Введение к работе
Актуальность работы. Работа тепловой электростанции (ТЭС) сопровождается сбросом высокоминерализованных сточных вод в окружающую среду. В последние годы штрафы за сброс химических веществ со сточными водами значительно увеличиваются (п. 2 ст. 16 Федерального закона от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», Постановление Правительства Российской Федерации от 12.06.2003 № 344), что стимулирует внедрение на ТЭС технологий очистки и переработки стоков. В настоящее время основным способом утилизации высокоминерализованных отходов ТЭС является их концентрирование и упаривание с получением и захоронением твердых солей. При этом все химические компоненты стоков, в том числе нейтральные или ценные, теряются. Направлением решения проблемы сбросов может быть извлечение ценных компонентов и их повторное использование в цикле станции. Эти решения, очевидно, могут быть успешными при условии утилизации концентрированных жидких отходов непосредственно с установок водопользования ТЭС. Последующие операции смешивания (взаимная нейтрализация) жидких отходов и их разбавление ведет к их превращению в сточные воды сложного состава, переработка которых экономически нецелесообразна.
Для утилизации высокоминерализованных жидких отходов ТЭС интерес представляет использование электромембранных методов, поскольку они характеризуются селективностью, отсутствием потребности в химических реагентах и практически безотходностью. При этом для целей утилизации жидких отходов ТЭС электромембранные методы до сих пор не использовались.
Анализ систем водопользования ТЭС показывает, что из жидких отходов установок водопользования превалируют отходы щелочного характера. Их переработка представляет несомненный экономический интерес, поскольку щелочь относится к дорогостоящим реагентам. Основным источником жидких высокоминерализованных щелочных отходов являются водоподготовительные установки (ВПУ). Отработанные щелочные регенерационные растворы ОН-фильтров образуются на всех ТЭС, использующих в своих технологических схемах ионитные ВПУ. Кроме того, жидкие щелочные отходы - продукт непрерывных и периодических продувок на всех ТЭС, использующих барабанные котлы, а также термообессоливающих комплексов (ТОК). Такие ТОК работают, например, на Омской ТЭЦ-6, Саранской ТЭЦ- 2, Казанской ТЭЦ-3, Тобольской ТЭЦ. Щелочной концентрат установок обратного осмоса образуется на ТЭС, использующих баромембранные технологии водоподго- товки с реагентной предочисткой, например Нижнекамская ТЭЦ-1, Казанская ТЭЦ- 2, Новомосковская ГРЭС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 14.В37.21.0658) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» за 2012-2013 годы.
Цель работы - разработка способов утилизации жидких щелочных отходов ТЭС электромембранными методами.
Задачи работы:
анализ схем водопользования ТЭС, определение источников, объёма и составов высокоминерализованных жидких щелочных отходов;
разработка и создание модельной лабораторной электромембранной установки (ЭМУ);
исследование электрических, физико-химических характеристик ионообменных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС;
разработка методов электромембранной утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов, проведение исследований на модельных растворах и жидких отходах ТЭС;
разработка исходных данных для проектирования аппаратов электромембранной утилизации жидких отходов ТЭС;
разработка и создание лабораторного электромембранного стенда.
Научная новизна. Разработаны электромембранные методы утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов установок водопользования ТЭС с получением щелочных растворов.
Определены транспортные, электрические и физико-химические характеристики ионообменных мембран разного типа и разных производителей в модельных растворах и жидких щелочных отходах ТЭС. Рассчитаны коэффициенты селективности мембран в процессах утилизации растворов.
Выполнены исследования механизма процессов при электромембранной обработке высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается: в теоретическом плане - использованием научно-обоснованных моделей и методов расчета процессов и аппаратов; в практическом плане - согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными испытаний, выполненных в настоящей работе и литературными данными.
Практическая ценность работы и внедрение ее результатов.
Получены данные, необходимые для проектирования промышленных электромембранных аппаратов и установок.
Разработан проект электромембранного лабораторного стенда для отработки режимов технологических процессов в водном теплоносителе и жидких отходах ТЭС различного состава с целью их разделения и концентрирования. Осуществлен подбор конструкционных материалов для комплектования аппаратов. Разработанные решения могут быть использованы для утилизации жидких отходов ТЭС.
Результаты работы приняты к использованию на Казанской ТЭЦ-2. Разработанные методы могут быть использованы на ТЭС РФ, имеющих высокоминерализованные жидкие отходы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методы переработки жидких щелочных отходов ТЭС с использованием электромембранных аппаратов.
Результаты исследований транспортных, электрических и физико-химических свойств ионообменных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС.
Варианты компоновки мембранных пакетов для разработанных схем в соответствии с требуемыми параметрами обработки жидких отходов.
Технологическая схема лабораторной электромембранной установки.
Практические рекомендации, сформированные на базе проведенных исследований, которые могут быть использованы при разработке и внедрении электромембранных установок на ТЭС.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д-ра хим. наук, проф. Чичирова А.А.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009-2011г.), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника, энергетика (Москва, МЭИ, 2010, 2011); VII Школе- семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2010 г), Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010 г), IV молодежной научно- практической конференции ОАО «Генерирующая компания» (Казань, 2009 г), I молодежной научно-практической конференции ОАО «ТГК-16» (Нижнекамск, 2010 г), молодежной научно-практической конференции ОАО «Татэнерго» (Казань, 2010 г), молодежной научно-технической конференции «Идель-4» (финал регионального молодежного форума по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию МФП в НТС (Академия наук РТ, Казань, 2011 г), Всероссийской молодежной конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (Казань, 2011 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано двадцать четыре печатные работы, из них 3 в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография, 1 патент на полезную модель, тезисы докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, справки о возможности использования полученных результатов на ТЭС и списка литературы из 154 наименований. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и схем, 25 таблиц.
