CC BY
70
УДК 621.187.12
ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА БЛОКАХ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ТЭС
© 2004 г. Н.Н. Ефимов, Е.В. Веселовская, С.Е. Лысенко
Наиболее распространенным на сегодняшний день вариантом подготовки добавочной питательной воды для котлов и блоков сверхкритических давлений является применение на водоподготовительных установках (ВПУ) электростанций предварительной реа-гентной обработки, так называемой предочистки, и последующей очистки на ионообменной части ВПУ. Предочистка включает коагуляцию примесей и, как правило, известковое или содо-известковое умягчение с последующим осветлением в слое взвешенного осадка и фильтрованием на механических фильтрах. Обработка на ионообменной части ВПУ представлена, как правило, последовательным двух- или трехступенчатым Н-ОН-ионированием.
Подобная технологическая схема при условии удовлетворительной работы осветлителей ВПУ стабильно обеспечивает требуемую степень очистки добавочной питательной воды, соответствующей нормам ПТЭ, даже при резких колебаниях качества исходной воды. Требования к качеству обессоленной воды согласно п. 4.8.33 ПТЭ приведены в табл. 1
Таблица 1
Показатели качества обессоленной воды
Показатель Значение, не более
Общая жесткость, мкг-экв/дм3 0,2
Соединения натрия (в пересчете на №), мкг/дм3 15
Кремниевая кислота (в пересчете на ВЮ2), мкг/дм3 20
Удельная электрическая проводимость, мкСм/см 0,5
Однако, учитывая все возрастающие требования к экологической безопасности промышленных предприятий, необходимо модернизировать существующие схемы ВПУ новыми высокоэффективными технологиями, позволяющими снизить нагрузку на окружающую среду благодаря минимизации объемов агрессивных регенерационных растворов и промывных вод ионообменных фильтров при сохранении требуемого качества подготовки добавочной питательной воды.
Одним из возможных вариантов решения данной проблемы является использование в технологической схеме ВПУ установок обратного осмоса, позволяющих исключить первую ступень Н-ОН-ионирования, характеризующуюся максимальными расходами кислоты и щелочи на процессы регенерации истощен-
ных ионообменных материалов. Принцип действия установок обратного осмоса заключается в том, что очищаемая вода под давлением, превышающим осмотическое, фильтруется через полупроницаемые мембраны, в результате чего очищенная вода - фильтрат, прошедший через мембрану, попадает в водоотводя-щую систему для дальнейшего использования, а насыщенный солями концентрированный раствор, остающийся в межмембранном пространстве, отводится на сброс. Это один из наиболее легко осуществляемых и быстроокупаемых вариантов модернизации традиционных технологических схем ВПУ, хотя в зарубежной практике широко используется полная замена ионообменных методов мембранными технологиями в сочетании с другими методами подготовки добавочной воды, например, технологией Е-СБЬЬ.
Кроме экологических аспектов необходимость широкого внедрения на ВПУ ТЭС установок обратного осмоса (УОО) обусловлена такими характеристиками данных установок, как их компактность и экономичность, особенно по сравнению с традиционными схемами ВПУ на основе ионообменных технологий.
При выборе метода обессоливания воды решающее значение имеет его экономическая эффективность, показателями которой являются объем капитальных вложений и величина эксплуатационных затрат. В связи с этим интересно сопоставить экономичность различных методов деминерализации воды, выявить области их целесообразного применения.
Так, например, на ОАО «Новочеркасская ГРЭС» основными способами получения деминерализованной (обессоленной) воды являются методы ионного обмена и дистилляции. В качестве исходной воды для данных методов очистки используется речная вода подводящего канала реки Дон с солесодержанием до 600 мг/л. Общий объем забора речной воды составляет при этом около 2,5 млн м3/год.
При эксплуатации ВПУ ежегодно затрачивается около 2 тыс. т серной кислоты и щелочного реагента -каустической соды - для проведения процессов регенераций ионообменных смол. Затем использованные реагенты в виде солей сбрасываются в водоем-приемник. Кроме того, ввиду особенностей процесса водоподготовки методом ионного обмена, «кислых» сбросов образуется несколько больше. Например, в 2003 г. «небаланс» по кислоте составил около 45 т (в пересчете на 100 %-ю серную кислоту), что предопределяет дополнительные затраты щелочных реагентов на осуществление процесса нейтрализации.
Таким образом, себестоимость 1 м3 обессоленной воды методом ионного обмена составляет на ОАО «Новочеркасская ГРЭС» в настоящий момент около 54 р., что в 2-3 раза превышает мировые показатели. Расходы при выработке воды методом дистилляции еще выше - по расчётам ЦНИО, только тепловые расходы при работе испарителя на энергоблоке «Новочеркасской ГРЭС» составляют 2 г кВт/ч, что повышает себестоимость обессоленной воды еще примерно на 21 р.
В свете указанных недостатков большой интерес представляет безреагентный мембранный метод очистки воды - обратный осмос (гиперфильтрация). Метод обратного осмоса заключается в фильтровании воды под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие растворенные вещества. Экологичность обратноосмотических технологий обусловлена прежде всего тем, что образующиеся при эксплуатации установок сточные воды практически не содержат дополнительных солей по сравнению с исходной водой. В то же время солесодержание сточных вод ионообменных установок в несколько раз превышает солесодержание исходной воды.
Фильтрат обратноосмотических установок, так называемый пермеат, содержит в зависимости от степени селективности применяемых в рулонных модулях мембран от 1 до 5 % исходного содержания солей и при необходимости использования его в качестве добавочной питательной воды блоков высокого, сверхвысокого или сверхкритического давления направляется на дальнейшее обессоливание. Однако, даже в том случае, если для более глубокого обессо-ливания будет использована ионообменная технология, например последовательное двухступенчатое Н-ОН-ионирование, экологический эффект от модернизации ВПУ очевиден. Учитывая, что основная деминерализация происходит на установке обратного осмоса, общее количество регенерационных вод ионообменных фильтров сокращается в несколько раз даже без учета роста продолжительности фильтро-циклов ионообменных фильтров.
Таким образом, можно отметить, что технологические преимущества использования метода обратного осмоса на ОАО «Новочеркасская ГРЭС» заключаются в следующем:
1. Уменьшение забора речной воды примерно на 1,5 млн т сырой воды в год.
2. Уменьшение количества сбросов в водный бассейн солесодержащих сточных вод путем снижения количества реагентов, используемых для регенераций ионообменных фильтров примерно на 2 тыс. т.
3. Сокращение потребления тепловой и электрической энергии за счет исключения из технологической схемы испарительных установок.
4. Уменьшение затрат на ремонт и техобслуживание участка водоподготовки благодаря тому, что отсутствует необходимость в проведении противокоррозионных мероприятий, обязательных при эксплуатации ионообменных фильтров, составляющих в настоящее время до 80-90 % всех ремонтных затрат химического цеха.
5. Сокращение обслуживающего персонала за счет возможности полной автоматизации процесса обратного осмоса.
6. Ликвидация запасов АХОВ, за исключением небольшого недекларируемого количества для блочной обессоливающей установки и второй и третьей ступеней ионирования центральной обессоливающей установки.
Размер капитальных затрат для перевода технологической схемы ВПУ ОАО «Новочеркасская ГРЭС» на обратный осмос при производительности установки 120-140 т/ч и степени снижения минерализации 98-99,5 %, с учетом затрат на покупку, монтаж и наладочные работы, позволит ограничить срок окупаемости подобной модернизации ВПУ всего 2,8 годами. Учет косвенных затрат на ремонт, обслуживание и содержание существующей системы водоподготовки позволяет снизить предполагаемый срок окупаемости всего до 1 года. Основным фактором экономии является отсутствие затрат на закупку реагентов, используемых для регенерации ионообменных фильтров - серной кислоты и щелочи. В настоящее время затраты на их приобретение составляют порядка 5,8 млн р. в год.
Заслуживает внимания опыт применения обратно-осмотических установок на таких крупных производствах, как ТЭЦ-23 «Мосэнерго», Нижнекамская ТЭЦ-1, ОАО «Концерн "Стирол"» и т.д. Так, в частности, на ВПУ ТЭЦ-23 «Мосэнерго» используется отечественная технология (установка разработана ВНИИАМ) и мембраны зарубежного производства. Установка эксплуатируется с 1997 г., ее производительность составляет 50 м3/ч. Производительность ВПУ Нижнекамской ТЭЦ-1 составляет 200 м3/ч, а обратноосмотиче-ской установки ОАО «Концерна "Стирол"» 700 м3/ч. Причем, интересно отметить, что ввод новой технологии позволил снизить себестоимость 1 м3 обессоленной воды на 50-60 %, обеспечить электропроводность пермеата на уровне 0,2 мкСм/см, высвободить и трудоустроить в ОАО «Концерн "Стирол"» на другие рабочие места порядка 70 сотрудников концерна при сроке окупаемости новой обратноосмотической технологии - 2,3 года.
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации установок обратного осмоса показывает, что ключевыми моментами, определяющими эффективность использования данной технологии на ВПУ ТЭС с блоками СКД являются обеспечение необходимого качества предварительной очистки воды и оптимизация технологии и режима регенерации мембран. Эти операции определяют прежде всего срок службы и особенности эксплуатации мембран.
Особенно сильно влияет на срок службы обратно-осмотических мембран наличие в обрабатываемой воде веществ и соединений, способных изменять об-ратноосмотические свойства мембраны за счет образования водородных связей с материалом мембран. Подобные трансформации называют «отравлением» мембраны. Органические вещества, относящиеся к различным классам химических соединений, проявляют различную селективность по отношению к материалу мембран [1, 2], что проиллюстрировано в табл. 2.
Таблица 2
Селективность некоторых органических соединений относительно материала обратноосмотических мембран
Химическое соединение Величина селективности, %
ClH5C6-CH-C6H5Cl / CCl3 100,0
CH3COOC2H5 91,1
C2H5COOCH3 89,1
CH3(CH2)2CHO 72,1
(C^SO, 67,9
CH2OH-(CH2)2-CH2OH 65,9
CH2OH-CH2-CH2OH 64,1
CH2OH-(CH2)3-CH2OH 62,0
CH2OH-CH2OH 52,2
CH3(CH2)2CH2OH 41,3
c4h9nh2 39,2
CH2=CH-CH2-CH20H 28,3
CH3COOH менее 20,0
CH3-CH=CH-CH2OH 18,3
CH3(CH2)2COOH 16,4
C6H5-CH2-CH2OH 11,7
C6H5-(CH2)2-CH2OH 5,5
C6H5OH 0,0
C6H5NH2 менее 0
C6H5CH2OH менее 0
«Отравление» мембраны может быть обратимым в том случае, если исходные характеристики мембраны могут быть восстановлены, и необратимым, возникающим при деструкции тонкого активного слоя поверхности мембраны. Единственный способ предотвратить разрушение мембраны - обеспечить качественную очистку воды перед подачей на установку обратного осмоса.
Одним из наиболее совершенных методов предварительной очистки воды перед подачей на обратноос-мотические модули является на сегодняшний день метод ультрафильтрации, предназначенной для очистки воды от органических соединений антропогенного и естественного происхождения, прежде всего гуми-новых и фульвокислот, веществ, находящихся во взвешенном и коллоидном состояниях. Минеральный состав обрабатываемой воды при ультрафильтрации остается неизменным, что обусловлено спецификой используемых при ультрафильтрации мембран - размер их пор находится в интервале от 0,005 до 0,1 мкм.
Качество воды, поступающей на обратноосмоти-ческие модули, должно соответствовать комплексному показателю индекса плотности осадка SDI по классификации ASME Committee, позволяющему сделать вывод о скорости роста гидравлического сопротивле-
ния осадка, образующегося на мембранах при фильтровании воды. Проведенное моделирование процесса на пилотной установке с использованием осветленной воды ВПУ ОАО «Новочеркасская ГРЭС» позволяет сделать вывод о соответствии качества воды, прошедшей дополнительную фильтрацию на патронных фильтрах со специальной загрузкой, требованиям стандарта D 4189-82 - величина показателя SDI не превышала 5 единиц.
Очистка мембран может осуществляется механическими, гидродинамическими, химическими и физическими методами, но наибольшее распространение получили гидродинамические и химические.
Гидродинамическая очистка мембран обратноос-мотических модулей включает целый комплекс мероприятий, направленных, прежде всего, на создание пульсационного по скорости и давлению режима работы в канале. Также к гидродинамическим методам очистки относятся обратные промывки мембран и использование газо-жидкостных промывных эмульсий. Гидродинамические методы относительно малозатратны и технологически просты, но позволяют удалять только непрочно связанные с материалом мембраны осадки.
Применение химических методов более универсально, так как они позволяют не только удалять образующийся на мембранах осадок, но и предотвращать его появление. Выбор того или иного химического метода регенерации обратноосмотических мембран определяется химическим составом обессоливаемой воды и, соответственно, химическим составом образующегося осадка и выбирается в каждом случае индивидуально. Например, использование для отмывки мембран лимонной кислоты позволяет эффективно бороться с карбонатными и сульфатными отложениями, а также с органическими соединениями и окислами железа. Применение растворов минеральных кислот, прежде всего соляной и серной, позволяет удалять осадки, образованные карбонатами, фосфатами и гидроксидами. Использование растворов комплексо-нов, например, трилона «Б» целесообразно при наличии в осадках щелочно-земельных металлов. Учитывая состав исходной воды, поступающей на ВПУ ОАО «Новочеркасская ГРЭС» и динамику изменения химического состава на стадии предочистки ВПУ, можно сделать вывод о том, что предпочтительным регене-рационным раствором в данном случае будет являться раствор лимонной кислоты, позволяющий убирать карбонатные и сульфатные отложения.
Литература
1. Duvel W.A., Helfgott T. Removal of waste water organics by reverse osmosis. // J. Water Pollut. Contr. Fed. 1985. Vol. 47. № 1. Р. 57-65.
2. Hamoda M.F., Brodersen K.T., Sourirajan S. Organics removal by low-pressure reverse osmosis. // J. Water Pollut. Contr. Fed. 1983. Vol. 45. № 10. P. 2146-2154.
6 апреля 2004 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
