Научная статья на тему 'Анализ и пути решения проблемы обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов промышленных предприятий'

Анализ и пути решения проблемы обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов промышленных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
1326
245
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
минерализованные сточные воды / высококонцентрированные растворы / термическое обезвреживание / ВЫПАРИВАНИЕ / ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ / промежуточный твердый теплоноситель / мінералізовані стічні води / висококонцентровані розчини / термічне знешкодження / випаровування / випарні установки / проміжний твердий теплоносій / mineralized sewages / highly concentrated solutions / method of thermal neutralization / Evaporation / evaporator / intermediate solid heat carrier

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Кутузова И. А., Кожемякин Г. Б.

Рассмотрены существующие способы обезвреживания высокоминерализованных сточных вод промышленных предприятий. Наиболее перспективным и эффективным методом очистки таких сточных вод является метод термического обезвреживания с применением промежуточного твердого теплоносителя, состоящего из металлических шаров.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Кутузова И. А., Кожемякин Г. Б.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The existing purification methods of highly mineralized sewage of industrial plants are considered. The most perspective and effective purification method of such sewage is the method of thermal neutralization by applying an intermediate solid heat carrier made of metal spheres.

Текст научной работы на тему «Анализ и пути решения проблемы обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов промышленных предприятий»

УДК 669. 046: 628. 165

АНАЛИЗ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

И.А. Кутузова, ассистент, Г.Б. Кожемякин, доцент, к.т.н.,

Запорожская государственная инженерная академия

Аннотация. Рассмотрены существующие способы обезвреживания высокоминерализованных сточных вод промышленных предприятий. Наиболее перспективным и эффективным методом очистки таких сточных вод является метод термического обезвреживания с применением промежуточного твердого теплоносителя, состоящего из металлических шаров.

Ключевые слова: минерализованные сточные воды, высококонцентрированные растворы, термическое обезвреживание, выпаривание, выпарные установки, промежуточный твердый теплоноситель.

АНАЛІЗ ТА ШЛЯХИ ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ ЗНЕШКОДЖЕННЯ ВИСОКОМІНЕРАЛІЗОВАНИХ РІДКИХ ВІДХОДІВ ПРОМИСЛОВИХ

ПІДПРИЄМСТВ

І.О. Кутузова, асистент, Г.Б. Кожемякін, доцент, к.т.н.,

Запорізька державна інженерна академія

Анотація. Розглянуто існуючі способи знешкодження високомінералізованих стічних вод промислових підприємств. Найбільш перспективним й ефективним методом очистки таких стічних вод є метод термічного знешкодження із використанням проміжного твердого теплоносія, який складається із металевих шарів.

Ключові слова: мінералізовані стічні води, висококонцентровані розчини, термічне знешкодження, випаровування, випарні установки, проміжний твердий теплоносій.

ANALYSIS AND WAYS OF HIGHLY MINERALIZED LIQUID WASTES PURIFICATION PROBLEM SETTELMENT OF INDUSTRIAL PLANTS

I. Kutuzova, assistant, H. Kozhemyakin, Associate Professor, Candidate of Technical Science, Zaporizhzhia State Engineering Academy

Abstract. The existing purification methods of highly mineralized sewage of industrial plants are considered. The most perspective and effective purification method of such sewage is the method of thermal neutralization by applying an intermediate solid heat carrier made of metal spheres.

Key words: mineralized sewages, highly concentrated solutions, method of thermal neutralization, evaporation, evaporator, intermediate solid heat carrier.

Введение

Одними из основных и достаточно распространенных загрязнителей окружающей природной среды являются так называемые высокоминерализованные сточные воды

(ВМСВ) промышленных предприятий. Данный вид жидких отходов загрязнен такими минеральными веществами, как соли кальция, натрия, магния и т.д. Несмотря на широкое внедрение оборотного водоснабжения и новой малоотходной технологии, объем

загрязненных сточных вод остается значительным. Поэтому важной проблемой является очистка жидких отходов от минеральных загрязнений.

Анализ публикаций

На промышленных предприятиях повышение концентрации солей в используемой воде происходит за счет применения растворимых веществ в металлургической технологии, во-доподготовке и химводоподготовке ТЭЦ, выщелачивания в водных процессах и упаривания в системах водоснабжения. Основными источниками образования ВМСВ являются водоподготовительные установки (ВПУ) (основными компонентами в составе стоков являются №С1 71,2 - 84,2 %, СаС12 - 5,3 -23,8 %, MgC12 - 3,1 - 9,4 %); парогенераторы (продувочные воды, загрязнены такими основными солевыми компонентами как №2804, №С1, №2СОз, №0И, ^БЮз, №3Р04); травильные отделения (в промывных воды после травления и обезжиривания присутствуют хорошо растворимые соли СаС12, Са(ШзЬ N2804, №С1, NN03); локальные системы водоснабжения (продувочные воды). Кроме того, минеральные загрязнения поступают в сточные воды при контакте жидкостей с различными продуктами, содержащими соли в твердом состоянии либо в растворе (например, при очистке различных газов). [1]

Большое разнообразие солевого состава сточных вод и различие в мощности и целевом назначении обезвреживающих установок не позволяют выбрать какой-либо один универсальный метод очистки, который можно было бы применить с максимальной экономической эффективностью практически в любых условиях. Существенными недостатками для метода обратного осмоса, стабильно лидирующего среди других методов, являются высокие энергозатраты, необходимость предварительной водоподготовки (подкисление воды, очистка от взвешенных веществ и т.д.) и утилизация высококонцентрированных рассолов [2, 3]; для методов ионного обмена, получивших в последнее время широкое развитие, - необходимость длительной водоподготовки и высокая стоимость сорбентов [3,4]. Такие методы как электродиализ, гелиоопреснение и реагент-ные способы опреснения, являясь теоретически перспективными, не находят широкого

применения из-за несовершенства, неразработанности и высокой стоимости [5].

До недавнего времени термическое обессо-ливание считалось бесперспективным направлением для научных исследований в силу его энергоемкости, однако простота эксплуатации установок при условии использования тепла уходящих газов, например, теплоэлектростанций, АЭС и металлургических агрегатов, обусловила совершенствование и удешевление указанного способа, открыв перед ним новые возможности. Этот метод обессоливания менее чувствителен к составу минерализованных сточных вод, достаточно экономичен и обеспечивает качественную очистку, а также является наиболее распространенным и применяемым методом обессоливания во всех странах мира [6].

Таким образом, использование для обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов большинства традиционных методов, как правило, сопряжено с необходимостью решения ряда проблем, основными из которых являются высокая стоимость обес-соливания, большие энергозатраты, а также утилизация высококонцентрированных растворов (в ряде случаев утилизация невозможна). Тем не менее, наиболее перспективным представляется метод термического обезвреживания в выпарных установках.

В настоящее время создано много различных типов выпарных установок для обезвреживания минерализованных жидких отходов, отличающихся друг от друга организацией процесса кипения, давлением, при котором происходит процесс обезвреживания, регенерацией тепла, кратностью испарения очищаемой воды, связью с циклом энергетической установки, конструктивным исполнением и рядом других признаков.

Исходя из принципа действия, все термоопреснительные установки можно разделить на следующие типы: 1) кипящие; 2) адиабатные;

3) тонкопленочные; 4) гигроскопические;

5) гидрофобные; 6) термодиффузионные.

Большинство способов и аппаратов термического обессоливания характеризуются общими недостатками: образованием накипи и коррозией теплообменных аппаратов. Так как промышленные сточные воды отличаются многообразием накипеобразующих ком-

понентов и различным их содержанием, то деминерализация сточных вод промышленных предприятий требует относительно высокого концентрирования. Кроме карбонатной и сульфатной накипи, на теплопередающей поверхности могут отлагаться также силикаты, железистые и прочие накипи.

Одна из попыток повышения эффективности обезвреживания минерализованных жидких отходов связана с созданием установок, где перенос тепла осуществляется контактным путем без соприкосновения поверхности нагрева и обезвреживаемого раствора, т.е. установок, в которых выпаривание осуществляется при помощи гидрофобного (промежуточного) теплоносителя. В таких контактных аппаратах применяют различные типы теплоносителя: газ, жидкость или твердое вещество [7, 8]. Проблема накипи не возникает в таких бесповерхностных выпарных установках, так как теплопередача в них происходит при непосредственном контакте нагретого теплоносителя и очищаемой воды.

Установки с гидрофобным теплоносителем характеризуются отсутствием отложений на поверхности нагрева, уменьшением коррозии оборудования, снижением капитальных затрат, а также возможностью увеличения температурного напора, что способствует повышению энергетической эффективности и экономичности процесса выпаривания.

Установки с жидким гидрофобным теплоносителем хотя и перспективны, но обладают существенными недостатками, которые могут быть устранены при использовании выпарных установок с применением твердого промежуточного теплоносителя, например минеральных или металлических частиц [1, 4, 5, 7, 9].

Итак, разработанные в настоящее время установки для очистки сточных вод от минеральных загрязнений обладают общим существенным недостатком - образованием высококонцентрированных растворов и шламов, которые в ряде случаев нельзя сбрасывать в естественные источники, а необходимо обезвреживать, так как повышение концентрации солей в водоемах и в почве наносит непоправимый вред природе. Поэтому проблема очистки ВМСВ должна решаться только с учетом утилизации образующихся рассолов. Следует отметить, что подземное захороне-

ние рассолов связано со многими отрицательными последствиями, одни из которых наблюдаются уже сейчас, а другие могут проявиться и в отдаленном будущем. Например, вследствие миграции воды подземных горизонтов и тектонических изменений земной коры рассолы могут появиться в водозаборных скважинах, расположенных далеко от места их закачки. Поэтому наилучшим вариантом при очистке высокоминерализованных сточных вод будет получение не высококонцентрированных растворов, а солей в твердом виде, что удобно и при транспортировке, и при захоронении.

Цель и постановка задачи

При выборе способа обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов необходимо учитывать все факторы, влияющие на технико-экономические показатели. В связи с этим установка для обезвреживания ВМСВ при использовании выбранного способа должна [5]:

1) обеспечивать получение максимально концентрированных рассолов или, в идеальном случае, обеспечивать получение извлекаемых солей в твердом виде;

2) обладать максимальной экономической эффективностью;

3) допускать возможность полной автоматизации процесса;

4) иметь простую конструкцию, малые габариты и приемлемую стоимость;

5) характеризоваться низкой интенсивностью накипеобразования или отсутствием его отрицательного воздействия на протекание технологического процесса;

6) обеспечивать высокую надежность работы.

Способ термического обезвреживания ВМСВ на промежуточном твердом теплоносителе

Учитывая важность исключения образования рассолов при очистке минерализованных или высокоминерализованных жидких отходов, предлагается способ обезвреживания таких отходов в выпарном аппарате на промежуточном твердом теплоносителе. В качестве теплоносителя могут быть использованы вторичные низкопотенциальные энергоресурсы: продукты горения вторичных энергоресурсов, низкотемпературный пар и т.п. В ряде отраслей промышленности выбрасывается в атмосферу большое количество газов,

температурный потенциал которых не приемлем для использования их, например, в котлах утилизаторах или др. теплосиловых агрегатах, но достаточен для применения их в установках концентрирования и обезвреживания растворов. Ввиду того, что энергетические затраты составляют приблизительно 50 % от общих затрат на обезвреживание, утилизация энергии уходящих газов является весьма эффективным способом снижения расходов при обезвреживании ВМСВ.

В ходе предварительных опытов, при использовании в качестве минерализованной сточной воды Запорожского титано-магниевого комбината с содержанием солей 12-15 г/л были получены хорошие результаты при применении в качестве загрузки, для наиболее максимального отложения солей на ней, гранулированного доменного шлака комбината «Запорожсталь». Максимально возможное количество солей, отложившееся в слое, составило 20-23 % от массы загрузки. Однако эта загрузка обладает следующими недостатками: трудность отделения осажденных солей от шлака; в процессе орошения шлака раствором происходит его разрушение и вынос мелких частиц с раствором, что ведет к загрязнению стоков.

Проводились опыты по использованию в качестве инертного промежуточного теплоносителя железорудных окатышей. Масса отложенных солей при этом составила 10-12 % от массы загрузки. Прочность окатышей гораздо выше, чем гранулированного доменного шлака, однако и этот тип промежуточного теплоносителя обладает рядом недостатков: окатыши - ценное металлургическое сырье, и поэтому использование их в виде инертного промежуточного теплоносителя не всегда экономически выгодно; при отделении слоя солей от зерен загрузки в барабанной мельнице происходит значительное разрушение окатышей.

Эти недостатки существенно устраняются при использовании в качестве промежуточного твердого теплоносителя загрузки из металлических шаров. Они удобны при обработке в шаровой мельнице и обладают хорошей теплопроводностью.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем (рис. 1): промежуточный теплоноситель 4, состоящий из металлических ша-

ров, размещен на решетке 2 нагревательной камеры 1. В камеру непрерывно подводится горячий газ или пар 3, который нагревает слой зернистого промежуточного теплоносителя. Раствор подается через форсунки 6 порционно, по мере высыхания загрузки. Подача раствора на слой приводит к его частичному испарению и охлаждению шаров. При этом на поверхности зерен образуется пленка кристаллов солей, покрытая слоем влаги. По мере ее высыхания, слой накипи увеличивается. Количество солей, отложившихся на твердом промежуточном теплоносителе за один цикл невелико, поэтому подача раствора повторяется несколько раз. В таком случае шаровая насадка выводится 9 из аппарата и направляется на механическую обработку в шаровую мельницу 10. Забранные металлические шары после регенерации 11 возвращаются в цикл обессоливания [10].

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема выпаривания минерализованных жидких отходов с использованием тепла вторичных энергоресурсов: 1 - нагревательная камера; 2 - опорная решетка; 3 - патрубок для подвода первичного теплоносителя; 4 - вторичный теплоноситель (шаровая насадка); 5 - патрубок для отвода газа; 6 - система орошения; 7 - насос; 8 - циркуляционный бак; 9 -бункер для приема шаров на регенерацию; 10 - шаровая мельница; 11 - шары, возвращаемые в аппарат после регенерации

Метод был опробован в лабораторных условиях с использованием металлических шаров диаметром 8-20 мм и при температуре первичного теплоносителя не менее 200 °С. При этом масса отложений солей составила 8-10 % от массы загрузки.

Выводы

Предложенный способ термического обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов промышленных предприятий является наиболее эффективным и перспективным, так как его преимуществами являются:

1. Получение минеральных загрязнений в твердом виде, что удобно при их утилизации, транспортировке, а также при захоронении.

2. Более высокая интенсивность процесса выпаривания при периодической подаче на промежуточный теплоноситель обезвреживаемого раствора.

3. Низкая энергоемкость за счет наращивания большего слоя продукта при периодической циркуляции раствора.

4. Возможность утилизации вторичных низ-копенциальных энергоресурсов при использовании их в качестве греющего газообразного теплоносителя, с целью снижения затрат на обезвреживание высокоминерализованных жидких отходов.

Литература

1. Резников Ю.Н. Обессоливание сточных

вод предприятий черной металлургии / Ю.Н. Резников. - К. : Техника, 1984. -105 с.

2. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обрат-

ным осмосом / Ф.Н. Карелин. - М. : Стройиздат, 1988. - 208 с.

3. Магомедов В.Г. Методы обессоливания

воды и возможности их использования для деминерализации дренажного стока / В.Г. Магомедов, С.Ю. Миллен // Мелиорация и водное хозяйство. - Серия 4. Комплексное использование и охрана водных ресурсов : Обзорная информация. - М. : ЦБНТИ, 1986. - с. 52.

4. Кульский А.А. Опреснение воды / А.А. Куль-

ский. - К. : Наукова думка, 1980. - 94 с.

5. Слесаренко В.Н. Современные методы оп-

реснения морских и соленых вод / В.Н. Слесаренко. - М. : Энергия, 1973. -161 с.

6. Таубман Е.И. Выпаривание (Процессы и

аппараты химической и нефтехимической технологии) / Е.И. Таубман. - М. : Химия, 1982. - 328 с.

7. Таубман Е.И. Термическое обезврежива-

ние минерализованных промышленных сточных вод / Е.И. Таубман, З.П. Биль-дер. - Л. : Химия, 1975. - 208 с.

8. Мальцев Е.Д. Опреснение соленых вод /

Е.Д. Мальцев. - М. : Атомиздат, 1965. -91 с.

9. Слесаренко В.Н. Дистилляционные опрес-

нительные установки / В.Н. Слесаренко. - М. : Энергия, 1978. - 172 с.

10. Пат. Україна ИЛ 10997 и, 7 С02Б1/10.

Спосіб знешкодження високомінералі-зованих стічних вод випарюванням / Кожемякін Г.Б., Кутузова І.О. ; заявник й патентовласник Запорізька державна інженерна академія. - № и200503375 ; заявл. 11.04.2005 ; опубл. 15.12.2005, Бюл. № 12. 2005 р.

Рецензент: А.В. Гриценко, профессор,

д.геогр.н. ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 11 ноября 2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.