Модернизация водоподготовительных установок подпитки теплосети по "малосточной" технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модернизация водоподготовительных установок подпитки теплосети по "малосточной" технологии

А.В. Мамошкин, А.А. Аваков,

В.В. Шищенко, В.Г. Голиков,

О существующей проблеме

Обработка исходной воды на водоподготовительных установках (ВПУ) котельных и ТЭЦ для подпитки открытых тепловых сетей часто производится методом Н-катионирования с режимом "голодной" регенерации фильтров. Отличительной особенностью метода является использование серной кислоты с минимальным удельным расходом не выше стехиометрического г-экв/г-экв поглощенных катионов, в отличие от остальных способов параллельно-точной ионообменной очистки с удельными расходами реагентов более 2 г-экв/г-экв. Химочищенная Н-катионированная вода характеризуется одновременным снижением жесткости, щелочности, карбонатного индекса и солесодержания.

В качестве загрузочного материала фильтров на действующих ВПУ традиционно используется сульфоуголь, характеристики которого при длительном использовании не соответствуют, как правило, требованиям ТУ 113-08-5015182-78-91 по значениям динамической обменной емкости (фактически менее 150-200 г-экв/м3) и механическим свойствам. В результате происходит существенный перерасход кислоты и воды на собственные нужды вследствие учащения количества регенераций фильтров. Недостаточная высота загрузки сульфоугля наряду с его низким качеством приводят, в конечном счете, к ограничению производительности котельных по выработке подпиточной воды.

Производство сульфоугля в России практически прекращено, а на Западе его не используют уже более 30 лет. В связи с этим крайне актуален перевод фильтров ВПУ на работу с современными слабокислотными карбоксильными катионитами. На отечественном рынке имеется много марок эффективных карбоксильных катионитов, рекомендуемых для использования в схемах открытого горячего водоснабжения, с рабочей обменной емкостью, на порядок превышающей таковую для сульфоугля.

Перевод фильтров на работу с новым высокоемким ионообменным материалом не сводится к простой перезагрузке материала в фильтрах, как это часто предполагается, а требует разработки и реализации ряда технических решений, предотвращающих прямую потерю дорогостоящего карбоксильного катионита, а также образование отложений сульфата кальция в процессе регенерации и транспортировки сточных вод.

Недостаток информации о технических условиях использования карбоксильных катионитов в промышленных условиях наряду с высокой стоимостью материала являются сдерживающими факторами их широкого применения. водоподготовительный тепловой карбоксильный катионит

Особенности и опыт внедрения карбоксильных катионитов

В статье приводятся основные результаты применения карбоксильных катионитов в котельной ПП "Белгородской ТЭЦ". Работы были начаты в 1999 г. при техническом сопровождении со стороны ЗАО ИЦ "Авелит" и ОАО "Объединение ВНИПИэнергопром". Реконструкция выполнялась на ВПУ максимальной производительностью 1000 м3/ч, оснащенной фильтрами диаметром 3 м при работе на артезианской воде средней жесткостью 8 мг-экв/дм3 и щелочностью 6,5 мг-экв/дм3.

Одним из основных условий обеспечения надежной эксплуатации фильтров является определение оптимальной скорости подачи регенерационного раствора и отмывки. Фирмы-производители карбоксильных катионитов рекомендуют необоснованно широкий диапазон скоростей для подачи регенерационного 0,5-0,8% раствора серной кислоты: от 5 до 20 м/ч (Lewatit CNP80, Dowex MAC-3), от 8 до 15 м/ч (Тулсион СХО12) и от 15 до 40 м/ч (Амберлайт IRC86). Выполненные нами стендовые испытания и опыт многолетней эксплуатации фильтров с карбоксильными катионитами позволяют рекомендовать скорость регенерации и отмывки равную 15-20 м/ч (в зависимости от условий применения), т.е. значительно большую, чем для сульфоугля. Такое решение обуславливает необходимость реконструкции регенерационного узла ВПУ с изготовлением нестандартного эжектора повышенной производительности или монтажа соответствующих насосов-дозаторов.

Другим важным условием надежной и экономичной эксплуатации фильтров с карбоксильным катионитом является высота загрузки. Фирмы-производители регламентируют только минимальную высоту загрузки в пределах 0,7-0,8 м, оставляя открытым ответ на важный вопрос: "А сколько, собственно, допустимо загружать карбоксильного катионита в фильтр без отрицательных последствий?". Применительно к условиям рассматриваемого объекта была принята высота загрузки фильтров, равная 1,5 м. Следует отметить, что в фильтрах с высотой загрузки менее 1 м при работе на жесткой воде указанного качества происходит существенное снижение рабочей обменной емкости катионита практически в 1,5 раза.

В проекте модернизации ВПУ был реализован целый ряд технических решений, повышающих надежность работы:

· замена нижних дренажно-распределительных систем фильтров на фильтрующие элементы с щелями 0,2 мм и монтаж на выходе фильтров-ловушек зернистых материалов;

· замена верхних распределительных систем фильтров на щелевые лучи, предотвращающие потерю катионита при взрыхляющих промывках;

· перемонтаж на большие диаметры части трубопроводов и арматуры обвязки;

· стабилизация давления исходной воды ВПУ с помощью преобразователей частоты электродвигателей и автоматическое резервирование источника эжектирующей воды, позволяющее продолжить процесс регенерации при перебоях в подаче исходной воды;

· оснащение ВПУ современными физико-химическими приборами контроля и регистрации качества воды.

Очевидно, что вышеперечисленный неполный перечень работ по реконструкции ВПУ приведен в качестве примера. Все технические решения для конкретных объектов должны разрабатываться специализированными проектными и наладочными предприятиями.

Достигнутые практические результаты многолетней работы реконструированных фильтров с карбоксильным катионитом в котельной ПП "Белгородской ТЭЦ" следующие.

1. Среднее качество обработанной воды на фильтрах показано на рис. 1: щелочность Щост=0,4-0,5 мг-экв/дм3, карбонатный индекс Ик=0,5-0,7 (мг-экв/дм3)2, что меньше регламентируемого ПТЭ [1] при pH25<9 и нагреве воды до 150ОС.

2. Увеличена единичная производительность фильтров с 70 до 120-140 м3/ч.

3. Количество действующих фильтров сокращено в 2 раза.

4. Рабочая обменная емкость карбоксильного катионита Lewatit CNP80 в данных условиях работы составила в среднем 2300 г-экв/м3.

5. Количество сточных вод фильтров ВПУ сокращено в среднем с 17 до 7% по замерам водосчетчиков и хорошо согласуется с расчетными значениями:

· собственные нужды ВПУ с сульфоуглем до реконструкции составляли:

Qсу=100qсу(Щo-Щост. )/Есу=100*5,7(6,5-0,5)/200=17,1%;

· собственные нужды реконструированных фильтров, загруженных карбоксильным катионитом:

Qкк=100qкк(Щo-Щост. )/Екк==100*27(6,5-0,5)/2300=7%.

Здесь Щ0, Щост. - щелочность исходной и обработанной воды, мг-экв/дм3; qсу, qкк - фактические удельные расходы воды на регенерацию и отмывку сульфоугля и карбоксильного катионита, м3/м3; Есу, Екк - рабочие обменные емкости сульфоугля и карбоксильного катионита, г-экв/м3.

6. Сокращен расход кислоты на обработку воды в среднем на 9%. Уменьшение затрат кислоты при использовании карбоксильных катионитов отмечалось и другими авторами [2] и объясняется нами как результат уменьшения непроизводительных потерь кислоты на нейтрализацию щелочности исходной воды, затраченной на приготовление регенерационного раствора и отмывку катионита.

7. Количество регенераций фильтров на ВПУ сокращено в 6 раз.

8. Потребность ВПУ в карбоксильном катионите, с учетом уменьшения высоты загрузки и количества фильтров, сокращена в 2,5-3,3 раза от количества использовавшегося ранее сульфоугля; дозасыпка карбоксильного катионита не производилась.

9. Буферные фильтры после Нг-фильтров с карбоксильным катионитом выведены из схемы работы (регулирование щелочности воды при необходимости производится добавлением Na-ка- тионированной воды с резервного фильтра).

Экономическая эффективность замены сульфоугля на карбоксильный катионит в основном обусловлена снижением общего количества сточных вод и соответствующего сокращения расхода тепловой и электрической энергии, уменьшения потребления серной кислоты, а также исключения затрат на дозасыпку катионита.

Расчеты показывают, что, несмотря на сравнительно высокую стоимость карбоксильного катионита, срок окупаемости необходимой реконструкции ВПУ при действующих ценах не превышает 2 года.

Полученную прибыль от использования высококачественного загрузочного материала целесообразно направить на решение проблем экологии ВПУ

Сточные воды ВПУ при работе на сульфоугле, а тем более при работе с карбоксильным катионитом, характеризуются многократным превышением предельно допустимых концентраций (ПДК) по сульфатам и солесодержанию. Данные по качеству сточных вод от регенерации фильтров, загруженных карбоксильным катионитом, приведены на рис. 2.

Усредненный качественный состав сточных вод ВПУ подпитки теплосети с Нг-фильтрами, загруженными карбоксильным катионитом, можно рассчитать по балансовым формулам с помощью коэффициента концентрирования Кн [3]:

Значительное превышение ПДК по сульфат- иону в стоках ВПУ по схеме Нг-катионирования, также как и в остальных ВПУ с ионообменной технологией (по сульфат- или хлорид-иону в зависимости от применяемых реагентов), ставят эксплуатирующие организации под постоянную угрозу многократных штрафных санкций за сброс загрязненных сточных вод. Кроме того, как видно из данных, приведенных на рис. 2, большая часть сточных вод (около 70%) содержит сульфат кальция в концентрациях, значительно превышающих растворимость гипса в данных условиях. Это создает угрозу его кристаллизации в системе канализации сточных вод.

Повышенная концентрация сульфат-иона в сточных водах оказывает разрушающее воздействие на конструкции из бетона и железа.

В то же время, основной технологический недостаток фильтров с карбоксильным катионитом

высокое концентрирование сточных вод, можно превратить в преимущество, организовав удаление пересыщенной части сульфата кальция. Как показали специальные исследования, выпадение гипса из отработанного регенерационного раствора начинается уже через несколько минут в остановленном потоке и полностью заканчивается более чем через 12 ч. Из-за длительности данного процесса и выделения сильно увлажненного гипса метод не нашел практического применения.

На стендах ОАО "Объединение ВНИПИэнергопром" [4] и в котельной ПП "Белгородской ТЭЦ" была исследована методика выделения сульфата кальция из регенерационного потока в кристаллизаторе с "затравкой" зерен гипса. Результаты подтвердили эффективность такой очистки регенерационных потоков с Нг-фильтров до уровня растворимости гипса. Была также проверена работа фильтров в условиях многократного повторного использования очищенного регенерационного раствора и восстановленного добавлением серной кислоты до исходной концентрации. Выполненные исследования [4] показали, что многократное использование очищенного регенерационного раствора не ухудшает качество фильтрата и не понижает обменную емкость катионита.

Принципиальная схема ВПУ с утилизацией стоков приведена на рис. 3. Исходная вода после обработки в H-катионитных фильтрах с "голодной" регенерацией катионита 1 и декарбо- низаторах 2 собирается в баках декарбонизиро- ванной воды 3, откуда подается в деаэраторы подпиточной воды теплосети. Для взрыхления катионита в фильтрах 1, приготовления раствора кислоты для его регенерации и начальной стадии отмывки используются сточные воды от предыдущей регенерации после осаждения и отделения гипса.

В процессе регенерации и отмывки сточные воды с содержанием кальция менее 25-30 мг- экв/дм3 собираются в баке 6, а более жесткие - пропускаются через кристаллизатор 4, загруженный гипсовым шламом. В связи с большой удельной поверхностью этого шлама в кристаллизаторе происходит интенсивная кристаллизация гипса из раствора, и содержание сульфата кальция в нем снижается до 28-30 мг-экв/дм3, что близко к растворимости гипса в данных условиях. Содержание магния в растворе остается неизменным.

Стабилизированный по гипсу раствор и воды взрыхления собираются в баке 5, где происходит их осветление. Осветленный раствор смешивается с маломинерализованными стоками в баке

Основная часть сточных вод из бака 6 используется в процессе следующей регенерации фильтров, а их избыток подмешивается к умягченной воде, подаваемой на подпитку теплосети.

Осадок гипса, образовавшийся в кристаллизаторе 4, периодически выпускается в бункер 7, снабженный дренажной системой, через которую основная часть сточных вод дренируется в бак сбора фильтрата 8, откуда подается в бак 5. Частично обезвоженный гипс с остаточной влажностью 25-30% вывозится автотранспортом по мере накопления.

В результате при работе по описанной схеме обеспечивается полная утилизация вод взрыхления, отработанного регенерационного раствора и отмывочных вод.

Конструкция кристаллизатора приведена на рис. 4. Образцы гипса, полученного в процессе опытно-промышленной апробации работы такого кристаллизатора на Казанской ТЭЦ-3 в схеме обработки сточных вод от регенерации Н-катио- нитных фильтров ионообменной обессоливающей установки [5], приведены на рис. 5. Размер образующихся частичек гипса зависит от режима верхней и нижней продувок кристаллизатора.

Гипс, выделенный в процессе регенерации, обладает свойствами, позволяющими использовать его в строительстве, для обработки почв в сельском хозяйстве, для производства гипсового вяжущего, а также для других целей. Количество образующегося гипса зависит от производительности ВПУ и состава исходной воды. Конкретный вариант утилизации гипса выбирается с учетом местных условий. При наличии предприятия по производству гипсового вяжущего вещества из природного гипса, совместная переработка относительно небольшого количества высококачественного гипса, полученного из воды питьевого качества и чистой серной кислоты, является наиболее эффективным решением данного вопроса.

Самоокупаемость предлагаемого решения проблемы очистки регенерационных сточных вод Нг-фильтров с выделением и утилизацией гипса обеспечивается в основном за счет существенного снижения их количества и следовательно сокращения значительной части затрат на оплату исходной воды и стоков, затраченных электро- и теплоэнергии.

Эффективность всех вышеперечисленных работ по экономии воды на ВПУ, позволяющих реально уменьшать потребление исходной воды и сброс сточных вод, которая подтверждается не только расчетами, но и замерами по водосчетчикам, может значительно нивелироваться при существующих недостатках методик учета водо- потребления, водоотведения и состояния хозрасчетных приборов. Дело в том, что основной показатель, определяющий эффективность нововведений - количество сточных вод за определенный период - не определяется физически, а рассчитывается, как правило, по разности показаний различных приборов: расхода исходной воды; расхода сетевой воды по прямому и обратному трубопроводам теплосети. При такой методике, когда накладываются погрешности нескольких приборов учета, ожидать приемлемой точности оценки количества сточных вод не приходится. Более того, при таком подходе вся исходная вода делится однозначно только на две части: используемую для подпитки теплосети и на сбрасываемую в канализацию. Реально вода может использоваться и на другие цели.

Поэтому для объективной оценки прибыли от модернизации ВПУ целесообразна организация узла прямого замера потока сточных вод ВПУ Преимущество такого решения заключается в достигаемой "прозрачности" учета количества сточных вод и универсальной применимости для всех планируемых изменений схем ВПУ.

Из вышеизложенного можно сделать вывод об экологической и экономической актуальности модернизации технологии ВПУ с Нг-фильтра- ми путем замены сульфоугля на карбоксильный катионит, строительства узла выделения гипса и повторного использования основной части сточных вод по замкнутому контуру.

Литература

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей, РФ, 2003 г.

2. Угай Е.В. Способы снижения щелочности питательной воды в схемах водоподготовки // Энергосбережение и водоподготовка. № 5. 2007.

3. Мамошкин А.В., Ибрагимов Г.Ш. Расчетный метод определения количества и качественного состава сточных вод катионитных водоподготовительных установок // Теплоэнергетика. № 9.1976.

4. Шищенко В.В., Пащенко Ю.Е. Малоотходная технология водород-катионирования с "голодной" регенерацией катионита для подготовки подпиточной воды теплосети // Новости теплоснабжения. № 11. 2003. С. 36-41.

5. Фардиев И.Ш., Закиров И.А., Силов И.Ю. и др. Опыт создания комплексной малоотходной системы водопользования на Казанской ТЭЦ-3//Новое в российской электроэнергетике. Ежемесячный электронный журнал. 2009. № 3. С. 30-37.

Размещено на Allbest.ru