У теплоенергетиці для підживлення технологічних систем потрібна глибоко демінералізована вода, що не викликає корозії та утворення відкладень при експлуатації енергетичних установок. Якість води багато в чому визначає економічну ефективність та термін експлуатації енергогенеруючих систем, тому галузеві вимоги до вмісту у воді розчинених домішок є одними з найжорсткіших серед усіх сфер промисловості.
Щоб отримати воду необхідної якості, використовуються багатоступеневі процеси водопідготовки, головними з яких є технології демінералізації води, що запобігають формуванню накипу, корозійним та лужним пошкодженням у котлах, а також у всьому пароводяному тракті.

Накип утворює твердий нерозчинний осад на поверхнях нагріву, знижуючи теплопровідність. Причиною появи накипу є потрапляння солей жорсткості, а також кремнію в живильну воду. Нагріваючись, солі цих речовин стають нерозчинними та осідають у вигляді накипу. Теплопровідність різко падає, виникає небезпека перегріву та зниження ККД устатковини. Крім того, різко зростають витрати на чистку та ремонт котлів, а також усього теплосилового обладнання.
Корозійні процеси викликаються наявністю кисню та вуглекислого газу. Неувага до корозійної небезпеки може призвести до поступового руйнування металу та навіть до утворення свищів та зупинки котла.Також через неправильно розраховані системи водопідготовки та невірного ведення водно-хімічного режиму можуть відбуватися такі небезпечні явища, як лужне розупрочнення та лужна крихкість, які виникають через підвищену лужність котлової води. Лужна крихкість, наприклад, виникає швидко й непомітно, викликаючи важкі аварії, до неї схильні усі елементи котла.
Таким чином, проектування водопідготовки, а також всього водно-хімічного режиму котельного обладнання вимагає дотримання усіх нормативних вимог як загального характеру (вміст CO2 у парі, відносна лужність), так і специфічних для кожного типу котла (рН, жорсткість, лужність обробленої води, провідність та лужність котлової води, величина продувки і т.і.).
Традиційні технології
Іонообмінні технології, що з’явилися у 60-х роках минулого століття, набули широкого поширення в енергетичній галузі. Вони засновані на пропусканні води через кілька ступенів послідовно включених катіоно- та аніонообмінних фільтрів, в результаті чого відбувається видалення з води розчинених мінеральних домішок. Залежно від вимог, що пред’являються до якості підготовленої води, використовуються одно-, дво- та навіть триступеневі схеми. У якості фінішного очищення використовуються фільтри змішаної дії, заповнені сумішшю катіонита та аніоніта.
Для відновлення іонообмінних фільтрів регулярно проводиться регенерація іонітів, для чого використовуються великі кількості реагентів – кислоти та каустику, витрата яких в значній мірі залежить від складу вихідної води та використовуваної технології. Як наслідок регенерації фільтрів утворюються значні кількості високомінералізованих кислотних та лужних стоків з солевмістом 10 – 60 г / л, які після нейтралізації скеровуються на скидання.

З огляду на існуючий у даний час норматив на засоленість стічних вод (не більше 1 г / л) скидання регенераційних стоків вимагає багаторазового розведення вихідною водою, що призводить або до збільшення їх кількості та зростання водоспоживання, або до сплати штрафів, розміри яких становлять до 10% собівартості демінералізованої води. З огляду на високу сприйнятливість іонітів до органічних речовин, у великих кількостях присутніх у природних водах, в якості передпідготовки перед іонообмінними фільтрами застосовують вапняну коагуляцію в освітлювачах з подальшою фільтрацією на механічних фільтрах. В наслідок цього утворюється величезна кількість твердих відходів – вапняного шламу, який, як правило, не підлягає утилізації та направляється на шламоотвали.
З урахуванням строків експлуатації більшості устатковин проектна ємність багатьох шламоотвалів на сьогоднішній день практично вичерпана. До інших недоліків старої технології водопідготовки можна віднести великі витрати реагентів (кислоти, луги, гіпохлориту натрію, коагулянту та ін.), що призводить до високих експлуатаційних витрат та ускладненню логістики з доставки реагентів на територію хімічного цеху. Адже дані реагенти є прекурсорами та доставляються залізницею. Отже, нам потрібні додаткові витрати на оплату доставки реагентів, необхідність постійного навчання людей роботі з цими (токсичними) реагентами.
Необхідно відзначити, що у даний час котельне обладнання, встановлене ще за радянських часів, поступово застаріває «морально й фізично». Перед ефективним власником виникає задача реконструкції як котельних агрегатів, так і водно-хімічного господарства. Велику роль також відіграє питання втрат надлишкових обсягів газу, ціна на який у даний час змушує замислитися про необхідність застосування енергозберігаючих технологій.
У цих умовах проектування водопідготовчого обладнання передбачає не тільки виконання всіх існуючих вимог (жорсткість, рН, кисень, вуглекислота та ін.), а й орієнтування на вимоги, що пред’являються провідними виробниками енергообладнання до живильної та котлової води.
Наприклад, вимоги, що пред’являються до живильної води вітчизняних та російських котлів, не включають обмеження по лужності та солевмісту, однак саме ці показники дуже важливі при проектуванні водопідготовчого обладнання, так як зниження лужності та солевмісту дозволяє у 5-6 разів знизити величину продувки, та , таким чином, й витрати газу. Європейські виробники враховують цю залежність, тому встановлюють обмеження по лужності як в живильній, так і в котельній воді.
В цілому традиційні іонообмінні методи демінералізації води характеризуються такими недоліками:
• Багатоступенева технологічна схема, яка потребує великої кількості як основного технологічного (освітлювачі, механічні та іонообмінні фільтри), так і допоміжного обладнання (баки-збірники, насосні станції), для розміщення якого необхідні величезні виробничі площі;
• Застосування великої кількості реагентів (сірчаної кислоти, каустику, вапна, сірчанокислого заліза). Це не тільки обумовлює великі експлуатаційні витрати на виробництво демінералізованої води, але також вимагає наявності відповідної інфраструктури – транспортних шляхів (як правило, залізничних), громіздкого реагентного господарства (баків зберігання реагентів, сховища вапна);
• Утворення великої кількості високомінералізованих стоків та шламів, утилізація котрих, як правило, ускладнена;
• Складність автоматизації процесів, необхідність постійного контролю та коригування параметрів роботи. Залежність якості підготовленої води від параметрів експлуатації.
Переважна більшість устатковин демінералізації води, що працює в даний час на енергетичних об’єктах нашої країни та країн СНД, була введена в експлуатацію у 60-80-х роках минулого століття та заснована на застосуванні іонообмінних технологій. Більшість з цих устатковин морально застаріла та вимагає серйозної реконструкції як з точки зору технологічного обладнання, так і систем автоматичного управління.Таким чином, традиційна схема, що включає видалення зважених речовин та двоступеневе Na-катіонування, зжила себе, тому що не дозволяє через лужність знизити споживання газу. На зміну цій технології повсюдно приходить комбінований метод – Na-катіонування – зворотний осмос (RO).
Зворотний осмос (RO) дозволяє одночасно знизити і жорсткість, і лужність, і загальний солевміст (провідність), а також є бар’єром для кремнію, міді та каламутності. У поєднанні з Na-катіонуванням як передобробки або постобробки зворотний осмос (RO) дає прекрасний результат, перевірений часом та великою кількістю інсталяцій. Для міських вод мм. Київ, Донецьк, Дніпропетровськ, Миколаїв, Одеса, Запоріжжя, тобто там, де джерелом водопостачання є річка, частіше застосовується Na-катіонування – зворотний осмос (RO). Якщо ж підприємство працює на артезіанській воді, економічно більш ефективна послідовність зворотний осмос (RO) – Na-катіонування. Слід зазначити також зростаючий попит на обладнання, що дозволяє отримувати живильну воду з технічної річкової води (рр. Дніпро, Сіверський Донець, Південний Буг і т.і.), що відрізняється високими значеннями окислюваності, зважених речовин, бактеріологічним забрудненням та наявністю фіто- та зоопланктону.

Подальший розвиток – баромембранного технології на всіх стадіях

Найчастіше при реконструкції існуючих демінералізаційних устатковин та практично завжди при проектуванні нових використовуються більш прогресивні і екологічно безпечні баромембранні методи.
Суть баромембранного методу полягає в пропущенні під тиском води, що очищається через напівпроникні мембрани, що затримують домішки різного складу. Однією з найбільш інноваційних схем демінералізації води у даний час вважається технологія, що включає стадії префільтраціі, ультрафільтрації, зворотноосмотичної демінералізації та електродеіонізаціі.
Префільтрація в енергетиці традиційно здійснюється на піщано-гравійних фільтрах. Ці фільтри займають великі площі, вимагають високого тиску при промиванні, мають великі втрати промивної води. Для їх очищення потрібно виводити фільтр з експлуатації на час промивання, що вимагає додаткового резервування.
Інноваційні фільтри механічної фільтрації використовують технологію вихрового вакуумного сканера з щітковими форсунками для високоефективної очистки фільтруючого елемента (чотиришарової сітки). Ці фільтри займають мінімум площ, витрачають на промивку не більше 1% від миттєвого протоку, а найголовніше – не припиняють (та не скорочують) подачу чистої води під час самоочищення Такі фільтри є повністю автоматичними та дозволяють легко інтегрувати їх в АСУТП. Високий рейтинг фільтрації (25 – 50 мкм) дозволяє на наступній стадії (ультрафільтрація) істотно скоротити втрати води на промивку та застосовувати УФ мембрани з більш тонким рейтингом фільтрації.
Стадія ультрафільтрації використовується для видалення з оброблюваної води зважених речовин, колоїдних домішок, частини органічних забруднень, а також видалення бактерій, водоростей та інших мікроорганізмів, розміри яких перевищують соті частки мікрона. За своєю суттю ультрафільтрація є аналогом коагуляції в освітлювачах та очищення на механічних фільтрах, проте вона позбавлена недоліків, властивих традиційній технології.

Так, основними перевагами ультрафільтраційних установок є:
• Відсутність необхідності у вапняному господарстві – під час експлуатації ультрафільтраційних устатковин потрібні тільки періодична кислотна та лужна промивка модулів, проте кількість реагентів у десятки разів менша, ніж у іонообменнії технології;
• Відсутність необхідності у точному дотриманні технологічних параметрів (температури, рН, швидкості потоку), як цього вимагає експлуатація освітлювачів. При цьому якість очищення води залишається стабільно високою та не залежить ні від умов експлуатації, ні від людського фактору;
• Істотне (у 2-4 рази) скорочення виробничих площ для розміщення основного та допоміжного обладнання;
• Простота експлуатації, можливість автоматизації процесу.

На стадії зворотноосмотичної демінералізації відбувається видалення з води розчинених домішок. Залежно від необхідної якості очищення використовують одно- або двоступеневу схему. Як правило, залишковій солевміст після першого ступеня становить 5-20 мг / л, що відповідає якості води після першого ступеня Н / ОН-іонування. В разі необхідності більш глибокої демінералізації використовують другий ступень зворотного осмосу.

Основні переваги методу зворотноосмотичної демінералізації води:
• Виняткова надійність методу, що забезпечує стабільно високу якість демінералізованої води незалежно від сезонних коливань якості вхідної води, технологічних параметрів та «людського фактору»;
• Висока економічна ефективність – заміна першого ступеню іонообменної демінералізації на оборотноосмотичну дозволяє на 90-95% знизити потребу в кислоті та каустику, що за вартістю в багато разів перекриває збільшення витрат, пов’язаних з ростом енергоспоживання;
• Як і для ультрафільтраційних устатковин, скорочення виробничих площ, простота експлуатації та автоматизації технологічного процесу.
• Під час модернізації систем водопідготовки для теплової генерації все нове баромембранне обладнання можливо розмістити на існуючих площах, навіть без демонтажу застарілої системи.

Промислова система електродеіонізаціі

Для фінішної демінералізації води в енергетиці та мікроелектроніці останнім часом все більше використовується метод електродеіонізаціі. За своєю суттю та за принципом очищення електродеіонізація є аналогом традиційних фільтрів змішаної дії (ФЗД). Відмінною особливістю електродеіонізаціі є те, що регенерація фільтрів здійснюється за рахунок проходження електричного струму через шар завантаження безпосередньо у процесі очищення.

У разі застосування електродеіонізаціі не потрібні періодичні зупинки фільтрів для проведення технічно складної регенерації з роздільною регенерацією іонітів, відсутня необхідність у використанні реагентів.

Таким чином, використання сучасних методів водопідготовки – ультрафільтрації, зворотноосмотичної демінералізації та електродеіонізаціі – дозволяє:
• Суттєво знизити експлуатаційні витрати;
• Суттєво скоротити споживання реагентів, відмовитися від громіздкого реагентного господарства;
• Підвищити екологічну безпеку виробництва;
• Забезпечити стабільно високу якість очищення води;
• Автоматизувати технологічний процес.

Все це робить нову технологію більш екологічною у порівнянні з існуючою.

Собівартість очищеної води та прогнозований термін рентабельності обладнання.

Подібна схема водопідготовки реалізована на р. Сіверський Донець продуктивністю 50,0 м3 / год із застосуванням схеми префільтрація — мікрокоагуляція – ультрафільтрація (UF) — зворотний осмос (RO) — Na-катіонування, що забезпечує підживлення для котла-утилізатора 40 атм. когенераційного енегоблоку.

Однією з наших основних цілей було зниження експлуатаційних витрат на водопідготовку знесоленої води за рахунок зниження витрат на заміну іонообмінних смол, масового споживання реагентів, таких як вапно, коагулянти, кислоти, луги та ін. Розрахункова собівартість води, очищеної за запропонованою нами технологією, становила всього 2, 9 грн. / 1 м3, в той час як за існуючою на підприємстві традиційною технологією – 17,5 грн / 1 м3. Розрахунковий термін окупності інноваційного обладнання становить не більше трьох років.

Таким чином, сучасні технології водопідготовки в енергетиці дозволяють здійснити реконструкцію (модернізацію) застарілих систем у існуючих приміщеннях, навіть без демонтажу діючого обладнання. Результатом впровадження інноваційних технологій є енергозбереження, ресурсозбереження, поліпшення екології, скорочення персоналу, висока надійність системи.

0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Leave a Reply