Малахов И.А., доктор техн. наук, Аскерния А.А. , Боровкова И.И. , кандидаты техн. наук, Малахов Г.И. , Роговой В.А., Лебедев В.Ю. , Величкина Н.Н., инженеры
МЭИ — НИИКВОВ — ОАО «Теплоэлектропроект» — ЗАО НИСКО ИНАКВА — ОАО фирма «ОРГРЭС» — ОАО «Ростов теплоэлектропроект»
Представлены результаты научно-технических и проектных разработок в области обратноосмотического обессоливания воды на ТЭС
В настоящее время в качестве наиболее экономичной и экологически совершенной схемы подготовки добавочной воды на ТЭС с парогенераторами высокого и сверхкритического давления признана схема водоподготовительной установки (ВПУ) с последовательным обратноосмотическим и ионообменным обессоливанием [1—5]. Однако число российских ТЭС, где применяется такая технология, весьма ограниченно (ТЭЦ-23 Мосэнерго, Нижнекамская ТЭЦ-1, Сочинская ТЭС, Новочеркасская ГРЭС).
Надежность работы обратноосмотических установок (ООУ) зависит от эффективности технологии предподготовки. Другим важным критерием работы ВПУ в целом и ООУ в частности является сброс минерализованных стоков. В преддверии намечающегося широкого внедрения обратноосмотических установок в схемы ВПУ ТЭС актуально рассмотрение технических решений, направленных как на повышение эффективности предподготовки перед обессоливанием в ООУ, так и на сокращение и утилизацию образующихся сточных вод.
На большинстве ТЭС, где на сегодняшний день внедрены установки обратного осмоса, применяется следующая схема: коагуляция, осветлительное фильтрование (гидроантрацит, кварцевый песок), Na-катионирование (одна или две ступени), фильтрация тонкой очистки (5 мкм или 20 и 5 мкм). Значительно реже применяется подкисление или ингибирование. Такие схемы предподготовки обусловлены тем, что обратноосмотическое обессоливание внедрялось на работающих ТЭС с традиционной схемой ВПУ. Они уже доказали свою надежность, обеспечив работу ООУ с минимальной частотой промывок мембранных элементов (1 раз/год) и удовлетворительной частотой замены фильтров тонкой очистки (6—12 раз/год)
При реконструкции действующих схем ВПУ с заменой первой ступени химобессоливания обратным осмосом также имеется возможность задействовать высвобожденные фильтры этой ступени в качестве Na-, Н-, или H-Na-катионитной предподготовки перед ООУ.
Для большинства внедренных на российских ТЭС ООУ (как с предварительным Na-катионированием, так и без него) характерны относительно низкие значения гидравлического КПД (отношения потока пермеата к потоку исходной воды), составляющие 70…80%. При наличии возможности отвода концентрата ООУ в теплосеть (Новомосковская ГРЭС, Курская ТЭЦ-1) вопрос его утилизации решается достаточно просто. Однако такая возможность имеется далеко не везде, а кроме того, она не всегда реализуема в летний период года. В связи с этим возникает дилемма — сохранять повышенные сбросы концентрата ООУ при относительно низком их солесодержании либо максимально их сокращать и получать при этом солесодержание концентрата 15…30 г/дм.
Первое решение связано с организационно-техническими условиями, например допустимостью приема значительных объемов концентрата в промышленную канализацию и установленными нормами солесодержания для сбросных вод, либо с возможностью подачи концентрата в теплосеть или в оборотные системы.
Второе решение может быть вызвано требованиями максимального сокращения объема сбросных вод при условии дальнейшего их использования. В этом случае необходимы умягчение и декарбонизация исходной воды, поступающей на ООУ, так как обработка ингибиторами эффективна в определенном диапазоне слаборастворимых соединений, содержащихся в концентрате ООУ.
В рассматриваемых схемах данное решение имеет практический смысл при условии использования концентрата для регенерации Na-катионитных фильтров, предвключенных перед ООУ. Это возможно, если концентрация примесей в исходной воде отвечает соотношению Na + (Са + Mg) / Са + Mg > 1,3. В этом случае в концентрате ООУ будет содержаться достаточный избыток натрия по отношению к поглощенным Na-катионитным фильтром катионам жесткости. При этом содержание натриевых солей в концентрате ООУ должно составлять 1,5…3%, обеспечивающее достаточно эффективную регенерацию Na-катионитных фильтров.
Для достижения этих целей следует:
- увеличить гидравлический КПД в системе ООУ до 98…99 %, соответственно уменьшив сброс концентрата до 1.. .2 % объема обессоливаемой воды;
- обеспечить глубокое умягчение и декарбонизацию исходной воды, что требует применение в схеме предподготовки (после коагуляции и осветлительного фильтрования), Na-катионирования с подкислением или H-Na-катионирования, а при повышенном содержании органических соединений их удаления на фильтрах-органопоглотителях;
- применить конструктивный дизайн обратноосмотической установки, предусматривающий после достижения максимальной степени концентрирования в гидравлической системе первого модуля ООУ, продолжить процесс обессоливания в последующих по ходу концентрата модулях ООУ, оснащенных мембранными элементами, работающими под более высоким давлением, необходимым для обработки концентрата данного модуля.
Объем получаемого концентрата должен быть технологически приемлем для обеспечения принятой частоты регенерации Na-катионитных фильтров, т.е. сбалансированности сбора концентрата и его расходования на регенерацию Na-катионитных фильтров.
В получаемом концентрате необходимо иметь содержание сульфат-, карбонат- и силикат-ионов, исключающее опасность выпадения в объеме загрузки Na-катионитных фильтров слаборастворимых соединений Са и Mg. В связи с этим предпочтительнее на стадии предочистки провести в осветлителях известкование или известковоедконатровую обработку. Как известно, при этом наряду с частичным умягчением и декарбонизацией достигается более эффективное снижение кремниевой кислоты и органических соединений, чем при «чистой» коагуляции.
Исходя из указанных условий были рассмотрены варианты схем ООУ с последовательно установленными (по ходу концентрата) модулями и промежуточными насосами, а также выполнены расчеты процесса обратноосмотического обессоливания по программе Rosa, разработанной компанией «Дау Кемикл». Расчеты проводились для трех типов умягченной декарбонизованной воды с низкой (180 мг/дм3 ), средней (286 мг/дм3 )и повышенной (550 мг/дм3 ) минерализацией, т.е. был охвачен характерный диапазон солесодержания основных типов природных пресных вод. Результаты расчетов представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Технологические характеристики ООУ при обработке умягченной декарбонизованной воды различной минерализации
| Характеристика | Минерализация исходной воды, мг/дм3 | ||
| 180 | 256 | 550 | |
| Задаваемая производительность, м/ч | 50 | 50 | 50 |
| Количество последовательно установленных (по ходу концентрата) модулей, шт. | 3 | 3 | 3 |
| Тип мембран | Filmtec BW 30 | ||
| Расход , м3/час | |||
| исходной воды | 55.6 | 55.6 | 55.6 |
| пермеата первого модуля | 50.01 | 49.99 | 50.00 |
| концентрата из последнего модуля | 0.64 | 0.75 | 0.97 |
| Гидравлический КПД, % | 98.84 | 98.65 | 98.25 |
| Рабочее давление, МПа: | |||
| на первом модуле | 1.17 | 1.2 | 1.25 |
| на третьем модуле | 1.25 | 1.95 | 2.47 |
Во всех случаях получено приемлемое для регенерации Na-фильтров содержание в концентрате натриевых солей 1.5…3 % при условии трех последовательно работающих модулей (табл. 2).
Таблица 2. Составы исходной воды, пермеата и концентрата ООУ для различных вариантов минерализации
| Показатели | Уровень минерализации, мг/дм3 | ||||||||
| Содержание, мг/дм3 : | 180 | 286 | 550 | ||||||
| И | П | К | И | П | К | И | П | К | |
| Na | 60,0 | 0.94 | 4 986,6 | 104,9 | 226 | 7 404,8 | 192,0 | 4,12 | 1 0607,8 |
| Mg | 0,02 | 0.00 | 2,04 | 0,02 | 0.0 | 1,46 | 0,02 | 0.0 | 11,36 |
| Ca | 0,06 | 0.00 | 5,14 | 0,06 | 0.0 | 4,4 | 0,06 | 0.0 | 3,42 |
| CO3 | 0,00 | 0.00 | 23,7 | 0,01 | 0.0 | 21,2 | 0,0 | 0.0 | 19,8 |
| HCO3 | 12.2 | 0.53 | 961.7 | 12.2 | 0.56 | 811,9 | 12.2 | 0.58 | 626,1 |
| Cl | 30,0 | 0,58 | 2492.7 | 123,1 | 2,82 | 8662,2 | 141,4 | 3,62 | 7756,3 |
| SO4 | 75,39 | 0,98 | 338,9 | 43,0 | 0,67 | 75,9 | 200,0 | 3,45 | 135,7 |
| SiO2 | 2.5 | 0,05 | 209,7 | 3,0 | 0,05 | 215,0 | 3,5 | 0,06 | 195,7 |
| CO2 | 4035 | 4016 | 12,7 | 2,22 | 4,05 | 11,84 | 3,95 | 3,79 | 11,6 |
| Общее содержание, г/дм3 | 180,08 | 3,09 | 15056,9 | 286,4 | 6,35 | 2196,9 | 549,2 | 11,83 | 30346,3 |
| pH | 6,6 | 5,33 | 7,72 | 6,6 | 5,36 | 7,65 | 6,6 | 5,39 | 7,47 |
Примечание. И — исходная умягченная декарбонизованная вода; П — пермеат ООУ; К — конечный концентрат ООУ.
Анализ данных табл. 1 показывает, что обработка воды с низкой минерализацией в принятой трехмодульной схеме позволяет сконцентрировать ее только до 15 г/дм3 . При повышенной минерализации исходной воды удается ее сконцентрировать до 30 г/дм3 солей.
Степень концентрирования исходной воды в принятой схеме ООУ ограничивается качеством исходной воды, в частности содержанием Si02, которое в концентрате третьего модуля составило приблизительно 200 мг/дм3 . Превышение этого значения может создавать опасность образования слаборастворимых соединений кремниевой кислоты в процессе регенерации Na-катионитных фильтров.
Качество обессоленной воды, получаемой на ООУ, определяется составом пермеата первого модуля, так как пермеат второго и третьего модулей отводится на вход первого, т.е. на смешение с исходной умягченной декарбонизованной водой.
Качество пермеата ООУ, полученного во всех вариантах расчетов, вполне приемлемо для последующего обессоливания на одной ступени Н-ОН-катионитных фильтров. При реконструкции действующих ВПУ для этого используется вторая ступень химобессоливания. Для уменьшения нагрузки на анионитные фильтры декарбонизатор должен быть включен после Н-фильтров второй ступени.
Отработанные кислотные растворы Н-катионитных фильтров дообессоливания пермеата целесообразно направлять на регенерацию предвключенных Н-или H-Na-катионитных фильтров, либо на подкисление умягченной воды при использовании Na-катионитных фильтров перед ООУ. Отработанные щелочные растворы анионитных фильтров целесообразно направлять на обработку исходной воды в осветлителях (особенно при известковании или известковоедконатровой обработке). Однако этот прием не исключается и при «чистой» коагуляции сульфатом или оксихлоридом алюминия при низкой щелочности исходной воды.
В качестве альтернативного решения возможна и подача отработанного щелочного раствора анионитных фильтров в теплосеть. Эта рекомендация ВТИ широко применяется на многих ТЭС. Целесообразность использования рассматриваемой схемы в каждом конкретном случае должна быть обоснована технологическими и экономическими расчетами. В некоторых случаях во избежание усложнения схемы ООУ подключением дополнительных модулей с бустерными насосами следует использовать выпарные аппараты для концентрирования продувки ООУ с последующей ее подачей на регенерацию Na-катионитных фильтров. Дистиллат выпарных аппаратов может подаваться на смешение с пермеатом перед ступенью Н-ОН-обессоливания, что позволит соответственно уменьшить производительность установленных блоков ООУ.
При невозможности или сложности достижения регенерационноспособных концентраций натриевых солей в концентрате ООУ он может использоваться для приготовления регенерациооного раствора Na-катионитных фильтров.
В целом предложенная схема позволяет увеличить количество получаемой обессоленной воды на 1 м исходной, т.е. повысить КПД обратноосмотической установки, сократить расход товарных реагентов, уменьшить отходы водоподготовки, как по объему стоков, так и по количеству сбрасываемых солей.
Литература
- Экономическое сравнение технологий обессоливания воды энергетических котлов высокого давления / В.В. Ноев, Т.Ф. Быстрова, Ю.А. Ситняковский и др. // Энергосбережение и водоподготовка. 1998. № 1.С. 47—51.
- Мамет 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., Ситняковский 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 Б.С, Калашников А.И. и др, // Электрические станции. 2002. № 6. С. 54—62.
- Опыт эксплуатации установок обратноосмотического обессоливания воды на ТЭС и в промышленных котельных / А.А. Аскер-ния, И.А. Малахов, В.М. Корабельников и др. // Теплоэнергетика, 2005. № 7, С. 17—25.