CC BY
71
УДК 541.183 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-4-36-41
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
INCREASE IN ECOLOGICAL INDICATORS OF WATER TREATMENT INSTALLATIONS OF THE HEAT
POWER ENTITIES
© 2016 г. Е.В. Веселовская, А.Г. Шишло
Веселовская Елена Вадимовна - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-52-18. E-mail: elenaveselovsckaja@ yandex.ru
Шишло Анна Геннадьевна - ведущий инженер, ООО «Инекс-Сочи», г. Сочи, Россия. Тел. (8622)55-10-08. E-mail: inecs@sochi.com
Veselovsсkaja Elena Vadimovna - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-18. E-mail: elenaveselovsckaja@yandex.ru
Shyshlo Аnna Gennad'evna - Senior engineer, Open Company «INEKS-Sochi», Sochi, Russia. Ph. (8622)55-10-08. E-mail: inecs@sochi.com
Рассмотрены вопросы создания бессточных схем водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий. Предложена раздельная обработка различных категорий сточных вод, обессоливающих устройств с последующим использованием фильтрата и многоступенчатой обработкой концентратов. Предложенная технология многоступенчатой раздельной обработки сточных вод водоподготовительных установок, работающих по схеме двухступенчатого Ыа-катионирования, позволяет существенно повысить экологические показатели теплоэнергетических предприятий и сократить расходы на реагенты.
Ключевые слова: водоподготовка; обратный осмос; ультрафильтрация; ионообменные смолы; обессоливание воды.
Questions of creation of drainless schemes of water treatment installations of the heat power entities are considered. Separate handling of various categories of sewage of the desalinating devices with subsequent use of a filtrate and multistage handling of concentrates is offered. The offered technology of multistage separate handling of sewage of the water treatment installations working according to two-level Na-cation exchange scheme allows to raise significantly ecological indicators of the heat power entities and to cut down expenses on reagents.
Keywords: water preparation; reverse osmosis; ultrafiltration; ion exchange resins; water desalination.
Считается, что современные тепловые электрические станции являются крупнейшими потребителями природной воды - по некоторым оценкам на долю электроэнергетики приходится до 70 % (порядка 21 км ) от общего объёма потребления пресной воды российской промышленностью. Эксплуатация ТЭС сопровождается
образованием нескольких категорий сточных вод, различающихся по объемам (расходам) и номенклатуре содержащихся в них примесей.
Наиболее неблагоприятны для окружающей среды загрязняющие примеси, содержащиеся в сточных водах водоподготовительных установок (ВПУ) и систем гидрозолоудаления, сточ-
ных водах, образующихся при химических промывках и консервации основного оборудования, отмывках поверхностей нагрева и сточных водах, содержащих нефте-, маслопродукты. Источником последних являются маслосистемы турбин и подшипников, поверхностный сток и мазутное хозяйство [1 - 3].
Необходимо отметить, что для каждой из вышеперечисленных категорий сточных вод, в том числе и сточных вод ВПУ, существуют унифицированные методики обезвреживания и очистки. Они достаточно успешно справляются с возложенной на них функцией - обеспечивают приемлемые с точки зрения соблюдения нормативов ПДК остаточные концентрации загрязняющих примесей в очищенных сточных водах. Однако практически для каждой из вышеперечисленных технологий обезвреживания и очистки сточных вод характерно образование так называемых вторичных загрязнений - сбросных вод, осадков, кубовых остатков и так далее. Данные носители вторичных загрязнений требуют, в свою очередь, обезвреживания и утилизации, что приводит к существенному удорожанию и усложнению технологических схем. Тем не менее, учитывая все возрастающие требования к качеству очистки сбросных вод ТЭС, технологии, позволяющие максимально сокращать количество вторичных загрязнений при очистке сточных вод, постоянно совершенствуются и находят все большее применение, несмотря на высокие капитальные и эксплуатационные затраты [4 - 7].
Сточные воды, образующиеся при эксплуатации ВПУ ТЭС, напрямую зависят от принципа действия очистных установок, входящих в состав ВПУ, что в свою очередь определяется характеристиками основного оборудования станции. Классическая структура ВПУ - предварительное удаление из очищаемой воды взвешенных веществ и коллоидных частиц и последующая корректировка ионного состава - обес-соливание воды. Степень обессоливания регламентируется нормами ПТЭ в зависимости от характеристик основного оборудования ТЭС.
Если сточные воды, образующиеся при эксплуатации предочистки ВПУ, как правило, не агрессивны, величины рН близки к нейтральным значениям (при условии, что не были использованы реагентные методы осаждения) и характеризуются только повышенными концентрациями взвешенных и коллоидных частиц, то сточные воды второй ступени - обессоливающей части ВПУ - высокоагрессивны, так как даже в на-
стоящее время все еще широко применяются ионообменные технологии, предусматривающие использование кислотных и щелочных реагентов для восстановления ионообменной способности фильтров.
Таким образом, вторая стадия подготовки добавочной воды - химическое обессоливание на ионообменных фильтрах - предопределяет образование следующих видов сточных вод:
- сточные воды от взрыхления загрузки, содержащих взвешенные и коллоидные примеси, и продукты деструкции ионообменных материалов;
- отработанные регенерационные растворы - наиболее агрессивный вид сточных вод, образующихся при эксплуатации ионообменных фильтров, могут быть представлены высококонцентрированными солевыми растворами, растворами серной кислоты или растворами щелочи;
- отмывочные воды, первые порции которых близки по составу к отработанным регене-рационным растворам.
Сточные воды, образующиеся при взрыхлении фильтров, направляются, как правило, на предочистку ВПУ, например, сбрасываются в осветлители при их наличии в технологической схеме или подаются на систему предвключенных фильтров, работающих в простом режиме или в режиме контактной коагуляции.
С утилизацией регенерационных и отмы-вочных вод вопрос решается сложнее: объем этих вод может достигать 10 % от объема обрабатываемой воды, при этом они содержат до 10 кг/м минеральных примесей. Наиболее несовершенным вариантом решения данной проблемы является разбавление водой до нормативов ПДК и последующий сброс в водоём. Более экологичный вариант - нейтрализация с дозированием соответствующих реагентов и, соответственно, образованием вторичных загрязнений - осадков, образующихся в процессе нейтрализации. Данные осадки характеризуются высокой влажностью, плохо отдают влагу в процессе обезвоживания и, кроме того, являются достаточно токсичными. Первый вариант решения вопроса небезупречен как с экологической, так и с экономической точек зрения, так как приводит к увеличению концентрации нейтральных солей в водах поверхностных водоёмов со всеми вытекающими отсюда последствиями, а второй вариант требует решения вопроса утилизации образующихся осадков.
Более предпочтительным вариантом с экономической точки зрения является применение технологических решений, направленных на снижение количества образующихся агрессивных сточных вод, например, замена параллель-ноточного ионирования на противоточное, применение новых типов монодисперсных ионообменных смол, повторное использование отработанных растворов ионообменных фильтров второй и третьей ступеней для регенерации фильтров первой ступени, внедрение мембранных методов обессоливания.
Мембранные методы обессоливания воды считаются в настоящее время наиболее экологичным вариантом корректировки ионного состава добавочной воды для теплоэнергетических предприятий, так как объем дозируемых реагентов минимален и, соответственно, в сбросных водах, так называемом концентрате, присутствуют растворенные примеси в количествах, соответствующих их количеству в исходной воде. Однако, как самостоятельный метод обессолива-ния, мембранные методы не могут быть использованы для котлов высокого давления и, тем более, сверхкритических параметров, так как не обеспечивают достаточную степень извлечения растворенных примесей. Поэтому последнюю - финишную - ступень обессоливания обеспечивают ионообменные фильтры с катио-нообменной и сильноосновной анионообменной смолами [8 - 10].
С точки зрения снижения количества образующихся в процессе обессоливания сточных вод считается в настоящее время перспективным применение термохимического метода и схем химобессоливания на основе мембранных методов деминерализации воды. Например. метод обратного осмоса позволяет осуществлять подготовку добавочной воды и утилизацию сточных вод с «нулевым» сбросом. Согласно данной схеме концентрат обессоливающей установки обратного осмоса и продувочная вода барабанных котлов фильтруются и последовательно поступают в электродиализную и обратноосмотиче-скую установки, фильтрат последней подаётся на химобессоливание, а концентрат подвергается упариванию в испарителе-кристаллизаторе. После испарителя-кристаллизатора полученный продукт обрабатывается на фильтр-прессе.
Включение в технологическую схему ВПУ термохимических методов на стадиях обработки исходной и сточной вод также позволяет организовать эксплуатацию ТЭС с «нулевым» сбросом
сточных вод, однако энергозатраты в этом случае оказываются недопустимо высокими.
Нами была разработана и опробована в производственных условиях многоступенчатая технологическая схема обработки сбросных вод ВПУ при подготовке добавочной воды для котлов низкого давления. Максимальная производительность установки составляет 8 м /ч.
Отличительной особенностью подобных ВПУ, работающих по технологии ионного обмена, является использование метода №-катиони-рования. Данный метод обессоливания воды является допустимым, поскольку в соответствии с ПТЭ котлы низкого давления не требуют высокой степени очистки добавочной воды - вполне достаточным является удаление катионов жесткости Са и Мg . Корректировка анионной составляющей исходной воды не нужна, и поэтому анионообменные фильтры в составе ВПУ отсутствуют.
Происходящее в процессе №-катиони-рования замещение катионов жесткости, присутствующих в исходной воде, на эквивалентное количество катионов находящихся в ионообменном слое катионита, отличается от классической технологии Н-катионирования тем, что для восстановления исходной емкости ионообменного слоя катионита требуется раствор технической соли №С1, а не раствор кислоты.
Образующиеся в процессе регенерации катионитовых фильтров отработанные регенера-ционные растворы в отличие от отработанных регенерационных растворов Н-катионитовых фильтров не имеют агрессивной реакции и, соответственно, не требуют нейтрализации, в результате которой образуется осадок, требующий обезвоживания и утилизации, что, безусловно, более предпочтительно с экологической точки зрения.
Однако и в данном случае проблема обезвреживания высокоминерализованных отработанных регенерационных растворов остается, поскольку концентрация соли в исходном реге-нерационном растворе в зависимости от марки катионообменной смолы может колебаться в диапазоне 8 - 12 %. Поэтому с учетом все более возрастающих требований к экологической безопасности сбросных вод теплоэнергетических предприятий становится актуальным вопрос о минимизации объемов сточных вод.
Проведенные анализы показали, что характеристики исходной воды, поступающей на ВПУ, с учетом сезонных изменений колеблются в достаточно широких пределах:
Цветность 15 - 40
Мутность 4,1 - 7,3 мг/л;
Жесткость общая 5,1 - 5,8 мг-экв/л;
Окисляемость 1,8 - 3,8 мг/л;
Сухой остаток 300 - 380 мг/л;
рН 7,6 - 8,3;
Нитраты 0,2 мг/л;
Сульфаты 1,2 - 13,5 мг/л;
Хлориды 3,5 - 5,3 мг/л;
Железо 4,6 мг/л;
Марганец 0,16 мг/л.
Другие компоненты, согласно проведенным исследованиям, находятся в аналитически не значимых концентрациях.
Технологическая схема обработки сбросных вод ВПУ (рисунок) предусматривает раздельную обработку образующихся в процессе эксплуатации ^-катионитовых фильтров потоков высокоминерализованных сточных вод с последующим повторным использованием фильтратов обратноосмотических установок и финишную обработку концентрата.
Исходная вода 1 поступает на ^-катиони-товые фильтры первой (I) и второй (II) ступеней, подключенные последовательно. Фильтрат №-катионитовых фильтров 10 подается в бак доба-
вочной воды и на подпитку теплосети. Образующиеся при регенерации Ш-катионитовых фильтров взрыхляющие и отмывочные воды 6 и отработанные регенерационные растворы 7 по отдельным трубопроводам поступают в два бака -бак сбросных промывных вод ^-катионитовых фильтров (IV) и бак отработанных регенераци-онных растворов (V). Из бака (IV) смесь взрыхляющих и отмывочных вод 8 подается на механический фильтр (VI) с полимерной синтетической загрузкой. После грубой механической очистки фильтрат механического фильтра 14 направляется на систему фильтров тонкой очистки (VIII), входящих в комплект установки (X). После фильтров (VIII) фильтрат 11 поступает на установку нанофильтрации (X).
Отработанные регенерационные растворы Ш-катионитовых фильтров по трубопроводу 13 из бака (V) подаются на систему фильтров тонкой очистки (VII) и далее по трубопроводу 9 на установку обратного осмоса (IX). Фильтрат установки обратного осмоса (IX) и установки нанофильтрации (X) направляется по трубопроводу 5 в бак запаса промывных вод (III), откуда по трубопроводу 2 - на ^-катионитовые фильтры на стадии их регенерации.
Принципиальная технологическая схема обезвоживания сточных вод котельной
Концентрат установок (IX) и (X) подается по трубопроводу 15 в кристаллизатор (XI), в который также дозируется раствор коагулянта 22, подаваемый из узла его приготовления (XVI). Для приготовления раствора коагулянта используется обессоленная вода, подаваемая в узел приготовления коагулянта (XVI) по трубопроводу 20. Образующийся в кристаллизаторе (XI) шлам 21 поступает на фильтр-пресс (XIV), откуда в спрессованном виде направляется на вывоз 19.
Осветленная вода 16 из кристаллизатора (XI) направляется на механический фильтр (XII) и далее по трубопроводу 17 в узел приготовления раствора №С1 (XIII). Раствор №С1 поступает на регенерацию №-катионитовых фильтров по трубопроводу солевого раствора 3.
Промывка всех механических фильтров осуществляется обессоленной водой, которую по трубопроводу обессоленной воды 20 подают в бак промывных вод механических фильтров (XV) и далее по трубопроводу 18 распределяют по фильтрам. Примечательно. что на сброс (трубопровод 12) подают промывные воды только от механических фильтров (VI) и (XII). Промывные воды от механических фильтров тонкой очистки (VII) и (VIII) по трубопроводу 4 направляются в голову очистных сооружений, сокращая объем сбросных вод ВПУ.
Таким образом, отличительной особенностью разработанной нами схемы обработки отработанных регенерационных и отмывочных вод №-катионитовых фильтров является их раздельная обработка как на стадии предварительной очистки, так и на стадии обессоливания: высокоминерализованные отработанные регенераци-онные растворы направляются на высоконапорную обратноосмотическую установку, а взрыхляющие и отмывочные воды - на низконапорную обратноосмотическую установку.
Еще одной отличительной особенностью предложенной нами технологии является повторное использование фильтрата и концентрата обоих баромембранных установок: фильтрата - в качестве промывных вод ионообменных фильтров, а концентрата (после соответствующей обработки) - для приготовления раствора №С1, используемого для регенерации катионообмен-ных фильтров.
Таким образом, данная технологическая схема предусматривает сброс вод только от механических фильтров грубой очистки, образующихся при их промывке. Эти сточные воды содержат высокие концентрации взвешенных ве-
ществ, но не являются ни агрессивными, ни высокоминерализованными. Воды с подобными характеристиками могут быть сброшены не только в общесплавную канализационную сеть, но и при соответствующем обосновании в водоем-приемник сточных вод.
Внедрение данной технологии позволило существенно сократить объем сбросных вод с ВПУ: с 7 - 10 % до 2,5 - 4,0 % при существенном улучшении экологических показателей установки в целом.
Литература
1. Веселовская Е.В., Шишло А.Г. Опыт применения перспективных технологий водоподготовки на отечественных тепловых электростанциях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2016. № 2. С. 31 - 34.
2. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е., Ларин А.А. Модернизация оборудования ВПУ энергоблоков К 300-240 Новочеркасской ГРЭС // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спец. вып.: Проблемы теплоэнергетики. С. 17 - 21.
3. Веселовская Е.В., Луконина О.В., Шишло А.Г. Современные проблемы реконструкции водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 2. С. 63 - 66.
4. Веселовская Е.В. Защита ионообменных фильтров ВПУ ТЭС от органических примесей антропогенного происхождения // Теплоэнергетика. 2003. № 7. С. 35 - 39.
5. Шишло А.Г.. Исследование процесса обессоливания добавочной воды блочной ТЭС методом нано- фильтрации // Изв. вузов. Техн. науки. 2013, № 4. С. 38 - 42.
6. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е. Влияние водно-химических режимов на технико-экономические показатели энергоблоков 300 МВт: тез. докл. ХХ сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» по теме «Диагностика электрооборудования». 21 - 24 сент. 2004 г. // Изв. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 3. С. 21 - 22.
7. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Современные технологии обезвреживания и утилизации сточных вод ТЭС // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы VI Междунар. на-уч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 21 апр. 2006 г.: в 2 ч. /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, ЮРГТУ, 2006. Ч. 2. С. 65 - 66.
8. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Применение мембранных технологий на блоках сверхкритических давлений ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 4. С. 31 - 34.
9. Veselovsckaja E.V. Reproduction of make-up water of multi-plu-unit chp-plant in conditions of elevated cocentration of natural organic compound European Science and Technology: materials of the IX international research and practice
conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ publishing office Vela Verlag Waldkaiburg - Munich - Germany, 2014. Vol. П, P. 471-473.
10. Веселовская Е.В., Шишло А.Г. Оценка качества работы баромембранных установок в условиях высокой цветно-
сти исходной воды // Повышение эффективности производства электроэнергии: материалы УШ Междунар. на-уч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 3 - 4 окт. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. С. 116 - 117.
References
1. Veselovskaya E.V., Shishlo A.G. Opyt primeneniya perspektivnykh tekhnologii vodopodgotovki na otechestvennykh teplovykh elektrostantsiyakh [Experience of applying advanced water treatment technologies at the national thermal power plants]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2016, no. 2, pp. 31 - 34. [In Russ.]
2. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E., Larin A.A. Modernizatsiya oborudovaniya VPU energoblokov K 300-240 Novocherkasskoi GRES [Equipment Modernization of Power Units K 300-240 of the Novocherkassk Power Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki. Spets. vyp. Problemy teploenergetiki, 2005, pp. 17 - 21. [In Russ.]
3. Veselovskaya E.V., Lukonina O.V., Shishlo A.G. Sovremennye problemy rekonstruktsii vodopodgotovitel'nykh ustanovok te-ploenergeticheskikh predpriyatii [Modern Issues of Reconstruction of Water Treatment Plants at the Thermal Power Enterprises]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2012, no. 2, pp. 63 - 66. [In Russ.]
4. Veselovskaya E.V. Zashchita ionoobmennykh fil'trov VPU TES ot organicheskikh primesei antropogennogo proiskhozhdeniya [Protection of CPG Exchange Filters of Thermal Plants from Organic Impurities of Human Origin]. Teploenergetika, 2003, no.7, pp. 35-39. [In Russ.]
5. Shishlo A.G.. Issledovanie protsessa obessolivaniya dobavochnoi vody blochnoi TES metodom nanofil'tratsii [Investigation of additional water desalination of the block Thermal Power Plant by nanofiltration]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2013, no. 4, pp. 38 - 42. [In Russ.]
6. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E. [The Impact of Water Chemistry on the Technical and Economic Parameters of 300 MW Power Units]. Tez. dokl. KhKh sessii seminara ANRossii «Kibernetika elektricheskikh sistem» po teme «Diagnostika elektroo-borudovaniya» [Proc. Rep. of the Twentieth Seminar Session of the Academy of Sciences of Russia "Cybernetics of Electric Systems" On the Subject of "Diagnosis of Electrical Equipment"]. Izv. Sev.-Kavk. nauch.-tsentra Vyssh. shk. Tekhn. nauki, 2004, no. 3, pp. 21 - 22. [In Russ.]
7. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. [Modern Waste Water Decontamination and Recycling at Termal Power Stations. Managemenetof Modern Power Systems and Complexes]. Materialy VIMezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Proceedings of TheVI Intern. Scientific-Practical. Conf.]. YuRGTU (NPI), 2006, Part 2, pp. 65 - 66. [In Russ.]
8. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. Primenenie membrannykh tekhnologii na blokakh sverkhkriticheskikh davlenii TES [The use of Membrane Technology in the Units of Supercritical Pressure at the ThermalPower Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2004, no. 4, pp. 31 - 34. [In Russ.]
9. Veselovsckaja E.V. Reproduction of Make-up Water of Multiplu-Unit Chp-Plant in Conditions of Elevated Concentration of Natural Organic Compound //European Science and Technology: Materials of the IX International Research and Practice Conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ Publishing Office Vela VerlagWaldkaiburg - Munich - Germany, 2014, vol II, P. 471-473 p.
10. Veselovskaya E.V., Shishlo A.G. [Evaluation of performance qualityof Baromembrane Installations in High Color Original Water]. Povyshenie effektivnosti proizvodstva elektroenergii: Materialy VIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Materials of the VIII International Scientific Conference]. Novocherkassk, YuRGTU (NPI), 2011, pp. 116 - 117. [In Russ.]
Поступила в редакцию 19 октября 2016 г.
