Сравнение способов предварительной очистки воды на ТЭС. Флотация, микрофильтрование и обработка в осветлителях с микропеском

А.В. Жадан, Б.А. Смирнов, О.В. , В.Н. Виноградов, В.К. Аван, Е.А. Карпычев

Опыт промышленной эксплуатации водоподготовительных установок различного типа показывает определяющую роль предварительной очистки (предочистки) воды. Эффективная предочистка воды создаёт условия для технико-экономически эффективной последующей обработки воды. К перспективным системам предочистки воды на ТЭС следует отнести флотацию, фильтрацию с использованием сетчатых, дисковых и кассетных фильтров и коагуляцию в осветлителях с микропеском. Анализ опыта эксплуатации таких систем позволяет сформулировать их значимые преимущества и недостатки.

1. Системы водоподготовки с предварительно очисткой воды на установках напорной флотации

Процесс напорной флотации заключается в создании в камере, в которой осуществляется разделение твёрдой и жидкой фаз (камера флотации) условий для выделения из жидкости микропузырьков воздуха, которые, поднимаясь, увлекают за собой хлопья взвеси и скоагулированные загрязнения. При реализации технологии флотации исходную воду обычно обрабатывают коагулянтом и флокулянтом. При температуре обрабатываемой воды более 20° C ввод коагулянта можно осуществлять в подающий трубопровод, однако при меньших температурах целесообразна установка дополнительных камер коагуляции. Ввод флокулянта всегда осуществляется непосредственно перед камерой флотации. Для создания микропузырьков воздуха осуществляется циркуляция воды через сатуратор в количестве примерно от 20 до 25 % от проектной производительности флотатора. Циркуляционная вода подаётся повысительным насосом при давлении 6 кгс/см2 в сатуратор, куда осуществляется подача воздуха с тем же давлением. После насыщения воздухом вода через редукционный клапан попадает в распределительную систему флотатора, на выходе из которой происходит интенсивное выделение микропузырьков.

Некоторые западные производители водоподготовительного оборудования устраивают в нижней части камеры флотации безнапорный механический фильтр. Такие устройства называют флотофильтрами. В отечественной энергетике флотаторы нашли своё применение при очистке вод северо-западного региона России, например на Северо-Западной ТЭЦ ТГК-1, а флотофильтры - на Киришской ГРЭС ОГК-6.

Системы флотации отличаются малыми габаритами и стабильно высоким качеством обработки маломутных вод с высокой цветностью. Флотаторы могут быть хорошей альтернативой осветлителям в условиях образования лёгкого и рыхлого шлама, характеризующегося низкой гидравлической крупностью. Флотошлам отличается относительно низкой влажностью и легко поддаётся дальнейшему обезвоживанию. Вода, полученная в результате процесса флотации, обычно отличается мутностью менее 1 NTU и массовой концентрацией взвешенных веществ менее 5 мг/дм3 . При использовании флотофильтров очищенная вода имеет лучшее качество: её мутность и концентрация взвешенных веществ, соответственно, не более 0,2 NTU и 0,2 мг/дм3.

К недостаткам флотаторов можно отнести большое удельное потребление электроэнергии, увеличивающееся при эксплуатации флотатора на нагрузках меньше проектных. Флотаторы имеют более сложную конструкцию и более высокую стоимость в сравнении с современными западными осветлителями. При проектировании систем флотации следует принимать во внимание небольшую высоту современных флотаторов и учитывать это при проработке высотного расположения оборудования водоподготовительных установок.

2. Системы фильтрации с использованием сетчатых, дисковых и кассетных фильтров

Блочно-модульное фильтрационное оборудование, подкупая своей простотой, автоматической работой, малыми размерами, несравнимыми с размерами другого оборудования предочистки, и декларируемым малым потреблением воды на собственные нужды, буквально ворвалось в отечественную водоподготовку. В отечественной энергетике сетчатые и дисковые фильтры нашли своё применение в качестве первой ступени фильтрации перед установками ультрафильтрации, хотя замечены упорные попытки внедрения этих систем в качестве полноценных ступеней водоподготовки, например, перед ионным обменом или обратным осмосом. Отмечены даже попытки совмещения этих фильтрационных систем с прямоточной коагуляцией, разумеется, безуспешные.

Особого внимания заслуживают кассетные фильтры, производимые израильской компанией Amiad и появившиеся на рынке совсем недавно. Как и предыдущие разработки этой компании, фильтры подкупают оригинальностью конструкции, своей большой производительностью при малых габаритах. Промывка фильтров осуществляется полностью автоматически и подробно представлена в виде компьютерной анимации на интернет-сайте компании. Стандартный удельный расход воды на собственные нужды при диаметрах задерживаемых частиц от 2 до 20 мкм по данным компании Amiad составляет 1 %. Очевидно, что такой результат достигнут при фильтрации чистой воды. В ходе испытаний на москворецкой воде результаты оказались худшими: фильтры забивались в течение нескольких минут, а процесс их отмывки по длительности превышал сам фильтроцикл. Тем не менее, некоторые инжиниринговые компании уже ввели эту технологию в свой арсенал и предлагают её в качестве альтернативы ультрафильтрации, гарантируя при этом не менее высокое качество фильтрата.

Общим недостатком приведенных выше систем является то, что они предназначены, прежде всего, для фильтрации «чистой» воды и задержания при этом грубодисперсных загрязнений определённого фракционного состава. Основная масса поверхностных водоёмов имеет воду не пригодную для обработки на этих фильтрах как на единственной ступени фильтрации, кроме того, сама конструкция фильтров делает невозможным предварительную реагентную обработку воды. Сетчатые фильтры склонны к забиванию водорослями и шламом и для восстановления их работоспособности требуется их разборка и, как правило, ручная чистка фильтрующих элементов, зачастую приводящая к простою всей ВПУ. Хочется надеяться, что неоправданное применение сетчатых фильтров в качестве предварительной ступени перед установками ультрафильтрации останется в прошлом. Дисковые фильтры с максимальным диаметром задерживаемых частиц 200 мкм в настоящее время являются неписанным «стандартом» для защиты установок ультрафильтрации на системах водоподготовки энергетических объектов . Они обеспечивают качественную очистку воды от грубодисперсных загрязнений с широким спектром диаметров частиц и стабильную работу при малом потреблении воды на собственные нужды. При ухудшении качества исходной воды, например в паводок, удельный расход воды на их собственные нужды увеличивается до 5 %.

Длительный опыт применения кассетных фильтров в производственных масштабах пока не накоплен.

3. Системы водоподготовки с предварительной очисткой воды путём её коагуляции в осветлителе с микропеском (ОМП)

Исходная вода, нагретая до температуры в диапазоне 20 до 25 °С, поступает в осветлитель с взвешенным в вихревом слое микропеском ОМП допускает быстрое изменение его гидравлической нагрузки и не требует точного регулирования температуры исходной воды. Технологическая эффективность осветлителя высока, затраты коагулянта для ОМП меньше, чем для типового осветлителя с взвешенным слоем шлама. Затраты микропеска обычно не превышают 3 г/м3 обработанной воды. При производительности установки 500 м3 /ч или 4 000 000 м3 в год годовое потребление микропеска составляет всего 12 тонн. При поставке импортного песка годовые затраты на его досыпку составят таким образом 250-300 тыс. рублей.

Недостатками ОМП являются его потребность в микропеске и необходимость использования шламовых насосов специального противоэрозионного исполнения. Ориентировочный срок службы футерованных насосов с большим зазором между рабочим колесом и корпусом насоса составляет 5 лет. Это же касается и гидроциклона, сделанного из полиуретана. ОМП нашли применение на зарубежных системах водоподготовки. Один из них прошёл успешные испытания в России.

Из изложенного выше следует, что с учётом накопленного производственного опыта в настоящее время наиболее предпочтительны комбинированные технологические схемы с применением осветлителей на стадии предочистки исходной воды.

При внедрении на ТЭС осветлителей старого поколения не всегда в достаточной степени принимали во внимание качество исходной воды. Допустимые ступенчатые возмущения при переходных процессах, например, при увеличении гидравлической нагрузки осветлителей с взвешенным шламом являются, как и скорости этих процессов, малыми, а их длительность - большой. Осветлители в России снискали себе славу громоздких, трудоёмких в наладке и сложных в эксплуатации аппаратов. Их существенный недостаток заключается в значительном отличии в меньшую сторону располагаемой производительности от так называемой номинальной производительности. Таким образом, важнейшими целями совершенствования технологических процессов и конструкций осветлителей являются увеличение их располагаемой производительности, ускорение переходных процессов при сохранении высокого качества обработанной воды. Для достижения этих целей могут быть использованы технологические и конструктивные решения.

Известным технологическим решением, успешным, но не радикальным, является использование флокулянтов [1]. При коагуляции с образованием тонкого шлама за счёт применения подходящего флокулянта удаётся значительно укрупнить этот шлам и увеличить располагаемую производительность осветлителя. Стоимость обработанной воды при этом незначительно увеличивается. Конструктивные решения как способ увеличения располагаемой производительности и манёвренности осветлителей могут оказаться более эффективными. Примером служит разработанный ВТИ способ реконструкции типовых осветлителей в соответствии с ТУВТИ 37.001-2006.

Ещё одним способом интенсификации работы отечественных осветлителей является рециркуляция активного шлама. Компания «Гидроникс» разработала и успешно внедрила на Уренгойской ГРЭС осветлитель со встроенной рециркуляций шлама ОРАШ. Осветлитель разработан на базе осветлителя ВТИ, а рециркуляция шлама осуществляется при помощи гидроэлеватора. При реконструкции обычных осветлителей шлам на рециркуляцию целесообразно отбирать из верхней шламовой зоны шламоуплотнителя и возвращать в трубопровод после водухоотделителя при помощи циркуляционных мембранных или шнековых насосов. За счёт возврата активного шлама повышается средняя концентрация взвешенных веществ в осветлителе, что создаёт лучшие условия для хлопьеобразования. Кроме того, активный шлам ещё содержит долю активных химических реагентов, что также позитивно сказывается на процессе коагуляции.

При реконструкции осветлителей целесообразна установка тонкослойных сепарационных модулей - ламель, что ведёт к улучшению качества коагулированной воды и в определённых пределах позволяет предотвратить вынос шлама при повышенных скоростях, то есть увеличить располагаемую производительность осветлителей.

Реконструируемые осветлители создаются на основе корпусов прототипов, адаптированы к применяемым технологиям обработки воды, оборудованы так же, как все современные осветлители и отстойники, пластиковым сепарационным устройством, допускают увеличение единичной производительности до 30 %. Воздухоотделитель таких осветлителей имеет большую площадь раздела фаз «вода - воздух». Осветлители с автоматизацией дозирования реагентов внедрены на Первомайской ТЭЦ ТГК-4 и Ачинском НПЗ и др.

При вводе в работу реконструированных осветлителей возможны затруднения, возникающие, если на стадии конструкторской разработки не учтены особенности состава примесей исходной воды и свойства применяемых реагентов. Например, следует считаться с выделением свободной углекислоты при повышенной дозе коагулянта, с наличием в воде ингибиторов образования твёрдой фазы, поверхностно-активных веществ. При дозе сульфата алюминия 0,8 мг-экв/дм 3 из 1 м3 природной воды, содержащей гидрокарбонаты, теоретически может выделиться около 18 дм3 свободной угольной кислоты (С02 ). Это, с учётом её содержания в исходной воде, как правило, превышает растворимость данного газа в воде, обработанной коагулянтом, и приводит к образованию микропузырьков газа и к флотации шлама. Флотация лёгкого шлама при газовыделении из воды очень вероятна: свойствами флотореагентов обладают не только техногенные поверхностно активные вещества, но и природные (гуминовые и фульвокислоты). Предотвратить флотацию можно, вводя коагулянт в воду до воздухоотделителя и утяжеляя шлам. Наши измерения показывают, что эффективный воздухоотделитель удаляет из воды от 50 до 75 % свободной углекислоты. Часть её микропузырьков прилипает к шламу и отводится с ним через шламоуплотнитель.

Для повышения эффективности коагуляции и уменьшения затрат на водоподготовку полезно обратить внимание на использование комбинированных коагулянтов (минеральных совместно с органическими, что способствует уменьшению ионной нагрузки анионитов, иногда позволяет исключить подщелачивание или уменьшить дозу щёлочи) и зернистых присадок к воде. Перспективность первого подтверждена опытами на воде р. Шексны применительно к водоподготовке ТЭЦ ОАО «Северсталь», но требует тщательной экспериментальной и технико- экономической проработки. В отношении зернистых присадок известно, что при коагуляционной обработке воды они одновременно способствуют контактной коагуляции и сепарации образующегося шлама. Лабораторные опыты с такими присадками проводились в 70-е годы прошлого века. Например, Б.М. Ларин с сотрудниками (ИЭИ) использовал порошки перлита различного фракционного состава [2] и получал хорошие результаты коагуляции. Наряду с перлитом дешёвой присадкой является измельчённый фракционированный кварцевый песок. Таким образом, более радикальным решением является применение осветлителей, имеющих как конструктивные, так и технологические отличия от применяемых в российской энергетике осветлителей. Такие отличия имеет, например, осветлитель для коагуляции с микропеском, взвешенным в вихревом слое. Микропесок обеспечивает проведение интенсивной контактной коагуляции и быстрое осаждение её продуктов. ОМП допускает быстрое изменение его гидравлической нагрузки и не требует точного регулирования температуры исходной воды. Габариты ОМП значительно меньше, чем габариты осветлителя с зоной взвешенного шлама. Технологическая эффективность ОМП высока, затраты коагулянта для него и, следовательно, ионная нагрузка на анионитные фильтры при последующем обессоливании осветлённой воды, меньше, чем для типового осветлителя с взвешенным слоем шлама. Кварцевый песок легко подвергается измельчению и в достаточной степени стоек к истиранию в вихревом слое. Сопутствующее этим затратам увеличение массы образующегося осадка может быть компенсировано меньшим шламообразованием вследствие уменьшения рабочей дозы коагулянта.

ОМП нашли применение на зарубежных водоподготовительных установках. Один из них прошёл успешные испытания при коагуляционной обработке воды р. Шексна (окисляемость от 13 до 17 мг О2 /дм 3 , щёлочность около 1,7 мг/дм 3 , средние значения массовых концентраций соединений железа в пересчёте на Fe и реакционноспособных соединений кремниевой кислоты в пересчёте на SiO 2- 3 , соответственно, составляют 0,7 и 2,4 мг/дм3 ). При этом установлено, что:

• производительность осветлителя практически не влияет на эффективность очистки воды; процесс осветления успешно проходил при скорости восходящего потока воды 85 м/ч;

• мутность коагулированной воды и массовая концентрация в ней взвешенных веществ меньше 1 мг/дм 3 . Это позволяет надеяться на малый расход воды на собственные нужды механических фильтров, устанавливаемых после осветлителя, и допустить их эксплуатацию с повышенными скоростями фильтрования, в том числе, перед противоточными ионитными фильтрами;

• массовая концентрация соединений кремниевой кислоты в коагулированной воде менее чем в исходной воде. Это означает, что, несмотря на частичный переход этих соединений в воду при её контакте с вихревым слоем кварцевого песка, преобладает не загрязнение воды такими соединениями, а их переход в шлам;

• при предочистке воды реки Шексна коагуляцией для её обессоливания противоточными ионитными фильтрами или мембранными установками необходимые условия создаются при дозе (массовой концентрации в воде) сульфата алюминия в пересчёте на Al 3+ около 7 мг/дм3 (0,78 мг-экв/дм 3 ). При этой дозе данного коагулянта массовая концентрация соединений железа в коагулированной воде в пересчёте на Fe не бо­лее 0,1 мг/дм3 , а массовая концентрация соединений алюминия в пересчёте на Al практически равна или менее 0,1 мг/дм3 . Окисляемость коагулированной воды в данных условиях в пределах погрешности химического анализа не отличается от 3 мг О2/дм 3 . Таким образом, коагулированная вода соответствует основным требованиям к качеству исходной воды обессоливающих установок.

Опыты со ступенчатым увеличением относительной производительности осветлителя показали сохранение в переходном процессе её высокого качества.

Отечественный оригинальный вариант ОМП разработан ЗАО «НПК Медиана-Фильтр» , и в настоящий период времени проходит испытания.

Заключение

• Производственный опыт показывает, что в настоящее время технико-экономически предпочтительна предварительная очистка воды с ис­пользованием осветлителей.

• Для увеличения производительности и технологической эффективности существующих осветлителей может быть рекомендована их реконструкция по ТУ ВТИ 37.001-2006 и использование флокулянтов. Технические решения по реконструкции осветлителя конкретизируется с учетом состава примесей воды и применяемых реагентов. Это, в частности, позволяет учесть кинетические характеристики химических реакций и осветлителя.

• Осветлитель со взвешенным в вихревом слое кварцевым микропеском, имеющий малые габариты, является перспективным аппаратом предварительной очистки воды.

Библиографический список

• Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод: Науч. изд. - М., 2005.

• Ларин Б.М. Совершенствование водоподготовки Северодвинской ТЭЦ-2. Отчёт по научно-исследовательской работе / Ивановский энергетический институт им. В. И. Ленина. - Иваново. 1978.

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