по линии 16 подается серная кислота в ОН-анионитный фильтр, во второй по линии 17 подается едкий натр. Концентрат от УОО 9 второй или последней ступени обессоливания и отработанный раствор щелочи из ОН-ионитного фильтра 11 подаются соответственно по линиям 12 и 17 на регенерацию Na-катионитного фильтра (фиг.1 и 2), Сl-
ионитного фильтра (фиг.3). Отработанный кислый раствор от Н-катионитного фильтра 10 подается по линии 16 на регенерацию Н-катионитного фильтра (фиг.1), подкисление осветленной воды перед Na-катионитным фильтром (фиг.2), на регенерацию H-Na-катионитного фильтра (фиг.3). Отработанный концентрат после Сl-ионитного фильтра 5 подается по линии 12 на регенерацию H-Na-катионитного фильтра 3, 4 (фиг.3).
Пример 1. Осветленная вода р. Кама после обработки в осветлителе 1 и на механических фильтрах (фиг.1) поступает на Н-Na-катионирование на фильтрах 3, 4, загруженных соответственно слабо- и сильнокислотным катионитами (МАС-3 и КУ-2-8), далее глубоко умягченная и декарбонизованная вода подается на обратноосмотическое обессоливание в последовательно смонтированные блоки мембранных аппаратов УОО 7 и 9. Первая ступень 7 аппаратов оснащена мембранными элементами BW, работающими при давлении до 1,6 Мпа. Последняя ступень этих аппаратов оснащена мембранными элементами HR, работающими под давлением не более 4,0 МПа.
Полученный пермеат подается на ионообменное дообессоливание на Н-ОН-фильтрах, загруженных соответственно катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8.
В таблице 1 приведены составы осветленной, Н-Na-катионированной воды, пермеата и концентрата обратноосмотической установки, обессоленного пермеата после Н-ОН-ионитных фильтров.
Процесс обессоливания ведут с расходом концентрата 2,86% от расхода питательной воды при отношении расхода пермеата к концентрату n=34.
Таблица 1
Показатели состава
Осветленная вода
H-Na-катиони-рованная вода
Пермеат
Концентрат
Пермеат после Н-ОН-фильтров
Жесткость, мг-экв/дм<sup>3</sup>
1,0
0,005
0,00012
0,17
0,0
Са<sup>2+</sup>, - « -
0,6
0,003
0,00007
0,10
0,0
Mg<sup>2+</sup>, - « -
0,4
0,002
0,00005
0,07
0,0
Щелочность, - « -
0,6
0,2
0,005
6,82
0,0
Na, мг/дм<sup>3</sup>
91,2
105
2,625
3583
0,11
Сl<sup>-</sup>, - « -
122
122
3,05
4162
0,1
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>, - « -
43
43
1,075
1467
следы
SiO<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, - « -
3,0
3,0
0,075
102,4
0,005
Солесодержание, - « -
293
285
7,125
9727
<0,3
Электропровода.,- « -
-
440
11
-
<0,5
ХПК, мгО/дм<sup>3</sup>
1,2
1,0
0,3
24,7
-
Пример 2. Осветленную воду р. Кама после обработки в осветлителе и на механических фильтрах установки (фиг.2) подкисляют отработанным раствором серной кислоты и подают на Na-катионирование на фильтрах, загруженных сильнокислотным катионитом (КУ-2-8), далее глубоко умягченную и декарбонизованную воду подают на обратноосмотическое обессоливание, в последовательно смонтированные блоки мембранных аппаратов УОО 7 и 9. Первая ступень 7 оснащена мембранными элементами BW, работающими при давлении до 1,6 МПа. Последняя ступень этих аппаратов оснащена мембранными элементами HR, работающими под давлением не более 4,0 МПа.
Полученный пермеат подают на ионообменное дообессоливание на H-ОН-ионообменных фильтрах, загруженных соответственно, катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8.
В таблице 2 приведены составы осветленной, подкисленной Na-катионированной воды, пермеата и концентрата обратноосмотической установки, обессоленного пермеата после H-ОН-фильтров.
Процесс обессоливания ведут с расходом концентрата 3,13% от расхода питательной воды при отношении расхода пермеата к концентрату n=30,87. На подкисление осветленной воды подается отработанный раствор Н-катионитного фильтра ступени Н-ОН-дообессоливания пермеата. На регенерацию Na-катионитного фильтра подается концентрат обратноосмотической установки, а затем отработанный раствор щелочи после регенерации ОН-анионитного фильтра ступени дообессоливания пермеата.
Таблица 2
Показатели состава
Осветленная вода
Подкисленная и Na-катионированная вода
Пермеат
Концентрат
Пермеат после Н-ОН-фильтров
Жесткость, мг-экв/дм<sup>3</sup>
1,0
0,005
0,00012
0,156
0,0
Са<sup>2+</sup>, - « -
0,6
0,003
0,00007
0,094
0,0
Mg<sup>2+</sup>, - « -
0,4
0,002
0,00005
0,062
0,0
Щелочность, - « -
0,6
0,2
0,005
6,23
0,0
Na, мг/дм<sup>3</sup>
91,2
114,2
2,85
3560
0,12
Сl<sup>-</sup>, - « -
122
122
3,05
3803
0,1
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>, - « -
43
62,2
1,55
1940
следы
SiO<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, - « -
3,0
3,0
0,075
93,5
0,005
Солесодержание, - « -
293
313,7
7,84
9780
<0.3
Электропроводн.,- « -
-
448
11,2
-
<0.5
ХПК, мгО/дм<sup>3</sup>
1,2
1,0
0,3
22,7
-
Пример 3. Осветленная вода р. Кама после обработки в осветлителях и на механических фильтрах (фиг.3) поступает на Н-Na-катионирование на фильтре, загруженном сильнокислотным и слабокислотным катионитом (КУ-2 и МАС-3) и Cl-ионирование на фильтре, загруженном органопоглощающим анионитом (Marathon 11), далее глубоко умягченная, декарбонизованная и очищенная от органических веществ вода подается на обратноосмотическое обессоливание, в последовательно смонтированные блоки мембранных аппаратов 7 и 9. Первая ступень 7 оснащена мембранными элементами BW, работающими при давлении до 1,6 МПа. Последняя ступень этих аппаратов оснащена мембранными элементами HR, работающими под давлением не более 4,0 МПа.
Полученный пермеат подается на ионнообменное дообессоливание на Н-ОН-фильтрах, загруженных соответственно катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8.
В таблице 3 приведены составы осветленной, Н-Na-Cl-ионированной воды, пермеата и концентрата обратноосмотической установки, обессоленного пермеата после Н-ОН-фильтров.
Процесс обессоливания ведут с расходом концентрата 3,05% от расходов питательной воды при отношении расхода пермеата к концентрату n=31,8. На регенерацию Cl-ионитного фильтра подается концентрат обратноосмотической установки, а затем отработанный раствор щелочи после регенерации ОН-анионитного фильтра ступени дообессоливания пермеата.
На регенерацию Н-Na-катионитного фильтра ступени Н-Na-катионирования подаются отработанный раствор кислоты после регенерации Н-катионитного фильтра ступени Н-ОН-дообессоливания пермеата и отработанные растворы после Cl-ионитного фильтра.
Таблица 3
Показатели состава
Осветленная вода
H-Na-Сl-иониро-ванная вода
Пермеат
Концентрат
Пермеат после Н-ОН-фильтров
Жесткость, мг-экв/дм<sup>3</sup>
1,0
0,005
0,00012
0,176
0,0
Са<sup>2+</sup>, - « -
0,6
0,003
0,00007
0,1056
0,0
Mg<sup>2+</sup>, - « -
0,4
0,002
0,00005
0,07
0,0
Щелочность, - « -
0,6
0,2
0,005
7,04
0,0
Na, мг/дм<sup>3</sup>
91,2
105
2,625
3698
0,11
Сl<sup>-</sup>, - « -
122
147
3,675
5177
0,1
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>, - « -
43
9
0,225
317
следы
SiO<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, - « -
3,0
3,0
0,075
105,66
0,005
Солесодержание, - « -
293
276
6,9
9721
<0,3
Электропроводн., -« -
-
436
10,9
-
<0,5
ХПК, мгО/ дм<sup>3</sup>
1,2
1,0
0,3
25,57
-
Источники информации:
1. Применение обратного осмоса при обессоливании воды для питания парогенераторов ТЭС и АЭС. - Мамет А.П., Ситняковский Ю.А. - Теплоэнергетика, 2000, №7, с.20-22.
2. Сравнение экономичности ионитного и обратноосмотического обессоливания воды. - Мамет А.П., Ситняковский Ю.А. - Электрические станции, 2002, №6, с.63-66.
3. Патент СССР №1820895, С 02 F 1/42, 1991.