Современные технологические системы промышленной водоподготовки

Высокая природная жёсткость воды создаёт существенные проблемы для производительности и долговечности эксплуатации котлов и котельных. Катионы магния и кальция, которые в избытке содержатся в воде, стают причиной трудноудаляемой накипи на внутренних стенках водоподготовительных установок. Поэтому использование воды повышенной чистоты – основная забота эксплуатационников систем парообразования.   

Роль нерастворимых отложений в стабильности работы промышленных котлов и котельных

Вода с высокой степенью химической чистоты уменьшает использование специальных реагентов – умягчителей – которые применяются для котлов. По той же причине приходится периодически (в основном, в тёплое время года) останавливать котлы и котельные из-за необходимости продувка паро- и водопроводов. Подсчитано, что только при увеличении частоты продувки в 10 раз достигается должная эффективность систем водоподготовки, которая выражается в снижении затрат на топливо. В результате частых продувок уменьшается концентрация примесей в воде, питающей  котлы, и соответственно снижается общий уровень загрязнений на поверхностях теплообмена.

Регулярная система водоподготовки для котлов и котельных приводит также к снижению скорости протекания коррозионных процессов. Хотя большинство марок котельных сталей отличает высокая теплостойкость, в случаях, когда котел используется для запуска паровой турбины, со временем происходит интенсивная эрозия лопаток турбин. Увеличивается загрязнение внутренних поверхностей теплообменников. Более низкий уровень примесей снижает скорость протекания данных процессов, а генерируемый пар обладает более высокой степенью чистоты.

Снижение частоты регенерации ионного обмена для систем водоподготовки котлов и котельных может быть решено использованием обратного осмоса. Затраты на химреактивы при этом существенно уменьшаются.

Комплексная система водоподготовки, которая включает как обратный осмос, так и ионный обмен, как правило, более экономична. Однако использование обратного осмоса требует существенного изменения операций над обработкой воды, что в целом увеличивает затраты на водоподготовку.

Силикатные и коллоидные отложения уменьшают эффективность работы котла, а также приводят к преждевременному отказу турбин. Ультратонкая фильтрация может удалить более 99% коллоидного кремнезёма, а также осажденного железа и алюминия. Снижение содержания твердых частиц, взвешенных твердых частиц и общего органического углерода также повышает эффективность работы турбин и котлов. Тем не менее, в промышленных масштабах использование обычных мембранных технологий сталкивается с серьезными проблемами загрязнения мембран.

Решение проблемы повышения эффективности для систем водоподготовки

При обеспечении оптимальной производительности качественная фильтрация водных потоков, которые питают котлы и котельные агрегаты, позволяет им соответствовать строгим требованиям эксплуатации, и достигать заданных значений коэффициента эффективности работы.

Обработка питающей воды котла необходима для предотвращения чрезмерного загрязнения технологического оборудования теплообменника и эрозии лопаток турбины. Технологические достижения в системах мембранной фильтрации создают возможность справляться со значительными потоками подаваемой воды с целью обеспечения более строгих характеристик системы водоподготовки для промышленных котлов и паровых электростанций.

Среди наиболее удачных вариантов таких систем - обработка с так называемым улучшенным вибрационным сдвигом. Она позволяет фильтровать потоки сточных вод, а также обычную воду, предназначенную для котельных, устраняя проблемы загрязнения, неизбежные при использовании обычных мембранных технологий. При водоподготовке с улучшенным вибрационным сдвигом:

  • уменьшается уровень граничных концентраций карбонатов.
  • снижаются жёсткость и цветной показатель.
  • уменьшается содержание кремнезёма в воде, поступающей из промышленного водопровода, а также артезианских скважин.

Сущность такой системы водоподготовки заключается в ультратонкой фильтрации (применяется также термин «нанофильтрация»)  задействованных мембранных модулей для обработки воды. При этом создаётся поток  пермеата – воды, которая проходит сквозь мембранный слой. Этот поток уже соответствует критериям подачи воды, предназначенной для питания водогрейных котлов и котельных, относительно концентраций взвешенных и растворенных твердых веществ, кремнезема и твердости. После окончательной обработки ионообменными смолами прозрачный пермеат можно вторично использовать в качестве питающей рабочей среды, что повышает эффективность водоподготовки.

Фильтрацию обратным осмосом можно использовать, если требуется полное удаление растворенного твердого вещества. В некоторых случаях с этой целью на стадии окончательной очистки применяют специальные спиральные мембраны.

В результате реализации подобной технологии водоподготовки используются преимущественно ионообменные смолы. Такой процесс исключает требования к предварительных стадиях водоподготовки, сокращает количество применяемых химических регентов и исключает реализацию довольно трудоёмких мероприятий по удалению отработанных регенерантов.

Современные методы очистки воды в рабочих контурах котлов и котельных установок

В настоящее время для систем водоподготовки котлов и котельных используются несколько технологий. Критериями выбора служат сложность и надёжность систем химической очистки, состав добавок/осветлителей, направленность фильтрационных потоков, применение упомянутых ранее спиральных мембран.

Исследования показывают, однако, что наибольшая эффективность водоподготовки наблюдается именно при использовании технологии вибрационного сдвига. Для котлов, котельных и систем водоподготовки электростанций, а также для медицинской и пищевой промышленности, которые используют только очищенную воду, мембранные системы, использующие этот процесс, могут успешно избегать серьезных проблем, которые вызваны загрязнением мембран.

Рассмотрим технологию водоподготовки вибрационным сдвигом на примере водяного цикла электростанции. Поступающая на электростанцию вода может подаваться из скважины подземных вод (водоносного горизонта), поверхностных вод или по городским водопроводным сетям. Такая вода должна пройти обработку, чтобы соответствовать критериям нормального функционирования котла или котельной. В рамках этой обработки потребуется удалить накопившийся  конденсат, а также дезактивировать и очистить сточные воды, образующиеся в скрубберах очистки дымовых газов. Для котельных это является серьёзной проблемой. При водоподготовке, в зависимости от поставленных требований может быть применён ряд процессов:

  • Химическая обработка/ размягчение известкового налёта на котельном агрегате.
  •  Двойная фильтрация.
  • Адсорбция углеродных частиц.
  • Применение обратного осмоса.
  • Окончательная очистка ионообменными смолами.

Конечным продуктом этих операций являются отходы, в том числе отработанный углерод и регенерирующие химикаты из ионообменных смол.

При водоподготовке с применением технологии вибрационного сдвига используются два самостоятельных процесса – обработка входной воды для котла и удаление предварительно очищенных водостоков. Обычно в системах водоподготовки для уменьшения жёсткости поступающей воды используют многоступенчатый процесс. Он включает в себя химическую обработку и/или ионный обмен. Эти многоступенчатые процессы могут быть заменены установкой для фильтрации улучшенным вибрационным сдвигом, которая может выполнять одноэтапную водоподготовку.

В этом случае все перечисленные операции объединяются. Устройство снабжено совокупностью непористых мембран, которые производят дифференцированное разделение и удаление частиц из разных материалов и с разными размерами фракций. Полученное качество воды для котельной такое же, как и при многоступенчатой фильтрации и химической обработке.

Схема процесса водоподготовки

Технологическая цепочка водоподготовки для котла основана на применении мембранной фильтрационной системы с обратным осмосом, которая заменяет следующие этапы предварительной обработки:

  • Деизвесткование.
  • Катионное размягчение.
  • Двухслойную фильтрацию.
  • Адсорбцию углерода.
  • Обычную фильтрацию блоками обратного осмоса.

Городская вода обрабатывается в одноступенчатой системе, за которой следует конечная ионообменная очистная установка. Затем очищенная для котла или для котельной вода подается к месту применения через питающий насос.

Блоки системы водоподготовки, основанные на использовании технологии вибрационного сдвига, интегрированы с обработкой воды на объекте промышленного производства.

Например, вода из городской водопроводной сети предварительно нагревается в теплообменнике (первая стадия), в результате чего образуется чистый пермеат. Затем она дополнительно нагревается теплообменником с паровым нагревом до температур 40…450С (с повышением температуры интенсифицируется поток пермеата через блок обработки, что обеспечивает привод работы первого теплообменника).

Предварительно нагретую воду перечивают в уравнительный резервуар, где для регулирования pH иногда добавляют серную кислоту. По мере необходимости возможно добавка и других химических веществ, например, квасцов или некоторых полимеров: это улучшает коагуляцию. Вода, которая выходит из уравнительного резервуара, затем поступает во второй резервуар, где отстаивается и затем подается непосредственно к котлу или в котельную. Таким образом, предварительно нагретая вода из городского водопровода перед подачей обрабатывается с помощью двух промышленных блоков.

При альтернативном варианте мембранная система водоподготовки для котельных или котлов вначале образует поток пермеата, который далее направляется в теплообменник для рекуперации тепла, а затем хранится в резервуаре для очищенной воды до окончательной очистки путём ионного обмена. Остатки воды от котельной сбрасываются в водоотстойные пруды.

Использование описанной технологии водоподготовки является экономически выгодным для обработки воды, питающей промышленные котлы или котельные. Почти 80% поступающей воды пригодно для вторичного использования в тех же целях, и только менее 20% уходит в концентрированные отходы. Выбор мембран основан на совместимости материалов, скорости потока и требованиях к концентрации (жёсткость, концентрация диоксида кремния, наличие прочих веществ).

Качество пермеата можно контролировать, используя лабораторный выбор мембранных материалов, доступных для соответствия параметрам применения.

Заключение

Система водоподготовки для котлов и котельных на основе использования процессов очистки вибрационным сдвигом обеспечивает повышение качества воды, необходимой для работы котельных установок и котлов электростанций. Качественная очистка производится всего за один этап, причём в результате не только устраняются многие проблемы существующих технологий водоподготовки, но и обеспечивается достаточно полная регенерация воды для вторичного применения по назначению.

Обоснование использования этой системы для конкретных условий использования определяется путем анализа стоимости и преимуществ системы, включая:

  • Снижение жёсткости, бактериологических и химических показателей воды, которая поступает к котлам или в котельные агрегаты.
  • Повышение качества воды, что положительно влияет на эффективность работы водоиспользующих агрегатов.
  • Уменьшение потребностей котельных и котлов в свежей/первичной  воде и затрат на её предварительную обработку.
  • Обработанная вода содержит достаточное количество тепла, что можно использовать в смежных или вспомогательных процессах.
  • Устранение роста бактерий и специфического запаха сточных вод.
  • Сокращение объема сброса сточных вод и связанных с ним затрат на обработку.