Содержание к диссертации
Введение
Введение 4-8
Глава 1. Современные технологии обессоливания воды и обработка сточных вод на объектов теплоэнергетики 9-35
1.1.Особенности ионного обмена на ТЭС 9-11
1.2. Схемы ионного обмена на ТЭС 11-12
1.3. Аппараты ионного обмена на ТЭС 12-14
1.4. Анализ технологий ионного обессоливания 14-15
1.5. Регенерация ионитов 16-22
1.6. Утилизация стоков от ионообменных установок 22-29
1.7. Концентрирование сточных вод и их применение 29-33
1.8. Использование солей от стоков в качестве минеральных удобрений 33-34
1.9.Выводы по главе и постановка задачи исследований 34-35
Глава II. Экспериментальная часть 36-55
2.1 .Объекты исследований 36-41
2.2.Методы испытаний 41-50
2.3. Описание экспериментальной установки для испытания ионообменных смол 50-53
2.4.Статистическая обработка результатов 53-54
2.5. Алгоритм выполнения расчетов 54-55
Глава III. Усовершенствование технологии обессоливания слабоминерализованных природных вод 56-93
3.1. Анализ эксплуатации водоподготовительных установок на ТЭС Иркутской области 56-59
3.2. Выбор технологической схемы регенерации 59-61
3.3. Выбор ионообменного материала 61-77
3.4. Выбор реагентов 77-85
3.5. Оценка возможности использования испытуемых регенерационных растворов в качестве удобрения 85-93
Выводы по главе 3 93
Глава IV. Комплексная технология обессоливания воды с использованием HN03, КОН с последующим выпариванием сточных вод в качестве удобрении на примере водоподготовительной установки Ново-Иркутской ТЭЦ 94-102
4.1. Исходные данные 94
4.2. Технические решения 94-102
ГЛАВА V. Конструкция и расчет выпарного аппарата 103-115
5.1. Описание схемы включения выпарного аппарата (узел получения удобрений) в основной цикл ТЭС 103-109
5.2. Расчет выпарного аппарата 109-112
5.3. Предложение по усовершенствованию выпарного аппарата 112-114
Глава VI. Технико-экономические показатели 115-118
Общие выводы 119-120
Список использованной литературы 121-130
Приложение 131-147
- Утилизация стоков от ионообменных установок
- Выбор ионообменного материала
- Технические решения
- Описание схемы включения выпарного аппарата (узел получения удобрений) в основной цикл ТЭС
Утилизация стоков от ионообменных установок
В настоящее время нет сколько-нибудь приемлемых технико-экономических решений достаточно глубокой очистки сточных вод от истинно-растворенных примесей. Предлагаемые методы очистки носят временный характер и рассчитаны на сбросы современных схем водоподготовительных установок. Поэтому основными задачами в области уменьшения сточных вод водоподготовительных установок следует считать рационализацию существующих методов и схемных решений обработки воды с целью уменьшения расхода применяемых реагентов, а значит, и количества сбрасываемых примесей и разработку, и внедрение новых безреагентных (или практически безреагентных) методов подготовки воды [41,42].
Рационализация методов и схем водоподготовительных установок осуществляется в процессах разработки и эксплуатации. Основное направление—совершенствование технологии используемых в настоящее время методов (ионный обмен) водоподготовки и применение рациональных схемных решений для уменьшения расхода реагентов и воды на собственные нужды, а также широкое применение повторного использования сточных вод в схемах водоподготовительных установок, которые при необходимости должны подвергаться очистке [43].
К сточным водам, сбрасываемым электростанциями, относятся [44, 45] [табл.1.]:
- воды, загрязненные нефтепродуктами;
- воды обмывки хвостовых поверхностей нагрева котлов;
- сбросные воды водоподготовительных установок [табл.2.];
- воды от консервации и химических очисток теплосилового оборудования;
- воды, сбрасываемые системами гидрозолоудаления.
Количество и степень загрязнения стоков ТЭС зависит от ее мощности, технического состояния установленного оборудования, вида топлива, схемы очистки сточных вод и культуры эксплуатации.
В процессе эксплуатации тепловой электростанции образуются стоки, содержащие в более или менее значительном количестве кислоты, щелочи, соли, аммиак, железо, нефтепродукты, различного характера шламы и т.д. Кроме того, ряд веществ поступает в воду периодически, как, например, реагенты, применяемые при химической очистке оборудования.
Защита окружающей среды от сточных вод тепловых электростанций, которые характеризуются большим количеством и концентрацией и многообразием примесей, в том числе засоленных регенерационных вод водоподготовки электростанции, является важнейшей экологической задачей.
Поэтому проблемы совершенствования технологии водоподготовительных установок, которые способствует снижению выхода минерализованных вод и экономии материальных и сырьевых ресурсов, весьма актуальны [46].
Загрязненные производственные сточные воды электростанций отрицательно влияют на санитарный режим водных объектов - рек, ручьев, водохранилищ, озер, прудов, искусственных каналов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, культурно-бытовых нужд населения и для рыбохозяйственных целей. Кроме того, сточные воды, загрязненные кислотами и щелочами, в ряде случаев становятся агрессивными по отношению к оборудованию и строительным конструкциям. Поэтому на всех электростанциях должны быть разработаны и осуществлены мероприятия по предотвращению загрязнения водных объектов и уменьшению потребления свежей воды путем повторного использования очищенных сточных вод [47,48]. При разработке мероприятий, направленных на предотвращение загрязнения водных объектов сточными водами электростанций и уменьшение потребления свежей воды, необходимо учитывать следующие основные положения:
- технологические схемы и оборудование должны быть реконструированы для уменьшения количества загрязнении в сточных водах и самих сточных вод;
- расход воды на технологические нужды для каждого типа оборудования должен быть минимальным и установлен на основании данных испытаний или заводских инструкций;
- сточные воды должны быть разделены на загрязненные и незагрязненные;
- загрязненные сточные вода должны быть максимально повторно использованы в других технологических процессах или направлены на очистные сооружения для их очистки и обезвреживания, а также для выделения содержащихся в них ценных веществ. Кроме того, должна быть рассмотрена возможность очистки загрязненных сточных вод электростанций на очистных сооружениях населенных пунктов и соседних промышленных предприятий. Сброс в водные объекты загрязненных сточных вод должен быть исключен;
- незагрязненные и очищенные сточные воды должны быть максимально повторно использованы в технологическом цикле электростанции. Излишние по балансу воды по согласованию с органами Государственного санитарного надзора, рыбоохраны и органами по регулированию использования и охране вод могут быть направлены в водоем [49];
- количество и качество сточных вод всех категорий должно контролироваться персоналом ТЭС в соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами".
При разработке мероприятий, направленных на предотвращение загрязнения водных объектов сточными водами, могут быть также использованы материалы, содержащиеся в [50-53].
Уменьшение количества и загрязненности сточных вод ВПУ может осуществляться следующим образом [54,55]:
- сокращением потерь пара и конденсата;
- максимальным повторным использованием продувочных вод осветлителей и вод от взрыхления и обмывки механических фильтров;
- внедрением мероприятий по сокращению расхода реагентов при подготовке воды (повторное использование регенерационных отмывочных и кислых и щелочных вод, внедрение противоточного и ступенчато-противоточного способа ионирования);
- строгим выдерживанием оптимального режима работы предочистки и ионитовой части водоподготовительной установки [56];
- разработкой новых прогрессивных методов и схем подготовки воды на ТЭС, внедрение которых позволит значительно уменьшить количество потребляемых реагентов [57,58];
- разработкой мероприятий, позволяющих сократить сбросы сточных вод с существующих установок [59-62]; разработкой эффективных методов и схем регенерации реагентов из сточных вод водоподготовительных установок [63,64].
Создание бессточных вариантов процесса обессоливания воды связано:
а) с решением задачи достижения минимально возможного (стехиометрического) расхода реагентов на восстановление рабочей емкости ионитов;
б) с получением отходов водоочистки в виде утилизируемых солепродуктов или твердых шламов;
в) с сокращением объема стоков, подлежащих дальнейшей переработке [65,66].
Известны технические решения, позволяющие достигнуть практически стехиометрического расхода гидроксида натрия и серной кислоты в процессе обессоливания воды. Избыток серной кислоты из отработанного раствора используют для регенерации слабокислотных ионитов, работающих в режиме "голодной" регенерации [67,68].
Одним из направлений сокращения и утилизации сточных вод химводоочисток (ХВО) является рациональное использование принципа противотока и "развитой" регенерации ионитовых фильтров. По этой технологии предусматривается использование отработавших стоков ионитовых фильтров в оборотной схеме регенерации катионитовых фильтров, деминерализация стоков за счет выпадения в осадок ионов жесткости и сульфатов из пересыщенных растворов этих веществ и получение осадков солей, содержащих высокий процент отдельных компонентов, а также вывода их из зоны ионного обмена. Такая технология принята для ХВО Минской ТЭЦ-3 взамен предусматривавшихся ранее решений, связанных с выпариванием стоков в специальной выпарной или концентрированием их в испарительной установке. Эти решения были дорогостоящими, весьма сложными и требовали применения дефицитной кальционированной соды. При этом вопрос выпаривания засоленных вод досуха практически не решался [69].
Выбор ионообменного материала
Как правило, на действующих ТЭС обработку воды ведут, используя в качестве катионита «КУ-2-8» и анионита «АВ-17-8», производимые на предприятиях г. Кемерово. Эти материалы достаточно хорошо зарекомендовали себя при обработке высокоминерализованных вод. Однако, при этом, возникают определенные трудности. Вместе с тем в настоящее время на рынках России предлагают широкий ассортимент ионитовых материалов, производимых фирмами Bayer и Rohm and hass.
Имея задачу существенно сократить себестоимость водоподготовки на ТЭС, нами был осуществлен выбор из материалов, предлагаемых на рынке для обработки природной воды р. Ангары [124].
Исследование эффективности обессоливания природной воды р. Ангары было проведено на лабораторной установке, полностью моделирующей схемы обессоливания, принятой на ТЭС. Подробное описание этой установки приведено в разделе 2.
Основные показатели исходной и обработанной воды во время испытании приведены в табл.12, основные показатели работы ионитных колонок лабораторной установки в табл.13.
Результаты испытаний материалов [табл.14] позволяют сделать следующие выводы:
1. Динамическая обменная емкость катионитов S-100, (производитель фирма Bayer), IR120 (производитель- фирма Rohm and Haas) зависит от расхода реагента, высоты загрузки материала, требует нескольких предварительных регенераций для стабилизации работы. Оптимальный расход реагента составляет 80 кг/м .
После стабилизации работы материала возможно увеличение обменной емкости при повышении расхода реагента. Уменьшение высоты загрузки приводит к увеличению расхода воды на отмывку, повышению содержания Na в фильтрате без изменения емкости поглощения. Выделение С02 при регенерации может приводить к снижению эффективности работы и повышению расхода кислоты на регенерацию. Качество фильтрата в течение фильтроцикла стабильное, содержание Na не превышает 40-60 мкг/дм"3, и увеличивается только в конце фильтроцикла.
При противоточном режиме регенерации при оптимальных расходах реагентов средняя обменная емкость катионита S-100mp составила 560 г-экв/м"5, а катионита IR120 составила 498 г-экв/м ; средний удельный расход серной кислоты на регенерацию катионита S-100mp= 2,9 г-экв/г-экв, а катионита IR120=3,3 г-экв/г-экв, [рис.3, рис.4].
Обменная емкость катионита 1RA120 ниже катионита S-100 на 8%, а удельный расход кислоты выше на 12%.
2. Катионит КУ-2-8 по технико-экономическим показателям работает на уровне катионита S-100 при расходе серной кислоты на регенерацию равном, 80 кг/м3; расход воды на С.Н. КУ-2-8 больше, чем на [S-100, IRA120] на 17%; [рис.5].
Однако, преимущество S-100 в сохранении технических показателей в процессе эксплуатации, в то время как показатели КУ-2-8 начинают быстро ухудшаться в процессе эксплуатации (снижается обменная емкость, увеличивается удельный расход кислоты на регенерации, происходить безвозвратное загрязнение железом), [рис.6.].Обменная емкость КУ-2-8 равна 550 г-э/м ; удельный расход кислоты =3,1 г-э/г-э.
3. Применение двухслойного катионирования (S-100+CNP-80) повышает емкость поглощения и снижает расход кислоты более чем в два раза, зависимость технико-экономических показателей от расхода реагента и высоты загрузки такие же, как при однослойном ионировании.
При противоточном режиме регенерации при оптимальных расходах реагентов средняя обменная емкость двухслойной загрузки катионитов S-ЮОтр и CNP-80 (при соотношении 45:55 %) составила 1300 г-экв/м3; средний удельный расход кислоты =1,2 г-экв/г-экв.
4. Динамическая обменная емкость анионита М-500 фирмы Bayer, IRA402 фирмы Rohm and Haas зависит от расхода реагента, высоты загрузки материала, времени для стабилизации работы не требуется. Оптимальный расход реагента составляет 60 кг/м Уменьшение высоты загрузки приводит к увеличению расхода воды на отмывку, снижению емкости поглощения без изменения качества фильтрата. Качество фильтрата в течение фильтроцикла стабильное, содержание Si02 не превышает 100 мкг/дм , и увеличивается только в конце фильтроцикла.
При противоточном режиме регенерации при оптимальных расходах реагентов, средняя обменная емкость анионита IRA402- 1150 г-экв/м3; средняя обменная емкость анионита М-500тр- 798 г-экв/м , средний удельный расход щелочи на М-500тр= 1,9 г-экв/г-экв; средний удельный расход щелочи на IRA402= 1,3 г-экв/г-экв [рис.7, рис.8].
Обменная емкость анионита IRA402 выше анионита М-500 на 31%, а удельный расход щелочи ниже на 46%.
5. Анионит АВ-17-8 по технико-экономическим показателям работает в начале эксплуатации на высоком уровне, обменная емкость =510 г-э/м , и удельный расход щелочи 2,5 г-э/г-э; однако, расход воды на С.Н. АВ-17-8 больше, чем на [М-500, IRA402] на 40% [рис.9].
Достигнутые показатели быстро снижаются в результате необратимого загрязнения ионита и его старения [рис.10].
6. Применение двухслойного анионирования (М-500+МР-64) значительно (на 13%) повышает емкость поглощения и снижает расход щелочи. Зависимость технико-экономических показателей смеси анионитов от расхода реагента и высоты загрузки такие же, как при однослойном ионировании.
При противоточном режиме регенерации при оптимальных расходах реагентов средняя обменная емкость [М-500тр+МР-64]= 910 г-экв/м , средний удельный расход щелочи - 1,3 г-экв/г-экв.
Применение двухслойного анионирования (IRA402+IRA96) на 6% повышает емкость поглощения и снижает расход щелочи. Зависимость технико-экономических показателей от расхода реагента и высоты загрузки такие же, как при однослойном ионировании.
7. Аниониты (МР-64, IRA96) показывали очень большую устойчивость по поглощение органических веществ, и восстанавливались после регенерации, почти на 100%), что делает их привлекательными в условиях отсутствии предочистки, или во время паводка.
Таким образом, установлены следующие недостатки ионитов [KY2-8,AB-17-8]:
-высокий расход воды на собственные нужды; [рис.5,9];
-их быстрое безвозвратное загрязнение органическими веществами и окислами железа (особенно это касается анионита АВ-17-8), что приводить к: а) удержанию регенеранта, б) большим объемом отмывки, в)увеличению электрической проводимости в стадии фильтрации, и объясняет их более низкий срок службы; за время испытаний в течение двух месяцев анионит АВ-17-8 приобрел почти черный цвет, после регенерации цвет ионитов не восстанавливается. При анализе загрязнении определено большое содержание органических соединений и железа;
- трудности взрыхления из-за их слеживания, происходит слипание зерен, подъем материала поршнем, а после того как слежавшийся слой разбит, начинается опускание в нижнюю часть фильтра наиболее загрязненных зерен и их агломератов.
Окончательный выбор после проведенных испытания для достижения более высоких технико-экономических показателей при обессоливании маломинерализованной р. Ангары это:
-двухслойная загрузка слабокислотного и сильнокислотного катионитов CNP-80, S-100mp;
- двухслойная загрузка среднеосновного и высокоосновного анионитов МР-64, М-500тр.
Технические решения
Предлагается реконструировать существующей обессоливающей установки по противоточной технологии с использованием HN03, КОН с последующим выпариванием сточных вод для получения удобрений производительностью 300 т/ч [125].
Для выполнения данного проекта приняты следующие технические решения:
1. Из существующего оборудования используются:
-механические фильтры, (5 шт.);
- фильтры обессоливания, (8 шт);
- баки обессоленной воды (4 100 MJ);
- насосы обессоленной воды (2 500 т/ч);
- баки хранения реагентов; -мерники реагентов;
-баки нейтрализаторы (4 100 м3).
2. Дополнительно устанавливается:
- выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и выносной нагревательной камерой;
-циркуляционный насос;
-конденсатор;
-гранулятор.
3. Демонтируется:
- 6 фильтров обессоливания;
-декарбонизаторы и баки декарбонизованной воды; -2 нитки обессоливания 2 ступени.
4. Параллельноточные ионитные фильтры «цепочек» переоборудуются в противоточные, для чего демонтируются верхние и нижние сборно-распределительные устройства. Вместо них устанавливаются специальные дренажные распределительные устройства, выполнены из нержавеющей стали.
5.Предусматривается замена существующей арматуры на всех фильтрах узлов схемы на дисковые поворотные затворы фирмы АО «АРМАТЭК».
6. На установку выпаривания сточных вод отправляется все регенерационные растворы и 1/3 отмывочных вод, остальные достаточно чистые отмывочные воды собираются для повторного использования в последующих регенерации.
Принципиальная схема обессоливающей установки по противоточной технологии с использованием HN03, КОН с последующим выпариванием сточных вод в качестве удобрений показана на рис.14.
Схема выпаривание сточных вод и получение удобрения из них показана на рис. 15.
Основные расчетные данные ионитных фильтров обессоливающей установки показаны на табл.27.
Режимные карты работы фильтров установки приведены в табл.28.
Описание схемы включения выпарного аппарата (узел получения удобрений) в основной цикл ТЭС
Использование сточных вод, полученных от процесса регенерации ионитных фильтров, для орошения культур в жидком виде удорожает их стоимости из-за большего объема и необходимости перевозки и потери 70% воды, которую можно использовать в цикле ТЭС, что делает процесс выпаривания полученных сточных вод необходимым и целесообразным.
Для концентрирования солей из стоков или получения их в сухом виде целесообразно использовать испаритель, включенный в тепловую схему ТЭС.
С учетом рассмотренных достоинств и недостатков выпарных аппаратов [115] для выпаривания сточной воды после регенерации ионитных фильтров в работе предлагается использовать аппарат с принудительной циркуляцией раствора.
Более простым и надежным в эксплуатации является аппарат с выносной нагревательной камерой, показанный на [рис.16, рис.17], для циркуляции раствора, в котором используется насос 1, установленный вне аппарата. Питающий раствор, подаваемый в обратную трубу 2, смешивается с большим количеством циркулирующего маточного раствора, после чего подается в нагревательную камеру 3. Небольшая величина перегрева жидкости, а также наличие подъемной трубы 4 устраняют закипание раствора в греющих трубках; оно переносится в верхнюю часть трубы 4 и сепаратор 5. Для предупреждения отложений соли подъемную трубу иногда помещают на 1,0-1,5 м ниже уровня раствора. Таким образом, парообразование происходит в сепараторе.
Суспензию отводят через фонарь 6, позволяющий поддерживать постоянный уровень раствора в сепараторе. Наличие выносной нагревательной камеры, помимо эксплуатационных преимуществ (свободный доступ для осмотра и ремонта), позволяет осуществить тангенцианальный безударный ввод парожидкостнои смеси в сепаратор, что улучшает сепарацию пара от капелек раствора.
Оптимальной скоростью циркуляции раствора по греющим трубкам следует считать 2,0-3,0 м/сек. При меньших скоростях возможно отложение соли на теплопередающей поверхности. Увеличение скорости циркуляции не экономично из-за резкого возрастания гидравлического сопротивления контура, а следовательно, и расхода энергии на привод насоса. К тому же при скорости движения раствора свыше 3,0-3,5 м/сек становиться заметным механическое истирание кристаллов.
Чтобы уменьшить измельчение кристаллов в циркуляционном насосе, скорость вращения рабочего колеса не должна превышать 480-570 об/мин. Так как сопротивление циркуляционного контура аппарата невелико, целесообразно использовать пропеллерные насосы, обладающие большой производительностью при сравнительно небольшом расходе энергии [116].
Кислые и щелочные регенерационные растворы после смешивания в баке смесителе нейтрализуются щелочью до рН=7-8.
За счет теплового эффекта реакции раствор нагревается и частично концентрируется из-за испарения воды. Образующиеся пары воды отводятся из смесителя нейтрализатора в теплообменник.
Перед подачей нейтрализованных сточных вод в выпарной аппарат [рис.18] предлагается их подогревать от 25 до 90 С в поверхностном теплообменнике, используя часть сокового (вторичного) пара давлением Р=1,2 атм, отводимого из выпарного аппарата. Другую часть сокового пара и его дистиллят после теплообменника предлагается использовать в основном цикле ТЭЦ.
Суспензия после выпарного аппарата подается в сборнике. Сборник представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат с плоским днищем объемом 12,5 м , оборудованный рамной мешалкой. В этот же сборник одновременно с раствором подают из бункера некондиционные гранулы удобрений (более 4 мм), выгруженные из гранулятора.
Благодаря этому концентрация растворов, поступающих в грануляторы, повышается, что облегчает сам процесс грануляции. Часть доукрепленного раствора подают насосом из сборника в форсунку гранулятора-сушилки для распыления, а другая ее часть - на орошение скруббера мокрой очистки дымовых газов, которые поступают в скруббер из дымовой трубы с помощью вентилятора.
Аппарат для обезвоживания и грануляции растворов удобрений представляет собой сочетание цилиндрической распылительной камеры с конической камерой псевдоожиженного слоя. Гранулятор снабжен пневматической форсункой, стаканом, ограничивающим зону распыления, и распределительной решеткой, под которой находится камера для подачи горячего воздуха.
По характеру протекающих процессов аппарат можно условно разделить на три зоны:
1) зону распыления, где происходит распыление и испарение раствора, а также сушка частиц при постоянной скорости, обеспечивающей гранулообразование;
2) зону встречных газовых потоков, где происходит формирование гранул либо за счет сухих частиц, поступающих из зоны взвешенного состояния, либо за счет обволакивания центров гранулообразования мелкими частицами, поступающими из зоны кипящего слоя;
3) зону кипящего слоя, где происходит досушка образовавшихся гранул до влажности 0,5-1 %.
Распыление и сушка растворов производится дымовыми газами подданными в форсунку с температурой 700 С. Для предотвращения вскипания раствора от нагрева высокотемпературным теплоносителем в форсунке трубка подачи раствора снабжена рубашкой, в которую поступает воздух от воздуходувки.
Другая часть теплоносителя с температурой 145-155С, подается под решетку кипящего слоя гранулятора. Высушенные гранулированные удобрения из гранулятора через тарельчатый питатель поступают в охладитель гранул, где охлаждаются от 80 до 30С в кипящем слое воздухом, который подается в охладитель гранул от воздуходувки. Из охладителя гранулы удобрений поступают на виброгрохот, где продукт рассеивается на три фракции.
Отработанные дымовые газы и воздух из гранулятора-сушилки, содержащие мелкие частицы удобрений, вынесенные из слоя, проходят последовательно сухую очистку в циклонах и мокрую в скруббере. Аналогичную очистку от выносимой пыли удобрения проходит отработанный воздух охладителя гранул: сухую в циклоне, затем вместе с отработанными дымовыми газами гранулятора - в мокром скруббере. На орошение скруббера подается раствор жидких удобрений, который циркулирует в системе «сборник-насос-скурбеер-сборник». Очищенные от пыли дымовые газы и отработанный воздух, пройдя каплеуловитель, через трубу выбрасываются в атмосферу. Задержанная в циклонах пыль удобрений через шлюзовые питатели и систему пневмотранспорта вновь подается в гранулятор для использования ее в процессе гранулообразования.
Готовый продукт (гранулированные удобрения) поступает для промежуточного накопления в бункеры, из которых его направляют на автоматические порционные весы.
