Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Малоотходные комплексы водопользования на ТЭС 11
1.1 Современное состояние водопользования на ТЭС 12
1.2 Водоподготовительные установки ТЭС 18
1.2.1 Предварительная очистка 19
1.2.2 Подготовка добавочной воды котлов и подпиточной воды тепловых сетей 21
1.2.2.1. Ионный обмен 21
1.2.2.2. Мембранные методы подготовки воды 24
1.2.2.3. Термическая водоподготовка 27
1.3 Создание малоотходных комплексов водопользования на ТЭС ...28
Глава 2. Опытно-промышленные исследования на Казанской ТЭЦ-3 34
2.1. Схема ВПУ Казанской ТЭЦ-3 с утилизацией сточных вод 34
2.2. Опытно-промышленное исследование процессов приготовления регенерационного раствора из сточных вод и регенерации им натрий-катионитных фильтров 42
2.3. Опытно-промышленное исследование процессов кристаллизации гипса из сточных вод натрий- и водород-катионитных фильтров 50
2.4. Опытно-промышленное исследование работы осветлителя на смеси сточных вод 59
Глава 3. Разработка рекомендаций по повышению эффективности работы малоотходного комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3 .64
3.1. Разработка методики и программы расчета для оптимизации малоотходной схемы водопользования Казанской ТЭЦ-3 65
3.2. Предложения по повышению эффективности работы малоотходного комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3 .79
Глава 4. Разработка и исследование малоотходных комплексов водопользования наТЭС 85
4.1. Разработка малоотходного комплекса водопользования на базе ионообменного и термического обессоливания 91
4.2. Разработка малоотходного комплекса водопользования на базе мембранных и термических методов обработки воды 94
4.3. Разработка малоотходного комплекса водопользования на базе термического метода обработки воды 97
4.4. Разработка методики и программы расчета малоотходных комплексов водопользования 99
4.5. Определение оптимальных условий применения разработанных комплексных схем. Сравнение их экологической и экономической эффективности 101
Заключение 113
Список литературы 115
Приложение А 129
- Создание малоотходных комплексов водопользования на ТЭС
- Опытно-промышленное исследование процессов кристаллизации гипса из сточных вод натрий- и водород-катионитных фильтров
- Предложения по повышению эффективности работы малоотходного комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3
- Разработка малоотходного комплекса водопользования на базе мембранных и термических методов обработки воды
Введение к работе
Предприятия электроэнергетики являются одним из основных потребителей природных ресурсов и источником негативного воздействия на окружающую среду. За 2008г. суммарный забор воды из природных водоисточников составил 80,3км3, сброс сточных вод (СВ) - 52,0 км3 . Из них на производство и распределение электроэнергии, газа и воды приходится: забор воды - 44,9KMJ, сброс СВ - 37,8км3, из них загрязненных СВ - 9км3, нор-мативно чистых - 27,6 км , нормативно очищенных - 1,1 км [1]. При этом размеры платы за забор воды и сброс загрязняющих веществ значительны [2]. В связи с этим весьма актуальной становится задача сокращения водопо-требления и сброса СВ. Решением её является создание малоотходных комплексов водопользования, позволяющих максимально использовать поступающую в технологический цикл воду и сократить сброс СВ и содержащихся в них компонентов.
Проблема загрязнения водоёмов актуальна для большинства промыш-ленно развитых стран. Однако подход к её решению в этих странах различен. Так, в Европе, где большинство крупных рек проходит через территорию нескольких стран, предотвратить сброс СВ в них достаточно сложно. В этих условиях предпочтение отдаётся внутренним источникам воды, а СВ перед сбросом очищают только от наиболее токсичных компонентов. Характерен в этом отношении пример Германии, где питьевое снабжение осуществляется преимущественно из озер, артезианских скважин или береговым фильтражом [3]. Зачастую и для технического водоснабжения используют артезианскую воду вместо речной. В этих условиях предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ для водоёмов Германии оказались значительно выше, чем для большинства регионов России. Иная картина наблюдается в США, где законодательство по охране природных водоисточников является более строгим и постоянно ужесточается. Создана система государственного контроля состояния водоёмов, действующая с 1966г. Осуществляется целенаправленная подготовка специалистов по защите водоёмов от загрязнения. Интенсивно развиваются предприятия, специализирующиеся на выпуске оборудования по очистке стоков и другой экологической техники [3].
Для тепловых электростанций (ТЭС) актуальна задача не только сокращения потребления природной воды и снижения сбросов СВ, но и ограничения содержания в них минеральных солей. Характерным примером в этом отношении является р.Москва, минерализация воды которой в пределах г.Москвы увеличивается более чем в 2 раза по сравнению со входом реки в черту города [3]. Негативное воздействие этого фактора ощущают не только флора и фауна реки, но и промышленные предприятия, расположенные на её выходе из города. Рост минерализации увеличивает затраты на обработку воды и количество сточных вод.
Основная часть воды используется на ТЭС для охлаждения конденсаторов турбин и вспомогательного оборудования. Сокращение этой части вод в комплексе водопользования ТЭС реализуется применением оборотных систем охлаждения (СОО). При этом появляется возможность утилизировать в СОО ливневые и талые воды с территории ТЭС, а также технологические за-мазученные и замасленные сточные воды после соответствующей очистки по существующим технологиям.
Дальнейшее сокращение водопотребления возможно за счёт использования продувочной воды СОО в качестве исходной воды водоподготовитель-ных установок (ВПУ). В технологическом цикле ТЭС используется сверхчистая глубоко обессоленная вода для питания котлов и умягчённая вода для подпитки тепловых сетей. Подготовка воды такого качества в основном осуществляется путем ионного обмена, что связано с применением химических реагентов и образованием большого количества минерализованных сточных вод. Такие воды содержат значительное количество хлорид- и сульфат-ионов, имеющих жесткое ограничение по ПДК. Кроме негативного влияния на биологические организмы, сульфаты и хлориды оказывают разрушающее воздействие на конструкции из бетона и железа. В связи с этим в последнее время уделяется повышенное внимание и другим технологиям получения обессоленной воды — мембранным и термическим. Применение их позволяет значительно сократить количество используемых реагентов и сброс солей со сточными водами.
Экономическая и экологическая эффективность технологий обработки воды и всего малоотходного комплекса водопользования на ТЭС во многом зависит от конкретных условий её эксплуатации. В этих условиях разработка и исследование соответствующих решений являются актуальными.
Цель работы
Диссертация посвящена разработке и исследованию малоотходных комплексов водопользования на ТЭС с использованием наиболее перспективных технологий обработки воды, позволяющих снизить негативное воздействие ТЭС на гидросферу.
Задачи работы:
• исследовать в опытно-промышленных условиях процесс приготовления регенерационного раствора из продувочной воды испарителей и СВ от натрий-катионитных фильтров и регенерации этих фильтров полученным раствором;
• исследовать в опытно-промышленных условиях процесс кристаллизации гипса из сточных вод натрий- и водород-катионитных фильтров;
• исследовать в опытно-промышленных условиях работу осветлителя при подаче в него продувочной воды СОО и смеси СВ ВПУ;
• разработать предложения по повышению эффективности работы малоотходного комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3;
• разработать малоотходные комплексы водопользования на ТЭС на базе наиболее перспективных технологий обработки воды и результатов выполненных исследований;
• разработать методику и программу расчета малоотходных комплексов водопользования, определить с её помощью оптимальные условия их применения, провести анализ экологической и экономической эффективно 8 сти различных схем ВПУ с пониженным сбросом СВ и загрязняющих веществ.
Научная новизна работы
Впервые в отечественной практике получены данные опытно-промышленных исследований работы комбинированной ВПУ на Казанской ТЭЦ-3, включающей подготовку воды химическим, термическим и ионообменным методами, с утилизацией основной части СВ. Определены оптимальные условия приготовления регенерационного раствора из СВ и его использования для регенерации натрий-катионитных фильтров, выделения из СВ от регенерации натрий- и водород-катионитных фильтров минеральных компонентов в виде гипса и гидроксида магния, работы осветлителя на смеси СВ разного типа.
Разработаны три варианта малоотходных комплексов водопользования на ТЭС с применением химических, ионообменных, мембранных и термических технологий обработки воды. С помощью компьютерных исследований выявлено влияние технологических показателей (состав исходной воды, тип и производительность ВПУ, степень упаривания воды в СОО и др.) на эффективность применения разработанных схем. Показана экономическая и экологическая целесообразность применения технологии утилизации сточных вод с выделением минеральных компонентов в виде гипса при создании ВПУ с пониженным сбросом СВ и загрязняющих веществ.
Практическая ценность работы
Разработаны предложения по повышению эффективности работы комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3. Разработаны методика и программа расчета малоотходных комплексов водопользования на ТЭС, позволяющие оценить материально-солевые балансы различных вариантов схем и выбрать оптимальный. Результаты исследований, а также разработанные автором схемы и программа для их расчета могут быть использованы проектными и научно-исследовательскими организациями при создании малоот 9 ходных комплексов водопользования как на существующих ТЭС и других производствах в процессе их реконструкции, так и при сооружении новых.
Достоверность изложенных в диссертации основных научных и практических положений обеспечивается обоснованностью использованных методик и результатами экспериментальных и опытно-промышленных исследований, применением штатных методов химического анализа, а также использованием расчетно-теоретических методик, разработанных ведущими специалистами и организациями.
Основные положения, выносимые на защиту:
• результаты опытно-промышленных исследований на Казанской ТЭЦ-3; три варианта малоотходных комплексов водопользования на ТЭС;
• методика расчета малоотходных комплексов водопользования на ТЭС;
• результаты расчетов по определению оптимальных условий применения разработанных комплексных схем, а также сравнения их экологической и экономической эффективности.
Личный вклад автора
Обработаны и проанализированы результаты опытно-промышленных исследований на Казанской ТЭЦ-3. Разработаны предложения по повышению эффективности работы комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3. Разработаны комплексные схемы водопользования с утилизацией сточных вод на базе химической, ионообменной, обратноосмотическои и термической технологий водоподготовки. Разработаны методика и программа расчета, позволяющие оценить показатели работы малоотходных комплексов водопользования. Проведена сравнительная оценка экологической и экономической эффективности разработанных схем.
Апробация работы
Положения диссертационной работы были представлены: на 14-й, 15-й и 16-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 2008-2010 гг.), VII Международной научной конферен 10 ции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2009г.).
Публикации
Основное содержание работы отражено в 6 публикациях.
Создание малоотходных комплексов водопользования на ТЭС
Обратный осмос относится к способам обессоливания воды, вызывающим сегодня повышенный интерес [43-48]. Методы обратного осмоса и ультрафильтрации заключаются в фильтровании растворов через специальные полупроницаемые мембраны. В основу процесса обратного осмоса положено явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя через специальную полупроницаемую перегородку (мембрану) в раствор. Чтобы осуществить обработку воды обратным осмосом нужно, создав избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу. При ультрафильтрации минимальные размеры задерживаемых частиц на порядок больше [49-54].
В 1999г. в промышленную эксплуатацию включены установки обратного осмоса (УОО) производительностью 1ббт/ч на Нижнекамской ТЭЦ-1 [55] и 50т/ч на Воронежской ТЭЦ-1. Более длительный срок эксплуатации имеет УОО производительностью 50т/ч на ТЭЦ-23 Мосэнерго. Установки обратного осмоса имеют высокий коэффициент готовности, легко поддаются автоматизации; их работа мало зависит (по сравнению с ионным обменом) от колебаний качества исходной воды [50,56-62].
Компактность и высокие экологические показатели можно отнести к главным преимуществам данного метода. Кроме того, сегодня разработаны малонапорные мембраны, работающие при температуре 20-30 С и давлении 0,7 МПа, что снижает требования к качеству материалов аппаратов и трубопроводов [63,64].
Однако, степень очистки воды этим методом обычно не превышает 99 %, и часто требуется дообессоливание пермеата. Высокие требований к качеству предварительной очистки воды зачастую трудно обеспечить на отечественных ВПУ [57-59,65].
Электродиалаз воды является своеобразным вариантом классического метода ионного обмена, основанный на явлении переноса ионов электролита через селективные мембраны под действием постоянного электрического тока [66-75]. В зависимости от знака заряда матрицы ионита и исходного вещества мембраны подразделяют на катионитные и анионитные. Анионообмен-ная мембрана содержит катионные группы, фиксированные в матрице смолы. Заряд фиксированных катионов нейтрализован зарядом подвижных анионов, находящихся в порах смолы. При погружении такой мембраны в раствор электролита анионы раствора могут внедряться в матрицу смолы и замещать первоначально присутствующие в ней анионы, проникновению же катионов препятствуют силы отталкивания их фиксированными в смоле катионами.
Аналогично действуют катионообменные мембраны. Они содержат фиксированные анионные группы, которые не препятствуют внедрению и обмену катионов из внешней среды, но исключают подобные процессы с участием анионов.
В процессе электродиализа происходит извлечение катионов и анионов из воды, их разделение, отвод и образование обессоленной воды. Электродиализ можно отнести также к мембранным методам обработки воды, которые включают в себя обратный осмос и ультрафильтрацию.
Для установок электродиализного обессоливания воды можно указать те же недостатки и преимущества, что и для обратного осмоса. Кроме того, степень очистки воды на современных электродиализных установках обычно невысока [73-77]. Результаты опытов по обработке солоноватой воды для получения питательной воды котлов с помощью электродиализа приведены в [78-83].
Электродеионизация. Существуют данные о применении электродиализа с заполнением секций установки ионообменными смолами. Такой путь усовершенствования электродиализа был выбран Уотерсом и другими [84] для концентрирования радиоактивных отходов. Сэммон и Уаттс [85] детально исследовали электродеионизацию радиоактивных отходов при заполнении секций электродиализатора смешанным слоем ионообменных смол с целью снижения напряжения. Есть данные о том, что ЭДИ может дополнить технологии ИО и обратного осмоса [86-88]. Процесс в сочетании с процедурой обратного осмоса позволяет исключить применение химических реагентов, отказаться от недостаточно эффективной традиционной технологии ионного обмена и снизить затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования. Обратный осмос в технологической цепи стоит перед установкой ЭДИ. Процесс очистки в установке ЭДИ осуществляется путем комбинации электродиализных мембран и ионообменных смол, образующих единую электрически питаемую систему. В этой технологии происходит непрерывная регенерация смолы в разбавительных камерах электродиализатора.
Эффективным методом обессоливания вод с повышенным солесодер-жанием является термический метод [89-92]. К преимуществам этого метода относятся также незначительная зависимость показателей его работы от со-лесодержания исходной воды и возможность организации на его основе системы водоснабжения ТЭС с «нулевым» сбросом [4]. При термическом обес-соливании из воды, содержащей различные растворённые в ней вещества, производят пар, который затем конденсируют, получая дистиллят. В настоящее время в основном дистиллят производят из воды, предварительно умягчённой на ионитных фильтрах [12,93].
Отечественный и мировой опыт показывает, что в зависимости от конкретных условий термическое обессоливание может быть использовано на стадии обработки как исходной, так и сточных вод, т.е. в каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход.
Наиболее широкое применение термический метод водоподготовки нашел в области опреснения морских и высокоминерализованных вод [94-97]. Это обусловлено тем, что в случае использования химических методов для обработки таких вод требовался бы очень большой расход реагентов.
Опытно-промышленное исследование процессов кристаллизации гипса из сточных вод натрий- и водород-катионитных фильтров
Известкование, коагуляция и осветление части продувочной воды СОО для ИО и подпитки теплосети выполняются по существующей схеме (осветлители 1, баки осветленной воды 2 и механические фильтры 3). Подготовка необходимого количества обессоленной воды в установке ИО и для подпитки тепловой сети проводится также по существующей схеме, описанной выше.
Подготовка воды для ИУ осуществляется следующим образом. В осветлитель 1а подается продувочная вода СОО и смесь СВ ВПУ после соответствующей обработки, где СВ подвергаются известкованию и коагуляции. ИКВ собирается в баке 2а, осветляется в механических фильтрах За, умягчается в натрий-катионитньгх фильтрах 5, собирается в баке химочищенной воды 6 и обессоливается в ИУ 7.
Дистиллят ИУ смешивается с химобессоленной водой и подается на подпитку котлов, а концентрат ИУ, солесодержание которого составляет 60...80 г/м , собирается в баке 8. Расчетное количество концентрата перекачивается в бак-реактор 9, где в определенной пропорции смешивается с частью регенерационных сточных вод натрий-катионитных фильтров из бака 10. В результате взаимодействия этих двух потоков образуется сложный по составу осадок, содержащий в основном карбонаты, гидраты, кремнекислые и органические соединения кальция, магния и железа. Осадок отделяется от раствора и перекачивается в бак 13. Осветленный раствор собирается в баке 11 и после подкисления и фильтрации в механических фильтрах 12 используется для регенерации натрий-катионитных фильтров 5.
Для стабилизации по сульфату кальция отработанный регенерацион-ный раствор с фильтров 5 и часть отмывочных вод с кальциевой жёсткостью более 30 мг-экв/л пропускаются через взвешенный слой гипса в Кр 14 и собираются в баке 10. Менее жесткие отмывочные воды подаются в бак 2а.
Концентрированная часть кислых сточных вод Н-фильтров установки ИО направляются в КрН 15, где во взвешенном слое гипса нейтрализуются известковым молоком и после отделения основной части образовавшегося осадка стабилизированные по гипсу сточные воды поступают в бак 13. Сюда же подается часть раствора вместе с осадками из баков 9-11.
После усреднения смесь из бака 13 вместе с осадком подаётся в ТХУ 16, где во взвешенном слое гипса нагревается паром до 40...60 С и насыщается известью. Это обеспечивает практически полное выделение магния в виде гидроксида и осаждение основной части кальция в виде гипса. Для предотвращения выноса наиболее мелких частичек гипса этот щелочной раствор доосветляется в пластинчатом осветлителе, расположенном в верхней части аппарата 16, и используется вместе с известковым молоком для обработки воды в осветлителе.
Щелочные СВ ИО собираются в отдельном баке (на рис.2.2 не показан) и равномерно подаются в осветлитель. Воды от взрыхления механических и ионообменных фильтров, а также маломинерализованная часть СВ водород 39 катионитных фильтров собираются в баках 17 и смешиваются с продувочной водой СОО перед осветлителем 1 а.
Известковые шламы из осветлителей подаются на шламонакопитель с возвратом воды в СОО. Осадки из аппаратов 14—16, основным компонентом которых является гипс, поступают в два бункера (на рис.2.2 не показаны), где вода фильтруется естественным путем через специальную дренажную систему в приямок и через кристаллизатор 15 подается в бак 13. Гипс, остаточная влажность которого после такого обезвоживания в бункере составляет 25...30%, вывозится автотранспортом для дальнейшей переработки.
Пуско-наладочные работы по данной схеме проводились сотрудниками ООО «Инженерный центр Энергопрогресс», Казанской ТЭЦ-3 при участии специалистов ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), ЗАО «Центр ПОТЭСТ» и ОАО «ВНИ-ПИЭнергопром». Автоматизация ВПУ Казанской ТЭЦ-3. В 2005-2008гг. специалистами ЗАО «Энергосистематехника-2000» проводились работы по созданию автоматизированной системы управления (АСУ) ВПУ Казанской ТЭЦ-3, структурная схема которой приведена на рисунке 2.3 [111]. Спецификой УУСВ является большое разнообразие типов основного и вспомогательного оборудования, наличие поперечных связей между группами оборудования, наличие промежуточных баков. Комплекс технологического оборудования состоит из 9 функционально обособленных узлов. Учитывая количество сигналов и территориальное расположение узлов, в составе АСУ выделено четыре отдельные подсистемы автоматизации (рисунок 2.3): 1) ОС - узел осветлителей; 2) МФ - узел механических фильтров (МФ); 3) НФ - узлы Na-катионитных фильтров, механических фильтров осветления регенерационного раствора и выделения гипса; 4) CO - узлы приготовления регенерационного раствора, сбора жестких СВ Na-фильтров, продувочной воды ИУ, сбора и усреднения взрыхляющих СВ механических и Na-фильтров и СВ фильтров установки ИО.
Клиент Комплекс технических средств АСУ имеет распределенную структуру и построен по функционально-географическому принципу. Он имеет два уровня иерархии: верхний, образованный рабочей станцией, и нижний, состоящий из контроллеров, датчиков, приборов качественного и количественного контроля и исполнительных механизмов. Рабочая станция представляет оператору средства визуализации состояния технологического процесса и управления им в одном из выбранных режимов, а также средства архивирования технологической информации, расчета технико-экономических показателей и связи со станционным сервером.
Программируемые контроллеры являются ядром АСУ, обеспечивающим реализацию функций оперативного управления объектом. Контроллеры осуществляют ввод сигналов от датчиков (приборов) качественного контроля и датчиков положения регулирующей арматуры, сигналов состояния исполнительных механизмов, с помощью загруженного в них программного обеспечения; обрабатывают их в соответствии с заданными алгоритмами и выдают управляющие воздействия на исполнительные механизмы.
Комплекс приборов аналогового контроля снимает установленный перечень параметров, характеризующих технологический процесс, и выдает их в унифицированной форме.
Комплекс исполнительных механизмов АСУ образован набором электрифицированных отсечных и регулирующих задвижек, центробежных и дозирующих насосов. Регулирующие задвижки обеспечивают плавное изменение расхода обрабатываемой воды, давления в магистралях. Дозирование реагентов осуществляется с помощью частотных инверторов. Отсечные задвижки обеспечивают необходимые переключения для реализации заданных технологических режимов. Центробежные насосы обеспечивают транспортировку рабочего тела в соответствии с требованиями технологического процесса.
АСУ ВПУ Казанской ТЭЦ-3 обеспечивает обслуживание 1088 входных и 960 выходных дискретных сигналов, 112 входных и 24 выходных аналоговых сигналов и 114 входных цифровых сигналов RS485.
Предложения по повышению эффективности работы малоотходного комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3
Исследование процесса выделения гипса из регенерацыонных СВ натрий-катионитных фильтров. Регенерация натрий-катионитных фильтров осуществляется раствором с повышенным содержанием сульфата натрия. В результате в отработанном регенерационном растворе и части отмывочных вод содержание сульфата кальция значительно превышает растворимость стабильной в данных условиях его двуводной модификации (CaS04 2H20 -гипс). Для защиты оборудования от отложений гипса и возможности последующего использования в процессе приготовления регенерационного раствора регенерационные сточные воды натрий-катионитных фильтров пропускаются через взвешенный слой гипса в Кр.
Конструкция Кр разработана на базе известных вихревых реакторов, при известковании воды (рисунок 2.12). Специфической особенностью данных аппаратов является небольшой угол конусности конуса, составляющий 18-20. Такой угол конусности соответствует углу естественного расширения потока воды, что обеспечивает поддержание контактной присадки во взвешенном состоянии по всему сечению аппарата [115].
Ранее проведенные лабораторные исследования, а также опытно-промышленная апробация этой технологии показали следующее: при сформированном контактном слое частички гипса имеют оптимальный диаметр 0,5-1,5мм, который может регулироваться режимами нижней и верхней продувки Кр [116]. Уменьшение продувки из нижней части аппарата приводит к увеличению среднего размера частиц гипса, а её увеличение - к его уменьшению и необходимости увеличения продувки из верхней части Кр. При оптимальном размере частичек гипса осветление раствора обеспечивается при скорости потока в верхней цилиндрической части до 50 м/час. Однако при этом для обеспечения необходимого времени контакта сточных вод и частичек гипса цилиндрическая часть Кр должна быть увеличена. Необходимо так же учитывать, что с увеличением скорости потока увеличивается расширение контактного слоя и уменьшается его удельная поверхность отнесенная к единице объема Кр. Результаты исследований, показали, что регенерацию на-трий- фильтров целесообразно проводить с интенсивностью 10-12 м /(м -час). Такая удельная нагрузка принята и в Кр. При этом подъемная скорость потока в верхней части аппарата составляет 10-12 м/час.
Для полного удаления частичек гипса из стабилизированных СВ предусмотрено её доосветление в баке 10 с коническим днищем (рисунок 2.2). В результате, даже наиболее мелкие частички гипса, в случае их выноса, осядут в конической части бака 10 и не приведут к нарушению процесса приготовления регенерационного раствора в баке-реакторе 9. По мере накопления осадка в баке 10 он перекачивается в бак 13. Выполненные предварительно исследования по кристаллизации гипса показали, что равновесная концентрация гипса в данных условиях соответствует содержанию кальция 28-30 мг-экв/л. Поэтому в Кр направляется только та часть регенерационных СВ, концентрация кальция в которых превышает указанную величину. Подача в Кр этой части СВ осуществляется непосредственно в процессе регенерации натрий-фильтров.
Процесс осуществляется следующим образом: при регенерации на-трий-катионитных фильтров первые порции СВ с содержанием кальциевой жесткости менее ЗОмг-экв/дм направляются в бак 2а. При достижении кальциевой жесткости в регенерационном растворе на выходе фильтра более 30мг-экв/дм3, регенерационные воды направляются в Кр. Далее в процессе отмывки фильтров, когда кальциевая жесткость воды на выходе из фильтра снижалась до значения менее ЗОмг-экв/дм , отмывочные воды направляются в бак 2а.
Пуско-наладочные работы на Кр жестких СВ начались в декабре 2008г. в качестве первичной контактной массы в Кр был загружен песок. На рисунке 2.13 показано изменение кальциевой жесткости на входе и выходе аппарата при подаче в него СВ натрий-катионитного фильтра (Приложение Б). Был отмечен вынос части кристаллов гипса из аппарата. Причиной этого могло быть недостаточное количество присадки в Кр, а также неоптимальный режим продувок Кр из нижней и верхней точек. Предварительные исследования показали, что удельный объем шлама должен составлять около 0,15-0,18 м на 1 м /ч расхода сточных вод. В результате процесс образования зародышей гипса протекал с низкой интенсивностью и основная часть его кристаллизовалась выше слоя песка в виде мелких кристаллов, выносимых водой. В результате процесс увеличения контактного слоя гипса в Кр протекал медленно.
На Казанской ТЭЦ-3 установлено два КрН, один из которых также может использоваться как Кр. В этом КрН был накоплен гипсовый шлам от об-работки СВ водород-катионитных фильтров ИО (около 12м). СВ Na-фильтров стали подаваться в этот КрН (Приложение В). Анализ результатов показал, что процесс выделения гипса из СВ в этих условиях протекает более интенсивно (рисунок 2.14). Исследования показали, что от одной регенерации из СВ выделяется в среднем 400кг гипса, часть которого выносится в бак 10. При этом в осветленной воде в баке 10 содержание кальция составляет в среднем бОмг-экв/дм , что оказалось выше ожидаемых ЗОмг-экв/дм , но не мешало его использованию для приготовления регенерационного раствора. Работы по оптимизации режима эксплуатации Кр продолжаются.
Разработка малоотходного комплекса водопользования на базе мембранных и термических методов обработки воды
Использование на ВПУ Казанской ТЭЦ-3 в качестве исходной воды продувки СОО позволяет утилизировать содержащееся в ней тепло, сокращает потребление исходной воды и сброс СВ. Применение термического обес-соливания в этих условиях обеспечивает высокие экологические показатели при подготовке добавочной воды котлов. При этом ИУ работает в базовом режиме, а установка ИО позволяет регулировать суммарную производительность ВПУ. Однако при существующей схеме утилизации СВ имеются ограничения по производительности установки ИО по отношению к общей производительности ВПУ. С одной стороны ИО обеспечивает ввод реагентов, необходимых для выведения солей жесткости. С другой стороны, с увеличением нагрузки ИО возрастает количество щелочных СВ, которые направляются в осветлитель 1а (рисунок 2.2).
При подаче в осветлитель 1а смеси СВ солесодержание обрабатываемой воды повышено. Использование известкования позволяет удалить из нее основную часть щелочности и жесткости. Введение щелочных СВ, содержащих Са(ОН)2 и NaOH, позволяет сократить количество дозируемой в осветлитель извести. Однако при увеличении доли установки ИО в общей выработке обессоленной воды возрастает поступление едкого натра в осветлитель 1а, что в конечном итоге приводит к условиям, когда щелочность исходной воды превышает её жесткость. В связи с этим потребовалось определить оптимальное соотношение производительности ИО к общей производительности ВПУ, при котором в осветлителе 1а будут максимально снижены щелочность и жесткость обрабатываемой воды.
На основе результатов проведенных исследований работы комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3 была разработана математическая модель и программа расчёта в среде Excel для определения оптимальных условий организации его эксплуатации.
В настоящее время существуют различные методики и программы расчета ВПУ. Они написаны для различных условий, определяемых целями исследований, проводимых их авторами. Технологическая схема комплекса водопользования Казанской ТЭЦ-3 имеет сложную структуру. Она предусматривает подачу смеси СВ ВПУ в осветитель ИУ. В результате меняется состав исходной воды, подаваемой на термическое обессоливание, и материально-солевой баланс всей схемы. Чтобы оценить это влияние необходимо провести комплексный расчет. Технология утилизации СВ с выделением ионов жесткости и сульфатов в виде гипса в Кр, КрН и ТХУ является уникальной, и на данный момент широко не внедрена, находится на стадии исследования и промышленной апробации. Поэтому для расчета показателей работы схемы ВПУ потребовалось разработать методику и программу расчета, которая позволит определить показатели в различных частях схемы и отследить их изменение по стадиям обработки, сделать сравнительные расчеты ВПУ при различных исходных данных.
Расчетная схема сложна, расчет имеет сложную структуру, требуется вычисление большого количества параметров при изменяющихся входных данных. MS Excel в этом случае позволяет рассчитать большое количество вариантов, внести изменения, при этом видны результаты расчета показателей на всех стадиях обработки воды, позволяет просто выполнить итеративное вычисление, позволяет получить достаточную точность расчетных данных (например, точность вычисления концентраций и расходов потоков ограничивается специально, т.к. она превышает чувствительность лабораторных методов и приборов анализа химического состава воды и измерения расхода потоков). Точность вычислений для оценочного расчета достаточна. Кроме того, данная программа широко распространена, не требует специальной покупки лицензионного дорогостоящего продукта — входит практически для любого пользователя в стандартный пакет установленных программ.
Входными данными для расчета параметров схемы являются справочные и эксплуатационные данные, результаты проведенных исследований, требования ПТЭ [12]. Расчет базируется на уравнениях неразрывности и материальных и солевых балансов. На основе широко известных методик [11] расчета были построены математические модели отдельных элементов схемы: - концентрирование в СОО; - процесс коагуляции и известкования в осветлителе; - химическое ионообменное обессоливание; - натрий-катионитное умягчение; - термическое обессоливание в испарительной установке; - узел приготовления регенерационного раствора из концентрированных сточных вод; - узел стабилизации отработанного регенерационного раствора в Кр; - узел нейтрализации и стабилизации отработанных концентрированных кислых регенерационных сточных вод в КрН; - узел термохимического умягчения жестких сточных вод в ТХУ; - узел усреднения сточных вод перед подачей их в осветлитель. При построении программы расчета отдельные элементы объединялись в единый алгоритм, согласно расчетной схеме ВПУ. При этом выходные параметры элементов схемы являлись входными для следующих за ними в схеме ВПУ элементов. Для сокращения числа итеративных циклов последним рассчитывалась работа осветлителя на смеси исходной (продувочной воды СОО) и СВ. Полученный в результате состав ИКВ являлся исходным для следующего итеративного цикла (рисунок 3.1).
