автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка электромембранных методов утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС

/ 1а правах рукописи

ВАФИН ТИМУР ФИЛАРИТОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ЖИДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ ОТХОДОВ ТЭС

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005532199

Казань-2013

005532199

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (КГЭУ)

Научный руководитель: Чичиров Андрей Александрович

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Куличихин Владимир Васильевич

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт"», профессор кафедры «Промышленные теплоэнергетические системы»

Кудинов Анатолий Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственные технический университет», заведующи* кафедрой «Тепловые электрические станции»

Ведущая организация: Исследовательский центр проблем

энергетики ФГБУН Казанского научного центра Российской академии наук

Защита состоится « 11 » июня 2013 г., в 14 час. 00 мин, на заседанш диссертационного совета Д212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанскш государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г. Казань ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (Д-223).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казански государственный энергетический университет».

Автореферат разослан « 8 » мая 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.02 кандидат химических наук, профессор

Э.Р. Зверева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа тепловой электростанции (ТЭС) сопровождается сбросом высокоминерализованных сточных вод в окружающую среду. В последние годы штрафы за сброс химических веществ со сточными водами значительно увеличиваются (п. 2 ст. 16 Федерального закона от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», Постановление Правительства Российской Федерации от 12.06.2003 № 344), что стимулирует внедрение на ТЭС технологий очистки и переработки стоков. В настоящее время основным способом утилизации высокоминерализованных отходов ТЭС является их концентрирование и упаривание с получением и захоронением твердых солей. При этом все химические компоненты стоков, в том числе нейтральные или ценные, теряются. Направлением решения проблемы сбросов может быть извлечение ценных компонентов и их повторное использование в цикле станции. Эти решения, очевидно, могут быть успешными при условии утилизации концентрированных жидких отходов непосредственно с установок водопользования ТЭС. Последующие операции смешивания (взаимная нейтрализация) жидких отходов и их разбавление ведет к их превращению в сточные воды сложного состава, переработка которых экономически нецелесообразна.

Для утилизации высокоминерализованных жидких отходов ТЭС интерес представляет использование электромембранных методов, поскольку они характеризуются селективностью, отсутствием потребности в химических реагентах и практически безотходностью. При этом для целей утилизации жидких отходов ТЭС электромембранные методы до сих пор не использовались.

Анализ систем водопользования ТЭС показывает, что из жидких отходов установок водопользования превалируют отходы щелочного характера. Их переработка представляет несомненный экономический интерес, поскольку щелочь относится к дорогостоящим реагентам. Основным источником жидких высокоминерализованных щелочных отходов являются водоподготовительные установки (ВПУ). Отработанные щелочные регенерационные растворы ОН-фильтров образуются на всех ТЭС, использующих в своих технологических схемах ионитные ВПУ. Кроме того, жидкие щелочные отходы - продукт непрерывных и периодических продувок на всех ТЭС, использующих барабанные котлы, а также термообессоливающих комплексов (ТОК). Такие ТОК работают, например, на Омской ТЭЦ-6, Саранской ТЭЦ-2, Казанской ТЭЦ-3, Тобольской ТЭЦ. Щелочной концентрат установок обратного осмоса образуется на ТЭС, использующих баромембранные технологии водоподго-товки с реагентной предочисткой, например Нижнекамская ТЭЦ-1, Казанская ТЭЦ-2, Новомосковская ГРЭС.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 14.В37.21.0658) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» за 2012-2013 годы.

Цель работы - разработка способов утилизации жидких щелочных отходов ТЭС электромембранными методами.

Задачи работы:

- анализ схем водопользования ТЭС, определение источников, объёма и составов высокоминерализованных жидких щелочных отходов;

- разработка и создание модельной лабораторной электромембранной установ-| ки (ЭМУ);

- исследование электрических, физико-химических характеристик ионообменных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС;

- разработка методов электромембранной утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов, проведение исследований на модельных растворах

и жидких отходах ТЭС;

- разработка исходных данных для проектирования аппаратов электромембранной утилизации жидких отходов ТЭС;

- разработка и создание лабораторного электромембранного стенда.

Научная новизна. Разработаны электромембранные методы утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов установок водопользования ТЭС с получением щелочных растворов.

Определены транспортные, электрические и физико-химические характеристики ионообменных мембран разного типа и разных производителей в модельных растворах и жидких щелочных отходах ТЭС. Рассчитаны коэффициенты селективное™ мембран в процессах утилизации растворов.

Выполнены исследования механизма процессов при электромембранной обра ботке высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается: в тео ретическом плане - использованием научно-обоснованных моделей и методов рас чета процессов и аппаратов; в практическом плане - согласованием результате! расчетов с экспериментальными данными испытаний, выполненных в настояще; работе и литературными данными. |

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов. ]

Получены данные, необходимые для проектирования промышленных электрс мембранных аппаратов и установок.

Разработан проект электромембранного лабораторного стенда для отработк -режимов технологических процессов в водном теплоносителе и жидких отхода ТЭС различного состава с целью их разделения и концентрирования. Осуществле подбор конструкционных материалов для комплектования аппаратов. Разработан ные решения могут быть использованы для утилизации жидких отходов ТЭС.

Результаты работы приняты к использованию на Казанской ТЭЦ-2. Разрабо танные методы могут быть использованы на ТЭС РФ, имеющих высокоминерализо ванные жидкие отходы.

Основные положения, выносимые на защиту:

Методы переработки жидких щелочных отходов ТЭС с использованием электромембранных аппаратов.

Результаты исследований транспортных, электрических и физико-химических свойств ионообменных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС.

Варианты компоновки мембранных пакетов для разработанных схем в соответствии с требуемыми параметрами обработки жидких отходов.

Технологическая схема лабораторной электромембранной установки.

Практические рекомендации, сформированные на базе проведенных исследований, которые могут быть использованы при разработке и внедрении электромембранных установок на ТЭС.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д-ра хим. наук, проф. Чичирова A.A.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009-2011г.), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника, энергетика (Москва, МЭИ, 2010, 2011); VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2010 г), Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010 г), IV молодежной научно-практической конференции ОАО «Генерирующая компания» (Казань, 2009 г), I молодежной научно-практической конференции ОАО «ТГК-16» (Нижнекамск, 2010 г), молодежной научно-практической конференции ОАО «Татэнерго» (Казань, 20Юг), молодежной научно-технической конференции «Идель-4» (финал регионального молодежного форума по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию МФП в НТС (Академия наук РТ, Казань, 2011 г), Всероссийской молодежной конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (Казань, 2011 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двадцать четыре печатные работы, из них 3 в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография, 1 патент на полезную модель, тезисы докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, справки о возможности использования полученных результатов на ТЭС и списка литературы из 154 наименований. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и схем, 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложены научная новизна, цели и задачи исследования, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы по технологиям переработки образующихся на современных ТЭС жидких высокоминерализованных отходов. Приведена классификация характерных узлов их образования (рис.1).

Рис. 1. Схема образования

Л

А

»

13

ДС

V

лЛ

II

А

жидких отходов на ТЭС: 1 -осветлитель; 2 - Н-катионитный фильтр; 3 -анионитный фильтр; 4 - Ыа-катионитный фильтр; 5 -ТОК; 6 - установка обратного осмоса; 7 - барабанный котел; 8 — исходная вода; 9 - продувочная вода осветлителя; 10- обессоленная вода; 11 - Н2804 на регенерацию Н-катионитного фильтра; 12 - №ОН на регенерацию анионитного фильтра; 13 - отработанный регенерационный раствор (ОРР) Н-катионитного фильтра; 14 - ОРР анионитного фильтра; 15 - периодическая и непрерывная продувки испарительной установки; 16 - периодическая и непрерывная продувки барабанного котла; 17 - подпиточная вода теплосети; 18- греющий пар на испарительную установку; 19- ЫаС1 на регенерацию Иа-катионитных фильтров.

На ТЭС преимущественно образуются кислые и щелочные жидкие отходы, а основным источником их образования являются водоподготовительные установки. Ввиду того, что стоимость используемой в технологических процессах щелочи достаточно высока, экономически целесообразно осуществлять переработку щелочных стоков с извлечением щелочи и повторным её использованием в производственном цикле. Объем образующихся высокоминерализованных отработанных регенераци-онных растворов ОН-фильтров составляет в среднем 1 % от производительности ВПУ, а среднее солесодержание - 40-60 г/л. При работе термообессоливающих ком-| плексов объем образующихся жидких отходов также составляет в среднем 1 % при солесодержании 30-50 г/л. Объём щелочного концентрата установок обратного ос-] моса - 20 %, солесодержание - 2-4 г/л. Щелочные продувочные воды котлов образуются в объёме 1,5 % от расхода питательной воды, солесодержание - 1 г/л.

В главе приведены описания сущности электромембранного процесса и основных характеризующих его показателей. Приведено описание конструкционных осо бенностей электромембранных аппаратов, даны характеристики электродов и ионо обменных мембран.

Использование электромембранных модулей в схемах утилизации жидких ще лочных отходов позволяет добиться существенного экономического эффекта, свя занного с извлечением и повторным использованием содержащихся в них ценны: компонентов. Экологическая составляющая эффективности электромембранны: технологий обусловлена исключением сброса стоков в окружающую среду.

Па основе анализа литературных данных сформулированы задачи исследова-

Вторая глава посвящена описанию методик проведения лабораторных и натурных исследований, позволяющих производить анализ свойств рабочих растворов, а также характеристик промышленных образцов ионообменных мембран, применяемых в электромембранных аппаратах.

Сконструирован опытный электромембранный аппарат для проведения исследований характеристик ионообменных мембран (рис.2).

Рис. 2. Лабораторный электромембранный аппарат: / - прижимная плита; 2 -* >1 ' » вставки, образующие приэлектродные ка-■ I ]П В|| Г | н ГЦ | меры; 3 - резиновая прокладка; 4 - корпус-

г ' Цг' ЫвФ'Иг ные рамки; 5- ионообменные мембраны; б

\Т¥Щ В. Ш I ШУ - отверстия для ввода и вывода рабочих

растворов.

Представлены заводские характеристики отечественных и зарубежных ионообменных мембран. Приведена методика расчета электромембранной установки.

Разработана методика определения важнейших эксплуатационных характеристик электромембранного процесса, заключающаяся в определении набора параметров, характеризующих совершенство электромембранного процесса:

О - эффективный коэффициент диффузии через мембрану, см2/с:

АС IV

О = —-

Ах 3 АС

(1)

■■fX.ll)

где ДС/Дт - изменение концентрации от времени; / - толщина мембраны (см); V-объем камеры (см3); Б- рабочая площадь мембраны (см2); ДСград - градиент концентрации.

у, -диффузионный поток, диффузионная проницаемость, моль/(см2-с):

■

~ 5 ' Л '

и ¡- коэффициент диализа, см/с:

и,=А,Д.

Коэффициент диффузионной проницаемости:

(2)

(3)

А' " (С/ - С/')

IIуц - удельная скорость диффузионного диализа, г/(м" ч-моль/л):

£/,„, =

АС

Ах Б АС

(4)

град

где Мц- молярная масса, г/моль.

Коэффициент селективности разделения ЫаОН и (V.

Зависимость между потоком диффузии и градиентом концентрации:

dt ' di

где dN/dx - число продиффундировавших молекул, dC/dl - градиент молярной концентрации. Знак « - » перед формулой ставится при ДС < 0, « + » - при АС > 0.

Для случая V„ФУ, и граничных условий * = С(т), С„=С(т=0), dN =Vdx интегрируем уравнение (7):

1пС0 -ln(C0 -ах)--а-A¡ ■——- т. (8)

vu

Из уравнения (8) получим: Уравнение переноса заряда, А/см":

h¡=YM±.ln{£2Z^lhL. (9)

a- S С„ г

у-А <10>

dx

Д=Н C+.U+.^F, (11)

j = h+j-. 02)

BTAilOa (13) А 1(С+ +CJ-EF Удельная электрическая проводимость /'-го соединения, См/см:

X. =| z\-CrF-U¡. (14)

Эквивалентная электрическая проводимость i-ro соединения в мембранах, См"см2/г-экв:

= (15)

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств ионоселективных мембран в модельных и производственных растворах. В работе исследовались образцы, полученные от разных производителей: CM-PAD, AM-PAD, Ralex®, MEGA (Чехия); МК-40, МА-41, МА-40, МБ, ОО ОХК «Щекиноазот» (Россия), СР-61, АР-111, Ionics Inc. (США).

Набухание и поглощающая способность мембран являются важнейшими характеристиками ионообменных мембран, которые определяют доступность ионо генных групп и скорость установления ионообменного равновесия.

Как показали результаты исследований, наименьшими значениями набуханш в растворе соли обладает биполярная мембрана МБ, затем идут катионообменньи мембраны МК-40 и Ralex®. Наибольшее значение набухания соответствует анионо обменной мембране МА-41.

9

В работе исследовалась обменная емкость мембран в статических условиях. Обменная емкость является количественной характеристикой способности ионита к ионному обмену.

Для расчета графическим методом обменной ёмкости в зависимости от рН равновесного раствора снимали кривую титрования в отсутствие ионита. Обменную способность ионита при равных рН определяли по смещению кривой титрования ионита относительно кривой титрования чистой соли. Установлено, что обменная емкость возрастает в ряду МК-40 - МК-41 - МА-41 - МА-40 - Ralex® AM - Ralex* СМ-МБ.

Четвертая глава посвящена разработке методов электромембранной переработки жидких щелочных отходов ТЭС. Исходным материалом служили жидкие отходы ВПУ действующей ТЭС. Эксперименты проводились на лабораторном аппарате. В серии опытов изменяли структуру мембранного пакета: порядок чередования мембран, количество рабочих камер, напряжение, температуру. Кинетические кривые зависимости скорости изменения концентрации в камерах от времени в трехкамерной ячейке с мембранами МК-40 и МА-41 представлены на рис.3. Для определения коэффициента диффузии графически были построены кинетические зависимости в полулогарифмических координатах (1п(С0-ах)-т) (рис. 4).

В режиме диффузионного диализа

(DD - diffusion dialysis) сборка пакета по схеме МА-МК обеспечивает высокую скорость процесса, но практическое отсутствие селективности разделения щелочи и солевых компонентов. Кроме того, полученный диффузат загрязняется примесями органических веществ и железа.

Сборка мембранного пакета по схеме МК-МК показывает заметную селективность диффузионной проницаемости гидроксил-иона. Вероятно, начинает работать механизм переноса ОН~-Рис.4. Кинетика диффузионного про- иона через расщепление молекул воды на цесса в средней камере в полулогариф- поверхности катионообменной мембра-мических координатах для мембран ны Диффузат при этом несколько за-МК-40 и МА-41. грязнен ионами СГ. Вероятно, малая сте-

Вр«>*Я, НИН

Рис.3. Кинетика диффузионного процесса в трехкамерной ячейке с мембранами МК-40 и МА-41.

пень гидратации хлорид-иона способствует чисто диффузионному переносу его через катионообменную мембрану.

Сравнение эффективности разделения на мембранах разных производителей показывает, что на мембранах Ralex® скорость диффузионного процесса выше, а селективность ниже, чем на мембранах отечественного производства МК-40. При этом для мембран обоих производителей отмечено отсутствие диффузионного переноса органических веществ и железа, вероятно, из-за большого размера органических макромолекул и электростатического отталкивания. Природные органические вещества представлены, главным образом, гуминовыми и фульвокислотами в анионной форме. Железо большей частью входит в состав органических макромолекул и удерживается в объеме диализата. На основании полученных результатов по дуффу-зионному разделению компонентов модельного раствора предложена технологическая схема выделения щелочи, включающая, по крайней мере, два аппарата - диффузионно-диализный экстрактор (DDE) и электродиализный концентратор (EDC). Наличие второго аппарата обусловлено необходимостью получения концентрированного щелочного раствора, пригодного для использования в технологическом цикле ВПУ.

На установке, состоящей из двух аппаратов, проведена серия опытов по непрерывному отделению и концентрированию модельного раствора. Кривые изменения концентраций компонентов в аппаратах представлены на рис. 5.

Рис. 5. Динамика DDE экстракции и EDC концентрирования щелочи из опытного раствора на лабораторной установке с двумя аппаратами: индекс 1 - концентрация щелочи и соли в концентрате аппарата 1 (EDC), индекс 2 -концентрация щелочи и соли в диализате аппарата 2 (DDE).

В табл. 1 представлены результаты диффузионно-диализной обработки опытного раствора на аппарате трехкамерной сборки с мембранами МК-40 на аппарате DDE при массовом соотношении диализат/диффузат, равном «4», по достижению равновесного состояния, а также результаты концентрирование диффузата на 5-ти камерном аппарате с мембранами СМ и AM (Ralex®).

Полученный щелочной концентрат представляет собой прозрачный раствор с рН около 14 и концентрацией щелочи 2,5 масс. %. Раствор практически не содержит нежелательных компонентов (органические вещества, железо, силикаты), однако включает солевые компоненты - сульфаты и хлориды. Их наличие не мешает использованию щелочного раствора в цикле ВПУ. При необходимости можно осуществить дополнительную очистку щелочного раствора другим электромембранным методом.

С, г/л

i> 4 < * NaOlltH • NaC«:)

4. NaOH! Л

*> Л NoCBi»

♦

. . , щ я я

100 200 300 400

Таблица 1. Результаты обработки опытного раствора по схеме DDE - EDC

Показатель ЭР обработка опытного раствора на аппарате 3-х камерной сборки с мембранами МК-40 Концентрирование диффузата на 5-ти камерном аппарате с мембранами СМ и AM (Ralex )

Исходный раствор Диффузат Диализат Концентрат

S042", г/кг 24,9 5,1 23,6 39,7

СГ, г/кг 3 1,2 2,7 13,2

ОН", г/кг 1,33 1,01 1,08 11,6

NO,", г/кг 0,2 0,1 0,08 1,2

СОз2 , г/кг 0,7 0,4 0,6 2,6

SiOi, г/кг 0,36 0,03 0,32 0,04

Na+, г/кг 16,9 4,8 15,7 44,4

Са2+, мг/кг 0,56 0,06 0,5 0,4

Fe3+, мг/кг 14 1 14 2

Ок , мл/кг 480 2,6 472 3,2

рн 13,5 13,2 13,3 13,86

В третьем аппарате было предложено использовать процесс, названный EDP -электродиализная очистка, с использованием мембран из слабоосновного анионита МК-40.

Пятая глава посвящена разработке и созданию лабораторного электромембранного стенда для изучения процессов в водном теплоносителе и сточных водах различного состава с целью их разделения и концентрирования.

Принципиальная схема лабораторного электромембранного стенда показана на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной электромембранной установки: ЭМА - электромембранный аппарат; Н-1 - Н-5 - насосы циркуляции рабочих растворов; Р-1 - Р-5 - расходомеры (ротаметры); М-1 - М-5 - манометры на входе в аппарат; М-6 - М-10 - манометры на выходе из аппарата.

На лабораторном электромембранном стенде проведено исследование процесса концентрирования предварительно разделяемого солещелочного раствора. Изучена динамика изменения компонентного состава приэлектродных камер, камер концентрирования и делюирования. Условия проведения исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики электромембранной установки в ходе исследовани"

Показатель Значение

Вариант сборки установки Четырехтрактная

Вариант сборки мембранного пакета МК-МА

Количество мембран, шт 61

Количество мембран по 1 тракту, шт 15

Рабочая площадь мембраны, дм'' 8,1

В серии опытов исследовались зависимости эффективности электромембран ного концентрирования от величин напряженности электрического поля на мем бранный пакет.

Характеристики модельного раствора в ходе исследований: состав раствора 15700 мг/л №С1; основа раствора - природная вода (ОСС=400 мг/л); объёмы рас творов в баках - 6,8 л; общий объём по каждому тракту - 7,5 л; скорость циркуля ции растворов - 260 л/ч; температура рабочих растворов - 25-32 °С. Полученные ре зультаты пересчитаны на удельные характеристики (табл. 3).

Таблица 3. Удельные характеристики концентрирования солевого раствора на 4 трактном ЭМ концентраторе при различной напряженности электрического по

Показатель

Напряженность электрического поля, В/пакет

_Удельный перенос соли, экв/Р_

Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/кг

75

40

20

0,33

0,57

0,55

4.2

2,2

1,1

Прослеживается закономерность снижения удельного расхода электроэнергии при снижении напряженности электрического поля. Максимальный солеперенос достигается при напряженности поля 40 В/пакет и в дальнейшем не меняется. Принимая во внимание, что экономически выгодно наиболее интенсивное использование мембранного аппарата, устанавливаем напряженность поля на уровне 40 В/пакет, что соответствует напряжению на 1 ячейку - 0,68 В. Из полученных данных следует, что удельные характеристики процесса концентрирования-делюирования резко меняются (ухудшаются) при снижении общего солесодержания до 0,1 г/л по крайней мере в камерах одного тракта. Из этого следует, что в процессе концентрирования необходимо поддержание уровня солесодержания в дилюате не менее 0,1 г/л. Коррозионная устойчивость мембран и электродов - без изменений.

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию электромембранных аппаратов (табл.4).

Таблица 4. Рекомендации по проектированию и эксплуатации ЭМУ

Показатель Предъявляемые требования

Конструкционные характеристики элекгромембранных аппаратов

Тип аппарата Аппарат фильтр-прессного типа

Тип межмембранных прокладок Проточный, с сеткой-турбулизатором

Варианты сборки аппарата Двух-, трех- или четырехтрактный

Промывка электродных камер Раздельная

Минимальное число рабочих камер 20

Максимальное число рабочих камер 100

Число электродов 2

_П родолже н ие табл .4.

Конструкционные материалы

Токоподвод Медный пруток

Прижимные плиты Текстолит, стеклотекстолит

Уплотнительные прокладки Химически стойкая резина

Электроды Титан марки ВТ-1 с вакуумным напылением платины

Приэлектродные камеры Капролон

Межмембранные прокладки Полиэтилен высокого давления

Сепаратор-турбулизатор Полиэтилен, ПВХ

Организация режимов работы аппаратов

Гидравлические схемы Прямоточная

С рециклом растворов

Минимальная скорость циркуляции раствора по одному тракту, л/ч 40

Максимальная скорость циркуляции раствора по одному тракту, л/ч 800

Рабочий напор в линии исходного раствора на входе, МПа 0,2-1

Максимально допустимый кратковременный напор на входе, МПа 2,5

Максимально допустимая разница напоров между трактами, МПа 0,1

Разработаны технологические схемы электромембранной обработки высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС (рис. 7).

Рис.7. Технологические схемы электромембранной обработки высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС.

(>фША<П1м;1ые рсч V ■ л'ра (и и ш я ие раснифм ()К-фи;1Ьгро*

ЖН;1КНС ОГХОЦЫ ГОК

1

Щ&ючшЦ чиниснгрит УОО

11ролуиочиые нош

их-

[!«.: -» СВР

(ГН'

—»1'

На

р» СНерШНЬ» ОН-фммр»» { VI1С1Ш

Выполнен проектный расчет электромембранного аппарата (табл. 5).

Показатель Значение Порядок расчета

Объем обрабатываемого раствора, V (т/ч) 1 Исходные данные

Концентрация щелочи, Сщ (кг/т) 5 Исходные данные

Удельный перенос ионов через мембраны, э (г-экв/Е7) 0,9 Исходные данные

Плотность тока, / (А/м ) 100 Исходные данные

Разность потенциалов на электродах, Д11э (В) 3 Исходные данные

Напряжение на ячейку, ияч (В) 1 Исходные данные

Расчетное время, т (час) 1 Исходные данные

Количество переносимой щелочи, Сш (г-экв/ч) 125 Сщ = V • Сщ • 103 / Э^он

Количество электричества, 0 (Л ч) 3722 0= 26,8 • Ош / э

Необходимая площадь мембран, Б« (м ) 37,2 зм=о/<

Рабочая площадь одной мембраны, 5„р (м2) 0,56 5МР = 1,5 • 0,5 ■ 0,75

Количество мембран, п (шт) 66 п = Бм/ 8„р

Требуемая сила тока, I (А) 56 1 = 5„р ■ /

Потребляемая мощность аппарата, N (кВт) 3,86 N = (Диэ + п • и,ч) • I • 10'3

Расход электроэнергии, Э (кВт ч) 3,86 Э = Ыт

В результате электромембранной переработки жидких высокоминерализован ных щелочных отходов ТЭС образуется в среднем С,„=0,012 т/ч 40 %-ного щелочно го раствора.

Годовые затраты на электроэнергию определяются по формуле:

Зр = вщ • э • Бэ' п, (16

где вщ - содержание щелочи в 1 тонне обрабатываемого отхода, кг; э - удельны расход электроэнергии на перенос 1 кг соли, кВт-ч/кг; Бэ - стоимость электроэнер гии, руб/кВт ч; п - число часов работы электромембранной установки.

Результаты расчета годовых затрат на электроэнергию представлены в табл. 6.

Таблица 6. Годовые затраты на электроэнергию при производительности ВГ

Овпу=1(Ю т/ч и напряжении 0,3 В на ячей

Показатель Значение

Вид высокоминерализованного жидкого отхода ОРР он-фильтров ТОК УОО Продувочнь воды котло

Содержание щелочи в 1 тонне обрабатываемого отхода (Ощ), кг 5 4 3 1

Удельный расход электроэнергии (э), кВт-ч/кг соли 4,2 4,2 4,2 4,2

Расход электроэнергии, кВт-ч 21 ]6,8 12,6 4,2

Стоимость электроэнергии (Бэ), руб/кВт-ч 1,3 1,3 1,3 1,3

Затраты на электроэнергию (3), руб 27,3 21,84 16,38 5,46

Число часов работы ЭМ установки (п) 8760 8760 8760 8760

Годовые затраты на электроэнергию (Зг), руб 239 148 191 318 143 489 47 830

Количество получаемого щелочного раствора в год составляет:

G„,r=0,012-8760 = 105,12 т. (17

При средней стоимости щелочи Сщ = 24000 руб/т экономическая эффектив ность за счет её получения из щелочных отходов составит:

Эщ = Gmr ' Сщ = 105,12-24000 = 2 522 880 руб. (18

С учетом максимальных затрат электроэнергии на проведение электромем бранного процесса (Зг = 621 785 руб/год) общая экономическая эффективность со ставит:

Э = Эщ - Зр = 2 522 880 - 621 785 = 1 901 095 руб/год. (19

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен системный анализ структуры водопользования на ТЭС. Опреде лены источники и состав жидких щелочных отходов.

2. Сконструирована лабораторная установка для исследования вероятны электромембранных процессов, разработки возможных схем и режимов работь электромембранных установок, исследования характеристик ионообменных мем бран. Разработана методика определения важнейших эксплуатационных характери стик электромембранных процессов.

3. По результатам исследования транспортных, электрических и физико-химических свойств различных ионоселективных мембран разных производителей выбраны типы электромембранных процессов, виды мембран и структуры мембранных пакетов для конкретных процессов утилизации жидких отходов ТЭС.

4. Разработаны методы электромембранного разделения, концентрирования и очистки щелочных высокоминерализованных отходов ТЭС.

5. Разработаны рекомендации для проектирования опытно-промышленного образца электромембранного аппарата для утилизации высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС.

6. Разработан проект лабораторного электромембранного стенда для отработки режимов утилизации щелочных отходов ТЭС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография:

1. Чичирова, Н.Д. Электромембранные технологии в энергетике: монография / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, Т.Ф. Вафнн. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2012. -260 с.

В изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:

2. Чичирова, Н.Д. Экологическая и экономическая эффективность внедрения ресурсосберегающих технологий на тепловых электрических станциях / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, А.Г. Королёв, Т.Ф. Вафин ИТруды Академэнерго. -2010.-№3.-С. 65-71.

3. Чичирова, Н.Д. Разработка и создание ТЭС с высокими экологическими показателями / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, А.И. Ляпин, А.Г. Королёв, Т.Ф. Вафин // Труды Академэнерго. - 2010. - № 1. - С. 34-44.

4. Чичирова, Н.Д. Технико-экономическая оценка эффективности использования электромембранных технологий на отечественных ТЭС / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, Т.Ф. Вафин, А.И. Ляпин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2013. - №3-4. - С. 14-25.

Патенты:

5. Патент на полезную модель Российская Федерация № 121500. Установка для переработки промышленных сточных вод и получения концентрированного щелочного раствора и умягченного солевого раствора / Т.Ф. Вафин, A.A. Чичиров. -Опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.

В материалах конференций:

6. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г., Ляпин, А.И. Электродиализная технология разделения продувочной воды на ТЭЦ // XV Межд. НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бернардосовские чтения)»: мат. докладов. - Иваново. - 2009. - Т.1. - С. 205.

7. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Утилизация стоков испарительной установки с возвратом щелочи в цикл станции // XVI Межд. НТК студентов и аспирантов

«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: сб. трудов. - Москва. - 2010. Т.З.-С. 152-153.

8. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г., Чичирова, Н.Д., Чичиров, A.A. Внедрени электромембранной технологии для очистки стоков Казанской ТЭЦ-3 // VII Школа семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении»: мат докладов. - Казань. - 2010. - С. 434-436.

9. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Электродиализная установка для утилизаци сточных вод ВПУ ТЭС и генерации щелочи // V Межд. науч. конф. «Тинчурински чтения»: мат. докладов.-Казань. -2010.-Т.2. —С. 167-168.

10. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Ресурсосберегающая технология перерабсггк промышленных стоков на базе электромембранных модулей // XVII Межд. НТ студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: мат докладов. - Москва. - 2011. -Т.З. - С. 156-157.

11. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Бессточные технологии водоподготовки дп экологически безопасных ТЭС // XVI Межд. НТК «Состояние и перспективь развития электротехнологии (Бернардосовские чтения)»: мат. докладов. - Иваново 2011. -Т.2. - С. 105-106.

12. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Экономическая эффективность внедрени электромембранной технологии в схеме переработки стоков ТЭС // Межд. науч конф. «XIX Туполевские чтения»: мат. докладов. - Казань. - 2011. - Т. 1. - С. 422 423.

13. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Современные технологии в схеме переработк сточных вод ТЭС // XIII Всероссийский студенческий семинар «Энергетика эффективность, надежность, безопасность»: сб. трудов. - Томск. - 2011. - Т.2. С.101-102.

14. Вафин, Т.Ф. Ресурсосберегающая технология переработки промышпенны стоков с применением электромембранных модулей // Всероссийская молодежи конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» мат. докладов. - Казань. - 2011. - С.55-57.

15. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Принципиальная технологическая схем переработки сточных вод ВПУ ТЭС // Межд. науч. конф. «Научному прогрессу творчество молодых»: мат. докладов. - Иошкар-0ла.-2011.-С. 138-139.

Подписано к печати 29.04.2013 Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Тираж 100 экз. Усл.печ.л. 0.94 Уч.-изд. л. 1.0

______Заказ № НЬ\Ь_

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

Вафин Тимур Филаритович

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ЖИДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ ОТХОДОВ ТЭС

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

04ууі 59553

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р.хим.н., профессор Чичиров А.А.

Казань - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Оглавление 2

Список использованных сокращений 5

Введение 6

Глава 1. Жидкие отходы на ТЭС и способы их утилизации

(обзор литературы) 10

1.1 Образование жидких отходов на ТЭС 10

1.1.1 Жидкие отходы установок ионитного обессоливания 11

1.1.2 Жидкие отходы установок подпитки теплосети 14

1.1.3 Жидкие отходы ВПУ термического обессоливания 15

1.1.4 Жидкие отходы баромембранных ВПУ 16

1.1.5 Жидкие отходы систем гидрозолоудаления (ГЗУ) 19

1.1.6 Продувочная вода паровых котлов 20

1.1.7 Жидкие отходы, образующиеся в результате консерваций и химических моек оборудования 22

1.2 Способы утилизации жидких отходов, применяемые на ТЭС 22

1.3 Теоретические основы электромембранных технологий 29

1.3.1 Классификация электромембранных технологий 30

1.3.2 Принцип электромембранного разделения растворов 31

1.4 Элементы конструкций электромембранных аппаратов 34

1.4.1 Электроды и электродные камеры 34

1.4.2 Ионообменные мембраны 37

1.5 Выводы по обзору литературы и постановка задачи 42 Глава 2. Методическая часть 44 2.1 Методики определения физико-химических характеристик ионообменных мембран 44

2.1.1 Сорбция воды и набухание 44

2.1.2 Кривые потенциометрического титрования ионитов 45

2.1.3 Определение обменной емкости ионообменных мембран 48

2.1.4 Диффузионная проницаемость гетерогенных ионообменных мембран 48

2.1.5 Методика расчета массообмена при диализе 49

2.1.6 Диализные характеристики мембран 52

2.1.7 Основные показатели для расчета диффузионного диализа 54

2.1.8 Расчет эффективности (скорости) диффузии 55

2.1.9 Статистическая обработка данных 58 2.2 Описание опытного лабораторного электромембранного аппарата 59 2.3. Расчет электромембранного аппарата 62 2.4 Технические характеристики ионообменных мембран 67

2.4.1 Ионообменные мембраны отечественного производства 67

2.4.2 Зарубежные ионообменные мембраны 69 Глава 3. Экспериментальные исследования физико-химических свойств мембран 73 3.1. Измерение изменения размеров и объема поглощения растворов для образцов мембран 73

3.2 Кривые потенциометрического титрования 77

3.3 Диффузионная проницаемость мембран 82 Глава 4. Разработка методов утилизации высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС 86

4.1 Исследование эффективности разделения щелоче-солевого

раствора в различных электромембранных процессах 86

4.2 Диффузионно-диализное разделение щелоче-солевых растворов

на гетерогенных ионообменных мембранах 89

4.3 Электродиализное разделение компонентов модельных и промышленных растворов 98

4.4 Разработка метода получения щелочи из отработанных регенерационных растворов 104

4.5 Диализная переработка отработанного регенерационного раствора

и промывочных вод анионитных фильтров 107 Глава 5. Создание лабораторного электромембранного стенда для

изучения процессов в водном теплоносителе и жидких отходах 109

5.1 Разработка лабораторного электромембранного стенда 109

5.2 Эксплуатация и обслуживание электромембранной установки 120

5.3 Исследование состава компонентов водных сред в камерах электромембранного аппарата 125

5.4 Разработка рекомендаций по проектированию ЭМУ 129

5.5 Технико-экономический расчет эффективности электромембранной утилизации высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС 133 Основные результаты и выводы 137 Список литературы 138 Приложение 154

Список использованных сокращений

ВВКУ - вакуум-выпарная кристаллизационная установка; ВПУ - водоподготовительная установка; ГЗУ - гидрозолоудаление;

ГРЭС - государственная районная электростанция;

КИП - контрольно измерительные приборы;

МА - мембрана анионообменная;

МБ - мембрана биполярная;

МК - мембрана катионообменная;

ПДС - предельно допустимый сброс;

РВП - регенеративный воздухоподогреватель;

ТЭС - тепловая электрическая станция;

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль;

УКЩ - установка-концентратор щелочи;

УЭО - установка электромембранная опытная;

ХВО - химическая водоочистка;

ХЦ - химический цех;

ЭДУ - электродиализная установка;

ЭМА - электромембранный аппарат;

ЭМУ - электромембранная установка.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Работа тепловой электростанции (ТЭС) сопровождается сбросом высокоминерализованных сточных вод в окружающую среду. В последние годы штрафы за сброс химических веществ со сточными водами значительно увеличиваются (п. 2 ст. 16 Федерального закона от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», Постановление Правительства Российской Федерации от 12.06.2003 № 344), что стимулирует внедрение на ТЭС технологий очистки и переработки стоков. В настоящее время основным способом утилизации высокоминерализованных отходов ТЭС является их концентрирование и упаривание с получением и захоронением твердых солей. При этом все химические компоненты стоков, в том числе нейтральные или ценные, теряются. Направлением решения проблемы сбросов может быть извлечение ценных компонентов и их повторное использование в цикле станции. Эти решения, очевидно, могут быть успешными при условии утилизации концентрированных жидких отходов непосредственно с установок водопользования ТЭС. Последующие операции смешивания (взаимная нейтрализация) жидких отходов и их разбавление ведет к их превращению в сточные воды сложного состава, переработка которых экономически нецелесообразна.

Для утилизации высокоминерализованных жидких отходов ТЭС интерес представляет использование электромембранных методов, поскольку они характеризуются селективностью, отсутствием потребности в химических реагентах и практически безотходностью. При этом для целей утилизации жидких отходов ТЭС электромембранные методы до сих пор не использовались.

Анализ систем водопользования ТЭС показывает, что из жидких отходов установок водопользования превалируют отходы щелочного характера. Их переработка представляет несомненный экономический интерес, поскольку щелочь относится к дорогостоящим реагентам. Основным источни-

ком жидких высокоминерализованных щелочных отходов являются водопод-готовительные установки (ВПУ). Отработанные щелочные регенерационные растворы ОН-фильтров образуются на всех ТЭС, использующих в своих технологических схемах ионитные ВПУ. Кроме того, жидкие щелочные отходы - продукт непрерывных и периодических продувок на всех ТЭС, использующих барабанные котлы, а также термообессоливающих комплексов (ТОК). Такие ТОК работают, например, на Омской ТЭЦ-6, Саранской ТЭЦ-2, Казанской ТЭЦ-3, Тобольской ТЭЦ. Щелочной концентрат установок обратного осмоса образуется на ТЭС, использующих баромембранные технологии водоподготовки с реагентной предочисткой, например Нижнекамская ТЭЦ-1, Казанская ТЭЦ-2, Новомосковская ГРЭС.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 14.В37.21.0658) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» за 2012-2013 годы.

Научная новизна. Разработаны электромембранные методы утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов установок водопользования ТЭС с получением щелочных растворов.

Определены транспортные, электрические и физико-химические характеристики ионообменных мембран разного типа и разных производителей в модельных растворах и жидких щелочных отходах ТЭС. Рассчитаны коэффициенты селективности мембран в процессах утилизации растворов.

Выполнены исследования механизма процессов при электромембранной обработке высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается: в теоретическом плане - использованием научно-обоснованных моделей и методов расчета процессов и аппаратов; в практическом плане - согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными испытаний, выполненных в настоящей работе и литературными данными.

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов.

Получены данные, необходимые для проектирования промышленных электромембранных аппаратов и установок.

Разработан проект электромембранного лабораторного стенда для отработки режимов технологических процессов в водном теплоносителе и жидких отходах ТЭС различного состава с целью их разделения и концентрирования. Осуществлен подбор конструкционных материалов для комплектования аппаратов. Разработанные решения могут быть использованы для утилизации жидких отходов ТЭС.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к использованию на Казанской ТЭЦ-2. Разработанные методы могут быть использованы на ТЭС РФ, имеющих высокоминерализованные жидкие отходы.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д.х.н., проф. Чичирова A.A.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009-2011г.), аспирантско-магистерском семинаре, посвященном дню энергетика (Казань, КГЭУ, 2008, 2009 гг.); шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника, энергетика (Москва, МЭИ, 2010); семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника, энергетика (Москва, МЭИ, 2011), VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2010 г), международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010 г), IV молодежной научно-практической конференции ОАО «Генерирующая компания» (Казань, 2009 г), I молодежной научно-практической конференции ОАО «ТГК-16» (Нижнекамск, 2010 г), молодежной научно-практической конференции ОАО «Татэнерго» (Казань, 2010 г), полуфинале регионального молодежного форума «Идель» по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию

МФП в НТС (КГЭУ, Казань, 2011 г), молодежной научно-технической конференции «Идель-4» (финал регионального молодежного форума по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию МФП в НТС (Академия наук РТ, Казань, 2011 г), всероссийской молодежной конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (Казань, 2011 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двадцать четыре печатные работы, из них 3 в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография, 1 патент на полезную модель, тезисы докладов.

ГЛАВА 1. ЖИДКИЕ ОТХОДЫ НА ТЭС И СПОСОБЫ ИХ УТИЛИЗАЦИИ (обзор литературы)

1.1 Образование жидких отходов на ТЭС

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного развития.

Крупнейшим потребителем природной воды из поверхностных источников являются тепловые электростанции. Их доля в общем объеме потребления пресной воды промышленностью России составляет около 70 %, из которых 90 % возвращается в поверхностные водные источники (в том числе 96 % нормативно-чистых и 4 % загрязненных стоков).

В условиях ограниченности водных ресурсов и ухудшения состояния водных объектов при постоянном повышении требований контролирующих органов к качеству сбросных вод оценка масштабов воздействия ТЭС на водные объекты становится одним из основных критериев при выборе места их строительства и прогнозе развития энергетики в целом. Все чаще возникают проблемы при согласовании сброса не только загрязненных, но и нормативно-чистых стоков [122-124, 126, 127].

Постоянный рост затрат на использование пресной и сброс сточных вод, а также лимиты и штрафы за их превышение способствуют сокращению водопотребления, повторному использованию сточных вод и созданию малоотходных технологий по их переработке в большинстве промышленно развитых стран. Все большее признание в мировой энергетике получают ТЭС, характеризующиеся минимальными потреблением свежей воды и сбросом сточных вод [107].

В настоящее время на ТЭС нормированию [101] подлежат сбросы загрязняющих веществ со сточными водами любых систем охлаждения, водо-подготовительных установок, систем гидрозолоудаления (только для действующих электростанций), а также с дождевыми и талыми водами при их от-

ведении в водоем через специальные выпуски. Другие технологические сточные воды ТЭС (замасленные и замазученные воды, стоки химических очисток оборудования, обмывок регенеративных и конвективных поверхностей котлов и др.) следует использовать либо внутри ТЭС, либо отправлять для утилизации на другие предприятия [71].

Таким образом, минимизация сбросов сточных вод требует повышения коэффициента водооборота на станциях, т. е. создания малоотходных и безотходных схем водоснабжения. Это должно быть реализовано не только путем усовершенствования многих существующих технико-экономических решений по обработке воды различного состава, необходим также учет экономического влияния примесей технологических потоков, используемых реагентов и конкретные экономическая и социологическая оценки ущерба, причиняемого окружающей среде в результате сбросов [81, 133].

Для питания котлов современных ТЭС пригодна вода, в которой практически отсутствуют все примеси, находящиеся в обрабатываемой воде как в истинно-растворенном, так и в коллоидном и грубодисперсном состояниях. Для этой цели исходная вода проходит различные стадии обработки на специальных водоподготовительных установках (ВПУ) [69].

1.1.1 Жидкие отходы установок ионитного обессоливания

Наибольшее распространение в нашей стране получила технология обессоливания воды с использованием ионитных фильтров, схема которой изображена на Рис. 1.1. Эта технология применяется уже несколько десятилетий и показала себя вполне надежной для вод малой и средней минерализации.

Щелочной Кислый сток сток

Рис. 1.1. Схема двухступенчатого ионитного обессоливания: О - осветлитель; М - механический фильтр; Нь Нп - Н-катионитные фильтры I и II ступени; А[, Ап - анионитные фильтры I и II ступени; Д - декарбонизатор; БЧОВ - бак частично обессоленной воды

Применяемые в схеме Н-катионитные фильтры загружены катиони-том. При Н-катионировании воды обменным ионом служит катион водорода, при этом протекают следующие реакции:

Я2Са + = 211Н + Са2+ + (и-2)Н+; (1.1)

Я2Мв + гй? = 211Н + + (п-2)¥?-, (1.2)

1Ша + иН+ = КН + Ка+ + (и-1)Н+. (1.3)

В результате ионного обмена фильтрат приобретает кислую реакцию. Происходит частичное снижение солесодержания обрабатываемой воды. При

пропуске воды через слой катионита сверху образуется зона поглощения Са и а под ней зона поглощения №. Обе эти зоны по мере истощения катионита передвигаются одна за другой по направлению к нижней границе загрузки. Когда зона поглощения № достигнет нижней границы слоя катионита, начинается «проскок» Ыа в фильтрат - кислотность снижается.

Для восстановления обменной емкости катионита производится регенерация его серной кислотой. Реакции, протекающие при регенерации:

СаК2 + Н2804 - 2НК + Са804; (1.4)

М£К2 + Н2804 = 2НК + М^Од; (1.5)

2ИаК2 + Н2804 = 2НК + №804. (1.6)

Анионитные фильтры применяются для извлечения растворенных анионов из воды. Анионированию подвергается вода, уже прошедшая предварительное катионирование. В анионитовых фильтрах 1 ступени загруженных среднеосновным анионитом осуществляется обмен на гидро-

ксильный ион ОН~ присутствующих в Н-катионированной воде анионов

2 _

сильных кислот: серной БО "4, соляной СІ :

211- ОН" + Н2Э04 = Я2 - 802"4 + 2Н20; (1.7)

11-0Н" + НС1 = К-СГ + Н20. (1.8)

_ ->

При одновременном поглощении ионов С1 и БО "4 сверху образуется зона поглощения ионов БО "4. По мере истощения анионита наступает проскок менее активных ионов СГ, поэтому контроль работы фильтров ведут по хлоридам.

Количество и состав сточных вод схемы ионитного обессоливания зависит от её производительности, состава исходной воды и удельных расходов реагентов на регенерацию. Именно при ионитном обессоливании в технологическую схему ВПУ вводится основное количество Ыа в виде №ОН и сульфатов в виде Н2504. При этом основную проблему представляет едкий натр. Избыток серной кислоты менее опасен, т. к. при нейтрализации известью основная часть сульфатов может быть выведена в осадок в виде гипса. В этой связи при оптимизации режима эксплуатации ВПУ на базе ионитного

обессоливания максимальное внимание должно быть уделено сокращению расхода едкого натра [54].

1.1.2 Жидкие отходы установок подпитки теплосети

На ТЭС с отпуском тепловой энергии в горячей вод�