Рассмотрены инновационные технические решения и ультрасовременные технологии, которые применяются для производства глубоко обессоленной воды на ТЭС. Проанализированы особенности стадий механической фильтрации, пульсационной ультрафильтрации, модифицированного ионного обмена.
ООО «БМТ», г. Владимир
В настоящее время в России и странах ближнего зарубежья активно развивается рынок производства оборудования для подготовки воды для технологических нужд теплоэнергетики. Развитие этого рынка обусловлено массовым проектированием и строительством парогазовых установок для снижения дефицита электрической энергии в регионах.
Для всех теплоэнергетических комплексов характерны две основные проблемы, связанные с получением и переработкой основного теплоносителя – воды:
- проблема подготовки технологической обессоленной воды;
- проблема утилизации и очистки сточных вод (отработанные элюаты и продувочные воды).
Задача водоподготовки на тепловых электрических станциях (ТЭС) является весьма важной, поскольку здесь производятся в огромных количествах широко используемые энергоносители: водяной пар и горячая вода. Примеси, поступающие в парогенератор, вызывают ряд неблагоприятных явлений, таких как вспенивание воды (органические примеси, аммиак, амины, некоторые органические примеси), образование отложений на поверхностях нагрева (железо, медь, фосфаты), унос примесей паром и отложение их в турбине (соли натрия, силикаты, хлориды), коррозия теплосилового оборудования (кислород, кислоты, щелочи, углекислота, Fe3+).
В промышленных масштабах на стадии водоподготовки на ТЭС для удаления взвешенных и коллоидных примесей часто используют реагентные методы, основанные на использовании коагулянтов и флокулянтов различной природы. Для удаления истинно растворимых веществ применяют методы ионного обмена – натрий-, Н-катионирование и ОН-анионирование на ионитах отечественного или зарубежного производства.
Таким образом, водоподготовка по данной схеме связана с расходами коагулянта, реагентов на регенерацию фильтров, воды на собственные нужды установки (взрыхление, приготовление регенерационных растворов, отмывка), катионита и анионита на досыпку фильтров. Весьма ощутима также плата за сброс солевых сточных вод [1]. Поэтому в настоящее время все большее распространение получают комбинированные схемы подготовки воды, где первую ступень ионитного умягчения заменяют безреагентными способами.
Среди безреагентных способов водоподготовки наибольший интерес представляют мембранные технологии, которые условно можно разделить на баромембранные (ультра-, микро-, нанофильтрация и обратный осмос) и электрохимические. Этот интерес обусловлен как экономическими, так и эксплуатационными преимуществами новых технологий перед традиционными.
Лидерство баромембранных технологий при опреснении значительных объемов воды централизованным порядком не подлежит сомнению. Как показывает практика последнего десятилетия, освоенная не так давно технология обратного осмоса сегодня завоевала популярность на уровне массового применения в производственных процессах, особенно при очистке воды. Вместе с тем уже сейчас многие предприятия сталкиваются с уменьшением производительности и даже преждевременным выходом из строя обратноосмотических установок [2]. Причем снижение производительности последних на 95–97 % вызвано загрязнением поверхности мембран и на 3–5 % – уплотнением полимерного материала мембран в результате длительного воздействия повышенного давления [3]. Для предотвращения отложения кристаллических загрязнений и удаления с поверхности мембран коллоидной пленки проводятся профилактические регенерационные промывки мембранного контура кислотными и щелочными моющими растворами, которые сами могут стать источниками загрязнения [2].
ООО «БМТ» при разработке комплексных технологических схем водоподготовки для теплоэнергетики использует инновационные технические решения и ультрасовременные технологии, позволяющие получить на выходе глубоко обессоленную воду. Технология водоподготовки включает в себя ряд стадий, рассмотренных в статье.
Стадия механической фильтрации на сетчатых самопромывных фильтрах
Важность предварительной механической фильтрации заключается в том, что, выполняя функцию первичной очистки от нерастворенных загрязнений, механическая фильтрация снимает многие проблемы при решении дальнейших задач, во многом снижая нагрузку на последующие стадии. Последнее имеет большое значение для экономических показателей эксплуатируемого оборудования.
Использование для этих целей распространенных в настоящее время фильтров картриджного типа приводит к практически мгновенному забиванию фильтрующего элемента и блокированию работы всей системы. Это влечет за собой достаточно частую замену фильтрующих элементов, что делает экономически нецелесообразным их применение.
Оптимальными для применения на сильно загрязненных стоках являются сетчатые регенерируемые фильтры, которые эффективны для удаления осадочных частиц, песка, окалины, для грубой и предварительной фильтрации. В отличие от картриджных фильтров, у которых фильтрующий элемент заменяется при насыщении загрязнениями, сетчатые фильтры оборудованы системой для эффективной очистки картриджа фильтра. Это значительно снижает эксплуатационные издержки и позволяет полностью автоматизировать работу фильтра.
Надо отметить, что у самопромывных фильтров, очищение которых выполняется только с помощью обратной промывки, илистый слой на фильтрующей перегородке очень плохо смывается, при этом процесс промывки требует большого количества промывных вод. У механических фильтров, в которых регенерация фильтрующей поверхности осуществляется с помощью обратного тока воды и одновременного использования специальных щеток, загрязнения удаляются с высокой степенью эффективности. Применение этого принципа практически на 100 % восстанавливает первоначальные характеристики фильтра, в то время как объем промывных вод cводится к минимуму.
ООО «БМТ» производит сетчатые самопромывные фильтры под торговой маркой «Ручеек-Б 1-1С» (рис. 1). Конструкция фильтра предполагает комбинированную очистку, сочетающую промывку обратным током и одновременную очистку фильтрующей поверхности встроенными в корпус щетками. Такая технология дает возможность равномерно смыть загрязнения со всей поверхности фильтрующей сетки, благодаря чему фильтр можно использовать на задержании глинистых и илистых загрязнений.
Рис. 1. Общий вид сетчатого самопромывного фильтра
Сетчатые самопромывные фильтры «Ручеек-Б 1-1С» выпускаются в широком диапазоне с рейтингом фильтрации от 5 до 500 мкм. Возможны варианты исполнения фильтров с ручной, полуавтоматической и автоматической промывкой. На рис. 2 представлены графики по испытаниям фильтров.
Рис. 2. Графики по испытаниям сетчатых самопромывных фильтров «Ручеек-Б 1-1С»
Стадия пульсационной ультрафильтрации
Ультрафильтрация широко используется в мировой практике для очистки воды из различных поверхностных водоисточников (реки, водохранилища, озера). Технология постоянно совершенствуется и становится все более конкурентоспособной по сравнению с традиционными методами очистки воды.
Установки ультрафильтрации с полыми волокнами можно разделить на несколько типов: с цилиндрическими мембранными элементами, с параллельным расположением половолоконных элементов, с U-образным расположением половолоконных мембран. В качестве материала для изготовления ультрафильтрационных мембран в основном используются полимерные вещества: ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэфирсульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил и их производные. Большинство ультрафильтрационных мембран – асимметричные, они состоят из тонкого селективного слоя толщиной несколько десятков мкм и пористой подложки, которая обеспечивает механическую прочность. Полимерным мембранам при их изготовлении могут придаваться разнообразные свойства, что позволяет управлять их селективными характеристиками и устойчивостью к загрязнению различными веществами.
Капиллярные или половолоконные элементы состоят из пучков тонких полимерных трубчатых мембран диаметром 0,7–2,0 мм. Они характеризуются довольно высокой плотностью упаковки мембран (площадь которых в одном модуле может достигать 50–60 м2), высокими удельными потоками и хорошей гидродинамикой внутри волокон, что выражается в меньшей склонности к засорению внутренних напорных каналов мембран. Мембранные аппараты с полыми волокнами производятся известными зарубежными фирмами: Dupont, Koch, Toray и другими. Режим фильтрации может производиться изнутри наружу или снаружи внутрь.
Особое место занимают так называемые погружные мембраны, в которых процесс ведется под воздействием не избыточного давления, а вакуума, который прикладывается к фильтратному каналу. Бескорпусные мембранные блоки с полыми волокнами погружаются в резервуар исходной воды, туда же подается воздух для очистки поверхности мембран. Задержанные загрязнения удаляются с поверхности мембраны с помощью обратных промывок, осаждаются на дно резервуара и выводятся в дренаж. Преимущество таких систем: возможность обрабатывать без предварительной очистки воду с высокой мутностью, низкое энергопотребление (0,05–0,1 кВт•ч/м3), меньшее количество распределительных трубопроводов и арматуры.
В настоящее время погружная половолоконная ультрафильтрация используется в очистке природных и сточных вод, активно вытесняя зернистые фильтры. Использование половолоконной ультрафильтрации хорошо зарекомендовало себя как предочистка перед стадией обратного осмоса. При использовании половолоконной ультрафильтрации, как правило, применяется следующая последовательность режимов: фильтрация в течение 15–60 мин, затем обратноточная промывка в течение 1–3 мин. При этом основными недостатками данного процесса являются низкая удельная скорость фильтрации (20–30 л/м2•ч) и ограниченная надежность системы управления, так как используемые в технологической схеме электромагнитные клапаны осуществляют большое количество циклов включения-выключения, в результате чего часто выходят из строя.
ООО «БМТ» разработало метод погружной половолоконной ультрафильтрации с непрерывными обратноточными промывками (пульсациями), которые производятся мембранным насосом. Изучение процесса пульсационной ультрафильтрации проводилось на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема блока пульсационной ультрафильтрации (увеличить изображение)
Исходная вода из емкости Е1 поступает в емкость концентрирования Е2 с погружным ультрафильтрационным модулем УФ, где под действием разрежения, создаваемого мембранным насосом Н1, осуществляется фильтрация исходного потока и очистка от взвешенных и коллоидных частиц. В процессе работы происходит постепенное накопление загрязнений в емкости Е2 за счет постоянного отбора фильтрата. При этом часть сгущенной суспензии (около 5 %) отводится со дна емкости Е2 в емкость Е3. В нижнюю часть емкости Е2 компрессором через распределительное устройство-аэратор подается воздух. Аэрация обеспечивает перемешивание исходного раствора в емкости, способствует уменьшению осаждения частиц на поверхности мембраны. Кроме того, в случае присутствия в исходной воде ионов двухвалентного железа, аэрация приводит к их окислению.
Таблица 1. Влияние режима промывки ультрафильтрации на расход воды на собственные нужды и производительность элемента
Импульсный режим фильтрации обеспечивает мембранный насос Н1 с электроприводом. Во время работы шток с мембраной создает возвратно-поступательные движения (импульсы). За минуту насос осуществляет 75 импульсов разрежения/нагнетания.
В режиме всасывания (А на рис. 3) открывается внутренний клапан на линии всасывания насоса, в рабочей камере создается разрежение, что способствует ее заполнению. В этот момент клапан на линии нагнетания закрыт. После заполнения рабочей камеры насоса начинается режим нагнетания. При закрытом всасывающем клапане клапан нагнетания открывается, поток фильтрата делится на две части: одна часть фильтрата по напорной линии поступает в емкость Е4, другая – возвращается по байпасной линии на обратноточную промывку ультрафильтрационного модуля. С помощью кранов К2 и К3 имеется возможность регулировать соотношение потоков. Установленный на линии нагнетания обратный клапан предотвращает работу насоса в режиме рециркуляции (рис. 4).
Рис. 4. Блок пульсационной ультрафильтрации
В ходе экспериментальных работ были проведены испытания погружного ультрафильтрационного модуля (рис. 5) на модельных суспензиях гидроокиси железа в режимах традиционной и пульсационной ультрафильтрации. Высокое содержание железа характерно для поверхностных источников вод. Повышенные концентрации железа в исходной воде позволяли прогнозировать работу погружного элемента на реальных природных водах и отработать оптимальные режимы ультрафильтрации (рис. 6).
Рис. 5. Погружной ультрафильтрационный элемент
Рис. 6. Зависимость производительности погружного ультрафильтрационного элемента от времени фильтрации в режимах периодической и пульсационной обратноточных промывках при концентрации гидроокиси железа: а – 50 мг/л; б – 100 мг/л; в – 300 мг/л (увеличить изображение)
Стадия модифицированного ионного обмена для получения глубоко обессоленной воды
Глубоко обессоленная (деионизованная) вода с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм•см широко используется для подпитки паровых котлов, турбин и котлов-утилизаторов, работающих под давлением до 140 атм. на ТЭС, ГРЭС и АЭС. Для получения деионизованной воды в промышленности используются методы ионного обмена, обратного осмоса и электродиализа. Однако для получения глубоко обессоленной воды с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм•см каждый из этих способов обессоливания может быть использован только в качестве предварительного перед последующим дополнительным глубоким обессоливанием.
В классической технологии ионного обмена вода после стадии предварительного обессоливания сначала поступает на Н-катионитный фильтр, затем – на декарбонизатор для удаления свободного углекислого газа, и далее – на ОН-анионитный фильтр. Однако подача воды сначала на стадию Н-катионирования приводит к значительному понижению рН воды. В связи с этим к имеющейся свободной углекислоте добавляется дополнительная, которая образуется при пониженном значении рН из гидрокарбонат-ионов НСО3- и карбонат-ионов СО32-.
Как правило, для удаления свободной углекислоты приходится устанавливать дополнительные аппараты – декарбонизаторы. Это увеличивает капитальные и эксплуатационные расходы, кроме того, даже самые эффективные декарбонизаторы не полностью удаляют свободную углекислоту. Поэтому для получения глубоко обессоленной воды (удельное электрическое сопротивление более 1 МОм•см) воду приходится дополнительно пропускать через фильтры смешанного действия (ФСД), что тоже приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат (рис. 7).
Рис. 7. Схема классического ионного обмена на стадии глубокого обессоливания: Н-катионитный фильтр – декарбонизатор – ОН-анионитный фильтр – фильтр смешанного действия ФСД
Второй недостаток классического ионного обмена заключается в том, что, как и углекислота, при понижении рН после стадии Н-катионирования все кремниевые соединения находятся в основном в виде двуокиси кремния (SiO2). Из-за этого она не полностью задерживается на стадии ОН-анионирования, и требуется дополнительно устанавливать фильтр смешанного действия на выходе.
ООО «БМТ» разработало и запатентовало технологию модифицированного ионного обмена по схеме «ОН-Н» для получения деионизованной воды (рис. 8).
Рис. 8. Схема модифицированного ионного обмена на стадии глубокого обессоливания: ОН-анионитный фильтр – Н-катионитный фильтр
Первым положительным моментом при организации ионного обмена по схеме «ОН-Н» является повышение значений рН в зоне анионного обмена, а это способствует диссоциации слабых угольной и кремниевой кислот и переводу их в ионизированное состояние (угольной кислоты – в ионы НСО3-, СО32-, кремниевой кислоты – в ионы НSiО3-), поэтому они могут участвовать в реакциях ионного обмена при использовании сильноосновных анионитов:
ROH + H+ + НСО3- ↔ RНСО3 + H2O
ROH + H+ + НSiО3- ↔ RНSiО3 + H2O.
При значениях рН = 8,3–8,4 практически вся присутствующая в воде угольная кислота представлена бикарбонат-ионами НСО3-, а при величине рН более 12 вся углекислота представлена только карбонат-ионами СО32- (рис. 9).
Рис. 9. Соотношение между видами углекислотных соединений при различных рН (увеличить изображение)
Карбонатная форма анионита способна к дальнейшему поглощению углекислоты, и ее емкость по углекислому газу может достигать 3 ммоль СО2 на грамм сухого анионита. При этом происходит следующая реакция:
R2CO3-2 + H2O + CO2 ↔ 2RHCO3- .
Образующаяся бикарбонатная форма способна к обмену анионов сильных кислот, при этом обменная емкость до проскока достигает 90 % равновесной емкости. Таким образом, удается максимально полно удалить все анионы, включая двуокись кремния и карбонаты.
Вторым положительным моментом ионирования по схеме «ОН-Н» является полное удаление на стадии ОН-анионирования остатков анионов сильных кислот, которые способствуют проскоку катионов и повышению остаточной жесткости после Н-катионитного фильтра. Поскольку при схеме ионного обмена «ОН-Н» все остатки анионов полностью задерживаются на ОН-анионитном фильтре с сильноосновным анионитом, при последующем пропускании воды через Н-катионитный фильтр с сильнокислотным катионитом полностью задерживаются все катионы.
Таким образом, организация стадии дополнительного глубокого обессоливания по схеме «ОН-Н» позволяет получить глубоко обессоленную воду с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм•см, отказаться от применения фильтра смешанного действия и значительно снизить себестоимость получения глубоко обессоленной воды. В табл. 2 представлены технико-экономические показатели двух вариантов технологической схемы получения глубоко обессоленной воды с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм•см.
Таблица 2. Технико-экономические показатели разных технологических схем получения глубоко обессоленной воды с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм.см (увеличить изображение)
Литература
1. Малахов И. А. Экономичные малоотходные технологии подготовки воды на ТЭС и в котельных // Энергосбережение и водоподготовка. 2003, № 1.
2. Черкасов С. А. Обратный осмос: теория, практика, рекомендации // Энергослужба предприятия. 2006.
3. Водоподготовка: Справочник / Под ред. С. Е. Беликова. М., 2007.
4. СТО 70238424.27.100.013-2009 «Водоподготовительные установки и водно-химический режим ТЭС. Условия создания. Нормы и требования». 2008.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 5(107)_2023
А. А. Поворов, к. т. н.,
генеральный директор,
К. А. Сальников, начальник
инженерно-аппаратурного отдела,
ООО «БМТ», г. Владимир,
тел.: +7 (4922) 522-350,
e-mail: vladimir@vladbmt.ru
_big.jpg'); "2(116)_small.jpg")
