Некоторые проблемы подготовки воды в системах теплоснабжения малой и средней мощности. Использование обратного осмоса и магнитной обработки

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Лаборатория ОАО «ВНИПИЭНЕРГОПРОМ»

Некоторые проблемы подготовки воды в системах теплоснабжения малой и средней мощности. Использование обратного осмоса и магнитной обработки

Шищенко В.В., д.т.н., профессор

В настоящее время на выбор технологии водоподготовки для тепловых электрических станций и котельных значительное влияние оказывают требования к качеству сточных вод. Особенно остро эта проблема стоит перед коммунальными энергопредприятиями, основную часть сточных вод которых составляют сточные воды ВПУ, имеющие повышенную минерализацию, что создает проблему при их сбросе в системы канализации населенных пунктов.

Нормативные показатели общих свойств сточных вод, принимаемых в системы канализации населенных пунктов, устанавливаются едиными для сточных вод всех категорий абонентов, исходя из требований к защите сетей и сооружений систем канализации [1]: температура сточных вод - не более 400С; рН - от 6,5 до 8,5; кратность разбавления, при которой исчезает окраска в столбике 10 см - не более 1:11; ХПК:БПК5 - до 2,5; ХПК: БПКпол - до 1,5. Общая минерализация при сбросе в водный объект хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования - до 1000 мг/л. При сбросе в водный объект рыбохозяйственного пользования общее солесодержание сточных вод нормируется согласно токсобности рыбохозяйственного водного объекта и обычно не превышает 1000 мг/л. Предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязняющих веществ также зависит от назначения водоема, куда эти сточные воды поступают в конечном итоге [1].

В нашей стране подготовка подпиточной воды для закрытых систем теплоснабжения в основном осуществляется путем натрий-катионитного умягчения, а для открытых систем - водород-катионированием с "голодной" регенерацией. Основная часть обессоленной воды также производится путем ионообменной обработки.

При подготовке подпиточной воды теплосети путем натрй-катионирования основной проблемой этой технологии оказалось повышенное содержание хлоридов натрия, кальция и магния в сточных водах, образующихся при регенерации натрий-катионитных фильтров концентрированными растворами хлорида натрия. В результате содержание хлорид-иона в сточных водах в десятки и сотни раз превышает допустимое (350 или 300 мг/л в зависимости от назначения водоема). Содоизвестковая обработка таких сточных вод с целью их повторного использования, реализованная на ряде РТС ГУП "Мостеплоэнерго", подтвердила такую возможность, однако требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат [2,3].

В последнее время на ряде предприятий для подготовки подпиточной воды закрытой теплосети применяют обратноосмотические установки (УОО) [2,3]. Эту же технологию планируется использовать для производства добавочной воды котлов-утилизаторов при создании ТЭЦ небольшой мощности с парогазовыми установками (мини-ТЭЦ) вместо отопительных котельных. Максимальную степень обессоливания воды обеспечивает высоконапорный обратный осмос - 98-99% (снижение солесодержания исходной воды в 50-100 раз).

Такое качество пермеата (обессоленной воды) обычно соответствует требованиям к подпиточной воде теплосети, но в большенстве случаев не отвечает высоким требования заводов - изготовителей котлов-утилизаторов к добавочной воде. Даже двухступенчатое обессоливание воды на УОО не всегда обеспечивает эти требования. В результате пермеат УОО приходится дообессоливать на Н-ОН-фильтрах, что приводит к необходимости сооружения соответствующего узла химообессоливания и реагентного хозяйства кислоты и щелочи, дополнительным проблемам со сбросом сточных вод. Дообессоливание пермеата УОО на парогазовых ТЭЦ может быть осуществлено также в испарителях типа "И", включенных в схему подогрева сетевой воды фактически без потери потенциала пара [4].

Количество концентрата, отводимого с УОО, поддерживается таким, чтобы обеспечить требования к составу сточных вод, поступающих в канализацию [1].

Отечественный опыт показал, что для надежной работы УОО необходимо качественное приготовление исходной воды, в т.ч. и воды из горводопроводов [5-7]. В зависимости от конкретных условий может потребоваться механическая фильтрация - обезжелезивание, дехлорирование, умягчение или дозирование антинакипина, обеззараживание ультрафиолетом. Дехлорирование (удаление свободного хлора) осуществляется на фильтрах с активированным углем насыпного или картриджного типа, либо введением в воду сильного восстановителя, например, бисульфита натрия. Неотъемлемым элементом любой УОО является наличие на ее входе микрофильтра с патронами, имеющими поры 5 мкм и менее. В последнее время все чаще предлагается использовать ультрафильтрацию перед УОО, что позволяет практически полностью исключить попадание на мембраны взвесей, крупных органических и микробиологических загрязнений, существенно улучшить за счет этого работу УОО и продлить их межрегенерационный период [8,9]. Однако стоимость ультрафильтрационных установок соизмерима со стоимостью УОО.

В ряде случаев альтернативой УОО могут стать испарительные установки, работающие при давлении ниже атмосферного. В нашей стране выпускается два типа таких высокоэффективных установок: с горизонтально-трубными пленочными испарителями (ГТПИ) и испарителями мгновенного вскипания (ИМВ). Эксплуатация ИМВ на ряде отечественных ТЭС (Уфимская ТЭЦ-2, Казанская ТЭЦ-3, ТЭЦ ОАО "Мечел", Безымянская ТЭЦ, Райчихинская ГРЭС) подтвердила их надежную работу и высокое качество получаемого дистиллята: общая жесткость - менее 1 мкг-экв/дм3; содержание натрия - от 1 до 40 мкг/дм3; кремниевой кислоты - от 1 до 28 мкг/кг; удельная электропроводимость - менее 1,0 мкСм/см [10]. Эти показатели значительно выше качества пермеата УОО и соответствуют требованиям к качеству обессоленной воды для подпитки котлов с естественной циркуляцией давлением 13,8 МПа [11]. Следовательно, такая вода может быть использована в качестве добавочной котлов - утилизаторов без дополнительного дообессоливания.

К сожалению, указанные выше ИМВ работают на натрий-катионированной воде, хотя зарубежный опыт и отечественные разработки свидетельствуют о возможности их эксплуатации на воде, прошедшей прощенную обработку путем подкисления или добавления антинакипинов [10].

Однако, как при обратноосмотическом, так и при термическом обессоливании сброс концентрата оказывается значительным, т.к. зависит не от возможностей технологий, а от требований к качеству сточных вод, подаваемых в канализацию. Так, например, при солесодержании исходной воды 360 мг/л и максимальной допустимой минерализации сточных вод 1000 мг/л при производстве 100 м3/час обессоленной воды объем концентрата составит 53,9 м3/час. Стоимость этой сточной воды может оказаться значительной, т.к. помимо платы за исходную и сброс сточных вод в нее входят затраты на предподготовку воды и ее нагрев до 30-400С. Определенные проблемы могут возникнуть и при обеспечении ПДК по антинакипинам в этих сточных водах.

Повышенное количество сточных вод, полученных из водопроводной воды, противоречит призывам, в т.ч. и Московского Правительства, к всемерной экономии воды питьевого качества. Радикальным решением проблемы является обработка и утилизация этих сточных вод. Повышенное содержание в них жесткости и щелочности позволяет эффективно использовать водород-катионирование с "голодной" регенерацией карбоксильных катионитов. Вариант такой малоотходной подготовки добавочной воды котлов и подпиточной воды теплосети:

Исходная вода после предподготовки в узле 1 обессоливается в узле 2 (обратный осмос или термообессоливание) и часть ее поступает в узел 3 для доведения ее качества до требований к добавочной воде котлов. Оставшееся количество обессоленной воды используется для подпитки теплосети.

Концентрат УОО или продувка термообессоливающей установки подвергаются водород-катионированию в фильтре 4 с "голодной" регенерацией катионита и смешиваются с обессоленной водой, подаваемой в теплосеть после декарбонизации в узле 5.

Пересыщенные по сульфату кальция сточные воды от регенерации фильтров 4 раствором серной кислоты подаются в кристаллизатор 6, где во взвешенном слое ранее образовавшегося осадка происходит интенсивная кристаллизация гипса и стабилизация сточных вод по этому соединению. Основная часть стабилизированных сточных вод из бака 7 используется для регенерации фильтров 4, а их избыток в количестве, близком к количеству отмывочной воды фильтров 4, смешивается с исходной водой.

Гипс из кристаллизатора 6 периодически выпускается в бункер 8, где обезвоживается за счет естественной фильтрации воды в бак 9. Дренажные воды из бака 9 возвращаются в кристаллизатор 6, а гипс с остаточной влажностью 25-30% вывозится на переработку.

Результаты обширных исследований процессов выделения гипса из сточных вод водород-катионитных фильтров и его утилизации приведены в [12, 13]. водоподготовка котельный испарительный магнитный

В зависимости от конкретных условий схема может быть изменена. Так, например, избыток сточных вод из бака 7 может быть использован для подпитки теплосети или часть воды после фильтров 4 может быть подана в исходную воду. В случае ионообменного дообессоливания добавочной воды котлов и аналогичной очистки загрязненных конденсатов паро-газовой мини-ТЭЦ, кислые сточные воды этих процессов используются для регенерации фильтров 4, а щелочные сточные воды - для повышения рН сетевой воды.

Значительное влияние на выбор технологии подготовки подпиточной воды теплосети оказывают температурные графики работы. Технико-экономический анализ показывает, что по первоначальным затратам, металлоемкости и строительным конструкциям наиболее экономичным являются температурные графики 150-700С и 170-700С [14]. При этом требования к качеству подпиточной воды оказываются наивысшими. В то же время для максимального использования эффекта теплофикации в Дании, Голландии, Германии и ряде других стран максимальная температура прямой сетевой воды составляет 80-100^оС. Ряд специалистов считает, что и у нас для нового перспективного проектирования систем отопления от ТЭЦ, в т.ч. и мини, необходимо переходить на энергоэффективный график 80-350С [14,15]. При этом качество тепла для потребителя обеспечивается применением эффективных теплоизолирующих материалов и технологий, сводящих на нет тепловые потери в окружающую среду и удешевляющих саму прокладку теплотрасс. Широко используется количественное регулирование отпуска тепла путем изменения расхода сетевой воды.

Столь радикальное изменение температурного графика для России потребует, очевидно, веского обоснования, однако снижение верхней температуры хотя бы до 100-1100С может оказаться вполне реальным. При этом для предотвращения накипеобразования в тепловых сетях обработка подпиточной воды может вообще не потребоваться, либо будет достаточно использование антинакипинов или магнитной обработки [5,13]. В отдельных случаях, при очень высоких жесткости и щелочности водопроводной воды, может быть использовано ее водород-катионирование с "голодной" регенерацией катионита и утилизацией сточных вод.

Водопроводная вода вначале подвергается водород-катионированию на фильтрах 4 с "голодной" регенерацией катионита и декарбонизации в узле 5. Часть ее подается в узел 1, где осуществляется дехлорирование или деаэрация в зависимости от технологии обессоливания в узле 2 (обратноосмотическое или термическое) и после доведения ее качества в узле 3 до требований к добавочной воде котлов поступает на их подпитку.

Остальное количество водород-катионированной и декарбонизированной воды подается в теплосеть. Регенерации фильтров 4, обработка и повторное использование сточных вод аналогичны описанному выше. Концентрат из узла 2 подается в теплосеть или смешивается с исходной водой перед фильтрами 4. Выбор оптимального варианта осуществляется в зависимости от конкретных условий.

Определенные проблемы с водно-химическим режимом возникают при использовании в системах теплоснабжения трубопроводов из полимерных материалов и алюминиевых нагревательных приборов. Особенностью трубопроводов из полимерных материалов является дифрузия кислорода даже при наличии специального защитного слоя [16]. Алюминиевые нагревательные приборы при повышенных значениях рН сетевой воды разрушаются в связи с хорошо известными амфотерными свойствами алюминия.

В этой связи обычно применяемая подпитка системы отопления с независимым присоединением из закрытой системы теплоснабжения допустима только при невысоких значениях рН воды в последней, что встречается относительно редко. Использование для подпитки контура системы отопления водопроводной воды интенсифицирует коррозию и накипеобразование, в первую очередь в отопительных водоподогревателях. Для защиты оборудования от этих негативных процессов рекомендуется использование антинакипинов и стабилизаторов коррозии отечественного и зарубежного производства [5,17,18]. Накопленный опыт свидетельствует о высокой эффективности целого ряда таких реагентов при правильном выборе их типа и дозы в зависимости от конкретных условий . Основная проблема при их использовании - сложность обеспечения системы точного дозирования на центральных, а тем более индивидуальных тепловых пунктах. При этом необходимо учитывать не только изменение состава исходной воды и ее расхода, но и фактическое содержание активного вещества в антинакипине, которое в большенстве случаев меняется от партии к партии [18].

Для защиты систем отопления и горячего водоснабжения от накипеобразования и коррозии предназначена и магнитная обработка воды. Обширный зарубежный и определенный отечественный опыт свидетельствует о значительной эффективности этого метода. Так, многолетний опыт Словакии в этой области показал, что при использовании аппаратов Anti Са++ для обработки водопроводной воды во втором контуре при двухконтурной схеме теплоснабжения крупных жилых районов и целых городов. Иная обработка воды не требуется.

Однако широкому распространению такой технологии в нашей стране, соответствующему возможностям этого экологически чистого метода защиты оборудования от накипеобразования и коррозии, препятствует настороженное отношение потенциальных потребителей. Одной из основных причин такого отношения к магнитной обработке является отсутствие единого мнения о механизме ее воздействия на воду и, как следствие, отсутствие нормативных документов на ее применение. В настоящее время наиболее убедительным представляется следующее объяснение. При нагреве воды без обработки магнитным полем происходит распад части бикарбонат-ионов с образованием наиболее растворимой модификации карбоната кальция кальцита, склонного к выделению на поверхности оборудования и трубопроводов.

Под действием магнитного поля эти же процессы протекают с кристаллизацией менее растворимой модификации карбоната кальция - арагонита, в виде мелкодисперсного шлама. В результате вода становится ненасыщенной по отношению к кальциту и если отложение последнего имелись в теплосети в процессе предшествующей эксплуатации - происходит их растворение и разрушение. В результате в сетевой воде значительно увеличивается количество шлама и для его удаления разработчики магнитных аппаратов рекомендуют повышенные продувки системы или установку специальных шламоуловителей, обычно центробежного типа.

Под действие электромагнитного поля в воде одновременно образуется и определенное количество перекиси водорода, которая при контакте со стальной поверхностью создает на ней химически стабильную пленку Fe3О4, предохраняющую поверхность от коррозии. Перекись водорода оказывает также существенное антисептическое и антибактериальное действие, уничтожая до 99% водных бактерий.

Однако молекулы перекиси водорода имеют очень короткий жизненный цикл и быстро распадаются на кислород и водород, в связи с чем обработанная электромагнитным полем питьевая вода не оказывает никаких вредных побочных эффектов на здоровье человека.

Для эффективного использования магнитной обработки в отечественной практике необходимо проанализировать результаты эксплуатации аппаратов различного типа и разработать методические рекомендации по применению этой технологии. В связи с этим необходима срочная корректировка нормативных документов.

Таким образом, рациональное использование современных технологий обработки воды позволяет создать на предприятиях ЖКХ малоотходные водоподготовительные установки с минимальным сбросом сточных вод в городские канализации. Однако, существующие нормы проектирования не учитывают появления новых технологий обработки воды и материалов, перспективных режимов эксплуатации тепловых сетей при пониженных температурах, что создает большие проблемы в организации рационального водопользования на энергопредприятиях ЖКХ. В связи с этим необходима срочная корректировка нормативной и методической документации.

Список литературы

1. Методические рекомендации по расчёту количества и качества принимаемых сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов. МДК 3-01. 2001. Госстрой России. М. 2002. - 30 с.

2. Потапова Н.В. Малоотходные технологии умягчения воды на РТС ГУП "Мостеплоэнерго" // Аква. Терм. 2004. №3. С. 34-37.

3. Потапова Н.В. Опыт подготовки подпиточной воды теплосети на тепловых станциях Филиала №2 "Мостеплоэнерго" ОАО "МОЭК" // Новости теплоснабжения. 2005. №9. С. 46-50.

4. Методические указания по проектированию установок термической обработки воды на тепловых электрических станциях. М.: СПО "Союзтехэнерго". 1987. - 14 с.

5. Федосеев Б.С. Современное состояние водоподготовительных установок и водно-химических режимов ТЭС // Теплоэнергетика. 2005. №7. С. 2-9.

6. Опыт эксплуатации установок обратноосмотического обессоливания воды на ТЭС и в промышленных котельных / А.А. Аскерния, И.А. Малахов, В.М. Корабельников и др. // Теплоэнергетика. 2005. №7. С. 17-25.

7. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт. 2004. - 301 с.

8. Сайт фирмы "Hydranautics"

9. Сайт фирмы "GE Osmonics"

10. Подготовка обессоленной воды на термообессоливающих комплексах ИМВ "Экотех"/ В.С. Петин, Л.Г. Васина, А.В. Богловский, А.В. Мошкарин// Энергосбережение и водоподготовка. 2005. С. 27-30.

11. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство Энергетики РФ. М.: ЗАО "Энергосервис". 2003. - 368 с.

12. Шищенко В.В., Пащенко Ю.Е. Малоотходная технология водород-катионирования с "голодной" регенерацией катионита для подготовки подпиточной воды теплосети / Новости теплоснабжения. 2003. №11. С. 36-41.

13. Опыт создания малоотходных систем водопользования на ТЭС / В.В. Шищенко, А.С. Седлов, И.П. Ильина и др.//Теплоэнергетика. 2005. №4. С. 35-38.

14. Богданов А.Б. Почему не внедряются энергосберегающие технологии // Новости теплоснабжения. 2004. №5. С. 22-30.

15. Фардиев И.Ш., Щелоков Ю.В., Салихов А.А. Общий анализ проблем больших городов в деле их энергосбережения // Новости теплоснабжения. 2004. №4. С. 13-16.

16. Петров-Денисов В.Г., Сладков А.В., Донников В.Е. К вопросу о кислородопроницаемости пластмассовых трубопроводов отопительных систем // Сантехника. 2003. №4. С. 40-45.

17. Методические указания по применению антинакипинов и ингибиторов коррозии ОЭДФК, АФОН 200-60А, АФОН 230-23А, ПАФ-13А и ИОМС-1 на энергопредприятиях. М.: ОАО "ВТИ". 2004.

18. Ковалева Н.Е., Рудакова Г.Я. Теория и практика применения комплексонов для обработки воды // Новости теплоснабжения. 2002. №8. С. 43-45.

Размещено на Allbest.ru