Размещено на http://www.allbest.ru/

Практика внедрения современных решений по реконструкции водоподготовительных установок

И. С. Балаев,

М.А. Градусова

Введение

В настоящее время наиболее актуальной проблемой становится модернизация существующего оборудования ТЭС и промышленных предприятий с целью снижения эксплуатационных затрат и, соответственно, себестоимости производимой продукции.

В области водоподготовки перспективным направлением является перевод существующих водоподготовительных установок (ВПУ) с использованием метода ионного обмена на противоточный принцип ионирования воды, что позволяет в 2-3 раза снизить себестоимость получаемой на ВПУ обессоленной или умягченной воды.

Как известно, противоточная технология по сравнению с традиционной прямоточной позволяет:

улучшить качество очищенной воды;

сократить количество установленного оборудования (фильтры, насосы, баки), арматуры, трубопроводов в 2-3 раза;

снизить расходы химических реагентов (кислота, щелочь, соль) на нужды ВПУ в 1, 5-3 раза;

уменьшить расход воды на собственные нужды ВПУ и, соответственно, объем минерализованных сточных вод в 2-6 раз.

Опыт применения противоточной технологии на водоподготовительных установках

противоточный водоподготовительный ионитный фильтр

При этом в настоящее время имеется положительный опыт использования противоточной технологии АПКОРЕ на ВПУ, которая обеспечивает высокие технические показатели ее работы после реконструкции [1].

Решающими аргументами по широкому внедрению технологии АПКОРЕ по сравнению с другими известными технологиями (Германия, США, Россия) явились:

возможность использования отечественного оборудования (параллельноточные фильтры типа ФИПаI);

простота конструкции и монтажа внутренних (верхнее и нижнее) дренажно-распределительных устройств по типу коллекторно-лучевых с использованием полипропиленовых колпачков (Германия) и возможность изготовления распределительных устройств на отечественных заводах;

отсутствие жестких требований по содержанию взвешенных веществ в исходной воде перед ионитными противоточными фильтрами;

исключение зависимости качества очищенной воды от изменения нагрузки ионообменных фильтров, т.е. широкий диапазон производительности ВПУ;

использование двухслойного анионирования в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств.

В то же время всем известно, что финансирование работ по реконструкции ВПУ осуществляется, как правило, по «остаточному» принципу при обязательном обеспечении срока окупаемости затрат на реконструкцию менее трех лет.

Нельзя не отметить так же широко известный факт, что осветленная вода на предочистке ВПУ (осветлители, механические фильтры) не в полной мере отвечает требованиям к качеству воды, поступающей на последующую ионообменную установку, что вызывает ухудшение технологических характеристик работы ВПУ и, соответственно, приводит к увеличению эксплуатационных затрат.

Таким образом, традиционно принято, что при внедрении практически любой противоточной технологии ионирования необходимо предварительно повысить эффективность работы предочисток за счет модернизации установленного оборудования, совершенствования технологических процессов и использования современных фильтрантов (для механических фильтров) [2, 3].

Данный подход в свою очередь влечет дополнительные затраты на модернизацию ВПУ, что соответственно приводит к увеличению лимитированного срока окупаемости затрат.

Известно, что наибольшей проблемой при эксплуатации ВПУ ТЭС является установка предварительной очистки поверхностных вод, состоящая из осветлителей типа ВТИ или ЦНИИ МПС и осветлительных (механических) фильтров типа ФОВ.

Осветлители с взвешенным слоем характеризуются нестабильной работой (периодический вынос шлама) даже при наличии автоматизации узла дозирования реагентов (известь, коагулянт).

Серийные механические фильтры при использовании современных фильтрующих материалов (гидроантрацит, импортные кварцевые пески) с высотой однослойной загрузки 0, 9-1 м имеют низкую грязеемкость и не всегда обеспечивают требуемое качество осветленной воды перед последующим ионитным обессоливанием или умягчением (железо и алюминий менее 100 мкг/дм3, взвешенные вещества менее 2 мг/дм3).

В качестве альтернативы существующей предочистки поверхностных вод различными организациями активно предлагается установка ультрафильтрации с использованием половолоконных мембран внутренним диаметром 0, 8 мм [4].

Незначительный опыт внедрения на отечественных ТЭС установок ультрафильтрации (Заинская ГРЭС с 2005 г. и Новочеркасская ГРЭС с 2007 г.) свидетельствует о снижении по сравнению с исходной водой следующих показателей:

окисляемость на 40-50%;

нефтепродукты на 80%;

окислов железа на 60-80%.

В то же время данный метод очистки поверхностной воды имеет ряд недостатков:

высокая стоимость ультрафильтрационной установки (150-200 тыс. руб. на 1 м3/ч установленной производительности);

незначительный срок службы мембран (менее 5 лет);

регулярная (один раз в 2-4 года) замена или ремонт запорной арматуры, электродвигателей промывных насосов и т.п. по причине интенсивных промывок мембран (1-2 промывки/ч или 7-15 тыс. циклов/год);

значительный расход воды на собственные нужды 15-20% (по данным Заинской ГРЭС на второй год эксплуатации).

С целью снижения капитальных затрат на реконструкцию предочистки специалистами разработана конструкция фильтра напорного осветлительного (патент РФ на полезную модель № 64929), которая внедрена на ОАО «Химпром» (г. Новочебоксарск) и ОАО «Аммофос» (г. Череповец).

На ТЭЦ ОАО «Аммофос» г. Череповец имеется химводоочистка (ХВО) производительностью 400 м3/ч, работающая по следующей схеме: коагуляция сульфатом алюминия в осветлителях ЦНИИ, механическая фильтрация на фильтрах ФОВ и двухступенчатое натрий-катионирование.

Исходной водой ХВО является вода реки Суда, следующего качества:

общая жесткость - 2-3 мг-экв/дм3;

общая щелочность - 3-4 мг-экв/дм3;

хлориды - 2-3 мг/дм3;

перманганатная окисляемость - 20-40 мг О2/дм3;

цветность - 150-250 град;

окислы железа - 400-1000 мкг/дм3;

алюминий - 100-300 мкг/дм3.

Учитывая высокую окисляемость и цветность в исходной воде, а также необходимость снижения щелочности, доза коагулянта - 2-2, 5 мг-экв/дм3 и соответственно качество коагулированной воды после осветлителей составляет:

перманганатная окисляемость - 6-10 мг О2/дм3;

окислы железа - 80-500 мкг/дм3;

алюминий - 500-1100 мкг/дм3. Существующие механические фильтры ФОВ-

3, 0-0, 6 имеют высоту цилиндрической обечайки 1, 6 м и загружены гидроантрацитом с гранулометрическим составом 0, 8-2 мм на высоту 0, 9 м. Качество осветленной воды после механических фильтров составляет:

перманганатная окисляемость - 5-8 мг О2/дм3;

окислы железа - 50-100 мкг/дм3;

алюминий - 100-450 мкг/дм3.

Из вышеуказанного видно, что существующая предочистка достаточно эффективно обеспечивает снижение окисляемости и окислов железа на 70-80%.

Единственным недостатком работы предочистки является высокое содержание алюминия (100-450 мкг/дм3) в осветленной воде по причине повышенной дозы коагулянта, что не соответствует требованиям [5] по ограничению концентрации алюминия менее 100 мкг/дм3 в воде, поступающей на ионообменную установку.

Для решения данной проблемы было предложено два незадействованных в схеме ХВО ионитных фильтра 1 -й ступени с высотой обечайки порядка 3 м (ФИПаI-3, 0-0, 6) реконструировать в механические фильтры.

Каждый из этих фильтров был переобвязан новыми трубопроводами, установлены поворотные затворы, на входных трубопроводах установлены ультразвуковые расходомеры для контроля очищенной воды за фильтроцикл. Дренажные устройства (верхние и нижние) использованы существующие.

В каждый фильтр (рис. 1) были загружены послойно снизу вверх следующие материалы:

¦ подстилочный слой гравия с грансоставом 2-5 мм на высоту 0, 3 м (для защиты нижнего распределительного устройства);

¦ кварцевый песок с грансоставом 0, 6-1, 2 мм на высоту 0, 6 м;

¦ гидроантрацит с грансоставом 1, 2-2, 5 мм на высоту 1, 2 м.

Не перемешивание слоев обеспечивается за счет значительной разницы их плотностей -кварцевый песок имеет плотность 2, 6 г/см3, гидроантрацит - 1, 6 г/см3.

При проведении пуско-наладочных работ данных механических фильтров были достигнуты следующие показатели осветленной воды после каждого фильтра:

¦ перманганатная окисляемость - 3, 5-5 мг О2/дм3;

¦ окислы железа - 20-50 мкг/дм3;

¦ алюминий - 50-80 мкг/дм3.

Таким образом существующая предочистка (осветлители) и модернизированные механические фильтры обеспечивают снижение окисляе-

мости на 80-85%, окислов железа на 90-95%, алюминия на 50-70%, что намного превосходит эффект очистки по сравнению с ультрафильтрацией.

При этом скорость фильтрования составляла 10-13 м/ч, что соответствует производительности фильтра - 70-90 м3/ч. Фильтроцикл каждого фильтра составлял 6-7 тыс. м3.

Взрыхляющая промывка производилась раз в 3-4 дня. При этом перепад давления находился в пределах 0, 2-0, 4 кгс/см2. Отключение фильтров производилось по проскоку железа и алюминия.

Учитывая, что существующие механические фильтры ФОВ-3, 0-0, 6 имеют производительность 55-60 м3/ч и взрыхляются один раз в сутки, то модернизированные фильтры на базе ФИПаI-3, 0-0, 6 с двухслойной загрузкой позволяют увеличить грязеемкость в 4-5 раз.

Дополнительно были выполнены анализы по содержанию кремниевой кислоты до и после фильтра, загруженного гидроантрацитом и кварцевым песком, которые подтвердили отсутствие прироста кремнекислоты в осветленной воде.

При увеличении скорости фильтрования в форсированном режиме до 15-18 м/ч, что соответствует производительности 105-130 м3/ч, качество осветленной воды практически не менялось, но фильтроцикл снижался до 5 тыс. м3 из-за проскока железа и алюминия. Перепад давления составлял 0, 3-0, 6 кгс/см2.

Взрыхляющая промывка механических фильтров производилась в следующей последовательности:

- взрыхление воздухом в течение 5 мин;

- взрыхление водой в течение 10-15 мин.

Расход воды на собственные нужды не превышал 1% от производительности механических фильтров.

Стоимость реконструкции двух существующих ионитных фильтров в механические на условиях «под ключ» составила порядка 4 млн руб. (проект, поставка трубопроводов, арматуры, фильтрующих материалов, КИП, строительно-монтажные и пуско-наладочные работы).

Учитывая, что суммарная средняя производительность двух модернизированных механических фильтров равна 200 м3/ч, то удельная стоимость данной реконструкции составляет 20 тыс. руб. на 1 м3/ч установленной производительности, что в 10 раз меньше по сравнению с ультрафильтрацией.

На основании пуско-наладочных работ механических фильтров на базе корпусов ФИПаI с двухслойной загрузкой общей высотой порядка 2 м можно сделать следующие выводы.

1. Внедрение осветлительных (механических) фильтров с использованием корпусов ионитных фильтров первой ступени с двухслойной загрузкой общей высотой порядка 2 м позволяет:

¦ увеличить производительность фильтров до скорости фильтрования 10-13 м/ч в номинальном режиме и до 15-18 м/ч в форсированном режиме (скорость фильтрования на традиционных фильтрах ФОВ 5-10 м3/ч);

¦ улучшить качество осветленной воды и гарантировать требования [5] по ограничению примесей в осветленной воде перед ионообменной установкой даже при нестабильной работе осветлителей с взвешенным слоем (железо менее 50 мкг/дм3, алюминий менее 80 мкг/дм3);

¦ повысить грязеемкость фильтров в 4-5 раз по сравнению с существующими фильтрами ФОВ, что приводит к увеличению количества очищенной воды за фильтроцикл и соответственно снижает расход воды на собственные нужды в 4-5 раз (до 1%).

2. При проектировании новой ХВО в качестве механических фильтров целесообразно предусматривать корпуса ионитных фильтров 1-й ступени ФИПаI вместо фильтров ФОВ.

3. При реконструкции существующей ХВО на первом этапе необходимо внедрять проти-воточные технологии (в частности с использованием слоя сополимер стирола и дивинилбен-зола), а впоследствии высвобождаемые ионит-ные фильтры модернизировать в механические с двухслойной загрузкой. При этом на фильтрах типа ФИПаI заменяются трубопроводы взрыхляющей промывки на большие диаметры, а на ионитных фильтрах типа ФИПаI дополнительно наращивается цилиндрическая обечайка до 2, 8-3, 1 м.

4. В качестве фильтрующих материалов по причине низкой стоимости и высокой эффективности целесообразно использовать кварцевый песок грансоставом 0, 6-1, 2 мм на высоту 0, 6-0, 8 м (нижний слой) и гидроантрацит гран-составом 1, 5-2, 5 мм на высоту 1 -1, 2 м (верхний слой). При этом обязательно предусматривать подстилочный слой гравия грансоставом 2-5 мм на высоту 0, 3 м.

5. Учитывая высокую грязеемкость двухслойной загрузки целесообразно применять контактную коагуляцию солями алюминия на механических фильтрах вместо использования осветлителей со взвешенным слоем, что значительно упростит и удешевит предварительную стадию очистки поверхностных вод.

На последующей стадии химического умягчения (натрий-катионирование), либо обессоливания предлагается внедрение противоточ-ной технологии с дополнительным слоем очистки (патент РФ на изобретение № 2206520).

Данная технология внедрена на Уфимской ТЭЦ-3, ОАО «Химпром» (г. Новочебоксарск), Мурманская ТЭЦ, Западно-Сибирский металлургический комбинат и др.

В частности на Уфимской ТЭЦ-3 выполнена реконструкция натрий-катионитных фильтров ФИПаI-3, 0-0, 6 (5 шт.) в противоточные. При этом каждый фильтр обеспечивает номинальную производительность 250 м3/ч и 280 м3/ч - в форсированном режиме. Общая производительность ХВО 750 м3/ч.

С целью защиты сильнокислотного катиони-та от загрязнения взвешенными веществами и окислами железа (неэффективный режим работы осветлителей), а также для продления срока службы ионитов предусматривается дополнительная загрузка в противоточный фильтр слоя гранулированного сополимер стирола и диви-нилбензола (ДВБ), который располагается между слоем катионита и слоем плавающего инерта (рис. 2). Высота слоя сополимера стирола и ДВБ составляет порядка 300 мм, а высота свободного пространства (между слоем сополимера и слоем инерта) - 50-100 мм.

В отечественной практике имеется многолетний положительный опыт использования сополимера стирола и ДВБ для очистки турбинного конденсата в механических фильтрах от взвешенных частиц продуктов коррозии и нефтепродуктов. При этом данный материал обладает высокой механической прочностью (потери 1-2% в год) и низким перепадом давления.

Учитывая, что гранулометрический состав фильтрующего слоя сополимера, расположенного над слоем катионита, составляет 0, 8-2 мм, что больше, чем гранулометрический состав сильнокислотного катионита КУ-2-8, который составляет 0, 3-1, 2 мм, то перепад давления в противоточном фильтре при очистке воды нисходящим потоком с данной загрузкой материалов будет либо меньше, либо будет возможна более высокая скорость фильтрования, чем для противоточного фильтра, загруженного только катионитом. Вследствие этого повышается производительность фильтра на 20-30%.

Данное явление объясняется по аналогии с известным методом фильтрования воды на двухслойных механических фильтрах, а именно: вода со взвесью, проходя через слой крупнозернистого материала сополимера стирола, оставляет на нем основную массу взвеси. При этом происходит не «пленочное» фильтрование, как на всех катионитных фильтрах, а «объемное» фильтрование во всей толще слоя сополимера.

При этом, основную нагрузку, как известно, несет лобовой (верхний) слой фильтрующей нагрузки высотой 0, 3 м. К концу рабочего цикла сопротивление этого слоя (слой сополимера) может составлять 90% общего сопротивления всей загрузки фильтра при высокоскоростном фильтровании (35-50 м/ч). Таким образом, слой катионита будет защищен от механического износа вышележащим слоем сополимера стирола и ДВБ, который по механической прочности на порядок крепче, чем катионит.

При реконструкции фильтра ФИПаI-3, 0-0, 6 в противоточный было предусмотрено (рис. 2):

¦ нижнее дренажно-распределительное устройство, состоящее из коллектора с лучами диаметром 63x2, 5 (нержавеющая сталь), в которые ввернуты двойные полипропиленовые колпачки с щелями 0, 2 мм типа DDR-0, 2/0, 2-63;

¦ верхнее дренажно-распределительное устройство, которое выполнено аналогично нижнему, но в лучи ввернуты двойные полипропиленовые колпачки с щелями 0, 5 мм типа DDR-0, 5/0, 5-63;

¦ в верхней и нижней части установлены смотровые окна dy 150 (6 шт.) для визуального контроля за состоянием фильтрующих материалов.

В каждый противоточный натрий-катионит-ный фильтр диаметром 3 м (4 шт.) были загружены следующие материалы:

¦ нижний слой - сильнокислотный катионит КУ-2-8 (гранулометрический состав 0, 3-1, 2 мм) в количестве 17 м3 (высота загрузки 2, 4 м);

¦ средний слой - гранулированный (0, 8-2 мм) сополимер стирола и ДВБ отечественного производства в количестве 2, 15 м3 (высота загрузки 0, 3 м);

¦ верхний слой - плавающий инертный материал отечественного производства (гранулированный полиэтилен 2, 5-5 мм) в количестве 4, 5 м3 (высота загрузки 0, 3 м плюс верхняя сфера фильтра).

Между слоем плавающего инерта и слоем сополимера имеется свободное пространство, величина которого составляет порядка 100 мм.

После завершения рабочего цикла проводится регенерация с целью восстановления обменной емкости катионита и очистки от загрязнений (взвесь, окись железа) слоя сополимера. Для этого предварительно, в течение 3-5 мин, подают восходящий поток химочищенной воды (360 м3/ч) для поршнеобразного подъема и прижатия слоев катионита и сополимера к слою плавающего инерта. Далее, в том же направлении подают ре-генерационный раствор (7-8%-й раствор NaCl), а в последствии - воду для отмывки.

При выполнении пуско-наладочных работ на Уфимской ТЭЦ-3 нами были достигнуты следующие показатели:

¦ жесткость химочищенной воды после проти-воточных натрий-катионитных фильтров составляет 1, 0-1, 5 мкг-экв/дм3 при жесткости исходной (после предочистки) воды 3-4 мг-экв/дм3;

¦ удельный расход поваренной соли на регенерацию составляет 1, 4-1, 6 г-экв/г-экв (80-90 г/г-экв);

¦ производительность каждого противоточного фильтра (диаметр 3 м) составляет 200-280 м3/ч (средняя 250 м3/ч), т.е. скорость фильтрования 30-40 м/ч при перепаде давления 0, 1-0, 15 МПа;

¦ расход воды на собственные нужды составляет порядка 2% от производительности ХВО;

¦ фильтроцикл каждого фильтра - 5-6 тыс. м3 по химочищенной воде при рабочей обменной емкости катионита 1000-1100 г-экв/м3.

Таким образом, внедрение противоточной технологии с использованием слоя сополимера стирола и ДВБ позволяет:

¦ при внедрении противотока (в режиме регенерации по принципу АПКОРЕ) использовать отечественные фильтрующие материалы (кати-онит КУ-2-8, полиэтилен, сополимер стирола и ДВБ) вместо дорогостоящих импортных;

¦ повысить технологические показатели ВПУ за счет более высоких скоростей фильтрования, а также снизить капитальные затраты (уменьшение количества оборудования);

¦ сократить количество соли на регенерацию в 2-3 раза, а количество сточных вод в 3-4 раза;

¦ защитить катиониты от загрязнения (взвесь, железо, закарбоначивание), что приводит к увеличению их срока службы, а также позволяет уменьшить их механическое разрушение за счет снижения нагрузки по сопротивлению (перепад давления), т.к. основная нагрузка (до 90%) по сопротивлению всей загрузки фильтра принимает лобовой (верхний) слой высокопрочного сополимера.

Дополнительно необходимо отметить, что использовать данную технологию целесообразно не только при противоточном натрий-катио-нировании, но и при водород-катионировании при всех вышеуказанных преимуществах, что наиболее актуально при реконструкции обессоливающих установок. При этом срок окупаемости затрат на реконструкцию ВПУ составляет менее трех лет.

Литература

1. Боровкова И.И., Балаев И.С., Громов С.Л., Шуляев В.А., Сидоров В.А. Внедрение противоточной технологии UP. CO. RE на ВПУ по обессоливанию воды ТЭЦ-12 Мосэнерго // Электрические станции. 2000. № 5. С. 37-39.

2. Кузнецова Е.В., Старцев В.И., Роговой В.А., Симкина В.М., Вольфтруб Л. И. Опыт совершенствования действующей предочистки ВПУ//Энергетик. 2002. №5. С. 34-35.

3. Ходырев Б.Н., Федосеев Б.С., Калашников А.И., Щукина М.Ю., Ямгуров Ф.Ф. Опыт внедрения установки обратного осмоса УОО-166 на Нижнекамской ТЭЦ-1 // Электрические станции. 2002. № 6. С. 60-61.

4. Внедрение мембранных технологий на стадии предочистки исходной воды // Экология производства. Бюллетень «Энергетика». 2006. № 3 (4). С. 8-9.

5. СТО ВТИ 37.002-2005 «Основные требования к применению ионитов на водоподготовительных установках тепловых электростанций. Технологические рекомендации по диагностике их качества и выбору», ОАО «ВТИ», М., 2006.

Размещено на Allbest.ru