Технологические решения, повышающие экономическую эффективность и экологическую безопасность водоподготовительных установок

С.Л. Громов, А.А. Пантелеев

Рыночная экономика характеризуется острой конкуренцией межцу товаропроизводителями. Одним из решающих факторов, позволяющих производителям товаров и услуг выживать в конкурентной среде, является снижение себестоимости продукции. В свою очередь, издержки производства являются основополагающим фактором, влияющим на себестоимость. Поэтому стремление к снижению издержек производства стало преобладающим фактором, влияющим на выбор направления развития промышленности на современном этапе. Сокращение эксплуатационных расходов служит основным средством для достижения поставленной цели.

Вода является наиболее распространенным природным ресурсом и представляет собой универсальный технологический компонент, но ее промышленное использование сопряжено со значительными эксплуатационными затратами. Во-первых, потому, что велики объемы индустриального потребления воды, а, во-вторых, из-за невозможности ее применения в подавляющем большинстве случаев для технологических нужд в необработанном виде.

Затраты на водоподготовку - это неотъемлемая часть эксплуатационных расходов предприятий микроэлектроники, энергетики, химического и нефтеперерабатывающего комплексов, фармацевтики и пищевой промышленности. Если исключить из рассмотрения вопросы, связанные с использованием воды в контурах охлаждения, то для промышленных целей в подавляющем большинстве случаев применяют умягченную и/или обессоленную (деминерализованную) воду.

Требуемая степень умягчения или деминерализации зависит от конкретной области применения и характеристик оборудования, потребляющего воду в виде рабочего тела.

До последнего времени для целей промышленного водоснабжения в России в качестве источников традиционно рассматривались и чаще всего использовались естественные пресноводные водоемы - реки и озера. Типовые отечественные технологические решения обработки воды из поверхностных источников, приведенные на рис. 1-3, основаны на использовании осветлителей, работающих в режиме известкования с коагуляцией или чистой коагуляции, и механических фильтров с однослойными или многослойными загрузками (на стадии предподготовки) в сочетании со схемами многоступенчатого тонирования с прямоточной регенерацией ионообменных загрузок (на стадии основной обработки).

Приведенные технологические схемы характеризуются огромным количеством единиц установленного основного и вспомогательного оборудования, занимающего значительные производственные площади, существенными затратами реагентов и потреблением воды на собственные нужды, большими объемами образующихся высокоминерализованных стоков и, соответственно, высокими эксплуатационными затратами: себестоимость обессоленной воды с остаточной электропроводимостью не более 2 мкСм/см колеблется в интервале 30-70 руб/м3 .

Первым этапом модернизации водоподготовительных установок с целью снижения эксплуатационных расходов стало внедрение технологий противоточной регенерации ионитов (прежде всего тех, в которых используются принципы работы в зажатом слое: ШВЕБЕБЕТТ и АПКОРЕ), начавшееся с середины 90-х годов прошлого века.

Принципиальная технологическая схема производства обессоленной воды с остаточной электропроводимостью не более 2 мкСм/см при использовании, например, технологии АПКОРЕ принимает вид, показанный на рис. 4. Себестоимость обессоленной воды в этом случае снижается до 18-28 руб/м3 .

Однако надо отметить, что применение технических решений, основанных на использовании ионного обмена в качестве стадии основной обработки воды с целью умягчения или деминерализации приводит во всех случаях к образованию агрессивных и высокоминерализованных стоков, требующих дополнительной обработки (нейтрализации и разбавления) перед сбросом в окружающую среду.

Кроме того, задача сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку осложняется из-за воздействия таких тенденций как:

  • рост тарифов за водопользование;
  • непрерывное ухудшение качественных показателей воды (например, рост солесодержания), в источниках пригодных для промышленного использования;
  • ужесточение нормативов по количественным и качественным показателям для сбрасываемых стоков;
  • повышение требований к качеству обработанной воды, используемой в технологическом цикле.

Под воздействием указанных факторов за последние пятнадцать лет в России и странах СНГ произошли революционные сдвиги в сознании потребителей, получившие свое выражение на практике в переходе к внедрению современных процессов водоподготовки, основанных на мембранных методах разделения (микро-, ультра-, нанофильтрация, обратный осмос) в сочетании с технологиями противоточного ионирования и/или электродеионизацией. Внедрение мембранных технологий в практику водоподготовки вызвало бурный рост числа их сторонников среди специалистов служб эксплуатации отечественных водоподготовительных установок (ВПУ). В немалой степени тому способствовали опережающие темпы развития самих мембранных методов разделения: рост показателей селективности и производительности мембран, снижение цен на их приобретение, сокращение эксплуатационных расходов при их применении.

На базе указанных процессов возможна реализация так называемых «интегрированных мембранных технологий» (ИМТ), применение которых позволяет снижать эксплуатационные затраты на водоподготовку, несмотря на негативное воздействие любых из перечисленных выше факторов.

Проиллюстрируем последнее утверждение примером решения задачи по получению деминерализованной воды (с остаточной электропроводимостью не более 0,1 мкСм/см) в случае, когда исходной является речная поверхностная вода.

Традиционным методом решения данной задачи является применение технологической схемы, приведенной на рис. 3. Альтернативным является решение с использованием интегрированных мембранных технологий, показанное на рис. 5.

Ультрафильтрация обеспечивает предподготовку поверхностной воды перед ее дальнейшей деминерализацией. Ультрафильтрация, заменяя стадии известкования с коагуляцией и осветлительного фильтрования, обладает следующими преимуществами:

  • резко сокращается потребление реагентов;
  • потребление воды на собственные нужды менее 15 % (но может быть снижено и до 2-5 %);
  • в фильтрате практически отсутствуют взвеси и коллоиды.

Приведенная ниже таблица позволяет оценить экономическую эффективность от применения ультрафильтрации в сравнении с традиционной предподготовкой.

Обратный осмос (или нанофильтрация в комбинации с обратным осмосом) для целей деминерализации также обладают рядом преимуществ перед схемой традиционного двухступенчатого параллельноточного ионирования:

  • во-первых, применение мембранных технологий не сопровождается затратами больших количеств реагентов (кислот и щелочей) на регенерации;
  • во-вторых, исключается образование высокоминерализованных стоков, вызванных сбросом избытков реагентов при регенерациях;
  • в-третьих, достигается значительно более высокая, чем при ионном обмене, степень удаления из обрабатываемой воды органических соединений (в том числе и неполярных) и коллоидной кремневки;
  • в-четвертых, отсутствует необходимость нейтрализации сбрасываемых стоков.

Таблица. Себестоимость воды после предподготовки (для случая обработки поверхностных вод), руб/м3

Объект

Известкование с коагуляцией (или коагуляция) + осветлительное фильтрование

Ультрафильтрация

Новочеркасская ГРЭС

8,28

1,83

Красноярская ГРЭС-2

1,88

0,55

НЛМК

6,99

1,86

ГЭС-1 ОАО «МОС­ЭНЕРГО»

31

1,55

В конечном итоге вышеперечисленные обстоятельства приводят к тому, что эксплуатационные затраты при использовании мембранных методов разделения оказываются существенно ниже, чем в случае традиционной технологии ионирования.

Применение ИМТ в сочетании с ионным обменом (прежде всего основанном на методах противоточной регенерации) для целей водоподготовки в энергетике позволяет добиться снижения себестоимости обессоленной воды до 12-20 руб/м3 при одновременном сокращении водопотребления и количества солей, поступающих в окружающую среду со сточными водами.

На приведенном ниже рис. 6 показана так называемая «точка экономического равновесия эксплуатационных затрат», если речь заходит о целесообразности выбора мембранной или ионообменной технологии деминерализации воды в зависимости от значения солесодержания исходной воды. Отметим только, что в рассматриваемом случае подразумевалось, что для ионного обмена применяется технология противоточной регенерации (например, АПКОРЕ, чьи эксплуатационные затраты на реагенты в 1,5-2 раза ниже, чем при параллельноточной регенерации).

Наконец, электродеионизация, являясь безреагентной и бессточной мембранной технологией, позволяет гарантировать остаточную электропроводимость деминерализованной воды на уровне 0,08 мкСм/см. Очевидно, что и эксплуатационные затраты на электродеионизацию будут ниже, чем для ФСД.

Правда, следует отметить, что стабильность показателей работы электродеионизации зависит от того, насколько хорошо функционирует обратный осмос: в случае возникновения сбоев в работе последнего неизбежны следствием будут проблемы с качеством работы электродеионизации.

С учетом последнего обстоятельства для случаев, когда требуется гарантировать высочайшую степень надежности работы технологической схемы обессоливания, вместо электродеионизации можно применить противоточное Н-ОН ионирование или ФСД.

Если вариант с ФСД предпочтительнее по показателям экономии реагентов при регенерации, то противоточное Н-ОН ионирование - по соображениям простоты автоматизации и удобства в эксплуатации.

Кроме того, если в установке Н-ОН ионирования предусмотрено использование технологии АПКОРЕ, то технологическая схема обретает дополнительную степень устойчивости и может эксплуатироваться даже в условиях байпассирования обратного осмоса.

Сама по себе технология противоточной регенерации ионитов АПКОРЕ (а так же ее модификации) могут с успехом использоваться в случаях, если потребитель намерен ограничиться только реконструкцией в противоток существующей параллельноточной ионообменной установки, или в условиях, когда значение солесодержания исходной воды стабильно ниже 100 мг/л, а неполярная органика и коллоидная кремневка присутствуют в ней в пренебрежимо малых количествах.

В настоящее время впервые в практике отечественной теплоэнергетики установки с применением ИМТ запущены на Ноябрьской ПГЭС и Первомайской ТЭЦ (ТГК-1), монтируется оборудование на Краснодарской ТЭЦ, где подготовка глубоко обессоленной воды (остаточная электропроводимость менее 0,1 мкСм/см) осуществляется безреагентным методом с использованием ультрафильтрации, обратного осмоса и электродеионизации.

Общепризнанным недостатком ИМТ является более высокое, чем, например, при ионном обмене значение потребления воды на собственные нужды. Если для современных установок деминерализации, основанных на ионообменных схемах, потребление воды на собственные нужды с учетом традиционной предподготовки, как правило, не превышает 20 %, то при использовании стандартных решений на основе ИМТ (например, комбинации ультрафильтрации и обратного осмоса) - может доходить до 55-60 %.

В процессе предпроектных испытаний, выполненных нами при разработке технологии обессоливания воды с исходным солесодержанием около 800 мг/л для Каргалинской ТЭЦ, были найдены технические решения, позволившие обеспечить значение показателя потребления воды на собственные нужды при использовании ИМТ в пределах 5 %: при расчетной производительности водоподготовительной установки 600 м3 /ч по деминерализованной воде объем стоков не превышал 30 м3 /ч.

Технические решения, разработанные для Каргалинской ТЭЦ, были частично реализованы при внедрении ИМТ (ультрафильтрация + обратный осмос) на ТЭЦ-16 ОАО «МОСЭНЕРГО». Для установки производительностью до 140 м3 /ч годовой эффект от экономии эксплуатационных расходов составил более 10 млн. рублей, а показатель потребления воды на собственные нужды не превышал 25 %.

Рассматривая задачу умягчения воды, стоит упомянуть схему, в которой нанофильтрация сопровождается доумягчением на натрий- катионитных фильтрах.

Благодаря способности нанофильтрационных мембран хорошо задерживать поливалентные ионы, наряду с более высоким (по сравнению с обратным осмосом) значением гидравлического к.п.д. и более низким потреблением энергии, нанофильтрация может с успехом использоваться для решения задач по умягчению воды.

В тех случаях, когда из-за высокого значения жесткости исходной воды нанофильтрация не может обеспечить требуемую степень умягчения, фильтрат может направляться на натрий-катионитные фильтры для доумягчения. Причем эти фильтры могут функционировать как в режиме противоточной регенерации (например, АПКОРЕ), так и в параллельноточном режиме, если частота проведения регенераций натрий- катионитных фильтров невысока (например, менее двух раз в месяц).

В последние годы все отчетливее проявляется стремление потребителей перерабатывать сточные воды с целью их повторного использования в технологическом цикле. При этом традиционными задачами, решаемыми путем применения мембранных технологий (чаще всего ультрафильтрации в сочетании с обратным осмосом) являются сокращение объема сбрасываемых стоков и снижение уровня потребления воды, забираемой из природных источников.

В то же время, применение мембранных технологий позволяет подойти к решению еще одной очень важной экологической проблемы - резкому сокращению потребления соли, используемой для регенерации действующих фильтров ионообменного умягчения.

Солесодержащие стоки, образующиеся при умягчении воды методом ионного обмена, негативно влияют на окружающую среду, т.к. способствуют засаливанию почв и росту солесодержания в природных источниках воды.

Проведенные нами совместно с Dow Water Solutions (отделение ком­пании Dow Chemical ) исследования показали, что, используя мембранные технологии (в частности - нанофильтрацию), можно возвратить в технологический цикл для повторного использования до 60 % от объема реге- нерационных стоков, образующихся при Na -катионировании.

Современные технические решения, основанные в первую очередь на интегрированных мембранных технологиях, являются для потребителей альтернативой, позволяющей минимизировать эксплуатационные затраты на водоподготовку и снизить негативное воздействие антропогенного фактора на окружающую среду.

(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.