Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблем водоснабжения и водоотведения ТЭС 10
1.1. Стандартная схема водоснабжения и водоотведения ТЭС 10
1.2. Сточные воды ТЭС: виды, режимы образования, состав и концентрация загрязнений 12
1.3. Экологические проблемы, связанные со сбросом СВ ТЭС в ГШВ региона 24
1.4. Пути снижения техногенной нагрузки ТЭС на природные воды
1.4.1. Методы очистки стоков ЦТП ТЭС 32
1.4.2. Применяемые способы сокращения сбросов нефтесодержащих СВ ТЭС в природные водоемы
1.5. Особенности водоснабжения ТЭС Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса 43
1.6. Региональные особенности и качество природных вод 48
1.7. Существующие методы осветления природных вод
1.7.1. Теоретические основы фильтрования воды 68
1.7.2. Регенерация фильтрующих элементов с жестким каркасом 72
2. Очистка сточных вод цехов топливоподачи 75
2.1. Безреагентная очистка сточных вод цехов топливоподачи 75
2.2. Очистка СВ ЦТП с применением реагентов 78
2.3. Исследования свойств образующегося осадка 90
2.4 Анализ возможности унификации предложеннбй схемьі очистки СВ ЦТП ?
2.5. Эффективность внедрения предложенной схемы очистки на ТЭС Красноярского края 98
Выводы 105
3. Разработка приоритетных направлений по сокращению сбросов нефтепродуктов в ППВ 107
3.1. Способы сокращения объемов нефтесодержащих СВ ТЭС 107
3.2. Разработка технологии очистки нефтесодержащих СВ ТЭС 109
Выводы 129
4. Разработка технологии очистки воды во ТЭС КАТЭК от ПОВ 131
4.1. Экспериментальные исследования по очистке моделей воды ВО от ПОВ 131
Выводы 145
5. Осветление природных вод на фильтрах с керамическими элементами 147
5.1. Экспериментальные исследования водопроницаемости пористой керамики на основе шамота 147
5.2. Химическая стойкость пористой керамики на основе шамота 154
5.3. Теоретические основы осветления воды на керамических фильтрах 160
5.4. Экспериментальные исследования по осветлению воды на керамических фильтрах 162
5.5. Особенности конструирования фильтров с керамическими элементами 198
5.6. Результаты исследований по регенерация керамических элементов 206
5.7. Производственные испытания патронного фильтра с керамическими элементами 213 5.8. Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию патронных фильтров в схеме ХВОТЭС 227
5.9. Технико-экономическая оценка очистки природных вод на фильтрах с керамическими элементами 233
Выводы 237
Основные выводы 239
Список использованных источников
- Экологические проблемы, связанные со сбросом СВ ТЭС в ГШВ региона
- Анализ возможности унификации предложеннбй схемьі очистки СВ ЦТП
- Разработка технологии очистки нефтесодержащих СВ ТЭС
- Экспериментальные исследования по осветлению воды на керамических фильтрах
Введение к работе
Актуальность. Экологическая доктрина Российской Федерации (2002 г.) основана на стратегии устойчивого развития страны и входящих в ее состав регионов. Устойчивое развитие России может быть обеспечено, в том числе, при условии сохранения природных систем и соответствующего качества окружающей среды, включая природные воды.
Результаты наблюдения за качеством воды в поверхностных природных водоемах Красноярского края показывают, что в последние годы имеет место устойчивая тенденция к его ухудшению.
Особенностью водопользования в Красноярском крае является использование большого по сравнению с другими регионами объема природных вод на нужды теплоэнергетики. Доля годового водопотребления предприятиями этой отрасли достигает 2529,4 млн. м3 (2007 г.) или 85,4 % от всего забираемого объема воды.
После использования в производственном цикле ТЭС, обратно в природные водоемы сбрасывается около 88% от забранного первоначально объема воды. Это более 80% от всех стоков, сбрасываемых в природные водоемы региона.
Производственные стоки содержат большое количество нефтепродуктов, взвешенных веществ, хлоридов, сульфатов, солей жесткости и тяжелых металлов, других вредных микрокомпонентов. Общий экологический ущерб рекам Енисей, Кан, Чулым от сброса в них промышленных стоков ТЭС Красноярского края составляет около 298 млн. руб. в год.
Ухудшающееся экологическое состояние природных водоемов региона в последние годы зависит, в том числе, от увеличивающихся сбросов вредных веществ от объектов теплоэнергетики.
Аргументами для такого заключения являются:
масштаб сброса стоков ТЭС в природные водоемы региона;
существование в последнее десятилетие одновременно двух противоположных тенденций – снижение сброса от предприятий региона в целом и увеличение сбросов ТЭС;
близость выпусков стоков ТЭС к наиболее загрязненным участкам рек;
перечень загрязнений, концентрация которых растет в последнее время, характерен для стоков ТЭС.
Серьезной проблемой при создании в будущем ряда ТЭС Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК) является необходимость очистки воды водохранилищ-охладителей с высоким содержанием в воде органических веществ. Прогнозный уровень концентрации органических веществ в этих водах настолько высок, что в мировой практике энергостроительства отсутствует опыт ее очистки и использования для питания котлов. Это обстоятельство ставит под вопрос возможность использования для их очистки традиционных схем водоподготовки.
Недостаточная изученность проблемы применительно к региону с высокой техногенной нагрузкой и интенсивно осваиваемой территорией, необходимость снижения этой нагрузки в целях обеспечения долгосрочного устойчивого природопользования, повышения качества воды в природных водоемах, а также повышения надежности и ресурсосбережения в системе водоснабжения ТЭС определили выбор темы, цель, задачи, структуру и содержание диссертации.
Основная часть работы выполнялась по заданиям Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ СССР) и Минэнерго СССР.
Цель работы: совершенствование методологических, научных и инженерных основ организации водного хозяйства ТЭС, обеспечивающих ресурсосбережение и снижение техногенной нагрузки на природные поверхностные водоемы Красноярского края.
Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:
- оценить вклад предприятий теплоэнергетики в снижение качества поверхностных вод региона;
- предложить концепцию эффективной организации водного хозяйства ТЭС;
- разработать ресурсосберегающие технологии очистки стоков от цехов топливоподачи, а также нефтесодержащих стоков ТЭС с использованием отходов станций;
- разработать технологию очистки воды водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК с высоким содержанием органических веществ;
- разработать безреагентную ресурсосберегающую технологию осветления природных поверхностных вод региона и ее аппаратурное оформление с использованием керамических элементов на основе шамота, позволяющих создать компактное водоочистное оборудование и предложить эффективные способы регенерации керамических фильтров.
Методы исследований. При проведении исследований по очистке природных и сточных вод ТЭС использовались методы гравиметрического, фотоколориметрического, потенциометрического, хроматографического, титриметрического анализа, спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.
Научная новизна:
сформулирована и научно обоснована концепция организации водного хозяйства ТЭС, позволяющая повысить эффективность его эксплуатации за счет ресурсосбережения и снизить техногенную нагрузку на водоемы;
определены условия и технические параметры очистки стоков цехов топливоподачи и нефтесодержащих стоков с применением отходов станций и дальнейшим использованием очищенных стоков в схемах оборотного и последовательного водоснабжения ТЭС, системах централизованного горячего водоснабжения с открытым водоразбором;
установлен механизм очистки нефтесодержащих стоков с использованием в качестве коагулянта избыточного шлама осветлителей с взвешенным осадком, зольной воды и углевания. Показано, что очистка стоков от нефтепродуктов происходит синхронно с коагуляцией и выпадением осадка, на поверхности которого сорбируются нефтепродукты;
установлено влияние дозы коагулянта, рН среды, температуры, концентрации, природы и физико-химического состояния органических примесей на эффективность очистки воды водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК с высоким содержанием органических примесей;
предложен механизм сорбционного взаимодействия гумусовых соединений с анионитами: определяющим фактором сорбционного поглощения является пористая структура сорбента. При этом реализуется несколько процессов: физическая адсорбция ядер гуминовых и фульвокислот на полимерной матрице ионита за счет Ван-дер-Ваальсовых сил; физическая адсорбция в образованных при набухании полимерной матрицы пустотах; химическое взаимодействие между карбоксильными группами органических кислот и ионогенными группами анионитов, что приводит к дезактивации («отравлению») функциональных групп;
на основе комплексной оценки свойств материалов, закономерностей, особенностей и механизма процесса фильтрования научно обосновано использование шамотно-силикатной и шамотно-бентонитовой пористой керамики в качестве фильтрующего материала при очистке поверхностных природных вод региона;
разработана ресурсосберегающая безреагентная технология очистки природных вод на фильтрах с пористой керамикой и способы регенерации керамических элементов.
Достоверность результатов экспериментальных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением фундаментальных уравнений, описывающих процессы фильтрования мало концентрированных суспензий; использованием современных методов и аттестованных метрологической службой измерительных приборов; аккредитацией исследовательских лабораторий, участвовавших в проведении анализов и измерений в системе Госстандарта РФ, результатом промышленных испытаний и опытом эксплуатации разработанных технологий.
Практическая значимость и реализация результатов:
разработана ресурсосберегающая технология очистки сточных вод цехов топливоподачи ТЭС, позволяющая снизить техногенную нагрузку на природные водоемы за счет сокращения сброса в них загрязнений, значительного сокращения забора «свежей» воды при переходе с прямоточной схемы водоснабжения на оборотную, вернуть на сжигание значительное количество угля, использовать выделенный осадок в технологии глубокой очистки нефтесодержащих стоков ТЭС;
за счет корректировки режимов эксплуатации маслоохладителей турбогенераторов станций и охлаждения вспомогательного оборудования ТЭС сокращен сброс в природные водоемы Красноярского края нескольких сотен тонн нефтепродуктов в год;
разработана ресурсосберегающая технология очистки нефтесодержащих стоков ТЭС, позволяющая: значительно снизить техногенную нагрузку на природные водоемы за счет сокращения сброса в них загрязнений; обеспечить глубокую степень очистки стоков перед сбросом их в водоемы, сопоставимую с сорбционной очисткой на активном угле (до 0,05 мг/л); использовать очищенную воду в оборотных, последовательных циклах водоснабжения ТЭС и значительного сократить забор «свежей» воды из водоемов;
разработана технология очистки воды водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК с высоким содержанием органических веществ. Впервые с использованием крупномасштабных моделей воды получен опыт очистки воды будущих водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК с высоким содержанием органических веществ, на основании которого были осуществлены корректировки и допроектирование систем промводоснабжения Березовской ГРЭС-1. Для очистки воды в качестве сорбента рекомендован отечественный макропористый анионит АВ-29П, который эффективен при очистке воды от органических соединений и легко регенерируется, значительно дешевле импортных аналогов. Применяемая схема подготовки воды для питания котлов на этой станции в настоящее время осуществляется с учетом этого опыта;
разработана ресурсосберегающая безреагентная технология очистки природных вод на фильтрах с керамическими элементами. Впервые рекомендована методика расчетов керамических фильтров. Разработаны ресурсосберегающие конструкции фильтров с керамическими элементами, позволяющие создать компактное водоочистное оборудование. Предложены и экспериментально опробованы различные способы регенерации керамических элементов, в том числе, оригинальные, исследована их эффективность, изучен характер изменения водопроницаемости керамических элементов при различных способах их регенерации. Установлена важная особенность фильтрования –стабилизация водопроницаемости керамических элементов после первых пяти-семи фильтроциклов, уровень которой зависит от применяемого способа регенерации;
на основе проведенных исследований ОАО «Красноярский институт «Водоканалпроект» разработало следующие проекты:
- опытно-производственная технологическая линия в комплексе водоочистных сооружений, включающие два фильтра с керамическими элементами производительностью 90 м3/ч каждый. «Механический завод в г. Зее Амурской области, внеплощадочное водоснабжение и канализация, Рабочий проект»;
- 530. Р2-2-ОМГП. «Мероприятия по переустройству инфильтрационных водозаборов на острове Отдыха. Рабочие чертежи»;
по результатам работ и рекомендациям автора ТомТЭПом (проектный институт «Томсктеплоэлектропроект» г. Томск) выпущен рабочий проект «Реконструкция систем водоотведения Красноярской ТЭЦ-2». В настоящее время на территории этой станции построено здание очистных сооружений нефтесодержащих стоков производительностью 150 м3/ч. После ввода их в эксплуатацию Красноярская ТЭЦ-2 полностью прекратит сброс вредных веществ в р. Енисей;
изготовлен и установлен в химическом цехе Красноярской ТЭЦ-2 ОАО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» патронный фильтр с керамическими элементами производительностью 90 м3/ч, проведены его промышленные испытания в различных режимах эксплуатации. Выработан регламент эксплуатации и обслуживания патронных фильтров, предложен способ их расчета;
результаты работы автора по безреагентной очистке вод на керамических фильтрах на основе шамота внедрены для очистки дренажных и карьерных вод зоны Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной научно-практической конференции «Развитие Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса» (Красноярск, 1983); Всесоюзной конференции «Вопросы повторного использования промышленных и технических сточных вод» (Пенза, 1987); Международном симпозиуме «Устойчивое развитие планеты Земля» (Лас-Вегас, США, 1998); Региональных научно-технических конференциях (Красноярск, 1979, 1981-1985, 1987, 1990, 2000, 2001, 2007); IХ, Х, ХI Международных научно-практических конференциях «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2006, 2007, 2008); Международной конференции «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири (Красноярск, 2008) и ряде других.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 работы, в том числе, две монографии, 26 статей, из них 17 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 235 библиографических ссылок и приложения. Работа изложена на 307 страницах, включает 54 рисунка, 60 таблиц и приложение на 48 страницах.
Экологические проблемы, связанные со сбросом СВ ТЭС в ГШВ региона
Условные обозначения к рис.1.1: 1-котельный цех; 2-турбинный цех; 3-цех ХВО; 4-пруд системы гидрозолоудаления (ГЗУ); 5 -ЭТХ-175; 6-пиковая котельная; 7-цех топливоподачи; 8-компрессорная станция для обслуживания ЭТХ-175; 9-азотно-кислородная станция; 10- компрессорная станция; 11-гараж; 12-мазутная насосная станция; 13- насосная станция для перекачки стоков из промливневой канализации в пруд-отстойник; 14-пруд-отстойник; 15-багерная насосная станция; 16-золосмывные устройства и аппараты системы ГЗУ;17-теплообменные аппараты и вспомогательное оборудование котельного цеха; 18-котельные агрегаты; 19-конденсаторы пара турбин; 20-вспомогательное оборудование турбинного цеха; 21-охлаждение подшипников; 22-осветлители со взвешенным осадком; 23-механические осветлитель-ные фильтры с антрацитовой загрузкой; 24-катионообменные фильтры 1-й ступени; 25-анионообменные фильтры 1-й ступени; 26-катионообменные фильтры 2-й ступени; 27-декарбонизаторы; 28-анионообменные фильтры 2-й ступени; 29-декарбонизаторы; 30-декарбонизаторы; 31-бак-нейтрализатор; 32-вакуумные деаэраторы; 33-насосная станция технической воды; 34-приемный резервуар очистных сооружений для очистки замазу-ченных и замасляных сточных вод; 35-очистные сооружения для очистки замазученных и замасляных СВ производительностью 50 м /ч; 36-камера смешения СВ.
Обобщение результатов исследований /13-18/, проведенных Челябинским филиалом ВНИИ «ВОДГЕО» в г. Красноярске и Красноярским государственным краевым экологическим показало следующее.
Наибольший расход СВ имеет место в турбинном цехе после охлаждения конденсаторов пара. Охлаждение их осуществляется по прямоточной схеме с забором воды из реки Енисей. При этом часть нагретой воды после конденсаторов пара используется последовательно в городской теплосети с открытым водоразбором, часть воды в цехе ХВО на приготовление пара для турбин, а также в зимний период часть воды направляется на охлаждение маслоохладителей турбин. Вода после охлаждения конденсаторов турбин имеет тепловое загрязнение. Температура воды по сравнению с забранной из природного источника обычно повышается на 8-10С /19/.
На ТЭЦ-2 использована параллельно-последовательная схема охлаждения конденсаторов турбин с сокращенным водопотреблением. Нагретая после охлаждения конденсаторов турбин вода содержит около 1,2 мг/л нефтепродуктов.
Использованная при охлаждении конденсаторов турбин вода отводится в пруд-накопитель и далее сбрасывается через выпуск, расположенный в протоке Абаканской реки Енисей.
Заметного ухудшения качества воды 1111В после охлаждения конденсаторов турбин по взвешенным веществам не наблюдается. Режим расходования и сброса охлаждающей воды от конденсаторов пара равномерен в течение суток, но по сезонам года меняется значительно. Так, летом он почти в 1,5 раза больше, чем зимой. Причиной этого является низкая температура воды в реке Енисей в зимний период, за счет чего охлаждение конденсаторов пара осуществляется более эффективно.
Вспомогательное оборудование котельного цеха в составе тангенциальных молотковых мельниц, мельниц-вентиляторов, маслостанций дымососов, дымососов рециркуляции газов; воздухоохладителей двигателей мельниц-вентиляторов, маслоохладителей багерных насосов охлаждаются водой по прямоточной схеме со сбросом нагретой воды через пруд-накопитель в реку Енисей. Установлено, что воды от охлаждения маслоохладителей турбин и вспомогательного оборудования котельного цеха загрязнены нефтепродуктами.
Их дальнейшее последовательное использование на ТЭС возможно после дополнительной очистки. Расходы этих СВ и концентрация в них нефтепродуктов приведены в табл. 1.1. Расходы СВ от турбинного и котельного цехов в течение суток меняются незначительно, но достигают максимального значения зимой, когда в работе задействовано почти все оборудование этих цехов. Состав микрокомпонентов, категории лимитирующих показателей вредности и классы опасности веществ /20/ в начале пруда-накопителя (практически от турбинного цеха) и в его конце приведено в табл. 1.2. Состав микрокомпонентов в СВ котельного цеха по двум выпускам приведен в табл. 1.3.
Для удаления золы от сжигания бурых углей в котельном цехе применяется гидротранспорт ее в золоотвал ТЭС.
В системе гидрозолоудаления на ТЭЦ-2 принята оборотная схема использования воды. Но ее водный баланс, как и на других станциях Красноярского края, нарушен из-за зарастания трубопроводов осветленной воды из золоотвала и струенаправляющих форсунок минеральными отложениями.
Это характерная особенность ТЭС, работающих на Канско-Ачинских бурых углях с высоким содержанием свободного оксида кальция, что вынуждает эксплуатационников добавлять для смыва золы свежую воду.
Кроме этого в золоотвал ТЭЦ-2 сбрасываются СВ от гидроуборки и аспи-рационных установок ЦТП, от регенерации, промывки и взрыхления ионообменных фильтров из цеха ХВО. Возможен вариант дополнительного сброса в золоотвал нефтесодержащих СВ от пиковой котельной и избыточного шлама от осветлителей с взвешенным осадком из цеха ХВО.
Анализ возможности унификации предложеннбй схемьі очистки СВ ЦТП
При сбросе СВ в природные водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования допускается концентрация нефтепродуктов 0,3 мг/л, малосернистой нефти — 0,1 мг/л /33/.
При сбросе СВ в городской черте этим требованиям должны отвечать сами стоки, если не гарантирована надежная работа рассеивающего выпуска.
Если СВ сбрасываются в природные водоемы рыбохозяйственные 1 категории, то концентрация нефтепродуктов в стоках должна быть не более 0,05 мг/л /33/.
Таким образом, для дальнейшей реализации мероприятий по сокращению сбросов нефтепродуктов с ТЭС в ППВ, необходима очистка СВ от нефтепродуктов. Степень очистки стоков будет зависеть от принятого направления дальнейшего их использования.
Для очистки СВ с концентрацией нефтепродуктов не более 80 мг/л находит применение реагентное и безреагентное фильтрование через зернистые фильтры /36,37/.
Наряду с отстаиванием в нефтеловушках и прудах-отстойниках этот способ очистки является одним из наиболее распространенных в России и за рубежом /38-40/.
При фильтровании нефтесодержащих СВ без применения реагентов, как отмечается /39,41/ извлекаются в основном нерастворенные, эмульгированные нефтепродукты. В /41/ также приводятся экспериментальные данные по удалению растворенных нефтепродуктов коагуляцией солями железа, алюминия и известью. Так, при исходной концентрации нефтепродуктов» 5-10 мг/л после выпадения в осадок хлопьев происходило ее снижение на 60 %. Механизм извлечения нефтепродуктов автор объясняет адсорбцией их на выпадающих хлопьях. Таким образом, коагуляция позволяет удалить растворенные нефтепродукты с размером частиц менее 10 мкм способами от стаивания, фильтрования или флотацией и без применения реагентов практически не удаляемых /36/.
Типовая схема очистных сооружений на ТЭС при очистке СВ от нефтепродуктов включает: приемный резервуар — нефтеловушка или напорная флотация - механические (с антрацитовой загрузкой) фильтры - фильтры с активным углем /42-44/.
Использование активного угля для сорбции растворенных нефтепродуктов позволяет осуществлять глубокую очистку нефтесодержащих СВ до остаточных концентраций нефтепродуктов 0,05 мг/л, но не решен вопрос с долговременным использованием активного угля. Дело в том, что наилучший эффект по очистке от нефтепродуктов наблюдается при использовании «свежего» активного угля. С течением времени из-за неполной регенерации активного угля его сорбционная емкость значительно снижается, что является причиной ухудшения очистки СВ. Пока не предложено достаточно эффективных способов регенерации активного угля /36/, его часто приходится менять в фильтрах, что сказывается на значительном удорожании процесса очистки нефтесодержащих СВ. Стоимость одной тонны активного угля марки БАУ составляет более 100 тыс. руб. (цены 1984 г.) /38/. Кроме этого, сами работы по замене загрузки фильтров достаточно трудоемки, да и увеличиваются объемы промышленных отходов. Все это сдерживает широкое применение фильтров с активным углем в практике очистки стоков от нефтепродуктов.
Кроме отстаивания, флотации, фильтрования, окисления для очистки СВ от нефтепродуктов предложено использовать центрифугирование, аэрацию, биохимическое окисление, а также физико-химические методы очистки (коагуляция, реагентная флотация, электрофлотация и др.) /38,45-48/.
Физико-химические методы очистки позволяют удалять эмульгированные и суспендированные частицы диаметром, менее 100 мкм, а также растворенные нефтепродукты /45/. Наиболее часто и успешно для очистки от эмуль гированных и суспензированных нефтепродуктов используется коагуляция /40,45-49/.
Возможна очистка СВ с использованием флотации и дальнейшим озонированием /50,51/. При этом положительным результатом озонирования;, является не только окисление небольших концентраций нефтепродуктов, но и обеззараживание СВ. Это особенно актуально при повторном использовании очищенных СВ в системах централизованного горячего водоснабжении с открытым водоразбором, так как качество очищенной воды соответствует установленным действующими санитарными требованиями /52/.
Механизм окисления озоном нефтепродуктов в воде до карбоновых кислот имеет ступенчатый характер /53/. Промежуточными продуктами окисления являются альдегиды и кетоны, отличающиеся сильными и неприятными запахами и привкусами. Предельно-допустимые концентрации альдегидов и кетонов в воде равны 0,1-2,0 мг/л, а низкомолекулярных кислот — в пределах 5-250 мг/л. Поэтому для дезодорации воды понадобится окислить не только исходные, но и промежуточные продукты реакции.
Использование хлора для окисления растворенных в воде нефтепродуктов, как отмечается /54/, не эффективно.
Кроме отстаивания, флотации, фильтрования, окисления для очистки СВ от нефтепродуктов предложено использовать центрифугирование, аэрацию, биохимическое окисление, а также физико-химические методы очистки (коагуляция, реагентная флотация, электрофлотация и др.) /38,50-53/.
Физико-химические методы очистки позволяют удалять эмульгированные и суспендированные частицы диаметром менее 100 мкм, а также растворенные нефтепродукты /50/. Наиболее часто и успешно для очистки от эмульгированных и суспензированных нефтепродуктов используется коагуляция /40,50-54/.
Разработка технологии очистки нефтесодержащих СВ ТЭС
Поскольку очищенная реагентным методом вода имела довольно высокое содержание Fe (11) и ПОВ, проверена возможность дальнейшей ее очистки фильтрованием через антрацитовую загрузку толщиной 1,2 м и размером зерен 0,9-1,2 мм по традиционной для ХВО схеме.
Фильтрование проводилось со скоростью 8 м/ч. После фильтрования содержание Fe (11) уменьшилось в 6 раз, а содержание ПОВ практически не изменилось. Это свидетельствует о том, что вместе с мелкими хлопьями, не осажденными в процессе коагулирования,и отстаивания, на антрацитовом-фильтре задерживается и Fe (11). Практически не изменившееся количество ПОВ в воде после антрацитового фильтра говорит о том, что в составе мелких хлопьев ПОВ содержится мало и для более глубокой очистки воды от растворенных ПОВ необходимы другие методы.
Для количественной оценки эффективности рекомендуемых режимов обработки воды был выполнен технико-экономический анализ с определением приведенных затрат по варианту, предложенному проектировщиками с одной стороны, и варианту, предложенному с учетом результатов экспериментальной очистки моделей воды. Несмотря на незначительное удорожание схемы очистки воды за счет увеличения дозы коагулянта итоговый годовой экономический эффект от применения оптимальных доз коагулянта составит 65,8 млн. руб. При этом себестоимость очистки воды снижается с 2,26 руб/м3 до 2,20 руб/м3.
Для доочистки воды ВО от растворенных ПОВ, не задержанных на стадии коагулирования, отстаивания и фильтрования до кондиций, допускающих подать воду на ступень обессоливания в цех ХВО и далее на подпитку котлов станции была предложена сорбция растворенных ПОВ на ионообменных материалах.
Объектом исследований являлись как традиционные (АВ-22, АВ-216 ГС), так и макропористые аниониты: АВ-29П, ИА-1. При этом в качестве исходной воды использовалась модель воды водохранилища-охладителя Березовской ГРЭС-1, настоянная на переходных торфяниках (модель №3) и прошедшая коагулирование, отстаивание и фильтрование в режиме, отработанном на первом этапе экспериментов. Исходная вода отличалась низким содержанием взвешенных веществ (5-7 мг/л) и высокой концентрацией ПОВ (данные табл.4.1 по модели воды №3). Очистку воды проводили по следующейххеме: добавление реагента (коагулирование) — отстаивание — фильтрование - сорбциянаионитах (см. табл. 4.4).
В качестве коагулянта применялся сульфат закисного железа при дозе 75 мг/л. Температура воды в опытах составляла +30С, рН равнялось 9,5 и доза полиакриламида 1 мг/л.
Отстаивание проводили в стандартных стеклянных цилиндрах емкостью 1 л в течение двух часов. Фильтрование осуществлялось через антрацитовую загрузку с размерами зерен, толщиной и в режиме, рекомендованными при приготовлении воды для питания котлов на ТЭС /95,96/.
Предельно-допустимая окисляемость воды после анионитов ограничивалась величиной 1,0-1,5 мг СЬ/л.
Была исследована зависимость сорбции ПОВ от исходной концентрации загрязнений. Предельно-допустимая окисляемость воды после анионитов ограничивалась величиной 1,0-1,5 мг Ог/л.
По полученным изотермам сорбции были подсчитаны сорбционные емкости анионитов. Результаты определения сорбционных емкостей анионитов и условия проведения опытов приведены в табл. 4.4.
Сорбционные емкости анионитов и условия проведения опытов Марка анионита Сорбционная емкость, мг/г Условия проведения опытов АВ-29П 8,1 Фильтрование через слой анионита высотой 0,8 м с постоянной скоростью, равной 5 м/ч. Вода перед подачей на аниониты прошла коагулирование FeSC 4 при дозе 125 мг/л, отстаивание, фильтрование через антрацитовый фильтр с высотой загрузки 1,2 м и скоростью 8 м/ч. Бихроматная окисляемость воды перед анионитами составляла 7,0-9,1 мг СЬ/л
ИА-1 7,2 АВ-22 0,26 АВ-216 ГС 0,17 Как показали результаты эксперимента, сорбционная емкость ионитов снижается в ряду АВ-29П, ИА-1, АВ-22, АВ-216 ГС. При этом наибольшей сорбционной способностью обладает макропористый анионит марки АВ-29П.
Для регенерации анионитов использовался раствор, содержащий 5% NaOH и 10% NaCl. Бихроматная окисляемость воды после прохождения анионитов была в пределах 1,0-1,5 мг СЬ/л. Сорбционная емкость анионита АВ-29П после пяти циклов «сорбция-регенерация» снизилась по сравнению с другими сорбентами в наименьшей степени и была равной 55% от первоначальной. Этот макропористый анионит выпускается отечественной промышленностью, дешевле зарубежных аналогов и может быть рекомендован для эффективной глубокой очистки воды от ПОВ, находящихся в воде в коллоидном и растворенном состоянии.
Таким образом, применение воды ВО для питания котлов ТЭС КАТЭК возможно осуществить с использованием предложенных технологий очистки. При этом удаление основной части ПОВ целесообразно осуществлять на стадии коагулирования исходной воды. Доочистку воды от оставшихся после коагулирования ПОВ следует осуществлять последовательно на механических антрацитовых и сорбционных фильтрах с макропористым анио-нитом АВ-29П.
Анализ результатов исследований позволил отметить решающее влияние пористой структуры сорбентов на эффективность сорбции гумусовых соединений. Можно предположить, что одновременно реализуется несколько процессов: физическая адсорбция ядер гуминовых и фульвокислот на полимерной матрице, ионита за счет Ван-дер-Ваальсовых сил; физическая адсорбция в пустотах, образующихся при набухании полимерной матрицы (набухание обусловлено проникновением органических молекул больших размеров). Кроме того, учитывая что гуминовые и фульвокислоты являются слабыми электролитами, а функциональные группы анионитов имеют заряд, возможно химическое взаимодействие между карбоксильными группами органических кислот и ионогенными группами анионитов. В связи с тем, что гуминовые и фульвокислоты являются полифункциональными электролитами и имеют большие размеры, они блокируют функциональные группы анионитов, что приводит к «отравлению» сорбентов. Это подтверждается резким снижением сорбционной емкости низко пористых анионитов после первых циклов «сорбция-регенерация».
Экспериментальные исследования по осветлению воды на керамических фильтрах
Опытный патронный фильтр был установлен в цехе ХВО Красноярской ТЭЦ-2 и был включен параллельно механическим фильтрам марки ФОВ-3, 4-6, которыми оборудована станция. Эти фильтры используются в качестве второй ступени осветления воды, идущей для питания прямоточных котлов высокого давления (до 14 МПа). В качестве первой ступени осветления воды на станции используется осветлители со взвешенным осадком марки ВТИ-350, работающие в весенний паводковый период (май, июнь). В этот период для очистки воды добавляется коагулянт — сернокислый алюминий. В остальной период года осветление воды осуществляют по одноступенчатой схеме на механических антрацитовых фильтрах без применения коагулянта.
Осветленная вода после фильтров поступает на обессоливание, проходя последовательно Н-катионитные фильтры 1-ой ступени, ОН-анионитные фильтры 1-ой ступени, Н-катионитные фильтры 2-ой ступени, декарбониза-тор, ОН-анионитные фильтры 2-ой ступени, деаэратор. Обессоленная и дегазированная вода по питательной магистрали подается для питания котлов.
Конструктивно опытный патронный фильтр представляет собой цилиндрический вертикальный сосуд, работающий под давлением до 0,6 МПа.
Корпус фильтра изготовлен из углеродистой стали. Внутренняя поверхность фильтра, установленного после осветлителей со взвешенным осадком, имеет антикоррозионную защиту.
Конструкция опытного производственного патронного фильтра диаметром 1000 мм, показанная на рис. 5.24, состоит из следующих узлов: верхней крышки 1, корпуса 2, днища 3, трубной плиты 4, распределительной перегородки 5, керамических патронов 6, люка для осмотра 7, фланцевого разъема 8.
Опытный фильтр был изготовлен на базе корпуса фильтра ФИПа 1-1,0-6 Бийского котельного завода. Для этой цели он был переоборудован. Переоборудование фильтра заключалось в удалении из гнезд дренажных колпачков, вмонтированных в ложное днище. После этого в ложном днище делаются дополнительные отверстия для фиксации керамических элементов. В дальнейшем при эксплуатации ложное днище служит для распределения воды по площади фильтра. При установке стальной трубной плиты 4 в верхней крышке 1 фильтра, в ней предварительно делаются отверстия для крепления перфорированных стальных труб диаметром 80 мм. Перфорированные трубы служат для крепления при сборке отдельных керамических труб в патроны и сбора профильтровавшейся воды. Крепление трубной плиты 4 к верхней крышке 1 и перфорированных стальных труб к трубной плите было выполнено с помощью сварки.
Для равномерного распределения промывной воды при регенерации керамических патронов в верхней крышке 1 был установлен отбойный щиток (на рис. 5.24 он не показан). Для выпуска воздуха в верхней крышке 1 был установлен патрубок диаметром 32 мм. Для выпуска воздуха из корпуса фильтра был установлен патрубок диаметром 32 мм ниже трубной плиты 4 на 20 мм. Конструкция керамических патронов показана на рис. 5.21. В фильтре было установлено восемь керамических патронов. Каждый патрон собирался из пяти керамических труб высотой 0,5 м., с наружным диаметром 0,24 м., толщиной стенки 0,03 м. и размером пор 150 мкм. При сборке патронов использовались керамические трубы для распыления воздуха в аэ-ротенках, изготовленные на Кучинском комбинате керамических изделий. Керамические трубы нанизывались на стальную перфорированную трубу 3. Стенки между отдельными керамическими трубами и трубной плитой 1 уплотнялись резиновыми прокладками 2. Нижние концы стальных перфорированных труб заглушались стальными круглыми пластинками к которым были приварены штоки с резьбой 7.
Снизу патрон глушился стальной пластиной 5, которая подтягивалась гайкой 6 через шток с резьбой 7, соединенный с перфорированной трубой для сбора фильтрата. Такая конструкция патронного фильтра выгодна с точки зрения высокой степени использования.его объема для размещения поверхности фильтрования, и создает осевое предварительное напряжение в патроне, что увеличивает его механическую прочность при радиальных нагрузках, возникающих при фильтровании и особенно регенерации патронов.
Площадь фильтрования одного патрона составляла 1,65 м\ Общая площадь фильтрования равнялась 13,2 м".
Обвязка фильтра была выполнена из стальных труб из расчета обеспечения пропуска расходов воды при фильтровании и регенерации керамических элементов. Кроме этого, был установлен подводящий трубопровод сжатого воздуха или пара для использования их при регенерации.
Запорно-регулирующая арматура при оборудовании патронного фильтра не отличалась от арматуры обычных осветлительных фильтров.
Исходная вода в режиме осветления подавалась в корпус фильтра снизу, распределялась по его площади при помощи перфорированной перегородки 5, фильтровалась внутрь патронов и отводилась из них перфорированными трубами в верхнюю часть фильтра. При этом взвешенные вещества задерживались пористой керамикой.
В режиме регенерации фильтра сжатый воздух, пар и промывная вода подавались обратным током, т.е. изнутри керамических элементов наружу.
Регламент проведения испытаний патронного фильтра- был составлен на основе всестороннего анализа ранее полученных результатов /207-213/.
Проведение испытаний опытного фильтра осуществлялось в следующей последовательности: в начале проводилось медленное заполнение фильтра исходной водой в течение 15-20 минут для постепенного вытеснения воздуха из пор керамических элементов. При этом воздух из корпуса фильтра отводился через «воздушник», расположенный в верхней крышке фильтра. После этого «воздушник» частично закрывался и в дальнейшем использовался для отбора проб осветленной воды на анализы. По окончании заполнения фильтра водой начинался короткий период «вработки» его в осветление воды. «Вработка» фильтра:- заключалась в том, что фильтрование осуществлялось с нулевых скоростей и постепенно (в течение-10-20 мин.) доводилось до рабочей скорости.
