Использование мембранных технологий в водоподготовке на энергетических объектах
Опубликовано: 29 июля 2010 г.
1700
А. Первов, д. т. н., Е. Юрчевский, к. т. н.
Области применения мембран в энергетике
Сфера применения мембранных методов в энергетике расширяется. Это вызвано их технологическими преимуществами, экономическими причинами и соображениями экологической безопасности.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Так, интерес к использованию обратного осмоса при подготовке воды для паровых котлов вызван тем, что его внедрение позволяет значительно (на 90 %) сократить количество потребляемых реагентов (кислот, щелочей, хлорида натрия) и одновременно избавиться от проблем, связанных с утилизацией сточных вод с высоким содержанием химических веществ.
Помимо ионов солей, современные обратноосмотические мембраны задерживают силикаты и молекулы органических веществ, что делает обратный осмос чрезвычайно перспективным для энергетики.
Кроме систем глубокого обессоливания воды, установки обратного осмоса успешно применяются для подготовки подпиточной воды паровых котлов. Благодаря невысокой стоимости, компактности, простоте обслуживания, полной автоматизации обратноосмотические системы оказываются оптимальным вариантом для подготовки воды автономных котельных и районных тепловых станций (РТС).
Паровые котлы предназначены для выработки перегретого пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий в системах отопления и ГВС. Сырье для производства пара – глубоко умягчённая вода, которую традиционно получают с помощью натрий-катионирования. Использование натрийкатионитных фильтров имеет существенный недостаток: регенерация ионообменного материала производится раствором хлорида натрия, и образующиеся при этом солевые сточные воды должны быть утилизированы. Традиционно они направляются в городскую канализацию, однако в масштабах большого города эксплуатация РТС составляет серьезную экологическую проблему.
Кроме того, в настоящее время происходит модернизация конструкций паровых котлов. Повышаются технические показатели, что вызывает рост требований к качеству питательной воды. Так, котел БЭМ 25/4 – 440 ГМ производства ОАО «Белэнергомаш» требует, кроме уменьшения жесткости, понижения минерализации питательной воды не более 70 мг/л. Такие значения минерализации для вод с исходной минерализацией больше 70 мг/л натрий-катионированием получить невозможно. В этих случаях (вариант использования водородкатионирования будет рассмотрен отдельно) обратноосмотические мембранные установки для деминерализации, пожалуй, единственная подходящая технология.
В последнее время в практику питьевого и технического водоснабжения стали широко внедряться такие мембранные методы, как ультра- и нанофильтрация. В зависимости от диаметра пор мембраны эффективно задерживают коллоидные и органические загрязнения. Теперь мембраны, вероятно, – единственный эффективный и в то же время безреагентный метод снижения цветности.
Эти технологии находят применение и в водоподготовке энергетических объектов, а в некоторых случаях, например для подпитки теплосетей ультра- и нанофильтрация, могут быть использованы как самостоятельные методы.
Ультрафильтрационные мембраны, в зависимости от назначения, имеют различный размер пор: от 0,01 до 0,1 мкм. Обычно размер пор определяют значением «отсечения» частиц молекулярной массой от 20 до 300 кДа.
Современные ультрафильтрационные мембраны, используемые зарубежными фирмами для водоподготовки, имеют размер пор, «отсекающий» примеси молекулярной массой от 150 до 300 кДа. В связи с этим при обработке природных вод с высокой цветностью ультрафильтрационные мембраны уменьшают цветность незначительно.
Ультрафильтрация используется как наиболее эффективный метод предподготовки воды перед обратным осмосом. Ультрафильтрационные мембраны эффективно задерживают взвешенные и коллоидные вещества, органические загрязнения, обусловливающие цветность. Использование ультрафильтрации дает гарантию высокого качества очищенной воды, несмотря на сезонные колебания качества исходной воды.
Кроме того, ультрафильтрация может быть использована как самостоятельный метод осветления воды в качестве предочистки перед подачей воды на установки ионообменного обессоливания или умягчения. Современные технологии ионного обмена (в частности, с противоточной регенерацией) требуют тщательной предочистки по взвешенным и коллоидным примесям. Системы ультрафильтрации могут считаться хорошей альтернативой осветлительным методам.
Поскольку ультрафильтрационные мембраны используются в качестве технологии предочистки перед подачей воды на обратносмотическую мемебрану, в исходную воду дозируют флокулянт. Дозирование флокулянта – необходимая мера для повышения эффективности задержания органических загрязнений, которые могут образовывать осадки на обратноосмотических мембранах. Однако исследования показали, что низкомолекулярные (менее 200 кДа) органические вещества оказывают очень слабое влияние на обратноосмотические мембраны.
Размер пор нанофильтрационных мембран позволяет задерживать многовалентные ионы и органические вещества. Это делает нанофильтрацию очень перспективным процессом уменьшения цветности, окисляемости, жёсткости и даже предочистки перед обратным осмосом.
Современные нанофильтрационные мембраны позволяют без применения реагентов уменьшить цветность до значений 10 градусов платино-кобальтовой шкалы (что соответствует требованиям СанПиН); одновременно можно на 80–90 % понизить общую жёсткость воды.
При обработке подземных вод нанофильтрация показала серьезные преимущества перед коагуляционными и окислительными методами и может использоваться в качестве предочистки перед ионообменными обессоливающими установками, а также в качестве самостоятельного метода подготовки умягчённой воды для подпитки теплосетей.
Преимущества нанофильтрации при очистке вод указанного типа сочетаются также с низкими затратами на эксплуатацию. При невысоких (до 0,25–0,6 МПа) значениях рабочего давления нанофильтрационные аппараты почти не загрязняются осадками малорастворимых солей и не требуют частых химических регенераций. Это обстоятельство выгодно отличает нанофильтрацию от обратного осмоса и делает её более перспективной для применения в водоподготовке.
Основные пути совершенствования мембранных систем
Несмотря на очевидную эффективность мембранных процессов в очистке воды от органических, биологических и коллоидных загрязнений, серьезные опасения вызывают именно наличие этих загрязнений в воде, а также их влияние на работоспособность мембран.
Обзор научных исследований в области мембранных технологий показывает: основной упор делается сегодня на модифицирование поверхности нанофильтрационных мембран, стойких к загрязнениям коллоидными и органическими веществами. Именно этим бъясняется сложность промышленного внедрения как обратноосмотических, так и ультрафильтрационных установок, особенно в энергетике.
В частности, вопрос влияния различных растворенных органических соединений на свойства нанофильтрационных, обратноосмотических и ультрафильтрационных мембран до сих пор вызывает немало споров и не имеет однозначной оценки.
Закономерности накопления органических веществ на поверхностях различных мембран и их влияние на изменения селективности и производительности мембран изучались в ряде работ.
Современные обратноосмотические и ультрафильтрационные мембраны имеют композитную структуру на основе полисульфона. Поверхностный заряд такого селективного слоя, как правило, отрицательный. Благодаря этому органические молекулы эффективно адсорбируются на поверхности мембран. Интенсивность адсорбции органических соединений на поверхности мембран изучалась рядом исследователей на основе экспериментов в режиме циркуляции.
Современные исследования ведутся в области расширения применения нанофильтрации – использования ее для очистки вод непосредственно из поверхностных источников, уменьшения чувствительности нанофильтрационных мембран к загрязнению взвешенными веществами. В частности, фирма Norit (Нидерланды) уже использует аппараты, имеющие свойства нано- и ультрафильтрационных мембран. Они могут работать на поверхностной воде без ее предварительной обработки. Стойкость к загрязнению обеспечивается конфигурацией мембран – в виде полых волокон (капилляров), что полностью исключает наличие застойных зон. Удаление накапливающихся на внутренней поверхности капилляров осадков взвешенных веществ производится регулярно с помощью гидравлических промывок («продувок») со сбросом давления.
Технологические схемы и экономические аспекты их применения
Мембранные методы могут применяться как в комбинациях, так и самостоятельно. Какой метод и в каких комбинациях, решается путем оптимизационных исследований, при сравнении капитальных и эксплуатационных затрат. Экологическая составляющая затрат также учитывается в виде цен на воду, сброс стоков в канализацию, водоемы и т.д.
Основные комбинации нанофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса показаны на рис. 1.
В условиях меняющихся цен на реагенты и материалы провести экономическое сравнение обратного осмоса с ионным обменом трудно. До сих пор не выяснены также такие составляющие расчета эксплуатационных затрат обратного осмоса, как сроки службы мембран, сменных конструкций, химикатов для промывки.
Эксплуатационные затраты на получение обессоленной воды методом обратного осмоса включают расходы на электроэнергию, серную кислоту и щелочь, ингибитор для предотвращения отложений на поверхности мембран, моющие растворы, исходную осветленную и подогретую воду, замену мембран, патронных фильтров предочистки, плату за сброс сточных вод.
Экономическое сравнение обратного осмоса и ионного обмена показано на рис. 2. Абсциссы точек пересечения линий графика определяют концентрацию солей в исходной воде, соответствующую границам оптимального применения того и другого метода. На себестоимость воды могут существенно повлиять изменения цен на кислоту и щелочь, а также затраты на исходную воду.
Существенно повысить эффективность ионообменных установок позволяет использование технологии противоточной регенерации. Важнейший недостаток ионитов – чувствительность к коллоидным веществам, необходимость тщательной предочистки.
Следует сказать, что двухступенчатое натрий-катионирование часто оказывается дешевле обратного осмоса, а в сочетании с нанофильтрацией может стать и эффективнее его.
При небольших значениях жесткости и минерализации исходной воды применение предочистки в виде нанофильтрации значительно экономичнее с точки зрения эксплуатационных расходов.
Основные преимущества нанофильтрации перед другими методами – низкие эксплуатационные затраты и рабочее давление, отсутствие потребности в реагентах, относительно низкие капитальные затраты. А использование для предочистки воды ультрафильтрации способно внести значительный вклад в повышение экономичности обратного осмоса.
При сопоставлении данной технологии с традиционной схемой водоподготовки перед обратноосмотическим обессоливанием следует учитывать затраты на электроэнергию, расход патронных фильтров тонкой очистки, реагентов и т.д. Необходимо принимать во внимание и уменьшение производительности обратноосмотических мембран вследствие их загрязнения органическими веществами и дополнительные расходы моющих растворов. Сравнение эксплуатационных затрат при реагентной и ультрафильтрационной обработке показано на рис. 3.
Изучение зависимости приведенных затрат от минерализации воды позволяет утверждать, что в условиях Москвы при минерализации более 100 мг/л ионный обмен оказывается дороже обратного осмоса.
Таким образом, применение мембранных методов для подготовки питательной воды паровых котлов экономически целесообразно при существующих ценах на воду, сброс в канализацию и энергоресурсы.
При обработке поверхностной воды для тепловых сетей вместо традиционно применяемых реагентных систем осветления с осветлителями и осветлительными фильтрами используются системы ультрафильтрации (см. рис. 1,а). Однако возможности установок ультрафильтрации по задержанию «органики» так же ограничены, как и возможности коагуляционных процессов. Значения цветности на уровне 50–70 градусов платино-кобальтовой шкалы – предел для этих технологий. Если природная вода имеет высокое значение цветности, нанофильтрация может использоваться как самостоятельный метод осветления и предочистки перед ионообменными фильтрами (см. рис. 1, б).
Как было показано выше, применение метода обратного осмоса вместо первой ступени натрий-катионитного умягчения в схемах подготовки питательной воды паровых котлов очень перспективно как с экономической, так и с экологической точки зрения. В случаях обработки поверхностных вод схемы водоподготовки включают также ультрафильтрационные установки для предочистки перед обратным осмосом (см. рис. 1, в).
В системах глубокого обессоливания (для водоподготовки ТЭЦ) обратный осмос используется вместо водород-катионитных и гидроксид-анионитных фильтров первой ступени, что позволяет сократить потребление большого количества кислот и щелочей, а также избавиться от сточных вод, содержащих эти реагенты. Ультрафильтрация в качестве предочистки – неотъемлемая часть схем с применением обратного осмоса (рис. 1, г).
Отметим, что при обработке подземных и поверхностных вод с высокой цветностью метод нанофильтрации гораздо эффективнее метода ультрафильтрации.
Выводы
Использование обратного осмоса для водоподготовки энергетических объектов (ТЭЦ, котельных) имеет большие перспективы как с экологической, так и с экономической точки зрения, поскольку позволяет отказаться от большого количества дорогостоящих реагентов и одновременно избавляться от сточных вод, содержащих эти реагенты.
Применение ультрафильтрации в качестве предочистки перед обратноосмотической деминерализацией стабилизирует качество исходной воды и сокращает расходы на предочистку, повышая конкурентоспособность обратноосмотической технологии.
При обработке природных вод с высокой цветностью мембранные методы ультрафильтрации и нанофильтрации оказываются гораздо эффективнее традиционных реагентных методов очистки воды.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #1(35) 2007