автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка и исследование унифицированных решений малоотходной технологии водоподготовки и переработки сточных вод на ТЭС

На правах рукописи

ПОТАПКИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ РЕШЕНИЙ МАЛООТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ТЭС

Специальность:05.14.14 - Тепловые электрические станции (тепловая часть)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1998

Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции» Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор СЕДЛОВ A.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МАЛАХОВ И.А. кандидат технических наук ГУСЕВА О.В.

Ведущая организация: ОАО «Объединение ВНИПИЭнергопром»

Защита состоится « Ноя&я 1998 года в часов в аудито-

рии &~20¥~на заседании диссертационного совета К-053.16.01 в Московском энергетическом институте по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим высылать по адресу : 111250 Москва, ул. Красноказарменная , д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан « » Ос/г?1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кт.н. // Андрюшин A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большая часть поверхности нашей планеты (около 71%) покрыта Мировым океаном. Вместе с тем от общего объема 1.36 *109 км3 пресные воды составляют всего 0.5%, а для практического использования пригодно менее 39 тыс. км3. Считается, что население нашей планеты ежегодно потребляет 600 км3 пресной воды (1.5% речного стока), а сбрасывает 450 км отработанных вод, обезвреживание которых в настоящее время осуществляется в основном путем разбавления. На это расходуется около 6 тыс.км3 чистой воды, т.е. уже 15% всего речного стока.

Недостаток пресной воды ограничивает развитие ряда промышленно развитых стран, приводя к необходимости ее экспорта. Так, воду экспортируют из Канады в США, из Швейцарии и Швеции в Германию. Ожидается, что только 3 из 18 водных регионов, па которые разделена территория США, смогут удовлетворить свои потребности за счет собственных вод. По прогнозам к началу следующего десятилетия человечеству понадобиться уже до 10 тыс. км3 в год воды, при этом будет образовываться такое количество сточных вод, что разбавить их будет невозможно.

По мнению экологов, если в ближайшее десятилетие объем сточных вод будет продолжать расти теми же темпами, то в начале следующего тысячелетия на Земле произойдет глобальное загрязнение поверхностных и подземных вод.

Не случайно поэтому все большее признание получают решения экологических задач, основанные на экологизации техники и технологий. Эта концепция предусматривает внедрение «безотходных» технологий, замкнутых производственных циклов, применение экологически безвредной техники, широкое использование вторичных ресурсов и т.п., что является на настоящем этапе единственной возможностью ощутимого снижения экологической напряженности.

В настоящее время экологизация производства реализуется практически во всех развитых странах. Все большее признание в мировой энергетике получают тепловые электростанции (ТЭС), обеспечивающие экологически безопасный режим водопользования. Так, только за период 1993 -1995 г.г. в числе лучших электростанций мира были названы шесть электростанций с «бессточными» водоподготовками или «бессточным» водопользованием. Среди них ТЭС «Doswell», ТЭС «Bailly» энергокомпании «Northern Indiana Public Service», ТЭС «Shand» энергокомпании «Sask Power», ТЭС «Grayling», ТЭС «Pasco Country» , ТЭС «Cedar Bay» энергокомпании «US Generating Co.».

Передовые позиции в решении экологических проблем окружающих ТЭС водоемов занимают США. Существенно худшие показатели в этом вопросе у стран Европы. Сброс сточных вод в открытые водоемы, например для Германии, не играет решающего значения, т.к. для питьевых нужд здесь используются либо артезианские (или фильтрационные) воды, либо воду Боденского озера.

Принципиально иную роль играет качество воды поверхностных водоемов для России, т.к. они являются основными источниками питьевого водоснабжения для большинства крупных городов. В этой связи можно считать оправданными более высокие экологические требования в нашей стране для поверхностных водоемов питьевого и рыбохозяйственного значения.

В настоящее время институтами ОАО «Объединение ВНИПИЭнер-гопром»,ОАО « Институт Теплоэлектропроект» и другими проектными организациями выпущено большое количество разработок (ТЭР, ТЭО, технических и рабочих проектов «бессточных» и малоотходных водоподготови-тельных установок) для расширяющихся и строящихся электростанций, в которых предусмотрено применение испарителей. Внедрение этих разработок направлено на широкое использование технологий, установок и аппаратов для термохимической переработки в дистиллят высокого качества природных и сточных вод и выделением минеральных компонентов в виде товарных продуктов.

Анализ этих разработок показывает необходимость унифицированного подхода к созданию таких термохимических водоподготовок (ТХВП), что снизит опасность принятия неверных решений на стадии проектирования и ускорит освоение экологически безопасных ТЭС.

Цель работы. Разработка и исследование унифицированных решений малоотходной технологии обработки вод различного типа на основе термохимического метода обессоливания.

Научная новизна. При непосредственном участии автора проведены экспериментальные исследования и обобщены результаты опытно-промышленного освоения на Саранской ТЭЦ-2 технологии приготовления регенерационного раствора из продувки испарителей и минерализованных сточных вод процесса регенерации этих фильтров, регенерации полученным раствором Иа-катионитных фильтров, стабилизации, термохимического умягчения и утилизации регенерационных сточных вод.

На основе полученных результатов разработано математическое описание работы малоотходных ТХВГТ с повторным использованием стоков.

Разработаны унифицированные технические решения и методика расчета малоотходных схем ТХВП по переработке природных и сточных вод в дистиллят с получением конечных товарных продуктов.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью методики расчета малоотходных ТХВП с повторным использованием стоков обобщенными результатами теоретических и экспериментальных исследований в области создания таких схем на основе термохимического метода обессоливания.

Полученные экспериментальные данные при реализации малоотходных ТХВП в промышленных условиях хорошо согласуются с данными проведенных расчетов по разработанной методике.

Практическая ценность работы. Предложенная автором методика расчета малоотходных ТХВП с утилизацией сточных вод в цикле водопод-готовки использована при проектировании «бессточных» водоподготовок на 17 реконструируемых или вновь сооружаемых объектах. Разработанные унифицированные решения малоотходных ТХВП позволяют оперативно принимать решения в зависимости от конкретной ситуации и могут быть использованы при разработке методических указаний по проектированию «бессточных» ТХВП на ТЭС.

Автор защищает:

1. Обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований в области создания малоотходной технологии водоподготовки и переработки сточных вод с получением конечных товарных продуктов на основе термохимического метода обессоливания.

2. Методику расчета малоотходных ТХВП с повторным использованием стоков в цикле водоподготовки.

3. Унифицированные технические решения по переработке природных и сточных вод в дистиллят с получением конечных товарных продуктов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научно-техническом совещании «Проблемы сокращения сточных вод и создания замкнутых систем водопользования» (1988г., Челябинск), на 2-ой Международной научно-технической конференции «Новые методы, средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики» (1995г.,МЭИ,Москва), Международном симпозиуме «Обессоливание и окружающая среда» (1996г.,Генуя,Италия), заседаниях лаборатории и кафедры ТЭС МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных трудов, одно авторское свидетельство и патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 137 страниц основного машинописного текста, 23 рисунка, библиография содержит 115 наименований, приложения 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен литературный обзор работ, посвященный методам очистки и переработки сточных вод, образующихся при работе ТЭС. Проведенный обзор показал, что разработаны и реализуются технологии очистки и повторного использования сточных вод, образующихся в системе гидрозолоудаления (ГЗУ), обмывочных вод регенеративных воздухоподогревателей (РВП) и поверхностей нагрева котлов, сбросных, отработанных моющих растворов и отмывочных вод после химических промывок и консервации паровых котлов, ливневых вод с территории ТЭС, а также шламовых, замасленных и замазученных вод.

В то же время не решены вопросы с утилизацией продувочных вод систем оборотного охлаждения (СОО) и сточных вод ВПУ. Содержание солей в этих сточных водах значительно превышает их содержание в исходной природной воде. В настоящее время эти воды в основном сбрасываются в прилегающие водоемы, ухудшая экологическую обстановку в них.

Наибольшую минерализацию имеют сточные воды ионообменных водоподготовительных установок. Так, на регенерацию ионитных фильтров химобессоливающих установок (ХОУ) электростанциями страны расходуется ежегодно 0.5 - 0.6 млн.тонн серной кислоты и 0.4 - 0.5 млн.тонн едкого натра. Объем отводимых сточных вод ХОУ составляет 25 - 30% и выше от объема обессоленной воды, при этом в водоисточники со сточными водами ХОУ электростанций сбрасывается примерно 2 млн.тонн солей в год.

Применение современных противоточных технологий с использованием смол разных типов позволяет интенсифицировать работу оборудования, повысить эффективность использования ионитов, совместить функции аппаратов с сокращением их количества. Однако применение даже самых современных технологий химического обессоливания экономично только для вод с низкой минерализацией. Но и при этом происходит образование дополнительного количества минерализованных сточных вод, для утилизации которых необходимо сооружение специальных установок.

Широкое применение мембранных методов подготовки добавочной воды энергетических котлов на отечественных ТЭС ограничено отсутствием серийного производства качественных мембран и сложностью самого технологического процесса. Фильтрат, получаемый при применении мембранных процессов, необходимо дополнительно обессоливать, что в свою очередь требует совмещения мембранных и ионообменных методов. Сохраняется проблема утилизации сточных вод.

Использование термического обессоливания позволяет утилизировать основную часть минерализованных сточных вод ТЭС при минимальном расходе химических реагентов и приблизиться к созданию малоотходных технологических процессов. На основании анализа материалов литературных источников сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные требования, предъявляемые к экологически безопасной ТЭС, которые можно сформулировать в следующем виде: «взаимодействие» такой ТЭС с окружающей средой не должно сопровождаться возникновением в ней необратимых изменений. Это значит, что с ТЭС не должны сбрасываться неочищенные стоки, неочищенные газы и твердые отходы, загрязняющие окружающую среду.

Система водопользования на такой ТЭС должна иметь преимущественно оборотные технологические циклы: системы оборотного охлаждения конденсаторов турбин, оборотные системы ГЗУ, снабжение технологическим паром промпредприятий через паропреобразователи, теплоснабжение с закрытым водоразбором. Все это в сочетании с повторным использованием большей части или всех стоков в технологических процессах, в том числе и в системе водоподготовки, должно обеспечивать рациональное водопользование с минимальным водоподведением и водоотведением, что позволяет вплотную приблизиться к созданию ТЭС с «нулевым» сбросом сточных вод.

Создание таких ТЭС становится генеральным направлением в развитии отечественной энергетики.

Важную роль при этом играет выбор схемы подготовки добавочной воды. На рис. 1 приведены зависимости удельных сбросов минеральных солей от состава исходной воды при обессоливании различными способами. Удельный сброс минеральных солей, то есть количество солей в сточных водах, отнесенное к производительности установки, может рассматриваться как один из основных показателей принятого метода обессоливания.

При работе схем водоподготовок по вариантам 1-4 сточные воды имеют повышенную жесткость, что усложняет их переработку и утилизацию минерализованной части. В варианте 5 все ионы кальция и магния выделяются в виде пригодном для полезного использования либо длительного хранения. Хорошо растворимые соединения натрия выводятся в концентрированном виде с частью мягких продувочных вод испарителей, что упрощает их последующую обработку. В результате все минеральные примеси, поступившие с исходной водой и реагентами, разделяются на три основные части: хорошо растворимые соли натрия, шлам на гипсовой основе, а также шлам, образующийся при предварительной обработке исходной воды в осветлителях - и представляют собой сырье, которое может использоваться вместо природных компонентов в различных отраслях промышленности. Таким образом, создание малоотходных схем ТХВП с повторным использованием стоков в цикле водоподготовки позволит исключить сброс

Сумма хлорид- и сульфат-ионов я исходной воде, мг-экв/л

Рис.1. Удельный сброс солей от водоподготовительных установок в зависимости от метода подготовки добавочной воды и минерализации исходной воды: 1- при химическом обессолива-нии; 2-при работе термической водоподготовки на умягченной »Ыа-катионированиой воде и регенерации фильтров привозным КаС1 ; 3-при работе испарителей мгновенного вскипания на воде, прошедшей упрощенную обработку; 4-при использовании продувки испарителей для регенерации Ка-катионитных фильтров; 5-при работе термохимических водоподготовок с повторным использованием стоков

минерализованных стоков и создать ТЭС с «нулевым» сбросом сточных вод и получением минеральной части в виде, пригодном для утилизации.

В третьей главе рассмотрены наиболее характерные схемы ТХВП, проведен их сравнительный анализ, выявлены основные закономерности их работы, выбран оптимальный вариант.

Обязательным условием реализации таких схем является первоначальное введение в цикл водоподготовки определенного количества солей натрия и их многократное использование, выведение из цикла соединений кальция и магния в виде твердой фазы и удаление соединений натрия, поступающих с исходной водой и корректирующими реагентами : содой , едким натром, сульфатом натрия, в виде пригодном для последующего использования либо длительного хранения.

В схеме, предложенной проф. Фейзиевьш Г.К., регенерация Ка-катионитных фильтров осуществляется подкисленной продувочной водой испарителей, а образующиеся при этом сточные воды смешиваются с исходной водой. Смесь обрабатывается в осветлителе известью и содой для максимального снижения жесткости. Осветленная вода подвергается Ыа -катионитному умягчению и упаривается в испарителе. Преимуществом схемы является ее реализация с минимальным дополнительным оборудованием.

Недостатком этой схемы является большой расход соды на осаждение кальция, а также повышение минерализации смеси исходной воды со стоками, что ухудшает технологические показатели Ка-катионитных фильтров. Кроме того на нейтрализацию продувки испарителя тратится большое количество кислоты, а также из схемы необходимо вывести и пе-

Рис.2. Принципиальная схема термохимического обессоливания при смешении части стоков водоподготовки с исходной водой : 1-осветлитель исходной воды; 2-№-катионитный фильтр; 3-испарительная установка; 4-узел приготовления регенерационного раствора; 5-узел выделения солей жесткости; И,К - известь, коагулянт; ИВ- исходная вода; РРк, - регенерационный раствор Na-кaтиoнитныx фильтров; ОРц."- концентрированная часть отработанного регенерационного раствора; Ш-шлам; ОС- обработанные стоки ; ИЗ- избыток натриевых солей; Кд - корректирующий реагент

реработать не только соли натрия, поступившие с исходной водой , но и в результате использования соды.

Большое количество схем предусматривает обработку регенерацион-ных сточных вод содой и известью и их повторное использование для регенерации фильтров. При этом умягченные сточные воды упариваются до достижения первоначальной концентрации солей натрия и их объема. Продувка испарителя не используется и утилизируется самостоятельно.

К недостаткам этой схемы помимо большого расхода соды следует отнести также необходимость сооружения специальной испарительной установки и сложность с обеспечением безнакипного режима ее работы.

В этой связи предпочтение было отдано схеме ТХВП, которая приведена на рис.2. Согласно данной схемы исходная вода поступает в осветлители 1, где смешивается с термоумягченными сточными водами N<1-катионитных фильтров после узла выделения солей жесткости 5 и обрабатывается химическими реагентами: известью и коагулянтом. Далее осветленная вода умягчается на Ыа-катионитных фильтрах 2 и концентрируется в испарительной установке 3.

Продувочный концентрат испарительной установки частично поступает в узел приготовления регенерационного раствора 4 , где смешивается с частью минерализованных сточных вод №-катионитных фильтров водоподготовки. Регенерационный раствор из узла 4 используется для восстановления обменных рабочих емкостей №-катионитных фильтров 2.

Неиспользованная часть минерализованных сточных вод поступает в узел вьщеления солей жесткости 5, где обрабатывается известью и нагревается. После отделения шлама на гипсовой основе обработанные стоки направляются в осветлители 1, где используются для обработки исходной воды.

При работе по этой схеме значительное количество кальция осаждается в виде его сульфата, что сокращает или полностью ликвидирует введение корректирующих реагентов на выведение из цикла кальция и магния и уменьшает количество солей натрия , выводимых из термохимической водоподготовки.

Корректирующий реагент при работе по этой схеме может понадобиться только в случае использования вод «неблагоприятного» состава, т.е. тогда когда жесткость исходной воды близка или превышает суммарное содержание сульфат-ионов и щелочности исходной воды.

В этой связи именно вариант по рис.2 был реализован на установке производительностью 100 т/ч Саранской ТЭЦ-2.

На основании проведенного анализа показано, что любая схема во-доподготовки с многократным использованием единожды введённого реге-нерационного раствора и сточных вод в цикле ТХВП может быть представлена в виде самостоятельного контура, функционирование которого осуществляется за счёт подвода и отвода соответствующих потоков минеральных компонентов.

Так, при работе водоподготовки по схеме рис.2, такой контур можно представить в виде , приведенном на рис.3. При этом в схему ТХВП подводятся следующие потоки минеральных компонентов: с исходной водой (\Уив), известью(\Усаомиу+ ), коагулянтом (¥/,.>501), а также коррек-

тирующим реагентом (\VNak) • Из схемы ТХВП отводятся потоки: с хорошо растворимыми натриевыми солями (\УГО) , со шламом из узла выделения солей жесткости (\УСа5см+ Wмg(oн)2), а также со шламом, образующемся в узле приготовления регенерационного раствора и при работе осветлителей ^шлурр +\УтГв ). Многократно в схеме ТХВП циркулирует только избыточное количество солей натрия (\¥пстхви), необходимое для более глубокой регенерации фильтрующего материала.

Дистиллят, получаемый при работе такой ТХВП, используется для восполнения потерь пара и конденсата энергетических котлов ТЭС, а выводимые из схемы ТХВП шламы и соли могут быть использованы в строительстве, энергетике, химической промышленности, металлургии и т.д. Так

• шлам осветлителей - в качестве строительного материала, для производства извести, в качестве добавок при производстве ячеистых и полимерных бетонов, кирпича, легких пористых заполнителей (керамзита, аглопо-рита и т.д.), микронаполнителей в строительные растворы, минерального порошка для асфальтобетонов, наполнителя для приготовления шпаклевочных составов, красок и т.д.;

• шлам на гипсовой основе - в качестве добавок при производстве гипсовых изделий, в цементной промышленности в качестве минерального наполнителя и замедлителя схватывания, в сельском хозяйстве для гипсования почв, а также для получения гипсового вяжущего вещества и т.д.;

• хлорид натрия - как сырье для получения С12, №ОН, хлорной извести и т.д, а сульфат натрия - как сырье для получения силиката Ка. №28, Н2804, (МН4)2804 и т.д. Натриевые соли могут быть также использованы в объектах малой энергетики взамен использования привозной поваренной соли, для борьбы с обледенением улиц в холодное время года и т.д.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки и опыта промышленного освоения на Саранской ТЭЦ-2 АО «Мордовэнерго» малоотходной технологии водоподготовки и переработки сточных вод в дистиллят и конечные товарные продукты.

В лабораторных и опытно-промышленных условиях при непосредственном участии автора отрабатывалась технология получения регенерационного раствора из продувочного концентрата испарителей, регенерация этим раствором №-катионитных фильтров, стабилизации, термохимичес-

Дистиллят на восполнение потерь

WNak

Рис.3. Схема материальных потоков ТХВП с повторным использованием стоков

кого умягчения и утилизации регенерационных сточных вод. В качестве исходной использовалась продувочная вода СОО Саранской ТЭЦ-2, в которую подается вода из р.Инсар и промливневые воды с территории ТЭЦ.

Для проведения лабораторных исследований был смонтирован экспериментальный стенд, который предусматривал обработку воды в осветлителе, механическую фильтрацию, Ыа-катионирование, коррекционную обработку продувки испарителей, известкование в термоумягчителе-кристаллизаторе.

Проведенные исследования показали, что при нейтрализация щелочности продувочной воды подкислением, снижается содержание кремнекислых и органических соединений. Однако в процессе регенерации катионига подкисленной продувочной водой отмечалось образование кремнекислых и органических соединений кальция и магния , что нарушало режим регенерации. Для более глубокой очистки подкисленной продувки потребовалась ее фильтрация через осветлительный фильтр, загруженный сульфоуглем. Кроме того, использование серной кислоты приводило к увеличению концентрации сульфат-иона в регенерационном растворе, что увеличивало опасность образования сульфата кальция в процессе регенерации катиони-та.

Значительно более эффективным оказался способ обработки продувочной воды испарителей путем смешения с частью отработанных регенерационных сточных вод. Содержащиеся в них кальций и магний вступают в реакцию с гидратами, карбонатами, силикатами и органикой. В результате образуется сложный комплексный осадок, содержащий указанные элементы.

Анализ результатов лабораторных исследований показал, что обменная рабочая емкость катионита КУ-2-8, при регенерации его раствором, приготовленным из продувки испарителей смешением с жесткими стоками, в Na-катионигных фильтрах 1 ступени составила 560-690 г-экв/м3 при

кратности расхода натриевых солей на регенерацию - 1.6 - 2.1 г-экв/г-экв. При этом минерализация осветленной воды составила 0.44 - 1.0 г/л, а оптимальная концентрация ионов натрия в готовом регенерационном растворе 450 - 600 мг-экв/л в зависимости от соотношения хлорид- и сульфат-ионов. Были также определены основные показатели процесса стабилизации по сульфату кальция концентрированной части регенерационных сточных вод и процесса термохимического умягчения их избытка.

После опытно-промышленной апробации на Саранской ТЭЦ-2 двух способов приготовления регенерационного раствора была выбрана технология с использованием части отработанных жестких стоков для смешения с продувкой испарителей. На рис. 4 приведены выходные кривые процесса регенерации промышленного Ыа-катионитного фильтра 1-ой ступени таким раствором. В промышленных условиях удельный расход солей натрия на регенерацию фильтров 1 ступени составил 2.2 - 2.4 г-экв/г-экв. При этом рабочая обменная емкость катионита КУ-2-8 в фильтрах первой ступепи составила в среднем 650 - 700 г-экв/м3 при жесткости умягченной воды 0.10.2 мг-экв/л и скорости регенерации 8-10 и/ч. Жесткость фильтрата после II ступени не превышала 10-20 мкг-экв/л.

Исследованиями было установлено, что оптимальное количество отработанного регенерационного раствора Иа-катионитных фильтров на смешение с продувочной водой испарителей определяется по формуле

(ОН-^®7- М§2+Прмиу)*к* V»

=----------------------------------------------,м 1/ч (1) ■

( М^+ув*°РК + НСОз~уяж°РК'В)

При этом оптимальная концентрация ионов кальция в стабилизированных сточных водах составляет

/~> 2+ орк,в _ увж оп

-----------------------------------------+2*НСОз"увж°1Ж,,,+---------------------------,

К,* К Ужо"*

мг-экв/л (2)

где К -коэффициент, учитывающий конкретный состав исходной воды; К) - коэффициент, характеризующий соотношение между гидратной и карбонатной формой щелочности в продувке испарительной установке Упрурр (м3/ч), поступающей на смешение с жесткими стоками; (Са2+)и -оптимальный избыток кальция по отношению к карбонат-ионам в смеси продувки и жестких стоков, равный 2-4 мг-экв/л.

Исследования показали возможность стабилизации жестких сточных вод в контактном кристаллизаторе или непосредственно в баке концентрированных растворов путем перемешивания воздухом и (или) насосом в течении 8-10 часов. Остаточная концентрация ионов кальция в сточных водах после стабилизации составила 35 - 68 мг-экв/л, а концентрация сульфат-ионов 145 - 250 мг-экв/л.

Жо. См1*

(а) (б)

Рис.4 Выходные кривые процесса регенерации промышленного Ма-катионитного фильтра 1 ступени : (а) регенерация от27.11.1996г.; (б) регенерация от 14.11,1995 г.

При оптимальном режиме приготовления ре генерационного раствора остаточные концентрации карбонат- и гидрат-ионов в концентрате регене-рационного раствора составляют 4 и 2, а концентрации кальция и магния 6 - 8 и 2 - 3 мг-экв/л, соответственно.

Обработка избыточного количества сточных вод процесса регенерации На-катионитных фильтров ТХВП осуществлялась в термоумягчителе. К аппарату предусматривался подвод пара и извести. Шлам, образующийся в термоумягчителе, легко обезвоживался до влажности 25 % без применения специального оборудования. Оптимальная концентрация ионов кальция в сточных водах после термохимической обработки составила 40 - 50 мг-экв/л, гидратная щелочность обработанных стоков - 37-45 мг-экв/л, остаточная концентрация сульфат-ионов - 80 - 100 мг-экв/л, а оптимальная температура обработки 40 - 60 °С.

Полученные результаты лабораторной и опытно-промышленной проверки легли в основу разработки методики расчета и унифицированных решений малоотходных ТХВП на ТЭС.

В пятой главе представлены разработанные методика и созданная на ее основе программа расчета на ПВЭМ малоотходной ТХВП с повторным использованием стоков в цикле водоподготовки (рис.5).

Расчет материальных и солевых балансов ТХВП ведется методом последовательных приближений. Исходными данными для проведения расчета является состав исходной воды С^ (мг-экв/л) (т. 1-цифра в круге на рис.5), производительность испарительной установки, а также общая характеристика и режимы работы водоподготовигельного оборудования. При проведении расчета принимается состав осветленной воды С,ов1 (мг-экв/л) (т.2 на рис.5) в первом приближении (1=1), а также ожидаемый состав стабилизированных сточных вод в баке концентрированных растворов Соувж орк,в(мг-экв/л) (т.4 на рис.5). Здесь и далее под >тым компонентом понимается концентрация ионов кальция магния(¡=2), натрия 0=3), хлорид-()=4), сульфат-ионов (]=5), а также щелочность общая (¡=6) в исходной, осветленной, продувочной и т.д. воде.

Исходны вода Хим. реагент (твссгъ, коагулаит.

основе в стротгльстяо

Рис.5. Структурная схема малоотходной термохимической водоподготовки с повторным

использованием стоков

При проведении расчета определяется материальный и солевой ба-анс во всех узловых точках.

Расчет количества готового регенерационного раствора (т.5 на рис.5) едут с учетом потерь концентрированной регенерационной смеси с осад-ом, величина которого принимается 20% от общего объёма смеси в баке-еакторе.

На основании анализа большого количества статистических данных ыходных регенерационных кривых Кз-катионитных фильтров Саранской ЭЦ-2 установлено, что в бак концентрированных растворов поступает соло 90 - 95% от общего количества сбрасываемых солей при регенера-«I. Количество солей, отводимых с разбавленной частью отмывочных вод .6 на рис.5) в схему ТХВП, составляет 5 - 10 %. Остаточные концентра-

ции ионов кальция и гидрат-ионов в стоках после обработки в термохимическом умягчителе (ТХУ) (т.7 на рис.5) определяются по данным/1/".

Концентрация ионов кальция в осветленной воде в ьтом приближении при ¡=(2...п) (т.2 на рис.5) определяется по формуле

Ся1 =

OBI

Ca2+im*Dim(¡.i)+ Ca2+yia((¡.i)t,c*DyB}K0C(i.i)+ Са2 0pp(i-i )*DoPPu-i i+Hm^D,

W(í-i)

Dt-ч мф г-. Nal р. Na2

ocb(i-i) " uespíi-l) ' ь»а3р(,.]) "b'bjpíi-l)

2*IllIB*D)m(i.I)+C02m*DIffi(¡.i/22 + H VD„b(i-¡)+ C03 DyB*(i-1) --------------------------------+

Dr-v ыф ТЧ Nal r-v Na2 ocb(í-1) " ^взр(1-1) - *Лзр(М) -Ub3p(í-1)

+ СОз2'оа, МГ-ЭКВ/Л (3)

Концентрация ионов магния в осветленной воде в i-том приближении при i=(2...n) (т.2 на рис.5) определяется по формуле

Mg2tÜB1=

(Mg2+„s-Mg2+yA)*DHE(i-i )+Mg2+yB*<;i.i )00*DysX(í.i ^ Mg 2+opp(¡-i )*Dopp(i-i >

Dn мф n Nal n Na2

ocb(í-I) " blB3p(¡_i) - L»B3p(i-l) " 1Лзр(1-1)

мг-экв/л (4)

Концентрация ионов натрия, хлорид- и сульфат-ионов в осветленной воде i-том приближении при i=(2...n) (т.2 на рис.5) определяются по формуле общего вида

С =-

^JOBl

IC+Cjt,pp(i.l)*D0pp(;_i)+ Н \*DIffl(l.;

1)

Dn мф n Nal rv Na2 ocb(í-I) - J>B3p(i-l) - L'b3p(i-1) - 1Лзр(Ы)

мг-экв/л (5)

где 0>1!Ж(1.1 )ос, Е>оргК1_1) - расход исходной, обработанной воды после

ТХУ, а также разбавленных порций отмывочных вод в (М)-ом приближении, м3/ч;

Оув^!-!)00, Сррр(Ц) - концентрация каждого соответствующего компонента в обработанных стоках после ТХУ и в разбавленных порциях отмывочных вод в (М)-ом приближении, мг-экв/л;

Н Нтв - доза соды, едкого натра или коагулянта (при определении суль фат-ионов), а также извести, мг-экв/л.

Рассчитанные по описанной выше методике расход осветленной во-

/ 1/ Шищенко В.В., Лоренц К.Б. Номограмма для выбора режима термохимической обработки сточных вод водоподготовительных установок И Химия и технология воды.-1990.-12.- Nii6.-c.562 -563.

ды и ее состав в ¡-том приближении сравнивается с результатами предыдущих показателей. При совпадении этих показателей с точность ±1% расчет считается завершенным.

В шестой главе приведены основные варианты систем технического водоснабжения, разработанные на базе термохимического обессоливания и обеспечивающие утилизацию сточных вод и выделение минеральной составляющей исходной воды в виде, пригодном для последующего использования.

На рис.6 приводится унифицированная схема термохимического обессоливания с утилизацией сточных вод и выделением минеральной части в виде, пригодном для полезного использования либо длительного хранения, разработанная по результатам эксплуатации установки на Саранской ТЭЦ-2.

Схема предусматривает обработку исходной воды химическими реагентами в осветлителях, механическую фильтрацию осветленной воды, ее Ма-катионитное умягчение, термическую деаэрацию и дистилляцию. Приготовление регенерационного раствора Ыа-катионитных фильтров ТХВП осуществляется смешением продувочного концентрата доупаривающей установки со стабилизированными сточными водами. Неиспользованная часть стабилизированных сточных вод подвергается известковой обработке в термохимическом умягчителе и направляется в осветлители исходной воды.

На основе унифицированной схемы разработаны варианты схем комбинированной выработки добавочной воды котлов и подпиточной воды теплосети (т/с) открытого и закрытого водоразборов, а также схема с утилизацией сточных вод ХОУ (см.рис.7 - 9).

Особенностью схемы по рис.7 является организация самостоятельного контура регенерации На-катионитных фильтров подпитки теплосети открытого водоразбора, что необходимо для выполнения санитарных требований, предъявляемых к качеству регенерационного раствора. Приготовление регенерационного раствора для Ыа-катионитных фильтров подпитки теплосети закрытого водоразбора (см.рис.8) осуществляется совместно с №-катионитными фильтрами схемы подготовки питательной воды испарителей, что упрощает схему и уменьшает затраты. Независимо от схемы и типа теплосети при работе этих технологий требуется постоянно вводить определенное количество сульфата натрия.

Отличительной особенностью схемы, приведенной на рис.9, является разделение сточных вод ХОУ и предварительная обработка этих вод перед подачей в технологических модуль. При обработке кислых концентрированных вод ХОУ известковым шламом осветлителей происходит нейтрализация избыточного количества водород-ионов, последующая интенсивная кристаллизация гипса на частицах взвешенного слоя ранее образовавшегося осадка, а также выделение свободной углекислоты. После отделения осадка и удаления углекислоты обработанные стоки поступают в осветлители термохимической водоподготовки.

При обработке щелочных вод ОН-анионитных фильтров углекислым газом гидрат натрия переходит в карбонат и бикарбонат натрия и используется для обработки воды в осветлителях термохимической водоподготовки.

Приготовление регенерационного раствора при работе по этой схеме осуществляется совместно как для Ыа-катионитных фильтров схемы подго-

товки питательной воды испарителей, так и для Ыа-катионитных фильтров подпитки теплосети закрытого водоразбора.

При работе по схемам, приведенным на рис.7 - 9, переработка сточных вод подготовки питательной воды испарителей и подпиточной воды теплосети осуществляется аналогично по технологии описанной ранее (см. рис. 6). Избыток солей натрия выводится по этим схемам либо в теплосеть, либо путем кристаллизации в твердом виде.

Таким образом, разработанные схемы позволяют исключить сброс минерализованных сточных вод в окружающую ТЭС водоемы и приблизиться к созданию экологически безопасных ТЭС .

ВЫВОДЫ

1. Разработаны и реализуются технологии очистки и повторного использования сточных вод, образующихся в системе ГЗУ, обмывочных вод РВП и поверхностей нагрева котлов, концентрированных моющих растворов и отмывочных вод после химических промывок и консервации паровых котлов, ливневых вод с территории ТЭС, а также шламовых, замасленных и замазученных вод и т.д. Не решены вопросы с утилизацией продувочных вод СОО, сточных вод подготовки добавочной воды энергетических котлов и подготовки подпиточной воды теплосети, хотя именно они составляют основную часть сточных вод повышенной минерализации, образующихся на ТЭС.

2. Применение даже самых современных технологий химического обес-соливання сопровождается образованием минерализованных сточных вод, суммарное содержание солей в которых значительно превышает количества солей, поступивших с исходной водой. Использование мембранных методов обработки воды приводит к сокращению количества минерализованных сточных вод, однако не жжлючает необходимости сооружения специальных установок для их обессоливания.

3. Показано, что малоотходные ТХВП на основе рационального сочетания химического и термического методов обработки воды обеспечивают утилизацию таких сточных вод и могут стать основой создания экологически безопасных ТЭС, разработка которых является генеральным направлением в развитии отечественной энергетики.

4. Результаты экспериментальных исследований и опыт промышленной эксплуатации впервые в отечественной и мировой практике показали возможность использования для регенерации Na-катионитных фильтров концентрата испарителей, работающих на пресных водах. При этом обеспечивается многократное использование первоначально введенного регенера-ционного раствора.

5. Установлено, что наиболее эффективным способом приготовления регенерационного раствора Na-катионитных фильтров является смешение продувочного концентрата испарителей и минерализованной части сточных вод процесса регенерации этих фильтров. При этом происходит глубокое удаление из регенерационного раствора гидратов, карбонатов, кремнекислых и органических соединений кальция и магния, повторно используется значительная часть регенерационных сточных вод, снижается опасность образования твердой фазы в процессе регенерации Na-катионитных фильтров.

дистиллят

в Бак 10

'нс.6. Унифицированная схема термохимического обессоливания с утилизацией сточных вод и наделением минеральной части в виде, пригодном для полезного использования либо длнтель-юго хранения : 1-осветлитель исходной воды;2-бак осветленной воды; 3 -механические фильт-1ы; 4,5-№-катнонитные фильтры 1 и 2 ступеней; 6-деаэратор; 7- многоступенчатая испаритель-1ая установка (МИУ); 8-доупаривающая установка;9-бак-реактор;10-бак готового регенераци-шного раствора; 11-бак концентрированных растворов; 12-термохимимческий умягчитель; 13-1ластинчатый осветлитель; 14-узел кристаллизации; 15-эжектор;ИВ,И,К,С,ЕН,Ка2804-исходная ода, изпестъ, коагулянт, сода, едкий натр, сульфат натрия

'ис.7. Вариант унифицированной схемы при комбинированной выработке добавочной воды ;отлов и подпиточной воды т/с открытого водоразбора : 1-14- обозначения те же, что и на рис.6; .5 - Ка-катионитный фильтр т/с;16-бак концентрированных растворов т/с; 17 - бак-реактор т/с; 18 -бак готового регенерационного раствора фильтров т/с; 19-эжектор

Листиллят

Шя«м т стромгсоьста<

рмаюшсй уст-та /Ь' 6аЙ 1СГ

Рис.8.Варнант унифицированной схемы при комбинированной выработке добавочной воды котлов и подпиточной воды т/с закрытого водоразбора: 1-14- обозначения те же, что и на рис.6; ! 5-осветлитель т/с; 1 б-бак осветленной т/с воды; 17- механические фильтры т/с; 18-Ыа-катионитные фильтры т/с;19-эжекгор

Н КДТИОКИТНЫ* фильтре*

а ««тем " строительство

Рис.9.Вариант унифицированной схемы при комбинированной выработке добавочной воды котлов и подпиточной воды т/с закрытого водоразбора с утилизацией сточных вод химобеесо-ливающих установок : 1-7; 9-13 -обозначения те же, что и на рис.6: 8-бак сбора продувки; 14-кристаллизатор; 15- декарбонизатор; 16-пластинчатый осветлитель; 17-рекарбонизатор;18-узел кристаллизации; 19-осветлитель т/с; 20-бак осветленной т/с воды; 21-механический фильтр т/с; 22-Ка-катионитные фильтры т/с;23-эжектор

6. Разработана методика расчета оптимального соотношения количества регенерационных сточных вод и концентрата испарителей при приготовлении регенерационного раствора.

7. Исследования в лабораторных и промышленных условиях показали, что регенерация Ыа-катионитных фильтров раствором , полученным путем смешения продувки испарителя и регенерационных сточных вод обеспечивает восстановление основной части его обменной способности и жесткость химочшценной воды на уровне, регламентированном ПТЭ. Определена оптимальная концентрация ионов натрия в таком регенерационном растворе и скорость его подачи через катионит.

8. В опытно-промышленных условиях отработана технология стабилизации жестких сточных вод по сульфату кальция во взвешенном слое ранее образовавшегося осадка и путем перемешивания их воздухом и (или) насосом.

9. При проведении процесса термохимического умягчения определены оптимальные условия осуществления этого процесса: температура процесса и доза извести.

10. Разработана методика и создана программа расчета на ПЭВМ малоотходных схем ТХВП с использованием стоков в цикле водоподготовки.

11. Разработана унифицированная схема термохимического обессолива-ния воды с минимальным использованием корректирующих реагентов, утилизацией сточных вод и выделением минеральной части в виде, пригодном для полезного использования либо длительного хранения.

12. На основе этой унифицированной схемы разработаны варианты схем комбинированной выработки добавочной воды котлов и подгаггочной воды теплосети открытого и закрытого водоразборов, а также схема с утилизацией сточных вод химобессоливающих установок.

13. Разработанные унифицированные решения малоотходной технологии водоподготовки и переработки сточных вод на основе термохимического умягчения позволяют оперативно принимать решения при проектировании новых или реконструкции существующих водоподготовок и могут быть использованы при разработке методических указаний по проектированию «бессточных» ТХВП на ТЭС.

14. Разработанные методики расчета и технологические решения были использованы при проектировании водоподготовительных установок Саранской ТЭЦ-2, Ивановской ТЭЦ-3, Петровской ТЭЦ, Мордовской ГРЭС, Новой ГРЭС в Ростовской области, Ярославской ТЭЦ-1, Новгородской ТЭЦ-20, Ростовской ТЭЦ-2, Северо-Западной ТЭЦ Ленэнерго, ТЭЦ-21 АО «Мосэнерго»,ГРЭС-3 им.Классона, Щекинской ГРЭС, Астраханской ГРЭС, Астраханской ТЭЦ-3, Калининградской ТЭЦ-2 и др. Полученные результаты легли в основу разработок -ТЭР, ТЭО, технических и рабочих проектов, выполненных проектными организациями: ОАО «Объединение ВНИПИ-Энергопром»,ОАО «Институт Теплоэлектропроект», БелНИПИЭнерго-пром, УкрВНИПИЭнергопром, Северо-Западным отделением ВНИПИ-Энергопром, Мосэнергопроект, Зарубежэнергопроект и др.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО:

1. Седлов A.C., Шшценко В.В., Потапкина E.H. Многократное использование сточных вод при создании ТЭС с высокими экологическими показателями // ВИНИТИ 1287-В93. - 1993.-10с.

2. Седлов A.C., Шшценко В.В., Чебанов С.Н., Потапкина E.H., Сидорова C.B. Теоретическое и экспериментальное обоснование способов обессоливания с многократным использованием регенерационного раствора // Теплоэнергетика. -1995. -№3.-с.64-68.

3. Седлов A.C., Шшценко В.В., Чебанов С.Н., Потапкина E.H., Сидорова C.B., Ильина И.П. Малоотходная технология переработки сточных вод на базе термохимического обессоливания// Энергетик. -1995. -№11.-с. 16-20.

4. Патент №2074122 РФ, МКИ3 С02 1/42. Способ термического обессоливания воды. Седлов A.C., Шшценко В.В., Ильина И.П., Сидорова C.B., Потапкина E.H.

5. Седлов A.C., Ильина И.П., Сидорова C.B., Шшценко В.В., Потапкина E.H. Малоотходная технология водоподготовки и переработки сточных вод на основе термохимического метода обессоливания // Обессоливание,-1996.-№108.-с. 351 - 354 (на английском языке).

6. Мартынова О.И., Седлов A.C., Гронский Р.К., Потапкина E.H. Проблемы безотходного водопользования на ТЭС и пути их решения// Сб.трудов ЭНИНа / Экологические проблемы энергетики. -1989,- с. 173 - 179.

П;ч ___Тир;;ж J^CO Заказ ЦЩ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.