автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка технологии удаления трудноокисляемых форм железа из подземных вод с использованием электрогидродинамических устройств

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ В ВОДЕ, ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОВОДЯНОГО ТРАКТА ТЭЦ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ УДАЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.

1.1 Обращение воды в рабочем цикле ТЭЦ. Состав и структура железистых отложений в парогенераторах.

1.2 Формы существования железа в подземных водах.

1.3 Безреагентные (физические) методы обезжелезивания.

1.4 Реагентные методы обезжелезивания.

Выводы.

Цель и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ ПО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ КОАГУЛЯЦИИ ПРИМЕСЕЙ ПРИРОДНЫХ

2.1 Современная физико-химическая теория коагулирования гетерофаз-ных примесей воды.

2.2 Современные коагулянты, их свойства и область применения.

2.3 Методы интенсификации процесса коагуляции.

2.3.1 Реагентные методы интенсификации коагуляции.

2.3.2 Безреагентные методы интенсификации коагуляции.

2.4. Теоретические предпосылки к выбору электрогидродинамического устройства для обработки подземных вод, содержащих железооргани-ческие комплексы.

Выводы.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА УДАЛЕНИЯ ТРУДНООКИСЛЯЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ (ЭГДУ).

3.1 Объект исследований, программа и методика проведения лабораторных испытаний.

3.1.1 Объект исследований.

3.1.2 Описание установки для проведения лабораторных исследований.

3.1.3 Программа и методика проведения лабораторных исследова

3.1.4 Методика проведения химических анализов.

3.2 Результаты экспериментальных исследований по удалению железоорганических соединений и других примесей из подземной воды.

3.3 Оценка достоверности полученных экспериментальных данных. Разработка математической модели процесса удаления железоорганических комплексов из воды реагентным методом с использованием ЭГДУ.

Выводы.

4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ

РЕАГЕНТНОГО ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭГДУ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ, РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И РАСЧЕТУ ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ.

4.1 Производственные испытания предлагаемой технологии и оценка ее экономической эффективности.

4.2 Рекомендации к проектированию и расчету устройств, входящих в состав технологической схемы.

4.2.1 Электрогидродинамическое устройство.

4.2.2 Рециркуляционная линия.

4.2.3 Контактный резервуар.

4.2.4 Контактные фильтры.

4.2.5 Осветлительные фильтры.

4.2.6 Дозирование реагентов.

ВЫВОДЫ.

В общем объеме воды, подаваемой для нужд промышленного производства, более 30% приходится на долю подземных вод. При использовании этих вод для питания котлов парогенераторов тепловых электростанций (ТЭС) часто возникает необходимость в удалении на водоочистных сооружениях соединений железа.

Во многих населенных пунктах используются тепловые электростанции, оснащенные теплофикационными турбинами, отдающими тепло отработавшего пара промышленным и коммунальным потребителям, называемые теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Для теплоэлектроцентралей, потребляющих подземную воду, большую проблему при эксплуатации котлов создают карбонатные отложения, а также нерастворимые соединения железа и других металлов.

В состав накипей, образующихся на стенках котлов, входит до 60-70% соединений солей жесткости, 25-30% оксидов железа, меди и алюминия. Низкий коэффициент теплопроводности накипей существенно снижает теплотехнические показатели работы аппаратов, приводит к удорожанию процессов подготовки пара и горячей воды.

Кроме того, нерастворимые соединения железа, присутствующие в подземной воде, образуют отложения на поверхностях зерен загрузки в катионито-вых фильтрах, применяемых в схемах умягчения или обессоливания воды, что существенно уменьшает их рабочую обменную способность по ионам кальция и магния.

Таким образом, удаление соединений железа из воды, используемой для питания котлов ТЭЦ, является актуальной задачей, в первую очередь, по технико-экономическим соображениям. Многообразие форм и концентраций железа, встречающихся в природных водах, вызвало необходимость разработки целого ряда методов и сооружений для их удаления. Большой вклад в решение проблем обезжелезивания природных и оборотных вод внесли И.Э. Апельцин, В.А.Клячко, Г.И.Николадзе, Г.Ю. Асс, Е.Ф. Золотова, Л.А.Кульский, П.П.Строкач.

В подземных водах концентрации растворенного и нерастворенного железа могут достигать высоких значений. Одной из наиболее трудных проблем при обезжелезивании воды является удаление из нее органических форм железа. Однако, до настоящего времени, вопросам глубокого удаления железоорга-нических комплексов в процессах подготовки подземных вод, используемых для технических целей и, в частности, для питания промышленных котлов ТЭЦ уделялось недостаточное внимание, что диктует необходимость применения новых технологических и конструкторских решений в этой области.

Одним из таких решений является использование технологии, где в качестве аппарата для смешения и активации действия реагентов при обезжелезивании воды используется электрогидродинамическое устройство (ЭГДУ), обеспечивающее высокую эффективность процесса подготовки воды для технических нужд ТЭЦ.

Подготовка подземных вод для технологических целей промышленных предприятий является составной частью "Программы социально-экономического развития Пензенской области на 2002-2010 г.г.", в рамках которой выполнялась данная диссертационная работа.

Целью диссертации является разработка и исследование новой реагент-ной технологии удаления трудноокисляемых форм железа из подземных вод, используемых для технических нужд тепловых электростанций.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке новой энерго-реагентосберегающей технологии очистки подземных вод от трудноокисляемых соединений железа с использованием электрогидродинамических устройств (ЭГДУ);

- в определении влияния технологических характеристик ЭГДУ на процессы реагентного обезжелезивания подземной воды;

- в получении аналитических зависимостей, адекватно описывающих кинетику процессов реагентного обезжелезивания воды при ее подготовке для парогенераторов ТЭЦ.

Практическая значимость диссертационной работы:

- предложена и апробирована в промышленных условиях новая технологическая линия подготовки котловой воды, позволяющая удалять из воды труд-ноокисляемые формы железа с высокой степенью эффективности при незначительных затратах электроэнергии и реагентов;

- разработаны рекомендации по проектированию и расчету аппаратурного оформления предложенной технологической схемы.

Практическая реализация. Предложенная технология очистки подземной воды от трудноокисляемых соединений железа внедрена на станции водо-подготовки ТЭЦ-3 г. Кузнецка Пензенской области производительностью 1000 м3/сут. Годовой экономический эффект от внедрения составил более 187 тыс. рублей в ценах 2005 года.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы 9 работ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 всероссийских и международных конференциях в г.г. Пензе, Самаре, Тюмени в 2001-2005 г.г.

ВЫВОДЫ

1 .На основе анализа отечественных и зарубежных источников показано, что для удаления железоорганических комплексов из подземных вод одним из наиболее предпочтительных является реагентный метод очистки с использованием высокоэффективных минеральных алюминиевых коагулянтов типа ПОХА. Для интенсификации действия коагулянтов с высокой эффективностью могут быть использованы перемешивание реагентов с водовоздушной смесью в напорном режиме, добавление высокомолекулярных катионных флокулянтов серии БО и наложение электрического поля, реализуемые с использованием электрогидродинамического устройства (ЭГДУ).

2. Установлено, что наложение постоянного электрического поля в ЭГДУ с катодной поляризацией центрального стержня при использовании 20%-ной рециркуляции водовоздушной смеси позволяет существенно интенсифицировать действие минерального алюминиевого коагулянта ПОХА, вводимого с дозами до 25 мг/л и достичь при двухступенчатом фильтровании через пенополи-стирольную загрузку повышения эффекта удаления железа до 95,5% при его содержании в исходной воде до 5 мг/л. Наиболее значимые результаты по очистке воды от железа получены при удельном расходе электричества от 6,0-10'2 до 8,3-10"2 А-ч/м3 и напряжении на электродах ЭГДУ {7=48 В.

3. Экспериментально подтверждено, что совместное использование минерального коагулянта ПОХА в дозах 17-17,5 мг/л и катионного флокулянта ¥04240 в дозах 0,2 мг/л с предварительной активацией коагулянта в ЭГДУ, включающей в себя 20%-ную рециркуляцию водовоздушной смеси и наложение электрического поля, позволяет достичь при двухступенчатой очистке подземной воды требуемых показателей, предъявляемых к добавочной воде ТЭЦ по железу (менее 0,15 мг/л), мутности (менее 1 мг/л) и перманганатной окис-ляемости (менее 3 мгО/л) при содержании железоорганических комплексов в исходной воде до 5,3 мг/л, мутности до 18 мг/л и перманганатной окисляемости до 10 мгО/л.

4.Получена математическая зависимость, адекватно описывающая процесс удаления из подземной воды железоорганических комплексов реагентным методом, предусматривающим совместное использование неорганического коагулянта ПОХА и органического катионного флокулянта РО 4240 с интенсификацией процесса коагуляции в ЭГДУ при рециркуляции водовоздушного потока под избыточным давлением и наложении электрического поля.

5. Разработана новая энерго-реагентосберегающая технология очистки подземных вод от трудноокисляемых комплексных органических форм железа. Внедрение новой технологии на участке водоподготовки ТЭЦ-3 г.Кузнецка Пензенской области позволило получить годовой экономический эффект в размере более 187 тысяч рублей в ценах 2005 г.

6. Разработаны рекомендации по расчету и проектированию устройств, входящих в реагентосберегающую технологическую схему обезжелезивания подземных вод применительно к предприятиям теплоэнергетики.

122

1. Алексеева Л.П.Оценка эффективности применения оксихлорида алюминия по сравнению с другими коагулянтами.// Водоснабжение и санитарная техника.2003. № 2.

2. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л.Очистка подземных вод городов Тюменского региона.// Водоснабжение и санитарная техника.2004.№ 10.

3. Алексеева Т.В. Разработка технологии очистки замазученных сточных вод ТЭЦ с использованием метода безнапорной флотации. Автореферат дисс.канд.техн.наук.-Пенза.гПГАСА, 2003.-24 с.

4. Андреев С.Ю., Гришин Б.М. и др. Совершенствование безреагентных методов обезжелезивания подземных вод.-М.:ВИНИТИ, 2001.-112 с.

5. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Малютина Т.В. Новый безреагентный метод обезжелезивания подземных вод.// Материалы IV Международной научно-практической конференции «Экология в строительстве»: Тез.докл.-Пенза, ПДЗ.-2001.

6. Асс Г.Ю., Трубецкой Б.Е. Обезжелезивание методом аэрофильтра-ции.//Водоснабжение и санитарная техника. 1985.№ 3.

7. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З.Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды.-Л.:Стройиздат, 1985.-132 с.

8. Бабенков Е.Д.Очистка воды коагулянтами.-М.:Недра, 1977.-356 с.

9. Баранова А.Г., Таубе П.Р. Практикум по химии воды.-Пенза.:ПГАСА, 1997.-114 с.

10. Ю.Броунштейн Б.И., Железняк A.C. Физико-химические основы жидкостной экстракции.-М.:Химия, 1966.

11. Вейцер Ю.И.,Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод.-М.:Стройиздат, 1984.-200 с.

12. Вихрев В.Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка.-М.:Энергия, 1973.-416 с.

13. Воюцкий С.С.Курс коллоидной химии.-М.:Химия, 1975.

14. Герасимов Г.Н.Процессы коагуляции-флокуляции при обработке во-ды.//Водоснабжение и санитарная техника.2001.№ 3.

15. Гетманцев C.B., Гетманцев B.C. Комбинированная технология производства высокоэффективных коагулянтов.//Водоснабжение и санитарная техника. 2003. № 9.

16. Гетманцев C.B., Рученин A.A. и др. Оценка эффективности применения различных типов коагулянтов для очистки волжской воды.// Водоснабжение и санитарная техника.2003.№ 9.

17. Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотация.-М.:Недра, 1973.

18. Дерягин Б.В., Прохоров А.В.Уточненная теория гомогенной конденсации и ее сравнение с опытом.-М.:ДАН СССР, 1972.

19. Дерягин Б.В., Духин С.С.,Рулев Н.Н.Теоретические основы и контроль процессов флотации.-М. :Недра, 1980.

20. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Очистка подземных вод от соединений железа, марганца и органических загрязнений.//Водоснабжение и санитарная техника. 1997.№ 12.

21. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез.-М.гНаука, 1976.

22. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах.-М.:Высшая школа, 1980.-248 с.

23. Запольский А.К., Баран А.А.Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды.-Л.:Химия, 1987.-203 с.

24. Зельдович Я.Б. К теории возникновения новой фазы. Кавитация.// ЖЭТФ.1942.№ 11.25.3олотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца и сероводорода.-М.:Стройиздат, 1975.-176 с.

25. Кафаров В.В.Основы массопередачи.-М.:Высшая школа, 1972.

26. Кафаров В.В.,Глебов М.Е. Математическое моделирование основных процессов химических производств.-М.:Высшая школа, 1991.

27. Киреев В.А. Курс физической химии.-М.:Химия, 1975.

28. Клейтон С.Эмульсии, их теория и теоретическое применение.-М.: Иностранная литература, 1960.

29. Кокотов ЮА Иониты и ионный обмен.-Л.:Химия, 1980.-112 с.

30. Комарчев М.Г., Нестеренко Б.М., Николадзе Г.И. Безреагентный способ удаления железа из воды.//Водоснабжение и санитарная техника. 1987.№ 8.

31. Коммунар Г.М., Середкина Е.В., Тесля В.Г. и др. Опыт внутрипласто-вой очистки подземных вод от железа.//Водоснабжение и санитарная техни-ка.1997.№ 11.

32. Кройт Г.Р.Наука о коллоидах, т.1. Необратимые системы.-М.: Иностранная литература, 1955.

33. Кульский Л.А., Строкач П.П., Слипченко В.А. и др. Очистка воды электрокоагуляцией.-К.:Буд!вельник, 1976.-208 с.

34. Кульский Л.А., Строкач П.П.Технология очистки природных вод.-К.:Вища школа, 1986.-352 с.

35. Кульский Л.А.Тоеретические основы и технология кондиционирования воды.-К.:Наукова думка, 1983.-528 с.

36. Кутателадзе С.С.,Ляховский Д.Н.,Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования.-М.:Энергия, 1966.

37. Кутателадзе С.С.Анализ подобия в теплофизике.-Новосибирск.:Наука,1982.-. с.

38. Кутателадзе С.С.,Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем.-М.:Энергия, 1976.

39. Лавров Н.С.Практикум по коллоидной химии.М.:Высшая школа,1983.

40. Мясников И.Н., Потанина В.А. Новые конструкции сооружений для реагентной очистки природных и сточных вод, опыт их применения // Второй междунар. конгр. «Вода: экология и технология»:Тез.докл.-М., 1996.

41. Мясников И.Н., Потанина В.А. и др. Подготовка подземных вод для водоснабжения //Водоснабжение и санитарная техника.1997. № 4.

42. Мясников И.Н., Потанина В.А., Буков Ю.Б. Совершенствование очистки подземных вод для питьевого водоснабжения.//Водоснабжение и санитарная техника. 1999.№ 7.

43. Найданов В.П., Краскова Т.А., Усольцев В.А. и др. Технология кондиционирования подземных вод Кузбасса для целей питьевого водоснабжения //Второй междунар.конгр. «Вода: экология и технология:Тез докл.-М., 1996.

44. Николадзе Г.И.Обезжелезивание природных и оборотных вод.-М.:Стройиздат, 1980.-160 с.

45. Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А.Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения.-М:Высшая школа, 1984.-368 с.

46. Николадзе Г.И.Улучшение качества подземных вод.-М.:Стройиздат, 1987.-240 с.

47. Николадзе Г.И.Технология очистки природных вод.-М.'.Высшая школа, 1987.-515 с.

48. Николадзе Г.И. Обработка подземных вод для хозяйственно-питьевых нужд.//Водоснабжение и санитарная техника. 1988.№ 6.

49. Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов.-М. ¡Медицина, 1990.-400 с.

50. Попкович Г.С.,Герин Б.Н.Системы аэрации сточных вод.-М.:Стройиздат, 1986.

51. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения)/НИИ КВОВ АКХ им. К.Д.Памфилова.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1989.-128 С.

52. Руденко Г.Г., Гороновский И.Т.Удаление примесей из природных вод на водопроводных станциях.-К. :Буд¡вельник, 1976.-208 с.

53. Рулев H.H. Эффективность захвата частиц пузырьков при безинерци-онной флотации//Коллоидный журнал. 1978.Т.40, № 5.

54. Румянцева Л.П.Брызгальные установки для обезжелезивания воды.-М.:Стройиздат, 1973.-104 с.

55. Сафин Р.Н., Базин C.B. и др. Расчет экономического эффекта от применения коагулянтов.// Водоснабжение и санитарная техника. 2003. № 9.

56. Семенов Н.Н.Химическая физика. Физические основы химических превращений.-М. .'Знание, 1978.

57. Слепцов Г.В., Ставицкий А.Г., Орлов В.О.Возможности повышения производительности станции обезжелезивания //Водоснабжение и санитарная техника.2001. № 2.

58. СНиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.-М. .'Минстрой РФ, 1996.-128 С.

59. Справочник по водоподготовке котельных установок /Под.ред. О.В.Лифшица.-М.:Энергия, 1976.-288 с.

60. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий /Под ред. И.А.Назарова.-М.:Стройиздат, 1977.-288 с.

61. Станкявичус В.Н.Обезжелезивание воды фильтрованием (основы теории и расчет установок).-Вильнюс:Мокслас, 1978.-120 с.

62. Сучков В.А.Работа дегазаторов-аэраторов в схеме обезжелезивания подземных вод г.Сургута.//Водоснабжение и санитарная техника.2001.№ 8.

63. Тихонова Е.А., Усачев А.С. Использование органических коагулянтов для подготовки питьевой воды.// Водоснабжение и санитарная техника.2004. №9.

64. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии.-Л.:Химия, 1974.

65. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы.-М.:Химия, 1989.

66. Фрог Б.Н., Левченко А.П.Водоподготовка.-М.:Изд-во МГУ, 1996.680 с.

67. Draginsky V., Alekseeva L. Research on the Effectiveness of Ozonation for the Water Treatment of Iron and Manganese.// International Symposium on Ozone.-Berlin, 1997.

68. Paillard H., Legube В., Bourbidot M., Lefebvre E. Iron and manganeses removal with ozonation in the presence of humic substances.// Ozone: Science and Engrg.1989. № 11.

69. Reckhow D., Knocke W., Kearney M., Parks C. Oxidation of iron and manganese by ozone // Ozone: Science and Engrg. 1991. № 13.