Подготовка подпиточной воды теплосети методом микрофильтрации на Казанской ТЭЦ-2
А.А. Гирфанов, главный инженер,
к.т.н. А.Г. Филимонов, начальник производственно-технического отдела,
ОАО «Генерирующая компания» филиал Казанская ТЭЦ-2;
д.х.н. А.А. Чичиров, профессор, заведующий кафедрой «Химия»,
д.х.н. Н.Д. Чичирова, профессор, директор института теплоэнергетики, заведующая кафедрой «Тепловые электрические станции»,
Казанский Государственный Энергетический Университет, г. Казань
Для восполнения водных потерь сетей необходима их подпитка, которая приготавливается, в основном, с использованием ионообменных методов. Подготовка воды для подпитки тепловых сетей состоит в удалении из нее веществ, образующих накипь на греющих поверхностях водогрейных котлов, а также осадков коллоидных и органических веществ, гидроокиси железа и т.д., что осуществляется методами известкования, коагуляции с последующим осветлением на механических фильтрах.
Традиционно для снижения возможности накипеобразования из воды удаляют ионы кальция с помощью метода ионного обмена (Na-ка- тионирования) или используют частичное удаление ионов кальция и бикарбонат-ионов путем применения Н-катионирования с «голодной» регенерацией.
Умягчение воды по методу Na-катионирования многие годы применялось на ТЭЦ и котельных для подготовки добавочной воды тепловых сетей. Достигаемый при этом глубокий эффект умягчения воды положительно сказывается на уменьшении кальциевого и магниевого накипеобразований в теплообменной аппаратуре. Однако повышение агрессивных свойств глубоко умягченной воды по отношению к металлу вызывает усиление коррозии подпиточного тракта (до деаэратора), а при недостаточно качественной деаэрации и всего остального водогрейного оборудования и теплофикационных магистралей. Таким образом, применение Na-катионирования как метода подготовки добавочной воды требует особенно тщательного проведения противокоррозионных мероприятий в теплосети, чтобы избежать загрязнения сетевой воды повышенным количеством продуктов коррозии. Существенным недостатком метода Na- катионирования является наличие сильноминерализованных сбросных вод, содержащих хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия в количествах, превышающих нормы, что требует дополнительных затрат на их очистку.
Исключить агрессивные стоки, а также сократить затраты на водоподготовку позволяет использование мембранных методов очистки воды с подкислением и последующим подщелачиванием подпиточной воды.
На Казанской ТЭЦ-2 введена в эксплуатацию первая в России установка подпитки теплосети на базе мембранных технологий производительностью 300 м3/ч, совмещенная со схемой обессоливания для подпитки энергетических котлов производительностью дополнительно 300 м3/ч.
Мембранные технологии - одни из самых перспективных методов очистки. В основу мембранной технологии заложен натуральный природный процесс фильтрации воды. Основной фильтрующий элемент установки - полупроницаемая мембрана. Мембранные методы очистки воды классифицируются по размерам пор мембран в следующей последовательности:
- микрофильтрация воды - размер пор мембраны 0,1-1,0 мкм;
- ультрафильтрация воды - размер пор мембраны 0,01-0,1 мкм;
- нанофильтрация воды - размер пор мембраны 0,001-0,01 мкм;
- обратный осмос - размер пор мембраны 0,0001мкм.
Примеси, размер которых превышает размер пор мембраны, при фильтрации физически не могут проникнуть через мембрану.
В отличие от традиционных методов очистки, требующих больших площадей как для размещения оборудования, так и для шламоотвалов, многошаговой обработки, мембранные технологии имеют следующие преимущества: высокий уровень автоматизации, позволяющий снизить трудозатраты, повысить культуру производства, компактность оборудования [1].
На основании анализа возможных технологий водоподготовки принята следующая принципиальная технологическая схема установки подпитки теплосети:
■ предварительная очистка воды, включающая очистку исходной воды от грубодисперсных примесей на сетчатых фильтрах с автоматической очисткой, коагуляцию оксихлоридом алюминия и удаление из воды взвешенных веществ, железа, снижение цветности, основной части органических соединений, извлечение из воды практически всех патогенных микроорганизмов на микрофильтрационной установке;
■ подкисление воды серной кислотой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную;
■ декарбонизация;
■ деаэрация воды в существующих вакуумных деаэраторах;
■ подщелачивание воды до норм ПТЭ.
Исходной водой для установки подпитки теплосети является река Волга. Показатели качества воды представлены в табл. 1.
| Показатели | Единицы
измерения |
Величина |
| Цветность | градус | 30 |
| Взвешенные вещества | мг/дм3 | 15 |
| pH | - | 8,2 |
| Перманганатная окисляемость | мгО/дм3 | 10 |
| Щелочность | мг-экв/дм3 | 2,7 |
| Жесткость общая | мг-экв/дм3 | 3,45 |
| Железо общее | мг/дм3 | 1 |
| Кремний | мг/дм3 | 7 |
| Нефтепродукты | мг/дм3 | 2,3 |
| Хлориды | мг/дм3 | 18 |
| Сульфаты | мг/дм3 | 60 |
| Нитраты | мг/дм3 | 0,03 |
Общепринятой в энергетике технологической схемой предварительной очистки воды является традиционная технология: коагуляция в осветлителях и доочистка на механических фильтрах с зернистой загрузкой. Существенным недостатком традиционной технологии является возможность выноса шлама из осветлителя при незначительных изменениях параметров процесса (расход, температура, дозы реагентов и др.). При этом увеличивается нагрузка на механические и ионитные фильтры, а также возможен проскок взвеси и, соответственно, неудовлетворительное качество осветленной воды. Технология мембранной фильтрации по сравнению с традиционной технологией позволяет получить осветленную воду значительно лучшего качества по таким показателям как цветность, мутность, взвешенные вещества, окисляемость, железо.
На основании вышеуказанных преимуществ перед традиционными методами для предварительной очистки воды в качестве основного технологического решения выбрана технология микрофильтрации. Данный метод позволяет получать осветленную воду высокого качества. Метод микрофильтрации позволяет задерживать взвешенные и коллоидные частицы размером крупнее 0,1 мкм и обеспечивает высокую степень осветления воды. Методом микрофильтрации из воды удаляются взвешенные частицы, коллоиды, бактерии и крупномолекулярные органические вещества. Коагулирование воды перед мембранной фильтрацией существенно увеличивает эффект осветления и степень извлечения органических соединений.
При работе установки микрофильтрации обеспечивается высококачественная очистка исходной воды по следующим показателям, указанным в табл. 2.
Таблица 2. Показатели качества воды после установки микрофильтрации.
| Показатели | Единицы измерения | Величина |
| Взвешенные вещества | мг/дм | менее 0,5 |
| Железо | мг/дм3 | менее 0,1 |
| Остаточный алюминий | мг/дм3 | менее 0,1 |
| Перманганатная окисляемость | мг02/дм3 | менее 5,0 |
| Нефтепродукты | мг/дм3 | менее 0,1 |
| SDI | менее 3 |
Исходная вода с температурой 20-30 ОС подается на автоматические сетчатые фильтры (рис. 1). Они служат для защиты мембран от механических примесей. Внутри фильтра установлены фильтрующие сетчатые экраны. Материал экрана - нержавеющая сталь, тонкость фильтрации - 200 мкм. Процесс самоочистки начинается автоматически при достижении заданного перепада давления на сетке или по таймеру. Очистка осуществляется вакуумным сканером, который приводится в движение электродвигателем небольшой мощности.
Для повышения эффективности очистки в исходную воду перед микрофильтрацией после сетчатых фильтров дозируется раствор коагулянта оксихлорид алюминия. Доза коагулянта составляет от 10 до 24 мг А12О3/дм3. Гидролиз оксихлорида алюминия протекает в кислой среде, поэтому в исходную воду дозируется автоматически серная кислота. Доза кислоты зависит от рН=6,0-6,9. В настоящее время поставляемый коагулянт Казанского завода химических реагентов является кислым, поэтому отсутствует необходимость подкисления исходной воды.
Далее исходная вода подается на установку микрофильтрации. Установка микрофильтрации состоит из девяти модулей. Производительность каждого модуля 100 т/ч. В каждом модуле установлено вертикально 50 мембранных элементов.
В зависимости от требуемого расхода в работе находится соответствующее количество модулей. Процесс мембранной фильтрации осуществляется в так называемом «тупиковом» режиме, т.е. вся вода, которая поступает на блок, проходит через поры мембраны, на поверхности которой остаются все задержанные вещества [2].
В процессе фильтрации на поверхности мембран накапливаются отложения, вызывающие закупорку пор, что ведет к увеличению трансмембранного давления и снижению проницаемости мембран. Удаление отложений осуществляется периодической обратной промывкой фильтроэлементов. Обратная промывка проводится в две стадии: водо-воздушная с расходом осветленной воды 15 м3/ч в течение двух минут и водная с расходом осветленной воды 115 м3/ч в течение 1-2 минуты. Показателем вывода воды на промывку является пропущенный объем воды через мембрану (50-100 м3), задается в зависимости от качества исходной воды. Большая часть отложений удаляется при обратной промывке мембран осветленной водой, которая подается внутрь полых волокон, т.е. направление потока (по сравнению с процессом фильтрации) меняется на обратное. С течением времени возникает ситуация, когда проведение периодических безреагентных промывок для восстановления первоначальных параметров будет недостаточно в виду особых свойств отложений и режима работы установки мембранной фильтрации. Для восстановления исходной проницаемости мембран проводится химическая промывка модулей [3].
Предусмотрены следующие типы химических промывок: кислотная, щелочная, гипохлоритом натрия, совместная - раствором гипохлорита натрия и раствором щелочи. Периодичность, интенсивность и продолжительность обратных и химических промывок зависит от качества исходной воды и характера отложений.
Предварительная очистка воды на Казанской ТЭЦ-2 является общей для подготовки подпиточной воды установки подпитки теплосети и производства обессоленной воды для подпитки энергетических котлов.
Осветленная вода после блоков мембранной фильтрации направляется в баки осветленной воды БОВ № 1,2 V=400 м3 (2 шт.). С баков осветленной воды БОВ № 1, 2 часть воды направляется на установку подготовки обессоленной воды, остальная часть при помощи насосов подается на декарбонизаторы. В напорную линию насосов дозируется серная кислота при помощи блока дозирования кислоты. Значительным практическим преимуществом метода подкисления является отсутствие сбросных вод. Сущность метода подкисления состоит в уменьшении концентрации в воде бикарбонат-ионов в результате связывания их ионами водорода, вводимых с кислотой, в молекулы углекислоты. Необходимое количество кислоты контролируется при помощи pH-метра, установленного на трубопроводе. Доза кислоты зависит от карбонатного индекса (Ик). При Ик=4 (мг-экв/дм3)2 доза кислоты составляет 10 г/т, при Ик=3 (мг-экв/дм3)2 доза кислоты увеличивается до 75 г/т. Как известно, карбонатный индекс зависит от работающего оборудования, температуры нагрева и рН подпиточной воды. Декарбонизаторы в водоподготовительной установке для подпитки теплосети служат промежуточной ступенью подготовки воды между устройствами для химической очистки и термической деаэрации воды. Декарбонизаторы выполнены в виде колонок с насадкой из колец Рашига. Декарбонизаторы установлены вне помещения водоподготовительной установки на баках осветленной воды БОВ № 3, 4. Декарбонизованная вода собирается в баках осветленной воды БОВ № 3, 4 и далее насосами подается в существующие вакуумные деаэраторы теплосети для удаления свободной углекислоты и растворенного кислорода. Деаэрированная вода собирается в баках запаса деаэрированной воды БЗДВ № 1, 2, откуда насосами подпитки теплосети подается в теплофикационную сеть. Так как рН обработанной воды после деаэраторов составляет 6,5-7,5, необходимо дозировать щелочь перед насосами подпитки теплосети для достижения нормируемого рН подпиточной воды =8,3-9,5 [4].
Управление технологическими процессами водоподготовительной установки Казанской ТЭЦ-2 осуществляется АСУТП на базе микропроцессорной техники Siemens. АСУТП является информационной и управляющей с выполнением следующих функций автоматизации: контроль (представление информации персоналу), сигнализация, защита, дистанционное управление, авторегулирование, блокировка и расчетные функции. Все насосное оборудование оснащено энергосберегающими частотными преобразователями, используются современные типы изоляционных теплосберегающих материалов. Предусмотрен многоуровневый учет всех потребляемых энергоресурсов. Центральной частью АСУТП водоподготовительной установки является программно-технический комплекс (ПТК), который включает в себя программируемые средства автоматизации и другие средства вычислительной техники. Кроме ПТК в состав системы входят: датчики сигналов, местные показывающие приборы, исполнительные механизмы, щитовые изделия вне ПТК, вторичные приборы, местные посты управления. Процессы контроля и управления технологическим оборудованием автоматизированы и осуществляются со щита управления.
До ввода в эксплуатацию современной установки подпитки теплосети на Казанской ТЭЦ-2 подготовка подпиточной воды осуществлялась на двух установках УПТС-1 и УПТС-2. Подготовка химочищенной воды на обеих установках производилась по схеме: известкование и коагуляция исходной воды в осветлителях с последующим осветлением воды на механических и натрий-катионитовых фильтрах, работающих в режиме механической фильтрации. Для ведения режима коагуляции-известкования в осветлителях требовалось значительное количество коагулянта и извести. Кроме того, ежегодно требовалась досыпка фильтрующего материала в механические и натрий-катионитовые фильтры. Осветлители УПТС-2 работали в би- карбонатном режиме, что затрудняло выдерживать нормируемый рН, жесткость и щелочность осветленной воды. Приготовление известкового молока на отдельном складе извести методом гашения извести сопровождалось образованием значительного количества недопа- ла, что требовало его постоянного сбора и утилизации [5].
С вводом в эксплуатацию современной установки подпитки теплосети количество химических реагентов на обработку воды сократилось.
Сравнительный анализ расхода химических реагентов (фильтрующих материалов) по традиционной технологии подготовки воды для подпитки теплосети и установки подпитки теплосети на мембранных технологиях при планируемой выработке 1 123 тыс. т подпиточной воды в 2012 г. приведен в таблице 3.
| Наименование реагента или фильтрующего материала | Количество реагента по традиционной технологии, т | Количество реагентов после ввода в эксплуатацию установки подпитки теплосети на мембранных технологиях, т |
| Купорос железный для коагуляции в осветлителях (доза коагулянта 40 г/т) | 96 | |
| Известь негашеная для известкования в осветлителях (доза извести 100 г/т) | 225 | |
| Фильтрующий материал антрацит | 4,6 | |
| Фильтрующий материал сульфоуголь | 6,8 | |
| Коагулянт оксихлорид алюминия для коагуляции перед микрофильтрацией (доза коагулянта 15 г/т) | 168 | |
| Кислота серная для подкисления
перед декарбонизаторами (доза кислоты при Ик=3 (мг-экв/дм3)2 - 75 г/т, при Ик=4(мг-экв/дм3)2 - 5 г/т |
38 | |
| Сода каустическая (щелочь) на подщелачивание до норм ПТЭ (доза щелочи 10 г/т) | 11,23 | |
| Реагенты на химпромывку ВМФ (согласно проекту):
- кислота смоляная - сода каустическая (щелочь) - гипохлорид натрия |
3
1,5 0,4 |
Выбор схемы подготовки подпиточной воды определяется значением карбонатного индекса при различных вариантах значений общей щелочности и кальциевой жесткости для данной температуры нагрева в теплофикационном оборудовании. По результатам эксплуатации установки теплосети на мембранных технологиях в теплый период, когда температура нагрева воды в подогревателях не превышает 70-100 ОС, нормируемый индекс карбонатный менее 4,0 (мг-экв/дм3)2 и отсутствует необходимость подкисления воды перед декарбонизаторами. Удаление свободной углекислоты в декарбонизаторах, а также в деаэраторах приводит к увеличению рН обработанной воды. Поэтому с увеличением рН более 8,3 отпадает необходимость подщелачивания подпиточной воды. Таким образом, в зависимости от сезона сокращается количество кислоты и щелочи на обработку подпиточной воды.
Выводы
Использование метода микрофильтрации для подготовки подпиточной воды теплосети по сравнению с традиционными способами очистки имеет следующие преимущества: отсутствие необходимости в организации и эксплуатации шламоотвалов, которые характеризуются большой площадью и высокой степенью воздействия на окружающую среду, сокращение расхода реагентов и сбросов загрязняющих веществ в водные объекты, высокий уровень автоматизации технологических процессов.
Литература
1. Чичирова Н.Д., Власов С.М. Баромембранные технологии в энергетике: Монография. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. - 272 с.
2. Петров С.В. Оборудование для водоподготовки и очистки сточных вод НПП Биотехпрогресс// Водоснабжение и санитарная техника. 2006. № 5. С. 17-20.
3. Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Коровкин А.А., Закиров И.А. Контроль процессов загрязнения мембранных модулей в схемах водоподготовки ТЭС // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. №11-12. С. 178-186.
4. Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Филимонов А.Г., Елисеев А.А. Повышение эффективности реагентной предварительной очистки воды на Казанской ТЭЦ-3 // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. №11-12. С. 53-60.
5. Филимонов А.Г. Повышение эффективности процессов реагентной обработки воды на тепловых электрических станциях // Энергетика Татарстана. №1 (5). 2007.
С. 96-101.