автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование метода приготовления добавочной воды для тепловых станций с применением баромембранных технологий

Цабилев Олег Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРИГОТОВЛЕНИЯ

ДОБАВОЧНОЙ ВОДЫ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ СТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БАРОМЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 кюн 2011

Самара - 2011

4850923

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре водоснабжения и водоотведения

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Стрелков Александр Кузьмич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Первое Алексей Германович

доктор технических наук, профессор Зенцов Вячеслав Николаевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 4 июля 2011 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.213.02 в ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г.Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан" 2 " июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А.А. Михасек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы вызвана тем, что, в условиях постоянно возрастающей степени загрязнения водоисточников и изменения режимов работы энергетических объектов, существующее водоподготовительное оборудование в ряде случаев не способно обеспечить требуемые качество и количество очищенной воды при соблюдении установленных режимов работы и расчетных удельных потреблениях реагентов и воды на собственные нужды.

Непрерывное ужесточение экологических нормативов и наличие морально и физически устаревшего оборудования (в большинстве случаев) для подготовки воды приводят к повышенным расходам реагентов и необходимости оплаты штрафов за сбросы.

Таким образом, назрела острая необходимость в проведении работ по совершенствованию конструкций устаревших и экономически неэффективных водоподготовительных установок, а также поиску новых оптимальных технологических схем с применением современных методов подготовки воды и оптимизации их работы.

Цель настоящей работы состояла в совершенствовании метода приготовления химически очищенной воды для тепловых станций с применением технологии обратного осмоса и оптимизации полученной технологической схемы.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: -научное обоснование целесообразности модернизации существующей технологической схемы подготовки воды для паровых котлов с применением технологии обратного осмоса для получения деминерализованной воды;

-экспериментальное подтверждение эффективности работы и надежности предлагаемой технологической схемы, включая технико-экономическую оценку;

-исследование процесса очистки природной воды методом обратного осмоса в составе существующей схемы и проверка достоверности расчетных данных при использовании программного обеспечения, предлагаемого производителем мембран.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена и научно обоснована технологическая схема, включающая обратный осмос, исходной водой для которого является вода с показателями качества выше предела, установленного производителями мембран, по значениям БОГ, рН и температуре;

- экспериментально установлена и подтверждена исследованиями высокая надежность и эффективность работы предлагаемой технологической схемы на воде Средней Волги в условиях высоких значений рН, 8Б1 и температуры воды, подаваемой на установку обратного осмоса;

- получены зависимости селективности обратноосмотических мембранных элементов от качества подаваемой на установку воды и режимов работы установки обратного осмоса, адекватно описываемые теоретическими уравнениями, с учетом выявленных в ходе экспериментов расхождений при эксплуатации установки в производственных условиях;

- определены оптимальные конструктивные и технологические особенности и режимы работы установки обратного осмоса в составе рассматриваемой схемы, а именно: компоновка мембранного модуля, наличие гидравлических промывок, их временные параметры и алгоритмы, значение выхода фильтрата, значение рециркуляции, периодичность проведения химических промывок.

Личный вклад автора в полученные научные результаты, опубликованные им лично и в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в непосредственном проведении исследований, обработке, систематизации, анализе их результатов и подготовке выводов. Практическая значимость состоит в следующем: -в результате исследований установлена целесообразность деминерализации добавочной воды паровых котлов с давлением до 40 кгс/см2. Разработанная технологическая схема позволяет отказаться от реагентов и утилизировать концентрированные сточные воды при получении добавочной воды. Использование деминерализованной добавочной воды

позволяет снизить количество продувочной воды паровых котлов и перейти на использование современного реагента для корректировки водно-химического режима и одновременного обеспечения консервации котельного оборудования при его остановах;

-показана возможность и перспективность применения метода обратного осмоса, с учетом принятых конструктивных особенностей, для модернизации существующих схем подготовки воды в условиях высоких значений рН, 8Б1 и температуры при использовании стандартных мембранных элементов;

-проверена достоверность расчетных данных существующего программного обеспечения и методик расчета качественных показателей пермеата установок обратноосмотического обессоливания в условиях рассматриваемой схемы предварительной очистки;

-построенные графические зависимости расхождений исследованной области (рН, 8Б1 и температура) позволяют вносить коррективы в значения качественного состава пермеата, полученного расчетом при использовании программного обеспечения;

-экспериментально изучены взаимное влияние селективности по основным ионам в присутствии гидрат аниона и взаимозависимость качественного состава исходной воды и пермеата при изменении указанных параметров;

-выполнена технико-экономическая оценка предлагаемой схемы подготовки воды по сравнению с традиционной.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на промышленной установке, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов с учетом полученных поправок, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена промышленными испытаниями при длительной эксплуатации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты данной работы докладывались на конференциях:

Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: 66-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2009;

Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 67-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2010;

Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2011.

По теме выполненных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 6 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследований. Разработан и реализован проект модернизации существующей схемы подготовки воды цеха ХВО Самарской ГРЭС. Разработаны технический отчет по результатам пусконаладочных работ и технический отчет по результатам длительной эксплуатации установки обратного осмоса.

С использованием результатов исследований были разработаны технические условия и конструкторская документация на типовой ряд установок обратного осмоса. Спроектированы, реализованы и эксплуатируются станции подготовки воды, включающие обратноосмотическое обессоливание, для гальванического производства (ООО «Самарский резервуарный завод», производительность 110 м3/сут), для производства керамических изделий (ООО «Сызранская керамика», производительность 45 м3/сут; ООО «Самарский стройфарфор», производительность 80 м3/сут). Результаты работы были использованы при проектировании очистных сооружений поселка Аэропорт-2, г. Самара (производительность 1750 м3/сут), строительство которых ведется в настоящее время.

На защиту выносятся:

- результаты исследований по обоснованию целесообразности и эффективности применения технологии обратного осмоса в составе рассматриваемой технологической схемы;

- результаты исследований основных закономерностей процесса обратного осмоса в условиях высоких значений рН, 801 и температуры подаваемой на обессоливание воды;

- технологические параметры установки обратного осмоса УМФ-(0)2x300 в составе рассматриваемой технологической схемы и в производственных условиях цеха ХВО;

- рекомендации по использованию программного обеспечения для проведения технологических расчетов установок обратного осмоса и особенностям их конструирования и проектирования в составе существующих схем водоподготовки, включающих известкование. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,

основных выводов, библиографического списка и двух приложений. Работа содержит 140 страниц основного текста, в том числе 41 рисунок и 12 таблиц. Библиографический список включает 259 источников, в том числе 92 - на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, её научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту. Представлены сведения о внедрении исследований в производство и апробации результатов работы.

В первой главе проведен литературный анализ современного состояния вопроса подготовки природных вод для нужд энергетики. Приводится характеристика технологических схем и особенностей применяемых способов водоподготовки в энергетике. Дается оценка их работы в сегодняшних условиях.

Отмечается большая значимость стадии предварительной очистки воды и её влияние на последующие ступени очистки, предназначенные для удаления растворенных электролитов.

Описываются этапы развития основных наиболее широко распространенных методов удаления растворенных электролитов - ионного обмена и обратного осмоса. Приводятся примеры и перспективы

использования реагентной обработки воды и современных методов обескислороживания в составе схем подготовки воды для объектов энергетики.

Рассматриваются основные возможности и способы модернизации существующих технологических схем с целью улучшения их экологических и экономических характеристик. Приводятся примеры малоотходных технологических схем, используемых в отечественной и зарубежной практике.

Дан обзор этапов развития, характеристик и возможностей современных баромембранных методов. Приводятся теоретические предпосылки применения баромембранных методов для очистки природных вод в энергетике. Рассматриваются основные приемы и схемы использования баромембранных методов.

Приведен перечень основных производителей мембран. Описываются основные конструктивные особенности мембранных элементов и их влияние на технические характеристики процесса.

Выделены технологические преимущества баромембранных методов очистки по сравнению с конкурентными методами. Описываются основные факторы, влияющие на экономическую эффективность.

Во второй главе приведены результаты испытания установки обратноосмотического обессоливания в составе технологической схемы, приведенной на рисунке 1. Получение химочищенной воды в условиях ГРЭС производится по схеме: забор воды из р.Волги - подогрев исходной воды (40 °С) - известкование с коагуляцией сернокислым железом в осветлителях -фильтрация на механических фильтрах, загруженных гидроантрацитом, -двухступенчатое Na-катионирование. На установку обратного осмоса подавалась умягчённая вода после 2-й ступени Na-катионирования. Производительность установки обратноосмотического обессоливания УМФ-(0)-2х300 (ТУ 4859-004-48147451-2004) по пермеату - 2x12,5=25 м3/ч. В установке используются мембранные элементы Filmtec BW30-400 (производство Dow Chemical, США), общая рабочая площадь поверхности которых составляет 2x333 м2. Предусмотрена возможность подачи

концентрата установки обратноосмотического обессоливания на подпитку теплосети и нужды регенерации фильтров.

Подобные схемы были внедрены на ряде объектов, например, на Нижнекамской ТЭЦ и Новомосковской ГРЭС. При этом во всех случаях выполнялись мероприятия по повышению качества воды, направляемой на обратноосмотические установки, например: предварительное подкисление, дозирование ингибитора, установка дополнительной ступени очистки в виде скорых напорных механических фильтров и т.д. В связи с этим особый интерес представляло опробовать данную схему (в том числе при длительной эксплуатации) без применения дополнительных реагентов и мероприятий по повышению эффективности предварительной очистки.

Исходная вода, подаваемая на обратноосмотическое обессоливание, отличается высокой нестабильностью по концентрациям гидратов, карбонатов и коллоидов. Индекс 801 (АБТМ 04189) воды, поступающей на обратноосмотическую установку, крайне высок (выше 5,0 ед.). Значение рН составляло 9,5-10,5. Таким образом, показатели 801, температура и рН воды приближены к предельному максимально допустимому значению, устанавливаемому производителями мембран.

В связи с этим были предприняты меры для максимальной адаптации конструкции установки УМФ к условиям загрязненности исходной воды коллоидными примесями, а именно:

1.Применена параллельная компоновка мембранных корпусов с минимальным числом мембран в каждом корпусе (в пределах возможности компоновки).

2.Предусмотрена возможность регулирования перекрестного расхода транзитного потока вдоль рабочей поверхности мембраны вплоть до достижения предельно максимального значения, установленного производителем мембранных элементов.

3.Включена в конструкцию установки УМФ необходимая арматура для проведения основной гидравлической промывки (ополаскивание пермеатом) и быстрой гидравлической промывки (подаваемой на УМФ исходной водой).

4.В составе системы управления установкой предусмотрен ряд аварийных защит: по превышению рабочего давления и его перепаду, по изменениям расходов воды (пермеат, концентрат, рециркуляция) выше/ниже установленных пределов, электропроводности, температуре, рН.

Рисунок 1 - Схема подготовки воды:

1-подача исходной воды; 2-насосная станция подачи исходной воды; 3-сетевые подогреватели; 4-осветлители; 5-резервуар осветленной воды; 6-цасос подачи осветленной воды; 7-скорые механические фильтры; 8-натрий-катионитовые фильтры первой ступени; 9-резервуар химочищенной воды; 10-насосная станция подачи химочищенной воды; 11-натрий-китионитовые фильтры второй ступени; 12-подача воды для подпитки паровых котлов; 13-подача воды для подпитки теплосети; 14-установка обратного осмоса УМФ; 15-резервуар деминерализованной воды; 16-иасосная станция подачи деминерализованной воды; 17-резервуар сбора концентрата установки деминерализации; 18-насосная станция подачи концентрата; 19-подача концентрата для регенерационных нужд фильтров

Схема установки обратного осмоса УМФ представлена на рисунке 2.

При проведении пусконаладочных работ и запуске установки в работу, было отмечено:

1.Фактически измеренные значения производительности, рабочего давления и его перепада практически полностью совпадают с расчетными значениями, полученными на программном обеспечении ROSA, версия 6 для мембран Filmtec.

2.Фактически измеренные значения качества пермеата не в полной мере совпадают с расчётными значениями, полученными на программном обеспечении ROSA. В частности, по значению электропроводности фактически было получено значение 40,7 мкСм/см, при расчетном значении -13,2 мкСм/см (электропроводность исходной воды 410 мкСм/см).

Такие расхождения между теоретически рассчитанными по программе и экспериментально полученными показателями часто наблюдаются рядом исследователей при эксплуатации систем обратного осмоса на глубоко умягченной воде с низким содержанием сульфатов. Селективность обратноосмотических низконапорных мембран в очень большой степени зависит от заряда ионов. Одновалентные ионы (натрий, калий, гидроксильный, бикарбонатный, хлоридный, нитратный) плохо задерживаются мембранами, а двухвалентные ионы (кальция, магния, сульфатный, карбонатный) задерживаются в 2-5 раз лучше. Присутствие двухвалентных ионов (например, сульфат-ионов) значительно повышает качество фильтрата: сульфат-ионы задерживаются мембранами и, благодаря электронейтральности воды, эквивалентное количество противоионов (в нашем случае натрия) также удерживается в растворе и не проходит через мембрану.

Ионный состав воды при высоком значении рН, характерном для схем предварительной очистки с известкованием, отличается от хорошо исследованной области с нейтральным значением рН. Известно, что удельная электропроводность в значительной степени зависит от химического состава исходной воды и температуры. В нашем случае наиболее важными являются ионы Н¥, Na+, ОН, COi', НС03~, Cl', SO/', значения ионных коэффициентов проводимости которых Хн = 349,8, XNa = 50,1, Хон = 198,3, X СОз2' = 69,3, Хнсоз = 44,5, ХСГ = 76,35, XSO,1 = 80, См*м2/моль.

При таком ионном составе, с учетом концентрационной поляризации у поверхности мембраны, значительное влияние могут оказывать эффекты сольватации, а также эффекты, связанные с бинарным взаимодействием ионов. Кроме упомянутых выше эффектов, влияние на селективность мембран может оказывать амбиполярная диффузия (ион ОН способствует

повышению проницаемости мембраны для иона Ш*). Существенное влияние на коэффициент диффузии оказывает изменение радиуса гидратации ионов (соответственно их проницаемости). Гидратация самой мембраны может также оказывать влияние на её проницаемость для ионов.

Рисунок 2 - Схема установки УМФ

На рисунках 3 и 4 представлены графические зависимости параметров качества пермеата (фактически измеренные и полученные в результате расчета) и их расхождения (выраженное отношением фактических и расчетных параметров) в зависимости от изменения значения выхода фильтрата.

В третьей главе для расширения возможности применения программного продукта были проведены исследования влияния параметров качества исходной воды (щелочность, рН и т.д.) на качество получаемого пермеата при расчетном значении выхода фильтрата 60 %.

Для изменения качественного состава исходной воды было применено дозирование раствора соляной кислоты перед установкой УМФ. Таким образом, наличие гидратов в воде нейтрализуется эквивалентным количеством кислоты. Измерения параметров воды до и после установки производились после дозирования кислоты в исходную воду с дозами 0,000; 0,085; 0,170; 0,288; 0,380; 0,491; 0,614 мг-экв/л. Значения рН исходной воды при подкислении изменялись от 10 до 4.

На рисунках 5, 6 и 7 представлены графические зависимости параметров качества лермеата и расхождений (для фактических и расчетных параметров), в зависимости от дозы кислоты и значения рН, подаваемой на обратный осмос воды.

Данные зависимости показывают, что при подкислении воды, подаваемой на обратноосмотическое обессоливание (т.е. практически неизменном катионном составе), и приведении значения рН до нейтрального происходит снижение величины расхождения параметров качества (электропроводность, рН и содержание натрия) пермеата. А при дальнейшем увеличении дозы кислоты и переходе значения рН в кислую область расхождение параметров вновь начинает увеличиваться.

В четвертой главе приводится оценка результатов длительной эксплуатации установки обратноосмотического обессоливания в производственных условиях, выполненная по методу определения рабочих параметров, приведенных к начальным (нормализованным параметрам). В таблице 1 показаны результаты аналитического исследования содержания основных загрязняющих веществ в отработанных промывочных растворах.

В качестве исходных данных использовались записи рабочего журнала эксплуатации установки УМФ. Расчет производился с использованием программы Excel. Графики (рисунок 9) составлены после эксплуатации установки в течение одного года для условно выбранного промежутка времени приблизительно 200-250 часов непосредственно до и после проведения химической промывки мембранных элементов. Расчетные значения приведенных параметров на рафиках обозначены пометкой «норм.».

-в - мкг-экв/л □ №_Ф. мкг-экв/п Выход фильтрата (У), %

- в - С1_т, МКГ-ЭКВ/Л 1*1 С1_Ф, мкг-экв/л

- э - Б04_Т, мкг-экв/л о 504_Ф, мкг-экв/л

- -+■ - Що_Т, мкг-экв/л —I—Що_Ф, мкг-экв/л

- X - УЭП_Т, мкСм/см )( УЭП_Ф. мкСм/см

Рисунок 3 - Сравнение фактических (Ф) и расчетных (Т) показателей качества пермеата при различных значениях выхода фильтрата

40 45 50 55 60 65

—&»1-Ма,ед. -й-2-С1,ед. -в—3-804,ед. -н-4-УЭП,ед. —г—5-Щэ,ед.

70 75

Выход фильтрата (У), %

Рисунок 4 - Расхождение расчетных и фактических показателей качества пермеата при различных значениях выхода фильтрата

Доза кислоты (Дк), мг-

- S -2.1-Na_T, мг/л D 2.2-Na_0, мг/л

- в -3.1-С1_Т, мг/л Д 3.2-С1_Ф, мг/л

-X - 1.1-УЭПТ, мкСм/см X 1.2-УЭП_Ф, мкСм/см

Рисунок 5 - Сравнение фактических (Ф) и расчетных (Т) показателей качества пермеата при различных дозах кислоты

0,1 0,2 X 1-УЭП, ед. □ 2-Ма, ед. А 3-С1, ед.

0,5 0,6 0,7

Доза кислоты (Дк), мг-экв/л

Рисунок 6 - Расхождение (г) расчетных и фактических значений показателей качества пермеата при различных дозах кислоты

4,5

4,0

3,5

. 3,0

Ч

а ^

а)

I

о

К

и

(О

2,0

1.0

0,5

Г(уэп) = 0,0204рН 4 - 0,5015рН 3 + 4,5635рН2 - 18,584рН + 30,283 Я2 = 0,9788

г (щ =0,1063рН 2 - 1,3869рН + 5,2087 И2 =0,417

рН подаваемой на обратный осмос воды, ед.

д 3-С1, ед.

Рисунок 7 - Расхождение (г) расчетных и фактических значений показателей качества пермеата при различных значениях рН воды на входе в установку

В настоящее время наработка установки составляет более трех лет (запуск произведен в декабре 2007 г). При этом показатели работы установки не изменились. Замена мембранных элементов в ближайшее время не планируется.

Таблица 1 - Состав отработанных промывочных растворов

Наименование параметра Значение для раствора

щелочного щелочного

1. Железо общее, мг/л 1,65 4,75

2. Кремний, мг/л 19 12,25

3. Сульфаты, мг/л 35,5 13

4. Жесткость общая, мкг-экв/л 180 -

5. Окисляемость перманганатная, мгСЬ/л 27,2 8

В пятой главе приводится технико-экономическая оценка результата внедрения в состав существующей технологической схемы установки обратного осмоса. Фрагмент схемы с указанием потоков приведен на рисунке 8.

V

1

Рнсупок 8. Фрагмент схемы подготовки воды ГРЭС:

1-до реконструкции; 2-после включения в схему установки УМФ

Баланс расходов воды, принятый к расчету для схем, приведенных на рисунке 8, представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Баланс расходов

Номер схемы Расход, т/ч для номера схемы и точки потока (рисунок 10)

а Ъ с й е ё Ь

1 50 100 150 50 - - - 100 -

2 50 100 150 67 42 25 17 83 25

2* 50 , 100 150 83,3 83,3 0 33,3 66,7 50

Для схемы 2* приведены прогнозируемые показатели

Результаты технико-экономического расчета представленных вариантов схем приведены в таблице 3.

-И "Расход пермеата, м5/ч 1 ♦ *Норм. расх. пермеата, м'/ч

■ Электропроводность пермеата, мкСм/см

с^ ^ с? cs^ ^

f у у -у ^ ^ ь?

—■ — Перепад давления, bar - •«>• • Норм, перепад давления, bar ■ X «Норм, эл-пров. перм, мкСм/см

#

Время, ч

Рисунок 9 - Основные технологические параметры установки УМФ до и после проведения химической промывки

Таблица 3 - Основные технико-экономические показатели

Параметр Стоимость, тыс.р., для схемы

1 2 2*

Капитальные затраты - 3000 5000

Капитальные вложения, приведенные к годовой размерности ( Еп= 0,12) - 360 600

Эксплуатационные затраты 2449 1969,5 1667

Годовая экономия эксплуатационных затрат, относительно схемы 1 - 479,5 782

Приведенные затраты 2449 2329,5 2267

Экономический эффект - 119,5 182

Для схем 1 и 2 приведены фактические показатели для 2007-2009 гг. Для схемы 2* приведены прогнозируемые показатели

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Впервые предложена и научно обоснована технологическая схема, включающая обратный осмос, для которого исходной является вода с показателями качества, находящимися на верхнем пределе и даже превышающими установленные производителями мембран значения по рН более 10,5 ед., ББ! более 5 ед. и температуре (Ч<40 °С).

2. В результате исследований установлена целесообразность обессоливания воды перед подачей её на подпитку паровых котлов с давлением до 40 кгс/см2. Разработанная технологическая схема позволяет отказаться от реагентов и устройств для дополнительной очистки и утилизировать концентрированные сточные воды. Показана перспективность применения метода обратноосмотического обессоливания при модернизации существующих схем подготовки воды.

3. Экспериментально установлены и подтверждены исследованиями: высокая надежность и эффективность работы предлагаемой технологической схемы; повышение эффективности работы теплосилового оборудования с предлагаемой схемой подготовки воды по сравнению с исходной традиционной схемой очистки; снижение минерализации добавочной воды паровых котлов, сделавшее возможным переход на новый водно-химический режим с применением современного реагента «Хеламин», позволяющий производить консервацию оборудования «на ходу» и в несколько раз снизить дозы и количество вводимых реагентов для коррекции вводно-химического режима. Повышение качества добавочной воды позволяет рассматривать перспективные схемы обескислороживания воды с

применением катализаторов. Подача концентрата установки обратного осмоса в теплосеть не снизило её качество и не превысило требований нормативных документов.

4. Изучен механизм процесса очистки природных вод баромембранными методами, проведены исследования обратного осмоса в составе новой схемы, получены зависимости селективности обратноосмотических мембранных элементов от качества исходной воды и режимов работы установки обратноосмотического обессоливания, адекватно описываемые теоретическими уравнениями. Определены оптимальные режимы работы установки обратноосмотического обессоливания. В результате межпромывочный интервал (между химическими промывками) промышленно эксплуатируемой установки обратного осмоса составил не менее одного года при удельной производительности мембранных элементов 37,38 л/(м2*ч) и энергопотреблении 1 кВт*ч/м пермеата.

5. Произведена проверка достоверности расчетных данных программного обеспечения и существующей методики расчета качественных показателей пермеата установок обратноосмотического обессоливания. Определено, что в области значений, выходящих за пределы 5<рН<9, требуется производить корректировку качественного состава пермеата, полученного расчетом.

6. Выполнена технико-экономическая оценка предлагаемой схемы подготовки воды. Установлено, что эксплуатация предлагаемой схемы позволяет получить экономию годовых эксплуатационных затрат в размере 479,5 тыс.р. по сравнению с традиционной схемой.

7. Результаты работы были использованы при проектировании и эксплуатации ряда объектов, а также при разработке конструкции мембранных аппаратов.

Публикации, отражающие основное содержание диссертации Научные работы, опубликованные в ведущих рецензионных журналах (по перечню ВАК РФ):

1. Васильев, В. В. Технологическая концепция проектирования и производства систем водоподготовки [Текст] / В.В. Васильев, О.В. Цабилев, Д.С. Серегин И Пиво и напитки. - 2005. - №2. - С.58.

2. Солодянников, В. В. Мембранные технологии - решение проблемы получения осветленной воды нужного качества [Текст] / В.В. Солодянников,

B.B. Васильев, Д.В. Беляков, O.B. Цабнлев // Энергосбережение и водоподготовка. - 2007. - №4 (48). - С. 16-20.

3. Васильев, В. В. Исследование метода удаления кислорода из воды с применением ионита, содержащего палладий в качестве катализатора [Текст] / В.В. Васильев, В.В. Солодянников, В.Я. Кыштымов, О.В. Цабнлев, Д.В. Беляков // Энергосбережение и водоподготовка. - 2008. - №1 (51). -

C.23-25.

4. Кудинов, А. А. Обескислороживание химически очищенной воды на тепловых электрических станциях [Текст] / A.A. Кудинов, Ю.В. Солодянникова, О.В. Цабнлев, Д.В. Обухов // Электрические станции. -2008.-№12.-С.42-45.

5. Солодянникова, Ю. В. Снижение отходов при производстве химически очищенной и обессоленной воды [Текст] / Ю.В. Солодянникова,

B.В. Васильев, О.В. Цабнлев, Ю.С. Киселёв // Энергосбережение и водоподготовка. - 2010. - №4 (66). - С.8-12.

6. Цабилев, О. В. Влияние степени подкисления воды на качество пермеата обратноосмотической установки [Текст] / О.В. Цабилев, А.К. Стрелков // Водоснабжение и санитарная техника. - 2011. - №6. - С.20-24.

Научные работы, опубликованные в других изданиях:

7.Быкова, П.Г. К выбору технологической схемы подготовки воды для п. Аэропорт-2 [Текст] / П.Г. Быкова, А.К. Стрелков, О.В. Цабилев // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 66-й Всероссийской науч. техн. конф. Ч. II / СГАСУ. -Самара, 2009.-С. 100.

8.Стрслков, А.К. Получение обессоленной воды методом обратного осмоса в существующей технологической схеме водоподготовки ГТЭС [Текст] / А.К. Стрелков, О.В. Цабилев, В.И. Чванов // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 66-й Всероссийской науч. техн. конф. Ч. II, СГАСУ. - Самара, 2009. -

C.137-139.

9.Kudinov, A. A. Deoxygenation of chemically purified water at thermal power plants [Текст] / Yu.V. Solodyannikova, O.V. Tsabilev, D.V. Obukhov // Power Technology and Engineering. - No. 2. - Vol. 43. - 2009. - pp.131-134.

10. Солодянников, B.B. Опыт применения коррекционной обработки сетевой воды в системах централизованного теплоснабжения [Текст] /

В.В. Солодянников, В.В Васильев, О.В. Цабилев, И.И. Суров, и др. // Новости теплоснабжения. - 2009. - №9 (109). - С.38-43.

11.Цабилев, О.В. Особенности систем управления процессом обратноосмотического фильтрования при обработке щелочных вод [Текст] / О.В. Цабилев, Ю.С. Киселев, А.К. Стрелков // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской науч. техн. конф. по итогам НИР 2009 г./ СГАСУ. - Самара, 2010. - С.631-633.

12.Цабилев, О.В. Снижение количества продувочных вод водооборотных систем охлаждения с применением схем, включающих обратноосмотическое фильтрование [Текст] / О.В. Цабилев // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской науч. техн. конф. по итогам НИР 2009 г./ СГАСУ. - Самара, 2010. - С.645-647.

1 З.Стрелков, А.К. Выбор схемы очистки речной воды для гальванического производства [Текст] / А.К. Стрелков, О.В. Цабилев // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 68-й Всероссийской науч. техн. конф. по итогам НИР 2010 г./ СГАСУ. - Самара, 2011. - С.800-803.

Подписано в печать 01.06.11г. Формат 60 х 84/16 Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем - 1,50 усл. п. л. Заказ № 211. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии «Инсома-пресс» ул. Сов. Армии, 217, р. тел. 926-07-51

Введение.

1 .Современное состояние вопроса подготовки природных вод для нужд энергетики.

1.1.Техно логические схемы и особенности применяемых способов водоподготовки в энергетике.

1.1.1 .Предварительная очистка.

1.1.2.Удаление растворённых электролитов.

Подготовка воды методом ионного обмена.

Обессоливание воды методом обратного осмоса.

1.2.Малоотходные системы водопользования при подготовке воды в энергетике.

1.3 .Теоретические предпосылки использования бароомембранных методов для очистки природных вод в энергетике.

1.3.1 .Микрофильтрация и ультрафильтрация.

1.3.2.Обратный осмос.

Выводы.

2. Исследования схемы подготовки воды.

2.1. Цели и задачи.

2.2. Описание обратноосмотической установки. Исходные и расчетные данные.

2.3. Запуск и опробование установки обратного осмоса в составе исследуемой схемы.

2.3.1. Определение качества получаемого пермеата в зависимости от значения выхода фильтрата.

2.3.2. Анализ результатов.

Выводы.

3. Экспериментальные исследования.

3.1. Постановка эксперимента. Методика проведения эксперимента.

3.2.1. Определение качества получаемого пермеата в зависимости от качества исходной воды.

3.2.2. Анализ результатов эксперимента.

Выводы.

4.0ценка результатов длительной эксплуатации установки обратноосмотического обессоливания в производственых условиях.

Выводы.

5.Технико-экономическая оценка.

В настоящее время на территории Российской Федерации в качестве источников исходной воды (сырья) для водоподготовительных установок в энергетике в большинстве случаев используются поверхностные воды.

Подвергнутая специальным методам очистки и обработки вода преимущественно используется для следующих целей: а) получение пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа, испарителях, паро-преобразователях; б) конденсация отработавшего в паровых турбинах пара; в) охлаждение различных аппаратов и агрегатов ТЭС и АЭС; г) в качестве теплоносителя в первом контуре АЭС с ВВЭР, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.

В природной воде наблюдается устойчивый рост загрязненности техногенными органическими соединениями: удобрениями, гербицидами, нефтепродуктами и т.д. Традиционные технологии предварительной очистки удаляют эти загрязнения недостаточно эффективно, что в свою очередь накладывает определенные ограничения на внедрение современных малосточных методов умягчения и обессоливания.

Наряду с этим отмечается физическое и моральное устаревание эксплуатируемого длительное время энергетического оборудования, используемых технологий и технологических схем, запроектированных несколько десятилетий назад в расчете на удовлетворение нужд больших производственных комплексов, работающих в условиях плановой экономической модели.

Предприятия электроэнергетики являются одним из основных потребителей природных ресурсов и источником негативного воздействия на окружающую среду. Сброс сточных вод в тепловой энергетике составляет до 16 % в общих сбросах промышленности РФ, а с учетом теплового загрязнения - свыше 36%. Выбросы вредных веществ в атмосферу, в том числе БОх, ЫОх, достигают 48 % от общего количества газовых выбросов [74].

Современное представление о ТЭС с высокими экологическими показателями по жидким стокам подразумевает минимизацию сброса минеральных солей и других загрязнений на основе внедрения лучших достижений в оборудовании и технологии. По мере совершенствования оборудования и технологии для* подготовки воды и их готовности к массовому внедрению будут меняться представления о высоких технологических показателях ТЭС по солевым сбросам. В пределе сброс солей должен приблизиться к их количеству, поступившему на ВПУ с исходной водой [116].

Использование баромембранных методов (микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации, обратного осмоса) в составе схем водоподго-товки энергетических объектов открывает большие перспективы как с экологической, так и с экономической точек зрения, поскольку позволяет отказаться от большого количества дорогостоящих реагентов и одновременно избавляться от сточных вод, содержащих эти реагенты. Данное оборудование компактно, обладает низкой металлоемкостью, легко автоматизируется и может вводиться в эксплуатацию в очень сжатые сроки.

Перспективно внедрение комплексных малоотходных схем с применением мембранных методов совместно с методами ионного обмена, дистилляции и реагентного осаждения. Экономически целесообразно внедрять мембранные методы в состав существующих технологических схем водоподго-товки станций с целью повышения их экономических и экологических характеристик. Однако недостаточная теоретическая изученность ряда вопросов, плохое (как правило) качество предварительной очистки и отсутствие надежных инженерных решений в отечественной практике зачастую вызывают необходимость проведения специальных экспериментальных исследований и пилотных испытаний.

Актуальность работы вызвана тем, что, в условиях постоянно возрастающей степени загрязнения водоисточников и изменения режимов работы энергетических объектов, существующее водоподготовительное оборудование в ряде случаев не способно обеспечить требуемые качество и количество очищенной воды при соблюдении установленных режимов работы и расчетных удельных потреблениях реагентов и воды на собственные нужды.

Непрерывное ужесточение экологических нормативов и наличие морально и физически устаревшего оборудования (в большинстве случаев) для подготовки воды приводят к повышенным расходам реагентов и необходимости оплаты штрафов за сбросы.

Таким образом, назрела острая необходимость в проведении работ по совершенствованию конструкций устаревших и экономически неэффективных водоподготовительных установок, а также поиску новых оптимальных технологических схем с применением современных методов подготовки воды и оптимизации их работы.

Цель настоящей работы состояла в совершенствовании метода приготовления химически очищенной воды для тепловых станций с применением технологии обратного осмоса и оптимизации полученной технологической схемы.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: -научное обоснование целесообразности модернизации существующей технологической схемы подготовки воды для паровых котлов с применением технологии обратного осмоса для получения деминерализованной воды;

-экспериментальное подтверждение эффективности работы и надежности предлагаемой технологической схемы, включая технико-экономическую оценку;

-исследование процесса очистки природной воды методом обратного осмоса в составе существующей схемы и проверка достоверности расчетных данных при использовании программного обеспечения, предлагаемого производителем мембран.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена и научно обоснована технологическая схема, включающая обратный осмос, исходной водой для которого является вода с показателями качества выше предела, установленного производителями мембран, по значениям 8Б1, рН и температуре;

- экспериментально установлена и подтверждена исследованиями высокая надежность и эффективность работы предлагаемой технологической схемы на воде Средней Волги в условиях высоких значений рН, и температуры воды, подаваемой на установку обратного осмоса;

- получены зависимости селективности обратноосмотических мембранных элементов от качества подаваемой на установку воды и режимов работы установки обратного осмоса, адекватно- описываемые теоретическими уравнениями, с учетом выявленных в ходе экспериментов расхождений при эксплуатации установки в производственных условиях;

- определены оптимальные конструктивные и технологические особенности и режимы работы установки обратного осмоса в составе рассматриваемой схемы, а именно: компоновка мембранного модуля, наличие гидравлических промывок, их временные параметры и алгоритмы, значение выхода фильтрата, значение рециркуляции, периодичность проведения химических промывок.

Практическая значимость состоит в следующем: -в результате исследований установлена целесообразность деминерализации добавочной воды паровых котлов с давлением 40 кгс/см . Разработанная технологическая схема позволяет отказаться от реагентов и утилизировать концентрированные сточные воды при получении добавочной воды. Использование деминерализованной добавочной воды позволяет снизить количество продувочной воды паровых котлов и перейти на использование современного реагента для корректировки водно-химического режима и одновременного обеспечения консервации котельного оборудования при его остановах;

-показана возможность и перспективность применения метода обратного осмоса, с учетом принятых конструктивных особенностей, для модернизации существующих схем подготовки воды в условиях высоких значений рН, ЗБТ и температуры при использовании стандартных мембранных элементов;

-проверена достоверность расчетных данных существующего программного обеспечения и методик расчета качественных показателей пер-меата установок обратноосмотического обессоливания в условиях рассматриваемой схемы предварительной очистки;

-построенные графические зависимости расхождений исследованной области (рН, 8Б1 и температура) позволяют вносить коррективы в значения качественного состава пермеата, полученного расчетом при использовании программного обеспечения;

-экспериментально изучены взаимное влияние селективности по основным ионам в присутствии гидрат аниона и взаимозависимость качественного состава исходной воды и пермеата при изменении указанных параметров;

-выполнена технико-экономическая оценка предлагаемой схемы подготовки воды по сравнению с традиционной.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на промышленной установке, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов с учетом полученных поправок, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена промышленными испытаниями при длительной эксплуатации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты данной работы докладывались на конференциях:

Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: 66-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2009;

Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 67-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2010;

Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская научно - техническая конференция / СГАСУ. - Самара, 2011.

По теме выполненных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 6 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследований. Разработан и реализован проект модернизации существующей схемы подготовки воды цеха ХВО Самарской ГРЭС. Разработаны технический отчет по результатам пусконаладочных работ и технический отчет по результатам длительной эксплуатации установки обратного осмоса.

С использованием результатов исследований были разработаны технические условия и конструкторская документация на типовой ряд установок обратного осмоса. Спроектированы, реализованы и эксплуатируются станции подготовки воды, включающие обратноосмотическое обессоливание, для гальванического производства (ООО «Самарский резервуарный завод», проо изводительность 110 м /сут), для производства керамических изделий (ООО «Сызранская керамика», производительность 45 м3/сут; ООО «Самарский стройфарфор», производительность 80 м /сут). Результаты работы были использованы при проектировании очистных сооружений поселка Аэропорт-2, г. Самара (производительность 1750 м /сут), строительство которых ведется в настоящее время.

На защиту выносятся:

- результаты исследований по обоснованию целесообразности и эффективности применения технологии обратного осмоса в составе рас-сматриваемои технологической схемы;

- результаты исследований основных закономерностей процесса обратного осмоса в условиях высоких значений рН, ЗБГ и температуры подаваемой на обессоливание воды;

- технологические параметры установки обратного осмоса УМФ-(0)2x300 в составе рассматриваемой технологической схемы и в производственных условиях цеха ХВО;

- рекомендации по использованию программного обеспечения для проведения технологических расчетов установок обратного осмоса и особенностям их конструирования и проектирования в составе существующих схем водоподготовки, включающих известкование. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,

7. Результаты работы были использованы при проектировании и эксплуатации ряда объектов, а также при разработке конструкции мембранных аппаратов.

12 6

1. A.c. 851893 (СССР). Асфальтобетонная смесь Текст. / С.И. Самодуров, Г.Н. Растегаев, ' В.Ю. Лебедев //БИ. 1981. - № 28.

2. Апель, П.Ю. Пористая структура, селективность и производительность ядерных фильтров с i ультратонким селективным слоем Текст. / П.Ю.Апель, В.М.Коликов, В.И.Кузнецов, и др.

3. Аскерния, A.A. О результатах эксплуатации установок обратноосмотического обессолива-' ния в схемах водоподготовки ТЭС и котельных Текст. / A.A. Аскерния,

4. В.М. Корабельников, И.И. Боровкова // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. - № 3.-С. 3-5.f

5. Белоусов, Н.П. Типовая инструкция по обслуживанию водоподготовительных установок,работающих по схеме химического обессоливания Текст. / Н.П. Белоусов, М.М. Браудо, : Г.А. Зачинский. М.: СЦНТИ ОРГРЭС, 1975.

6. Бишимбаев, В.К. Теория, технология, практическое применение процессов озонирования имембранной очистки водных систем Текст. / В.К. Бишимбаев, Б.Н. Алмагамбетов,

7. М.Колдас, В.П. Шерышев, У. Бестереков. Шымкент, 2007.

8. С 15. Брок, Т. Мембранная фильтрация: пер. с англ. Текст. / Т. Брок. М.: Мир, 1987.

9. Брык, М.Т. Мембранная технология в промышленности Текст. / М.Т. Брык, Е.А. Цапюк, A.A. Твердый. Киев: Тэхника, 1990.

10. Васина, JI.Г. Предотвращение накипеобразования с помощью антинакипинов Текст. / Л.Г. Васина, О.В. Гусева И Теплоэнергетика. 1999. - № 7. - С. 35-38:

11. Вейцер, Ю.И. Методы и способы регенерации коагулянта из осадков Текст. / Ю.И. Вейцер // Водоснабжение и канализация. М.: ЦБНТИ МКХ, 1971. - С. 42-54.

12. Вейцер, Ю.И. Регенерация коагулянта из осадков водопроводных станций Текст. / Ю.И. Вейцер, З.А. Колобова // Водоснабжение и санитарная техника. -1974. -№ 4. -С. 10-13.

13. Верхошенцева, H.H. Опыт эксплуатации установок обратного осмоса в системах водопод-готовки энергетических и металлургических объектов ОАО «ММК» Текст. / H.H. Верхошенцева, Г.И. Давлетшина II Энергосбережение и водоподготовка. — 2006. -№5(43).-С. 25-27.

14. Внедрение осветлителя новой конструкции ОРАШ-ЗОО на ТЭЦ-22 Текст. / И.М. Козлов, Л.Н. Ткачева, Б.С. Федосеев и др. // Электрические станции. 2001. - № 11. — С. 53-55.

15. Внедрение иротивоточной технологии химобессоливания UPCORE на ВПУ Новгородской ТЭЦ Текст. / И.А. Малахов, В.И. Сосинович, А.Ф. Голуб и др. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. - № 4. - С. 3-5.

16. Вольфтруб, Л.И. Опыт модернизации отстойников и осветлителей на станциях водоподго-товки Текст. / Л.И. Вольфтруб, В.М. Корабельников, А.Е. Гудошникова // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. - № 5. - С. 47-52.

17. Выбор оптимального метода водоподготовки для тепловых электростанций Текст. / A.C. Седлов, В.В. Шищенко, Б.С. Федосеев и др. // Теплоэнергетика. -2005. -№ 4. -С. 54-60.

18. Гапас, И.В. Обессоливание добавочной воды котлов на ТЭЦ-23 обратным осмосом Текст. / И.В. Галас, Е.Ф. Чернов, Ю.А. Ситняковский // Электрические станции. 2002. - №2. -С. 16-21.

19. Гребенюк, В.Д. Обессоливание воды ионитами Текст. / В.Д. Гребенюк, A.A. Мазо. М.: Химия, 1980.

20. Грисбах, Р. Теория и практика ионного обмена Текст. / Р. Грисбах. М.: ИЛ, 1963.

21. Дворкин, Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие Текст. / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. -М.: Феникс, 2007.

22. Десятое, А. В. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды Текст. / A.B. Десятое, А.Е. Баранов, Е.А. Баранов, и др.; под ред. A.C. Коротеева. М.: Химия, 2008.

23. Дмитриев, Е.А. Исследование явления концентрационной поляризации и его учет в процессах разделения растворов обратным осмосом: дис. . канд. техн. наук Текст. / Е.А. Дмитриев. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1980. - 120 с.

24. Дытнерский, Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет Текст. / Ю.И. Дытнерский. -М.: Химия, 1986.

25. Дытнерский, Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей Текст. / Ю.И. Дытнерский. М.: Химия, 1975.

26. Дытнерский, Ю. И. Обратный осмос и ультрафильтрация Текст. / Ю.И. Дытнерский. М.: Химия, 1978.

27. Дытнерский, Ю. И. Баромембранное разделение методом обратного осмоса Текст. / Ю.И. Дытнерский, Г.В. Поляков, Л.С. Лукавый // ТОХТ. 1972. - №4. - С. 628-641.

28. Емельянов, А.Н. Термодинамический анализ регенерации извести из шламов химводопод-готовки на ТЭЦ Текст. / А.Н. Емельянов, В.В. Солодянников // Электрические станции. -1999.-№1.-С. 40-42.

29. Журба, М.Г. Пенополистирольные фильтры Текст. / М.Г. Журба. М.: Стройиздат, 1992.

30. Зелинская, Е.В. Теоретические аспекты использования гидроминерального сырья Текст. / Е.В. Зелинская, Е.Ю. Воронина. -М.: Академия Естествознания, 2009.

31. Иониты: Каталог Текст. / Научно-исследовательский институт пластических масс им. Г.С.Петрова. М., 1995.40.