Обессоливание добавочной воды котлов на ТЭЦ-23 обратным осмосом - УОО-50А

С учетом таких требований ВНИИАМ разработал, а АО “ЦРМЗ” Мосэнерго изготовил обратноосмотическую установку УОО-50А производительностью 50 м³/ч, эксплуатируемую на ТЭЦ,-23.
Первоначально установка УОО-50А была укомплектована только отечественным оборудованием (насосы, арматура, фильтровальные патроны, корпуса фильтрующих модулей, трубы, приборы контроля и др.), включая отечественные рулонные обратноосмотические фильтрующие элементы (РФЭ) типа ЭРО-200-1016 (изготовитель НПО “Полимерсинтез”, г. Владимир).
Опыт эксплуатации УОО-50А в течение первых 3-х мес показал, что РФЭ имеют невысокую общую селективность 85% (степень солезадержания), которая быстро падала в процессе работы, достигнув 30% через 3 мес эксплуатации.

Рис. 3. Принципиальная схема обратноосмотической установки УОО-50А: 1 - фильтр тонкой очистки 5 мкм; 2 - насос высокого давления ЦНСК-60-330А; 3 - блок обратноосмотических мембранных модулей (три ступени); 4 - бак растворов химической промывки мембран; 5 - насос химической промывки мембран; 6-бак концентрированной серной кислоты; 7 - насос-дозатор серной кислоты; 8 - исходная вода после предочистки

Рис. 4. Изменение жесткости пермеата (+) в зависимости от времени

Других отечественных РФЭ наша промышленность не выпускала, поэтому ЭРО-200-1016 были заменены на импортные РФЭ типа “FilmTec” BW- 30-330 фирмы “Dow Danmark”. Потребовалось 42 шт. РФЭ “FilmTec” BW-30-330 вместо 84 шт. ЭРО-200-1016 при сохранении производительности УОО, значительном улучшении качества пермеата и более низком рабочем давлении исходной воды 20 кгс/см² вместо 33 кгс/см². Рабочее давление удалось снизить, не меняя высоконапорные центробежные насосы, а только сняв одно из трех рабочих колес в насосе. Конструктивная схема УОО существенно упростилась. Остальное оборудование УОО-50А осталось без изменений.
С марта 1997 г. УОО-50А эксплуатируется в составе ХВО-1 в химцехе ТЭЦ-23 в качестве первой ступени обессоливания воды.
На рис. 3 показана принципиальная схема обратноосмотической установки УОО-50А, состоящей из четырех блоков, соединенных между собой трубопроводами: блок фильтров тонкой очистки (ФТО), блок высоконапорных насосов (БВН), блок обратноосмотических фильтрующих модулей (БОМ) и блок химической промывки обратноосмотических мембран. Все блоки УОО-50А компонуются на своих рамах и расположены в фильтровальном зале ХВО-1.
Исходной водой для УОО-50А служит маломутная высокоцветная вода Пироговского водохранилища, прошедшая коагулирование оксихлоридом алюминия и полиакриламидом в осветлителе. Общее соле содержание воды 201 мг/л. Химический состав коагулированной воды, поступающей на УОО-50А, приведен далее.

Осветленная (исходная) вода подается на вход УОО-50А через фильтр-ловушку для улавливания
фильтрующих материалов, которые могут выноситься из фильтров пред очистки. Минимальный размер задерживаемых частиц в фильтре-ловушке 0,3 мм.
Далее вода поступает в блок (ФТО), включающий две секции, одна из которых служит резервной. ФТО выполняют роль барьерных фильтров и предназначены для задержания проскоков взвешенных частиц при возможных нарушениях в системе пред очистки воды или ошибках операторов. По мере загрязнения фильтровальных патронов ФТО перепад давления на нем возрастает и при повышении его до 1,5 кгс/см² в работу включается резервный фильтр ФТО. Минимальный размер задерживаемых ФТО частиц - 5 мкм.
Пройдя блок ФТО, исходная вода поступает во всасывающий коллектор блока БВН, один из которых является рабочим, другой - резервным. От насосов исходная вода направляется в БОМ, где под давлением фильтруется через обратноосмотические мембраны, разделяясь на два потока - пермеат и концентрат. Пермеат направляется, на вторую (ионитную) ступень обессоливающей установки, включающей Н- и ОН- фильтры, а концентрат направляется на сброс.

Показатели работы УОО-50А приведены далее.

На рис. 4 показаны данные по жесткости пермеата, определявшиеся каждые 4 ч во время контрольной работы УОО-50А.
Химический состав пермеата УОО-50А приведен далее.

Эти показатели постоянно контролировались во время испытаний УОО-50А.
Таким образом, жесткость пермеата стабильна в течение всего фильтроцикла; основная масса примесей (катионов и анионов) задерживается мембранами на первой ступени; задержание мембранами примесей стабильно в течение всего фильтроцикла.
При работе УОО-50 в качестве первой ступени обессоливания в 2,5 - 3 раза увеличиваются фильтроциклы ионитных фильтров второй ступени. В целом для всей цепочки ВПУ в 6 - 7 раз сокращается расход щелочи и кислоты на регенерацию ионитов. Загрязнение стоков в 3-3,5 раза ниже, чем при ионитном обессоливании. В то же время дополнительный расход осветленной воды на промывку механического фильтра второй ступени составляет лишь 10% производительности УОО-50 А.
Конструкция обратноосмотической мембраны достаточно сложна и включает, кроме самой мембраны, специальные дренажные слои со стороны пермеата, а также турбулизатор для перемешивания потока жидкости внутри мембраны. При прохождении воды в каналах мембраны, вследствие того, что из раствора будут уходить через мембрану молекулы чистой воды, в приграничном слое у поверхности мембраны будет увеличиваться концентрация растворенного вещества. Отношение концентрации растворенного вещества в приграничном слое мембраны к концентрации вещества в растворе называется концентрационной поляризацией. Уровень концентрационной поляризации оценивается
Кп=См/С0,                                                                                  (3)
где См - концентрация вещества в растворе в приграничном слое мембраны.
Концентрационная поляризация является отрицательным фактором при обратноосмотическом фильтровании. Она способствует осаждению на мембране соединений жесткости, закупориванию пор в мембране, снижению ее производительности, повышению солесодержания пермеата.

Рис. 5. Изменение производительности УОО-50А в результате отложений на мембранах

Кроме того, будет повышаться гидравлическое сопротивление мембраны и необходимое давление фильтрования исходной воды. Несмотря на то, что при конструировании мембранной установки принимаются специальные меры для исключения этих и других отложений, они все же всегда имеют место. На рис. 5 показано изменение производительности УОО-50А в течение межпромывочного периода (т.е фильтроцикла УОО-50А).
Так как производительность УОО-50А в течение указанного на графике времени не была постоянной, график выполнен в относительных единицах — отношение производительности УОО-50А по пермеату к давлению исходной воды. Из него следует, что через 1400 ч работы УОО-50А отношение Q/P изменилось примерно на 15%, что говорит о появлении на мембранах отложений. Опытом эксплуатации УОО-50А на ТЭЦ-23 установлено, что если уменьшается расход пермеата, следовательно, на мембранах появились отложения “органики” и оксидов.
Чтобы не допускать снижения производительности мембран и ухудшения качества пермеата, эксплуатационный персонал химцеха периодически промывал мембраны растворами: трилона “Б”, лимонной кислоты и додецилсульфата натрия. После промывки производительность УОО-50А и давление исходной воды восстанавливались до первоначального уровня, а сами промывки УОО-50А проводились не чаще чем через 1,5-2 мес. работы.
Периодичность промывок мембран существенно зависит от качества осветления воды перед обратноосмотической установкой, оцениваемого по показателю SDI (salt density index - индекс плотности осадка), рекомендованному международным стандартом D4189 ASTM. Этот показатель рассчитывается по времени фильтрования определенного количества воды через микрофильтрационную мембрану с порами 0,45 мкм и не должен превышать 5,0. Если показатель SDI более 5,0, такая вода должна быть подвергнута дополнительной обработке. Показатель SDI зависит от качества коагулированной воды: мутности, цветности, окисляемости (перманганатной и бихроматной), количества взвешенных веществ.

Как показали исследования на ТЭЦ-23 в течение почти 5 лет, станционная предочистка, включающая осветлитель с коагуляцией воды оксихлоридом алюминия и полиакриламидом, механические осветлительные фильтры с загрузкой антрацитом и дополнительный механический фильтр второй ступени с загрузкой кварцевым песком на высоту 1,7 м обеспечивают качество осветления воды по показателю SDI ниже 3 ед. Опытным путем установлено, что после коагуляции и осветления воды на механических фильтрах мутность становится близкой к нулю, цветность уменьшается до 10 - 15 ед. цветности, т.е. почти в 2 раза, окисляемость (перманганатная) уменьшается примерно на 30%. Такие показатели обеспечивали требуемое качество воды для УОО-50А. Однако в случае нарушения работы осветлителя по каким-либо причинам, выносимая из осветлителя взвесь насыщает обе ступени механических осветлительных фильтров, проходит через них и откладывается на патронных ФТО обратноосмотической установки. Анализ отложений, взятых с патронных фильтров, показал, что 41,7% отложений на поверхности фильтров составляет Аl2О3 (коагулянт), 45,2% - отложения органического происхождения, остальное - различные минеральные примеси. Отложения, накапливаясь на поверхности ФТО, повышают их гидравлическое сопротивление и снижают расход воды через них. Практика работы УОО-50А показала, что избежать непрогнозируемых нарушений в работе осветлителя на ТЭЦ-23 не удается, поэтому фактический срок службы ФТО не превышает 4-6 недель при регламентном сроке службы - 12 недель. Стоимость патронных фильтров ФТО невелика, годовые затраты на их замену незначительны.
При номинальном режиме работы УОО-50А объем концентрата, сбрасываемого с установки, не превышает 25% объема поступающей исходной воды, т.е при производительности 50 м³/ч сброс концентрата составляет 16,7 м³/ч. При этом в концентрате содержатся в основном те же соли, что и в исходной воде, но их концентрация примерно в 4 раза выше. Содержание концентрата обратного осмоса приведено далее.

Таким образом, концентрат обратного осмоса удовлетворяет требованиям ПДК и может быть сброшен в дренаж или использован для охлаждения другого технологического оборудования. В тех случаях, когда для предупреждения выпадения в мембранах соединений жесткости исходную воду на ТЭЦ-23 подкисляли серной кислотой, сульфаты в концентрате превышали ПДК. Замена серной кислоты соляной (ПДК по ее стокам гораздо выше, чем по SO 4 ) могла бы снять эту проблему. Возможно также использовать зарубежный опыт, где вместо кислоты применяются специальные “ингибиторы осадкообразования” с дозировкой 2-3 мг/л.
Проведенные на ТЭЦ-23 специальные расчеты показали, что себестоимость обессоленной воды снижается здесь не менее чем на 30%.
В процессе эксплуатации УОО-50А требует лишь минимального обслуживания персоналом химцеха. Это обстоятельство в первое время вызывало определенную настороженность у эксплуатационного персонала, привыкшего постоянно находиться около ионитных фильтров, осуществляя переключения их арматуры.
В то же время при строительстве новых водоподготовок с обратным осмосом адаптация к мембранным установкам не вызывает проблем у эксплуатационного персонала, как, например, на электростанции Магнитогорского металлургического комбината, где с 2000 г. работает автоматизированная УОО производительностью 90 м³/ч, управляемая с помощью персонального компьютера.
За период с 1997 г. не было отказов в работе основных узлов УОО-50А, включая обратноосмотические мембраны, что говорит о надежности обратноосмотической техники. Однако в процессе наладки УОО-50А возникали и частично остались проблемы с предочисткой воды перед УОО-50А и водным режимом самой УОО-50А.
Персоналом химцеха ТЭЦ-23 накоплен редкий для энергетиков опыт длительной эксплуатации крупной обратноосмотической установки в промышленных условиях.
Химводоподготовки других электростанций АО Мосэнерго, в основном, питаются водой поверхностных водоисточников, как это имеет место и на ТЭЦ-23. В то же время на каждой электростанции применяется собственная технология предочистки воды, от которой существенно зависит эффективность работы УОО. Поэтому при решении вопросов использования УОО на той или иной электростанции необходим тщательный анализ местных условий эксплуатации УОО.

Выводы

1. В условиях ТЭЦ-23 очистка исходной воды обратным осмосом перед ее ионитным дообессоливанием оказалась эффективной, экономичной и надежной в эксплуатации при одновременном улучшении экологических показателей работы ТЭЦ, значительном снижении себестоимости обработанной воды и сокращении размера солевых сбросов со стороны водоподготовки.
2. Реализация на ТЭЦ-23 предочистки воды для обессоливания ее на УОО-50А, включающая вторую ступень механических фильтров (загруженную кварцевым песком), обеспечивает качество осветленной исходной воды (Пироговское водохранилище), требуемое для обработки ее обратным осмосом - показатель SDI < 5,0.
3. Для повышения стабильности работы ВПУ необходима автоматизация работы предочистки с целью предотвращения значительных колебаний нагрузки осветлителей и температуры исходной воды.
4. С точки зрения обеспечения экологической безопасности, а также снижения расходов регенерирующих реагентов и воды на собственные нужды и других технологических показателей, следует считать целесообразным внедрение обратного осмоса для обработки воды на других электростанциях Московского региона.

Список литературы

1. Карелин Ф. Н. Обессоливание воды обратным осмосом. М.: Стройиздат,1998.
2. Мудлер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. М.: Мир, 1999.
3. Дытнерский Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975.
4. Проблема удаления природных и техногенных органических веществ из воды на установках обратного осмоса / Ходырев Б. Н., Федосеев Б. С., Щукина М. Ю., Ямгуров Ф. Ф. - Теплоэнергетика, 2001, № 6.