РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СХЕМЫ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ВОДОПОДГОТОВКЕ


Инж. И.Ш. Загретдинов, с.н.с. В.В. Тропин (Группа Е4), инж. О.В. Симорова (Мосэнергопроект), инж. А.Н. Самодуров (ТГК-8),
инж. А.В. Жадан, д.ф.-м.н. А.А. Пантелеев (ЗАО «НПК «Медиана-Фильтр»), с.н.с. О.Г. Салашенко (ЗАО «ИКСА»)

Часть1

Теплоэнергетический комплекс и многие отрасли промышленности нуждаются в производстве воды высокого качества для технологических целей. Концентрация солей в этой воде должна быть в десятки тысяч раз меньше, чем в исходной природной воде. В настоящее время актуальной задачей при создании систем водоподготовки является использование инновационных технологий, направленных на повышение энергоэффективности производства, снижение эксплуатационных затрат и вредного воздействия теплоэнергетического комплекса на окружающую среду.
Практически каждое предприятие имеет систему водозабора, водоподготовки, внутреннего водооборота и водоотведения. Данная статья посвящена рассмотрению ресурсосберегающих схем установок водоподготовки (ВПУ). Как правило, для энергетических установок требуется высокочистая (деминерализованная) вода, при этом к воде предъявляются жесткие требования и по содержанию общего органического углерода.
В большинстве ВПУ, действующих в настоящее время, используются технологические схемы, разработанные в первой половине ХХ века. Эти схемы включают такие методы, как осветление, фильтрование, ионный обмен и пр., обеспечивающие высокое качество воды и простоту в эксплуатации оборудования. Однако они обладают рядом недостатков, связанных со значительными затратами реагентов, наличием высокоминерализованных стоков, проблемами их нейтрализации и утилизации.
Возрастающая стоимость реагентов (щелочи, кислоты) также ставит вопрос о повышении экономической эффективности этих систем. В 50–70-е годы прошлого века активно разрабатывались и в дальнейшем развивались противоточные ионообменные технологии, которые позволяют повысить качество очистки и при этом снизить расход реагентов на регенерацию [1, 2]. Однако они не решают качественным образом существо проблемы.
Во второй половине ХХ века начали активно развиваться мембранные технологии. В 80–90-е годы уровень развития этих технологий стал достаточным для широкого промышленного применения [3]. Эти технологии по своей сути являются ресурсосберегающими, т.к. в их основе лежит процесс разделения на мембране без использования реагентов.

Мембранные технологии позволяют надежно и экономично очищать исходную воду от различных примесей, в большинстве случаев используя минимальное количество реагентов и минимизируя вред для окружающей среды. Ультрафильтрация позволяет удалять из воды грубодисперсные примеси, коллоидные частицы, а также часть органических примесей. В процессе обратного осмоса происходит разделение входящего потока воды на два – обессоленную воду (пермеат) и концентрат, содержащий извлеченные соли. Ультрафильтрация и обратный осмос относятся к баромембранным процессам. Также к эффективным методам обессоливания можно отнести и электромембранные процессы – электродиализ и электродеионизацию, которые находят свое место в промышленной водоподготовке. Следует отметить и интенсивно внедряемые в настоящее время методы мембраной дегазации и нанофильтрации.
Наряду с вышеуказанными достоинствами мембранные технологии имеют и недостатки. Так как движущей силой в мембранном разделении выступает либо ньютоновская сила (давление), либо электрические силы (разность потенциалов), то значительными являются затраты на электроэнергию. Недостатком мембранных технологий также являются значительные затраты воды на собственные нужды. Ниже приведены примеры схем ВПУ, в которых используются некоторые технологические приемы, основанные на мембранных методах очистки воды.

Ресурсосберегающие схемы в построении систем обратного осмоса


Для достижения длительной устойчивой работы установок обратного осмоса (УОО) все современные производители мембранных элементов рекомендуют поддерживать их гидравлический КПД (отношение расхода фильтрата к расходу подаваемой на элемент исходной воды) в диапазоне от 5 до 20 % [5] в зависимости от солесодержания, условий работы и т.д. с учетом того, что для эффективной работы обратноосмотических элементов требуется предварительно подготовленная вода с низким коллоидным индексом КИ15 < 5. Стандартное значение КПД 10–15 % для одиночного промышленного 8-дюймового мембранного элемента не может считаться удовлетворительным. В связи с этим для увеличения эффективности обратноосмотической установки в целом используют ряд технологических приемов, например, организуют
многокаскадные схемы с сочленением мембранных элементов, применяют рециркуляцию концентрата. Для общего снижения расхода воды на собственные нужды ВПУ, ключевой технологией в которой является обратный осмос, внедряют разветвленные схемы повторного использования концентрата установки обратного осмоса.

Размещение мембранных элементов обратного осмоса в корпусе

Рис. 1. Размещение мембранных элементов в корпусе


Простейший пример каскадной схемы представлен на рис. 1. В одном корпусе устанавливают последовательно несколько мембранных элементов, при этом их фильтратный канал объединен, а концентрат с первого мембранного элемента является исходной водой для второго и т.д. Для обеспечения эффективной работы мембран необходимо поддерживать скорость очищаемого раствора в определенных пределах. Производители мембранных элементов ограничивают допустимый поток очищаемой воды на один промышленный 8-дюймовый элемент значением 16 м3/ч для предотвращения его разрушения из-за превышения перепада давления.

С другой стороны, для снижения концентрационной поляризации на мембранах он не должен быть менее 2,7 м3/ч. Проходя вдоль мембранного элемента, объем водной фазы каждый раз уменьшается из-за того, что в фильтрат переходит примерно 10–15 % и на последний элемент подается не более 50–60 % исходной воды. Поэтому число элементов в стандартном корпусе не превышает шести. Дальнейшее повышение КПД в обратноосмотической установке основано на применении многокаскадных схем типа «елочка» (рис. 2) [6]. Использование подобной схемы позволяет повысить гидравлический КПД установки до 75–85 %. Смысл подобных многокаскадных схем состоит в организации оптимального гидравлического режима всех элементов каскада.
На первой стадии каскада очищается весь поток воды, на вторую поступает концентрат в количестве 40–60 %, соответственно выбирается количество параллельно соединенных модулей. На третьей стадии каскада из оставшегося концентрата дополнительно выделяется обессоленная вода. Соотношение количества элементов на стадиях составляет 1 : (1,5–2).
Другой способ повышения КПД УОО связан с организацией контура рециркуляции. В этом случае часть полученного концентрата направляют в голову процесса. Это позволяет при ограниченном гидравлическом КПД увеличить скорость раствора и минимизировать отложения в конечных мембранах. Наиболее существенными недостатками этого решения являются рост энергопотребления и снижение качества фильтрата.

Трехкаскадная схема установки обратного осмоса
Рис. 2. Трехкаскадная схема установки обратного осмоса

Гидравлический КПД 75–85 % (25–15 % концентрата) является достаточно высоким показателем для установок обратного осмоса. Однако он значительно уступает показателям ионного обмена: 8–10 % сточных вод в параллельноточных схемах и 3–5 % – в противоточных. Возможно ли еще повысить КПД установки обратного осмоса? Проведенные нами исследования показали, что при специальной подготовке исходной воды это возможно. Для этого качество исходной воды должно быть достаточно высоким по содержанию коллоидных частиц (КИ15 < 2), и параметры концентрата должны обеспечивать отсутствие выпадения осадка при последующей его обработке.
Схема высокоэффективной обратноосмотической системы представлена на рис. 3. Буферная емкость сбора концентрата с УОО-1 обеспечивает стабильный его поток на УОО-С. Для обеспечения необходимого рН и предотвращения отложения солей жесткости в УОО-С применяется дозирование кислоты. Фильтрат с УОО-С в зависимости от его качества направляется либо в голову, на доочистку, либо используется как продукт. Данная схема реализована на ТЭЦ-16 ОАО «Мосэнерго». Достигнут гидравлический КПД 92–94 %. В ближайшее время аналогичные схемы будут реализованы на ВПУ Невинномысской и Ставропольской ГРЭС (рис. 4).

Схема высокоэффективной установки обратного осмоса

Рис. 3. Схема высокоэффективной УОО. БПП – блок предподготовки; УОО-1 – обратноосмотическая установка; УОО-С – обратноосмотическая
установка для доочистки концентрата с УОО-1 и его возврата в цикл

Установки обратного осмоса на Ставропольской ГРЭС

Рис. 4. Установки обратного осмоса на Ставропольской ГРЭС. а – УОО-1; б – УОО-С

 

Продолжение - Часть2