Экологическая эффективность методов подготовки подпиточной воды теплосети

Экологическая эффективность методов подготовки подпиточной воды теплосети

В соответствии с [1] качество воды для подпитки тепловых сетей должно удовлетворять следующим нормам: содержание свободной углекислоты — 0; pH для открытых систем теплоснабжения 8,3−9,0, а для закрытых 8,3−9,5; содержание растворенного кислородане более 50 мкг/дм 3; количество взвешенных веществ — не более 5 мг/дм 3; содержание нефтепродуктов — не более 1 мг/дм 3. Качество подпиточной воды открытых систем теплоснабжения (с непосредственным водоразбором) должно удовлетворять также действующим нормам для питьевой воды.

Для ограничения интенсивности карбонатного накипеобразования карбонатный индекс сетевой воды Ик (предельное значение произведения общей щелочности и кальциевой жесткости этой воды) не должен превышать нормативного значения, величина которого зависит от температуры нагрева сетевой воды, ее рН, способа нагрева — в сетевых подогревателях или водогрейных котлах, и нормируется в диапазоне от 4,0 до 0,1 (мг-экв/дм 3)2.

Значения Ик подпиточной воды открытых систем теплоснабжения должны быть такими же, как нормативные для сетевой воды.

Иные требования к качеству подпиточной воды приведены в [2], в которых нормируется как карбонатная жесткость, так и условная сульфатно-кальциевая жесткость. В последние годы наметилась тенденция к повышению значения pH сетевой воды, связанная с необходимостью снижения интенсивности внутренней коррозии [3]. С pH 9,5−10,0 уже несколько лет успешно эксплуатируются тепловые сети ОАО «Мосэнерго» при снижении жесткости подпиточной воды до 0,05 мг-экв/дм 3.

Качество подпиточной воды для закрытых систем теплоснабжения должно обеспечить нормативное значение Ик сетевой воды с учетом присосов водопроводной воды.

Для определения нормативного значения Ик подпиточной воды закрытых систем теплоснабжения в ПТЭ [1] предложена формула:

Икп=Икс/(1+0,01а), (1).

где Икс и Икп — нормативные значения Ик соответственно сетевой и подпиточной воды; б — доля реальных присосов водопроводной воды (% от количества подпиточной воды), определяется из материального и солевого балансов.

Потери воды из теплосети (Qс) компенсируются подпиточной водой (Qп) и присосами водопроводной воды (Qв). Тогда уравнение материального баланса будет иметь следующий вид:

Ос=Оп+Ов=Оп+0,01-а-Оп=(1+0,01а)-Оп. (2).

А уравнение солевого баланса будет выглядеть следующим образом:

Qс. Жс=Qп. Жп+0,01 -а-Оп-Жв=(1+0,01а)-Оп-Жс (3).

или Жп+0,01-а-Жв=(1+0,01а)-Жс откуда а=[(Жс-Жп)/(Жв-Жс)]-100%, (4).

где Жс, Жп и Жв — общая жесткость соответственно сетевой, подпиточной и водопроводной воды, мг-экв/дм 3.

При отсутствии эксплуатационных данных по значению присосов водопроводной воды долю присосов, согласно ПТЭ, рекомендуется принимать равной 105, что является явной опечаткой и очевидно должно составлять 10%.

Формулу (1) можно записать в виде:

Икп=Сап-Щп=Сас-Щс/(1+0,01а), (5).

где Caп, Щп, Caс и Щс — соответственно кальциевая жесткость и щелочность подпиточной и сетевой воды, мг-экв/дм 3.

Структура формул (1) и (4) показывает, что в них не учтен состав подпиточной водопроводной воды. По аналогии с формулой (3) материальный баланс по кальцию и щелочности имеет вид:

где Caв и Щв — соответственно кальциевая жесткость и щелочность водопроводной воды, мг-экв/дм 3. Следовательно, расчеты по формулам (1) и (8) должны давать разные значения Икп.

Результаты таких расчетов при Икс=0,9 (мг-экв/дм 3)2 для вод различного состава и метода подготовки, при различных значениях доли реальных присосов водопроводной воды сведены в таблицу.

Из таблицы видно значительное несоответствие между карбонатными индексами подпиточной воды Икп, рассчитанными по формуле (1), приведенной в ПТЭ, и по формуле (8). Анализируя полученные результаты можно отметить, что разница между значениями Икп максимальна при подготовке подпиточной воды путем натрий-катионирования (Na-катионирования) водопроводной воды и минимальна при обработке Na-катионированием воды после известкования и коагуляции, а также то, что при повышении кальциевой жесткости и щелочности водопроводной воды эта разница увеличивается. Следовательно, допустимые значения кальция в подпиточной воде будут значительно различаться.

На выбор способа подготовки воды оказывают также влияние количество и качество образующихся сточных вод. Известно [4], что нормативы предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ устанавливаются для каждого выпуска сточных вод, исходя из условий недопустимости превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в контрольном створе. ПДК различны для водных объектов, используемых для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд населения или рыбохозяйственных целей. Обязательному нормированию и контролю при водоподготовке подлежат следующие показатели сточных вод: взвешенные вещества, pH, солесодержание, хлориды, сульфаты, нефтепродукты, железо и алюминий.

Из традиционных методов подготовки подпиточной воды теплосети наиболее эффективно в этом отношении известкование с подкислением до pH, соответствующего Икс при максимальной температуре подогрева. При этом практически отсутствуют сточные воды. Используется также водород-катионирование (H-катионирование) части известкованной воды и их смешивание перед подачей в теплосеть при рН подпиточной воды около 9,0.

К основным недостаткам известкования относится необходимость постоянного завоза извести, обезвоживания и вывоза образующегося шлама. Кроме того, метод ограничен по допустимой температуре нагрева сетевой воды и ее pH.

В настоящее время в нашей стране наиболее распространенными способами подготовки добавочной воды для теплосети являются Hи Na-катионирование.

В процессе Na-катионирования основная часть ионов Ca2+ и Mg2+ заменяются на ионы Na+, а анионный состав воды остается неизменным. Регенерация истощенных катионитов проводится раствором NaCl или природным рассолом с избытком, превышающим стехиометрическое количество в 1,7−3 раза. Отработанный регенерационный раствор и отмывочные воды, содержащие избыток реагента, а также хлориды кальция и магния, сбрасываются в городскую канализацию или непосредственно в водоемы, что наносит вред окружающей среде. Для обеспечения ПДК регенерационные сточные воды часто разбавляют маломинерализованной водой, что приводит к увеличению водопотребления и водоотведения и не всегда может быть осуществлено в реальных условиях.

К недостаткам метода можно отнести и то, что при использовании водопроводной воды и обеспечении необходимого снижения ее жесткости, щелочность остается первоначальной, что является одной из основных причин образования карбонатных отложений в оборудовании теплосети, особенно при несанкционированных присосах необработанной водопроводной воды. Кроме того, необходимы специальные меры по повышению pH воды перед подачей ее в теплосеть.

При Na-катионировании известкованной воды возникают отмеченные выше проблемы, связанные с доставкой извести и вывозом образовавшихся осадков. При этом уменьшается сброс солевых стоков, но проблема их утилизации не исключается.

1 — Hг-фильтр; 2 — кристаллизатор; 3 — бак-отстойник; 4 — бак осветленной воды; 5 — смеситель; 6 — бункер для сбора и обезвоживания гипсового шлама; 7 — сбор фильтрата шлама.

Метод повторного использования регенерационных вод Na-катионитных фильтров реализован на ряде РТС МГП «Мостеплоэнерго» [5, 6]. По этой технологии воды после взрыхления фильтров и начальной стадии регенерации собираются в баке, осветляются на механических фильтрах и подаются в трубопровод исходной воды. Отработанный регенерационный раствор и первые порции отмывочных вод с солесодержанием более 30 г/дм 3 собираются в бак-кристаллизатор для умягчения. Последние порции отмывочных вод собираются и используются для взрыхления.

Катионы жесткости осаждаются щелочью и кальцинированной содой в виде солей CaCO3 и Mg (OH)2 при pH 11,2−11,9. При этом доза соды на осаждение 1 мг-экв кальция составляет 1 мг-экв, а доза щелочи на осаждение 1 мг-экв магния — 1,3 мг-экв. тепловой сеть карбонатный накипеобразование После нейтрализации избыточной щелочности кислотой и доукрепления солью раствор применяется для регенерации катионита. Избыток отработанного солевого раствора сбрасывается в канализацию. Для полной утилизации отработанного регенерационного раствора (ОРР) необходимо его концентрирование с использованием выпарных, электродиализных или установок обратного осмоса [6].

Одним из перспективных методов обработки воды является H-катионирование с «голодной» регенерацией (Hг-катионирование), когда кислота вводится в стехиометрическом количестве. Сточные воды при такой регенерации имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, а основным компонентом являются сульфаты кальция и магния. Утилизация таких вод значительно проще, чем утилизация сточных вод Na-катионирования, содержащих в основном хорошо растворимые хлориды натрия, кальция и магния. Преимуществом данного метода является то, что при удалении ионов жесткости происходит эквивалентное удаление щелочности, поэтому снижение общего солесодержания воды по сравнению с исходной значительно. Повышение pH Hг-катионированной воды производится проще, чем Na-катионированной, т.к. ее щелочность ниже. При необходимости количество солей в сточных водах может быть уменьшено путем Hг-катионированием, т.к. кальций и магний выводятся в осадок в виде CaSO4 и Mg (OH)2 [7].

Для большинства природных вод применение Hг-катионирования обеспечивает значение карбонатного индекса Ик ниже нормы как для открытых, так и для закрытых систем теплоснабжения.

Большой эффект по сокращению стоков с водоподготовительной установки может быть достигнут при применении современных высокоэффективных ионообменных материалов — карбоксильных слабокислотных катионитов с очень высокими технологическими показателями, предназначенных для использования в закрытых и открытых системах ГВС. Рабочая обменная емкость карбоксильных катионитов достигает 2−3 тыс. мг-экв/дм 3.

При применении Hг-катионирования можно практически полностью утилизировать сточные воды за счет многократного использования основной части ОРР [7]. Принципиальная схема с утилизацией стоков приведена на рисунке.

Исходная вода после обработки в водород-катионитных фильтрах 1 с «голодной» регенерацией катионита и декарбонизации собирается в баках декарбонизированной воды, откуда подается в деаэраторы подпиточной воды теплосети. Для взрыхления фильтров 1 и приготовления раствора кислоты для их регенерации используются сточные воды от предыдущей регенерации после осаждения и отделения гипса.

В процессе регенерации и отмывки сточные воды с содержанием кальция менее 25−30 мг-экв/дм 3 собираются в баке 4, а более жесткие — пропускаются через кристаллизатор 2, загруженный гипсовым шламом. В связи с большой удельной поверхностью этого шлама в кристаллизаторе происходит интенсивная кристаллизация гипса из раствора, и содержание сульфата кальция в нем снижается до 28−30 мг-экв/дм 3, что близко к растворимости гипса в данных условиях. Содержание магния в растворе остается неизменным.

Стабилизированный по гипсу раствор и воды взрыхления собираются в баке 3, где происходит его осветление. Осветленный раствор смешивается с маломинерализованными стоками в баке 4. Основная часть сточных вод из бака 4 используется для взрыхления Hг-катионитного фильтра и приготовления раствора кислоты, а их избыток подмешивается к умягченной воде, подаваемой на подпитку теплосети.

Осадок гипса, образовавшийся в кристаллизаторе 2, периодически выпускается в бункер 6, снабженный дренажной системой. Частично обезвоженный гипс с остаточной влажностью 25−30% вывозится автотранспортом по мере накопления.

В результате при работе по описанной схеме обеспечивается полная утилизация отработанного регенерационного раствора и отмывочных вод.

Выполненные исследования [7] показали, что многократное использование ОРР не ухудшает качество фильтрата и не понижает обменную емкость катионита.

Гипс, выделенный в процессе регенерации, обладает свойствами, позволяющими использовать его в строительстве, для обработки почв в сельском хозяйстве, для производства гипсового вяжущего, а также для других целей. Специалистами ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова» разработана технология переработки такого гипсового шлама в гипсовое вяжущее.

При необходимости более глубокого умягчения избытка сточных вод, подаваемых в теплосеть, используется известкование этой части регенерационных сточных вод [7].

Реализация таких схем позволяет полностью использовать сточные воды водоподготовительной установки и снизить расход реагентов на их обработку, защищая окружающую среду от сбросов.

Если качество обработанной с использованием Hг-катионирования воды не удовлетворяет требованиям ПТЭ по карбонатному индексу, возникает необходимость сочетания Hг-катионирования с Na-катионированием.

Хорошие результаты получены при совместном H-Na-катионировании в противоточном фильтре, загруженном слабои сильнокислотным катионитами, регенерируемыми по технологии UP.CO.RE.

Для утилизации сточных вод от регенерации Na-катионитных фильтров хлоридом натрия могут быть использованы технологии, идентичные описанным выше [5, 6], но из-за сокращения расхода NaCl на регенерацию значительно упрощается обработка образующихся сточных вод. Возможно также их упаривание до получения концентрированных рассолов или твердых солей.

В ряде случаев для защиты тепловых сетей от накипеобразования целесообразно использование аппаратов магнитной обработки (МО) воды.

МО воды предотвращает образование накипи на поверхностях, а также удаляет ранее образовавшуюся.

Единого мнения по механизму воздействия магнитного поля на обрабатываемую воду пока нет. Одна из наиболее обоснованных теорийобразование в воде под действием электромагнитного поля высокодисперсной взвеси кристаллов арагонита, не оседающих на поверхности оборудования и трубопроводов. При этом одновременно повышается концентрация углекислого газа в воде, что создает условия для растворения образовавшейся ранее накипи, основным компонентом которой является кальцит — более растворимая по сравнению с арагонитом модификация карбоната кальция [8].

Под действием электромагнитного поля в воде образуется и определенное количество перекиси водорода, который при контакте со стальной поверхностью образует на ней стабильную пленку Fe3O4, предохраняющую поверхность от коррозии. Перекись водорода оказывает также существенное антисептическое и антибактериальное действие, уничтожая до 99% водных бактерий.

Молекулы перекиси водорода имеют очень короткий жизненный цикл и быстро распадаются на кислород и водород, в связи с чем обработанная электромагнитным путем питьевая вода не оказывает вредных побочных эффектов на организм человека.

В большинстве случаев МО эффективна при определенном солевом составе воды, т. е. при определенной кальциевой карбонатной жесткости. Обработка воды, обладающей высокой сульфатной жесткостью, не дает хороших результатов.

Эффективная МО воды происходит при обязательном условии хорошо организованного выведения из водной системы тонкодисперсного шлама и кусков накипи, отслаивающихся со стенок.

Применение омагниченной воды исключает периодический сброс сточных вод, характерный для химводоочисток.

Одним из примеров успешного внедрения данной технологии является Словакия, где использование аппаратов AntiCa+ для обработки воды во втором контуре при двухконтурной схеме теплоснабжения исключило необходимость применения других способов обработки воды. Большой положительный опыт применения технологии с использованием МО различного типа в нашей стране также доказал возможность эксплуатации теплосетей без использования каких-либо реагентов.

В настоящее время в мировой практике широко используются мембранные методы обработки исходной и сточных вод, позволяющие снизить вредное воздействие водоподготовительных установок на окружающую среду. Преимуществанизкие параметры работы — 20−30 ОC при давлении 0,6 МПа, в связи с чем устраняется нужда в предъявлении жестких требований к качеству материалов установки и трубопроводов; эффективность, компактность, высокие экологические показатели.

Для эффективной реализации, в связи с особенностями эксплуатации мембран, помимо защиты от накипеобразования, требуется дополнительная механическая и химическая обработка воды. Кроме того, эффективность работы установок в определенной степени зависит от минерализации исходной воды.

В ряде случаев образование минеральных отложений на теплопередающих поверхностях позволяет предотвратить обработка воды антинакипинами. Применение ингибиторов коррозии позволяет предотвратить накопление соединений железа в воде и образование железоокисных отложений, а также снижает повреждаемость оборудования и трубопроводов от внутренней коррозии.

Эта технология позволяет использовать для подпитки теплосети воду с Ик в несколько раз выше нормы, но при ограничениях по температуре воды в зависимости от качества воды и типа оборудования в пределах 120−130 ОC [9, 10].

В период зимнего максимума температур возможна комбинированная схема обработки подпиточной воды теплосети, предусматривающая ее частичное умягчение и дозирование фосфатов.

Преимущества данного метода в исключении солевых сбросов, существенном уменьшении затрат на подготовку воды благодаря уменьшению расходов на реагенты и водопотребления вследствие уменьшения расхода воды на собственные нужды [11].

Таким образом, метод подготовки воды для теплосети должен выбираться с учетом не только параметров ее работы и типа (открытая или закрытая), но также с учетом качества водопроводной воды, подаваемой в систему ГВС, возможной величины присосов, ограничений по сбросу сточных вод и удалению образующихся шламов.

• 1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской федерации/Министерство энергетики РФ. М.: СПО ОРГРЭС, 2003. 368 с.
• 2. РД 24.031.120−91. Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов. 1991.
• 3. Балабан-Ирменин Ю.В., Липовских В. М., Рубашов А. М. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей. М.: Энергоатомиздат, 1999. 248 с.
• 4. РД 153−34.0−02.405.99. Методические указания по нормированию сбросов загрязняющих веществ со сточными водами тепловых электростанций. М.: АООТ «ВТИ», 2000. 29 с.
• 5. Потапова Н. В. Технология умягчения воды с утилизацией сточных вод на РТС МГП «Мостеплоэнерго» // Международная научно-практическая конференция «Экология энергетики 2000». — М.: Издательство МЭИ, 2000. С. 185−188.
• 6. Потапова Н. В. Малоотходные технологии умягчения воды на РТС ГУП «Мостеплоэнерго» //Аква-Терм. 2004. № 3. С. 34−37.
• 7. Шищенко В. В., Пащенко Ю. Е. Малоотходная технология водород-катионирования с «голодной» регенерацией катионита для подготовки подпиточной воды теплосети //Новости теплоснабжения. 2003. № 11. С. 36−42.
• 8. Проспект ООО «Машимпекс». Защита оборудования от накипи. Физический метод.
• 9. Балабан-Ирменин Ю.В., Богловский А. В., Рубашов А. М. и др. Методические указания по применению антинаки-пинов и ингибиторов коррозии ОЭДФК, АФОН 200−60А, АФОН 230−23А, ПАФ- 13Аи ИОМС-1 на энергопредприятиях. ОАО «ВТИ», М., 2004.
• 10. Васина Л. Г., Гусева О. В, Предотвращение накипеобразования с помощью антинакипинов // Теплоэнергетика. 1999. № 7. С. 35−38.
• 11. Воронов В. Н., Мартынова О. И., Петрова Т. И. и др. Совершенствование химико-технологических процессов в энергетике // Теплоэнергетика. 2000. № 6. С. 46.