Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. В современных условиях индустриализации общества, роста объемов промышленного производства, развития энергетики, повышения требований к, качеству воды п энергетических системах и комплексах и повышения уровня комфортности среды обитания человека, проблемы водоснабжения населения и индустриальных центров приобретают все нарастающую остроту.
Однако проблема водоснабжения не сводится лишь к устранению дефицита пресной воды. Рост водоиотрсбления приводит к увеличению объемов сточных вод, которые, попадая в природные водоемы, повышают их общее со-лесодержание.
Основными потребителями технической воды в энергетических системах и комплексах являются системы оборотного охлаждения и водоподготовитель-ные установки. Указанные потребители являются источниками минерализованных сточных вод, обезвреживание которых осуществляется в основном разбавлением, а обработка воды связана с затратами на реагенты. В связи с этим как во всем мире, так и в России ощущается дефицит пресной поды и глобальное экологическое загрязнение поверхностных и подземных вод, поэтому все большее признание получает концепция внедрения малоотходных технологий, замкнутых производственных циклов, широкое использование вторичных ресурсов и т. п.
Отсутствие достаточных ресурсов пресной воды в районах нефтедобычи ограничивает возможность применения паротепловых методов повышения нефтеотдачи истощенных месторождений. Но в этих районах обычно имеются достаточные ресурсы минерализованных вод, поэтому их использование для питания парогенераторов в теплоэнергетике является весьма перспективным, несмотря на более высокие затраты на обработку минерализованных вод по сравнению с пресными.
Таким образом, проблема дефицита пресной воды может быть также решена получением ее из морских и пластовых вод.
Объект исследования. Способы подготовки питательной воды в теплоэнергетике. Термоопреснительные установки и тепловые схемы ТЭС, ТЭЦ, паровых котельных и нефтепромысловых теплогенераторов. Природные воды (пресные и минерализованные) различных классов и сточные воды ХВО. Процессы в установках непрерывного ионного обмена с неподвижным слоем попита. Синтетический катионит КУ-2-8. Электролизер.
Изучаемые явления. Процессы комплексной обработки пресных и минерализованных природных вод и сточных вод ХВО: осаждение при электролизной обработке растворов; термодинамический анализ работы термоопресни-тельпых установок и тепловых схемах ТЭС, ТЭЦ, паровых котельных и нефтепромысловых теплогенераторов; использование продувки ТОУ для регенерации катионита; ионный обмен при сорбционных и дссорбциоппых процессах в колоннах в процессах непрерывного ионного обмена.
Цель исследования. Разработка научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по обработке воды в энергетических системах и комплексах, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
Задачи исследования:
разработка, на основе системного анализа, классификации вод и структуры комплекса технологических процессов и оборудования для совершенствования процессов обработки пресных и минерализованных природных и сточных вод ХВО в теплоэнергетике;
разработка и анализ способов экологического и технико-экономического совершенствования процессов обработки пресных и минерализованных природных и сточных вод ХВО в теплоэнергетике;
разработка методики расчета термоопрсспительпой установки;
разработка методик исследования и расчета процесса умягчения минерализованных вод иоиитами как физико-химической системы, включающих: методики исследования и расчета ионообменного равновесия системы Na* — Са2* - Mg21 с катионитом; методику расчета рабочей обменной емкости поглощения катионита КУ-2-8 при натрий-катионитовом умягчении минерализованных вод; методику расчета коэффициентов внешней и внутренней диффузии парного обмена Са2*- Na* и Mg2*— Na* при работе ионообменного фильтра для катионита КУ-2-8; методику расчета высоты «работающего» слоя катионита КУ-2-8 в колонне в динамических условиях.
Научная новнчна выполненной работы заключается в следующем:
- предложена классификация вод и структура комплекса технологиче
ских процессов и оборудования для совершенствования процессов обработки
пресных и минерализованных природных и сточных вод ХВО, включающая из
вестные и вновь разрабатываемые технологические процессы;
разработан способ, отличающийся от известных тем, что для его реализации впервые используется в содово-регенерационном методе обработки воды на предочистке станции электролизная обработка продувочной воды теплогенератора или термоопрсспительпой установки;
разработан метод термоопреснения минерализованных вод, отличающийся тем, что осуществляется с глубоким-умягчением минерализованных вод па установке непрерывного ионного обмена с неподвижным слоем ионита, регенерируемого продувочной водой термоопрсспительпой установки, а параметры пара вторичного вскипания последней ступени опреснения позволяют полезно использовать теплоту в тепловых схемах ТЭЦ, паровых котельных и нефтепромысловых теплогенераторов;
предложена методика расчета термоопрсенительных установок мгновенного вскипания, которая позволяет выполнять инвариантные расчеты без усрелнения параметров циркулирующего раствора для различных целевых функций (одинаковые поверхности нагрева ступеней ТОУ; минимальная общая поверхность; достаточность величины продувки для обеспечения регенерации
фильтров; полное использование теплоты в тепловой схеме энергетического комплекса);
построена математическая модель электролизной обработки растворов, позволяющая оптимизировать процесс;
разработана методика исследования ионообменных процессов в электролитах с концентрацией от 0,1 до 2,5 Н, учитывающая влияние активности ионов в растворе и катионите при высоких концентрациях;
- получены для разработанных математических моделей: методики рас
чета равновесного состояния в системе «раствор-катиоиит», характерного для
работы фильтров непрерывного действия с неподвижным слоем катеонита; ме
тодика расчета рабочей обменной емкости поглощения катионита КУ-2-8 при
натрий-катионитовом умягчении минерализованных вод; методика расчета ко
эффициентов внешней и внутренней диффузии парного обмена Са2*- Na* и
Mg — Na при работе ионообменного фильтра для катионита КУ-2-8; методика
расчета высоты «работающего» слоя катионита КУ-2-8 в колонне в динамиче
ских условиях.
Достоверность научных положений и полученных в работе результатов
основана на корректности постановки задач исследования и принятых упро
щающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных
математических моделей и удовлетворительным соответствием регрессионных
уравнений и аналитических расчетов с данными, полученными эксперимен
тально на опытных и пилотных установках, как автором, так и другими иссле
дователями, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их
обсуждением на научных конференциях различного уровня. ,
Формы внедрения. Методические рекомендации и программы расчета технологических схем обработки воды, процессов электролизного и катиониого обмена и аппаратов для осуществления процессов ионного обмена.
Эколого-соииальная и экономическая эффективность. Внедрение результатов научного исследования позволят более эффективно использовать установки для обработки воды: снизить энергетические затраты па опреснение воды; сократить расход реагентов при умягчении воды; сократить количество загрязненных реагентами сточных вод; расширить область применения минерализованных вод.
Практическое использование результатов^ полученных автором:
даны рекомендации Рижскому отделению Всесоюзного государственного научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Атомтеплоэлсктропроект» по переводу на режим непрерывного копирования химводоочистки Литовской ГРЭС;
рекомендованы к внедрению: па Ставропольской ГРЭС -- на нредочи-стке с использованием продувки котлов и дымовых газов; на котельных Ставропольского теплоэнергетического комплекса «Крайтеплоэнерго» — термооп-реснительные установки в засушливых районах Ставропольского края;
- изготовлена и испытана опытная установка непрерывного ионного об
мена на котельной объединения «Ставропольтсплоэперго»;
внедрена технология непрерывного ионного обмена на котельной тепличного комбината «Южный» г. Усть-Джегуты КЧР, котельной завода «Поршневых колец» г. Ставрополя и котельной Зеленокумского завода силикатного кирпича.
разработана техническая документация: на установку непрерывного ионного обмена для нефтепромыслового парогенератора по заказу НПО «Со-юзтермпефть», г. Краснодар; на термоопреснительную установку для электротехнической промышленности завода «Атлант» г. Изобильного Ставропольского края; на установку для очистки буровых промстоков по заказу треста «Тю-меннефть», г. Ухта.
Предложенные способы и устройства защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Использование теоретических и практических результатов в учебных целях по дисциплинам «Теплогенсрирующие установки», «Водоподготовка и водно-химический режим объектов ТГВ» и «Энергоаудит» для студентов специальности 290700 (270109) «Теплогазоснабжение и вентиляция» позволит развивать и совершенствовать экологическое мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области теплоэнергетики.
Апробации работы. Тематика диссертации удовлетворяет Федерально-целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Экологически чистая энергетика». Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета и региональных научно-технических конференциях «Вузовская паука - Северо-Кавказскому региону»; на 3-й Всесоюзной научной конференция по проблемам энергетики и теплотехиологии «Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехиологии» (Москва, МЭИ, 1991); на научно-практической конференции специалистов СНГ «Совершенствование систем водоснабжения и канализации НПЗ и НХЗ» (Уфа, 1992); на международной научно-практической конференции «Строительство» (Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2001); на международной научно-технической конференции «Технология, строительство и эксплуатация инженерных систем» (Санкт-Петербург, 2002); на научно-технической конференции «XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы» (Екатеринбург, УрО РАН, 2005); на первой всероссийской заочной конференции «Проблемы повышения газонефтеотдачи месторождений па завершающей стадии эксплуатации ПХГ» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2005); па международной научно-практической конференции «Строительство-2006» (Ростов-на-Дону, РГСУ, 2006.
Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Северо-Кавказского государственного технического университета.
На защиту выносятся следующие основные положення н результаты:
- структура комплекса технологических процессов и оборудования обра
ботки пресных и минерализованных природных вод в теплоэнергетике, выпол
ненная на основе классификации вод;
- новый способ и разработанные на его основе малоотходные технологические схемы обработки пресных и миперализоваиых природных вод и сточных вод ХВО в теплоэнергетике;
новые эффективные способы термического опреснения минерализованных вод в тепловых схемах ТЭЦ, паровых котельных и нефтепромысловых теплогенераторов с глубоким умягчением минерализованных вод на установке непрерывного ионного обмена с неподвижным слоем иоиита;
методика расчета термоопреснительных установок мгновенного вскипания;
- теоретическое обоснование и результаты исследования ионообменного
умягчения минерализованных вод.
Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных
техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию
процессов обработки воды для питания теплогенераторов с вовлечением в хо
зяйственный оборот минерализованных природных вод, внедрение которых
может внести значительный вклад в развитие и повышение эффективности теп
лоэнергетики. . ... ,
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе:
3 сгатьи в центральных журналах; б статей в реферируемых научно-
технических журналах; 4 статьи в «Вестнике Северо-Кавказского государст
венного технического университета» серия «Физико-химическая»; 1 научное
сообщение в «Сборнике научных трудов» серия «Естественнонаучная» СтГТУ;
1 статья в сборнике «Научные школы и направления СевКавГТУ; получено 6
авторских свидетельств и 2 патента; сделано 22 доклада на научно-технических
конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докла
дов. .
Структура и объем работы: введение, 6 глав, заключение, список литературы из 189 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 294 с, включая 29 таблиц и 54 рисунка.
