CC BY
2
УДК 628.1
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-375-376
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ КОНДЕНСАТА ПОСЛЕ КОНДЕНСАЦИОННОГО
ЭКОНОМАЙЗЕРА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СЕКТОРА
Н.В. Сергеев, А.Ю. Власова, Р.Ф. Камалиева
Увеличение энергоэффективности теплоэнергетических установок и снижение вредных выбросов в окружающую среду является актуальной задачей современного общества. Для частичного решения данной задачи используют конденсационный экономайзер, который утилизирует теплоту дымовых газов и позволяет использовать утраченное тепло, и, дополнительно, снизить выбросы вредных окислов через дымовую трубу. В процессе работы конденсационного экономайзера образуется загрязненный конденсат, который в большинстве случаев сбрасывается в канализацию. В работе представлены качественный и количественный анализ конденсата, получены новые сведения о составе и предложен способ его очистки в промышленных масштабах.
Ключевые слова: конденсационный экономайзер, очистка конденсата, конденсат ТЭС.
Введение. В современном энергетическом секторе наблюдается растущий интерес к энергоэффективным технологиям, в частности, к конденсационным газовым котлам. Этот интерес обусловлен их высокой эффективностью, которая проявляется в использовании тепла, выделяемого при конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах.
Тепло, которое образуется при конденсации водяного пара, используется для нагрева теплоносителя благодаря технологическим и конструктивным решениям, реализованным в конденсационных котлах. Это позволяет достичь показателя КПД, превышающего 100% при работе в конденсационном режиме. Здесь следует уточнить, что данный показатель выше 100% исходя из учета высшей теплоты сгорания топлива, которая включает в себя как низшую теплоту сгорания (которая выделяется при сгорании топлива), так и теплоту, полученную от конденсации водяного пара [4].
Состав дымовых газов зависит от вида сжигаемого топлива (твердое, жидкое, газообразное), а также зависит от веществ, которые содержатся непосредственно в воздухе, который подается в котел для сжигания топлива [9]. В большинстве случаев дымовые газы содержат азот (обычно более 2/3), углекислый газ и угарный газ, образующегося при сгорании воздуха, несгоревший кислород, оксид азота, оксид серы, сажу и водяной пар. Использование конденсационного экономайзера предполагает сжигание природного газа, в котором большую часть составляют углеводороды, которые в свою очередь в горении образуют молекулы воды и углекислый газ. Поскольку идет конденсация, то оксиды имеет степень растворимости и растворяются в конденсате [7].
Утилизация и очистка конденсата является актуальной задачей, так как повторное его использование является ресурсосберегающей технологией, позволяющей сделать процесс получения электрической и тепловой энергии более экономически прибыльным. Образующийся конденсат содержит различные загрязнения, включая кислоты, которые могут быть вредными для окружающей среды, если они попадают в сточные воды без должной обработки. Для решения этой проблемы необходимо применять специальные системы утилизации конденсата, которые обеспечивают его обработку и очистку перед выпуском в окружающую среду.
Образование конденсата при работе конденсационных котлов и конденсационных экономайзеров является значительным аспектом, который следует учитывать при их эксплуатации. Например, при работе котла мощностью 30 кВт конденсат может образовываться в объеме около 3-4 литров в час, а при использовании котла мощностью 500 кВт этот объем может составлять 50-75 литров в час, не говоря уже о больших энергетических установках . Поэтому тематика моей работы весьма актуальна, так как необходимо использовать систему очистки после сбора конденсата из конденсационного экономайзера.
Обычно тепловые электрические станции снабжают теплом и электроэнергией не только бытовые здания, сооружения и потребителей, но и крупные промышленные предприятия, где для введения технологического процесса есть острая необходимость в тепловой энергии (перегретый пар высоких параметров). После использования пара на производстве конденсат должен собираться и отправляться обратно поставщику пара, но предприятия часто сталкиваются с невозможностью возврата конденсата из-за высокого его загрязнения и с избыточными потерями, а это значит уменьшение ресурсов для водоподготовки [5]. Загрязнение конденсата напрямую зависит от технологических особенностей предприятия, где используется пар, но чаще всего в качестве примесей выступают органические соединения, неорганические соединения, механические примеси. Поэтому перед повторным использованием конденсата в цикле ТЭС необходима его очистка. В свою очередь загрязненный состав конденсата определяется аналитическим путем и для каждого рода конденсата будет свой метод очистки и подготовки для дальнейшего использования. Загрязнения в конденсате могут включать в себя органические и неорганические соединения, растворенные газы, механические примеси и другие вещества, образующиеся в процессе эксплуатации оборудования на производстве.
Для очистки загрязненного конденсата могут применяться различные технологии, такие как фильтрация, обезжелезивание, деминерализация, обессоливание, дистилляция и другие [5].
В патенте «Устройство для отвода и очистки конденсата» автор Пичугина Георгия Павловича предлагает использовать для очистки конденсата магнитное поле, в котором оседают ферромагнитные и крупные механические включения. В известном способе основными недостатками являются необходимость в периодизации, поскольку загрязнения периодически удаляется из трубы, а не постоянно, что характеризуется низкой эффективностью процесса и производительностью [1].
Более эффективным и приближенным является изобретение «Устройство для очистки конденсата от нефтепродуктов» авторов Ежова Владимира Сергеевича, Алифанова Алексея Олеговича, Чуменко Александра Анатольевича. В данном патенте описано средство для очистки конденсата от нефтепродуктов с помощью барботажа, воздействия пузырьков газа на конденсат с последующим отделением нефтепродуктов [2]. Ограничением данного метода является концентрация нефтепродуктов в исходном конденсата.
Также известен способ очистки кислого конденсата (Способ и устройство для утилизации кислого конденсата дымовых газов теплогенераторов), который отводят в анионитовый фильтр, соединенный с источник греющего пара [3]. Недостатком известного способа является наличие соединительного патрубка с источником греющего пара, поскольку для осуществления очистки кислого конденсата в данном способе необходимо наличие подвода греющего пара, что, собственно, повышает дополнительные расхода пара и предполагает использование более кор-розионностойких материалов на последних ступенях очистки при увеличении концентрации получаемого сырья.
Независимо от способов очистки конечный конденсат должен соответствовать требованиям табл. 1. Для каждого производства существует определенная специфика и подбор специфики определятся в определенном порядке.
Таблица 1
Нормативные требования к качеству конденсата_
Показатели качества Значение, не более
Общая жесткость, мкг-экв/кг 50
Содержание соединений, мкг/кг
-железа 100
-меди 20
-кремниевой кислоты 120
-нефтепродуктов 0,5
РН 8,5-9,5
Перманганатная окисляемость, мг/л 5,0
Методы исследования. В работе представлены результаты качественного и количественного анализа конденсата после конденсационного экономайзера. Основными показателями качества является таблица 1, но для более полного анализа перечень показателей был расширен, были добавлены: электропроводность, солесодержание, содержание хлорид-ионов, сульфат-ионов, натрий-ионов, общий органический углерод.
Перманганатная окисляемость является важным параметром определения органического загрязнения конденсата. Этот параметр определяется путем химического окисления содержащихся в воде веществ пермангана-том калия при нагревании. Методика определения перманганатной окисляемости заключается в окислении конденсата перманганатом калия в сернокислой среде при кипячении в течение 10 минут. После этого не взаимодействовавший с пробой перманганат калия восстанавливается щавелевой кислотой. Лишний объем щавелевой кислоты нейтрализуется раствором перманганата калия [8].
Общая жесткость характеризуется наличием в конденсате ионов кальция и магния. Для определения общей жесткости используется метод комплексонометрии [6]. Он основан на титровании воды в присутствии аммиачного буферного раствора с pH 9,0 и индикатора раствором комплексона III до появления голубой окраски после перехода розовой окраски. При проведении анализа используется один из индикаторов: кислотный хром синий К или эриохром черный Т. В присутствии ионов Ca2+ и Mg2+, составляющих общую жесткость, эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в то время как в отсутствии ионов жесткости окраска индикаторов остается голубой.
Водородный показатель pH среды является мерой концентрации ионов водорода (H+) в растворе и характеризует кислотность или щелочность данного раствора. Он измеряется в шкале от 0 до 14, где значения ниже 7 указывают на кислотную среду, 7 - на нейтральную, а значения выше 7 - на щелочную (основную) среду. Фактически, pH является отрицательным логарифмом концентрации ионов водорода в растворе, выраженном в молях на литр (моль/л). Определение pH осуществлялось с помощью кондуктометра Hanna. Кроме водородного показателя были измерены электропроводность и солесодержание.
Содержание железа в конденсате характеризуется содержанием ионов железа (3+ и 2+). Метод определения содержания железа основан на образовании окрашенного комплексного соединения между ионами железа и сульфосалициловой кислотой в щелочной среде. Образовавшееся соединение имеет желтый цвет, который может быть измерен спектрофотометрически при длине волны 400-430 нм. Интенсивность окраски этого комплекса пропорциональна массовой концентрации железа в образце. Для анализа массовой концентрации общего железа используется диапазон от 0,10 до 2,00 мг/дм3 без необходимости разведения пробы. Суммарная погрешность измерения в этом диапазоне составляет 0,01—0,03 мг/дм3 с вероятностью Р = 0,95. Для определения содержания железа был использован спектрофотометр Shimadzu UV 1800 [10].
Метод определения содержания кремниевой кислоты представляет собой аналитический подход для количественного определения концентрации кремниевой кислоты (SÍO2) в водных средах с низким содержанием этого соединения, таких как конденсаты. Содержание кремниевой кислоты определяется с использованием спектрометрических способов анализа при длине волны 410 нм. Мешающим фактором являются фосфаты, которые также образуют окрашенные молибденовые комплексы. Для устранения их влияния добавляется щавелевая кислота.
Количественное определение сульфат ионов оценивалось турбидиметрическим способом с помощью прибора Shimadzu UV-1800. Подготовка образца заключалась в подкислении и добавлении осадительного раствора.
Для определения содержания ионов натрия использовали жидкостной анализатор ЭКСПЕРТ -001.
Хлорид ионы определяли с помощью титриметрического метода анализа.
Для оценки количественного содержания общего органического углерода использовался прибор Elementar Vario TOC cube. Данный прибор позволяет определить содержание органического и неорганического углерода.
Результаты исследования. Результаты лабораторного анализа представлены в табл. 2.
На основании полученных результатов видно, что использовать конденсат без предварительной очистки невозможно. На станции используется топливо, содержащее сернистые соединения, поэтому в дымовых газах содержание сульфатов завышено в несколько раз и водородный показатель находится в диапазоне кислой среды. Для данного конденсата характерна высокая минерализация, значение перманганатной окисляемости превышает допустимое в три раза.
Технология для очистки данного конденсата должна опираться на использование ионообменных фильтров с предварительной очисткой-осаждением сульфатов. Для осаждения сульфатов необходимо известковое молоко, которое позвонит перевести растворенные сульфаты в твердую фазу с последующим разделением фаз. Далее на стадии обессоливания с применением Н и ОН фильтров можно добиться высокой степени очистки и получить конденсат требуемого качество. Оценка возможности реализации данной технологии в промышленном масштабе должна опираться на экономическую целесообразность и технологическую вооруженность предприятия
Таблица 2
Результаты количественного и качественного состава конденсата_
Показатель Значение
Общая жесткость, мг-экв/кг 2,5±0,05
Содержание соединений, мкг/кг
-железо общее 200±2
-кремниевой кислоты 90±0,9
-ионов натрия 0,67±0,1
pH 4,49±0,1
Перманганатная окисляемость, мгО/л 13,99±0,5
Электропроводность, мкСм/см 657±7
ppm 331±4
Хлориды, мг/л 8±0,1
Сульфаты, мг/л 104±1
Общий органический углерод, мг/л
TC (общий) 5,802±0,3
TIC (неорганический) 2,088±0,3
ТОС (органический 3,983±0,3
Выводы. В рамках политики ресурсосбережения и повышения энергоэффективности предприятий топливно-энергетического комплекса возникает потребность в экономии ресурсов природного происхождения (вода, топливо). На сегодняшний день политика ресурсосбережения на тепловых электрических станциях идет по пути возможности возврата конденсата после конденсационных установок. Одной из возможностью возврата конденсата и в большом количестве является экономайзерная конденсационная установка, в результате работы которой образуется конденсат дымовых газов. Для возврата этого конденсата обратно в цикл необходимо проанализировать качество конденсата. В работе представлены результаты качественного и количественного анализа конденсата. На основании полученных результатов сделано заключение, что данный конденсат не может быть возвращен в цикл станции без предварительной очистки. Конденсат дымовых газов содержит как органические, так и неорганические соединения, и не соответствует нормативным требованиям. Поэтому авторами рекомендованы методы очистки конденсата дымовых газов с применением ионообменных фильтров и предварительным осаждением сульфатов. Поскольку станция работает на топливе, в котором содержится сера то, соответственно, в дымовых газах содержится много оксидов серы, от которых предварительно необходимо избавиться методом осаждения с применением щелочных химических реагентов. Целесообразность данной технологии будет рассчитана в рамках каждого конкретного предприятия, иногда, возможность применения очистной установки для предприятия не всегда оправдано. Если количество образующего конденсата дымовых газов мало, то пропадает целесообразность установки дорогостоящей системы очистки, проще и дешевле сбросить конденсат в хозяйственно-бытовую канализацию.
Список литературы
1. Iliev I.K., Beloev H.I., Aliyarova M.B., Kali B.K. Evaluation of energy efficiency of condensing economizers for steam and hot water boilers // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. 2021. No. 2(53). P. 5-13.
2. Климов Г.М., Цой Е.Н., Болдин В.П., Ермилов П.Н. Определение состава продуктов сгорания природного газа при экспертизе дымовых труб // Промышленная безопасность. Исследование технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений в процессе экспертизы промышленной безопасности опасных производственниках объектов. 2013. С. 93-97.
3. Кудинов А.А., Зиганшина С.К. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М.: Машиностроение, 2011. 374 с.
4. Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Филимонов А.Г. Технологии мониторинга и очистки возвратного производственного конденсата в энерготехнологическом комплексетэс-нефтехимическое предприятие // Семинар вузов по теплофизике и энергетике: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 2019. С. 402-403.
5. Пичугин Г.П. Устройство для отвода и очистки конденсата / Пат. РФ № 2059146. 27.04.1996.
6. Ежов В.С., Алифанов А.О., Чуменко А.А. Устройство для очистки конденсата от нефтепродуктов / Пат. РФ № 2470876. 27.12.2012.
7. Ежов В.С., Алифанов А.О., Воронин А.А., Клевцов Г.П. Способ и устройство для утилизации кислого конденсата дымовых газов теплогенераторов/ Пат. РФ № 2468853. 10.12.2012.
8. Мингараева И.Р. Желовицкая А.В. Определение перманганатной окисляемости природной воды Г. Казани // Международная молодежная научная конференция «XXI ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (школа молодых ученых)»: Материалы конференции, Казань, 2013. С. 164-165.
9. Тимофеева Д.Е. Определение общей жесткости в природной воде // Сборник материалов X Всероссийской, научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «РОССИЯ молодая», Кемерово, 2018. С. 53415.1-53415.2.
10. Зюзина Э.В., Кунгурова Т.А., Чуйко А.В., Мазова О.В. Определение свинца в почве на спектрофотометре SHIMADZU UY-1800 // Инновации в науке, образовании и бизнесе-2014: Труды XII Международной научной конференции, Калининград, 2014. Т. 1. С. 114-116.
Сергеев Никита Валерьевич, студент, [email protected], Россия, Казань, Казанский государственный энергетический университет,
Власова Алена Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Казань, Казанский государственный энергетический университет,
Камалиева Рузина Фарсиловна, лаборант-исследователь, rruzzi@yandex. ru, Россия, Казань, Казанский государственный энергетический университет
DEVELOPMENT OF A CONDENSATE PURIFICATION SYSTEM AFTER A CONDENSATION ECONOMIZER AT
ENTERPRISES IN THE FUEL AND ENERGY SECTOR
N.V. Sergeev, A.Y. Vlasova, R.F. Kamalieva
Increasing the energy efficiency of thermal power plants and reducing harmful emissions into the environment is an urgent task of modern society. To partially solve this problem, a condensation economizer is used, which recycles the heat offlue gases and allows you to use the lost heat, and, additionally, reduce emissions of harmful oxides through the chimney. During the operation of the condensation economizer, contaminated condensate is formed, which in most cases is discharged into the sewer. The paper presents a qualitative and quantitative analysis of condensate, new information about the composition is obtained and a method for its purification on an industrial scale is proposed.
Key words: condensation economizer, condensate purification, thermal power plant condensate.
УДК 535.2
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-379-380
КОНТРОЛЬ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ХЛОРИДА НАТРИЯ
СПЕКТРОФОТОМЕТРОМ, РАБОТАЮЩИМ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
Е.Е. Майоров, Ю.М. Бородянский, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев, И.С. Таюрская
В работе исследовались оптические параметры водных растворов хлорида натрия спектрофотометром, работающем в видимом диапазоне длин волн. Оптическое поглощение в водных растворах хлорида натрия непосредственно определяющее рефрактометрические параметры в области прозрачности среды важно для коррекции оптоэлектронных датчиков, работающих в этих средах, поэтому работа актуальна и перспективна. В работе определена цель исследования, поставлена задача и приведены объекты и метод измерений. Показан внешний вид и функциональная схема лабораторного спектрофотометра. Получены спектральные зависимости коэффициента поглощения водных растворов хлорида натрия при разной концентрации, а также сходимости расчетных и экспериментальных данных по коэффициенту поглощения.
Ключевые слова: водный раствор, коэффициент поглощения, спектрофотометр, сходимость, оптические параметры, концентрация сухого остатка, полихроматор.
Хлорид натрия или хлористый натрий (№01) и его водные растворы широко применяются в научных направлениях, биологии, медицине, химической и пищевой промышленностях [1, 2]. Основные практические использования этого вещества и его водных растворов следующее: пищевая промышленность и кулинария - используют как вкусовую добавку или в качестве консерванта пищевых продуктов; медицина - как дезинтоксикационное средство, как растворитель лекарственных, при отёке головного мозга, для поднятия давления при кровотечениях, обработки гнойных ран и т. д.; в коммунальных хозяйствах - в качестве антифриза против гололёда; химической промышленности - для получения соды, хлора, соляной кислоты, гидроксида натрия, сульфата натрия и металлического натрия [3, 4].
На сегодняшний день использование хлорид натрия и его водных растворов в различных промышленных областях контролируются оптико-электронными рефрактометрическими приборами и комплексами, обеспечивая непрерывный контроль состояния процесса, включая определение состава раствора в условиях реального производства, его расход и характеристики [5, 6].
Анализ научной литературы показал, что информация об оптических параметрах водных растворов хлорида натрия представлена в ограниченном объеме [7, 8]. А хлорид натрия изучен на достаточно высоком уровне, в частности, его физико-химические свойства. Касаемо оптических свойств, то хорошо освящен показатель преломления для разных цветов этого материала. При исследовании водных растворов хлорида натрия в лабораторных условиях необходимы точные и достоверные данные по показателю преломления, температурному коэффициенту показателя преломления, а также по оптическому поглощению [9, 10].
Представляет интерес исследование водных растворов хлорид натрия лабораторным спектрофотометром, работающим в видимом диапазоне длин волн. Оптическое поглощение в водных растворах хлорида натрия непосредственно определяющее рефрактометрические параметры в области прозрачности среды практически не исследовалось [11-13].
