Введение к работе
Актуальность работы. Эксплуатация геотермальных электрических станций (ГеоЭС) требует выпуска в поверхностные водоемы больших объемов отработанных вод (гидротермальных сепаратов), которые содержат в своем составе кремнезем, соединения бора, мышьяка, вредные микрокомпоненты. Одновременно происходит тепловое загрязнение водоемов. Альтернативным решением является обратная закачка (реинжекция) отработанного сепарата в породы гидротермального резервуара. Обратную закачку проводят при повышенной температуре 140-160С из-за риска роста твердых отложений кремнезема в скважинах и теплооборудовании. Отложения формируется в результате адгезии коллоидных частиц кремнезема на внутренней поверхности труб. Коллоидный кремнезем образуется вследствии снижения температуры и давления при выходе гидротермальной среды на поверхность по продуктивным скважинам, формирования пересыщения и развития реакции поликонденсации ортокремниевой кислоты. Высокая температура обратной закачки существенно ограничивает возможности использования энергетического и минерального потенциала гидротермальных теплоносителей.
Необходимость разработки методов очистки гидротермальных сепаратов с целью снижения воздействия на окружающую среду и повышения эффективности использования гидротермальных ресурсов проявилась на всех месторождениях мира: в Новой Зеландии, Японии, США, Мексике, Италии, Исландии, Филиппинах и др. Осаждение кремнезема коагулянтами – один из вариантов решения этой задачи. Очистка отработанных вод от кремнезема обеспечит устранение твердых отложений в теплообменниках, трубопроводах, скважинах, что может быть основой для получения дополнительной тепловой и электрической энергии в бинарных блоках. Кроме того появится минеральное сырье, утилизируемое в промышленности. Все эти факторы позволяют повысить экономические показатели использования гидротермальных ресурсов.
Цель и задачи исследований - разработка технологии очистки отработанных вод геотермальных электрических станций от коллоидного и растворенного (мономера кремниевой кислоты) кремнезема с утилизацией осадка.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Механизм образования твердых отложений из потока гидротермального сепарата, заключающийся: в поликонденсации молекул ортокремниевой кислоты, формировании коллоидных частиц кремнезема, массопереносе коллоидных частиц из ядра турбулентного водного потока на стенки проводящего канала, агрегации частиц в узком пристеночном слое, адгезии (прилипании) агрегатов к предыдущему слою отложений и дальнейшей агрегации в сферические комплексы, заполняющие поверхность;
2. Экспериментально установленный механизм коагуляции и осаждения коллоидного кремнезема в гидротермальном сепарате заключается в следующем: 1. коагуляция коллоидной дисперсии кремнезема происходит при добавлении в раствор критического количества катионов металлов типа Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+, по отдельности или в комбинации, так, чтобы суммарная концентрация ионов составляла порядка 55-120 мг/л; 2. сорбция поверхностью коллоидного кремнезема части из них (5-20 мг/л) до полной нейтрализации отрицательного заряда частиц; 3. образование мостиковых связей между нейтрализованными частицами, коагуляция и осаждение коллоидного кремнезема, так что в реакциях нейтрализации и образования мостиковых связей на 1 катион-коагулянт приходится в среднем от 15 до 60 молекул SiO2.
3. Технологическая схема очистки потока гидротермального сепарата от кремнезема, включающая следующие стадии: 1. старение сепарата, поликонденсацию кремнекислоты с образованием коллоидных частиц; 2. ввод осадителя (смеси осадителей) для коагуляции, хлопьеобразования и осаждения кремнезема; 3. регулирование pH сепарата (подкисление, подщелачивание) на стадии осаждения кремнезема, добавлением реагентов для ускорения кинетики коагуляции и хлопьеобразования, варьирования содержания металлов в осажденном материале, снижения остаточной концентрации кремнезема, сокращения расхода коагулянтов; 4. отделение хлопьев осажденного материала и осветление воды; 5. обезвоживание и сушка осажденного материала.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлено, что твердые отложения в теплооборудовании и трубопроводах ГеоЭС возникают в результате турбулентной диффузии коллоидных частиц кремнезема при техногенном течении гидротермального сепарата;
- определен порядок реакции поликонденсации кремниевой кислоты; измерены радиусы и коэффициенты диффузии коллоидных частиц кремнезема в гидротермальном сепарате;
- установлен механизм коагуляции и осаждения коллоидного кремнезема в гидротермальном сепарате катионами металлов;
- разработана технологическая схема очистки потока гидротермального сепарата от кремнезема, реализация которой обеспечивает снижение скорости роста твердых отложений в теплооборудовании, скважинах и получение на этой основе дополнительной тепловой и электрической энергии, минерального сырья;
- разработаны методы утилизации осажденного кремнеземсодержащего материала, позволяющие повысить рентабельность мероприятий по очистке.
Практическое значение работы состоит в том, что она открывает перспективы для проектирования технологических процессов очистки гидротермального сепарата от кремнезема с целью снижения воздействия на поверхностные водоемы, устранения твердых отложений в оборудовании ГеоЭС, повышения эффективности использования гидротермальных ресурсов. Разработанные способы осаждения кремнезема позволяют очищать гидротермальный теплоноситель от других неорганических примесей и извлекать их в полезных формах (соединения Li, B, As и др.), получать дополнительную электрическую и тепловую энергию, повышать эффективность использования теплоносителя. Предложены способы осаждения кремнезема, реализация которых обеспечивает следующие технические результаты: 1. раздельное и глубокое осаждение коллоидного кремнезема и кремниевой кислоты; 2. ускорение процессов коагуляции, хлопьеобразования и осаждения кремнезема; 3. варьирование в широких пределах концентрации металлов в осажденном материале; 4. сокращение расхода коагулянтов на обработку за счет регулирования pH раствора; 5. получение аморфного кремнеземсодержащего материала, который может быть использован в промышленности. Предложены экономические критерии, которые дают возможность оценить рентабельность различных вариантов процесса осаждения кремнезема и выбрать перспективные.
Реализация работы. Установки производительностью 0.05-1.50 м3/ч для извлечения кремнезема из потока гидротермального сепарата, разработанные с учетом предложенной технологической схемы, прошли испытания при температурах 65-73С в ООО НПФ “Наносилика”.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на конференции “Математические методы в технике и технологиях” (ММТТ-18, 2006 г., ММТТ-19, 2007). Работа поддержана грантами РФФИ 02-03-32185, 03-03-06194.
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 11 публикациях в журналах “Водоснабжение и санитарная техника”, “Химическая технология”, “Теплоэнергетика” и др.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы - 183 страниц с 48 таблицами и 33 рисунками.
