Изменение внутренних взаимосвязей в технологических схемах

Введение

Водоподготовка — обработка воды, поступающей из природного водоисточника, для приведения её качества в соответствие с требованиями технологических потребителей. Водоподготовка заключается в освобождении воды от грубодисперсных и коллоидных примесей и содержащихся в ней солей, тем самым предотвращаются отложение накипи, унос солей паром, коррозия металлов, а также загрязнение обрабатываемых материалов при использовании воды в технологических процессах. Для осуществления данных процессов используются ВПУ (водопод-готовительные установки).

Сточные воды ВПУ

При обработке воды на ВПУ образуются сточные воды двух основных типов:

· воды, получающиеся на стадии предочистки воды при ее коагуляции и известковании и содержащие взвешенные вещества;

· воды повышенной минерализации, образующиеся в процессе умягчения и обессоливания воды.

В сточных водах предочистки в твердом виде содержатся органические вещества, повышающие биологическое потребление кислорода водой, грубодисперсные примеси исходной воды, соединения железа и алюминия, а также карбонат кальция, гидроксид магния и «недопал» при известковании.

Качественный и количественный состав примесей таких вод зависит от качества воды и принятых методов ее обработки на предочистке. При известковании вода, кроме того, имеет повышенное значение pH (10,0—10,4). Сброс таких вод в водоемы запрещен.

Дня утилизации сточных вод предочистки на ТЭС сооружают шламоуплотнительные станции (ШУС), в которых шлам обезвоживается, а вода возвращается в технологический цикл. Обезвоженный шлам осветлителей, прежде всего известковый, используется для производства извести, в строительстве, для раскисления почв и т.п.

Значительно более сложной оказалась проблема сокращения и утилизации сточных вод второго типа. Используемый на большинстве отечественных электростанций ионообменный метод подготовки добавочной воды котлов и тепловых сетей сопровождается потреблением значительного количества химических реагентов и, как следствие, образованием большого объема минерализованных сточных вод, утилизация которых превратилась в самостоятельную и достаточно сложную проблему. Сброс вод, содержащих такие загрязнения, даже после взаимной нейтрализации кислых и щелочных стоков обессоливающих установок разрешается в таких редких случаях, когда естественный водоем имеет мощный дебит, способный разбавлять вредные химические вещества до значений их ПДК.

Совершенствование экономичных и экологичных схем ВПУ в настоящее время ведется в следующих направлениях:

1. применение противоточных фильтров в схемах ВПУ,

2. использование мембранных технологий,

3. изменение внутренних взаимосвязей различных узлов технологических схем и применение оборудования, позволяющего снизить расходы реагентов и воды на собственные нужды, извлекать из сточных вод ценные компоненты, то есть создавать малоотходные схемы ВПУ.

Противоточные фильтры

Эффективным методом снижения расхода реагентов и соответствующего уменьшения сброса сточных вод и минеральных примесей может стать замена традиционного для отечественной практики многоступенчатого прямоточного химического обессоливания на противоточное. Эффект улучшения качества фильтрата и снижения расхода реагентов при противотоке достигается за счет того, что в первую очередь свежим раствором регенерируются наименее загрязненные выходные слои смолы. При этом избыток реагента в этих слоях, обеспечивающий глубину очистки воды, превышает расчетные в несколько раз. Кроме того, по мере продвижения регенерационного раствора в более истощенные слои создается равновесие между концентрацией десорбируемых ионов в растворе и слое, что исключает нежелательные повторные процессы сорбции-десорбции, характерные для параллельнотока.

Технология Апкоре предполагает очистку воды в нисходящем потоке с применением монодисперсных ионитов "Дауэкс-Апкоре" и регенерацию в восходящем потоке в зажатом слое ионите.

Фильтр для процесса Апкоре загружен плавающим зернистым инертным материалом, прижимающимся к верхнему распределительному устройству, далее по высоте фильтра остается небольшое свободное пространство, ниже которого располагается ионит. Размер зерен "инерта" выбран таким, что через него при восходящем потоке свободно проходит ионитная мелочь и другие взвеси, тогда как целые зерна ионита будут задерживаться. Поскольку рабочий цикл осуществляется в нисходящем потоке, то слой ионите остается нечувствительным в изменениям нагрузки и исключается возможность внутрислойного перемешивания.

Рисунок 1. Система Апкоре

Процесс регенерации в восходящем потоке можно разбить на 4 цикла. В первом цикле (операция "зажатие") ионит прижимается в течение нескольких минут к инерту восходящим потоком воды, скорость которого зависит от гранулометрического состава ионита, его плотности, объема свободного пространства и температуры воды. Во время этой операции из верхней части слоя вымываются взвеси, задержанные во время рабочего цикла, и ионитная мелочь. На стадии регенерации процесс самоочистки ионитного слоя заканчивается. Зажатый слой ионита не разуплотняется даже при некотором снижении скорость несущего потока (регенерационного раствора). Эффект очистки усиливается за счет изменение объема зерна смолы при регенерации.

Во втором цикле осуществляется собственно регенерация прижатого ионита в восходящем потоке регенерационного раствора.

В третьем цикле ведется отмывка или медленное вытеснение продуктов регенерации по направлению и со скоростью раствора при регенерации. При завершении отмывки в режиме вытеснения подача потока воды прерывается и слой свободно оседает в течение 5-10 минут.

Во время оседания (четвертый цикл) ионит опускается на дно послойно. Внутри движущегося вверх свободного пространства происходит классификация зерен, и вся ионитная мелочь переходит по окончании осаждения в верхнюю часть слоя, удаляясь из фильтра в операции "зажатие". Наиболее отрегенерированная часть слоя сохраняется в неизменном состоянии в процессе его оседания. Таким образом, технология Апкоре характеризуется простотой конструкции оборудования при высоких его технологических показателях.

Рисунок 2. Схема операции "осаждение"

Мембранные методы

В мировой практике широкое распространение получили мембранные методы обработки исходных и сточных вод с целью снизить негативное воздействие ВПУ на окружающую среду. К ним относятся обратный осмос, ультрафильтрация и электродиализ. В основе всех мембранных технологий лежит перенос примесей или растворителя (воды) через мембраны. Природа сил, вызывающих такой перенос, и строение мембран в названных процессах различны. При использовании сил давления при обратном осмосе и ультрафильтрации мембраны должны пропускать молекулы воды, задерживая в максимальной степени ионы и молекулы примесей. При использовании электрических сил и электродиализе мембраны должны быть проницаемы для ионов и не должны пропускать молекулы воды.

Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселективными. Они делятся на катионообменные и анионообменные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые – ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол – органических полимеров искусственного происхождения.

По структуре ионоселективные мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными. Первые состоят только из ионообменных смол, тогда как вторые включают в себя инертный наполнитель, повышающий их механическую прочность. Также отдельно выделяют интерполимерные мембраны, которые отличаются от гетерогенных тем, что полимеры связующего и ионита в них не имеют химических связей, а соединяются путем переплетения макромолекул. Также ионоселективные мембраны могут быть классифицированы по структуре матрицы полимера.

Для примера будет рассмотрена установка электродиализа, состоящая из семи секций (см. рис. 3). Исходный соляной раствор подается в каждую из секций, разделенных ионоселективными мембранами. В крайних секциях аппарата установлены электроды, необходимые для создания электрического поля в среде электролита. Замыкание цепи происходит при помощи проводника второго рода (перенос электронов обеспечивается ионной проводимостью) – раствора электролита. При наложении электрического поля, ионы электролита и продукты диссоциации воды H⁺ и OH^- (в случае водного раствора) приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся к катоду, а анионы, соответственно, - к аноду. Перемещению ионов препятствуют мембраны, что влечет за собой появление камер концентрирования (нечетные) и обессоливания (четные) раствора. Исключение составляют крайние камеры, в которых расположены электроды, и в которых происходит процесс электролиза с образованием щелочи и кислоты. Обессоленные и концентрированные растворы из четных и нечетных секций объединяются в соответствующие потоки и раздельно отводятся из аппарата. Реально существующие аппараты состоят из значительно большего числа камер, поэтому потоки обессоленной воды и концентрата значительно превышают кислый и щелочной потоки.

Рисунок 3. Принцип работы электромембранного аппарата

По сравнению с методами ионного обмена мембранные методы используются без добавок химических реагентов, а если последние и вводятся, то в минимальных количествах.

Изменение внутренних взаимосвязей в технологических схемах

В качестве примера, связанного с изменением внутренних взаимосвязей в традиционных технологических схемах, рассмотрим принципиальную схему Na-катионирования с частичной утилизацией сточных вод.

Рисунок 4. Принципиальная схема Na-катионирования с частичной утилизацией сточных вод:

1 - исходная вода, 2, 3 - Na-катионитные фильтры, 4 - деаэратор, 5 - умягченная вода в теплосеть, 6,8 - баки, 7, 13 - осветлительные фильтры, 9 - отмывочные воды, 10,18- регенерационные сточные воды, 11 - кристаллизатор, 12 - осветленный раствор, 14 - регенерационный раствор, 15- осадок, 16 - вакуум-фильтр, 17 - обезвоженный осадок, 19- сброс в канализацию, 20 - осветленные сточные воды.

Водопроводная вода умягчается на Na-катионитных фильтрах, деаэрируется и направляется на подпитку теплосети. Промывочные воды фильтров собираются в баке 6, осветляются в фильтре 7 и поступают в бак 8, служащий также для сбора маломинерализованной части отмывочных вод фильтров. Из бака 8 вода направляется для взрыхления рабочих фильтров, а ее избыток 20 смешивается с исходной водой. Основная часть регенерационных сточных вод 10 собирается в баке-кристаллизаторе 11 и подвергается содово-известковой обработке для снижения концентраций ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Осветленный раствор пропускается через механический фильтр, доукрепляется NaCl и используется повторно для регенерации катионитных фильтров. Шлам 15 из кристаллизатора подается для обезвоживания на вакуум-фильтры 16 и затем утилизируется.

Внедрение приведенной схемы позволило на 60% сократить сброс в канализацию минеральных солей. К недостаткам рассмотренной технологии стоит отнести ее сложность, необходимость использования дополнительных реагентов и оборудования.

Рисунок 5. Схема нейтрализации сточных вод обессоливающих установок:

1 - Н-катионитные фильтры, 2 - анионитные фильтры, 3 - мешалка известкового молока, 4,7 - перекачивающие насосы, 5 - насос-дозатор, 6 - промежуточный бак для сбора регенерационных вод, 8 - бак-нейтрализатор, 9 - насос перемешивания и сброса, 10 - охлаждающая или природная вода.

Переделки схемы и оборудования ВПУ, необходимые для сокращения количества и загрязненности сточных вод и их повторного использования в целях уменьшения расходов соли и воды на собственные нужды представлены в таблице.

Сравнительная таблица расхода реагентов и сброса загрязненных сточных вод при различных схемах обработки воды