Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы и схемы водочистки и водоподготовки на ТЭС 11
1.1. Технологии водоподготовки на ТЭС 11
1.2 Деаэраторы 15
1.3 Источники загрязнений сточных вод ТЭС 16
1.4 Классификация методов очистки сточных вод ТЭС 18
1.5 Флотация и классификация способов флотационной очистки 26
1.5.1 Электрофлотация 30
1.6 Воды загрязненные нефтепродуктами 33
1.7 Схемы очистки сточных вод ТЭС 34
1.8 Методы математического моделирования явлений переноса в газо-жидкостном слое 40
Выводы 43
Глава 2 Математическая модель, метод и результаты расчета барботажного деаэратора 44
2.1 Процесс деаэрации растворенного кислорода из воды 44
2.2 Диффузионная модель структуры потоков 48
2.3. Определение коэффициента турбулентной вязкости в жидкой фазе 53
2.4 Определение динамической скорости в газожидкостных средах 54
2.5 Определение параметров пограничного слоя на основе диссипируемой энергии [105-110] 57
2.6 Определение коэффициента обратного перемешивания в барботажном слое.. 63
2.7 Метод расчета барботажного деаэратора [111] 67
2.8. Результаты расчета деаэратора 67
2.9 Модернизация деаэратора ДСА-300 Казанской ТЭЦ-3 72
Выводы: 75
Глава 3 Метод расчета эффективности очистки воды в барботажном флотаторе 76
3.1. Определение эффективности очистки жидкости от нефтепродуктов в процессе флотации 76
3.2 Определение коэффициента турбулентного переноса частиц к поверхности пузырей 80
3.3 Расчет эффективности пневматического флотатора 86
3.4 Выбор оптимального режима по энергетическому коэффициенту 88
Выводы: 93
Глава 4 Конструкция и расчет комбинированных флотаторов с тонкослойным отстойником 94
4.1 Устройство комбинированного аппарата для очистки жидкостей 94
4.2 Расчет флотационной части аппарата [18, 117, 137] 100
4.3 Расчет тонкослойной части аппарата [16,18] 102
Выводы 106
Глава 5 Модернизация схемы очистных сооружений тэс. экономическое обоснование эффективности предложенной схемы . 107
5.1 Технологическая схема Пензенской ТЭЦ-1 107
5.2 Вариант модернизации схемы очистных сооружений Пензенской ТЭЦ-1 114
5.3 Экологическое обоснование модернизации очистных сооружений 116
5.4 Расчет экономии топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации предлагаемой схемы очистки сточных вод ТЭС 118
5.4.1 Расчет экономии электроэнергии 118
5.4.2 Расчет экономии воды 119
5.4.3 Расчет экономии пара 119
5.5 Расчет показателей экономической эффективности инвестиционного проекта
внедрения предлагаемой схемы очистки сточных вод ТЭС 120
5.5.1 Расчет заработной платы 121
5.5.2 Расчет чистого дисконтированного дохода проекта 125
5.5.3 Расчет индекса доходности 125
5.5.4 Расчет срока окупаемости 126
5.5.5 Оценка конкурентоспособности проектного флотатора индексным методом 126
Выводы 131
Заключение 132
Список литературы 134
- Флотация и классификация способов флотационной очистки
- Определение коэффициента турбулентной вязкости в жидкой фазе
- Определение коэффициента турбулентного переноса частиц к поверхности пузырей
- Расчет флотационной части аппарата [18, 117, 137]
Флотация и классификация способов флотационной очистки
Используемая в теплоэнергетике вода подлежит обязательному очищению перед и после применения [4 - 8]. Прохождение через очистные сооружения позволяет защитить трубы и котлы от образования накипи и возникновения коррозии. На сегодняшний день существует множество методов обессоливания воды. Наибольшее распространение в нашей стране получило химическое обессоливание с помощью прямоточных ионитных фильтров. Эта технология показала хорошие результаты для вод малой и средней минериализацией. А для вод с высокой минерализацией ([SO4 2]+[Cl-] 5 мг-экв/дм3) или при повышенном содержании органических соединений (Ок 20 мгО/дм3) используют термическое обессоливание. Традиционно используемые химические технологии до конца не справляются с такими соединениями, как удобрения, ядохимикаты и нефтепродукты, которые встречаются в воде. В результате в конденсатно-питательном тракте образуются потенциально кислые вещества и нарушается водно-химический режим (ВХР). Все эти факты привели к использованию новых технологий химического обессоливания воды, таких как противоточное ионирование и обессоливание на основе мембранных методов. Водоподготовительные установки на основе противоточных технологий внедрены на Калининской АЭС, Джержинской ТЭЦ, ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» и др.
Рассмотрим схемы водоподготовки на ТЭС [4]. На ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» стоит водоподготовительная установка с номинальной производительностью 1700м3/час, реконструированная по схеме Schwebebett, которая предназначена для глубокого умягчения воды и включает две стадии обработки исходной (р. Шексна) воды. Опыт эксплуатации противоточных технологий показал, что они эффективнее традиционных. Они обеспечивают снижение количества необходимого водоподготовительного оборудования, обладают высокими обменными емкостями ионитов, и при небольших количествах реагентов на регенерацию 1,8-2,2 г-экв/г-экв выдают хорошее качество фильтрата, а также уменьшают количество сточных вод с высоким показателем минерализации.
В последнее время начали пользоваться популярностью малореагентные методы, такие как мембранные технологии. Например, водоподготовительные установки на ТЭЦ-12 ОАО «Мосэнерго», ТЭЦ ОАО «Северсталь», Уфимской ТЭЦ-1, ОАО «Ивановские ПГУ» (ИвПГУ) основаны на применении обратного осмоса для деминерализации воды с использованием в качестве предочистки традиционных технологий. Эффективность обратного осмоса очень велика и составляет 96-98%. Такой эффективностью обладает одна ступень ионного обмена (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 схема водоподготовки ОАО «Ивановские ПГУ»: ИВ- исходная вода; О – осветлитель; БОВ – бак осветленной воды; МФ-механический фильтр; Na- Na- катионитный фильтр; ФОП-фильтр органопоглатитель; К-коагулянт; ШВ-шламовые воды; ОВ-обессоленная вода; ЖС-жесткий сток; УОО –установка обратного осмоса; ФСД- фильтр смешанного действия Если сравнить экономическую эффективность обессоливания воды ионным обменом и обратным осмосом, то можно увидеть, что при солесодержании более 150-300 мг/л обратный осмос экономичнее даже противоточного ионирования [4]. Однако опыт показывает, что в схемах с традиционной технологией предочистки, поступающая на установку обратного осмоса вода по качеству не соответствует требованиям по содержанию железа и окисляемости. Применение ультрафильтрации на стадии предочистки может дать такое качество воды (Рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 Схема комбинированной установки для водоподготовки глубоко обессоленной воды с применением ионообменной доочистки: Д- декарбонизатор; БР-емкость разрыва струи; СМФ – самопромывные механические фильтры; ББ-буферные емкости; УУФ-установка ультрафильтрации; УОО- установка обратного осмоса; БЧОВ – бак частично обессоленной воды; Н- Н-катионитный фильтр; А-ОН-анионитный фильтр; КС- кислый сток; ЩС-щелочной сток Ультрафильтрация хорошо очищает от механических примесей, а также удаляет кремниевую кислоту. Примером может служить Череповецкая ГРЭС (источник водоснабжения – р. Суда).
Но в основном, используется традиционная схема, включающая осветлитель с известкованием и коагуляцией, механические фильтры (МФ) с классической загрузкой, одну или две ступени обессоливания (см. Рисунок 1.3). Рисунок 1.3 Классическая схема обессоливания воды Эта схема считается классической для подготовки воды, идущей на восполнение потерь пара и конденсата на энергоблоках с барабанными котлами. На блоках с прямоточными котлами в водоподготовительной установке дополнительно ставят фильтры смешанного действия (ФСД) [5].
Такая схема дает возможность применить ее для очистки воды различного качественного состава (по солесодержанию и взвешенным веществам). В осветлители происходит процесс коагуляции и удаляются взвешенные и коллоидные вещества. Известкованием убирают щелочность и частично жесткость воды. Механические фильтры служат для задержания твердой фазы, образовавшейся в результате коагуляции и известкования. Осветленная вода последовательно проходит Н-катионитный и ОН-анионитный фильтры первой ступени. Н-катионитный фильтр первой ступени (Н1) загружен слабокислотным катионитом, удаляет ионы Na+. ОН-анионитный фильтр первой ступени (А1), загруженный слабоосновным анионитом задерживает анионы сильных кислот SO42- и Cl-. Н-катионитный фильтр 2-й ступени (Н2) загружен сильнокислотным катионитом, задерживает Na+ , прошедшие Н-катионитный фильтр 1-й ступени. В ОН-анионитном фильтре 2-й ступени (А2) задерживаются анионы SO42- и Cl-, не задержанные в ОН-анионитном фильтром 1-й ступени и анионы слабых кислот HCO3-, HSiO3- и др. Основное количество углекислоты, преобразовавшейся за счет перехода НСО3- в СО2, удаляется в декарбонизаторе. Водоподготовительные установки, работающие по данной схеме, обладают рядом достоинств. Такими как, надежность работы и возможность ремонта на месте, невысокие требования к персоналу и так далее. Минусами этой схемы являются большие эксплуатационные расходы, большой расход реагентов на регенерацию, и, как следствие этого, большой объем сточных вод [6].
Определение коэффициента турбулентной вязкости в жидкой фазе
На ТЭС используется вода, содержащая различные растворенные газы, которые попадают в нее в следствии процессов водоподготовки или термического воздействия, из-за поступления с присосами воздуха в вакуумную часть циклов ТЭС или же эти растворенные газы содержатся в природной воде [7, 91, 92, 93].
Растворенные газы, содержащиеся в воде можно разделить на химически не взаимодействующие с водой, это азот, водород и кислород, и взаимодействующие с водой (углекислый газ, аммиак, хлор). Их так же можно разделить на инертные (азот) и коррозионно-активные (кислород, углекислый газ, водород, хлор, аммиак) [7].
Удаление коррозионно-агрессивных газов из питательной воды и конденсата и соблюдение правильного водного режима обеспечивает удовлетворительное коррозионное состояние пароводяного тракта электростанции. Существуют жесткие требования к качеству питательной воды паровых котлов ТЭС сверхкритических параметров, например, жесткость воды по Правилам технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) не должна превышать более 0,2 мкг-экв/кг, содержание кислорода менее 20 мкг/кг и ее удельная электрическая проводимость должна быть не более 0,3 мкСм/см. Соблюдение данных норм позволяет предотвратить подшламовую коррозию в пароводяном тракте и избежать вынос продуктов коррозии в зону высокотемпературных поверхностей нагрева [7].
Агрессивные газы, которые поступают в пароводяной тракт в основном в конденсаторе турбины и в вакуумной части системы регенерации, вызывают коррозию оборудования и трубопроводов электростанции, что делает необходимым их удаление.
Наиболее известные способы удаления растворенных в воде газов можно разделить на: десорбцию и химическое связывание с превращением их в более безвредные вещества [7].
Для удаления растворенных газов применяют термическую деаэрацию воды. Термическая деаэрация представляет собой процесс десорбции газа, заключающейся в переходе растворенного газа из жидкости в пар, находящийся с ней в контакте. Для проведения данного процесса должны быть созданы условия для перехода газов из воды в паровое пространство. Примером такого условия может служить увеличение площади поверхности контакта пара с водой. Это необходимо для максимального приближения частиц потока к деаэрируемой воде, которое достигается дроблением потока воды на тонкие струи, капли или пленки и при барботаже пара через тонкие слои воды [7].
Оставшийся в воде после термической деаэрации кислород дополнительно обезвреживают (связывают химическими реагентами гидразин-гидратом или его солью).
Полное удаление растворенных газов является практически невозможным. Удаление кислорода из воды происходит до того момента, когда равновесное парциальное давление, соответствующей концентрации газа в воде больше парциального давления этого газа в газовой фазе над раствором. И, следовательно, существует 2 метода повышения эффективности деаэрации. Это либо понижение общего давления газовой смеси над водой, либо перераспределение парциальных давлений газов при постоянном давлении газовой смеси. Второй способ более универсален и основан на том, что абсолютное давление газов над жидкой фазой состоит из суммы парциальных давлений газов и водяного пара. Если увеличить давление водяного пара, то, следовательно, парциальное давление газов будет стремиться к нулю, и тем самым, растворенные газы высвободятся из воды. Термическая деаэрация воды сочетается с ее подогревом с специальном теплообменнике – деаэраторе.
Деаэраторы различаются по рабочему давлению на деаэраторы повышенного давления, деаэраторы атмосферные и деаэраторы вакуумные. По способу контакта воды с паром деаэраторы разделяются на: пленочные, струйные, капельные и барботажные. Так же существуют комбинированные устройства такие, как струйно-барботажные устройства, где дырчатые тарелки широко используются в качестве первой ступени обработки воды [7].
В барботажных устройствах контакт воды и пара происходит при дроблении пара. Это явление, в свою очередь, сопровождается интенсивной турбулизацией и достижением удельной поверхности контакта фаз до 1500 м2/м3. Когда пар проходит через слой воды, происходит перегрев воды относительно температуры насыщения. Эта температура соответствует давлению насыщения в паровом пузырьке в месте его нахождения. Выделению газов из воды способствует тот факт, что пузырьки пара, проходя через слой жидкости, увлекают за собой слой воды, которая вскипает при движении вверх и происходит массопредача О2 [7].
Известны работы [92], где процесс извлечения растворенного кислорода рассматривается в деаэрационной колонке. В данной работе рассчитана высота насадочного слоя, установленного в деаэрационной колонке, которая позволит снизить содержание растворенного кислорода не менее 20 мкг/дм3 и обеспечить повышение эффективности удаления кислорода О2 на 30 - 40 %.
Результаты получены в следствии применения диффузионной модели, где система дифференциальных уравнений записана в конечно-разностном виде, решение которых с граничными условиями позволило получить поле концентраций в жидкой и газовой фазах по высоте колонны. Это, в свою очередь, дало возможность оценить высоту слоя насадки в деаээраторе с учетом перемешивания потоков. С учетом полученных результатов была предложена конструкция деаэратора для Казанской ТЭЦ-3 [92].
В работе [91] удаление растворенного кислорода рассмотрено в деаэраторном баке струйно - барботажного деаэратора ДСА-300. Для расчета остаточного содержания растворенного кислорода в воде применена ячеечная модель.
Ниже разработана математическая модель [90] для расчета остаточного содержания кислорода на выходе из барботажного аппарата. Сделано сравнение с экспериментальными данными, полученными в работе [91] (экспериментальные данные ДСА-300 ст. №2, полученные в условиях участка ХВО теплосилового цеха ОАО «Северсталь») (Рисунок 2.1).
Определение коэффициента турбулентного переноса частиц к поверхности пузырей
Рассмотрим подход для получения расчетного выражения по коэффициенту перемешивания [113] с применением зависимости предложенной Тейлором DП«ku«R, (2.36) где и - динамическая скорость трения в пограничном слое, м/с; R- радиус аппарата, м; к- эмпирический коэффициент.
Выражение (2.36) фактически является аналогом модели Прандтля для турбулентной вязкости за пределами пристенного слоя1/Т =;fu y, где = 0,4 константа Прандтля (константа турбулентности); у - поперечная координата к стенке аппарата, м. То есть при у = R имеем максимальный масштаб турбулентности.
В выражении (2.36) предполагается, что перемешивание в основном вызвано за счет турбулентных пульсаций и DП зависит от масштаба аппарата в первой степени, что не всегда соответствует действительности.
Исходя из принципа аддитивности коэффициенты перемешивания, обусловленные различными механизмами, записываются в виде суммы DЭ=Dвх+Dвн+DТ (2.37) где DЭ - эффективный коэффициент перемешивания, м2/с; Dвх - коэффициент перемешивания учитывающий входные неравномерности, м2/с; Dвн- коэффициент перемешивания, учитывающий наличие внутренних устройств в аппарате, м2/с; DТ«DП=ku«R- коэффициент турбулентной диффузии, определяемой по формуле (2.36). Безразмерный коэффициент пропорциональности к учитывает флуктуацию скорости жидкости, вызванную масштабом аппарата. неравномерностей используют специальные распределители фаз и поэтому можно прин
Для устранения входных ять Dвх«0. Кроме этого в пустотелом барботажном аппарате (без внутренних устройств) Dвн = 0. Тогда основной задачей в рассмотренной выше постановке является определение коэффициента к в формуле (2.36). В работах [87,114] эта задача решается с использованием метода сопряженного физического и математического моделирования и имеет сложный математический аппарат. Поэтому при наличии экспериментальных данных DП =fYRJ значение коэффициента к можно определить в результате их обработки. Для расчета DП необходимо знать величину динамической скорости или касательного напряжения, которая может быть рассчитана с использованием различных моделей [106].
Зная выражения для расчета динамической скорости, мы можем найти значение коэффициента обратного перемешивания (продольного перемешивания, турбулентной диффузии) или в безразмерном виде число Пекле.
Деаэратор ДСА-300 представляет собой аппарат с двухступенчатой очисткой от растворенного кислорода: это струйная ступень, образована двумя струйными отсеками деаэрационной колонки, и барботажная ступень, которая представляет собой затопленное барботажное устройство в виде одиночного горизонтального перфорированного парового коллектора. Этот коллектор находится в деаэраторном баке.
В деаэратор подается химочищенная вода, которая подогрета до заданной температуры в предвключенном пароводяном подогревателе. Вода поступает в кольцевое смесительное пространство, которое образовано стенками деаэрационной колонки 1, верхней струеобразующей тарелкой 2 и ее кольцевым порогом 3. Весь греющий пар подается в деаэраторный бак.
В работе [92,98] предложен вариант модернизации деаэрационной колонны деаэратора ДСА-300 Казанской ТЭЦ-3 с использованием насадок «Инжехим», поскольку деаэратор не всегда обеспечивал нормативное содержание кислорода на выходе. Характеристики деаэратора приведены в следующей таблице 2.3
Расчет флотационной части аппарата [18, 117, 137]
В качестве примера технологической схемы очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов в работе рассмотрена схема очистных сооружений ОАО «ТГК-6» Пензенской ТЭЦ-1. В качестве нового технического решения предложена схема модернизации очистки сточных вод ТЭС, в которую включен флотатор с тонкослойным отстойником, эксплуатация которого позволит заменить две ступени очистки воды. Описание флотатора и метод расчета подробно представлены в четвертой главе. Экономическое обоснование эффективности предлагаемой схемы проводилось в следующих направлениях: - определение предотвращенного ущерба, наносимого водному объекту сбросами сточных вод; -определение экономии топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации предлагаемой схемы очистки сточных вод ТЭС; - расчет показателей экономической эффективности инвестиционного проекта внедрения предлагаемой схемы очистки сточных вод ТЭС; - оценка конкурентоспособности флотатора с тонкослойным отстойником, как нового технологического решения очистки сточных вод ТЭС. ехнологическая схема Пензенской ТЭЦ-1
Разработка модернизированной схемы очистки сточных вод от нефтепродуктов рассмотрена на примере схемы очистных сооружений Пензенской ТЭЦ-1. Схема очистных сооружений Пензенской ТЭЦ-1 представлена на рисунке 5.1
Согласно схеме основным источником загрязненных маслопродуктами сточных вод является котлотурбинный цех (КТЦ).
Основным используемым топливом на Пензенской ТЭЦ-1 является природный газ. Пропускная способность системы газоснабжения – 98 тыс.н.м3/ч, которая обеспечивает работу оборудования в режиме максимума тепловой нагрузки.
Располагаемая тепловая мощность Пензенской ТЭЦ-1 равна установленной: 1168 Гкал/ч, из которой тепловая мощность отборов паровых турбин 868 Гкал/ч, мощность пиковых водогрейных котлов 300Гкал/ч. Тепловая мощность отборов паровых турбин складывается из мощности теплофикационных отборов – 532 Гкал/ч и мощности производственных отборов – 336 Гкал/ч.
В составе оборудования Пензенской ТЭЦ-1 находится шесть турбин - ПТ-25-90/10, ПТ-38-8,8, ПТ-65/75-90/013, ПТ-50-90/13, Т-100/120-130-3, Т-110/120-130-4, 8 котлоагрегатов производительностью от 170 до 500 тонн пара в час и 3 водогрейных котла ПТВМ-100.
Теплогенерирующие мощности станции обеспечивают 89 % поставок тепловой энергии для населения, проживающего в муниципальном жилом фонде [138].
Вода, используемая для охлаждения подшипников насосов котельного и турбинного отделения, а также вода с полов маслохозяйства турбинного отделения КТЦ, имеющая в своем составе включения масла собирается в сборном приямке КТЦ и с определенной периодичностью перекачивается на очистные сооружения химического цеха.
Вода, содержащая нефтепродукты (отстой с баков хранения мазута, с приемных емкостей, вода с охлаждения подшипников насосов), перекачивается на приёмную гребёнку очистных сооружений химического цеха.
Загрязненные нефтепродуктами в процессе производства сточные воды по трубопроводам поступают в распределительную "гребенку" и передавливаются в приемные емкости, где происходит частичное отстаивание воды, всплытие на поверхность легких фракций нефтепродуктов и выпадение в осадок тяжелых фракций вместе с взвешенными веществами.
Приемные резервуары предназначены для приема, накопления и усреднения загрязненных нефтепродуктами вод. В них также происходит первичное отстаивание – выделение нефтепродуктов из сточных вод под действием разности плотностей воды и частичек нефтепродуктов.
Промежуточный бак представляет собой цилиндрический резервуар, предназначенный для сбора воды после флотации. Бак служит для обеспечения нормальной работы насосов подачи воды на фильтры.
Механические фильтры – двухкамерные, вертикальные, напорные.
Предназначены для обработки воды после флотаторов и дальнейшего снижения содержания нефтепродуктов в обрабатываемых стоках. Механические фильтры загружены дробленым антрацитом с размером зерен 0,81,2 мм.
Угольные фильтры вертикальные, однокамерные, напорные и предназначены для тонкой очистки сточных вод перед их последующим использованием.
Угольный фильтр представляет собой стальной цилиндрический сосуд со сферическими днищами, загруженный активированным углем марки "БАУ". Очистка воды происходит за счет налипания нефтепродуктов на поверхность зерен активированного угля.
Емкость поглощения нефтепродуктов для "БАУ" - 8 кг/м3, т.е. за один фильтроцикл в угольном фильтре может задерживаться от 105 до 145 кг нефтепродуктов.
Максимальный суточный объем загрязненного стока, поступающего на очистные сооружения составляет 2400 м3/сут. Характеристика оборудования в технологической схеме Пензенской ТЭЦ-1 представлена в таблицах 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4
Решение проблем исключения недостатков в существующей схеме очистки сточных вод является важной народнохозяйственной задачей, что и решается в данной работе путем замена существующего флотатора и механических фильтров на новый флотатор - тонкослойный отстойник. Эффективность существующих флотаторов составляет 60-70 %. Внедрение флотатора-тонкослойного отстойника в схему технологического процесса позволит сократить этапы очистки, путем замены двух ступеней очистки сточных вод в одну. Таким образом, применение флотатора-тонкослойного отстойника делает очистку сточных вод менее энерго- и ресурсоемким процессом. Расчеты показали, что эффективность флотатора - тонкослойного отстойника не менее 99%.
