В теплоэнергетике для подпитки технологических систем требуется глубоко деминерализованная вода, не вызывающая коррозии и образования отложений при эксплуатации энергетических установок. Качество воды во многом определяет экономическую эффективность и срок эксплуатации энергогенерирующих систем, поэтому отраслевые требования к содержанию в воде растворенных примесей – одни из самых жестких среди всех сфер промышленности. Чтобы получить воду необходимого качества, используются многоступенчатые процессы водоподготовки, главными из которых являются технологии деминерализации воды, предотвращающие накипеобразования, коррозионные и щелочные повреждений в котлах, а также во всем пароводяном тракте.
Накипь образовывает твердый нерастворимый осадок на поверхностях нагрева, снижая теплопроводность. Причиной появления накипи является попадание солей жесткости, а также кремния в питательную воду. Нагреваясь, соли этих веществ становятся нерастворимыми и осаждаются в виде накипи. Теплопроводность резко падает, возникает опасность перегрева и снижение КПД установки. Кроме того резко возрастают затраты на чистку и ремонт котлов, а также всего теплосилового оборудования.
Коррозионные процессы вызываются наличием кислорода и углекислого газа. Невнимание к коррозионной опасности может привести к постепенному разрушению металла и даже к образованию свищей и останову котла.
Также из-за неправильно рассчитанной системы водоподготовки и неверного ведения водно-химического режима могут происходить такие опасные явления, как щелочное разупрочнение и щелочная хрупкость, которые возникают из-за повышенной щелочности котловой воды. Щелочная хрупкость, например, возникает быстро и незаметно, вызывая тяжелые аварии, ей подвержены все элементы котла.
Таким образом, проектирование водоподготовки, а также всего водно-химического режима котельного оборудования требует соблюдения всех нормативных требований как общего характера (содержание CO2 в паре, относительная щелочность), так и предъявляемых к каждому типу котла (рН, жесткость, щелочность обработанной воды, проводимость и щелочность котловой воды, величина продувки и т.д.).
Традиционные технологии
Ионообменные технологии, появившиеся в 60-х годах прошлого столетия, получили широкое распространение в энергетической отрасли. Они основаны на пропускании воды через несколько ступеней последовательно включенных катионо- и анионообменных фильтров, в результате чего происходит удаление из воды растворенных минеральных примесей. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству подготовленной воды, используются одно-, двух- и даже трехступенчатые схемы. В качестве финишной очистки используются фильтры смешанного действия, заполненные смесью катионита и анионита.
Для восстановления ионообменных фильтров регулярно проводится регенерация ионитов, для чего используются большие количества реагентов – кислоты и каустика, расход которых в значительной мере зависит от состава исходной воды и используемой технологии. В результате регенерации фильтров образуются значительные количества высокоминерализованных кислотных и щелочных стоков с солесодержанием 10 – 60 г/л, которые после нейтрализации направляются на сброс.
Учитывая существующий в настоящее время норматив на засоленность сточных вод (не более 1 г/л), сброс регенерационных стоков требует многократного разбавления исходной водой, что приводит либо к увеличению их количества и росту водопотребления, либо к уплате штрафов, размеры которых составляют до 10% себестоимости деминерализованной воды. Учитывая высокую восприимчивость ионитов к органическим веществам, в больших количествах присутствующих в природных водах, в качестве предподготовки перед ионообменными фильтрами применяют известковую коагуляцию в осветлителях с последующей фильтрацией на механических фильтрах. В результате образуется огромное количество твердых отходов – известкового шлама, который, как правило, не подлежит утилизации и направляется на шламоотвалы. С учетом сроков эксплуатации большинства установок проектная емкость многих шламоотвалов на сегодняшний день практически исчерпана.
К другим недостаткам старой технологии водоподготовки можно отнести большие расходы реагентов (кислоты, щелочи, гипохлорита натрия, коагулянта и др.), приводящие к высоким эксплуатационным расходам и усложненной логистике по доставке реагентов на территорию химического цеха. Ведь данные реагенты являются прекурсорами и доставляются по железной дороге. А, следовательно, нам требуются дополнительные расходы на оплату доставки реагентов, необходимость постоянного обучения людей работе с этими (токсичными) реагентами.
Необходимо отметить, что в настоящее время котельное оборудование, установленное еще в советское время, постепенно устаревает «морально и физически», перед эффективным собственником возникает задача реконструкции как котельных агрегатов, так и водно-химического хозяйства. Большую роль также играет вопрос потерь избыточных объемов газа, цена на который в настоящее время заставляет задуматься о необходимости применения энергосберегающих технологий.
В этих условиях проектирование водоподготовительного оборудования предполагает не только выполнение всех существующих требований (жесткость, рН, кислород, углекислота и др.), но и ориентирование на требования, предъявляемые ведущими производителями энергооборудования к питательной и котловой воде.
К примеру, требования, предъявляемые к питательной воде отечественных и российских котлов, не включают ограничения по щелочности и солесодержанию, однако именно эти показатели очень важны при проектировании водоподготовительного оборудования, так как снижение щелочности и солесодержания позволяет в 5-6 раз снизить величину продувки, а, следовательно, и расход газа. Европейские производители учитывают эту зависимость, поэтому устанавливают ограничения по щелочности, как в питательной, так и в котловой воде.
В целом, традиционные ионообменные методы деминерализации воды характеризуются следующими недостатками:
• Многоступенчатая технологическая схема, требующая большого количества как основного технологического (осветлители, механические и ионообменные фильтры), так и вспомогательного оборудования (баки-сборники, насосные станции), для размещения которого необходимы огромные производственные площади;
• Применение большого количества реагентов (серной кислоты, каустика, извести, сернокислого железа). Это не только обусловливает большие эксплуатационные затраты на производство деминерализованной воды, но также требует наличия соответствующей инфраструктуры – транспортных путей (как правило, железнодорожных), громоздкого реагентного хозяйства (баков хранения реагентов, хранилища извести);
• Образование большого количества высокоминерализованных стоков и шламов, утилизация которых, как правило, затруднена;
• Сложность автоматизации процессов, необходимость постоянного контроля и корректировки параметров работы. Зависимость качества подготовленной воды от параметров эксплуатации.
Подавляющее большинство установок деминерализации воды, работающих в настоящее время на энергетических объектах нашей страны и стран СНГ, были введены в эксплуатацию в 60-80-х годах прошлого столетия и основаны на применении ионообменных технологий. Большинство из этих установок морально устарели и требуют серьезной реконструкции, как с точки зрения технологического оборудования, так и систем автоматического управления.
Таким образом, традиционная схема, включающая удаление взвешенных веществ и двухступенчатое Na-катионирование, изжила себя, так как не позволяет из-за щелочности снизить потребление газа. На смену этой технологии повсеместно приходит комбинированный метод – Na-катионирование – обратный осмос (RO).
Обратный осмос (RO) позволяет одновременно снизить и жесткость, и щелочность, и общее солесодержание (проводимость), а также является барьером для кремния, меди и мутности. В сочетании с Na-катионированием в качестве предобработки или постобработки обратный осмос (RO) прекрасный результат, проверенный временем и большим количеством инсталляций. Для городских вод гг. Киев, Донецк, Днепропетровск, Николаев, Одесса, Запорожье, т.е. там, где источником водоснабжения служит река, чаще применяется Na-катионирование – обратный осмос (RO), если же предприятие работает на артезианской воде, экономически более эффективна последовательность обратный осмос (RO) – Na-катионирование.
Следует отметить также растущий спрос на оборудование, позволяющее получать питательную воду из технической речной воды, отличающейся (рр. Днепр, Северский Донец, Ю.Буг и т.д.) высокими значениями окисляемости, взвешенных веществ, бактериологическим загрязнением и наличием фито- и зоопланктона.
Дальнейшее развитие — баромембранные технологии на всех стадиях
Чаще всего при реконструкции существующих деминерализационных установок и практически всегда при проектировании новых используются более прогрессивные и экологически безопасные баромембранные методы.
Суть баромембранных методов состоит в пропускании под давлением очищаемой воды через полупроницаемые мембраны, задерживающие примеси различного состава. Одной из наиболее инновационных схем деминерализации воды в настоящее время считается технология, включающая стадии префильтрации, ультрафильтрации, обратноосмотической деминерализации и электродеионизации.
Префильтрация в энергетике традиционно осуществляется на песчано-гравийных фильтрах. Эти фильтры занимают большие площади, требуют высокого давления при промывке, имеют большие потери промывочной воды. Для их очистки требуется выводить фильтр из эксплуатации на время промывки, что требует дополнительного резервирования.
Инновационные фильтры механической фильтрации используют технологию вихревого вакуумного сканнера с щеточными форсунками для высокоэффективной очистки фильтруюшего элемента (четырехслойной сетки). Эти фильтры занимают минимум площадей, затрачивают на промывку не более 1% от мгновенного протока, а самое главное – не прекращают (и не сокращают) подачу чистой воды во время самоочистки. Такие фильтры полностью автоматические и позволяют легко интегрировать их в АСУТП. Высокий рейтинг фильтрации (25 – 50 мкм), позволяет на следующей стадии (ультрафильтрация), существенно сократить потери воды на промывку и применять УФ мембраны с более тонким рейтингом фильтрации.
Стадия ультрафильтрации используется для удаления из обрабатываемой воды взвешенных веществ, коллоидных примесей, части органических загрязнений, а также удаления бактерий, водорослей и прочих микроорганизмов, размеры которых превышают сотые доли микрона. По своей сути ультрафильтрация является аналогом коагуляции в осветлителях и очистки на механических фильтрах, однако лишена недостатков, свойственных традиционной технологии.
Так, основными преимуществами ультрафильтрационных установок являются:
•Отсутствие необходимости в известковом хозяйстве – при эксплуатации ультрафильтрационных установок требуется только периодическая кислотная и щелочная промывка модулей, однако количества реагентов в десятки раз меньше, чем в ионообменной технологии;
•Отсутствие необходимости в точном соблюдении технологических параметров (температуры, рН, скорости потока), как этого требует эксплуатация осветлителей. При этом качество очистки воды остается стабильно высоким и не зависит ни от условий эксплуатации, ни от человеческого фактора;
• Существенное (в 2-4 раза) сокращение производственных площадей для размещения основного и вспомогательного оборудования;
• Простота эксплуатации, возможность автоматизации процесса.
На стадии обратноосмотической деминерализации происходит удаление из воды растворенных примесей. В зависимости от требуемого качества очистки используют одно- или двухступенчатую схему. Как правило, остаточное солесодержание после первой ступени составляет 5-20 мг/л, что соответствует качеству воды после первой ступени Н/ОН-ионирования, в случае необходимости более глубокой деминерализации используют вторую ступень обратного осмоса.
Основные преимущества метода обратноосмотической деминерализации воды:
• Исключительная надежность метода, обусловливающая стабильно высокое качество деминерализованной воды вне зависимости от сезонных колебаний качества исходной воды, технологических параметров и «человеческого фактора»;
• Высокая экономическая эффективность – замена первой ступени ионообменной деминерализации на обратноосмотическую позволяет на 90-95% снизить потребность в кислоте и каустике, что по стоимости во много раз перекрывает увеличение затрат, связанных с ростом энергопотребления;
• Как и для ультрафильционных установок, сокращение производственных площадей, простота эксплуатации и автоматизации технологического процесса.
• При модернизации систем водоподготовки для тепловой генерации все новое баромембранное оборудование возможно разместить на существующих площадях, даже без демонтажа устаревшей системы.
Промышленная система электродеионизации
Для финишной деминерализации воды в энергетике и микроэлектронике в последнее время все шире используется метод электродеионизации. По своей сути и по принципу очистки, электродеионизация является аналогом традиционных фильтров смешанного действия (ФСД). Отличительной особенностью электродеионизации является то, что регенерация фильтров осуществляется за счет прохождения электрического тока через слой загрузки непосредственно в процессе очистки.
В случае применения электродеионизации не требуются периодические остановки фильтров для проведения технически сложной регенерации с раздельной регенерацией ионитов, отсутствует необходимость в использовании реагентов.
Таким образом, использование современных методов водоподготовки – ультрафильтрации, обратноосмотической деминерализации и электродеионизации – позволяет:
• Существенно снизить эксплуатационные затраты;
• Существенно сократить потребление реагентов, отказаться от громоздкого реагентного хозяйства;
• Повысить экологическую безопасность производства;
• Обеспечить стабильно высокое качество очистки воды;
• Автоматизировать технологический процесс.
Все это делает новую технологию более экологичной по сравнению с существующей.

Себестоимость очищенной воды и прогнозируемый срок окупаемости оборудования.

Подобная схема водоподготовки реализована на р. Северский Донец производительностью 50,0 м3/ч с применением схемы префильтрация — микрокоагуляция – ультрафильтрация (UF) — обратный осмос (RO) – Na-катионирование, обеспечивающая подпитку для котла-утилизатора 40 атм. когенерационного энегоблока.

Одной из наших основных целей являлось снижение эксплуатационных расходов на водоподготовку обессоленной воды за счет снижения расходов на замену ионообменных смол, массового потребление реагентов, таких как известь, коагулянты, кислоты, щелочи и пр. Расчетная себестоимость воды очищенной по предложенной нами технологии составляла всего 2,9 грн./1 м3, в то время как по существующей на предприятии традиционной технологии – 17,5 грн/1 м3. Расчетный срок окупаемости инновационного оборудования составляет не более трех лет.

Таким образом, современные технологии водоподготовки в энергетике позволяют осуществить реконструкцию (модернизацию) устаревших систем в существующих помещениях, даже без демонтажа действующего оборудования. Результатом внедрения инновационных технологий является энергосбережение, ресурсосбережение, улучшение экологии, сокращение персонала, высочайшая надежность системы.

0 ответы

Ответить

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Добавить комментарий