Малахов И.А., доктор техн. наук, Аскерния А.А. , Боровкова И.И., кандидаты техн. наук, Малахов Г.И., инж. ООО «ЭнергоЭкоСервис» — НИИ КВОВ — ОАО «Теплоэлектропроект» — компания «Дау Кемикл»
Рассмотрена проблема использования технологии обратноосмотического обессоливания воды в схемах водоподготовительных установок российских ТЭС и других предприятий.
До настоящего времени на большинстве ТЭС России основным методом подготовки воды для питания парогенераторов высокого (13,8 МПа) и сверхкритического давления остается Н-ОН-ионирование, а среднего (3,9 МПа) и высокого (9,8 МПа) давления – Na- или Н-Na-катионирование. Оба метода обработки осуществляются преимущественно по прямоточной технологии, которая на сегодняшний день морально устарела. Физически изношено и оборудование, на котором осуществляется подготовка воды. Таким образом, можно сказать, что назрела необходимость в переходе к более современным технологиям, а следовательно, и к выработке стратегических направлений реконструкции отечественных водоподготовительных установок (ВПУ).
В мировой практике водоподготовки этот путь давно пройден: прямоточное ионирование сменилось более совершенными противоточными технологиями третьего поколения, такими как АПКОР, Швебебед, Пьюропак, Амберпак и др., обладающими более высокими технико-экономическими показателями. Однако в связи с наметившейся тенденцией широкого, но не всегда оправданного их распространения на ТЭС России, следует указать на некоторые особенности этих технологий. Прежде всего они ориентированы на использование дорогостоящих монодисперсных смол определенного класса. Поэтому предприятия, получающие лицензии на применение указанных технологий, обязуются приобретать на досыпку фильтров смолы только данного класса.
Основным недостатком этих технологий, по мнению авторов настоящей статьи, является ионообменное обессоливание (ИО) в одну ступень. Отсутствие барьерной ступени существенно снижает надежность получения воды нормативного качества. Последнее особенно важно, так как при глубоком обессоливании в одну ступень будут наблюдаться резкая отработка слоя ионита и соответственно повышенный «проскок» Na и/или SiO3 . Кроме того, такая схема весьма чувствительна к присутствию в воде органических соединений. При их повышенном содержании в исходной воде происходят существенные отклонения в режиме работы указанной схемы. Так, при сравнительно быстрой отмывке «цепочки» (содержание Na+ и SiO3 ~ в пределах нормы) требуется длительная отмывка анионитных фильтров по органическим соединениям, которые проявляют себя окраской в присутствии фенолфталеина и повышенными значениями электропроводности (более 2 мкСм/см). Из-за отсутствия второй ступени значительные расходы обессоленной воды сбрасываются в дренаж. Применение рециркуляции с подачей отмывочной воды на вход установки не улучшает ситуацию, так как возвращает десорбированную «органику» снова на фильтры.
Повышенные объемы ионитной загрузки увеличивают длительность фильтроциклов, что при повышенном содержании «органики» в поступающей воде увеличивает вероятность загрязнения смол. Предусматриваемые в таких случаях частые химические очистки загрузочного материала связаны с повышенными расходами реагентов и обессоленной воды как на проведение самих химических промывок, так и на последующий перевод ионитов в рабочее состояние. В результате существенно ухудшаются показатели удельных расходов реагентов в целом по установке.
Организация схемы в виде «цепочки» приводит, как правило, к недоиспользованию обменной емкости одного из фильтров, что обусловлено полной загрузкой Н-и ОН-фильтров ионитами для обеспечения условий зажатия слоя и невозможностью регулирования соотношения объемов катионита и анионита изменением высоты их загрузки.
Загрузка фильтров смолой (практически до уровня верхнего сборно-распределительного устройства) исключает возможность регулярного проведения взрыхляющей промывки слоя в свободном пространстве. В связи с этим предъявляются весьма жесткие требования к качеству поступающей осветленной воды (содержание взвешенных веществ не более 1 мг/л). На большинстве же российских ТЭС, имеющих осветлители устаревшей конструкции, достигнуть указанного норматива не удается. Последнее обстоятельство снижает преимущества указанных прогрессивных технологий. Загрязнение верхних слоев загрузки взвесью при фильтровании недостаточно очищенной воды приводит к росту перепада давления на фильтре, уменьшению его производительности и ограничению фильтроцикла.
Серьезные проблемы возникают и при реконструкции под указанные технологии отечественных фильтров большого диаметра (3,0 и 3,4 м), так как для этого следует изменить конструкцию дренажно-распределительных систем. Использование для таких фильтров лучевых дренажных систем с двусторонними колпачками требует усиленного крепления лучей, что вызвано повышенными расходами воды на подъем и зажатие слоя катионита. Для применения же дренажно-распределительных устройств в виде «ложного» днища необходимы существенные изменения в самой конструкции фильтров.
Кроме того, над верхним сборно-распределительным устройством создается «мертвый» объем, который вынужденно заполняется инертным материалом (6,0…6,5 м3 на фильтр диаметром 3,4 м), стоимость которого сопоставима со стоимостью анионообменной смолы.
Из схемы ИО зачастую неоправданно исключается установка декарбонизатора между Н- и ОН-фильтрами. В тех случаях, когда декарбонизатор сохраняется, он устанавливается после Н-фильтров. В связи с этим требуются замена насосов декарбонизованной воды на кислотостойкие, а также применение антикоррозионных покрытий баков и трубопроводов декарбонизованной воды.
Стоит отметить и необходимость соблюдения высокой культуры эксплуатации при использовании рассматриваемых ионообменных технологий. Так, при переводе ионита во взвешенное состояние как при регенерации (АПКОР), так и при ионировании (Амбер-пак) требуется эффективное зажатие слоя. Малейшее отклонение от этого условия приводит к перемешиванию слоев ионита и ухудшению качества обработанной воды. Поэтому необходима автоматизация этих процессов.
Таким образом, имеющийся к настоящему времени опыт эксплуатации указанных технологий на электростанциях России недостаточен для их широкого распространения в энергетике. Поэтому при принятии решений о целесообразности внедрения указанных технологий на ТЭС требуется взвешенный подход.
В то же время имеет смысл в качестве альтернативы рассматривать схемы обессоливания с использованием мембранной технологии. В схемах подготовки питательной воды для парогенераторов высокого и сверхкритического давления из-за стереотипности подходов метод обратного осмоса еще не нашел широкого применения.
В России эта технология начала развиваться с начала 70-х годов. Однако ее использование в промышленных масштабах, в том числе и в энергетике, сдерживалось низким качеством отечественных мембран и комплектующих материалов, а также отсутствием возможности приобретения качественных мембранных элементов зарубежного производства.
Достоинства мембранной технологии — простота эксплуатации, малая энергоемкость процесса разделения, компактность оборудования, незначительные расходы реагентов. В последние годы конкурентоспособность обратного осмоса (ОО) резко возросла, что обусловлено ужесточением норм на сброс концентрированных солевых стоков, повышением цен на воду, реагенты и ионообменные материалы. По многим позициям эти цены эквивалентны западным, а по импортным ионитам даже превышают их вследствие дополнительных расходов на транспорт, растаможивание и посреднические услуги. Последние в отдельных случаях достигают более 50 % стоимости у зарубежных фирм -производителей ионитов.
Экономичность обратного осмоса по сравнению с ионообменным обессоливанием в широком диапазоне солесодержаний исходной воды подробно обоснована в работах А.П. Мамета, О.И. Мартыновой, Ю.А. Ситняковского и др. [1-6]. Примерами успешного внедрения на электростанциях России в последние годы являются установки производительностью 50 м /ч, использующиеся на ТЭЦ-23 Мосэнерго, 166 м /ч — на Нижнекамской ТЭЦ-1, 200 м3/ч — на Воронежской ТЭЦ-1, 90 м /ч — на ТЭЦ Магнитогорского металлургического комбината, 50 м /ч — на Новомосковской ГРЭС, Норильской ТЭЦ-1 и Уфимской ТЭЦ, 100 м /ч — на энергоблоке Таганрогского автомобильного завода и в котельной Рязанского нефтеперерабатывающего завода и на других предприятиях.
С учетом изложенного целью настоящей статьи является рассмотрение возможных вариантов применения обратного осмоса в технологических схемах ВПУ ТЭС и других промышленных предприятий.
Наиболее высокие требования предъявляются к добавочной воде энергоблоков сверхкритических параметров, для достижения которых на ТЭС традиционно используется схема трехступенчатого ионообменного обессоливания. Альтернативой трехступенчатому химобессоливанию является схема, включающая ОО с последующей обработкой пермеата на фильтрах смешанного действия (ФСД) или по схеме раздельного Н- ОН-ионирования [5, 6]. Остаточное содержание примесей в пермеате зависит от степени минерализации воды, поступающей на ОО. При малой минерализации исходной воды — 40… 100 мг/л, жесткости в пределах 1 мг-экв/л, низких содержаниях Na —0,3…0,5 мг-экв/л и кремнекислоты – 2…3 мг/л качество пермеата ОО будет аналогично качеству обессоленной воды после второй ступени ионообменного обессоливания: электропроводность < 2 мкСм/см, солесодержание 0,3…0,6 мг/л, содержание Na < 80 мкг/л, SiO2 < 100 мкг/л. В этом случае для дообессоливания пермеата возможно применение ФСД, так как условия его эксплуатации не будут отличаться от условий работы третьей ступени ИО.
Однако в рассматриваемой схеме с использованием ОО низкое содержание в пермеате SiO2 в пределах требуемых норм (не более 100 мкг/л) не исключает повышенного содержания хлоридов и сульфатов, компенсированных натрием. По условиям водно-химического режима парогенераторов высокого давления (13,8 МПа) с естественной циркуляцией качество питательной воды регламентируется по содержанию натрия (не выше 50 мкг/л). Причем в некоторых случаях с разрешения АО-энерго допускается корректировка указанной нормы на ТЭЦ с производственным отбором пара в сторону повышения. Однако даже нормируемое содержание натрия (50 мкг/л) может выдерживаться в питательной воде и при более высоком (чем 80 мкг/л по ПТЭ) содержании натрия в добавочной обессоленной воде. Так, исходя из солевого баланса для ГРЭС при восполнении потерь пара и воды в количестве 3% содержание натрия в добавочной обессоленной воде может составлять до 1,5 мг/л (с учетом содержания натрия в паре и соответственно в турбинном конденсате не более 5 мкг/л). Содержание натрия в питательной воде при этом будет оставаться в пределах нормы — 50 мкг/л.
На ТЭЦ возможность увеличения содержания натрия в добавочной обессоленной воде зависит от внешних потерь и качества возвращаемого конденсата. Стоит отметить, что в последнем содержание натрия не регламентируется, но в целом его качество должно обеспечивать соблюдение норм качества питательной воды. При отсутствии натриевых солей в возвратном конденсате и размерах внешних и внутренних потерь на ТЭЦ в пределах 25% содержание натрия в добавочной обессоленной воде может составлять до 180 мкг/л. При этом концентрация натрия в питательной воде также будет в пределах нормы.
Возможность корректировки солесодержания добавочной воды подтверждается и нормируемым значением удельной электропроводности питательной воды для котлов давлением 13,8 МПа — 1,5 мкСм/см. Последнее с разрешения АО-энерго также допускается корректировать в случае изменения нормы содержания натрия в питательной воде. Приведенные расчетные показатели определяют возможные границы применения предлагаемой нестандартной схемы подготовки добавочной воды (ОО с последующим Na-катионированием пермеата) для парогенераторов давлением 13,8 МПа.
По мнению авторов данной статьи этот вопрос должен решаться в каждом конкретном случае с учетом конструктивных особенностей котла (наличия или отсутствия ступенчатого испарения, уровня локальных тепловых нагрузок на экраны, допустимой удельной загрязненности парообразующих труб, эффективности работы паропромывочных устройств и др.).
При более высоком солесодержании исходной воды (150…700 мг/л) обратный осмос должен дополняться последующим ионообменным обессоливанием пермеата на Н- ОН-фильтрах или ФСД.
В рассмотренных схемах подготовки добавочной воды парогенераторов высокого (13,8 МПа) и сверхкри тического давления технология обработки воды перед ОО не оговаривалась. Во избежание усложнения схемы целесообразно применение ингибиторной обработки воды перед обратным осмосом, которая для большинства природных вод надежно защищает мембраны от отложений. Однако наряду с этим возможно использование перед обратным осмосом Na-катионирования (ВПУ Воронежской ТЭЦ и Новомосковской ГРЭС) или предложенного ВТИ Н-катионирования с «голодной» регенерацией (ВПУ Нижнекамской ТЭЦ).
При Na-катионировании остаточная жесткость питательной воды ОО будет в пределах 100 мкг-экв/дм3, а при Н-катионировании с «голодной» регенерацией карбонатная щелочность снизится до 0,3…0,5 мг-экв/дм3. В обоих случаях это предотвращает образование карбонатных отложений на мембранных элементах без ингибиторной обработки питательной воды ОО.
Технология предподготовки может быть увязана с утилизацией отработанных регенерационных растворов узла дообессоливания пермеата. Так, отработанные кислые растворы могут использоваться как для «голодной» регенерации Н-фильтров предподготовки, так и для подкисления (снижения щелочности) питательной воды обратноосмотической установки. Отработанные щелочные растворы ОН-фильтров могут подаваться в осветлитель в качестве реагента-осадителя.
Выбор метода обработки воды перед обратным осмосом (ингибирование или Na- (Н)-катионирование) определяется технико-экономическими расчетами.
Предложенные приемы не только решают задачу утилизации отработанных растворов установки дообессоливания пермеата, но и позволяют полезно использовать содержащиеся в них избытки кислоты и щелочи.
На некоторых ТЭС с действующим двух- или трехступенчатым ИО реконструкция ВПУ заключается только в увеличении ее производительности на 30…70%. При получении обессоленной воды требуемого качества и соблюдении нормативных расходов реагентов, по мнению авторов настоящей статьи, не всегда целесообразно реконструировать действующую схему ионообменного обессоливания под новую технологию только для увеличения ее производительности.
В этом случае следует дополнить существующую схему ИО компактной установкой обратного осмоса, обеспечивающей необходимое увеличение производительности. При этом с учетом требований по сокращению расхода воды на собственные нужды ВПУ предлагается стоки действующей установки ИО в количестве 20 % производительности смешивать с исходной водой ОО.
Таким образом, в этом случае на питание установки обратного осмоса будет подаваться смесь исходной осветленной воды и минерализованных стоков ИО. Выход концентрата установки ОО (20…25% ее производительности) будет общим стоком реконструированной ВПУ (действующей установки ионообменного обессоливания и дополнительной обратного осмоса), что составит 5… 10 % общей производительности.
Использование минерализованных стоков ИО на питание ОО возможно благодаря работоспособности обратноосмотических мембран в широком диапазоне солесодержания исходной воды.
В предлагаемой схеме обессоленную воду после обратного осмоса необходимо смешивать с частично обессоленной водой после первой ступени и подавать на вторую ступень действующей установки ИО. Как правило, Н- ОН-фильтры второй ступени способны повысить производительность в результате увеличения скорости фильтрования до 40…50 м/ч.
При этом содержание SiO2 и ее полимерных форм в смеси, поступающей на вторую ступень ионообменного обессоливания, будет существенно ниже, чем при автономной работе действующей установки ИО. Качество обессоленной воды после второй ступени будет соответствовать нормативным требованиям.
При подготовке воды для питания парогенераторов давлением 9,8 МПа на многих ТЭС возникают проблемы, связанные с получением обескремненной добавочной воды из-за отсутствия в схеме ВПУ стадии обескремнивания. Допустимое содержание SiO2 в питательной воде ГРЭС и отопительных ТЭЦ указанных параметров составляет 80 мкг/л, а в питательной воде ТЭЦ с производственным отбором пара этот показатель устанавливается теплохимическими испытаниями.
На многих ТЭС традиционной для парогенераторов этих параметров была схема ВПУ, включающая известкование, коагуляцию FeSO4 и магнезиальное обескремнивание в осветлителях, осветление на механических фильтрах и двухступенчатое Na-катионирование. Причем магнезиальное обескремнивание вследствие нетехнологичности процесса в дальнейшем не нашло широкого применения. В последние годы в связи с высокими удельными расходами топлива на среднем давлении пришлось отказаться от конденсата пара котлов среднего давления для питания парогенераторов высокого давления. Поэтому при использовании различных типов природных вод возникала проблема обеспечения качества питательной воды по содержанию SiO2.
Для решения этой проблемы применяется комплекс технических решений: повышение степени удаления SiO2 (до 50…60 %) в процессе известкования, сокращение потерь конденсата на ТЭЦ и у потребителей пара, улучшение качества пара увеличением размеров продувки парогенераторов и повышением эффективности паропромывки. Однако при реализации этих мер удается лишь частично улучшать качество питательной воды и пара по содержанию SiO2. Поэтому, принимая во внимание способность обратноосмотических мембран извлекать из воды до 90.. .99 % различных форм кремниевой кислоты, принципиальным решением указанной проблемы для ТЭС с парогенераторами давлением 9,8 МПа является использование обратного осмоса в схеме ВПУ.
Указанное решение было успешно реализовано авторами данной статьи в схеме ВПУ Новомосковской ГРЭС. Следует также отметить низкий эффект удаления анионитами полимерных и коллоидных форм кремнекислоты, что также стимулирует необходимость использования ОО в схемах ВПУ.
Традиционная схема подготовки добавочной воды парогенераторов среднего давления (3,9 МПа) также включает двухступенчатое Na- или H-Na-катионирование. Качество добавочной воды для подпитки барабанных котлов высокого (9,8 МПа) и среднего (3,9 МПа) давления не нормируется. Оно должно быть таким, чтобы обеспечивалось соблюдение норм качества питательной воды. Поэтому для котлов обоих параметров предлагаются идентичные схемы с использованием обратного осмоса. Возможно его комбинирование с предварительным или последующим Na-катионированием.
При предварительном Na-катионировании (жесткость поступающей на ОО умягченной воды не более 100 мкг-экв/л) жесткость пермеата не выше 3… 5 мкг-экв/л будет соответствовать требованиям к качеству питательной воды парогенераторов давлением 9,8 МПа— 1 мкг-экв/л и для парогенераторов давлением 3,9 МПа — 5 мкг-экв/л. В схеме водоподготовки, включающей ОО с последующим Na-катионированием, жесткость пермеата не будет превышать 100 мкг-экв/л и, следовательно, после доумягчения его качество также будет удовлетворять указанным выше требованиям для питательной воды парогенераторов указанных давлений.
Выбор первой или второй схемы определяется с учетом их экономической эффективности, наличия ограничений на сброс минерализованных стоков от Na-фильтров, ограничений на количество сбрасываемого концентрата ОО, возможности и необходимости его применения в теплосети или в системе оборотного водоснабжения и других факторов. На экономичность выбора схемы предварительного Na-катионирования могут влиять также местные условия, как например, наличие существующей Na-катионитной установки добавочной воды котлов или теплосети, возможность использования фунтовых рассолов для регенерации Na-фильтров и др.
Следует отметить, что рассмотренные схемы обратного осмоса с последующим Na-катионированием пеpмеата не применимы для котлов-утилизаторов давлением выше 5 МПа. Конструктивные особенности этих котлов требуют более глубокого обессоливания добавочной воды по сравнению со станционными барабанными котлами давлением 9,8 МПа, т.е. в данном случае необходимо ионообменное обессоливание пермеата после обратного осмоса.
Такое решение реализовано авторами данной статьи для Сочинской ТЭС.
Целесообразность применения ОО в схеме водоподготовки парогенераторов давлением 9,8 МПа была обоснована необходимостью обескремнивания добавочной воды. Целесообразность применения ОО в схеме водоподготовки парогенераторов давлением 3,9 МПа может быть обоснована только технико-экономической эффективностью. Так, питание этих котлов обессоленной водой благодаря сокращению размеров продувки до минимальных значений позволит повысить их КПД, уменьшить расход добавочной воды и соответственно снизить затраты на ее приготовление.
В некоторых случаях это даст возможность исключить или сократить проведение очисток экранных поверхностей.
В заключение необходимо коснуться и нескольких общих вопросов. Это — организация схемы предочистки как перед ИО, так и перед 00. При использовании подземных водоисточников, не загрязненных соединениями железа и органических веществ или водопроводной водой из централизованных систем водоснабжения, предочистка может ограничиться обработкой на механических фильтрах, обеспечивающих удаление вторичных загрязнений в виде продуктов коррозии трубопроводов. Для подземных вод, содержащих указанные ингредиенты, в некоторых случаях необходимо проводить обезжелезивание и обесцвечивание воды.
Для поверхностных вод обязательна реагентная обработка исходной воды в осветлителях. На основании располагаемого опыта работы установок обратного осмоса на осветленной воде предпочтение следует отдать коагуляции сернокислым железом и известкованием. Преимущества известкования перед коагуляцией с учетом последующего ОО следующие: снижение цветности и окисляемости на 25…50 %, кремниевой кислоты на 30…40%, частичное умягчение и, следовательно, снижение катионной нагрузки на Na-фильтры при предварительном умягчении.
Однако внедрению новых технологий как противоточного ионообменного обессоливания, так и обратного осмоса должна предшествовать работа по усовершенствованию конструкции существующих осветлителей с наладкой режимов обработки воды, а также замена загрузки механических фильтров на более совершенные фильтрующие материалы необходимого фракционного состава.
Изложенный материал не исчерпывает всех аспектов применения обратного осмоса в схемах подготовки воды в энергетике. В статье предлагаются пути его практического использования в соответствии с рекомендацией Научно-технического Совета РАО «ЕЭС России» (протокол заседания подсекции водно-химических режимов и водоподготовки НТС РАО «ЕЭС России» № 31, утвержденный 05/VII 2001 г. председателем НТС А.Ф. Дьяковым).
В то же время изложенный материал ставит принципиальный вопрос о целесообразности реконструкции существующих на российских ТЭС схем водоподготовки на основе технологии обратного осмоса в качестве экономически, технически и экологически обоснованной альтернативы широко рекламируемым западным технологиям противоточного ионообменного обессоливания.
Литература:
- Мартынова О.И. Конференция VGB «Химия на электростанциях 1995» //Теплоэнергетика. 1996. № 6. С. 77—80.
- Мартынова О.И. Конференция VGB «Химия на электростанциях 1996» // Теплоэнергетика. 1997. № 11. С. 74—76.
- An economic comparison of reverse osmosis and ion exchange in Europe / P.A. Newell, S.P. Wrigley, P. Sehn, S.S. Whipple // Конгресс «ЭКВАТЕК – 98», M, 1998.
- Экономическое сравнение технологий обессоливания воды энергетических котлов высокого давления/В.В. Ноев, Т.Ф. Быстрова, Ю.А. Ситняковский и др. // Энергосбережение и водоподготовка.1998.Х» 1.С. 47-51.
- Мямет А.П., Ситняковский Ю.А. Применение обратного осмоса при обессоливании воды для питания парогенераторов ТЭС и АЭС // Теплоэнергетика. 2000. № 7. С. 20-22.
- Мамет А.П., Ситняковскнй Ю.А. Сравнение экономичности ионитного и обратноосмотического обессоливания воды // Электрические станции. 2002. № 6. С. 63-66.
- Опыт внедрения установки обратного осмоса УОО-166 на Нижнекамской ТЭЦ-1 / Б.Н. Ходырев, Б.С. Федосеев, АИ. Калашников и др. // Электрические станции. 2002. № 6. С. 54—62.