CC BY
78
вестник 11/2012
УДК 621.311.22 + 621.512.8
Л.В. Боронина, А.Э. Усынина, А.П. Андрианов*
ГАОУ АО ВПО «АИСИ», *ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ВНЕДРЕНИЯ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ НА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ г. АСТРАХАНИ
Проведен анализ технологий водоподготовки на теплоэнергетических предприятиях г Астрахани. На основании данной оценки эффективности очистки воды по отношению к нормам и требованиям к котловой и добавочной воде сделаны выводы о необходимости внедрения на объектах энергетической отрасли города новых технологий очистки, основанных на баромембранных процессах.
Ключевые слова: водоподготовка, очистка, мембрана, ультрафильтрация, нанофиль-трация, обратный осмос, теплоэнергетика.
Астраханская область — достаточно густонаселенный район с развитой промышленностью и сельским хозяйством. Все большую тревогу у населения области вызывает загрязнение водоисточников. Основанными источниками загрязнения рек являются промышленные и коммунальные предприятия. Наиболее подвержены загрязнению, засорению и заилению внутригородские водотоки г. Астрахани, требующие срочного восстановления. Поверхностные водотоки являются источником водоснабжения для теплоэнергетических объектов региона, таких как ООО «Лукойл-Астраханьэнерго» (ТЭЦ-2) и ОАО «ТЭЦ-Северная». В последнее время эти водоемы подвергаются сильному загрязнению десятками токсичных веществ, сбрасываемых со сточными водами, которые оказывают отрицательное влияние на качество природных вод и донных отложений, в то время как требования к качеству добавочной воды непрерывно возрастают [1].
Надежность работы ТЭЦ в целом во многом зависит от работы отдельных агрегатов. При этом одним из определяющих факторов надежной работы большинства агрегатов ТЭЦ является качественная подготовка добавочной воды.
Подготовка воды для теплоэнергетических предприятий г. Астрахани осуществляется по следующей схеме (рис. 1). Сырая вода из поверхностного водоисточника р. Кутум (для ТЭЦ-2) и р. Волга (для ТЭЦ-Северная) после предварительной грубой механической очистки, подогретая до 40 °С, подается по трубопроводам на сооружения химводоочистки. В состав сооружений химводоочистки входят осветлители, механические фильтры, загруженные кварцевым песком и адсорбентом CВ-4, блок двухступенчатого натрий-катионирования, блок амминирования и дегазации воды, реагентное хозяйство. Подача реагентов не автоматизирована, и это является одним из значительных недостатков процессов обработки воды на ТЭЦ. Фактически подача реагентов осуществляется оператором «опытным» путем. На осветлителях должна применяться предварительная обработка воды известкованием, но из-за отсутствия финансирования известкование осуществляется только на ТЭЦ-2. Вместо искусственного подщелачивания воды для образования гидроокиси из сернокислого алюминия увеличивают время осветления и фильтрования путем снижения подаваемого расхода воды и уменьшения скорости фильтрования в два раза. Результат описанных мероприятий — низкие эффективность технологического процесса и качество обрабатываемой воды. Также по причине нехватки средств на ТЭЦ-Северная производят замену только верхнего слоя загрузки на механических однопоточных фильтрах по мере снижения качества их фильтрата.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
_Мвви
Рис. 1. Технологическая схема очистки воды на ТЭЦ г. Астрахани: 1 — осветлитель; 2 — механический фильтр с песчаной загрузкой; 3 — механический фильтр с адсорбентом С В-4; 4 — бак осветленной воды; 5 — блок натрий-катионирования; 6 — бак химически очищенной воды
Защита от коррозии поверхностей нагрева котлов, теплообменной аппаратуры и трубопроводов осуществляется удалением из воды коррозионно-агрессивных газов: кислорода и свободной углекислоты. При обработке по схеме натрий-катионирования вода дополнительно насыщается двуокисью углерода за счет разложения бикарбоната натрия при нагревании. Однако полностью удалить свободную углекислоту не удается. Растворенные в воде вещества вызывают неполадки в работе энергетического оборудования на ТЭЦ г. Астрахани. Это связано с образованием в тепловых агрегатах накипных отложений и коррозии, образование первичной накипи (отложения, образующиеся на поверхности нагрева), которые значительно снижают теплопроизводи-тельность, а также увеличивают потери напора в трубопроводах. В паровых котлах, особенно сжигающих высококалорийное топливо (газ, мазут), образование на внутренней поверхности нагрева незначительных по толщине (0,1...0,2 мм), но малотеплопроводных отложений приводит к перегрузу металла и, как следствие, к появлению отдушин, свищей и даже разрывов экранных труб. Грубодисперсные частицы, находящиеся в объеме воды (шлам), впоследствии оседают на поверхности нагрева, образуя вторичную накипь.
Смену трубопроводов, частичную замену поврежденных частей трубопроводов и капитальный ремонт котлового оборудования на ТЭЦ г. Астрахани производят каждые пять лет. Эксплуатация действующих схем подготовки воды на ТЭЦ города требует значительных капитальных вложений. В последнее время все большее внимание уделяется экономическому аспекту работы водоподготовительных установок. Такие показатели, как стоимость 1 м3 обессоленной воды, удельные капитальные затраты на 1 м3 установленной мощности ВПУ (водоподготовительной установки), период окупаемости инвестиции в ВПУ, стали иметь первостепенное значение. С учетом глубокого износа во-доподготовительного оборудования появилась необходимость во внедрении новых технологий. Возникает необходимость специальной физико-химической подготовки воды, контроля за водно-химическим режимом всех групп оборудования [2]. В связи с поиском новых решений в сфере предочистки воды для теплоэнергетики, во всем мире проводятся исследования возможностей новых современных технологий: мембранных ультра- и нанофильтрации, обратного осмоса. Эти методы находят все более широкое применение для питьевого и промышленного водоснабжения и позволяют получать воду, отвечающую современным нормативным требованиям [3]. В отличие от классических методов фильтрования мембраны исключают проскоки загрязнений на завершающем этапе фильтроцикла и обеспечивают практически неизменное качество очищенной воды независимо от колебаний ее состава и температуры в источнике. Кроме того, мембраны позволяют обрабатывать воду с высоким содержанием взвешенных веществ, имеют ком -пактные размеры оборудования и полную автоматизацию процесса очистки воды.
вестник
11/2012
В табл. 1 показаны показатели исходной воды и качество воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМН-К («Владипор») при разных режимах (разных величинах рабочего давления и величины выхода фильтрата) [4].
Табл. 1. Показатели эффективности работы нанофильтрационной установки
№ Проба рн Щ, мг-экв/л Жб , общ' мг-экв/л Са, мг-экв/л Мй, мг-экв/л Ре„ , общ' мг/л Цвет-но сть, град Мутность, мг/л
1 Исходная вода 7,16 6,4 1,2 0,62 0,58 1,23 117 1
2 Фильтрат 1 7,3 6,3 0,2 0,12 0,08 0,09 11 отс.
3 Фильтрат 2 7,3 6,3 0,3 0,17 0,13 отс. 6 отс.
4 Фильтрат 3 7,46 6,6 0,41 0,26 0,15 отс. 6 отс.
Как видно из табл. 1, величина удаления различных ионов изменяется от 40 до 60 %, что соответствует их снижению в 1,5.. .3 раза.
Скорость образования осадка карбоната кальция в аппаратах с нанофиль-трационными мембранами также зависит от ионного состава воды. Вследствие осадкообразования селективность мембран по растворенным ионам меняется. Нанофильтрационные мембраны оказываются наиболее эффективными для снижения содержания органических веществ и железа. Практически полное удаление солей достигается при использовании обратноосмотических мембран.
Ультрафильтрация может использоваться как для непосредственной обработки воды из поверхностных источников, так и в сочетании с предварительной коагуляцией. Основную трудность при очистке природных вод мембранными методами представляет снижение цветности и содержания растворенных органических веществ.
Для повышения эффективности очистки воды от органических примесей в [5] применяют комбинацию ультрафильтрации и предварительной коагуляции. Исследования по очистке воды р. Москвы (табл. 2, 3) показывают возможность получения питьевой воды с показанием мутности и цветности в пределах норм СанПиН (при использовании ультрафильтрационных мембран с размером пор, обеспечивающим молекулярное отсечение на уровне 30.50 килодальтон). Это обстоятельство дает основание считать применение таких мембран перспективным, например, для очистки воды в Астраханском регионе. Серия экспериментов в [4] показала, что эффективность снижения мутности колеблется от 60 до 95 %; мутность фильтрата составила не более 0,6 мг/л. Цветность исходной воды составила ~15...17 град, цветность очищенной воды — 11.14 град. Снижение цветности на всех мембранах составило около 20.30 %. Падение производительности за один час составило около 50 %. Таким образом, средняя селективность мембраны УАМ-150 по гуминовым кислотам составила 70.80 %, это значительно выше селективности по веществам, образующим цветность речной воды.
Табл. 2. Характеристики ультрафильтрационных мембран
Тип мембран УВА-20-ПС-1040 УАМ -50 УАМ -150 УАМ-200
Размер пор, мкм 0,03.0,04 0,05 0,015 0,02
Отсечение по молекулярной массе, кДа 20 ~20 50 100
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
VESTNIK
JVIGSU
Табл. 3. Показатели эффективности очистки воды с применением ультрафильтрации и предварительной коагуляции при очистке воды
Показатели качества исходной воды (р. Москва)
Показатели качества очищенной воды: без предварительной коагуляции с предварительной коагуляцией
Мутность, мг/л 18,9 менее 0,5 < 0,5 < 0,5 0,8
— < 0,5 < 0,5 < 0,5
Цветность, град 28,4 7,9 18,4 22,5 23,2
— 8,7 10,5 11,8
Железо общее, мг/л 0,5 0,02 0,05 0,07 0,1
— 0,025 0,04 0,04
Перманганатная окис- 7, 84 5,12 6,2 6,4 6,5
ляемость, мгО2/л — 2,7 4,85 5,1
Селективность мембран по различным органическим и неорганическим соединениям зависит от ряда факторов (давления, температуры, соле содержания) и может ко -лебаться в различных пределах [6]. Нанофильтрационные мембраны с селективностью по солям 50 % достаточно успешно задерживают низкомолекулярные органические вещества, позволяя добиться значений окисляемо сти и цветности на уровне требований СанПиН. При этом общая жесткость снижается на 50...70 %, а концентрации одновалентных ионов — на 20.. .30 % (рис. 2).
ох
Он
CD
п
a СП
100 80 бон
40
20
шш
Цветность Мутность Железо общее Перманганатная
окисляемость
■ ОО И НФ □ УФ (УАМ-50) □ УФ (УАМ-150)
Рис. 2. Задержание различных загрязнений с помощью ультрафильтрационных, нанофиль-трационных и низконапорных обратноосмотических мембран
Мембранные технологии позволяют значительно улучшить качество воды при применении их на действующих станциях энергетической отрасли или проектировании новых сооружений, сократить потребление реагентов и повысить барьерную роль системы очистки воды.
Результаты проводимых исследований и анализа существующих мембранных методов очистки воды подтверждают правильность предположения о перспективности применения рассмотренных технологий на теплоэнергетических объектах.
Авторами разработана методика, позволяющая определять и прогнозировать скорости образования кристаллических осадков в мембранных аппаратах и изменение их производительности со временем в зависимости от качества исходной воды и режимов работы мембранной установки. Необходимо продолжить в дальнейшем на теплоэнергетических объектах г. Астрахани эксперименты по очистке поверхностных вод (р. Волга, р. Кутум) на мембранных аппаратах. За счет применения мембранной предо-чистки воды на ТЭЦ г. Астрахани возможно сокращение ряда многих технологических процессов.
вестник 11/2012
Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России», проект 14.B37.21.0170.
Библиографический список
1. РД 34.37.504—83 (НР 34-70-051-83) Нормы качества подпиточной и сетевой воды тепловых сетей: измененная редакция, Изм. № 1, № 2 (Вступительная часть отменена, Изм. № 3). 6 с.
2. КопыловА.С., ЛавыгинВ.М., ОчковВ.Ф. Водоподготовка в энергетике. М. : Изд-во МЭИ, 2003. 320 с.
3. Создание новых ультрафильтров / Т.В. Алыкова, Л.В. Боронина, А.Е. Кудряшова, О.Е. Сулоева // Геология, география и глобальная энергия. 2010. № 4 (39). С. 111—115.
4. Андрианов А.П., Первов А.Г. Методика определения параметров эксплуатации ультрафильтрационных систем очистки природных вод // Критические технологии. Мембраны. 2003. № 2 (18). С. 3—22.
5. АндриановА.П., ПервовА.Г. Перспективы применения мембранных методов ультрафильтрации и нанофильтрации на крупных водопроводных станциях // Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 4. Комплексные программы и инженерные решения в области экологии городской среды : сб. науч. тр. М. : Прима-Пресс-М, 2004. С. 101—109.
6. Разработка систем очистки цветных вод северных районов на основе технологий нано-фильтрации и ультрафильтрации / А.Г. Первов, Н.Б. Мотовилова, А.П. Андрианов, Р.В. Ефремов // Очистка и кондиционирование природных вод : сб. науч. тр. ВОДГЕО. 2004. Вып. 5. С. 99—106.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторах: Боронина Людмила Владимировна — кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт» (ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д. 18, boroninalv@gmail.com;
Усынина Анна Эдуардовна — аспирант, ассистент кафедры водоснабжения и водоотведения, ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт» (ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д. 18, anna.usynina@rambler.ru;
Андрианов Алексей Петрович — кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, 129337, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, AndrianovAP@ mgsu.ru.
Для цитирования: Боронина Л.В., Усынина А.Э., Андрианов А.П. Обоснование необходимости внедрения мембранных технологий для водоподготовки на теплоэнергетических предприятиях г. Астрахани // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 198—203.
L.V. Boronina, A.E. Usynina, A.P. Andrianov
REASONING THE NEED TO INTRODUCE THE MEMBRANE TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT AT HEAT-AND-POWER PLANTS OF ASTRAKHAN
An overview of water treatment technologies employed at the heat-and-power plants of Astrakhan is made by the authors. Water treatment facilities are in a very poor condition. As a result, heat-and-power equipment suffers from considerable scaling, fouling and corrosion problems. New membrane technologies, including ultra-filtration and nano-filtration, seem to be a promising way to improve the water quality. The evaluation of the present-day water treatment efficiency with account for the effective standards and requirements makes it possible to conclude that new pressure-driven membrane processes must be implemented at heat-and-power plants.
Membrane technologies will improve the quality of water processed at operating power generating stations or the quality of the water supplied to new structures of the city of Astrakhan; they will reduce the reagent consumption rate and improve the role of water purification systems as barriers that prevent water contamination. Besides, membranes ensure a high efficiency of turbidity removal, and membrane facilities are small and simple in operation. The main difference of membrane technologies if compared to conventional sedimentation and filtration systems consists in the high quality of water irrespective of fluctuations in the temperature and composition of inflowing flows of water.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
VESTNIK
MGSU
Authors are going to continue their research into the issue of potential wide-scale introduction of newly developed techniques at the heat-and-power plants of Astrakhan to provide clear water to boiler plants at low operational costs. The research results indicate that the above approach has a strong potential in terms of water treatment in the power industry. The new procedure was developed by the authors to identify and project the scaling and fouling rates within membrane modules and to predict the membrane performance (permeate flux) depending on the feed water quality and modes of operation.
Key words: heat-and-power plant, membrane, nano-filtration, reverse osmosis, ultra-filtration, water treatment.
References
1. RD 34.37.504—83 (NR 34-70-051—83) Normy kachestva podpitochnoy i setevoy vody teplovykh setey: Izmenennaya redaktsiya, Izm. № 1, № 2 Vstupitel'naya chast' otmenena, Izm. № 3. [Regulatory Document 34.37.504—83 (New Edition 34-70-051—83). Quality Standards Applicable to Make-up and Heating-system Water: Updated Edition, Update 1, 2 (Introduction Invalidated)]. 6 p.
2. Kopylov A.S., Lavygin V.M., Ochkov V.F. Vodopodgotovka v energetike [Water Treatment in Power Engineering]. Moscow, MEI Publ., 2003, 320 p.
3. Alykova T.V., Boronina L.V., Kudryashova A.E., Suloeva O.E. Sozdanie novykh ul'trafil'trov [Development of New Ultrafilters]. Geologiya, geografiya i global'naya energiya [Geology, Geography and Global Energy]. 2010, no. 4(39), pp. 111—115.
4. Andrianov A.P., Pervov A.G. Metodika opredeleniya parametrov ekspluatatsii ul'tra-fil'tratsionnykh sistem ochistki prirodnykh vod [Method of Identification of Parameters of Operation of Ultra-filtration Systems of Natural Water Purification]. Kriticheskie tekhnologii. Membrany. [Critical Technologies. Membranes.]. 2003, no. 2(18), pp. 3—22.
5. Andrianov A.P., Pervov A.G. Perspektivy primeneniya membrannykh metodov ul'trafil'tratsii i nanofil'tratsii na krupnykh vodoprovodnykh stantsiyakh [Prospects for Application of Membrane Ultrafiltration and Nano-filtration Methods at Extensive Waterworks]. Proekty razvitiya infrastruktury goroda. Vyp. 4. Kompleksnye programmy i inzhenernye resheniya v oblasti ekologii gorodskoy sredy [Projects for Development of the Urban Infrastructure. No. 4. Comprehensive Programmes and Engineering Solutions in the Field of the Ecology of the Urban Environment]. Collected works. Moscow, Prima Press Publ., 2004, pp. 101—109.
6. Pervov A.G., Motovilova N.B., Andrianov A.P., Efremov R.V. Razrabotka sistem ochistki tsvetnykh vod severnykh rayonov na osnove tekhnologiy nano-fil'tratsii i ul'trafil'tratsii [Development of Systems of Treatment of Colored Waters in the Northern Areas on the Basis of Technologies of Nano-filtration and Ultra-filtration]. Ochistka i konditsionirovanie prirodnykh vod [Treatment and Conditioning of Natural Waters]. Collected works. VODGEO Publ., 2004, no. 5, pp. 99—106.
About the authors: Boronina Lyudmila Vladimirovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Water Supply and Sewerage, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AISI), 18 Tatishcheva st., Astrakhan, 414056, Russian Federation; boroninalv@gmail.com;
Usynina Anna Eduardovna — postgraduate student, Assistant Lecturer, Department of Water Supply and Sewerage, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AISI), 18 Tatishcheva st., Astrakhan, 414056, Russian Federation; anna.usynina@rambler.ru;
Andrianov Aleksey Petrovich — Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; AndrianovAP@mgsu.ru, +7(499)183-36-29.
For citation: Boronina L.V., Usynina A.E., Andrianov A.P. Obosnovanie neobkhodimosti vnedreniya membrannykh tekhnologiy dlya vodopodgotovki na teploenergeticheskikh predpriyatiyakh g. Astrakhani [Reasoning the Need to Introduce the Membrane Technology of Water Treatment at Heat-and-Power Plants of Astrakhan]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 198—203.
