опубликована в журнале “Энергосбережение и водоподготовка”
№ 6(50) 2007 г.
инж. Г.И. Малахов; к.т.н. И.И. Боровкова
(ЗАО «НИСКО-ИНАКВА» – ОАО «Инженерный центр ЕЭС – филиал «Институт Теплоэлектропроект»)
В последние годы в результате успешного внедрения обратноосмотических установок (ООУ) на ВПУ ряда ТЭС России сформировалось понимание необходимости их применения в схемах подготовки добавочной воды котлов высокого давления (14 МПа)
Однако наряду с этим, на многих ТЭЦ (особенно промышленного профиля) сохраняются мощные установки Na-катионитного умягчения добавочной воды котлов высокого (9,8 МПа) и среднего (3,9 МПа) давлений (ВД и СД), а также теплосети. Установки Na-катионирования во многих случаях используются и для подготовки питательной воды ООУ в указанных выше схемах ВПУ котлов (14 МПа).
Указанные схемы умягчения при высокой их надежности характеризуются общеизвестными недостатками: высокими расходами товарной NaCI; повышенными сбросами солевых стоков и расходами воды на собственные нужды; как правило, отсутствием экономичных схем утилизации сбросных вод ВПУ и котлов. Высокие расходы товарной NaCI тем более не оправданы при наличии в системе значительного резерва натриевых солей в виде разбавленных растворов (концентрат ООУ, продувка котлов среднего и высокого (9,8 МПа) давлений), которые подаются на сброс [1,2].
Это существенно ухудшает экологические показатели указанных ВПУ. Поэтому необходима разработка нетрадиционных технических решений, исключающих или существенно уменьшающих влияние указанных негативных факторов.
Одним из вариантов такого технического решения является технологическое комбинирование установок обратноосмотического обессоливания и Na-катионирования с использованием концентратов умягченной воды для регенерации Na-катионитных фильтров взамен товарной NaCI [3]. Основанием для такого решения является то, что в процессах обратноосмотического обессоливания в ООУ или в процессах генерации пара в котлах среднего (3,9 МПа) или высокого (9,8 МПа) давлений происходит концентрирование умягченной воды в 5-10 раз в ООУ, в 20-30 раз в котлах СД и в 30-50 раз в котлах ВД (9,8 МПа).
В результате при использовании, например, ис¬ходной воды средней минерализации (-300 мг/дм3) получается концентрат с содержанием натриевых солей соответственно 1,5-3,0 г/дм3, 6-9 г/дм3 и 9-15 г/дм3. При дополнительном концентрировании таких растворов примерно в 7-20 раз можно получить ре-генерационно-способные концентрации 3-10% для регенерации Na-фильтров.
На рис. 1 в качестве одного из примеров реализации технического решения изображена принципиальная схема умягчения и обратноосмотического обессоливания воды для питания химочищенной водой ООУ и котлов среднего давления, а пермеатом ООУ – котлов высокого давления.
На рис.2 показан другой пример реализации технического решения – принципиальная схема для подпитки котлов высокого давления (9,8 МПа) смесью обессоленной и химочищенной воды.
На рис.3 изображен еще один пример реализации технического решения – принципиальная схема для питания ООУ химочищенной водой и котлов высокого давпения – пермеатом ООУ.
В этих схемах предусмотрена выпарная установка для концентрирования растворов и получения обессоленной воды.
Как показано на рис. 1-3, разработанные комбинированные схемы ВПУ содержат последовательно включенные предочистку (осветлители -1, баки осветленной воды – 2, осветительные (механические) фильтры – 3, Na-катионитные фильтры – 4, баки умягченной воды (БУМ) – 5, обратноосмотическую установку (ООУ) – 6 с баками пермеата (БП) – 7, установку для концентрирования растворов и получения обессоленной воды (дистиллята) в составе выпарного аппарата(испарителя)(И) – 8, конденсатора (К) – 9, баков сбора продувочных вод (БСП) -10 и концентрата испарителя (БКИ) -11, потребителей обессоленной воды – котла высокого давления (КВД) – 12 и химочищенной воды – котла среднего давления (КСД) -13)
Комбинированная схема (рис. 1,2,3) работает следующим образом. Исходная вода подается на предочистку, где последовательно проходит осветлитель и осветлительные (механические) фильтры. Осветленная вода поступает на Na-катионитные фильтры. Химочищенная (умягченная) вода подается в обратноосмотическую установку (ООУ) и в котел среднего давления (рис. 1). Пермеат из ООУ подается на питание котла высокого давления, а концентрат – в бак сбора продувочных вод (БСП) и далее – на выпарную установку. Туда же поступает продувочная вода КСД (рис.1) или продувка КВД (рис.2). Концентрат выпарной установки собирается в БКИ и подается на регенерацию Na-фильтров, дистиллят подается на питание котла высокого давления. Продувка КВД (рис.1), фактически являющаяся обессоленной водой, подается на питание КСД. При недостаточной производительности ООУ (рис.3) химочищенная вода подается и на питание выпарной установки (показано на рис.3 пунктиром), что позволяет увеличить в системе выработку обессоленной воды и концентрата натриевых солей для регенерации Na-фильтров.
Особенность представленной на рис.1 комбинированной схемы заключается в том, что выпарная установка работает на смеси концентрата ООУ и продувочной воды котлов СД и потому ее производительность в первую очередь определяется расходами этих потоков или степенью концентрирования умягченной воды в ООУ и КСД. Учитывая различную степень концентрирования умягченной воды (5-10 в ООУ и 20-40 в котлах СД), производительность выпарной установки зависит также от соотношения расходов указанных концентратов и в значительной степени от уровня минерализации исходной воды
Например, для ВПУ с расходом обессоленной воды (пермеата ООУ) 300 м3/ч и умягченной воды 500 м3/ч при средней минерализации исходной воды ~300 мг/дм3 необходимая производительность выпарной установки составит 40-80 т/ч дистиллята (соответственно для максимальной и минимальной степени концентрирования в ООУ и КСД), а расход отводимого концентрата выпарной установки в обоих случаях будет 2,5-3 м3/ч с концентрацией натриевых солей 8-10%.
При определении допустимой степени концентрирования в выпарной установке необходимо учитывать получаемое в концентрате содержание карбонатов, сульфатов и силикатов во избежание образования с кальцием слаборастворимых соединений, способных выпадать в осадок при регенерации Na-фильтров. В связи с этим во многих случаях кратность концентрирования выпарной установки может быть ограничена концентрацией натриевых солей в пределах 2-10%. Соответственно снижение концентрации натриевых солей обусловит уменьшение производительности выпарных аппаратов. Для относительно небольших производительностей ВПУ в пределах 100-200 м3/ч и при повышенной минерализации исходной воды производительность выпарных аппаратов будет составлять 5-10 т/ч.
В рассмотренной схеме достигается максимальное повторное использование располагаемого в системе количества минеральных и водных ресурсов. Так, продувка котлов ВД используется в качестве одного из комплектующих потоков питательной воды котлов СД. Собранные концентрат ООУ и продувка котлов СД используются для получения регенерационных растворов Na-фильтров. Получаемый в выпарных установках дистиллят используется для питания котлов ВД. Часть собранного концентрата ООУ и продувки котлов СД используется из БСП для взрыхляющих промывок Na-фильтров. Воды взрыхляющих промывок осветлительных и Na-катионитных фильтров собираются и подаются в осветлитель.
Фактически единственными стоками всей схемы водоподготовки и котельных установок являются отработанные растворы Na-катионитных фильтров, составляющие даже с учетом их разбавления 1 -3% от общего расхода исходной воды.
Указанная схема была разработана и предложена для реконструкции ВПУ Нижнетагильского Металлургического комбината.
Особенность представленной на рис.2 комбинированной схемы заключается в том, что выпарная установка работает на смеси концентрата ООУ и продувочной воды котлов ВД (9,8 МПа). Как известно, основным компонентом, ограничивающим использование умягченной воды для котлов ВД (9,8 МПа) является содержание кремнекислоты в питательной воде (не более 80 мкг/дм3). Для достижения указанной концентрации технологически наиболее эффективным решением является удаление кремнекислоты при частичном обратноосмотическом обессоливании добавочной воды. В этом случае котел ВД работает на смеси обессоленной (обескремненной) и умягченной воды. В зависимости от состава исходной воды доля умягченной воды в питательной может составлять 10-30%. Доля продувочной воды котлов ВД в смеси с концентратом ООУ, подаваемым на выпарную установку, невелика и составляет 5-10%.
Особенность представленной на рис.3 комбинированной схемы заключается в том, что умягченная вода подается только на питание ООУ. Соответственно выпарная установка работает только на концентрате ООУ и потому может быть ограниченной производительности. Так, при производительности ООУ 100-300 м3/ч расход концентрата будет соответственно в пределах 15-40 м3/ч, а производительность выпарной установки – не менее 90% указанного расхода. При ограниченной производительности ООУ, входящей в систему ВПУ, необходимая потребность в обессоленной воде может быть компенсирована увеличением производительности выпарной установки. В этом случае, как показано на рис.3 (пунктиром) часть умягченной воды может подаваться напрямую в БСП.
Таким образом, общим для всех трех схем является концентрирование умягченной воды с последующим использованием для регенерации Na-катионитных фильтров. В связи с этим необходимо привести количественные критерии, подтверждающие возможность применения такого технологического приема. Как известно, необходимые избытки регенеранта (натриевых солей) по отношению к поглощенным катионам жесткости составляют при прямотоке 1,5-3,0 экв/экв (в зависимости от исходной жесткости), а при противотоке 1,2-1,5 экв/экв.
В табл.1 для вод различной минерализации приведены характерные показатели содержания натрия, жесткости и их отношение в исходной воде, нормативные и располагаемые избытки натриевых солей для регенерации Na-фильтров по рассматриваемой технологии.
Как видно из табл.1, располагаемые избытки натриевых солей практически для всех типов природных вод достаточны для проведения регенерации Na-фильтров в противоточном режиме, а для некоторых типов природных вод – и для проведения регенерации в прямоточном режиме. Для природных вод после известкования и коагуляции соотношение натрия и жесткости существенно увеличивает избыток натриевых солей, что позволяет проводить регенерацию как в противоточном, так и прямоточном режиме.
Необходимо отметить, что для ряда природных вод с повышенным содержанием натрия (как исходных, так и после известкования) избыток натриевых солей столь значителен, что получаемые по рассмотренным схемам концентраты могут быть использованы и для регенерации Na-фильтров установки подпитки теплосети.
Ниже представлено выражение, составленное для определения количества добавочной воды теплосети, которое может быть умягчено за счет наличия в системе избыточного количества натриевых солей
NajQKJ/КЖ
где: QTC – расход добавочной воды теплосети в % от расхода Na-катионированной воды на питание ООУ или ООУ и котлов;
Na, Ж – содержание соответственно Na и жесткости в исходной воде, мг-экв/дм3;
К – необходимый избыток натриевых солей на регенерацию Na-катионитовых фильтров, экв/экв.
Расчеты, выполненные по представленной формуле, показывают, что в диапазоне отношений Ыа/Ж=0,2-2,0 при значении К=1,2 (для противоточного режима) величина QTC=30-180% от расхода Na-катионированной воды на питание ООУ или ООУ и котлов.
В целом разработанные комбинированные схемы подготовки добавочной воды на ТЭС характеризуются следующими преимуществами:
- Значительное сокращение либо полное исключение расходов товарной NaCI на регенерацию Na-фильтров за счет использования имеющегося в системе резерва натриевых солей в виде разбавленных растворов.
- Возможность дополнительной выработки умягченной воды на подпитку теплосети за счет избыточного в системе количества натриевых солей.
- Существенное сокращение или полное исключение расходов сточных вод системы водоподготовительных и котельных установок (концентрата от ООУ и продувочных вод от котлов – потребителей умягченной воды).
- Сокращение расходов воды на собственные нужды ВПУ.
- Более высокий коэффициент получения обессоленной воды из химочищенной.
- Уменьшенное потребление исходной воды относительно традиционных схем обессоливания и Na-катионирования.
Литература
- Опыт внедрения установки обратного осмоса ООУ- 166 на Нижнекамской ТЭЦ-1 / Б.Н. Ходырев, Б.С. Федосеев, А.И. Калашников и др.// Электрические станции, 2002, №6.-с.54-62.
- Опыт эксплуатации установок обратноосмотическоо обессоливания воды на ТЭС и в промышленных котельных/ Аскерния А.А., Малахов И.А., Корабельников В.М.// Теплоэнергетика, 2005, №7,- с.17-25.
- Патент РФ на полезную модель №50529 «Система химической очистки и обессоливания воды». И.А. Малахов, А.А. Аскерния, Г.И.Малахов.