Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основные технологии и оборудование для обессоливания воды на ТЭС с улучшенными экологическими характеристиками
1.1. Химическое обессоливание воды 23
1.2. Термическое обессоливание воды с использованием испарителей
1.3. Мембранные методы обессоливания воды 32
Глава 2 Противоточные ионообменные фильтры 43
2.1. Описание конструкции противоточного фильтра 43
2.2. Гидродинамические исследования и испытания противоточных фильтров
2.3. Экспериментальное обоснование схемы блокировки фильтрующего слоя и скорости блокирующего потока в противоточном фильтре
2.4. Технологические показатели противоточных фильтров 70
2.5. Прогнозирование технологических показателей 76
2.6. Заключение по главе 2 90
Глава 3 Энергетические испарители 94
3.1. Конструкция испарителей и постановка задачи исследований
3.2. Описание экспериментального стенда, методика проведения и обработка результатов опыта
3.3. Результаты экспериментов 107
3.3.1. Гидравлические характеристики набивки 107
3.3.2. Влияние расхода промывочной воды на влажность вторичного пара
3.3.3. Влияние скорости набегания на эффективность очистки 111
3.3.4. Влияние влажного пара в испарителе на качество вторичного пара
3.3.5. Сопоставление эффективности применения дырчатых паропромывочных устройств и набивки из колец Поля
3.4. Результаты эксплуатации энергетических испарителей, 126
оборудованных набивкой из колец Поля
3.5. Заключение по главе 3 134
Глава 4 Обратноосмотические установки для обессоливания воды
4.1. Научные основы расчета и проектирования обратноосмотических установок. Концентрационная поляризация
4.2. Экспериментальная проверка уравнения для расчета уровня концентрационной поляризации
4.3. Основные конструктивные характеристики и результаты испытаний обратноосмотических установок на основе ацетатцеллюлозных и композитных мембран
4.3.1. Обратноосмотическая установка УОО-50 149
4.3.2. Обратноосмотическая установка УОО-50А 152
4.3.2.1. Конструкция установки 152
4.3.2.2. Предварительная подготовка исходной воды 156
4.3.2.3. Применение ультрафильтрации для очистки воды перед 162 обратноосмотическим обессоливанием
4.3.2.4. Испытания ФТО 178
4.3.2.5. Испытания БФМ 180
4.3.2.6. Анализ полученных результатов 181
4.3.3. Основные технические характеристики обратноосмотических установок, разработанных ВНИИАМ
4.3.4. Заключение по главе 4 189
Глава 5 Экологические, технические и экономические аспекты применения противоточных фильтров и обратноосмотических установок
5.1. Экологический и технический эффект от применения противоточных фильтров
5.2. Экономический и экологический аспекты обратноосмотического обессоливания воды
Заключение по главе 5 209
Выводы 211
Литература
- Термическое обессоливание воды с использованием испарителей
- Технологические показатели противоточных фильтров
- Влияние скорости набегания на эффективность очистки
- Основные конструктивные характеристики и результаты испытаний обратноосмотических установок на основе ацетатцеллюлозных и композитных мембран
Введение к работе
Диссертация направлена на решение важной научно-технической проблемы и посвящена исследованию, разработке, созданию и внедрению новых технологий, оборудования и установок очистки природной, и также сточных вод для промышленных целей, что позволяет решить задачу обеспечения промышленных потребителей (в основном объектов тепловой и атомной энергетики) эффективными, конкурентоспособными на отечественном и мировом рынках водоподготовительными установками с высокими экономическими показателями и экологическими свойствами.
Актуальность проблемы: В настоящее время водоподготовительные установки ТЭС РФ ежегодно вырабатывают свыше 260 млн. тонн обессоленной воды и свыше 870 млн. тонн умягченной воды. Традиционная ионообменная технология водоподготовки предусматривает несколько ступеней фильтрования и длительное время обеспечивала нормативные воднохимические режимы паровых котлов ТЭС и парогенераторов АЭС. Однако эта технология, базирующаяся на применении параллельноточных ионообменных фильтров, морально устарела и связана с ежегодным расходованием 150 тыс. тонн серной кислоты, 80 тыс. тонн едкого натра и 240 тыс. тонн хлористого натрия, суммарная стоимость которых превышает 60 млн. долларов США. Так как эксплуатационные расходы реагентов в 2 - 4 раза превосходят необходимое стехиометрическое количество, большая часть их сбрасывается со сточными водами загрязняя гидросферу.
Двух - трехступенчатые схемы ионирования воды комплектуются большим количеством параллельноточных ионообменных фильтров с арматурой, КИПом, фронтовыми трубопроводами. Это требует значительных капитальных вложений, многочисленного эксплуатационного и ремонтного персонала, усложняет и затрудняет автоматизацию водоподготовительных установок.
Для загрузки ионообменных фильтров водоподготовительных установок ТЭС и АЭС ежегодно приобретается 6-7 тыс. тонн отечественных и 2.2-2.8 тыс.
6 тонн импортных ионообменных смол, стоимость которых превышает 20 млн.
долларов США.
При этом в природной воде постоянно отмечается рост загрязненности техногенными органическими соединениями: удобрениями, гербецидами, нефтепродуктами и т.д. Традиционные технологии водоочистки удаляют эти загрязнения недостаточно эффективно, что приводит к многочисленным фактам нарушения воднохимических режимов.
Из изложенного следует актуальность проблемы технического перевооружения водоподготовительных установок ТЭС и АЭС для обеспечения заданного качества питательной воды котлов ТЭС и парогенераторов АЭС при использовании широкого спектра исходных вод и минимальных экологических и экономических издержках.
Актуальность проблемы подтверждается также присуждением автору в составе творческого коллектива премии Правительства Российской Федерации 2000 года в области науки и техники за исследование, разработку и внедрение на тепловых электрических станциях испарительной техники и технологии переработки сточных вод и звания Лауреат ВВЦ-2001 за создание и внедрение скоростных противоточных фильтров.
Целью работы является исследование, разработка, создание и внедрение:
противоточных ионообменных фильтров, обеспечивающих снижение расхода химических реагентов и ионообменных материалов по сравнению с параллельноточными фильтрами при существенно лучших экологических показателях;
энергетических испарителей, способных обеспечить качество вторичного пара на уровне нормативных требований при работе в переменных нагрузках и являющихся основой технологий и установок термического обессоливания природных и сточных вод с минимальными сбросами солей;
обратноосмотических установок, обеспечивающих удаление из обрабатываемой воды свыше 96 % растворенных солей и органических соединений практически без применения химических реагентов и солевых
сбросов.
Научная новизна работы.
На базе проведенных комплексных стендовых и промышленных исследований разработано, создано и апробировано в эксплуатационных условиях новое водоподготовительное оборудование для обессоливания и умягчения природной воды различного качества, а также сточных вод промышленных предприятий, в том числе:
предложена методика расчетного исследования гидродинамических и химико-технологических характеристик ионообменных противоточных фильтров, на основе которой получены численные решения задач ионообменной сорбции в ионообменной загрузке, соответствующие результатам натурных измерений;
впервые доказано, что процессы осушки вторичного пара в набивке из колец Поля идентичны процессам, происходящим в жалюзийных сепараторах и на основе теории сепарации и экспериментально определенных коэффициентов разработаны научные основы расчета, проектирования и эксплуатации энергетических испарителей повышенной эффективности и надежности;
предложена и экспериментально подтверждена зависимость для оценки уровня концентрационной поляризации в напорных каналах обратноосмотических элементов с композитными мембранами и турбулизаторами;
экспериментально определены основные закономерности осветления маломутных природных вод с помощью ультрафильтрации;
впервые в России разработаны, испытаны и внедрены установки безреагентного обессоливания воды на основе обратноосмотических мембран, предназначенные для использования в составе водоподготовительных установок энергетических объектов.
Практическая ценность. Выполненные НИОКР позволили организовать серийное производство нового водоподготовительного оборудования на таганрогском заводе «Красный котельщик», Бийском котельном заводе,
g Саратовском заводе энергетического машиностроения, Перловском заводе
энергетического оборудования, Монастырищенском машиностроительном
заводе (Украина).
Скоростные противоточные фильтры различных типоразмеров для Н* -катионирования, ОН" - анионирования и Na+ - катионирования природной воды успешно эксплуатируются на многих ТЭС различных энергосистем и на объектах промэнергетики.
Отработанная в стендовых условиях конструкция новых паропромывочных устройств внедрена на испарителях ТЭЦ Лисичанского химкомбината и использована в технических проектах энергетических испарителей повышенной эффективности и надежности.
Первые на электростанциях России обратноосмотические установки внедрены на Зуевской ТЭЦ, ТЭЦ-23 Мосэнерго и на ТЭЦ Магнитогорского металлургического комбината, а так же для подготовки обессоленной воды на объектах ВМФ.
На защиту выносятся:
1. Обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований в области создания оборудования с улучшенными экологическими показателями для технологических схем водоподготовки, в том числе:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики и массообмена в слое ионообменной загрузки ионообменных противоточных фильтров, на основе которых получены численные решения задач ионообменной сорбции в фильтрующей загрузке, подтвержденные опытными данными.
результаты научно-исследовательских работ по изучению закономерностей сепарации влаги из вторичного пара энергетических испарителей, которые показали, что происходящие при этом процессы идентичны процессам, происходящим в жалюзийных сепараторах;
расчетно-экспериментальные исследования концентрационной поляризации в напорных каналах рулонных элементов обратноосмотических установок;
- способ и технологию очистки маломутных поверхностных вод перед их
обратноосмотическим обессоливанием на основе ультрафильтрационной
технологии осветления.
2. Результаты разработки, внедрения и освоения в производстве скоростных ионообменных противоточных фильтров, модернизированных энергетических испарителей, обратноосмотических установок для технологических схем водоподготовки с улучшенными экологическими показателями.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конгрессах, научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях. В их числе:
Экватек-98, Экватек-2000, Экватек-2002, Экватек-2003, Экватек-2004, Международный конгресс и техническая выставка «Вода: экология и технология»;
Международная выставка «Энергопрогресс-95», г. Москва;
Международная выставка «Энергия-96», г. Санкт-Петербург;
Выставка и семинар «75 лет теплофикации в России», Москва, ВВЦ, 1999г.;
Специализированная выставка и семинар «Энергетика. Энергоресурсосбережение. Экология», Ростов-на-Дону, 2001г.;
Семинар «Современные проблемы ведения водно-химического режима ТЭС и котельных и повышение надежности пароводяных трактов», Санкт-Петербург, 2001г.;
Выставка и семинар «Машиностроение. Творчество, изобретательство, рационализаторство и предпринимательство», Москва, ВВЦ, 2001г.;
Научно-практическая конференция «Перспективы и проблемы развития машиностроения для энергетического комплекса России в XXI веке», Москва, ВВЦ, 2001г.;
Выставка и семинар «Энергомашиностроение и электротехническая промышленность-2001», Москва, ВВЦ, 2001 г.;
Научно-технические советы Татэнерго, Самараэнерго, Саратовэнерго и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликована монография (в соавторстве), 2 каталога-справочника, 33 научных статьи. Разработанные конструкции оборудования защищены 20 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются: длительным опытом эксплуатации созданных типов водоподготовительного оборудования и установок в промышленных условиях;
экспериментальной проверкой предложенных технических решений в составе действующих водоподготовительных установок ТЭС и других предприятий в условиях промышленной эксплуатации;
сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований;
комплексным подходом и полнотой экспериментальных исследований.
Личный вклад автора заключается в развитии научных основ и концепции всей работы, постановке комплексных исследований водоподготовительного оборудования, руководстве и непосредственном участии в выполнении конструкторских работ, экспериментальных исследованиях на стендах и в промышленных условиях, обработке и анализе полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемых источников. Работа изложена на 237 стр., иллюстрируется 54 рис. и 22 табл.
11 Автор выражает глубокую признательность академику РАН Г.А.
Филиппову, доктору технических наук, профессору Б.М. Ларину, доктору
технических наук А.Г. Первову за поддержку и внимание при подготовке
диссертации.
Термическое обессоливание воды с использованием испарителей
Термический способ водоподготовки на ТЭС на базе использования энергетических испарителей занимает пока сравнительно скромное место в общем балансе выработки обессоленной воды. Это обусловлено тем, что свыше 80% исходной воды, используемой на ТЭС для приготовления добавочной воды котлов, относятся к низко- и среднее минерализованным, т.е. имеют концентрацию [SO4"] + [CL ] 5 [4]. Однако этот способ незаменим при повышенном солесодержании исходной воды или при загрязненности исходной воды органическими соединениями [82], [83]. Экологические достоинства термической водоподготовки объясняются уменьшенным количеством сточных вод по сравнению с химическим обессоливанием на ионитах, причем для вод с повышенным солесодержанием (до 6-7 мг-экв/л по анионам сильных кислот и более) уменьшение стоков оценивается в целый порядок.
В настоящее время термическое обессоливание с применением энергетических испарителей применяется на многих ТЭС высокого давления (Р=9МПа), примерно на 20 ТЭС сверхвысокого давления (Р=13МПа), на 5 ТЭС сверхкритического давления (Р=24МПа). Как правило, термическое обессоливание применяется для ТЭС с барабанными котлами. Испарители установленные на этих ТЭС имеют одноступенчатую промывку пара питательной водой испарителя. На ТЭС с прямоточными котлами, где используются испарители с двухступенчатой промывкой пара, испарительные установки смонтированы на нескольких блоках 200 МВт Верхнетагильской ГРЭС, на блоках 300 МВт Новочеркасской ГРЭС, на блоках 800 МВт Сургутской ГРЭС-2 и Пермской ГРЭС. Конструкция современных энергетических испарителей позволяет использовать их для термического обессоливания при работе на сточных водах, что является дополнительным доказательством их экологических достоинств. В составе установок по переработке сточных вод ТЭС энергетические испарители работают на Саранской ТЭЦ-2, Казанской ТЭЦ-2, Мироновской ГРЭС, на двух Московских ТЭЦ и ТЭЦ Санкт-Петербурга.
Разработанные ВНИИАМ и изготовленные ПО «Красный котельщик» энергетические испарители довольно широко используются в странах ближнего зарубежья: на Украине, в Казахстане, Узбекистане, Киргизии и Туркмении, а также в Иране и Монголии.
Для дальнейшего сокращения объема стоков с продувкой испарителей ВНИИАМом предложена и внедрена новая конструкция испарителя с двухзонной схемой кипения в одном корпусе [84], [85]. Питательная вода подается в первую периферийную зону, где происходит ее частичное испарение, после чего образовавшийся концентрат направляется во вторую зону для более глубокого концентрирования. В трубах греющей секции первой зоны реализовано напорное движение, что позволило на 20-30% снизить удельную металлоемкость испарителя и повысить его производительность до 80-100 т/час. Испаритель такой конструкции эксплуатируется на Игналинской АЭС (Литва) с целью получения вторичного пара на уплотнения турбины и инжектора. Одновременно была решена задача естественной защиты персонала от радиационного излучения. Этот испаритель при использовании питательной воды с активностью 80-10"6 кюри/кг вырабатывает вторичный пар с активностью менее 10"8 кюри/кг и этим улучшает радиационную обстановку в машзале АЭС.
В настоящее время ВНИИАМ и другие организации продолжают работы по совершенствованию энергетических испарителей. В частности, завершены НИОКР и подготовлены к внедрению технические решения, предусматривающие замену труб греющей секции размером 38x2,5 из стали 20 на трубы размером 25x2 из стали 08X14МФ, что позволит увеличить срок службы греющей секции с 5 до 15 лет, сделает ее компактной и менее металлоемкой. Ведутся работы по интенсификации процессов теплообмена за счет применения труб с оребрением, поперечной или спиральной накаткой, труб с пористым покрытием, а также с испарением в тонких пленках воды [86], [87], [88].
Ужесточение требований к экологическим характеристикам водоподготовительных установок увеличивает внимание к термическим методом водоподготовки, которые не требуют использования кислоты и щелочи и не приводят к образованию больших объемов стоков. Более того, к настоящему времени усилиями МЭИ, ВНИПИЭНЕРГОПРОМа, Мордовэнерго, ВНИИАМ и других организаций разработаны и апробированы технологии утилизации продувочных вод испарителей в цикле регенерации, успешно ведутся натурные исследования переработки сточных вод ТЭС в добавочную воду энергетических котлов, отрабатывается технология многократного использования регенерационных растворов [89], [90]. Совокупность этих новых технологий реализована на Саранской ТЭЦ2 Мордовэнерго. Исходная вода, представляющая собой продувочную воду системы обратного охлаждения, обрабатывается в осветлителе известью и коагулянтом. После осветителя вода умягчается на двухступенчатой Na - катионитовой установке, деаэрируется и направляется на питание многоступенчатой испарительной установки. Дистиллят испарительной установки используется как добавочная вода котлов, а концентрат используется для приготовления регенерационного раствора натрий - катионитных фильтров. Из отработанного регенерационного раствора в виде потоков шламов выводится СаСОз, Mg(OH)2 и CaSCV2H20, а натриевые соли, избыточные для умягчения исходной воды, используются для регенерации Na - катионитных фильтров подпитки теплосети.
Технологические показатели противоточных фильтров
Задачей этого этапа работы явилось определение удельного расхода кислоты, щелочи и хлористого натрия на регенерацию фильтрующей загрузки противоточных фильтров, а также - качества фильтрата.
Определение технологических показателей противоточнх ионообменных фильтров осуществлялось в условиях действующих обессоливающих и водоумягчительных установок.
На Новочеркасской ГРЭС, в составе центральной обессоливающей установок (ЦОУ) были испытаны 2 реконструированных Н-катионитных фильтра диаметром 3,4 метра и реконструированный натрий - катионитный фильтр диаметром 3,4 метра. Эти фильтры были включены в технологические схемы параллельно с действующими параллельноточными Н-катионитными и натрий - катионитными фильтрами, что позволило сопоставить их показатели при работе в идентичных условиях. На фильтры подавалась вода, прошедшая коагуляцию в осветителе и осветление на механических фильтрах.
Взрыхление лобового слоя фильтрующей загрузки проводилось в процессе каждого фильтроцикла, основной слой взрыхлялся через 5-15 фильтроциклов, продолжительность взрыхления составила 15 — 30 минут минут. Для приготовления регенерационного раствора Н-фильтров и отмывки фильтрующей загрузки от продуктов регенерации использовался фильтрат параллельноточных фильтров.
На ВПУ ТЭС Архангельского целлюлозно-бумажного комбината (АЦБК) испытывались реконструированные Н-катионитные и ОН-анионитные фильтры в составе обессоливающих ВПУ-250 и ВПУ-500. Всего в эксплуатации тем находятся 21 противоточный фильтр, из которых 3 Н-катионитных и 3 ОН-анионитных фильтра имеют диаметр 3,4 метра, остальные 3 метра. На Н-фильтры подается коагулированная сернокислым алюминием вода после осветления на механических фильтрах. Н-катионированная вода поступает на декарбонизатор, а из бака декарбонизированной воды - на противоточные анионитные фильтры, после которых собирается в промежуточном баке обессоленной воды. Взрыхление блокирующего слоя проводилось каждый фильтроцикл, основной слой взрыхлялся через 10-20 фильтроциклов. Все операции по регенерации ионитовой загрузки проводилось с использованием Н-катионированной декарбонизированной воды.
На Нижнекамской ТЭЦ-1 с использованием реконструированных Н-катионитного и ОН-анионитного фильтров была смонтирована обессоливающая цепочка Нпр0 - ОНпро. На обессоливание направлялась вода из р. Кама, прошедшая коагуляцию и осветление на механических фильтрах. Особенностью этой воды является высокая концентрация Na+ - до 50 мг/л, а проведение коагуляции с дозировкой NaOH увеличивает содержание Na+ в осветленной воде до 120 мг/л, что существенной увеличивает ионную нагрузку на Н-катионитные фильтры. Другой особенностью стала высокая мутность осветленной воды 17,5 - 18 мг/л, временами до 20 мг/л, что затрудняло работу Н-катионитного фильтра. На ВПУ Нижнекамской ТЭЦ-1 обессоливание производится по следующей схеме: после механических фильтров вода поступает на цепочку: Н предвключенный - Hi, после чего умягченная вода подается в общий для нескольких цепочек декарбонизатор, откуда подается на А) - Нг - А2 и направляется в баки обессоленной воды. Для приготовления регенерационных растворов использовалась вода из бака собственных нужд, в которой содержание Na+колебалась в пределах 1,9 - 13,3 мг/л. отключение Н-катионитного фильтра осуществлялось по кислотности, при содержании Na+ в фильтрате 3-5 мг/л и выше. Взрыхление лобового слоя фильтрующей загрузки Н-фильтра проводилось каждый фильтроцикл в течении 30 - 50 минут, основной слой взрыхлялся через 5-10 фильтроциклов.
На Среднеуральской ГРЭС (СУГРЭС) были испытаны стандартные противоточные Н-катионитные ФИПр-3,0-0,6К и ОН-анионитный фильтры ФИПр-3,0-0,6А диаметром 3 метра, изготовленные по техдокументации
ВНИИАМ ПО «Красный котельщик» в кооперации с комбинатом им. 4 Апреля (Венгрия). Эти фильтры были включены по схеме Нпр0 - ОНПро как самостоятельная обессоливающая установка. Исходной водой служила вода Исетского и Волчихинского водохранилищ после прямоточной коагуляции и фильтрования через активированный уголь. Для регенерации и отмывки ионитов использовалась обессоленная вода. Взрыхление лобового слоя выполнялось каждый фильтроцикл, основная часть фильтрующего слоя взрыхлялась через 10-20 фильтроциклов. Все упомянутые Н-катионитные и ОН-анионитные фильтры испытывались в течение 15 — 50 фильтроциклов, результаты которых приведены в таблице 8 и на рис. 2.8, 2.9 и 2.10, после чего фильтры передавались в эксплуатацию. Интересные результаты получены сотрудниками ВНИИАМ и ВТИ, при испытаниях реконструированной ОН-анионитного фильтра по ТЭЦ-25 Мосэнерго [ПО]. Этот фильтр испытывался как с однородной загрузкой анионитом АВ-17-8, что обеспечило удельный расход едкого натра на регенерацию 1,5 г-экв/г-экв, так и с двухслойной загрузкой анионитами Вофатит АД-41 и АВ-17-8, что сократило удельный расход ИаОНдо 1,1-1,3 г-экв/г-экв.
Условия и результаты испытаний противоточных Na- катионитных фильтров сведены в таблицу 9. Переходя к анализу полученных результатов необходимо отметить, что испытания были проведены как на исходной воде с низкими показателями по исходному солесодержанию и жесткости (СУГРЭС, Первоуральская ТЭЦ) так и исходной воде имеющей весьма высокие значения солесодержания и жесткости (Новочеркасская ГРЭС, Котельная СЖМ Ростовтеплосети), для которых нормы технологического проектирования рекомендуют уже не ионный обмен, а термические либо мембранные методы водоподготовки. Поэтому по диапазону качества исходной воды выполненные исследования являются вполне представительными.
Влияние скорости набегания на эффективность очистки
Для определения влияния расхода промывочной воды на влажность пара были проведены опыты при скорости набегания 0,93 и 1,39 м/сек, что соответствовало паровой нагрузке 2,0 3,0 т/час. На рис. 3.7 проведены результаты опытов. Характер кривых показывает, что при скорости набегания 0,93 м/сек расход промывочной воды не оказывает существенного влияния на влажность вторичного пара. При скорости набегания 1,39 м/сек влияние расхода промывочной воды на влажность вторичного пара находится на том же уровне, что и при скорости набегания 0,93 м/сек [(5-8)-10-4%] до соотношения ус 5-10%. При подаче на орошение большей доли воды влажность вторичного пара резко возрастает. Влияние скорости набегания на эффективность очистки.
Опыты по определению влияния скорости набегания на эффективность очистки проводились без подачи воды на орошение. На рис. 3.8 представлены результаты экспериментов по определению влажности пара перед и за набивкой. Как видно, из линии, обобщающей экспериментальные точки до набивки, при росте скоростей набегания происходит некоторое увеличение влажности (от 5-Ю"3 до 10"2%). Зависимость влажности пара за орошаемой набивкой носит иной характер. При увеличении скорости набегания до 3-3,5 м/сек влажность вторичного пара изменяется мало и находится в пределах 3-7-10-4%. При увеличении скорости набегания до 4-5 м/сек влажность вторичного пара несколько увеличивается (до 5-Ю"4 - 10 3%), а при дальнейшем увеличении скорости набегания резко растет Необходимо отметить, что влажность вторичного пара при подаче до 10% воды на орошение набивки и без орошения практически одинакова и составляет 4-5-10-4%.
Приведенная на рис. 3.8 кривая, характеризующая зависимость влажности пара после насадки от скорости пара по своей форме соответствует аналогичным кривым для жалюзийных сепараторов [127], [128]. Нисходящий отрезок кривой обусловлен возрастанием инерционных сил действующих на капли концентрата. Минимальные значения влажности вторичного пара после насадки (1- ) 4-10-4 характеризуют количество присутствующей в паре мелкодисперсной влаги, транзитом проходящей набивку. Возрастание влажности пара за точкой перегиба обусловлено срывом пленки с поверхности колец Поля и означает превышение критической скорости пара. Наконец, расслоение полученных значений (1-х) может быть объяснено статистическим характером процесса и различной дисперсностью капель. Механизм сепарации в подобной набивке может быть описан по аналогии с процессами в жалюзийных вертикальных сепараторах. Как и в сепараторах поток вторичного пара в набивке многократно меняет направление движения. При небольших скоростях потока пара отсепарированная жидкость накапливается в точках соприкосновения элементов набивки, на нижних поверхностях элементов до образования капель. Капли, достигнув определенного размера, соприкасаются с нижележащими элементами набивки, перетекают на них или отрываются и падают. При этом пар не вызывает видимого изменения в характере стекания жидкости.
При увеличении скорости пара капельное стекание жидкости заменяется струйно-пленочным. Пленка жидкости смачивает отдельные элементы набивки, причем значительная доля поверхности остается несмоченной. Контакт между жидкой и твердой фазами происходит на отдельных элементах набивки при отсутствии заметной турбулизации потоков на поверхности пленок жидкости.
Дальнейшее увеличение скорости пара приводит к тому, что все большая поверхность набивки покрывается пленкой жидкости. При этом наблюдается взаимодействие потоков. Пленка начинает разрываться, становится заметной ее пульсация и завихренность, значительная доля поверхности набивки становится поверхностью контакта между фазами [129]. При некоторой скорости пара пленка увлекается паровым потоком, влажность которого начинает возрастать. Эта скорость пара соответствует началу кризиса сепарации. Из вышеприведенного описания следует принципиальное сходство процессов сепарации влаги в насадке с аналогичными процессами в жалюзийных сепараторах. Следовательно, схожими должны быть и зависимости, описывающие процессы сепарации в набивке и в жалюзийных сепараторах.
Основные конструктивные характеристики и результаты испытаний обратноосмотических установок на основе ацетатцеллюлозных и композитных мембран
Экспериментальная проверка адекватности уравнения (4.19) проводилась с использованием плоскокамерной и круглой обратноосмотических ячеек сопоставлением их удельных производительностей в условиях равных давлений и концентрации растворенного вещества.
Принципиальная схема экспериментальной установки для определения удельной производительности ячейки в условиях концентрационной поляризации приведена на рис. 4.3. Исходная вода из бака 4 насосом 2 подается на обратноосмотическую ячейку 1, где с помощью обратноосмотической мембраны разделяется на концентрат 8 и фильтрат 9. Фильтрат собирается в мерный сосуд 5 для оценки удельной производительности мембраны и определения концентрации растворенных веществ после мембраны. Скорость течения воды в ячейке устанавливается с помощью регулирования хода плунжера в насосе 2. Все элементы установки контактирующие с водой изготовлены из коррозионностойкой стали. Схема обратноосмотической ячейки изображена на рис. 4.4. При сборке ячейки между корпусом 2 и крышкой 3 с помощью подбора толщины многослойного дренажа создается канал с высотой, равной высоте турбулизатора. Длина обратноосмотической мембраны 144 мм, ширина 33 мм. Эксперименты проводились на растворе NaCl с концентрацией 2 г/л. Температура раствора находилась в пределах 22 - 26 С. Производительность насоса регулировалась в диапазоне от 6 до 70 л/час. Отбор проб начинался через 30 минут после начала опыта. Каждый опыт повторялся дважды. Концентрация соли в исходном растворе, фильтрате и концентрате контролировалась кондуктометрическим методом на приборе ПК 68.
Истинная (без концентрационной поляризации) удельная производительность обратноосмотической мембраны для тех же условий эксперимента на круглой ячейке с магнитной вращающейся мешалкой, эластичные поролоновые щетки которой находились в непосредственном контакте с поверхностью мембраны. Диаметр мембраны — 58мм, скорость вращения щеток 600 об/мин. Поролоновые щетки обеспечивают выравнивание концентрации солей у поверхности мембраны и в объеме ячейки, т.к. время между последовательными касаниями щеток и поверхности составляют 0,05 сек.
Полученные на основании экспериментов значения К представлены на рис. 4.5. Там же нанесены расчетные линии по уравнению 4.19. Из рисунка видно, что зависимость (4.19) вполне адекватно аппроксимирует экспериментальные точки и следовательно, может быть использована для оценки модуля концентрационной поляризации при известных конструкции турбулизатора и числа Re. Вид зависимости K=.f(Re) показывает также, что наличие турбулизатора не устраняет полностью влияние концентрационной поляризации и при выборе значения Скв формуле (4.5) необходимо учесть влияние модуля в соответствии с рис. 4.8.
Приведенные выше зависимости были положены в основу технологического расчета проектируемых ВНИИАМ обратноосмотических установок.
Первая для отечественной энергетики обратноосмотическая установка производительностью 50м3/час УОО-50 была разработана под руководством автора, изготовлена ПО «Красный котельщик» и введена в эксплуатацию в 1989 году на ЗуГРЭС (г. ЗуГРЭС, Донецкой области) [123]. Для комплектации этой установки были применены ацетатцеллюлозные рулонные элементы ЭРО-6,5/900 производства ПО «Тасма» (г. Казань) диаметром 100 мм и длиной 950 мм, имеющие паспортную производительность 100 л/час. По данным производителя эти элементы обеспечивали задержание не менее 90% хлорида натрия при фильтровании 0,5% раствора поваренной соли под давлением 5 МПа. В установке УОО-50 были смонтированы 694 обратноосмотических элемента, которые были размещены в 99 корпусах модулей из нержавеющей стали, длиной 6 метров каждый модуль. В каждом модуле было монтировано по 6 обратноосмотических РФЭ, объединенных последовательно по ходу обрабатываемой воды. Схема установки состояла из двух ступеней 66+33.
В качестве исходной использовалась вода из пруда-охладителя, имеющая общее солесодержание в среднем около 1500 мг/л, жесткость 8-9 мг-экв/л, щелочность 4,0 - 5,5 мг-экв/л, окисляемость 5-7 мгОг/л. Предочистка включала осветлитель ВТИ-100 и двухступенчатое натрий-катионирование.
Вода подавалась на обратноосмотическое обессоливание под давлением 5,0 Мпа в количестве 67 м3/час. Расход концентрата поддерживался на уровне 25%. Солесодержание фильтрата в среднем колебалось на уровне 200-300 мг/л, т.е. солезадержание в целом по установке составляло около 83%.
Через 550 часов эксплуатации в проектном режиме производительность установки снизилась до 40-42 м /час (см. рис. 4.6). При осмотре элементов модуля и мембран было установлено, что наружная поверхность элементов покрыта вязким слоем зеленовато-коричневой массы, толщина которой доходила до 1-3 мм. Исследования показали, что эта масса состояла главным образом из железоокисных отложений и органики. Посекционные промывки мембран двухпроцентным раствором лимонной кислоты с рН=4 в течение 24 часов позволили снизить перепад давления на блоке фильтрующих модулей с 8-10 кг/см до первоначальных 4-5 кгс/см . После промывки производительность установки вновь составила не менее 50 м3/час. Всего установка в проектном режиме (на натрий-катионированной воде) проработала 1163 часа и выработала 55724 м3 частично обессоленной воды, т.е. работала со средней производительностью 48 м3/час.
В дальнейшем установка была передана эксплуатационному персоналу станции и переведена на водопроводную воду со средним солесодержанием 1200 мг/л.
При работе на водопроводной воде производительность установки падала на 10-20% уже через 170-200 часов эксплуатации в номинальном режиме. Для определения причин было извлечено 3 рулонных обратноосмотических элемента, которые были разрезаны, а осадок направлен на исследование, которое показало, что основным компонентом осадка был СаСОз с примесью окислов железа. Причиной образования карбонатных отложений явилось положительное значение индекса Ланжелье І в исходной воде, определяемое по формуле I = pH-pHs где pHs — значение рН насыщенной на СаСОз воды.
Для удаления подобных солевых отложений используются неорганические и органические кислоты, в том числе неорганические: соляная, фосфорная и серная и органические: лимонная, уксусная, малеиновая, сульфаминовая, а также соли этих кислот: цитрат Na и цитрат алюминия [150], [151]. Так как для ацетатцеллюлозных мембран оптимальный интервал4 р# 6,5 для промывки использовалась лимонная кислота, которая широко применяется для растворения солевых отложений уже более 30 лет и обладает высокой эффективностью при растворении карбонатных и железистых осадков. Проведенные в лабораторных условиях пробные отмывки фрагментов извлеченных мембран показали, что наибольшая эффективность отмывки характерна для 0,3% раствора лимонной кислоты с рН = 4,0 (для корректировки использовался едкий натр). Этот раствор был использован для промывки модулей, что позволило, после 16 часов отмывки по замкнутому контуру обеспечить стабильную жесткость отмывочного раствора на уровне 10-11 мг-экв/л, что свидетельствовало о прекращении растворения отложений. После промывки производительность установки составила 52-55 м /час. Примерно через 3,5 года эксплуатации У00-50 обратноосмотические элементы, в связи с падением производительности и снижением солезадержания, были заменены на новые элементы производства НПО «Полимерсинтез» и всего установка находилась в эксплуатации около 7 лет.
Создание У00-50 позволило уточнить подходы к проектированию и эксплуатации с точки зрения необходимости тщательной подготовки обрабатываемой воды к обратноосмотическому обессоливанию, отработать технологию регенерации мембран загрязненных осадками карбоната кальция и окислами Fe. Полученный опыт показал, что создание конкурентоспособных обратноосмотических установок возможно лишь на базе использования высокопроизводительных и высокоселективных рулонных обратноосмотических элементов.
Похожие диссертации на Разработка, исследование и внедрение водоподготовительного оборудования для ТЭС с улучшенными экологическими характеристиками
