Проектные решения ВПУ на основе мембранных технологий

А.А.  Пантелеев 1,2 , д.ф.-м.н., Б.Е.  Рябчиков 2 , д.т.н., А.В. Жадан 3 , О.В.  Хоружий 3 , д.ф.-м.н.,

1 Московский энергетический институт (ТУ);

2 ФГУП ГНЦ ТРИНИТИ

3 ЗАО «НПК Медиана-Фильтр»

Рассмотрены две технологические схемы обессоливания добавочной воды для энергоблоков ТЭС: на базе комбинированной установки с использованием аппаратов обратного осмоса и ионного обмена, на базе аппаратов обратного осмоса и электродеионизации. Дан анализ схем в сравнении с традиционной схемой химического обессоливания воды. Отмечены преимущества и недостатки новых технологий обработки природной воды.

Авторы сознательно не рассматривали вопрос технического и экономического обоснования выбора интегрированной мембранной системы, как метода подготовки деминерализованной воды. Сама тема выбора технологической схемы является чрезвычайно интересной и актуальной, чему авторы в самое ближайшее время собираются посвятить отдельную работу.

В настоящее время идет широкая реконструкция существующих водоподготовительных установок и строительство новых. Новые мощности призваны как к замещению старых, исчерпавших свой ресурс систем, так и к обеспечению вновь вводимых энергоустановок. В последнем случае все чаще приходится иметь дело с парогазовыми установками (ПГУ), предъявляющими наиболее высокие требования к качеству подпиточной воды. Требования устанавливаются производителем оборудования и могут несколько отличаться (см. табл. 1). Основным методом, используемым в настоящее время для обессоливания на большинстве ТЭЦ, ГРЭС и АЭС, является ионный обмен [1,2].

Таблица 1. Типичные требования к качеству подпиточной воды ПГУ

Показатель

Предельное значение

Удельная электропроводность

0,1–0,2 мкСм/см

Натрий

3–10 мкг/л

Кремнекислота (по SiO 2 )

0,1–0,2 мкг/л

Хлориды

3 мкг/л

Общий органический углерод

100–300 мкг/л

Сульфаты (SO 4 2– )

3 мкг/л

Жесткость

5 мкг-экв/л

Такая технология обеспечивает производство глубокообессоленной воды вплоть до ультрачистой по качеству приближающееся к теоретическому пределу 18,3 МОм·см. Глубокая доочистка смешанным слоем ионита позволяет удалять даже ионы слабых электролитов, таких как СО2 и Si O2 до уровня нескольких микрограмм на литр, а сильные электролиты — до уровня сотых долей микрограмм на литр.

Количество параллельно работающих фильтров, как правило, составляет не менее трех, причем один, всегда находится в «холодном» резерве или в ремонте. Возможные нарушения режима работы отдельных фильтров всегда могут быть скомпенсированы за счет последующих ступеней очистки, имеющих большой резерв по производительности и эффективности.

Все недостатки данной технологии связаны с необходимостью использовать большое количество концентрированных щелочи и кислоты для восстановления обменной емкости ионитов. Это приводит к необходимости ведения довольно сложного реагентного хозяйства, системы нейтрализации стоков и к образованию высокосолевых отходов, сброс которых ограничен. Причем расход реагентов, как правило, в 2–3 раза превышает стехиометрический. Соответственно в такое же число раз увеличивается количество сбрасываемых солей. В итоге все это выражается в высоких капитальных и эксплуатационных расходах.

Ввиду непрогнозируемой селективности ионообменных материалов по отношению к органическим загрязнениям общий органический углерод в обессоленной воде может находиться в пределах от 100 до 500-800 мкг/л, что явно не отвечает современным требованиям. Даже применение так называемых органопоглатителей на основе синтетических смол в большинстве случаев не приводит к достижению требуемых показателей, но повышает расход воды на собственные нужды и потребление поваренной соли и щёлочи на регенерацию. Результаты исследований, проведённых независимыми зарубежными лабораториям подтверждают опыт, полученный на отечественных энерогенерирующих объектах. Так по результатам лаборатории DOC Labor Huber лишь 3 из 27 установок водоподготовки, работающих только по технологии ионного обмена, производят воду с содержанием общего органического углерода менее 100 мкг/л [3].

Решить задачу сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку и повышение качества воды позволяет внедрение новых технологий. Развитие методов водоподготовки в энергетике во многом связано с мембранными технологиями [4–7].

Ультрафильтрация позволяет не только получать воду, практически свободную от механических примесей, но и совместно с коагуляцией удалять значительное количество органики (до 60%), а также коллоидную кремневую кислоту. Использование обратного осмоса дает возможность извлекать на одной ступени очистки до 96–98% солей, что близко к эффективности одной ступени ионного обмена [8]. Сравнение экономической эффективности обессоливания воды ионным обменом и обратным осмосом показало [8–9], что при солесодержании более 150–300 мг/л обратный осмос экономичнее даже противоточного ионного обмена.

Использование указанных методов дает возможность создать почти безреагентную (свободную от применения щелочей, кислот) систему водоподготовки для получения фильтрата с удельной электропроводностью на уровне 1–5 мкСм/см.

Дальнейшее доведение качества воды до значений, требуемых нормативами для котловой воды, производится ионообменным [10] (рис. 1) или электроионитным [11] (рис. 2) методами. Рассмотрим, в чем преимущества и недостатки этих подходов.


Блок-схема комбинированной установки для подготовки глубоко обессоленной воды с применением ионообменной доочистки.

Рис. 1. Блок-схема комбинированной установки для подготовки глубоко обессоленной воды с применением ионообменной доочистки.
1 – емкость разрыва струи с декарбонизатором; 2 – фильтры тонкой очистки;
3 – буферные емкости; 4 – узел ультрафильтрации; 5 – узел обратного осмоса;
6 – декарбонизатор; 7 – узел ионного обмена.

Блок-схема установки для подготовки глубоко обессоленной воды с применением доочистки электродеионизацией

Рис. 2. Блок-схема установки для подготовки глубоко обессоленной воды с применением доочистки электродеионизацией. 1— емкость разрыва струи с дегазатором; 2 — фильтры тонкой очистки; 3 — буферные емкости; 4 — узел ультрафильтрации; 5 — узел обратного осмоса 1 ступени; 6 — узел обратного осмоса 2 ступени; 7 —декарбонизатор; 8 — узел доочистки электродеионизацией.

Система доочистки ионообменным методом может состоять из ступени ионного обмена с одним катионитным и одним анионитным фильтрами, и/или из фильтра смешанного действия. Поскольку на такую установку поступает обессоленная вода, ресурс фильтров огромен, достигает десятков и сотен тысяч кубических метров.

Комбинированная мембранно-ионообменная установка (Рис. 1) работает следующим образом: исходная вода после емкости разрыва струи с декарбонизатором (1) подается на механический самопромывной фильтр (2), где происходит удаление загрязнений крупнее 100–400 мкм. Затем в воду вводятся реагенты, она выдерживается заданное время в буферной емкости, после чего поступает на модуль ультрафильтрации (4), в результате чего получают 85–90 % фильтрата и 10–15 % промывной воды, содержащей механические (взвеси), органические и микробиологические загрязнения. Промывная вода сбрасывается в дренаж или направляется в осветлитель на повторное использование. Фильтрат поступает на вход насоса высокого давления модуля обратного осмоса (5). В последнем происходит выделение из раствора основной массы солей, которые в виде концентрата сбрасываются. Частично обессоленный пермеат после декарбонизации (6) подается для доочистки на вход ионообменной установки (7). Возможна установка второй ступени обратного осмоса, которая обеспечивает получения фильтрата с удельной электропроводностью на уровне 1 мкСм/см, что, тем не менее, не исключает необходимости дальнейшей доочистки.

Надежность данной схемы водоподготовки большая, поскольку даже при возможных нарушениях работы системы обратного осмоса, узел доочистки обеспечит заданное качество воды. Вместе с тем, сохраняется необходимость в использовании кислоты и щелочи, так что данная технология, хоть и в меньшей степени, имеет те же недостатки, что и традиционная.

Основным недостатком мембранных систем является достаточно низкий коэффициент использования исходной воды. Если в традиционной ионообменной схеме с коагуляцией и механической фильтрацией на выходе достигается производительность 85–90% от расхода исходной воды, то для типичного сочетания ультрафильтрации и обратного осмоса этот показатель не превышает 50–60%. Однако следует учитывать, что концентраты от установок ультрафильтрации и обратного осмоса по солесодержанию часто находятся в пределах норм на хоз-фекальную канализацию и могут быть беспрепятственно сброшены.

Комбинированные мембранно-ионообменные схемы, имеющие высокую степень экономической эффективности и надежности, являются оптимальным и рекомендуемым методом при реконструкции существующих ВПУ, где уже имеются ионообменные фильтры, кислотно-реагентное хозяйство и системы сбора и нейтрализации стоков. Количество концентрированных сточных вод и расход реагентов в этом случае в десятки раз меньше, чем при чисто ионообменной схеме. Полученные регенераты могут быть разбавлены до допустимых норм концентратом мембранных установок.

Большое количество реконструируемых в настоящее время ВПУ тепловых электростанций имеют комбинированную схему (табл. 2).

Таблица 2. Перечень станций с ВПУ, реконструированных на конец 2010 г . по комбинированным схемам

 

Год

Технологическая схема

ТЭЦ- 23, г .

1994

Осветление, мех. фильтрование, обратный осмос, ионный обмен

Уфимская ТЭЦ-1

1996

Осветление, мех. фильтрование, обратный осмос, ионный обмен

Новочеркасская ГРЭС

2006

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Заинская ГРЭС

2008

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

ТЭЦ-9, -16 и -21 г . Москва

2007

2008

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Орловская ТЭЦ

2007

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Шатурская ГРЭС

2009

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Невинномысская ГРЭС

2009

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Первомайская ТЭЦ, ТГК-4

2008

Осветление, мех. фильтрование, обратный осмос, ионный обмен

Иркутская ТЭЦ-11

2009

Ультрафильтрация, ионный обмен

Волгоградская ТЭЦ-2

2009

Осветление, мех. фильтрование, обратный осмос, ионный обмен

Ставропольская ГРЭС

2010

Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен

Сравнивая показатели работы полностью ионообменной и комбинированной схем в условиях реальной эксплуатации там, где проведена реконструкция ВПУ, и имеется возможность провести объективное сопоставление, видно, что последняя обладает существенно большей экономической эффективностью.

Например, на Новочеркасской ГРЭС замена первой ступени ионного обмена комбинацией ультрафильтрации и обратного осмоса позволило при номинальной производительности 200 м 3 /ч:

  • получать стабильно высокое качество обессоленной воды;
  • сократить потребление минеральных кислот и щелочей в 80 раз;
  • уменьшить затраты на ремонт и обслуживание оборудования в 20 раз;
  • практически исключить образование высокоминерализованных сточных вод от регенерации ионообменных фильтров;
  • значительно повысить уровень автоматизации технологических процессов и снизить риск возникновения аварийных ситуаций, связанных с «человеческим фактором»;
  • снизить себестоимость выработки 1 м3 воды практически в 3 раза [14, 17, 45].

После завершения реконструкции ВПУ Шатурской ГРЭС, имеющей производительность 250 м 3 /ч потребление кислоты снизилось с 950 т/год до 40 т/год, щелочи с 450 т/год до 12 т/год, что позволило сэкономить 5 млн. руб. в год. При этом обеспечивалось содержание в обессоленной воде натрия менее 15 мкг/л, кремнекислоты менее 20 мкг/л, а электропроводность составляла менее 0,5 мкСм/см.

С точки зрения обеспечения минимального расхода реагентов и наивысшей экологичности при высоком качестве обессоленной воды наибольшую эффективность имеют комплексные ВПУ, состоящие исключительно из мембранных модулей различного назначения: ультра- и нанофильтрации, обратного осмоса, мембранной дегазаций и электродеионизации, называемых в целом — интегрированные мембранные технологии (ИМТ) [13].

Первые узлы комплексной мембранной установки (рис. 2) — предварительной механической фильтрации, ультрафильтрации, одно- или двухступенчатого обратного осмоса, дегазации — работают аналогично с комбинированной схемой. Различие состоит в узле доочистки. В ИМТ эту функцию выполняет система электродеионизации (ЭДИ) 8 являющаяся безреагентной альтернативой для замены ионного обмена в производстве высокоомной воды.

 

Промышленный модуль электродеионизации водыа) б) Промышленный модуль электродеионизации воды

Рис. 3. Промышленный модуль электродеионизации воды— (а), прокладка со слоем ионита — (б).

Электродеионизация (ЭДИ, EDI) — это процесс непрерывного обессоливания воды с использованием ионообменных смол, ионоселективных мембран и постоянного электрического поля [11]. Основной движущей силой процесса ЭДИ является разность потенциалов электрического поля по обе стороны межмембранного канала, заполненного ионообменной смолой. Для его реализации применяются аппараты с засыпкой в пространство между мембранами камер обессоливания смешанного слоя из сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита. Очищаемая вода проходит через слой смеси ионитов и обессоливается. Ионы в межмембранном канале под влиянием приложенного электрического поля двигаются через частицы ионообменных смол, обладающих высокой электропроводимостью. Поэтому достижение высокой чистоты воды не приводит к перенапряжению в этой области. Одновременно под действием электрического тока иониты регенерируются. В концентратных каналах проводимость обеспечивается либо также размещением смешанной засыпки ионообменных смол, либо подачей туда раствора соли требуемой концентрации.

Модуль электродеионизации любого типа и производителя содержит два электрода, пространство между которыми заполнено тонкими слоями ионообменных смол, разделенных ионоселективными мембранами (рис. 3). Такие мембраны представляют собой тонкоизмельченный катионит или анионит, спеченный с полиэтиленом в тонкую пленку.

При степени использования исходной воды 90–95% очищенная вода имеет удельное сопротивление на уровне 15–18 МОм∙см, а также минимальные содержания кремния и общего органического углерода. При этом солесодержание концентрата обычно ниже, чем солесодержание воды, подаваемой на установку обратного осмоса, поэтому он весь возвращается на вход этой установки на повторное использование (рис. 2).

Все производители установок электродеионизации предъявляют очень высокие требования к воде, подаваемой на установку вне зависимости от ее конструкции (табл. 3).

Таблица 3. Типичные требования производителей к питающей воде установок ЭДИ

Характеристика исходной воды

Размерность

Значения

р H

 

5–9

Удельная проводимость

мкСм/см

<20

Жесткость

мг/л CaCO 3

<1,0

Общий органический углерод

мг/л

<0,5

Свободный хлор

мг/л

<0,05

Металлы: Fe , Mn

мг/л

<0,01

Кремний (SiO2)

мг/л

<1,0

Углекислый газ (СО2)

мг/л

<5,0

Мутность

NTU

<1,0

Рабочая температура

°C

5–45

Входное давление

атм

0,7–5,0

Кроме указанных отдельных параметров для оценки применимости технологии электродеионизации использую понятие эквивалента электропроводности, представляющей собой сумму вкладов от растворенных в воде солей, углекислоты и кремнекислоты.

(мкСм/см),

где – фактически измеренная электропроводность; – коэффициент влияния свободной углекислоты (мкСм/см), определяемый как концентрация свободной углекислоты (мг/л), умноженная на 2,66; – коэффициент влияния кремниевой кислоты (мкСм/см), определяемый как концентрация кремниевой кислоты (мг/л), умноженная на 1,94.

Проблема обеспечения надежности систем водоподготовки на основе ИМТ состоит в крайней чувствительности установок электродеионизации к любым нарушениям в работе предшествующих им узлов (в большинстве случаев установок обратного осмоса), приводящих к ухудшению качества воды, подаваемой на ЭДИ.

Опыт эксплуатации установок с использованием ЭДИ в микроэлектронике и фармацевтике показывает, что требования, которые предъявляют производители к качеству воды, следует рассматривать как предельные, аварийные. На практике успешная и стабильная работа установок электродеионизации и получение на выходе высокочистой воды с 0,1 мкСм/см реализуется лишь при следующих ограничениях для воды на входе:

  • электропроводность — не более 5–10 мкСм/см;
  • остаточная жесткость — отсутствие или следовые значения;
  • железо — следы;
  • растворенная углекислота — 2–3 мг/л;
  • общий органический углерод — менее 50 мкг/л.

Важно при этом понимать, что само по себе удовлетворение этих требований «в среднем» не решает проблему надежности установки, поскольку для ее обеспечения необходимо удовлетворение этих требований и при любых переходных процессах.

Следует отметить, что для повышения надежности работы комплексных мембранных систем водоподготовки на базе ИМТ требуется использование на стадии предварительного обессоливания двухступенчатого обратного осмоса, как показано на рис. 2 В этом случае качество воды, питающей установку электродеионизации, заведомо выше требований производителей и любые нарушения в работе установок обратного осмоса становятся некритичными. При ухудшении эффективности работы первой ступени (естественно в допустимых пределах) заданное качество гарантированно обеспечит вторая ступень. Ее надежность существенно выше, поскольку она работает в существенно боле «мягких» условиях эксплуатации. Надежность работы резко возрастает и приближается к системам с ионным обменом. Конечно, суммарная стоимость системы водоподготовки при этом возрастает примерно на 10–15% по сравнению с вариантом с одной ступенью обратного осмоса, но она остается все еще ниже по сравнению с комбинированной установкой с ионным обменом в случае нового строительства. Это происходит, прежде всего, за счет того, что для комплексной «чисто» мембранной системы водоподготовки нет необходимости в строительстве реагентного хозяйства и системы сбора и нейтрализации стоков. Стоимость таких систем сравнима, а иногда и существенно превышает стоимость установки обратного осмоса.

Комплексная мембранная установка для подготовки глубоко обессоленной воды, выполненная в соответствие с данной схемой, обеспечивает минимальный объем отходов. Отпадает необходимость в кислотно-щелочном хозяйстве, снижаются эксплуатационные расходы и резко улучшается экологические параметры. Стоимость установки электродеионизации меньше, чем ионообменной, а при учете цены кислотно-реагентного хозяйства — существенно меньше.

Такие установки наиболее целесообразны для вновь строящихся объектов. Особенно это актуально для труднодоступных районов, куда затруднен подвоз реагентов. Первая в России установка такого типа создана для системы водоподготовки парогазовой электростанции г. Ноябрьска (Ямало-Ненецкий АО). Другим успешным примером реализации ИМТ стала система водоподготовки на Путиловской ТЭЦ — II очереди Первомайской ТЭЦ-14 [14].

Выводы

1. Экономическая эффективность мембранных систем водоподготовки существенно выше, чем традиционных на основе ионного обмена. За счет снижения эксплуатационных расходов срок окупаемости проектов замены старой ВПУ на современную оказывается на уровне нескольких лет.

2. При корректном проектировании надежность мембранных систем водоподготовки может быть столь же высокой, как и у систем на основе ионного обмена. С учетом же высокого уровня автоматизации, снижения роли человеческого фактора, снижения количества опасных реагентов аварийнобезопасность таких систем оказывается даже выше, чем у традиционных.

3. При включении в состав ВПУ в качестве средства доочистки установок электродеионизации единственным способом обеспечения их надежной и долговременной работы является создание обоснованного резервного запаса оборудования и использование в качестве средства предварительного обессоливания двухступенчатой установки обратного осмоса.

Литература.

•  Воронов В.Н., Ларин Б.М., Сенина В.А. Химико-технологические режимы АЭС с ВВЭР. – М.: Издательство МЭИ, 2006. – 390 с.

•  Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф., Водоподготовка в энергетике, ­­- М.; МЭИ. 2003, - 310 с.

•  Ultrapure water April 2002, Significance, origin and fate of natural organic matter in boiler feed water preparation using surface water

•  Карелин Ф Н. Обессоливание воды обратным осмосом М.  Стройиздат, 1988. - 208 с.

•  Чернышев Е.В., Богданов С.Л., Ткачева Л.Н., Храмчихин А.М., Симкина В.М., Куликов П.Ф., Симорова О.В., Пантелеев А.А., Громов С.Л., Федосеева Е.Б. Реконструкция ХВО первой и второй очередей ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» - новый взгляд на старые проблемы // Электрические станции. – 2005. - № 11. С. 18-19.

•  Опыт эксплуатации установок обратноосмотического обессоливания воды на ТЭС и в промышленных котельных / Аскерния А.А., Малахов И.А., Корабельников В.М. и др. // Теплоэнергетика. - 2005. - N 7. - С.17-25.

•  А.Н.Самодуров, С.Е.Лысенко, С.Л.Громов, А.А , Пантелеев , Е.Б.Федосеева, Использование метода обратного осмоса для водоподготовки в теплоэнергетике // Теплоэнергетика, №6, 2006, с. 26-30.

•  Громов С.Л. Критические параметры обратного осмоса и противоточного ионного обмена // Энергосбережение и водоподготовка. – 2004. - №5. С. 13-14.

•  А.П. Мамет , Ю.А. Ситняковский . Сравнение экономичности ионитного и обратноосмотического обессоливания воды // Электрические станции. 2002. № 6. C . 63-66.

•  Первов А.Г., Хаханов С.А., Дудкин Е.В. Получение деионизованной воды заданного качества путем комбинации систем обратного осмоса и ионного обмена. Мембраны. 2001. №11, с. 3-11

•  Tate J., Electrodeionization basics, Technical Pages for Ionpure Technologies , Water Technolog y magazine, V. 33, № 6 – June, 2010 http://www.watertechonline.com/article.asp?IndexID=6637300

•  Татаринов Н.А., Самодуров А.Н., Лысенко С.Е., Бобинкин В.В., Громов С.Л., Ковалев М.П., Пантелеев А.А., Сидоров А.Р., Смирнов В.Б. Технологии ультрафильтрации в задачах промышленной водоподготовки // Водоснабжение и канализация - 2010, №7-8, с. 91-99

•  Пантелеев А. А., Ковалев М.П.. Громов С.Л., Углов С.А., Федосеев Б.. Аржанова Е.Б.. Неборако А. Возможности интегрированных мембранных технологий (ИМТ) для минимизации объема стоков//Энергетика №2 (29), 2009, С. 72-75.

•  Тропина Д.В. Пуск системы водоподготовки Путиловской ТЭЦ на базе интегрированных мембранных технологий // Технология чистоты-2010-№4 С12-13.

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