CC BY
5
УДК 504.06(076)
Кузнецов О.Ю., Паничева Д.А.
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГО-КЛИМАТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПАО «МОСЭНЕРГО»
Кузнецов Олег Юрьевич доктор технических наук, профессор, Паничева Дарья Андреевна магистр, аспирант Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева». 125047, Россия, г. Москва, Миусская пл., 9 (1-я Миусская ул. 3). panicheva.daria.a@gmail.com
В статье описана система, исключающая сброс минерализованных сточных вод, образующихся при водоснабжении источников тепловой энергии ПАО «Мосэнерго», в централизованные системы водоотведения ГУП «Мосводосток». Предложена усовершенствованная ресурсосберегающая технология регенерации натрий-катионитного фильтра в замкнутом цикле, включающая неизвестную ранее совокупность приемов совмещенного взрыхления-регенерации катионита, опреснения обратным осмосом и концентрирования электродиализом отмывочных вод, реагентной обработки отработанного регенерационного раствора с получением восстановленных продуктов, используемых в цикле восстановления обменной ёмкости катионита.
Ключевые слова: ресурсосбережение, натрий-катионитный фильтр, регенерация, умягчение, опреснение, секвестрация углекислого газа.
RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY FOR IMPROVING THE ECOLOGICAL AND CLIMATIC SAFETY OF WATER SUPPLY OF THERMAL ENERGY SOURCES OF PJSC «MOSENERGO» Kuznetsov O.Y., Panicheva D.A.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Mendeleev University of Chemical Technology of Russia»
125045, Russia, Moscow, Miusskaya Square, 9 (1st Miusskaya Street, 3)
The article describes a system that excludes the discharge of mineralized wastewater generated by the water supply of thermal energy sources of PJSC "Mosenergo "to the centralized water disposal systems of the State Unitary Enterprise "Mosvodostok". An improved resource-saving technology for the regeneration of a sodium-cationite filter in a closed cycle is proposed, which includes a previously unknown set of combined loosening techniques-cationite regeneration, reverse osmosis desalination and electrodialysis concentration of washing water, reagent treatment of the spent regeneration solution to obtain reduced products used in the cycle of restoring the exchange capacity of cationite. Key words: resource saving, sodium-cationicfilter, regeneration, softening, desalination, carbon dioxide sequestration.
Основным видом экономической деятельности «Публичного акционерного общества энергетики и электрификации «Мосэнерго» (ПАО
"МОСЭНЕРГО"), является производство электроэнергии тепловыми электростанциями и деятельность по обеспечению работоспособности электростанций, включая водообеспечение централизованных систем теплоснабжения столицы. Сейчас наименее надежным звеном водообеспечения этих систем является водный транспорт тепла, поскольку он сопровождается перманентными потерями водного теплоносителя через коррозионные повреждения теплосетей, имеющих характер локальных язв, перерастающих в свищи [1]. Потери сетевой воды из систем теплоснабжения столицы восполняются в настоящее время деаэрированной, умягченной натрий-катионированием водой из московской городской сети водопровода, вызывая необходимость эксплуатации систем регенерации натрий-катионитных фильтров, чем создают экологическую проблему сброса производственных сточных вод. Последние, по сути, представляют собой
отработанные регенерационные растворы (далее -ОРР), образующиеся при регенерации натрий-катионитных фильтров. ОРР, как правило, отводятся с территории энергоисточников совместно с поверхностным стоком в централизованные системы водоотведения ГУП «Мосводосток», что нарушает санитарное законодательство РФ. Согласно этому положению, отведение поверхностного стока с промышленных площадок через дождевую канализацию должно исключать поступление в неё производственных сточных вод.
Целью настоящей статьи является обоснование ресурсосберегающей технологии повышения экологической безопасности водоснабжения энергоисточников ПАО «Мосэнерго». Для достижения поставленной цели авторами предлагается усовершенствованная
ресурсосберегающая технология регенерации натрий-катионитного фильтра в замкнутом режиме фунционирования. Принцип действия предлагаемой технологии заключается в том, что после исчерпания рабочей обменной емкости катионита одного из
рабочих фильтров, его регенерируют восстановленным регенерационным раствором соли с концентрацией 3-5 % в режиме совмещенного взрыхления-регенерации. Этот режим предполагает пропуск восстановленного регенерационного раствора соли через слой регенерируемого катионита снизу вверх, т.е. по направлению движения воды, создаваемому в режиме взрыхляющей промывки. Сначала его пропускают со скоростью восходящего потока в пределах 3-4 м/ч, после чего скорость повышают до 14 м/ч. Скорость 3-4 м/ч на начальном этапе поддерживают для обеспечения возможности вытеснения регенерационным раствором соли содержащейся в фильтре сырой и частично умягченной воды. Вытесненную воду собирают в накопительном баке и затем равномерно в течение суток подают на смешение с умягчаемой водой. После окончания этапа вытеснения воды из фильтра, скорость пропуска восстановленного раствора соли через регенерируемый катионит, увеличивают до 14 м/ч, уровня, определяемого нормируемой интенсивностью взрыхляющей промывки катионита 4 л/(м2с) [2]. Образующийся в этом случае на выходе из регенерируемого фильтра отработанный регенерационный раствор, помимо избытка поваренной соли КаС1 и продуктов регенерации катионита (СаСЬ и М§СЬ), естественно содержит измельченный катионит и взвешенные вещества, задерживаемые в слое катионита за фильтроцикл.
Весь объём отработанного регенерационного раствора, как образовавшийся в процессе взрыхления-регенерации катионита, так и вытесненный отмывочной водой, направляют на известково-содовое умягчение.
В этом процессе известь трансформирует хлорид магния, содержащийся в отработанном регенерационном растворе в хлорид кальция по реакции:
Са(ОН)2 + МвСЪ = СаСЪ + МвфВД, (1)
а сода трансформирует в отработанном регенерационном растворе весь хлорид кальция, как поступивший из катионита при его регенерации, так и возникший по реакции (1), до хлорида натрия по реакции:
^СОз + СаС12 = 2ШС1 + СаСОз (2)
Далее восстановленный регенерационный раствор, содержащий образовавшийся в процессе реагентного умягчения по реакции (2) хлорид натрия, после освобождения от продуктов реакции, направляют в цикл восстановления обменной емкости катионита, замыкая цикл рециркуляции регенерационного раствора.
Смысл операции взрыхления потерявшего обменную емкость катионита именно регенерационным раствором заключается в том, чтобы измельченный в процессе эксплуатации катионит и взвешенные вещества, задержанные загрузкой натрий-катионитного фильтра,
механически попадали в состав осадка, представляющего собой смесь карбоната кальция и гидроксида магния, которые образуются по реакциям (2) и (1) соответственно. Этот осадок после обезвоживания теряет текучесть и может быть в дальнейшем транспортирован грузовым
автотранспортом на соответствующие предприятия строительной отрасли для утилизации при производстве и получении строительных материалов или изделий (к примеру, кладочных растворов, силикатного кирпича, межкомнатных стеновых панелей и т.п.). Тем самым обеспечивается долгосрочное захоронение в построенных зданиях, удаляемых из умягчаемой воды ионов жесткости в виде карбоната кальция, т.е. секвестрацию углекислого газа атмосферы.
Следует отметить, что включение в состав технологии натрий-катионирования
ресурсосберегающего компонента, а именно процесса известково-содового умягчения ОРР, обеспечивает ей химическую взаимосвязь с карбонатной системой равновесий гидросферы, поскольку карбонатные ионы, принимающие участие в реакции (2), как известно [3] входят в состав суммы компонентов (ХСО2) карбонатной системы окружающей среды: ЕСО2 = [СО2] + [Н2СО3] + [НСОз-] + [СОз2-] (3)
При этом общее подвижное равновесие в окружающей среде, отражающее взаимодействие её компонентов с гидросферой, атмосферой и литосферой, изображают схемой [3]:
СО2ас
I
СО2гс^ Н2СО3 ^ НСОз+Н+ ^ С
где, СО2ас - атмосферный углекислый газ; СО2гс -углекислый газ в гидросфере;
СаСО3гс - карбонат кальция в гидросфере; СаСО3лс - карбонат кальция в литосфере.
Исходя из принципа Ле-Шателье, равновесие в представленной схеме (2) сдвигается влево при удалении углекислого газа из водной среды или увеличении количества ионов водорода Н+, что ведет к переходу карбонатов СО32- и гидрокарбонатов НСОз- в углекислый газ. Эта закономерность работает и обратную сторону: уменьшение количества ионов
,з2-+ н+ ^ СОз2- + Са2+ ^ СаСО3гс, (2)
I
СаСО3лс
водорода Н+ приводит к распаду ШСОз на гидрокарбонаты НСОз- и карбонаты СОз-2. Поэтому любое увеличение в любой части гидросферы содержания катионов кальция и карбонатных анионов по реакциям (1) и (2) сдвигает представленное выше подвижное равновесие (2) вправо и вызывает рост концентрации СаСО3гс в водной среде. Если при этом создается пересыщение водной среды карбонатом кальция, как это происходит в результате известково-содового умягчения ОРР, то оно ведет к выделению твердой фазы карбоната кальция из водной среды, что
свидетельствует об увеличении содержания этого соединения (СаСОзлс) в литосфере и тем самым о поглощении атмосферного углекислого газа. В рассматриваемом случае его поглощение происходит в количестве эквивалентном общей жесткости отработанных регенерационных растворов, сбрасываемых сейчас в канализацию ПАО «Мосэнерго».
Что касается отмывочных вод, образующихся в процессе натрий-катионирования умягчаемой воды, то после выхода из фильтра их собирают в накопительной емкости для усреднения концентрации вымываемых из слоя катионита остаточных количеств отработанного
регенерационного раствора. После усреднения отмывочные воды, как правило, имеют общую минерализацию 4-6 г/л и содержат в своем составе 0,19-0,21 г-экв/л продуктов регенерации катионита, хлористых солей кальция и магния. Усредненные отмывочные воды опресняют обратным осмосом и вновь используют для отмывки катионита, замыкая тем самым цикл его отмывки. Степень опреснения в этом случае задают из соображений коррозионной безопасности умягченной воды, чтобы содержание хлоридов (наиболее активных в коррозионном отношении анионов воды) в пермеате, по крайней мере, не превышало их концентрации в умягчаемой воде. Элементарные расчеты показывают, что при таком подходе, как правило, требуется опреснительная установка, включающая две ступени обратного осмоса. Одноступенчатая
обратноосмотическая установка, исходя из селективности большинства обратноосмотических мембран 98%, в этих условиях может обеспечить получение пермеата с содержанием хлоридов не менее 70 мг/л. В то время, как содержание хлоридов в москворецкой воде находится на уровне 18-20 мг/л.
На данном этапе цикл отмывки пока не нельзя назвать замкнутым. Это связано с тем, что в процессе обратноосмотического опреснения отмывочных вод, помимо пермеата который используется для отмывки катионита, образуется концентрат с содержанием солей 12-18 г/л. С таким солесодержанием его нельзя утилизировать путем смешения с отработанным регенерационным раствором перед известково-содовым умягчением из-за опасности разбавления восстановленного регенерационного раствора ниже регламентируемых концентраций. В связи с этим концентрат, образующийся на стадии обратноосмотического опреснения отмывочных вод, рекомендуется подвергнуть дополнительному концентрированию электродиализом. Для этого электродиализ следует осуществлять без рециркуляции рассола в камерах концентрирования электродиализатора. Тогда в них образуется рассол максимально возможной концентрации. Последняя определятся количеством воды, которую переносят ионы с собой через мембраны. По мере образования концентрат солей отводят из нижней части камер концентрирования электродиализатора самотеком и собирают в
рассольном баке электродиализной установки. Опытно-промышленные испытания показали, что в результате электродиализа отмывочных вод с содержанием солей 8-12 г/л в указанном режиме может быть получен рассол с концентрацией солей 120-130 г/л. При этом диализат получают с содержанием солей 6-9 г/л. Завершая цикл опреснения-концентрирования отмывочных вод, полученный диализат смешивают с отмывочной водой для утилизации оставшихся в нем солей, а рассол же с концентрацией солей 120-130 г/л направляют на смешение с ОРР уже без опасности разбавления восстановленного раствора соли. Таким образом, замыкается не только цикл утилизации отмывочных вод катионита, но и цикл восстановления обменной емкости катионита в целом.
Укрупненная оценка ресурсосберегающего потенциала изложенной выше технологии проведена на примере перевода систем регенерации натрий-катионитных фильтров на всех районных теплоэлектростанциях (РТЭС), а также районных (РТС) и квартальных (КТС) тепловых станциях ПАО «Мосэнерго» в замкнутый режим эксплуатации. В её основу положена экономия потребления городской питьевой воды, используемой на собственные нужды натрий-катионитных фильтров, и сбрасываемой, как было сказано выше, в составе минерализованных сточных вод в централизованные системы водоотведения ГУП «Мосводосток». Оценку расхода минерализованных сточных вод, образующихся в процессе эксплуатации водоподготовительных установок, рассматриваемых энергоисточников, производили по следующему алгоритму. На первом этапе по справочным данным [4] определяли расход воды на одну регенерацию каждого стандартного натрий-катионитного фильтра, установленного на каждой из двенадцати РТС, после чего рассчитывали расход воды на регенерацию каждого установленного фильтра в сутки. Для этого по справочным данным [3] прогнозировали число регенераций натрий-катионитных фильтров в сутки п по формуле: п = 24ЖоQNa (3)
где, Жо - общая жесткость умягчаемой воды, г-экв/м3; QNa - расход умягчаемой воды, м3/ч; W -объем катионита, м3; EpNa = 765 г-экв/м3 - расчетная величина рабочей обменной способности катионита КУ-2-8, которую рассчитывали по формуле: Ер№ = аэ рШЕП - 0^Жо, (4)
здесь, аэ=0,67 - коэффициент эффективности регенерации катионита; Р№=0,68 - коэффициент, учитывающий снижение обменной способности катионита катионами натрия; ЕП=1700 г-экв/м3 -полная обменная способность катионита КУ-2-8; q=6 м3/м3 - удельный расход воды на отмывку катионита; 0,5 - доля умягчения отмывочной воды.
Затем, зная число регенераций и шифр каждого стандартного фильтра в составе
водоподготовительных установок энергоисточников, по справочным данным [2] вначале определяли расход воды на одну его регенерацию, после чего
путем умножения на п уже рассчитывали суточный расход воды, необходимый для регенерации каждого стандартного фильтра ^сут). Т.е., по сути, определяли искомый расход минерализованных сточных вод, образующихся при эксплуатации энергоисточников ПАО «Мосэнерго».
В конечном итоге расчеты показали, что перевод технологии водоподготовки натрий-
катионированием на всех районных теплоэлектростанциях (РТЭС), а также районных (РТС) и квартальных (КТС) тепловых станциях ПАО «Мосэнерго» (их названия даны в приложении) в ресурсосберегающий режим эксплуатации позволит поглощать около 4750 кг/сут атмосферного углекислого газа и обеспечит экономию более 590 тыс. м3 в год питьевой воды. При этом сумму, которая в перспективе может поступить в бюджет ПАО «Мосэнерго» за счет снижения потребления воды из городского водопровода, исходя из тарифов на услуги водоснабжения акционерного общества
"Мосводоканал" на питьевую воду в 2021 году 43,57 руб./м3, можно оценить в размере около 27,5 млн. руб. в год. С учетом же тарифов на услуги водоотведения ГУП "Мосводосток» (23,3 руб./м3), эта сумма превысит 40 млн. руб. в год.
Приложение. Перечень энергоисточников ПАО «Мосэнерго», водоподготовительные установки которых приняли участие в расчетах:
РТЭС «Курьяново» 150 м3/ч, РТЭС «Люблино»
100 м3/ч, РТС «Бабушкино-1» 50 м3/ч, РТС «Волхонка-ЗИЛ» 70 м3/ч, РТС «Жулебино» 150 м3/ч, РТС «Коломенская» 100 м3/ч, РТС «Красная Пресня» 150 м3/ч, РТС «Крылатское» 200 м3/ч, РТС «Кунцево» 210 м3/ч, РТС «Ленино-Дачное» 70 м3/ч, РТС «Нагатино» 50 м3/ч, РТС «Нагатино» 50 м3/ч, РТС «Некрасовка» 100 м3/ч, РТС «Ново-Московская» 50 м3/ч, РТС «Отрадное» 100 м3/ч, РТС «Переяславская» 50 м3/ч, РТС «Перово» 100 м3/ч, РТС «Ростокино» 50 м3/ч, РТС «Рублево» 50 м3/ч, РТС «Теплый Стан» 100 м3/ч, РТС «Чертаново» 100 м3/ч, РТС «Южное Бутово» 150 м3/ч, КТС «Мелитопольская» 90 м3/ч, КТС «Северная» 45 м3/ч, КТС-11 50 м3/ч, КТС-18 22 м3/ч, КТС-405 20 м3/ч, КТС-54 50 м3/ч. Суммарная проектная производительность ВПУ подпитки теплосети перечисленных энергоисточников составляет 2427 м3/ч.
Список литературы
1. Балабан-Ирменин Ю.В., Липовских В.М., Рубашов А.М. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1999. - 248 с.: ил.
2. Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. - М.: Энергия, 1976. - 288 с.: ил.
3. Алекин О.А. Основы гидрохимии: Учеб. пособие для вузов - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970. - 444 с.
