Насосное оборудование в системах водоподготовки для нужд энергетики

      Существующая сегодня в России объективная нехватка энергетических (электро-  и тепловых) мощностей вызвана, во многом, не только недостаточностью строительства новых генерирующих станций, но и значительным износом уже существующих ТЭС. Среди множества причин, вызвавших этот износ, одну из ключевых ролей играет плохое качество теплоносителя – воды. Эта проблема остается актуальной, несмотря на то, что сегодня разработан и широко используется целый арсенал средств для водоподготовки. Установлено, что мероприятия по водоподготовке дают экономию топлива от 20 до 40%, увеличивается срок работы котлов и котельного оборудования до 25-30 лет. 

     Однако сложность ситуации состоит в том, что при больших объемах воды, достигающих нескольких тысяч м3/ч, ее очистка и подготовка является сложной и многофакторной задачей, включающей  технические, экономические и экологические аспекты. При этом приходится учитывать непрерывный рост цен на реактивы и электроэнергию, расход которых в данных процессах очень велик. Стоит также принять во внимание, что затраты на электроэнергию для насосов в системах водоподготовки достигают 40% от общей потребности.

      Очевидно, что одним из способов снижения расходов и рисков является применение в установках водоподготовки (ВПУ) современных физико-химических методов и энергоэффективного оборудования, в частности – насосов различного назначения.

Предочистка

     Значительное количество примесей разной дисперсности в природных водах определяет необходимость их многостадийной подготовки. На первом этапе производится  очистка от грубодисперсных (ГДП) и коллоидных частиц. Следует учитывать, что ошибки на этом этапе становятся причиной снижения эффективности последующих стадий (например, органические загрязнители могут послужить причиной  «отравления» ионообменных смол), а также приводят к появлению отложений на поверхности нагрева и коррозии металлических элементов. Но если ГДП достаточно легко удаляются физико-механическими способами (отстаиванием и фильтрацией), то агрегатно-устойчивые коллоиды требуют физико-химических методов, а именно – коагуляции, при которой происходит дестабилизация дисперсной системы с укрупнением и дальнейшим выпадением хлопьев (флокул). Полученная твердая фаза выделяется из воды в осветлителях и осветлительных фильтрах.

      На практике в качестве коагулянта используют полигидраты солей алюминия и железа, например, полиалюмогидрохлорид или полиалюмогидросульфат, или полигидрат сульфата железа (II). Последний реагент применяется при совмещении процессов коагуляции и известкования.

       Процесс осветления коагуляцией – сложное физико-химическое явление, успех которого зависит от массы параметров. Тем не менее, можно выделить четыре основных фактора, которые определяют скорость и качество протекания реакции.

1.      Скорость потока. Поскольку глубина процесса детерминирована временем образования и укрупнения флокул, следует учитывать, что режим потока может  существенно влиять на возникающие первичные рыхлые хлопья. В пределе, они могут даже разрушаться. Поэтому скорость потока воды в зоне реакции и отстаивания не должна превышать 1-1,5 мм/с.

2.      рН среды. В связи с тем, что скорость и глубину гидролиза коагулянта определяет кислотность среды, она должна находиться в заданных для данного реагента параметрах. Например, для сульфата алюминия эмпирическое значение оптимального рН находится в пределах 5,5-7,5. В более кислой (рН≤ 4,5) среде гидролиз реагента не происходит, а в более щелочной (свыше 8) получившийся гидроксид алюминия, благодаря амфотерности металла, диссоциирует, как кислота, в результате чего эффективность процесса падает.

3.      Температура. Подогрев (до 40ºС) и перемешивание очищаемой воды увеличивает скорость процесса и повышает размер флокул.

4.      Дозировка коагулянта. Оптимальная дозировка коагулянта определяется на основе анализа природной воды и может варьировать в достаточно широких пределах, в зависимости от времени года и пр.

     Следует заметить, что последний фактор может иметь решающее значение в стоимости первичной обработки воды, поскольку реагенты для такой обработки достаточно дороги.  Для снижения расходов оптимальным выходом становится внедрение автоматизированных систем первичной обработки. Они позволяют существенно сократить расход химикатов (за счет высокой точности подачи – до 1-1,5% по объему) и оптимизировать процессы первичной очистки. Такие системы сегодня нашли достаточно широкое применение в водозаборах. Например, на Западном водозаборе г. Москвы, откуда вода поступает, в том числе, и на ТЭЦ, вода из реки проходит обработку флокулянтами (полиалюмогидрохлорид) при помощи установок GRUNDFOS POLYDOS, при этом станция также самостоятельно поддерживает оптимальный рН. Система полностью автоматизирована и контролируется, через специальные шкафы управления, из центрального диспетчерского пункта.

Ионный обмен и мембранные технологии    

Если вода используется для питания котлов высокого давления, работающих при Р ≥ 70 атм. (температура кипения воды в этом случае свыше 285°С), она нуждается в деминерализации (глубоком умягчении). Сегодня в этих случаях применяют многоступенчатый ионный обмен на базе использования синтетических органических катионообменных и анионообменных смол и мембранные методы – обратный осмос.

Наиболее широкое распространение к настоящему времени получил ионообмен. Принцип действия метода основан на возможности ионитов изменять состав обрабатываемой воды в необходимом направлении. Реакция происходит на поверхности ионита – полимера, в состав которого входят функциональные группы, способные поглощать из раствора ионы определенного заряда в обмен на эквивалентные количества других ионов того же заряда. При этом выбор типа смолы (анионит или катионит) напрямую зависит от состава и качества очищаемой воды.

      В общих чертах, метод состоит в прокачивании воды через колонки с ионитом. При этом в формирующейся зоне фильтрации (фронт фильтрации) и происходит реакция ионообмена. После достижения предела емкости ионита (возникновения проскока поглощаемого иона) колонка требует регенерации.

      Следует отметить, что ионообмен, несмотря на эффективность, имеет ряд недостатков, которые снижают ценность технологии в глобальной перспективе.

Во-первых, велики затраты на регенерацию фильтров и досыпку ионитов. Во-вторых, низка экологичность метода из-за образования значительного количества солевых стоков опасной концентрации. Например, для умягчения при жесткости исходной воды 7 мг÷экв/л и расходе умягченной воды 1000 т/ч расход реагентов для регенерации фильтров (NaCl) достигает 30 т/сут. При этом сброс опасных засоленных стоков (в пересчете на твердые соли), который поступает в поверхностные водоемы, также соответствует этой цифре, следовательно, требуются меры по их обезвреживанию. В-третьих, велика вероятность «отравления» ионитов органическими соединениями, растворенными в воде, и, как следствие, снижения эффективности установки. Кроме того, неполярные органические соединения практически не задерживается на колоннах. В результате они попадает в котлы и трубопроводы, вызывая коррозию оборудования.

                   В связи с этим более перспективным выглядит применение мембранных и комбинированных технологий, таких как обратный осмос. Несмотря на то, что этот метод является достаточно затратным на этапе первоначальных вложений, доказано, что при высокой окисляемости исходной воды или содержании солей выше 300 мг/л эксплуатация обратноосмотических установок становится более экономически выгодной, нежели ионный обмен (данные ВТИ).

        Безусловным преимуществом обратного осмоса можно считать возможность полной комплексной очистки от всех видов загрязнений, отсутствие необходимости регенерации ионитов и, как следствие, отсутствие больших количеств опасных стоков, компактность и простота в обслуживании.

      В общем, мембранная фильтрация – процесс разделения веществ на полупроницаемой мембране.  Их особенностью является способность пропускать молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества. В настоящее время для изготовления таких мембран используют целый ряд современных материалов, например  – дифторид поливинилдиена и полисульфон.  

     Наиболее широко применяемый в промышленности обратный осмос использует в качестве движущей силы внешнее (создаваемое насосом) давление. Для разных конечных целей подбирают разные варианты компоновки мембран и насосов, причем от надежности и эффективности последних зависит функционирование всей системы.

     Вообще, в установках мембранной фильтрации обычно присутствует несколько видов насосов. Это повышающие (для повышения давления на входе в систему). Они призваны поддерживать постоянное давление (0,5–6 Бар) в магистрали предфильтрации.  Для создания противодавления в мембране используются нагнетающие агрегаты, а для распределения воды по потребителям применяются распределительные устройства.

      Подбор насосов сложен и определяется другим оборудованием, которое используется для непосредственной водоочистки, например - типом обратноосмотических мембран, выбор которых определяется составом исходной воды. В этой связи сегодня наибольшее распространение получили готовые (блочные) обратноосмотические модули. Например, такие модули на основе материалов и оборудования ведущих мировых производителей производят российские компании LENRO и ЭКОДАР.

Как правило, особое внимание при подборе насосов уделяется качеству и материалу исполнения, поскольку особенностью насосного оборудования для мембранных технологий очистки является необходимость создания больших напоров для поддержания потока через мембрану. Высокие требования предъявляются и к коррозионностойкости насосов, особенно для перекачивания концентрата.

     По этим причинам при выборе насосного оборудования рекомендуется отдать предпочтение нержавеющей стали (с содержанием хрома не менее 12%) или титану.  Помимо коррозионностойкости, эти материалы, благодаря оксидной пленке на поверхности деталей, успешно противостоят очень высоким скоростям потока, не подвергаясь эрозии. Необходимо заметить, что в данном случае очень важно и качество (снижение шероховатости) поверхности. Этим требованиям отвечают, например, многоступенчатые центробежные насосы GRUNDFOS серии CRN, которые собираются и в России.

      Заметим, что если в схеме предусмотрена промывка мембраны специальными кислотосодержащими растворами, возможно применение насосов из современных композитных материалов.

Сегодня можно уверенно утверждать, что использование современных технологий и оборудования, в частности – насосов, на предприятиях, безусловно, ведет к оптимизации работы этого производства и снижению издержек, а, значит, и снижению себестоимости производимой энергии. Кроме того, применение подобной техники снижает экологическую нагрузку на окружающую среду, что в современных условиях также немаловажно.

   Пресс-служба ООО «ГРУНДФОС»