О существующей проблеме Обработка исходной воды на водоподготови- тельных установках (ВПУ) котельных и ТЭЦ для подпитки открытых тепловых сетей часто произ- водится методом Н-катионирования с режимом «голодной» регенерации фильтров. Отличитель- ной особенностью метода является использо- вание серной кислоты с минимальным удель- ным расходом не выше стехиометрического 1 г-экв/г-экв поглощенных катионов, в отличие от остальных способов параллельно-точной ио- нообменной очистки с удельными расходами реагентов более 2 г-экв/г-экв. Химочищенная Н-катионированная вода характеризуется одно- временным снижением жесткости, щелочности, карбонатного индекса и солесодержания. В качестве загрузочного материала фильтров на действующих ВПУ традиционно используется сульфоуголь, характеристики которого при дли- тельном использовании не соответствуют, как правило, требованиям ТУ 113-08-5015182-78-91 по значениям динамической обменной емкости (фактически менее 150-200 г-экв/м 3 ) и механи- ческим свойствам. В результате происходит существенный перерасход кислоты и воды на собственные нужды вследствие учащения коли- чества регенераций фильтров. Недостаточная высота загрузки сульфоугля наряду с его низким качеством приводят, в конечном счете, к ограни- чению производительности котельных по выра- ботке подпиточной воды. Производство сульфоугля в России практически прекращено, а на Западе его не используют уже бо- лее 30 лет. В связи с этим крайне актуален перевод фильтров ВПУ на работу с современными слабо- кислотными карбоксильными катионитами. На оте- чественном рынке имеется много марок эффектив- ных карбоксильных катионитов, рекомендуемых для использования в схемах открытого горячего во- доснабжения, с рабочей обменной емкостью, на порядок превышающей таковую для сульфоугля. Перевод фильтров на работу с новым высоко- емким ионообменным материалом не сводится к простой перезагрузке материала в фильтрах, как это часто предполагается, а требует разра- ботки и реализации ряда технических решений, предотвращающих прямую потерю дорогостоя- щего карбоксильного катионита, а также обра- зование отложений сульфата кальция в процес- се регенерации и транспортировки сточных вод. Недостаток информации о технических усло- виях использования карбоксильных катионитов в промышленных условиях наряду с высокой стоимостью материала являются сдерживаю- щими факторами их широкого применения. Особенности и опыт внедрения карбоксильных катионитов В статье приводятся основные результаты применения карбоксильных катионитов в ко- тельной ПП «Белгородской ТЭЦ». Работы были начаты в 1999 г. при техническом сопровожде- нии со стороны ЗАО ИЦ «Авелит» и ОАО «Объе- динение ВНИПИэнергопром». Реконструкция выполнялась на ВПУ максимальной производи- тельностью 1000 м 3 /ч, оснащенной фильтрами диаметром 3 м при работе на артезианской во- де средней жесткостью 8 мг-экв/дм 3 и щелочно- стью 6,5 мг-экв/дм 3 . Одним из основных условий обеспечения на- дежной эксплуатации фильтров является опреде- ление оптимальной скорости подачи регенераци- онного раствора и отмывки. Фирмы-производи- тели карбоксильных катионитов рекомендуют не- обоснованно широкий диапазон скоростей для подачи регенерационного 0,5-0,8% раствора сер- ной кислоты: от 5 до 20 м/ч (Lewatit CNP80, Dowex MAC-3), от 8 до 15 м/ч (Тулсион СХО12) и от 15 до 40 м/ч (Амберлайт IRC86). Выполненные нами стендовые испытания и опыт многолетней эксплу- атации фильтров с карбоксильными катионитами позволяют рекомендовать скорость регенерации и отмывки равную 15-20 м/ч (в зависимости от ус- ловий применения), т.е. значительно большую, чем для сульфоугля. Такое решение обуславлива- ет необходимость реконструкции регенерацион- Новости теплоснабжения № 3 (март); 2010 г. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 38 ВОДОПОДГОТОВКА Модернизация водоподготовительных установок подпитки теплосети по «малосточной» технологии А.В. Мамошкин, технический директор, А.А. Аваков, генеральный директор, ЗАО Инженерный Центр «Авелит», г. Белгород; д.т.н. В.В.Шищенко, профессор, заведующий лабораторией экологии и водоподготовки, ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», г. Москва; к.т.н. В.Г.Голиков, директор по инвестициям филиала «Белгородская региональная генерация», ОАО «ТГК-4», г. Белгород
6
Embed
И Г ВОДОПОДГОТОВКА О Л О Н Модернизация ... · 2013-07-16 · катионита, м3/м3; Е су, Е кк – рабочие обменные емкости
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
О существующей проблемеОбработка исходной воды на водоподготови-
тельных установках (ВПУ) котельных и ТЭЦ дляподпитки открытых тепловых сетей часто произ-водится методом Н-катионирования с режимом«голодной» регенерации фильтров. Отличитель-ной особенностью метода является использо-вание серной кислоты с минимальным удель-ным расходом не выше стехиометрического1 г-экв/г-экв поглощенных катионов, в отличиеот остальных способов параллельно-точной ио-нообменной очистки с удельными расходамиреагентов более 2 г-экв/г-экв. ХимочищеннаяН-катионированная вода характеризуется одно-временным снижением жесткости, щелочности,карбонатного индекса и солесодержания.
В качестве загрузочного материала фильтровна действующих ВПУ традиционно используетсясульфоуголь, характеристики которого при дли-тельном использовании не соответствуют, какправило, требованиям ТУ 113-08-5015182-78-91по значениям динамической обменной емкости(фактически менее 150-200 г-экв/м3) и механи-ческим свойствам. В результате происходитсущественный перерасход кислоты и воды насобственные нужды вследствие учащения коли-чества регенераций фильтров. Недостаточнаявысота загрузки сульфоугля наряду с его низкимкачеством приводят, в конечном счете, к ограни-чению производительности котельных по выра-ботке подпиточной воды.
Производство сульфоугля в России практическипрекращено, а на Западе его не используют уже бо-лее 30 лет. В связи с этим крайне актуален переводфильтров ВПУ на работу с современными слабо-кислотными карбоксильными катионитами. На оте-чественном рынке имеется много марок эффектив-ных карбоксильных катионитов, рекомендуемыхдля использования в схемах открытого горячего во-доснабжения, с рабочей обменной емкостью, напорядок превышающей таковую для сульфоугля.
Перевод фильтров на работу с новым высоко-емким ионообменным материалом не сводится
к простой перезагрузке материала в фильтрах,как это часто предполагается, а требует разра-ботки и реализации ряда технических решений,предотвращающих прямую потерю дорогостоя-щего карбоксильного катионита, а также обра-зование отложений сульфата кальция в процес-се регенерации и транспортировки сточных вод.
Недостаток информации о технических усло-виях использования карбоксильных катионитовв промышленных условиях наряду с высокойстоимостью материала являются сдерживаю-щими факторами их широкого применения.
Особенности и опытвнедрения карбоксильных катионитовВ статье приводятся основные результаты
применения карбоксильных катионитов в ко-тельной ПП «Белгородской ТЭЦ». Работы былиначаты в 1999 г. при техническом сопровожде-нии со стороны ЗАО ИЦ «Авелит» и ОАО «Объе-динение ВНИПИэнергопром». Реконструкциявыполнялась на ВПУ максимальной производи-тельностью 1000 м3/ч, оснащенной фильтрамидиаметром 3 м при работе на артезианской во-де средней жесткостью 8 мг-экв/дм3 и щелочно-стью 6,5 мг-экв/дм3.
Одним из основных условий обеспечения на-дежной эксплуатации фильтров является опреде-ление оптимальной скорости подачи регенераци-онного раствора и отмывки. Фирмы-производи-тели карбоксильных катионитов рекомендуют не-обоснованно широкий диапазон скоростей дляподачи регенерационного 0,5-0,8% раствора сер-ной кислоты: от 5 до 20 м/ч (Lewatit CNP80, DowexMAC-3), от 8 до 15 м/ч (Тулсион СХО12) и от 15 до40 м/ч (Амберлайт IRC86). Выполненные намистендовые испытания и опыт многолетней эксплу-атации фильтров с карбоксильными катионитамипозволяют рекомендовать скорость регенерациии отмывки равную 15-20 м/ч (в зависимости от ус-ловий применения), т.е. значительно большую,чем для сульфоугля. Такое решение обуславлива-ет необходимость реконструкции регенерацион-
Но
вост
и т
еп
ло
сна
бж
ен
ия
№ 3
(м
ар
т);
20
10
г.
ТЕ
ХН
ИК
А И
ТЕ
ХН
ОЛ
ОГИ
И
38
ВОДОПОДГОТОВКА
Модернизация водоподготовительных установокподпитки теплосети по «малосточной» технологииА.В. Мамошкин, технический директор,А.А. Аваков, генеральный директор, ЗАО Инженерный Центр «Авелит», г. Белгород;д.т.н. В.В. Шищенко, профессор, заведующий лабораторией экологии и водоподготовки,ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», г. Москва;к.т.н. В.Г. Голиков, директор по инвестициям филиала «Белгородская региональная генерация»,ОАО «ТГК-4», г. Белгород
ного узла ВПУ с изготовлением нестандартногоэжектора повышенной производительности илимонтажа соответствующих насосов-дозаторов.
Другим важным условием надежной и эконо-мичной эксплуатации фильтров с карбоксиль-ным катионитом является высота загрузки.Фирмы-производители регламентируют толькоминимальную высоту загрузки в пределах 0,7-0,8 м, оставляя открытым ответ на важный во-прос: «А сколько, собственно, допустимо загру-жать карбоксильного катионита в фильтр без от-рицательных последствий?». Применительно кусловиям рассматриваемого объекта была при-нята высота загрузки фильтров, равная 1,5 м.Следует отметить, что в фильтрах с высотой за-грузки менее 1 м при работе на жесткой водеуказанного качества происходит существенноеснижение рабочей обменной емкости катионитапрактически в 1,5 раза.
В проекте модернизации ВПУ был реализо-ван целый ряд технических решений, повышаю-щих надежность работы:■ замена нижних дренажно-распределитель-ных систем фильтров на фильтрующие элемен-ты с щелями 0,2 мм и монтаж на выходе фильт-ров-ловушек зернистых материалов;■ замена верхних распределительных системфильтров на щелевые лучи, предотвращающиепотерю катионита при взрыхляющих промывках;■ перемонтаж на большие диаметры части тру-бопроводов и арматуры обвязки;■ стабилизация давления исходной воды ВПУ спомощью преобразователей частоты электро-двигателей и автоматическое резервированиеисточника эжектирующей воды, позволяющеепродолжить процесс регенерации при перебояхв подаче исходной воды;■ оснащение ВПУ современными физико-хи-мическими приборами контроля и регистрациикачества воды.
Очевидно, что вышеперечисленный непол-ный перечень работ по реконструкции ВПУ при-веден в качестве примера. Все технические ре-шения для конкретных объектов должны разра-батываться специализированными проектнымии наладочными предприятиями.
Достигнутые практические результаты мно-голетней работы реконструированных фильтровс карбоксильным катионитом в котельной ПП«Белгородской ТЭЦ» следующие.
1. Среднее качество обработанной воды нафильтрах показано на рис. 1: щелочностьЩост=0,4-0,5 мг-экв/дм3, карбонатный индексИк=0,5-0,7 (мг-экв/дм3)2, что меньше регламен-тируемого ПТЭ [1] при pH25≤9 и нагреве водыдо 150 ОC.
2. Увеличена единичная производитель-ность фильтров с 70 до 120-140 м3/ч.
3. Количество действующих фильтров со-кращено в 2 раза.
4. Рабочая обменная емкость карбоксильно-го катионита Lewatit CNP80 в данных условияхработы составила в среднем 2300 г-экв/м3.
5. Количество сточных вод фильтров ВПУ со-кращено в среднем с 17 до 7% по замерам во-досчетчиков и хорошо согласуется с расчетны-ми значениями:■ собственные нужды ВПУ с сульфоуглем дореконструкции составляли:
Здесь Щ0, Щост. – щелочность исходной иобработанной воды, мг-экв/дм3; qсу, qкк – фак-тические удельные расходы воды на регенера-цию и отмывку сульфоугля и карбоксильного
ТЕ
ХН
ИК
А И
ТЕ
ХН
ОЛ
ОГИ
ИН
ово
сти
те
пл
осн
аб
же
ни
я №
3 (
ма
рт)
; 2
01
0 г
.
39
Рис. 1. График изменения качества воды за фильтроцикл.
6. Сокращен расход кислоты на обработкуводы в среднем на 9%. Уменьшение затрат кис-лоты при использовании карбоксильных катио-нитов отмечалось и другими авторами [2] и объ-ясняется нами как результат уменьшения не-производительных потерь кислоты на нейтрали-зацию щелочности исходной воды, затраченнойна приготовление регенерационного раствора иотмывку катионита.
7. Количество регенераций фильтров на ВПУсокращено в 6 раз.
8. Потребность ВПУ в карбоксильном катио-ните, с учетом уменьшения высоты загрузки иколичества фильтров, сокращена в 2,5-3,3 разаот количества использовавшегося ранее суль-фоугля; дозасыпка карбоксильного катионитане производилась.
9. Буферные фильтры после Нг-фильтров скарбоксильным катионитом выведены из схемыработы (регулирование щелочности воды при не-обходимости производится добавлением Na-ка-тионированной воды с резервного фильтра).
Экономическая эффективность замены суль-фоугля на карбоксильный катионит в основномобусловлена снижением общего количествасточных вод и соответствующего сокращениярасхода тепловой и электрической энергии,уменьшения потребления серной кислоты, а так-же исключения затрат на дозасыпку катионита.
Расчеты показывают, что, несмотря на срав-нительно высокую стоимость карбоксильногокатионита, срок окупаемости необходимой ре-конструкции ВПУ при действующих ценах непревышает 2 года.
Полученную прибыль от использования вы-сококачественного загрузочного материала це-лесообразно направить на решение проблемэкологии ВПУ.
Сточные воды ВПУ при работе на сульфоугле,а тем более при работе с карбоксильным катио-нитом, характеризуются многократным превы-шением предельно допустимых концентраций(ПДК) по сульфатам и солесодержанию. Данныепо качеству сточных вод от регенерации фильт-ров, загруженных карбоксильным катионитом,приведены на рис. 2.
Усредненный качественный состав сточныхвод ВПУ подпитки теплосети с Нг-фильтрами, за-груженными карбоксильным катионитом, можнорассчитать по балансовым формулам с помо-щью коэффициента концентрирования Kн [3]:
Kн=1+Eкк/qкк/(Щ0–Щост.);Caст=Ca+Kн(Ca–Caост.);
Mgст=Mg+Kн(Mg–Mgост.); Naст=Na;Hст=Kн(d–1)(Щ0–Щост.)=0 при удельном расходекислоты d=1 г-экв/г-экв;
SO4,ст=SO4+Щ0+Kн.d.(Щ0–Щост.); Clст=Cl;
где Ca, Mg, Na, Cl, SО4, Щ0 – концентрация ио-нов в исходной воде, мг-экв/дм3; Caст, Mgст,Naст, Hст, Clст, SO4,ст – концентрация ионов всточной воде, мг-экв/дм3; Caост, Mgост и Щост –концентрация ионов в обработанной воде.
Значительное превышение ПДК по сульфат-иону в стоках ВПУ по схеме Нг-катионирования,также как и в остальных ВПУ с ионообменнойтехнологией (по сульфат- или хлорид-иону в за-висимости от применяемых реагентов), ставятэксплуатирующие организации под постояннуюугрозу многократных штрафных санкций засброс загрязненных сточных вод. Кроме того,как видно из данных, приведенных на рис. 2,большая часть сточных вод (около 70%) содер-жит сульфат кальция в концентрациях, значи-тельно превышающих растворимость гипса вданных условиях. Это создает угрозу его крис-таллизации в системе канализации сточных вод.
Но
вост
и т
еп
ло
сна
бж
ен
ия
№ 3
(м
ар
т);
20
10
г.
ТЕ
ХН
ИК
А И
ТЕ
ХН
ОЛ
ОГИ
И
40
Рис. 2. График качества сточных водот регенерации фильтров, загруженных
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НОРМАПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НОРМАТИВНОЙТИВНОЙПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВПУПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВПУ
ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
www.vnipiep.ru, (495) 360-76-40
ре
кла
ма
Повышенная концентрация сульфат-иона всточных водах оказывает разрушающее воздей-ствие на конструкции из бетона и железа.
В то же время, основной технологический не-достаток фильтров с карбоксильным катионитом– высокое концентрирование сточных вод, можнопревратить в преимущество, организовав удале-ние пересыщенной части сульфата кальция. Какпоказали специальные исследования, выпадениегипса из отработанного регенерационного рас-твора начинается уже через несколько минут в ос-тановленном потоке и полностью заканчиваетсяболее чем через 12 ч. Из-за длительности данно-го процесса и выделения сильно увлажненногогипса метод не нашел практического применения.
На стендах ОАО «Объединение ВНИПИэнер-гопром» [4] и в котельной ПП «БелгородскойТЭЦ» была исследована методика выделениясульфата кальция из регенерационного потока вкристаллизаторе с «затравкой» зерен гипса. Ре-зультаты подтвердили эффективность такой очи-стки регенерационных потоков с Нг-фильтров доуровня растворимости гипса. Была также прове-рена работа фильтров в условиях многократногоповторного использования очищенного регене-рационного раствора и восстановленного добав-лением серной кислоты до исходной концентра-ции. Выполненные исследования [4] показали,что многократное использование очищенногорегенерационного раствора не ухудшает качест-во фильтрата и не понижает обменную емкостькатионита.
Принципиальная схема ВПУ с утилизациейстоков приведена на рис. 3. Исходная вода по-сле обработки в H-катионитных фильтрах с «го-лодной» регенерацией катионита 1 и декарбо-низаторах 2 собирается в баках декарбонизиро-ванной воды 3, откуда подается в деаэраторыподпиточной воды теплосети. Для взрыхлениякатионита в фильтрах 1, приготовления раство-ра кислоты для его регенерации и начальнойстадии отмывки используются сточные воды отпредыдущей регенерации после осаждения иотделения гипса.
В процессе регенерации и отмывки сточныеводы с содержанием кальция менее 25-30 мг-экв/дм3 собираются в баке 6, а более жесткие –пропускаются через кристаллизатор 4, загру-
6 – бак осветленной воды; 7 – бункер для сбора и обезвоживания гипсового шлама; 8 – бак сбора фильтрата.
ре
кла
ма
женный гипсовым шламом. В связи с большойудельной поверхностью этого шлама в кристал-лизаторе происходит интенсивная кристаллиза-ция гипса из раствора, и содержание сульфатакальция в нем снижается до 28-30 мг-экв/дм3,что близко к растворимости гипса в данных ус-
ловиях. Содержание магния в растворе остает-ся неизменным.
Стабилизированный по гипсу раствор и водывзрыхления собираются в баке 5, где происходитих осветление. Осветленный раствор смешива-ется с маломинерализованными стоками в баке6. Основная часть сточных вод из бака 6 исполь-зуется в процессе следующей регенерациифильтров, а их избыток подмешивается к умяг-ченной воде, подаваемой на подпитку теплосети.
Осадок гипса, образовавшийся в кристалли-заторе 4, периодически выпускается в бункер 7,снабженный дренажной системой, через кото-рую основная часть сточных вод дренируется вбак сбора фильтрата 8, откуда подается в бак 5.Частично обезвоженный гипс с остаточнойвлажностью 25-30% вывозится автотранспор-том по мере накопления.
В результате при работе по описанной схемеобеспечивается полная утилизация вод взрых-ления, отработанного регенерационного рас-твора и отмывочных вод.
Конструкция кристаллизатора приведена нарис. 4. Образцы гипса, полученного в процессеопытно-промышленной апробации работы тако-го кристаллизатора на Казанской ТЭЦ-3 в схемеобработки сточных вод от регенерации Н-катио-нитных фильтров ионообменной обессоливаю-щей установки [5], приведены на рис. 5. Размеробразующихся частичек гипса зависит от режи-ма верхней и нижней продувок кристаллизатора.
Гипс, выделенный в процессе регенерации,обладает свойствами, позволяющими исполь-зовать его в строительстве, для обработки почвв сельском хозяйстве, для производства гипсо-вого вяжущего, а также для других целей. Коли-чество образующегося гипса зависит от произ-водительности ВПУ и состава исходной воды.Конкретный вариант утилизации гипса выбира-ется с учетом местных условий. При наличиипредприятия по производству гипсового вяжу-щего вещества из природного гипса, совмест-ная переработка относительно небольшого ко-личества высококачественного гипса, получен-ного из воды питьевого качества и чистой сер-ной кислоты, является наиболее эффективнымрешением данного вопроса.
Самоокупаемость предлагаемого решенияпроблемы очистки регенерационных сточныхвод Нг-фильтров с выделением и утилизациейгипса обеспечивается в основном за счет суще-ственного снижения их количества и следова-тельно сокращения значительной части затратна оплату исходной воды и стоков, затраченныхэлектро- и теплоэнергии.
Эффективность всех вышеперечисленных ра-бот по экономии воды на ВПУ, позволяющих ре-ально уменьшать потребление исходной воды исброс сточных вод, которая подтверждается не
Но
вост
и т
еп
ло
сна
бж
ен
ия
№ 3
(м
ар
т);
20
10
г.
ТЕ
ХН
ИК
А И
ТЕ
ХН
ОЛ
ОГИ
И
42
Рис. 4. Кристаллизатор для выделения гипсаиз сточных вод:
А – вход сточной воды от регенерации фильтра;Б – выход умягченной воды; В – выход гипсового шлама;
Г – сборник шлама.
Рис. 5. Образцы гипса.
только расчетами, но и замерами по водосчет-чикам, может значительно нивелироваться присуществующих недостатках методик учета водо-потребления, водоотведения и состояния хозра-счетных приборов. Дело в том, что основной по-казатель, определяющий эффективность ново-введений – количество сточных вод за опреде-ленный период – не определяется физически, арассчитывается, как правило, по разности пока-заний различных приборов: расхода исходнойводы; расхода сетевой воды по прямому и об-ратному трубопроводам теплосети. При такойметодике, когда накладываются погрешностинескольких приборов учета, ожидать приемле-мой точности оценки количества сточных вод неприходится. Более того, при таком подходе всяисходная вода делится однозначно только надве части: используемую для подпитки теплосе-ти и на сбрасываемую в канализацию. Реальновода может использоваться и на другие цели.
Поэтому для объективной оценки прибылиот модернизации ВПУ целесообразна органи-зация узла прямого замера потока сточных водВПУ. Преимущество такого решения заключает-ся в достигаемой «прозрачности» учета количе-ства сточных вод и универсальной применимо-сти для всех планируемых изменений схем ВПУ.
Из вышеизложенного можно сделать выводоб экологической и экономической актуальнос-ти модернизации технологии ВПУ с Нг-фильтра-ми путем замены сульфоугля на карбоксильныйкатионит, строительства узла выделения гипса иповторного использования основной частисточных вод по замкнутому контуру.
Литература
1. Правила технической эксплуатации электрических стан-