CC BY
258
УДК 621.175:628.2
И. А. Тихонов, М. А. Агеев ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ
Рассмотрены основы создания энергоэффективного и экологически чистого комплекса водоподготовки на основе процесса обратного осмоса применительно к паровым котлам. Представлены результаты испытаний. Определено влияние основных параметров на процесс мембранной очистки воды. Представлена методика экономической оценки внедрения комплекса. Приведены результаты сравнения предлагаемого комплекса с традиционной схемой, основанной на технологии Na-катионирования.
Обратный осмос, паровой котел, экономический эффект, продувка
I. A. Tikhonov, M. A. Agejev
TECHNOLOGY RO WATER DESALINATION FOR STEAM BOILERS OF LOW
AND MEDIUM PRESSURE
Principles of setting both energy effective and envirosafe water treatment complex based on process reversed osmose used for steam boilers are studied in the current work. The results of tests are performed. The influence of the main parameters on the membrane water treatment process is defined. The methodic of the economical estimation from the water treatment complex implementation is performed. The results of the comparison offered water treatment complex with the traditional Na-cycle technology scheme are described in the current work.
Reversed osmose, steam-boiler, economical effect, blow-off
В настоящее время в России технология обратного осмоса находит широкое применение для подготовки технической воды для энергетических целей [1]. Причем основная часть воды является пресной, то есть солесодержание не более 1000 мг/л. Небольшая величина со-лесодержания позволяет вести процесс обратноосмотического обессоливания при относительно небольших величинах давления (до 10 бар).
Интерес к использованию метода обратного осмоса при подготовке воды для паровых котлов, вызван тем, что его применение позволяет сократить на 90 % количества потребляемых реагентов (кислот, щелочей, поваренной соли) и одновременно избавиться от стоков, содержащих эти реагенты. Кроме того, питание парового котла обессоленной водой позволяет отказаться от проведения непрерывной продувки верхнего барабана котла, что позволяет повысить КПД котельной на 4 % [2].
В 2007-2008 г. были проведены исследования по разработке опытного комплекса во-доподготовки для паровых котельных с применением технологии обратного осмоса. Предпосылками для выполнения данной работы служили следующие факторы:
- повышение экономической эффективности работы котлоагрегата;
- увеличение времени межкапитального ремонта. Уменьшение количества ремонтов. Повышение надежности и безаварийной работы котлоагрегата.
- экологическая чистота процесса. Максимальное уменьшение применяемых реагентов. Не требуется специальных методов очистки образующихся стоков.
На рис. 1 представлена принципиальная схема подготовки воды на основе обратного осмоса различной производительности.
Рис. 1. Схема принципиальная водоподготовки на основе обратного осмоса
Для примера рассмотрена установка с 2 мембранными элементами производительностью 2 м3/ч по очищенной воде.
Е1 - емкость исходной воды, Е2 - емкость питательной воды. В Е1 подается исходная вода из источника водоснабжения. Исходная вода проходит предварительную механическую очистку в сетчатом фильтре ФС установленном перед Е1.
После Е1 вода при помощи центробежного насоса Н2 с давлением не выше 6 атм. поступает на песчаный фильтр ФП. Производительность насоса Н2 должна обеспечивать расход воды необходимый для промывки ФП. На песчаном фильтре происходит осветление воды, т.е. очистка воды от грубодисперсных примесей размером более 50 мкм.
Осветленная вода поступает в установку ультрафиолетового обеззараживания воды УФ. Обеззараживание воды необходимо производить в целях предотвращения биологического загрязнения мембранных элементов установки обратного осмоса.
После УФ вода поступает на фильтр тонкой очистки ФТО. Размер пор картриджа ФТО составляет 1 мкм.
Далее вода после насоса-повысителя Н3 поступает на блок мембранных обратноосмотических элементов. В блоке последовательно установлены 2 мембранных элемента номинальной производительностью по фильтрату не более 1,25 м /час каждый. Мембрана разделяет исходную воду на два потока - концентрат и фильтрат. Фильтрат - чистая, обессоленная вода поступает в емкость питательной воды Е2. Концентрат - насыщенная, примерно не более чем в 3 раза от исходной, солями и органическими примесями вода - сливается с мембранной установки в канализацию. Часть концентрата возвращается на вход в мембранную установку в виде рецикла и смешивается с исходной водой перед Н3. Использование рецикла позволяет увеличить гидравлический КПД мембранной установки.
После мембранной установки в фильтрат вводится раствор соды для поддержания заданного уровня рН фильтрата. Для дозирования соды предусмотрена емкость для хранения
разбавленного раствора Е4 и насос дозатор НД2. Дозирование раствора соды осуществляется в зависимости от текущего значения рН очищенной воды определяемого датчиком рН установленным в Е2.
Для предотвращения выпадения солей жесткости на поверхность мембран, в воду, поступающую на мембранную установку, дозируется ингибитор солеобразования. Для дозирования ингибитора предусмотрена емкость для хранения разбавленного реагента Е3 и насос дозатор НД1. Дозирование ингибитора определяется в результате пусконаладочных работ в зависимости от расхода и жесткости исходной воды.
Для проведения периодических химических моек мембранных элементов предусмотрена станция химической мойки, состоящая из бака Е5. Для приготовления моющего раствора (кислотного или щелочного) предусмотрено использование обратноосмотической воды (фильтрата).
Гидравлическая промывка мембранной установки осуществляется обратноосмотической водой из Е2 при помощи насоса Н3.
Отличительной особенностью данной схемы является возможность использования обратноосмотической воды для проведения гидравлических моек, что значительно увеличивает время межрегенерационного периода мембранного элемента и соответственно повышает его срок службы.
Исследование влияния рабочих параметров установки проводились при следующих исходных данных:
расход исходной воды - 4 м3/час; расход концентрата 2 м3/час; рецикл - 4 м3/час; со-лесодержание исх. воды - 0,25 г/л; общая жесткость - 3,5 мг-экв/л; щелочность - 2,6 мг-экв/л; рН - 7,8. Мембрана - Б11ш1ее ХЬБ - 440, селективность по №С1 - 99,0 %.
Расход и солесодержание фильтрата во многом определяются давлением и температурой исходной воды. Так расход фильтрата при давлении 7,5 бар и температуре 10 оС составляет 2 м3/ч. Тот же расход фильтрата будет при давлении 5 бар и температуре 20 оС. На рис.
2 представлено изменение солесодержания фильтрата от давления воды на мембранный блок, температуры воды.
-*-Т=10 с —9—Т=15 с -В—Т=20 С
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
Давление, бар
Рис. 2. Зависимость солесодержания фильтрата от давления воды при различных
температурах воды
Из рис. 2 видно, что с увеличением давления и температуры, наряду с увеличением производительности, наблюдается увеличение солесодержания в фильтрате с 2 до 12 мг/л. Однако надо иметь в виду, что при солесодержании исходной воды, примерно, 250 мг/л, остаточное солесодержание фильтрата находится на уровне от 1 до 5 % от исходной воды, что для паровых котлов некритично. Величина солесодержания фильтрата позволяет отказаться от проведения непрерывной продувки из верхнего барабана парового котла.
10
ч
О
О
е
л
О
о
‘
ч 4
8
6
4
2
0
На рис. 3 представлены зависимости общей жесткости фильтрата от температуры.
В соответствии с требованиями к качеству питательной воды паровых котлов низкого давления [3] общая жесткость должна составлять не более 20 мкг-экв/л. Таким образом, максимальная температура воды поступающей на мембранный блок, в соответствии с рисунком 3, должна составлять не более 130 С, при этом давление не должно быть ниже 8 бар. Стоит отметить, что данные показатели получены на новых мембранных элементах. В процессе эксплуатации характеристики мембран могут ухудшаться. Вероятно, данное обстоятельство связано в основном с проведением щелочных моек мембранных элементов. При проведении щелочной мойки раствор, содержащий пониженное количество иона водорода частично забирает водород из структуры полиамидной мембраны. Тем самым, ослабляя донорно-акцепторную связь, уменьшая акцептор (ион водорода), которая формирует слой связанной воды на поверхности мембраны. Уменьшение толщины связанного слоя приводит к значительному уменьшению селективности мембраны. Данное явление становится критичным при значении рН моющего раствора более 12,0. Так, при значении рН =13 величина жесткости фильтрата после мойки выросла с 35 до 70 мкг-экв/л. При рН щелочного раствора не более 11 срок службы мембранных элементов составляет не менее 3 лет. И все же с течением времени, особенно если в связи с периодичностью работы мембранные элементы подвергались консервации, наблюдается незначительное увеличение жесткости фильтрата. Для исключения проскока жесткости в подпиточной воде, в некоторых случаях, можно рекомендовать дополнительную установку Ма-катионитового фильтра для снятия остаточной жесткости фильтрата. В связи с малым содержанием общей жесткости фильтрата регенерация такого Ма-катионитового фильтра будет требоваться исключительно редко. Установка данного №-катионитового фильтра необходима, если конструктивно более 3 мембранных элементов последовательно располагаются по исходной воде.
о
*
Температура, С
Рис. 3. Зависимость общей жесткости фильтрата от температуры исходной воды
Экономическая эффективность применения обратноосмотических систем для приготовления питательной воды паровых котлов оценивалась по 2 показателям:
- себестоимость питательной воды;
чистая прибыль, получаемая от продажи тепловой энергии.
Себестоимость подпиточной воды определяется следующим образом:
З
8 =
О,
, руб/м
(1)
где Б - себестоимость подпиточной воды, руб/м ; З - эксплуатационные затраты, руб; Оисх -количество воды, поступающей в деаэратор, м3.
Эксплуатационные затраты определяются по уравнению
З = З + З+ З+ З + З + З + р • К , руб.,
ээ р т х.м соль з.п га ’ Н ’
(2)
где Зээ - затраты на электроэнергию, руб.; Зр - затраты на реагенты, руб.; Зт - затраты на перерасход топлива в котле связанные с непрерывной продувкой котла, руб. (при отсутствии непрерывной продувки котлов данные затраты равны нулю); Зх.м - затраты на химическую мойку котлов, руб.; Зсоль - затраты на таблетированную соль для регенерации Ма - катиони-товых фильтров, руб.; Зз.п. - затраты на заработанную плату, руб.; Ра - коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления и ремонты оборудования; К - капитальные затраты в установку, руб.
Зт =ЛВ • Ст , руб. (3)
3
где С - тариф на топливо руб/м ; ЛВ = ВМа - ВОО -перерасход топлива связанный с непрерывной продувкой, м ; В Ма, ВОО - соответственно, расход топлива в котле в зависимости от
3
величины непрерывной продувки и при ее отсутствии, м ; Воо = 0
В
О
выраб
(Н + Р • Н • (1 -п ) - Р • Н
V выраб к. в V Іпрод/ конд конд
)
Ка
О р п
нк
(4)
где Р - доля непрерывной продувки; Т]„род - доля использования теплоты продувочной воды (пар вторичного вскипания в деаэратор, подогрев воздуха и т.д.); ппрод = 0 - регенерация теплоты продувочной воды не осуществляется (вода сливается в канализацию), ппрод = 0,6 -максимально возможная доля возврата теплоты продувочной воды.
170000 160000 150000 ^ 140000
5 130000
I 120000
3 110000
“ 100000 £ 90000
- 80000 ^ 70000
3 60000
а. 50000 а. 40000 : 30000
20000 10000 0
п=0,6
п=0,4
п=0,2
п=0
0,02
0,04 0,06
Доля непрерывной продувки
0,08
0,1
Рис. 4. Зависимость перерасхода топливного газа от величины непрерывной продувки
при различных значениях п
доля утилизации тепла продувки
Рис. 5. Зависимость себестоимости от доли утилизации тепла для сравниваемых систем водоподготовки
0
Прибыль, получаемая от продажи тепловой энергии, определяется по уравнению
П = (Я - З8) • (1 -У н), руб/год, (5)
н
где П - величина чистой прибыли (доход) остающейся в распоряжении предприятия, руб/год; Я - выручка от реализации продукции, руб/год; З8 - ежегодные издержки производства, входящие в себестоимость получаемой продукции (теплоты в виде пара), руб/год; ун -коэффициент, учитывающий налоговые отчисления.
Рассмотрим экономические показатели работы установки подготовки питательной воды на примере паровой котельной Увекской нефтебазы в г. Саратове. Производительность установки составляет 18 м /ч. Возврат конденсата в котельную отсутствует. Годовая выработка теплоты в виде пара составляет 27 000 Гкал.
Расчет произведен на основании исходных данных при значениях общей жесткости 5 мг-экв/л, тариф на топливо - 3 рубю/м3, на воду - 0,2 рубю/м3, на электроэнергию - 2,5 ру-бю/кВт-ч, на таблетированную соль - 10 рубю/кг.
На рис. 4 представлена зависимость перерасхода топлива от величины непрерывной продувки котла с учетом степени полноты утилизации тепла продувочной воды.
В соответствии с рис. 4 можно сделать следующие выводы:
1. Отсутствие непрерывной продувки при обратноосмотической подготовке воды позволяет избежать перерасхода топлива. При величине продувки в 10 % перерасход составит до 140 тыс. м что соответствует, примерно, одной неделе круглосуточной работы парового котла ДЕ 16-14 ГМ.
2. Увеличение доли использования тепла воды непрерывной продувки особенно эффективно при больших значениях доли продувки. При значении доли непрерывной продувки Р=0,11 максимальное использование тепла продувочной воды позволит сэкономить 60 тыс. м3 газа.
Сравним себестоимость воды очищенной по технологии обратного осмоса и Ма - ка-тионирования. На рисю.5 представлено сравнение величин себестоимости очищенной воды в зависимости от эффективности утилизации тепла продувочной воды.
Из рисунка 5 видно, что себестоимость очистки воды для мембранных установок ниже, чем для Ма-катионирования даже при максимальной доле утилизации тепла воды непрерывной продувки котла.
Использование мембранной системы водоподготовки по сравнению с Ма-катионитовыми системами позволило увеличить чистую прибыль котельной на 1 055 тыс. руб./год.
По результатам расчета прибыли по отпуску теплоты от котельной Увекской нефтебазы г. Саратова можно сделать вывод, что использование мембранной системы водоподготов-ки по сравнению с Ма-катионитовыми системами позволило увеличить чистую прибыль котельной на 1 055 тыс. руб./год.
Срок окупаемости мембранной установки обессоливания подпиточной воды паровых котлов составит
Т = Коо - Кщ = 5200 - 2200 = 2 84
ПОО - Пш 4373,619 - 3086,197 ’ . )
Себестоимость очищенной воды снижена с 40 до 19 руб/м .
Положительные факторы позволяют говорить о мембранных системах подготовки воды для котельных, как о перспективных и востребованных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Обратный осмос и ионный обмен: Какая технология победит в водоподготовке XXI века. Экология производства / А.Г. Первов, В. И. Бондаренко, И.С. Балаев, Д.А. Кукушкин // Энергетика. 2006. №1(2).
2. Опыт и проблемы промышленной эксплуатации мембранной системы подготовки воды для технологической котельной Увекской нефтебазы / И. А. Тихонов, Е.Б. Федосеева, А.Н.
Блинов, Е.В. Скиданов, А.В. Васильев, А.А. Пантелеев // Водоснабжение и канализация. 2008. № 10.
3. Методические указания по надзору за водно-химическим режимом паровых и водогрейных котлов РД 10-165-97: утверждены Постановлением Госгортехнадзора РФ от 8 декабря 1997 г. № 49.
BIBLIOGRAPHY
1. Return an osmosis and an ionic exchange: What technology will win in water treatment the XXI centuries. Manufacture ecology / A.G. Pervov, V.I. Bondarenko, I.S. Balaev, D.A. Kukushkin // Power. 2006. N1(2).
2. Experience and problems of commercial operation of membrane system water treatment for a technological boiler Uvek tank farm / I.A.Tikhonov, E.B.Fedoseyev, A.N. Blinov, E.V. Skidanov, A.V.Vasilev, A.A.Panteleev // Supply and the water drain. 2008. № 10.
3. Methodical instructions on supervision of a water-chemical mode of steam and boiler coppers RD 10-165-97: Are confirmed by the Decision of Gosgortekhnadzor of the Russian Federation from 8 december 1997. № 49/
Агеев Михаил Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Тихонов Иван Андреевич -
ассистент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Ageev Mikhail Aleksandrovich -
Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University
Ageev Mikhail Aleksandrovich -
assistant of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University
