Технологические решения современных водоподготовительных систем

А.А.  Пантелеев, Б.Е.  Рябчиков, О.В. Хоружий, Э.Р. Календарев

Часть2. (Часть 1 Часть3 Часть4 Часть5)

Системы водоподготовки на основе ионного обмена: достоинства и недостатки

Основным методом, используемым в настоящее время для обессоливания на большинстве ТЭЦ, ГРЭС и АЭС, является ионный обмен (рис. 1) [1–9]. Такая технология обеспечивает производство глубокообессоленной воды. Глубокая доочистка в фильтре смешанного действия позволяет удалять ионы слабых электролитов, таких как СО2 и SiO2, до уровня нескольких микрограммов в дм3, а сильных электролитов – до уровня сотых долей микрограммов в дм3. 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. Как уже упоминалось, все недостатки данной технологии связаны с необходимостью использовать большое количество концентрированных растворов щелочи и кислоты для восстановления обменной емкости ионитов. Это приводит к необходимости наличия довольно сложного реагентного хозяйства, системы нейтрализации стоков. При этом образуются высокосолевые отходы, 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.

Традиционная принципиальная технологическая схема подготовки обессоленной воды на электростанциях

Рис. 1. Традиционная принципиальная технологическая схема подготовки обессоленной воды
на электростанциях:
1 – осветлитель; 2 – механические фильтры; 3, 6 – катионообменные фильтры; 4 – декарбонизатор;
5, 7 – анионообменные фильтры; 8 – фильтр смешанного действия

Смешанные схемы систем водоподготовки

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 [8–23]. Применение ультрафильтрационной обработки воды позволяет не только получать воду, практически свободную от механических примесей, но и совместно с коагуляцией удалять значительное количество органических примесей (до 60 %), а также кремниевую кислоту [9–14]. Использование обратного осмоса дает возможность извлекать на одной ступени очистки до 96–98 % солей, что близко к эффективности одной ступени ионного обмена [9–13, 15–25]. Сравнение экономической эффективности обессоливания воды ионным обменом и обратным осмосом показало, что при солесодержании более 150–300 мг/л обратный осмос экономичнее даже противоточного ионного обмена [24–28]. Использование указанных методов дает возможность создать почти безреагентную систему водоподготовки для получения фильтрата с удельной электропроводностью (далее УЭ) на уровне 1–5 мкСм/см. Дальнейшее доведение качества воды до значений, требуемых нормативами для котловой воды, производится ионообменным [16–25, 29] (рис. 2) или электроионитным [30–38] (рис. 3) методами. Рассмотрим, в чем преимущества и недостатки этих подходов. Система доочистки ионообменным методом может состоять из ступени ионного обмена с одним катионитным и одним анионитным фильтрами или из фильтра смешанного действия. Поскольку на такую установку поступает обессоленная вода, ресурс фильтров огромен, достигает десятков и иногда сотен тысяч кубических метров. Комбинированная мембранно-ионообменная установка (рис. 2) работает следующим образом: исходная вода после исходной емкости и системы дегазации 1 подается на механический самопромывной фильтр 2, в котором происходит удаление загрязнений, средний диаметр которых превышает 100–400 мкм. Затем в воду вводятся реагенты, она выдерживается заданное время в буферной емкости, после чего поступает на модуль ультрафильтрации 3, где происходит ее разделение на очищенный фильтрат (пермеат) и концентрат, содержащий механические (взвеси), органические и микробиологические загрязнения. Концентрат выводится в дренаж. Пермеат поступает в узел обратного осмоса 4. В последнем происходит выделение из раствора основной массы солей, которые в виде концентрата сбрасываются. Частично обессоленный пермеат после декарбонизации 5 подается для доочистки в узел ионообменного обмена 6. Возможна установка второй ступени обратного осмоса, которая обеспечивает получение фильтрата с УЭ на уровне 1 мкСм/см, что, тем не менее, не исключает необходимости дальнейшей доочистки.

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

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

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

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

Надежность данной схемы ВПУ большая, поскольку даже при возможных нарушениях работы системы обратного осмоса узел доочистки обеспечит заданное качество воды. Вместе с тем сохраняется необходимость в использовании растворов 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 фильтрованием расход очищенной воды составляет 85–90 % 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 хозфекальную канализацию, в которую могут быть беспрепятственно сброшены. При необходимости сокращения объема сточных вод концентраты от установок ультрафильтрации и обратного осмоса могут подвергаться дополнительному концентрированию на установках, работающих на аналогичных принципах. Применяется также вторичное использование концентратов установок ультрафильтрации и обратного осмоса. Очищенная вода может быть использована для обратной промывки самопромывных фильтров 2, а концентрат обратного осмоса при использовании умягчения вместо ингибирования солей жесткости может быть применен для подпитки теплосети. В результате, при относительно небольшом повышении стоимости установки на 15–20 % коэффициент использования воды может быть доведен до 90 % и даже выше. Комбинированные мембранно-ионообменные схемы, имеющие высокую степень экономической эффективности и надежности, являются оптимальными и могут рекомендоваться 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. Большинство реконструируемых в настоящее время ВПУ тепловых электростанций имеют комбинированную схему (табл. 3).

Таблица 3
Перечень ТЭС с ВПУ, реконструированных в 2011 г. по комбинированным схемам

Электростанция Год Технологическая схема
Уфимская ТЭЦ-1 1996 Осветление, фильтрование, обратный осмос, ионный
обмен
Первомайская ТЭЦ 2008 Осветление, фильтрование, обратный осмос, ионный
обмен
Волгоградская ТЭЦ-2 2009 Осветление, фильтрование, обратный осмос, ионный
обмен
Новочеркасская ГРЭС 2006 Ультрафильтрация, обратный осмос, ионный обмен
Заинская ГРЭС 2008
ТЭЦ-9, -16 и -21, г. Москва 2007–
2008
Орловская ТЭЦ 2007
Шатурская ГРЭС 2009
Невинномысская ГРЭС 2009
Ставропольская ГРЭС 2010
Иркутская ТЭЦ-11 2009 Ультрафильтрация, противоточный ионный обмен
ТЭЦ-1, -2 и -3, г. Алматы 2011–
2012
Фильтрование, обратный осмос, ионный обмен

При сравнении показателей 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, замена первой ступени ионного обмена на Новочеркасской ГРЭС комбинацией ультрафильтрации и обратного осмоса позволила при номинальной производительности 200 м3/ч 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, 44]. После завершения реконструкции ВПУ Шатурской ГРЭС, имеющей производительность 250 м3/ч, потребление кислоты снизилось с 950 до 40 т/год, щелочи – с 450 до 12 т/год. При этом обеспечивалось содержание в обессоленной воде натрия менее 15 мкг/дм3, кремнекислоты – менее 20 мкг/дм3, а УЭ составляла менее 0,5 мкСм/см.

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