Использование метода обратного осмоса для водоподготовки в теплоэнергетике

Самодуров А.Н., Лысенко С.Е., инженеры, Громов С.Л., канд. техн. наук, Пантелеев А.А., доктор физ.- мат. наук, Федосеева Е.Б., инж.

ОАО «Новочеркасская ГРЭС» - НПК «Медиана-Фильтр»

Представлены результаты работы установок водоподготовки ДВС-М/150 общей производительностью 150 м³/ч (ЗАО «Медиана-Фильтр») в химическом цехе на Новочеркасской (НчГРЭС) и особенности эксплуатации обратноосмотических систем в специфических условиях водоподготовки для промышленной теплоэнергетики. В области вы соких значений рН обнаружено расхождение экспериментальных и расчетных данных, описываемых стандартными моделями.

Развитие методов водоподготовки в промышленной энергетике во многом связано с внедрением мембранной технологии [1, 2]. Использование ультрафильтрации воды позволяет не только получать воду, свободную от механических примесей, но и удалять значительное количество органики (до 60 %). Нанофильтрация воды может применяться для умягчения, частичного обессоливания (50...70%) и надежного удаления органических примесей. Использование обратного осмоса (гиперфильтрации воды) позволяет осуществлять деминерализацию на уровне 96...98 %. Кроме этих методов следует отметить мембранную дегазификацию (с помощью которой эффективно удаляются углекислый газ и кислород), а также электродеионизацию воды. Использование указанных методов дает возможность создать безреагентную (свободную от применения щелочей, кислот, поваренной соли) систему водоподготовки для получения фильтрата с удельной электропроводностью 0,07...0,06 мкСм/см. Эти технологии водоподготовки активно применяются в мировой практике. В последнее время и в нашей стране начинается внедрение мембранных методов водоподготовки . Первая промышленная установка обратного осмоса была запущена в 1994 г . на ТЭЦ-23 (Москва) [3]. Сейчас в России имеется около 20 установок обратного осмоса производительностью 100 м³/ч и выше. Нанофильтрация применяется на ряде станций квартального теплоснабжения Москвы.

При реконструкции установки водоподготовки (ВПУ) на Новочеркасской ГРЭС внедрение обратного осмоса осуществлялось поэтапно, и мембранные модули встраивались в существующую технологическую схему. Это привело к появлению ряда режимных ограничений, специфических условий работы мембранных установок водоподготовки.

Предподготовка ВПУ НчГРЭС, как и большинства ТЭЦ и ГРЭС, включает в себя известкование с коагуляцией в осветлителях и механическое фильтрование воды. Важнейшими задачами при этом для систем обратного осмоса являются обеспечение низкого значения коллоидного индекса и предотвращение образования солей жесткости на мембранных элементах.

После механического фильтрования на гидроантрацитовой загрузке были получены предварительные значения SD 1= 4,5...5,5. Для многокаскадных схем, которые используются для создания современных установок обратного осмоса , предпочтительными являются значения, не превышающие 4. Поэтому была добавлена вторая ступень гидроантрацитовых фильтров. В результате были получены следующие значения SDI : 4,1...4,2 в начале и 3,0...3,2 в конце фильтроцикла.

Важное практическое значение имела отработка режима регенерации фильтров. Слишком поздняя регенерация ( для достижения низкого уровня SDJ ) может приводить к чрезвычайно сильному загрязнению фильтрующей загрузки, повышенным расходам воды и воздуха на ее регенерацию и снижению качества фильтрации воды. Для достижения более узкого диапазона SDI была предложена разнесенная регенерация фильтров первой и второй ступеней в одной цепочке. В итоге максимальное значение SDI снизилось до 3,8. Оптимальный выбор соотношения фильтроциклов первой и второй ступеней зависит от количества взвесей, их состава и т.д. Продолжаются работы по коррекции режима эксплуатации механических фильтров с учетом влияния паводков.

Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема установки ДВС-М/150.

1 — исходная вода; 2 — блок микрофильтрации; 3 — мембранный блок; 4 — фильтрат; 5 — дренаж; 6 — вход химического раствора ; 7 — концентрат

В качестве технологии, предотвращающей отложения солей жесткости на мембранных элементах обратного осмоса, было выбрано ингибирование.

В случае умягчения 1 м³ воды методом ионного обмена при средней жесткости исходной воды 5 мг-экв/л на регенерацию смолы требуется 900 г хлорида натрия. Стоимость метода по сравнению с ценой исходной технической соли 700 руб/т увеличивается в 2,5 раза из-за затрат на ее транспортировку, хранение, приготовление, а также на амортизацию оборудования. Оценочная себестоимость умягченной воды (без капитальных затрат) составляет 1,6...2 руб/м³ , а капиталь­ные затраты на умягчение — 40 000...50 000 руб. за 1 м³ обрабатываемой воды. Капитальные затраты на ингибирование ниже — 40 000 руб. за 70 м³ обрабатываемой воды. При выборе ингибитора определяющими параметрами являются техническое соответствие и экономическая привлекательность, которая характеризуется ценой за 1 кг продукта и удельным содержанием в нем комплексов фосфоновых кислот, что существенным образом определяет норму потребления ингибитора на 1 м³ обрабатываемой воды. В выбранном режиме ингибирования затраты на реагенты составляют 1,2 руб/м³.

Система обратного осмоса производительностью 150 м³/ч включает в себя три модуля. На рис. 1 представлена принципиальная схема установки ДВС-М/150, в которую входят модуль микрофильтрации (5 мкм), рабочий насос и мембранный модуль. Установка автоматизирована и имеет собственные средства КИП. Работой каждого модуля управляет отдельный контроллер, связанный с компьютером оператора, который следит за работой системы и изменением ее параметров: произ водительности, удельной производительности, рН и т.д. Потребляемая мощность каждого модуля 48 кВт, произ водительность 50 м³/ч. Конструкция обратноосмотической установки водоподготовки двухступенчатая по концентрату; при использовании фильтродержателей, рассчитанных на шесть мембранных элементов каждый, исходная вода концентрируется на 12 последовательно установленных элементах. В гидравлической схеме и конструкции установки ДВС-М/150 были использованы разработки ЗАО НПК «Медиана-Фильтр», чтопозволило обеспечить высокий гидравлический КПД, минимизи­ровать биообрастание мембран обратного осмоса и концентрационную поляризацию. В реализованной установке Гидравлический КПД составляет 75 %.

Для определения степени деминерализации обратносмотической установки водоподготовки используется понятие селективности установки.

R , % 100

Рис. 2. Зависимость концентрирования солей от гидравлического КПД установки

Рис. 3. Жесткость воды на входе () в установку и выходе из нее ()

Рис. 4. Концентрация хлоридов (а) и натрия (б) в воде на входе () в установку и выходе из нее ()

Селективность установки водоподготовки ДВС-М/150 по общему солесодержанию равна 96...98 %.

В установке водоподготовки используются мембранные элементы FILMTEC BW 30-400 (производство Dow Chemical, США). Их селективность по модельному 0,15 %-ному раствору хлорида натрия не менее 99 %. Различие в селективности мембран обратного осмоса и установки связано с многокаскадной конструкцией установки и указанным выше концентрированием обрабатываемой воды. Селективность одного мембранного элемента в установке водоподготовки по полному солесодержанию при рН = 8,2 составляет более 99,6 %.

На рис. 3 и 4 представлены результаты работы обратноосмотической системы, которые показывают степень извлечения из воды солей жесткости, ионов натрия и хлора. Обратноосмотическая система, заменяющая первую ступень параллельноточного ионообменного обессоливания, обеспечивает высокую степень удаления растворенных солей и примесей.

Содержание кремниевой кислоты в воде после обработки методом обратного осмоса уже снижалось до 60 мкг/л, а после прохождения второй и третьей ионообменных ступеней было ниже предела чувствительности измерительного прибора (эти значения достигали 6 мкг/л при использовании только трехступенчатой ионообменной деминерализации).

Благодаря применению установки водоподготовки ДВС-М/150 расход реагентов на регенерацию ионообменных смол в схеме обессоливания сократился почти в 40 раз.

При электропроводности исходной воды 1 160мкСм/см и рН = 8,2 средняя удельная электропроводность фильтрата составляет 16 мкСм/см. С ростом рН электропроводность имеет тенденцию к повышению. При рабочем значении рН = 10 она колеблется в диапазоне 25...35 мкСм/см. В области высоких рН (10,2...10,8) наблюдается ее значительный рост до 100 мкСм/см. Современные расчетные программы (например, ROSA , версия 6 для мембран FILMTEC компании Dow Chemical ) не описывают наблюдаемые эффекты: вычисленное значение удельной электропро­водности 12... 15 мкСм/см.

В расчете осмотического давления по программе ROSA (и аналогичным) не учитываются эффекты сольватации [7], которые в области высоких рН становятся значительными. Рабочий режим при высоком рН, характерном для теплоэнергетики, отличается (например, по ионному составу воды) от хорошо исследованной области с рН = 4...9,5. В рассматриваемом случае определяющее влияние на электропроводность фильтрата оказывают ионы ОН. Они имеют высокую подвижность и высокий коэффициент диффузии, существенно превышающий коэффициенты диффузии остальных ионов (роль ионов Н⁺ мала). Тогда кроме упомянутых эффектов неидеальности растворов может оказаться значительной амбиполярная диффузия, когда один ион «тянет» за собой через мембрану обратного осмоса свой противоион (в данном случае ион ОН^- способствует росту проницаемости мембраны для иона Na⁺ ).

Другим важным фактором, влияющим при высоких рН на коэффициент диффузии, может быть изменение радиуса гидратации ионов и соответственно изменение проницаемости. И, наконец, гидратация самой мембра ны обратного осмоса может существенно влиять на ее проницаемость для ионов [8].

Таким образом, при анализе данных, полученных при эксплуатации обратноосмотической установки водоподготовки ДВС-М/150 на НчГРЭС, была обнаружена аномально высокая электропроводность фильтрата в области зна чений рН > 10, не описываемая стандартными расчет ными моделями. Благодаря проведенному анализу бы ли указаны возможные причины, влияющие на расхож дение экспериментальных и расчетных данных.

Список литературы

• Дытнерскнй Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. Химия, 1978.
• Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разд ления/Пер. сайга.: М. Химия, 1981.
• Галас И.В., Чернов Ё.Ф., Ситннковсккй Ю.А., Обессолив ние добавочной воды котлов на ТЭЦ-23 обратным осмосом // Электрические станции. 2002. Xs 2.
• Пат. № 34528 РФ на полезную модель. Установка для обр. ботки воды / А.А. Пантелеев, С.А. Углов, А.Е. Прнходьк Е.А, Светличный // Изобретения. 2003. № 34.
• Пат. № 2253505 РФ. Фильтрационный модуль / А.А. Пантелеев, С.А. Углов, С.Л. Громов, А,Е. Приходько // Изобретения. 200 Х° 16.
• Пат. Хв 37986 РФ. Фильтрационная установка / А.А. Пантелеев, С.А Углов, С.Л. Громов, А.Е. Приходько, Е.Б. Федосеева Изобретения. 2004. N° 14.
• Багоцкин Б. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988.
• Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Mhj 1999.