Использование метода обратного осмоса для водоподготовки в теплоэнергетике

Самодуров А.Н., Лысенко С.Е., инженеры, Громов С.Л., канд. техн. наук, Пантелеев А.А., доктор физ.- мат. наук, Федосеева Е.Б., инж.

ОАО «Новочеркасская ГРЭС» - НПК «Медиана-Фильтр»

Представлены результаты работы фильтров обратного осмоса ДВС-М/150 общей производительностью 150 м3/ч (ЗАО «Медиана-Фильтр») в химическом цехе на Новочеркасской (НчГРЭС) и особенности эксплуатации обратноосмотических систем в специфических условиях водоподготовки для промышленной теплоэнергетики. В области высоких значений рН обнаружено расхождение экспериментальных и расчетных данных, описываемых стандартными моделями.

Развитие методов водоподготовки в промышленной энергетике во многом связано с внедрением мембранной технологии [1, 2].Использование ультрафильтрации воды позволяет не только получать воду, свободную от механических примесей, но и удалять значительное количество органики (до 60 %). Нанофильтрация воды может применяться для умягчения, частичного обессоливания (50...70%) и надежного удаления органических примесей. Использование обратного осмоса (гиперфильтрации воды) позволяет осуществлять деминерализацию на уровне 96...98 %. Кроме этих методов следует отметить мембранную дегазификацию (с помощью которой эффективно удаляются углекислый газ и кислород), а также электродеионизацию воды. Использование указанных методов дает возможность создать безреагентную (свободную от применения щелочей, кислот, поваренной соли) систему водоподготовки для получения фильтрата с удельной электропроводностью 0,07...0,06 мкСм/см. Эти технологии водоподготовки активно применяются в мировой практике. В последнее время и в нашей стране начинается внедрение мембранных методов водоподготовки. Первая промышленная установка обратного осмоса была запущена в 1994 г . на ТЭЦ-23 (Москва) [3]. Сейчас в России имеется около 20 установок обратного осмоса производительностью 100 м3и выше. Нанофильтрация применяется на ряде станций квартального теплоснабжения Москвы.

Внедрение обратного осмоса на Новочеркасской ГРЭСПри реконструкции установки водоподготовки (ВПУ) на Новочеркасской ГРЭС внедрение обратного осмоса осуществлялось поэтапно, и мембранные модули встраивались в существующую технологическую схему. Это привело к появлению ряда режимных ограничений, специфических условий работы мембранных установок водоподготовки.

Предподготовка ВПУ НчГРЭС, как и большинства ТЭЦ и ГРЭС, включает в себя известкование с коагуляцией в осветлителях и механическое фильтрование воды. Важнейшими задачами при этом для систем обратного осмоса являются обеспечение низкого значения коллоидного индекса и предотвращение образования солей жесткости на мембранных элементах.

После механического фильтрования на гидроантрацитовой загрузке были получены предварительные значения SD 1= 4,5...5,5. Для многокаскадных схем, которые используются для создания современных установок обратного осмоса, предпочтительными являются значения, не превышающие 4. Поэтому была добавлена вторая ступень гидроантрацитовых фильтров. В результате были получены следующие значения SDI : 4,1...4,2 в начале и 3,0...3,2 в конце фильтроцикла.

Важное практическое значение имела отработка режима регенерации фильтров. Слишком поздняя регенерация ( для достижения низкого уровня SDJ ) может приводить к чрезвычайно сильному загрязнению фильтрующей загрузки, повышенным расходам воды и воздуха на ее регенерацию и снижению качества фильтрации воды. Для достижения более узкого диапазона SDI была предложена разнесенная регенерация фильтров первой и второй ступеней в одной цепочке. В итоге максимальное значение SDI снизилось до 3,8. Оптимальный выбор соотношения фильтроциклов первой и второй ступеней зависит от количества взвесей, их состава и т.д. Продолжаются работы по коррекции режима эксплуатации механических фильтров с учетом влияния паводков.

Гидравлическая схема установки обратного осмоса ДВС-М/150

Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема установки обратного осмоса ДВС-М/150.

1 — исходная вода; 2 — блок микрофильтрации; 3 — мембранный блок; 4 — фильтрат; 5 — дренаж; 6 — вход химического раствора ; 7 — концентрат

В качестве технологии, предотвращающей отложения солей жесткости на мембранных элементах обратного осмоса, было выбрано ингибирование.

В случае умягчения 1 м3 воды методом ионного обмена при средней жесткости исходной воды 5 мг-экв/л на регенерацию смолы требуется 900 г хлорида натрия. Стоимость метода по сравнению с ценой исходной технической соли 700 руб/т увеличивается в 2,5 раза из-за затрат на ее транспортировку, хранение, приготовление, а также на амортизацию оборудования. Оценочная себестоимость умягченной воды (без капитальных затрат) составляет 1,6...2 руб/м3 , а капиталь­ные затраты на умягчение — 40 000...50 000 руб. за 1 м3 обрабатываемой воды. Капитальные затраты на ингибирование ниже — 40 000 руб. за 70 м3 обрабатываемой воды. При выборе ингибитора определяющими параметрами являются техническое соответствие и экономическая привлекательность, которая характеризуется ценой за 1 кг продукта и удельным содержанием в нем комплексов фосфоновых кислот, что существенным образом определяет норму потребления ингибитора на 1 м3 обрабатываемой воды. В выбранном режиме ингибирования затраты на реагенты составляют 1,2 руб/м3.

Система обратного осмоса производительностью 150 м3/ч включает в себя три модуля. На рис. 1 представлена принципиальная схема обратноосмотической установки ДВС-М/150, в которую входят модуль микрофильтрации (5 мкм), рабочий насос и мембранный модуль. Установка автоматизирована и имеет собственные средства КИП. Работой каждого модуля управляет отдельный контроллер, связанный с компьютером оператора, который следит за работой системы и изменением ее параметров: производительности, удельной производительности, рН и т.д. Потребляемая мощность каждого модуля 48 кВт, производительность 50 м3/ч. Конструкция обратноосмотической установки водоподготовки двухступенчатая по концентрату; при использовании фильтродержателей, рассчитанных на шесть мембранных элементов каждый, исходная вода концентрируется на 12 последовательно установленных элементах. В гидравлической схеме и конструкции установки ДВС-М/150 были использованы разработки ЗАО НПК «Медиана-Фильтр», что позволило обеспечить высокий гидравлический КПД, минимизировать биообрастание мембран обратного осмоса и концентрационную поляризацию. В реализованной установке Гидравлический КПД составляет 75 %.

Для определения степени деминерализации обратносмотической установки водоподготовки используется понятие селективности установки.

Зависимость концентрирования солей от гидравлического КПД обратноосмотической установки Жесткость воды на входе в установку обратного осмоса
Рис. 2. Зависимость концентрирования солей от гидравлического КПД установки Рис. 3. Жесткость воды на входе () в установку и выходе из нее ()
Концентрация хлоридов в воде на входе в установку обратного осмоса  Концентрация натрия в воде на входе  в установку обратного осмоса
Рис. 4. Концентрация хлоридов (а) и натрия (б) в воде на входе () в установку и выходе из нее ()

 

Селективность установки водоподготовки ДВС-М/150 по общему солесодержанию равна 96...98 %.

В установке водоподготовки используются мембранные элементы FILMTEC BW 30-400 (производство Dow Chemical, США). Их селективность по модельному 0,15 %-ному раствору хлорида натрия не менее 99 %. Различие в селективности мембран обратного осмоса и установки связано с многокаскадной конструкцией установки и указанным выше концентрированием обрабатываемой воды. Селективность одного мембранного элемента в установке водоподготовки по полному солесодержанию при рН = 8,2 составляет более 99,6 %.

На рис. 3 и 4 представлены результаты работы обратноосмотической системы, которые показывают степень извлечения из воды солей жесткости, ионов натрия и хлора. Обратноосмотическая система, заменяющая первую ступень параллельноточного ионообменного обессоливания, обеспечивает высокую степень удаления растворенных солей и примесей.

Содержание кремниевой кислоты в воде после обработки методом обратного осмоса уже снижалось до 60 мкг/л, а после прохождения второй и третьей ионообменных ступеней было ниже предела чувствительности измерительного прибора (эти значения достигали 6 мкг/л при использовании только трехступенчатой ионообменной деминерализации).

Благодаря применению обратноосмотической установки водоподготовки ДВС-М/150 расход реагентов на регенерацию ионообменных смол в схеме обессоливания сократился почти в 40 раз.

При электропроводности исходной воды 1160 мкСм/см и рН = 8,2 средняя удельная электропроводность фильтрата составляет 16 мкСм/см. С ростом рН электропроводность имеет тенденцию к повышению. При рабочем значении рН = 10 она колеблется в диапазоне 25...35 мкСм/см. В области высоких рН (10,2...10,8) наблюдается ее значительный рост до 100 мкСм/см. Современные расчетные программы (например, ROSA , версия 6 для мембран FILMTEC компании Dow Chemical ) не описывают наблюдаемые эффекты: вычисленное значение удельной электропроводности 12... 15 мкСм/см.

В расчете осмотического давления по программе ROSA (и аналогичным) не учитываются эффекты сольватации [7], которые в области высоких рН становятся значительными. Рабочий режим при высоком рН, характерном для теплоэнергетики, отличается (например, по ионному составу воды) от хорошо исследованной области с рН = 4...9,5. В рассматриваемом случае определяющее влияние на электропроводность фильтрата оказывают ионы ОН. Они имеют высокую подвижность и высокий коэффициент диффузии, существенно превышающий коэффициенты диффузии остальных ионов (роль ионов Н+ мала). Тогда кроме упомянутых эффектов неидеальности растворов может оказаться значительной амбиполярная диффузия, когда один ион «тянет» за собой через мембрану обратного осмоса свой противоион (в данном случае ион ОН- способствует росту проницаемости мембраны для иона Na+ ).

Другим важным фактором, влияющим при высоких рН на коэффициент диффузии, может быть изменение радиуса гидратации ионов и соответственно изменение проницаемости. И, наконец, гидратация самой мембраны обратного осмоса может существенно влиять на ее проницаемость для ионов [8].

Таким образом, при анализе данных, полученных при эксплуатации фильтров обратного осмоса ДВС-М/150 на НчГРЭС, была обнаружена аномально высокая электропроводность фильтрата в области зна чений рН > 10, не описываемая стандартными расчет ными моделями. Благодаря проведенному анализу бы ли указаны возможные причины, влияющие на расхож дение экспериментальных и расчетных данных.

Список литературы

  • Дытнерскнй Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. Химия, 1978.
  • Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разд ления/Пер. сайга.: М. Химия, 1981.
  • Галас И.В., Чернов Ё.Ф., Ситннковсккй Ю.А., Обессолив ние добавочной воды котлов на ТЭЦ-23 обратным осмосом // Электрические станции. 2002. Xs 2.
  • Пат. № 34528 РФ на полезную модель. Установка для обр. ботки воды / А.А. Пантелеев, С.А. Углов, А.Е. Прнходьк Е.А, Светличный // Изобретения. 2003. 34.
  • Пат. № 2253505 РФ. Фильтрационный модуль / А.А. Пантелеев, С.А. Углов, С.Л. Громов, А,Е. Приходько // Изобретения. 200 Х° 16.
  • Пат. Хв 37986 РФ. Фильтрационная установка / А.А. Пантелеев, С.А Углов, С.Л. Громов, А.Е. Приходько, Е.Б. Федосеева Изобретения. 2004. 14.
  • Багоцкин Б. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988.
  • Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Mhj 1999.
(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.