Водоподготовка в котельных на основе мембранных технологий

В настоящее время большинство котельных несут большие материальные затраты на водоподготовку за счет ежегодно возрастающих тенденций: рост тарифов за водопользование, ухудшение качественных показателей воды, в источниках пригодных для промышленного использования, ужесточение нормативов [1] по количественным и качественным показателям для сбрасываемых стоков, возрастание требований к качеству обработанной воды, используемой в технологическом цикле. Проблемы энергосбережения [2-3], повышения энергетической эффективности [4-5] и надежности [6] в системах ЖКХ всегда стоят довольно остро.

Качественная водоподготовка является гарантом безаварийной работы котлов котельной и другого теплового оборудования в течение всего производственного цикла и отопительного сезона.

Вода в котельную, как правило, подается или из автономных источников (искусственных водозаборов), или из природных источников (рек, прудов и т.д.). Основным негативным свойством этих вод является так называемая «жесткость». Причем жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой.

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок, образующий на внутренней поверхности котла слой накипи. Толщина слоя накипи в 1 мм влечет за собой перерасход 5-8% топлива, а некачественная водоподготовка (или ее отсутствие) может привести к снижению к.п.д. системы на 15-30%.

Загрязнение теплообменных поверхностей накипными отложениями не только снижает эффективность работы котельной и требует периодической остановки для проведения очистки котлов и другого теплообменного оборудования, но и вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.

Основой современных подходов к решению задач по водоподготовке в котельных являются мембранные технологии, позволяющие снизить материальные издержки, при получении деминерализованной или умягченной воды. К ним относятся – ультра- (УФ), нанофильтрация (НФ), обратный осмос (ОО), мембранная дегазация (МДГ) и электродеионизация (ЭДИ).

Применение обратного осмоса обеспечивает значительно более глубокое удаление органических веществ, особенно техногенного характера, по сравнению с классическими схемами, что приводит к снижению коррозионных процессов основного технологического оборудования ТЭЦ.

Внедрение этой технологии позволяет отказаться от потребления кислоты и щелочи, сократить стоки и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Перспективным техническим решением является замена осветления поверхностных вод методом известкования с коагуляцией на обработку воды методом ультрафильтрации, с последующим обессоливанием обратным осмосом. Такое техническое решение было реализовано ООО «Воронеж-Аква» при реконструкции Орловской ТЭЦ.

Отличительной особенностью данного технического решения является то, что промывные воды с установки ультрафильтрации направляются в отстойники. В качестве отстойников используются выведенные из эксплуатации осветлители. В отстойниках промывочная вода с установки ультрафильтрации отстаивается и возвращается в исходную воду, а шлам сбрасывается в шламонакопитель. Такое техническое решение позволило повысить конверсию на установке ультрафильтрации до 92 ^ 95%[7-8].

Благодаря применению метода ультрафильтрации, помимо резкого сокращения количества стоков и потребления реагентов, резко повысилось качество предварительно очищенной воды по содержанию взвешенных веществ (в 100-150 раз), коллоидных веществ (в 10 ^ 15 раз), соединений железа (в 12 ^ 15 раз), цветности и мутности (в 100 и 130 раз соответственно).

Для подготовки воды котлов небольшой мощности применяются различные схемы водоподготовки. В зависимости от качества исходной воды и требований к питательной воде, схема может включать следующие операции: - предварительная очистка воды (снижение содержания органических веществ, взвесей, железа, при необходимости реагентное умягчение); - натрий-катионирование, водород-катионирование с "голодной регенерацией", параллельное и последовательное водород-натрий-катионирование; - ионообменное обессоливание; - обессоливание методом обратного осмоса; - декарбонизация и деаэрация; - комплексная обработка; - коррекционная обработка для предотвращения процессов коррозии, отложений и накипеобразования; - другие методы и различные варианты их сочетания.

Перечисленные технологии и их комбинации широко применяются при разработке систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления.

На рис.1 приведены зависимости себестоимости первой ступени очистки воды, поступающей в котельную с помощью мембранных технологий от величины выхода фильтрата [9-10].

Перманганатная окиспяемость, мг/л

Рис. 1. Определение оптимальных параметров себестоимости очистки: a – себестоимость в зависимости от величины выхода фильтрата;

1 – BLN; 2 – NE 90; 3 – NE70; б – влияние качества воды на величину выхода фильтрата; 1 – себестоимость; 2 – качество фильтрата; ○ – NE 70; Δ

– NE 90; □ – BLN

Исследования проводились на нанофильтрационных мембранах марок BLN, NE90 и NE70 [3,4].

Мембранные технологии требуют высокого расхода воды на собственные нужды (от 35 до 50% расхода фильтрата). Разработанные программы [11] по прогнозированию состава фильтрата мембранных установок позволяют определить концентрации различных загрязнений в фильтрате в зависимости от соотношения расхода фильтрата и концентрата.

Данные приведенные на рис. 1 еще раз подтверждают, что правильный подбор материала мембран делает мембранную технологию энергосберегающей, позволяющей использовать вторичные водные ресурсы в условиях высокой платы за воду.

На рис. 2 а, б показаны зависимости качества фильтрата от его выхода. Чем ниже селективность мембран (рис. 2, а), тем хуже качество очищенной воды по заданному типу загрязнений.

Рис. 2. Определение максимально возможной величины выхода фильтрата в зависимости от типа мембран а – изменение качества фильтрата в зависимости от величины выхода фильтрата; б – зависимость солесодержания концентрата от выхода фильтрата при использовании различных типов мембран; 1 – NE 70; 2 – NE 90; 3 – BLN.

По содержанию солей в концентрате (рис.2,б) кратность концентрирования исходной воды может быть доведена до значения 14–

• 16,    и наоборот, для низконапорных обратноосмотических мембран качество фильтрата остается высоким при любых значениях выхода фильтрата, а максимальная кратность концентрирования исходной воды составляет не более 5. Чем выше паспортное значение селективности мембран по солям, тем большей степени очистки можно добиться.

Приведенные зависимости на рисунках 1 и 2 иллюстрируют подбор оптимальных параметров работы мембранных установки (типа мембран, стоимости установки, величины выхода фильтрата), используемых в котельных средних и малых мощностей для водоподготовки.