автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Усовершенствование технологии обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция



: : а я

ШГССТЕРС'ГВО АРХИТЕКТУРЫ, СТРОИТЕЛЬСТВ А И КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОМ ФЕДЕРАЦИИ В С Е Р О С С И Я С X I* ордена ТрудоЕого Красного Знамени комплексный

и конструкторско-технологкческий институт водоснабжение,

Смирнов Владимир Анатольевич УСОВЕРШЮТВСЗАНЖ ТЕХНОЛОГИИ 01ЮГАШШИЯ

опресненной вода пдаошБонАТСм шит

'С-5.23.04 -- водоснабжение, капали замш, строительные система охраны водных ресурсов)

НАУЧГО-ИСИЕДОВАТЕЛЬСКИЛ

канализации, гидротехнических соорз г.еиий и инженерной гидрогеологии (ВНИИ БОДГЕО)

Из правах рукописи УДК 628.16.628.356.3.

А Б Т О РЕ Е Р А '? диссертации на соискание ученой сгеиепи кандидата технических наук

Моек? л

- 105.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Ск - концентрация ионов кальция; Скк - концентрация карбоната кальция; Сду. - концентрация диоксида углерода;

- время фазового контакта; V - скорость фильтрования воды;

С1!ЛВ - станция приготовления питьевой опресненной бодьг; ОК - опреснительный комплекс; СДУ - сдувочнкй диоксид углерода; 11НС - кальций-карбонатная суспензия; 30-1,?.- фильтры обогащения 1-ой и Е-оГ; ступеней; 011У-ШШ - опытно-производственная установка приготовления питьевой воды.

Работа выполнена в лаборатории водного хозяйства Всероссийского ордена Трудового Красного Знамени комплексного научно-исследовательского и конструкторско-технологическсго института водоснабжения, канализации, гидр?■.•эхнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ ВОДГЕО).

Научный руководитель - доктор технических каук,профессор

Егоров А.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.профессор

Шаталов Б.В. - кандидат технических наук Амосова Э.Г. Ведущая организация - ВШПИпромтехнологии.

Защита состоится "£3 " с^-ГУ^у.1// 1992 года на заседании специализированного совета л.033.05.ОН по присуждению ученой степени •кандидата технических наук.

Адрес. 119826,Москва,Комсомольский пр.,12,

Отзыв на автореферат,заверенный гербовой печатью предприятия или учреждения,просим направлять в двух экземплярах по адресу института па имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШИЯ 00ДГЕ0.

Лвторефэрйт разослан <■*<?иг^о^^ 1,0Да»

Учз;а«й сскрсторь специализированного совета

кандидат технически* наук Е.Д.Чистляора

Актуальность. В аридных зонах Российской Федерации и других странах оцущаег'ся острая нехватка пресных вод для хозяйствснко-питьевых и других нужд.В связи с этим вопроси водообеспечения населения и производств решаются путем опреснения местных минерализованных вод различными методами.Наиболее мощным источником является морская вода.Опреснение морской воды обычно осуществляют ие-тодом термической дистилляции.Получаемый таким образом промышленный дистиллят используют для приготовления питьевой опресненной воды.Первые установки приготовления питьевой опресненной воды освоены на морских судах с применением определенных солевых композиций реагентов,хорошо растворимых в воде.Однако,ограниченные возможности получения химически чистых реагентов сдерживают решение проблемы водообеспечения объектов в аридных зонах и в автономных условиях эксплуатации.В институте БОДГЕО разработана фильтрационная технология приготовления питьевой опресненной воды с применением местных карбонатсодержащчх материалов и побочных продуктов дистилляции морской воды.

В последние годы в нашей стране и эа рубежом созданы крупные станции приготовления питьевой опресненной воды кальций-карбонатной группы.Однйм из основных узлов этих станций является фильтрационное обогащение дистиллята гидрокарбонатом кальция.Весьма скудные зарубежные сведения и ограниченный опыт в нашей стране,предопределил необходимость усовершенствования технологии обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция.Поставленная задача весьма актуальна и имеет большое научное и практическое значение.Решению отой задачи посвящена настоящая работа,которая выполнена в соответствии с тематическим планом исследований и разработок ВНИИ БОДГЕО,а также отраслевых производственных заданий

ряда крупных энерго-промьшшенных кошиексов и предприятий.

Цель.Научноо обоснование условий интенсификации процесса обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция,а также оценка возможности иг практической реализации на УП11В и СШШ в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Научная новизна:

- предложена классификационная схема возможных методов интенсификации процесса обогащения;

- исследовано влияние на процесс обогащения различных факторов ¡давления »концентрации диоксида углерода,времени контакта.ско-рости фильтрования и др.;

- осуществлена проверка эффективности применения гидроксида кальция и высокодисперсных карбонатсодерзшцих материалов;

- разработана методика и произведена сценка реакционной способности различных природных карбонатных материалов,а также карбонатных отходов некоторых производств;

- проведены натурные наблюдения за работой производственных фильтров обогащения на действующей станции СПЛВ-40.

Разработки по интенсификации процесса обогащения опресненной зоды гидрокврбонатом кальция осуществлены на уровне изобретений.

Лостоветтность ВЫБ°Д0В 11 рекомендаций подтверждена теоретическим анализе«,большим объемен экспериментальных исследований и результатами опытно-производственных испытаний,а таюха натурными наблюдениями за работой фильтров обогащения на УШ1В и С11ГШ различной производительности.

Практическая ценность. Разработаны технологическая схема,параметр« и режимы работ узла обогащения,а таяжз конструктивное оформление основных элементов и вспомогательных устройств.Рекомен-

дации внедрены на проектируемых и действующих установках и станциях приготовления питьевой опресненной воды с высоким технико-экономическим эффектом.В качестве примера можно отметить СППВ-40 з системе водоснабжения МАЭЯ г.Актау и СШ1В-50 на объекте ТЭС и ОД "Аден" в Йеменской республике,а также У1ШВ различной производительности на объектах Ю;£ ГРЭС,г.Нукус,г.Ленинск и др.

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 12 статьях. Получено два авторских свидетельства.Опубликованы доклады на ХП отраслевом совещании МАЭК г.Иевчеико (15б4г.),на конференциях ДаШ г.Владивосток (1985г.) и Укр^оммунНШпроект г.ларьков (1986р.), сделан доклад на конференции СвердяводокакалШМлроект (1986г.),

Объем работы. Диссертация состоит из введения,пяти глав,заключения,списка использованной литературы (130 наименований) и 7 приложений.Общий объем работы 141 страница,в том числе '¿А рисунка,14 таблиц и прилопение.

На защиту представлены:

- результаты исследований влияния на процесс обогащения термически опресненной воды гидрокарбонагом кальции различных факторов ¡давления, концентрации диоксида углерода,времени контакта, скорости фильтрования;

- методика и результаты определения реакционной способности ряда природных карбонатных материалов;

- технологическая схема,параметры и режимы работы узла обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция;

- результаты натурных наблюдений за работой фильтров обогащения на станции СППВ-40 в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения 1/1АЭ1С и г.Актау.

ОСНОВНОЕ СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция на установках и станциях приготовления искусственной питьевой воды.

В первой главе дан обзор работы по термическому опреснению морской води и приготовлению питьевой опресненной воды. Показана перспективность интенсификации процесса фильтрационного обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция с использованием местных карбонатных загрузочных материалов и побочных продуктов опреснения морской воды.

Во второй главе рассмотрены некоторые теоретические предпосылки интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция в режиме контактного фильтрования и при дозировке различных реагентов с учетом влияния физических методов воздействии. Предложена классификационная схема {рис.1) возможных способов интенсификации процесса обогащения термически опресненной бодн (дистиллята) з технологии приготовления искусственной питьевой воды.

"-риведены результаты экспериментальных исследований на лабораторном стенде влияния различных факторов ни процесс обогащения дистиллята гидрскарбонатон кальция.Общая схема втееперименткльного стенда приведена на рис.2.Основными элементам: этой схеми являются абсорбер для растворения пискскдп углерода,емкость с меиалной для приготовления карбонатной суспензия, модели напорных и бээяппорннх фильтров обогащения,электронасосу,контроль-но-измсрителыгни прлбори и устройства.

Установлено,что в пределах I )Ша давление но оказывает существенного влияния.

Способ интенсификации ¿процесса обогащения

Химическое ьоздейстЕке на процесс

возкоаних способог Ш1тенсв|икаизи процесса обогащения .термическк,011роснешюД.1?9да. гздрокароонатом кальцкя

а

При увеличении времени контакта и скорости фильтрования, а также исходной концентрации.диоксида углерода в агрессивной форме, эффект обогащения воды гидрокарбонатом кальция возрастает.Определены оптимальные значения времени контакта в пределах 12-15 ыин. и приведенной скорости фильтрования - 15-30 м/ч.На рис.3 приведен график обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция в зависимости от времени контакта и скорости фильтрования при исходной концентрации диоксида углерода 1,2 и 3 г-экв/мэ.

Показано,что при увеличении минерализации опресненной воды процесс обогащения замедляется вследствие влияния забуф&ренности системы.

Применение добавки минеральных кислот (соляной и серной) ускоряет процесс минерализации,но при этом во,дно-солевой состав обогащенной воды ухудкаегся.

Проверена эффективность использования извести для обогащения дистиллята и стабилизации обогащенной воды.

Разработана методика определения реакционной способности высокодисперсных карбонатных материалов с применением прибора /¡еря-гина.

В четвертой главе приведены результаты испытаний узла обогащения дистиллята в напорном режиме на ОПУ 1Ш-н и натурные наблюдения за работой открытых фильтров обогащения на СШВ-40 в режиме постоянной эксплуатации.

Использование кальций-карбонатной суспензии позволяет уменьшить расход загрузки в фильтрах обогащения.Экспериментально обоснована более эффективная двухступенчатая схема фильтров обогащения с зернистой карбонатной загрузкой,позволяющал рационально использовать более крупные фракции и взвесеемкость слоя неоднородной загрузки при фильтровании воды снизу вверх на первой ступени и бо-

IO'C rir-экв/л

ov врэмяпи контакта я скорости фильтрования 1,2,2,4 - « 6,4;20,0;45,0;90,0 м/ч при С -I «г-эхе/л; b,6s7,ö - то кг при С 2 мг-эке/д; 9,10,II,Iii - то se при С « 3 ги"~ок'а/л

лее мелкие фракции загрузки для связывания агрессивного диоксида углерода и глубокого осветления обогащенного фильтрата на второй ступени при фильтровании воды сверху вниз.На рис.4 показана двухступенчатая схема фильтров обогащения термически опресненной воды.

Расход реагентов на опытно-производственной установке: а) в режиме обогащения дистиллята °

СДУ - 44+1I г/мэ; ЮС - 100+20 г/м3; 6Ув рекиме кондиционирования воды хлор - 1,5 г/м3; фтор -0,7 г/м3;

щелочь - 0,2-0,3 г-эко/м3 или 5,6-8,4 г/ы3 СаО.

Высота слоя' загрузки в фильтрах обогащения равна 2,5 м.Фракционный состав загрузки - 0,6-4,0 мм.Материал загрузки - природный зернистый ракушечник.Скорость фильтрования воды в Ф0-1 равна 21,2 м/ч,а на 40-2 - 14,2 м/ч.Время контакта диоксида углерода с зернистым карбонатом кальция в динамических условиях составляет соответственно - 7,1 и 10,6 мин,а суммарно - 17,7 мин.Продолжительность фильгроцикяа равна 168 ч.Промывка загрузки в фильтрах периодическая опресненной водой с интенсивностью 15 л/См -с) в течение 5 мин.Целесообразно применять предварительное взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 15 л/(м^с) в течение 4-6 мин.Отработанные' промывные воды подвергаются осветлению и повторному использованию. 0среднекние данные о качестве промышленного дистиллята и питьевой опресненной воды приведены в прилагаемой таблице.

Рис.4. Схекч упла фильтров обогащения дистиллята. I - подача смеси дистиллята,СДУ и (ИП; с - электронасос; о - распределитель воды; 4 и 5 - фильтры обогащения первой и второй ступеней 10 2 и '¿0 о; б - сборник обогая-енного дистиллят¡вспомогательные устройства условно не показани

! Количество

!-

Показатели ! промышленный !штьевая

! дистиллят !опресненная _! 1 вода_

I 1 2 ! 3

Температура,°С 30 ■¿8

ВодородньШ показатель рН,ед. 7Д 0,3

Запах,балл I I

Мутность,мг/л I I

Цветность,град. 3 3

Окисляемость,мгО^/л 0,4 0,9

Щелочность И^.мг-экв/л 0,18 2,59

йест;сость Ж0,мг-окв/л 0,19 2,75

Натрий+калий Ла +к\ш/п 6,7 20,0

мг-экв/л 0,29 0,87

Кальций Са*"+,мг/л 2,4 43

ыг-экв/л 0,12 '¿,17

Магний мг/л о,е • 7,0

мг-экв/л 0,0? 0,56

Гидрокарбонаты НСО",ыг/л 11,2 15-4,4

уг-эйв/л 0,18 ? Ч'^

Хлорида и" ,мгУл 7,4 Ор А

МГ-ОКй/л 0,21 0

Сульфаты »иг/л А А '% . 1. 11,0

кг-зкв/л: о,сз о,-гз

Желвзо оО'дзе ЦигД 0,05 0,20

>.'ср ¡-,кг/л 0,04 о,ба

Бром Як' ,мг/л 0,10 С, 13

Бор В0*,иг/л 0,05 0, ио

Г

3

Нефтепродукты,кг/л Кислород О2,мг/я Соле содержание ,мг/'л Индекс насыщения Ланжэлье Индекс стабильности Ризнера

0,1 0,3 34 -2,8 12,8

0,1 7,3 268 +0,6 7,0

По даннш натурных наблюдений за работой открытых фильтров обогащения на СППВ-40 построен график-рис.5.характеризующий функциональную связь между содержанием кальцяя в фильтрата и величиной проскока агрессивного диоксида углерода.

В пятой главе сформулированы основные рекомендации по технологии обогаце;гля термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция л дана их технико-экономическая оценка.

14 12

1С

1 /

✓

и(

с г1 0 с \/ г

/ /

/ у < )

/ о

У г ) с >

о

< > 1

о г о 1 1 1

9 с о£| 0 э

А с с 0

V* жП г-

Рис.5. График зависимости проскока агрессивного диоксида углерода и содержание кальция в фильтрате производственных фильтров обогащения, о- натурные наблюдения; - расчетные значения

кг/л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведен обзор современного состояния технологии опреснения морской води и приготовления питьевой опресненной воды.Показано, что перспективным направлением является фильтрационный метод обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция с использованием побочных продуктов дистилляции морской йоды и местных калыций-кар-бокатньгх загрузочных материалов.

2. Б результате анализа различных методов интенсификации процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция предложена классификация их с группировкой по физико-химическим факторам воздействия.В этой классификации определена область интенсификации процесса обогащения с применением зернистых кальций-карбонатных загрузок и высок однсперсных материалов.

3. Проведены исследования на экспериментальном стенде влияния на процесс обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция различных факторов'.давления,исходной концентрации диоксида углерода, времени фазового контакта и скорости фильтрования опресненной воды,а также эффективность применения высоноднсперсных карбонатных ыатериа-лов,водного раствора ги.цроксида кальция и минеральных кислот.Кроме того,предложена методика я осуществлена оценка реакционной способности природных карбонатных дисперсных материалов и некоторых карбонатных отходов химического производства.

4. Экспериментально установлено,что в пределах I МПа давление не оказывает существенного влияния на процесс обогащения дистиллята гидрокарбонатом кальция,При фильтровании дистиллята через зернистый слой карбоната кальция эффект обогащения возрастает с увеличением времени контакта и скорости фильтрования воды,а также исходной концентрации диоксида углерода з агрессивной форме.

5. При увеличении минерализации опресненной еоды интенсивность обогащения ее гидрокарбонатэм кальция снижается,вследствие влияния забуференности гетерогенной системы.Процесс обогащения протекает в диффузионно-кинетической области.Оптимальные значения времени контакта находятся в пределах 12-16 минут, при исходной концентрации ^¿атр ^ МГ_ЭКВ/Л и скорости фильтрования воды -1Ь-30 м/ч.

6. Предложена методика оценки реакционной способности высокодисперсных карбонатных материалов с применением прибора Дерягина доя определения удельной поверхности дисперсной среды.Экспериментально установлено,что наибольшей реакционной способностью обладает природный зернистый ракушечник карьера № 380 (г.Актау) по сравнению с мраморной крошкой и меловой затравкой.

7. При обогащении дистиллята с применением извести расходуется удвоенное количество диоксида углерода,что существенно повышает эксплуатационные расходы по сравнению с фильтрационной технологией. Для стабилизационной обработки обогащенного дистиллята целесообразно использование известкового раствора,так как в этом случаи обеспечивается дополнительное обогащение воды кальцием при меньшем расходе реагента по сравнению с подцелачиванием кальцинированной содой.

0. Яри применении дозировки минеральной кислоты (соляной и серкой) в процессе фильтрациокчогс обогащения дистадлят;5 ускоряется прирост кальция ь фильтрате, но при зтог/ возрастает содержание в нем хлоридов и сульф* то с.

9, Проведены испытания узле фильтрационного обогащения промышленного дистиллята на опытно-производственной установке произ-

всдительностыэ 7200 ы3 в сутки.Установлено,что при использовании сдувочного диоксида углерода и кальций-карбонатной суспензии целесообразно применение двухступенчатой схемы фильтров обогащения. Фильтрование воды на первой ступени осуществляется снизу вверх через неоднородный слой карбонатной загрузки,а на второй ступени -сверху вниз.Это позволяет рационально использовать взвесеемкость загрузки и расходовать более депевые крупные фракции в '20-1, а также обеспечить более высокий эффект осветления в $0-2.

10. Проведены натурные наблюдения за работой промышленных фильтров обогащения на действующей СППВ-40 при использовании баллонной углекислоты и зернистого ракушечника в качестве карбонатной загрузки.Обобщены данные наблюдений за длительный срок эксплуатация открытых фильтров обогащения.Выявлена функциональная связь между величиной проскока агрессивного диоксида углерода и концентрацией кальция в фильтрате.

11. Разработаны технологические схемы и параметры узла обогащения термически опресненной воды,а такие рекомендации по усовершенствованию действующего промышленного комплекса ЗДЦ-СППВ в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения МАЗ|( и города.Приоритет разработки технологии обогащения защищен на уровне изобретений (авторское свидетельство Р 1412232 с приоритетом от 6 марта 1986г.).

12. В результате внедрения предложений и разработок на действующем комплексе получен годовой фактический эффект на УШВ-7,2 -12 тыс. рублей и на СППВ-40 - свьгле 67 тыс. рублей ¡годовой ожидаемый эффект при реконструкции комплекса ЗПД-СПШЗ составит свыше 160 тыс. рублей.Использование СДУ в технологии обогащения дистиллята на СППЗ-40 позволяет сэкономить ежегодно пищевую сжиженную углекислоту в количестве около 650 т.

Основное содержание диесертгции опубликовано в следующих работах:

1. Ипатов П.Ф..Смирнов В.А».Вилкова Л.И..Абрамова B.C.Процессы обогащения дистиллята гидрокар5онатом кальция в технологии приготовления опреснзнной питьэаой вода // Опреснение воды и es использование в системах водного хозяйства промышленных предприятий: Тр.ВНИИ ВОДГЕО. - М.,I9d2. - С. 13-15.

2. Смирнов В.А.Исследование влияния концентрация диоксида углерода на скорость минерализации опресненной воды // ВНШИС.Дзп.

JP> 6079. - М.,1985.

3. Егоров А.И.»Смирнов В.А..Абрамова B.C. Исследование влияния давления на процасс обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция // ШШШ.Деп. № 6080. - ¿(.»1985.

4. Смирнов В.А.»Абрамова З.Сс Исследование процесса фильтрационного обогащения термически опресненной воды кальцием // ВШЫИС. Доп. № 6333. - Ы.,1905.

5. A.c. jf> ЮТ19И. Устройство дня приготовления питьевой воды иа опресненной / Смирнов В.А..Сиирнова Е.И. ДСП от 22.0b.d6p.

6. Смирнов В.Ас Интенсификация процесса обогащения опресненной воды гидрокарбонатсш кальция // Тохнологичзскио процессыä схе-т и конструкции сооружений водоподготовки: Тр.ШИИ ВОДГьО, - X., 1985. - С. 61-66.

7. Смирнов В.А. Основные гапраеленля усовершенствования технологии получения питьевой води на базе тсрмяческих олрзскнтзлзй// Сборник докладов конф-зр.:нцим ДйПи иа.П.В. г (у й й кео в е.. - Владивосток, I9Ö5. - С. I3&-I3B.

• Ь. Смирнов В.А. Згильтредиотасз обогащение дистиллята гидрокарбонатом кальция Ц Замккуз-ьк» и оборотные системы водоснабжения: Тр.ВНИИ ЮДШ). - Ü.,19tti. - С. ¿1-24.

9. Кгоров А.Й..Сшриоз В.А. Усовершенствованна технологии по-

лучения питьевой воды на базе термических опреснителей// Сборник докладов конференции: УнркоммунНИИпроект«. - Харьков, 1986. - С. I53-I&6.

10. Смирнов В.А,. .Баранов D.C. .Шувалова О.М.Оценка возможности использования высокодисперсных материалов в технологии получения термически опресненной питьевой воды // Опреснение минерализованных вод: Тр.ВНИИ ВОДНО). - Ы.,1987. - C.II-I7.

11. Смирнов В.А. Усовершенствование узла обогащения термически опресненной воды гидрокарбонатом кальция // Замкнутые системы водного хозяйства промышленных н энергетических объектов.ДСП: Тр. ШШИ В0ДГЕ0. - И. ,1987. - С. 62-67.

1Ü. A.c. № I41Ü232. Способ приготовления питьевой воды / Егоров А.И.»Смирнов В.А. и др. от 6.94,В8г.

13. Смирнов В.А. Усовершенствование узла карбонизации дистиллята а технологии приготовления питьевой води //Глубокая очистка воды: Тр.ВНИИ ВОДГЕО. - Д.,1989. - С. 94-98.

14. Смирнов В.А. Выбор схемы узла обогащения опресненной воды гидрокарбонатом кальция // Повышение эффективности технологических процессов водоподготовяи в системах водоснабжения: Тр.ВНИИ БОДГЕО,-М.,1990. - С. 65-6В.

____OüA'iiJfJcjv 15/Vll-a.' Г. ООгеи 1 п. л. Зак. IJt. Тир. IUP.

Тип, ВНИИ БОДГЕО, г, Железнодорожник, 1'идрогоридок, 15.