Экологические и ресурсосберегающие подходы при реконструкции водоподготовительных установок теплоэнергетических систем

Инж. Е.В. Чернышев (ТЭЦ 22 «Мосэнерго»), к.х.н. В.В. Бобинкин, к.т.н. С.Л. Громов, к.т.н. М.П. Ковалев, д.ф-м.н. А.А. Пантелеев, к.х.н. В.Б. Смирнов (ЗАО «НПК «Медиана-Фильтр»)

Введение

Основная цель теплоэнергетики – устойчивый рост генерации электрической энергии и энергоносителей на фоне снижающейся нагрузки на окружающую среду. Что находит подтверждение в РД 153-34.0-02.405-99 «Методичесике указания по нормированию загрязняющих веществ со сточными водами тепловых электростанций». Наиболее очевидными загрязнителями на ТЭС являются дымовые газы, сточные воды с площадок обработки воды и топливное хозяйство. В настоящей статье рассматриваются отдельные вопросы реконструкции участков подготовки обессоленной воды (ОбВ) в химических цехах ТЭС.

Традиционные технологии подготовки воды на ТЭС

Большинство ТЭС работающих в настоящее время в РФ спроектированы и введены в строй 25-50 лет назад, схема подготовки воды для подпитки котлов обычно включала три основные технологии: осветление в осветлителях, фильтрацию в напорных фильтрах и обесоливание/умягчение на ионообменных смолах. Указанные технологии водоподготовки, как впрочем, любая технология имеют недостатки, которые можно условно разделить на устранимые и неустранимые. Не устранимые недостатки связаны, прежде всего, с сутью технологии, например, для ионного обмена такими недостатками являются потребление реагентов на регенерацию отработанных ионитов, образование высокоминерализованных сточных вод, для осветлителей возможность выноса взвесей. Устранимые недостатки связаны с уровнем реализации технологии, в настоящее время для упомянутых выше технологий устранены все мыслимые недостатки связанные с конструкцией аппаратов, оптимизацией процессов.

Примером почти идеальной технологии ионного обмена может являться технология UPCORE в которой наилучшим образом организованы сервисные потоки, что позволяет при регенерации ионообменных смол приблизится к стереометрическому расходу реагентов, при этом добиться высокого качества подготавливаемой воды.

Другим примером может служить технология осветления воды в отстойниках, в энергетике традиционно используются вертикальные отстойники - осветлители (ВТИ, ЦНИИ и др.). Общеизвестны проблемы сопровождающие работу традиционных осветлителей: вынос взвеси, невозможность работы на переменных нагрузках, низкая скорость восходящего потока (4-5 м/ч) необходимость поддерживать достаточно высокую температуру воды – 30 0С, все эти проблемы были в той или иной степени нивелированы, в нижеследующих подходах к осветлению. Технология осветления воды Densadeg , с внешней рециркуляцией активного ила и осветлением на тонкослойных модулях, позволяет достичь скорости восходящего потока 30 м/ч, а содержание взвесей в осветленной воде стабильно менее 5 мг/л, при этом отстойники Densadeg не чувствительны к плавающей нагрузке и в режиме осветления не требуют подогрева воды. Отстойники, запроектированные по технологии Densadeg , так же как и традиционные вертикальные осветлители, могут работать в режиме коагуляции с известкованием. Технология осветления Actiflo , с использованием микропеска и осветлением в полочных отстойниках позволяет достичь скорости восходящего потока 40 м/ч, а содержание взвесей в осветленной воде стабильно менее 5 мг/л, отстойники в модификации Actiflo Turbo позволяют достигать скоростей восходящего потока осветленной воды до 80 м/ч. Вероятность выноса взвесей по сравнению с традиционными осветлителями стремится к нулю.

Из сказанного выше, ясно, что современные модификации традиционных методов подготовки воды не могут быть полностью освобождены от недостатков; ионнный обмен от высокоминерализованных стоков и использования дополнительных реагентов, отстойники от вероятности выноса взвесей.

Интегрированные мембранные системы

В 80-е года XX века для подготовки обессоленной воды, в промышленном масштабе, стали использовать мембранные методы. Центральным звеном интегрированных мембранных систем является установка обратного осмоса (УОО) на которой происходит обессоливание воды (морской, речной и пр.). Для осуществления обессоливания природной воды методом обратного осмоса (ОО) не требуется реагенты для регенерации, кроме периодических очисток, которые проводятся по мере загрязнения поверхности мембраны. Периодические очистки (химические очистки) проводят с использованием разбавленных (0,2-2%) растворов комплексонов, попеременно, в кислой и щелочной среде. Установка обратного осмоса позволяет получить сколь угодное количество пермеата не привнося при этом в сточные воды дополнительных загрязнителей в виде кислот, щелочей, солей, кроме тех, которые содержались в исходной воде. Кроме того использование технологии обратного осмоса для обессоливания позволяет сократить расходы на содержание кислотно-щелочного хозяйства.

В итоге внедрение технологии обратного осмоса позволяет реализовать вторую часть цели энергетики: «прирост генерации электрической энергии и энергоносителей на фоне снижающейся нагрузки на окружающую среду».

Однако несмотря явное преимущество перед технологией ионного обмена, метод обратного осмоса имеет свои недостатки: сравнительно низкое гидравлическое КПД (50-80%), высокие требования к качеству исходной воды, сильная зависимость производительности установки обратного осмоса от температуры, не высокая, по сравнению с UPCORE глубина обессоливания пресных вод. Для преодоления указанных недостатков были предложены следующие решения:

Выдерживание оптимальной температуры для работы обратноосмотической системы на ТЭС в пределах 15-20 градусов Цельсия. Указанный диапазон обусловлен уравновешиванием следующих факторов: снижение расхода энергии на нагрев воды (против 30 градусов в традиционных схемах), снижение скорости диффузии ионов через полотно мембраны, приемлемый удельный поток пермеата через единицу поверхности мембраны, снижение рабочего давления на мембранном блоке.

Использование ингибиторов отложения нерастворимых солей на поверхности мембраны (например Genesys).

Использование дополнительных обратноосмотических установок, работающих на концентрате других УОО, что позволяет добиться увеличение гидравлического КПД УОО до 90%.

Наиболее радикально был разрешен недостаток установок обратного осмоса заключающийся в высоком требовании к качеству исходной воды. Для обеспечения требуемого качества исходной воды для УОО, используют технологию ультрафильтрации, которая реализована в установках ультрафильтации (УУФ). Основная задача УУФ состоит в получении воды с интегральным показателем- коллоидный индекс воды (КИ 15 ) не более 3 ед. Обработка воды методом ультрафильтрации совместно с коагулянтами позволяет снизить содержание железа (< 0,05 мг/л), взвешенных (< 0,1 мг/л) и органических веществ (на 40%- 65%). Основным отличием технологии ультрафильтации от осветления в объеме, состоит в физическом преодолении потоком обрабатываемой воды пористой перегородки(мембраны) с диаметром пор 0,05 мкм. В осветлителях такая не преодолимая преграда отсутствует. Установки ультрафильтрации воды вследствие развитой поверхности мембран отличаются компактностью, так мембранный модуль с активной площадью фильтрации 60м2 имеет геометрические размеры 250мм в диаметре, и 1140 мм в длину. При этом справедливости ради следует указать, что по реагентному обеспечению УУФ и осветлители находятся в одной нише, если не учитывать процедуры химической очистки установок ультрафильтрации воды, проводимые как правило 1 раз в 3-4 месяца. Еще одним преимуществом УУФ перед осветлителями является несоизмеримо меньший уровень строительных работ. Использование ультрафильтрации перед установкой обратного осмоса позволяет распределить нагрузку на установки в соответствии с их спецификой: для УУФ отделение взвесей и коллоидов, для УОО отделение ионов солей, такая специализация позволяет в целом повысить эффективность и надежность работы каждой установки и образует интегрированную мембранную систему. Для иллюстрации совместной работы УУФ и УОО можно привести следующий пример, установка обратного осмоса, работающая на осветленной воде после осветлителя и напорных фильтров, как правило выводится в регламентную химическую очистку от 18 до 36 раз в год, УОО у которой в качестве переподготовки использована ультрафильтрация выводится в регламентную химическую очистку от 2 до 4 раз в год. Сама технология УУФ в свою очередь, также как обратный осмос имеет ряд недостатков: сравнительно низкое гидравлическое КПД (85-95%), для эффективного удаления соединений железа, органических субстратов в пресной воде, необходимо обеспечить протекание процесса коагуляции. Для решения, проблемы утилизации стоков с установок ультрафильтрации воды можно эффективно применить малогабаритные осветлители, направляя осветленную воду в голову процесса, а концентрированный сток на дальнейшую переработку, например на фильтрпресс.

Как правило, на практике, методом двухступенчатого обратного осмоса, удается получить пермеат с электропроводностью 0,7-1,0 мкСм/см. Для более глубокого обессоливания можно применить традиционный ионный обмен (UPCORE, ФСД) или привлечь метод электродеионизации, тем самым завершив построение интегрироанной мембранной системы, в результате работы которой в окружающую среду не привносятся дополнительные солевые загрязнители, кроме тех, которые были извлечены из самой природной воды. Таким образом, подобно ультафильтрации, метод электородеионизации, перекрывает недостатки метода обратного осмоса, и берет на себя присущую только ионному обмену, способность практически полной сорбции растворенных ионов из воды. На практике метод электродеионизации позволяет получить ультрачистую воду с сопротивлением не ниже 10-16 МОм*см, однако и он имеет свои недостатки: высокие требования к электропроводности исходной воды (менее 40 мкСм/см), содержанию солей жесткости (менее 20 мкг-экв/л), кремневки и углекислого газа (менее 2 мг/л). Недостатки метода электродеионизации перестают быть недостатками в случае использования пермеата установок обратного осмоса в качестве исходной воды для электродеионизационных установок (ЭДУ). Одноступенчатая УОО позволяют получать воду во всех отношениях удовлетворяющую требованиям ЭДУ, кроме содержания углекислоты и остаточного содержания солей жесткости, в случаях когда жесткость исходной воды более 3 мг-экв/л. Если пермеат после УОО имеет остаточную жесткость более 20 мкг-экв/л, следует проектировать двухступенчатую по пермеату установку обратного осмоса. Для удаления углекислоты из пермеата необходимо применять установки мембранной дегазации.

Таким образом, различные мембранные технологии на этапах получения ультрачистой воды подходят друг к другу как ключ к замку, нивелируя недостатки друг друга, а оставшиеся неустранимые недостатки, мембранных технологий, касающиеся в основном объема стоков, могут быть устранены модернизированными классическими технологиями водоподготовки: осветление, ионный обмен, испарение.

Пример схемы ВПУ на примере интегрированных мембранных технологий показан на рисунке 1.

Рис. 1. Схема водного баланса интегрированной мембранной установки Невинномысской ГРЭС.

Промышленные установки ультрафильтрации (УУФ)

Водоподготовительная установка ультрафильтрации (ВПУУФ) промышленного исполнения включает собственно установки ультрафильтрации (УУФ) от 1 до 4 шт (блоки) в одной «очереди» и вспомогательное насосное и дозирующее оборудование: насосную станцию обратной промывки, насосы подачи исходной воды, станции дозирования реагентов (кислота, щелочь, дезинфектант), в обоснованных случаях станцию дозирования кислоты исключают, а также емкостное оборудование (баки ультрафильтрата, емкость химической очистки). Установка ультрафильтрации состоит из мембранного блока, технологической обвязки и средств КИПиА. Мембранный блок представляет собой собранные по коллекторам мембранные модули от 1 до 40 шт. Как правило мембранные модули состоят из мембранного элемента, торцевыех крышек и комплекта присоединительных деталей.

Производительность ВПУУФ выбирают с учетом следующих факторов:

  • потребности в ультрафильтрате (пиковый и среднечасовой разбор воды)
  • поблочное резервирование (при необходимости и резервирование по «очередям»)
  • потребление ультрафильта на собственные нужды водоподготовительной УУФ
  • вместимость бака ультрафильрата (БУ).

Важно, предусмотреть мероприятия по обработке промывных вод с установки ультрафильтрации, это может быть как обычная пара баков отстоя продувочных вод с коническим днищем (как правило существующих на станции), так и современный осветлитель специально спроектированный для обработке сточных вод ВПУУФ.

На рисунке 3 приводится пример размещения четырех УУФ. Как видно установки объединенные в ВПУУФ имеют общие коллектора, которые опираются на рамы установок, благодаря чему не требуется дополнительных опор под трубопроводы. Приведенная компоновка является наиболее компактным вариантом размещения УУФ. При размещении УУФ параллельно друг другу, установка занимает большую площадь из-за того, что дополнительную площадь займут отводы магистральных трубопроводов, кроме того возникает опасность неравномерного загрязнения блоков. Все подводящие и отводящие технологические трубопроводы должны быть устойчивы к завоздушиванию, и спроектированы с учетом недопустимости условий возникновения гидроударов. Трубопровод отводящий ультрафильтрат должен быть направлен в БУ и изливаться только через крышу бака, во избежание воздействия изменяющегося гидростатичесого давления воды в БУ. Бак ультрафильтрата является источником подготовленной воды для обратных промывок УУФ и исходной воды для УОО.  

Рис. 2. Вид с боку одного блока УУФ на 36 мембранных элемента.

Промышленные установки обратного осмоса (УОО)

Водоподготовительная УОО (ВПУОО) промышленного исполнения включает собственно установки обратного осмоса (УОО) от 1 до 6 шт блоков в одной «очереди» и вспомогательное, насосное и дозирующее оборудование: блок микрофильтрации, емкостное оборудование (баки пермеата, емкости станции химической очистки), станцию исходной воды, станции дозирования реагентов (ингибитор, реагенты для связывания хлора, коррекции pH, санитаризации), в обоснованных случаях станции дозирования исключают. Установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления, мембранного блока, технологической обвязки и средств КИПиА. Мембранный блок представляет совокупность мембранных аппаратов, собранных в каскады по исходной воде.

Производительность ВПУУФ выбирают с учетом следующих факторов:

  • потребность в пермеате (пиковый и среднечасовой разбор воды)
  • поблочное резервирование (при необходимости и резервирование по «очередям»)
  • вместимость бака пермеата (БП).

Важно, предусмотреть мероприятия связанные с повторным использованием концентрата УОО (использование на собственные нужды: отведение в систему ГЗУ, возвращение части концентрата в бак исходной воды и пр.)

На рисунке приводится пример реализации ВПУОО, сконструированной для получения максимально возможного гидравлического КПД. Ультрафильтат подвергается обессоливанию на четырех УОО, концентат с которых, после коррекции pH, может служить исходной водой для специально предусмотренных УОО, на которых происходит дополнительное извлечение пермеата, в результате чего объем стока получается минимально возможный дляданной системы ОО. Пермеат собирающийся в БП содержит равновесное исходной воде количество углекислого газа. Обычно для декарбонизации предусматривают атмосферные декарбонизаторы, после которых остаточное содержание углекислоты не превышает 5 мг/л. Однако существуют более компактные и эффективные устройства декарбонизации.

Использование мембранной дегазации и электродеионизации в ВПУ ТЭС

Использование мембранной дегазации на ТЭС сдерживается, как правило тем, что на станциях уже существуют атмосферные декарбонизаторы, кроме того в случае одноступенчатого обессоливания, вода направляется в термический деаэратор, где параллельно с удалением растворенного кислорода происходит удаление остаточной углекислоты. При проектировании производства ультрачистой воды (УЧВ) из пермеата УОО, методом электродеионизации или UPCORE, следует учитывать что, остаточное содержание углекислоты в пермеате в первом случае превышает допустимый порог (2 мг/л), во втором случае снижает ресурс анионита. Типичное значение остаточного содержания углекислоты после установки мембранной дегазации (УМД) составляет, менее 1 мг/л, при содержании углекислоты в исходной воде не более 15-20 мг/л, при щелочности менее 0,08 мг-экв/л.

Водоподготовительная УМД (ВПУМД) промышленного исполнения включает собственно установки мембранной дегазации (УМД), от 1 до 6 шт блоков в одной «очереди» и вспомогательное насосное и вакуумное оборудование: насосную станцию подачи исходной воды, водно-кольцевые вакуумные насосы. Установка мембранной дегазации состоит из мембранного блока, технологической обвязки и средств КИПиА. Мембранный блок представляет собой собранные по коллекторам (последовательно- параллельно) мембранные модули от 1 до 8 шт. При проектировании ВПУМД следует отдавать предпочтение конфигурации позволяющей направлять пермеат УОО на УМД без промежуточных баков.

Производительность ВПУМД выбирают с учетом следующих факторов:

  • потребности в декарбонизованной воде (пиковый и среднечасовой разбор воды)
  • поблочное резервирование (при необходимости и резервирование по «очередям»)
  • вместимость бака декарбонизованной воды.

Приблизительно 1-2 раза в год необходимо проводить процедуру восстановления гидрофобности модулей, и их санитарную обработку. Декарбонизованный пермеат полученная методом мембранной дегазации с целью глубокого обессоливания подвергают обработке в установке электродеионизации.

Водоподготовительная ЭДУ (ВПЭДУ) промышленного исполнения включает собственно электродеионизационную установку (ЭДУ) от 1 до 6 шт блоков в одной «очереди» и вспомогательное, емкостное и насосное: блок микрофильтрации, баки ОбВ, емкости станции химической очистки, станцию исходной воды. Электродеионизационная установка состоит из стэков электродеионизации от 1 до 6 шт, технологической обвязки и средств КИПиА. Стэк представляет не разборную совокупность ячеек электродеионизации.

Производительность ВПЭДУ выбирают с учетом следующих факторов:

  • потребность в обессоленной воде (пиковый и среднечасовой разбор)
  • поблочное резервирование (при необходимости и резервирование по «очередям»)
  • вместимость бака обессоленной воды (БОбВ).

Важно, предусмотреть мероприятия связанные с повторным использованием концентрата ЭДУ, как правило его направляют на вход УОО. При проектировании ЭДУ следует предусматривать непрерывны поток воды через стэки установки.  

Реконструкция ВПУ филиала ОГК-5 Невинномысская ГРЭС

Установленная мощность существующей обессоливающей установки 900т/ч. На данный момент она обеспечивается двумя схемами производства частично-обессоленной воды с различной технологией: старой - ионообменной (до 600 т/ч) и новой – мембранной (до 300 т/ч), последняя смонтирована и запущена в 2009 г ЗАО «НПК «Медиана-Фильтр». Интегрированная мембранная система включает 4 установки ультрафильтрации производительностью 80 м 3 /ч, четыре установки обратного осмоса по 50м 3 /ч и две УОО по 25 м 3 /ч.

Технологическая схема мембранной части ВПУ ОбХВО Невинномысской ГРЭС включает в себя:

  • прямоточную коагуляцию исходной воды в контактных емкостях;
  • обработку воды на установке ультрафильтрации (УУФ);
  • обессоливание воды на установках обратного осмоса (УОО);

Технологическая схема ионитной части ВПУ ОбХВО Невинномысской ГРЭС включает в себя:

  • коагуляция в осветлителях с флокуляцией полиакриламидом;
  • фильтрация на механических фильтрах;
  • Н-катионирование с последующим анионированием в ионообменных фильтрах I ступени с получением частично-обессоленнйо воды

Для дообессоливания добавочной воды котлов предусмотрена совместная очистка пермеата обратноосмотической установки и частично-обессоленной воды с существующей установки ионного обмена I cтупени с предварительной декабонизацией на ионитных фильтрах II c тупени.

Введенная в эксплуатацию в декабре 2009 года интегрированная мембранная система позволила:

  • снизить расход реагентов:
  • снизить солевую нагрузку на окружающую среду (Таблица 1.).
  • уменьшить количество ионообменных смол на досыпку фильтров.
  • увеличить фильтроцикл II ступени обессоливания .
  • оптимизировать количество персонала обслуживающего ВПУ ОбХВО

Таблица 1. Сравнительные данные по солесодержанию и ионному составу стоков ОбХВО Невинномысской ГРЭС.

№ п/п

Показатель

По ионитной части ВПУ концентрации в сбросе

 

По мембранной части ВПУ концентрации в сбросе с КПД 94%

 

По мембранной части ВПУ концентрации в сбросе с КПД 77%

1

Солесодержание, мкСм/см

13800

 

2400

 

800

2

Хлориды, мг/дм 3

240

 

235

 

30

3

Сульфаты, мг/дм 3

900

 

853

 

109

Введенная в эксплуатацию интегрированая мембранная ВПУ показала себя как устойчиво работающая система и выгодно отличается от ионитной ВПУ по расходам на реагенты, обслуживанию и воздействию на окружающую среду, в связи с этим резонно полностью перевести ВПУ Невинномысской ГРЭС на мембранное обессоливание. Установленная мощность ХВО Невинномысской ГРЭС 460 т/ч, следовательно для полного замещения ионирования I ступени необходимо дополнительно установить пять УОО производительностью по 50 м 3 /ч и две УОО по 25 м 3 /ч для обеспечения экономичного режима работы с наименьшей потерей собственных нужд, также потребуется расширение УУФ. Также с учетом того что на Невинномысской ГРЭС эксплуатируются барабанные котлы давлением 13,8 МПа, электропроводность подпиточной воды должна быть не менее 2 мкСм/см, что может быть обеспечено работой УОО второй ступени по пермеату, что позволит отказаться от второй ступени ионирования и исключить крупнотоннажное использование кислот и щелочей.

 

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