Мамет А. П., Ситняковский Ю. А.
Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций ВНТП-81 рекомендуют применять химическое (ионитное) обессоливание воды при среднегодовом суммарном содержании анионов сильных кислот (SO + Cr + NO+NO2) в исходной воде до 5,0 мг-экв/л, а свыше этого значения - мембранные методы водоподготовки в сочетании с химическими (ионитными) или же термические (испарители) методы обессоливания воды. Применение испарителей имеет свою специфику и здесь не рассматривается. Видимо, их применение экономично при более высоком солесодержании исходной воды.
Выбор метода водоподготовки определяется технико-экономическим сравнением.
При проведении технико-экономического сравнения должны учитываться многие факторы: стоимость расходуемой электроэнергии и химических реагентов, ионообменных материалов и обратноосмотических мембран, производительность установки обессоливания воды, а также стоимость рабочей силы, исходной воды, затрат на обезвреживание и сброс стоков, капитальные затраты на технологическое оборудование и автоматизацию технологического процесса, качество исходной воды и требования потребителей к обессоленной воде.
Обычно принято сравнивать обессоливание на ионитных (ИО) фильтрах (две ступени фильтров “Н” и “ОН” + ФСД) и обратный осмос (00) - обессоливание с помощью мембранной технологии. При этом обратный осмос рассматривается обычно как первая ступень обессоливания воды перед ионитными (ФСД) фильтрами второй ступени (ОО/ИО).
Сравнение, как правило, производится по граничному солесодержанию (ГСС), определяющему целесообразность применения той или иной технологии водообработки.
В конце 80-х годов прошлого столетия за рубежом было принято значение ГСС между 1,0 г и 3,0 г (20 - 60 мг-экв/л по СаСО3), выше этого значения применялись испарители или ОО. В то время выпускались, в основном, ацетатцеллюлозные обратноосмотические мембраны, рабочее давление которых для обессоливания солоноватых вод составляло 50 кгс/см2. Соответственно все основное оборудование ОО было высокометаллоемким, дорогим и установки ОО имели невысокие экономические показатели.
Положение изменилось, когда в конце 80-х - начале 90-х годов появились высокопроизводительные композитные мембраны с рабочим давлением 16 кгс/см2. Значение ГСС сдвинулось в меньшую сторону и составило 400 мг/л (8 мг-экв/л по СаСОз).
В настоящее время широко применяются тонкопленочные высоко селективные низконапорные мембраны с рабочим давлением от 6 кгс/см2. Так, например, расчетное рабочее давление на действующей установке обратного осмоса производительностью 90 м3/ч на электростанции Магнитогорского металлургического комбината составляет всего 7,5 кгс/см' при солесодержании исходной воды 200 мг/л.
Одновременно произошло совершенствование и технологии ИО. Внедрение противоточной регенерации фильтров, загруженных моносферическими смолами, позволило сократить в 1,5 - 1,8 раза расход реагентов на регенерацию ионитов, уменьшить затраты на технологическое оборудование и количество сбросных вод, т.е. улучшить экономические показатели ИО.
В результате показатель ГСС опять сдвинулся в сторону уменьшения. По данным концерна “DOW CHEMICAL”, производящего и распространяющего как высоко селективные композитные обратноосмотические мембраны типа FT-30, так и ионообменные смолы “DOWEX” показатель ГСС снизился до 130 мг/л, т.е. до 2,6 мг-экв/л (рис. 1).
При данной экономической оценке фирмой были проанализированы три водоподготовительные установки производительностью 40, 80 и 160 м3/ч для четырех значений солесодержания исходной воды: 80, 160, 320 и 480 мг/л (по СаСОз). Для всех трех установок сравнивались одинаковые технологические схемы: для ИО - установка, включающая три ступени (Н-ОН, ФСД) обессоливания на параллельно-точных фильтрах, как наиболее распространенных, загруженных моносферическими смолами, а для ОО - установка, в которой первой ступенью являлась установка с композитными или ацетатцеллюлозными мембранами, а второй - ионитные фильтры смешанного действия, загруженные монософерическими сильнокислотным катионитом и сильноосновным анионитом.
Рис. 1. Стоимость производства очищенной воды для ионитного и обратноосмотического обессоливания:
1 - трехступенчатый ионный обмен; 2 - обратный осмос (композитные мембраны) - ионный обмен; 3 - обратный осмос (АЦ мембраны) - ионный обмен
Для обеих технологий принято, что качество обработанной воды не должно быть хуже 0,5 -1,0 МОм/см (2,0 -1,0 мкСм/см).
Качество исходной воды может сильно изменяться в зависимости от источника воды и влиять на выбор схемы предочистки, особенно в случае применения ОО. В данном случае принята “минимальная” предочистка. Стоимость электроэнергии и реагентов для регенерации фильтров, а также стоимость обратноосмотических мембран приняты средними для региона.
Из рассмотрения графиков рис. 1 следует, что стоимость производства очищенной воды на ОО/ИО системах и ИО системах прямо пропорциональна солесодержанию исходной воды. При этом возрастание соле содержания исходной воды слабо сказывается на стоимости очищенной воды для систем ОО/ИО, существенно сказывается для систем ИО. Значение ГСС сильно зависит от типа используемых обратноосмотических мембран. Если для систем ОО/ИО с композитными мембранами ГСС составляет 130 мг/л (по СаСОз), то для таких же систем с ацетатцеллюлозными мембранами - 380 мг/л. Это объясняется более высокими давлениями воды для ОО в установках с ацетатцеллюлозными мембранами, большими затратами электроэнергии и более тяжелым оборудованием.
Стоимость обработки воды в ИО системах при увеличении солесодержания исходной воды, в основном, возрастает из-за увеличения расхода регенерирующих химреагентов и прежде всего - щелочи, а также стоимости досыпки самих ионитов.
В системах ОО/ИО обратноосмотическая установка принимает на себя основную “солевую нагрузку” при обессоливании воды. Для композитных обратноосмотических мембран селективность по преобладающим солям составляет 96 - 99%, т.е. в пермеате ОО, поступающем на ионитные фильтры последующих ступеней водообработки остается только всего от 1 до 4% солей, что облегчает работу ионитных фильтров, ведет к резкому увеличению их фильтр-цикла, сокращению расхода реагентов и смол, а также стоков. Основную долю в себестоимость обессоливания воды при этом вносят затраты на электроэнергию и замену мембран.
Расчеты в данном исследовании показали, что увеличение производительности с 40 до 160 м3/ч в системах ОО/ИО и ИО незначительно сказывается на значении ГСС, но ведет к снижению на 13 - 18% себестоимости очищенной воды.
Мембранные методы обессоливания воды на электростанциях в Европе получили в настоящее время меньшее применение, чем в США, в основном вследствие значительных различий в стоимости электроэнергии и химреагентов. В Европе имеются по две-три крупных обессоливающих системы ОО на электростанциях в Венгрии, Италии, Польше, Испании, Германии, Австрии и в России.
