Экономичные мембраны

Первая в энергетике России схема водоподготовки введена в эксплуатацию в химическом цехе Заинской ГРЭС - филиале ОАО «Генерирующая компания» в Республике Татарстан. Для получения обессоленной воды для подпитки прямоточных энергетических котлов в химическом цехе предприятия применяются мембранные технологии (ультрафильтрация и обратный осмос) с последующим химическим дообессоливанием на противоточных фильтрах Н-ОН фильтров.

Только в 2005 г. благодаря первой ступени - системе ультрафильтрации - сэкономлено 275 т серной кислоты, 117 т щелочи и 22 т извести.
В свою очередь, произошло снижение сбросов регенерационных вод на 80,1 тыс. м3/год, сброс сточных вод в р. Степной Зай сократился на 164,0 тыс. м3 и, как следствие, – уменьшилось вредное воздействие на окружающую среду.
Впервые вопрос о необходимости реконструкции водоподготовительной установки (ВПУ) на Заинской ГРЭС с целью замены исходной артезианской воды на воду из Заинского водохранилища возник в начале 80-х годов. В то время это было обусловлено дефицитом исходной воды как для подготовки обессоленной воды, так и для подготовки воды в схеме подпитки теплосети. Использование воды из поверхностных источников не представлялось возможным из-за отсутствия технологической возможности ее предочистки.
Реконструкция существующей схемы проходила в три этапа:
- I этап – ввод в эксплуатацию установки ультрафильтрации (УУФ) в качестве предварительной очистки поверхностной камской воды.
- II этап – ввод в эксплуатацию установки обратного осмоса (УОО) и переход в связи с этим на более дешевую воду Заинского водохранилища.
- III этап – ввод в эксплуатацию схемы противоточного ионирования, что позволило уменьшить количество работающих фильтров, реагентов, фильтрующих материалов, агрессивных стоков и полностью автоматизировать ВПУ.
С ужесточением природоохранных требований в отношении качества сточных вод проблема усовершенствования процесса водоподготовки приобрела экологический окрас. Дело в том, что поступающая на обессоливающую установку ХВО артезианская вода высоко минерализована (на 40-50% больше, чем вода в р. Каме). В связи с этим для ее обессоливания требуется очень большое количество серной кислоты и щелочи, что, в свою очередь, приводит к образованию значительного количества сточных вод и, как следствие, - к увеличению вероятности возникновения негативного воздействия на окружающую среду.
На первом этапе была выполнена предочистка исходной воды в составе механических сетчатых фильтров и трех модулей ультрафильтрации производительностью по 90 м3/час каждый.
Начальник лаборатории охраны окружающей среды Заинской ГРЭС Сергей Васильевич Кузьмин рассказывает о принципах работы первого этапа:
- Ультрафильтрационная установка работает в режиме тупиковой фильтрации. На УФ-установке происходит удаление органических веществ, взвешенных веществ, железа, нефтепродуктов. После этого осветленная вода подается в баки осветленной воды и затем на установку обессоливания для получения обессоленной воды. Часть воды подается в баки обратной промывки для проведения обратной промывки мембранных элементов. Фильтрация происходит в течение 40 мин., затем модуль автоматически отключается для обратной промывки. Вода после этого сливается в баки сбора дренажных вод, откуда насосами дренажных вод перекачивается в баки нейтрализации ХВО.
Сравнение воды р. Камы и Заинского водохранилища показало, что, с экономической точки зрения, целесообразнее использовать воду водохранилища. Однако подача этой воды на существующую ионообменную установку приведет к увеличению расхода реагентов и быстрому выходу из строя ионообменных материалов.
Для снижения данных негативных факторов была произведена замена первой ступени ионообменной очистки на установку обратного осмоса.
Обратноосмотическая установка, введенная в эксплуатацию в апреле 2007 г., позволила ГРЭС полностью перейти на дешевую, но с более высоким солесодержанием исходную воду Заинского водохранилища. Общее солесодержание камской воды – 650 мг/дм3, воды Заинского водохранилища – 1000 мг/дм3.
- Преимущество инновации обратного осмоса в том, что метод обеспечивает удаление основных солей и органических загрязнений с минимальными эксплуатационными затратами и создает благоприятные условия для работы последующих ступеней доочистки, - говорит С.В. Кузьмин.
- Кроме этого, новая технология защищает котлы от коррозии, - дополняет начальник химического цеха Заинской ГРЭС Леонид Владимирович Кутилов. - Кстати, с целью уменьшения содержания продуктов коррозии в обработанной воде и защиты от разрушения энергетического оборудования в качестве материала трубопроводов обработанной воды мы используем полиэтилен низкого давления.
Принцип работы представляет собой следующее: осветленная вода с установки ультрафильтрации подается насосами на установку обратного осмоса, состоящую из четырех модулей. В модуле обратного осмоса осветленная вода проходит через патронные предфильтры с тонкостью фильтрации 5 мкм и далее многоступенчатым центробежным насосом с частотным приводом подается на обратноосмотические элементы, где происходит очистка от растворенных солей. Каждый модуль состоит из 12 напорных аппаратов, собранных по двухрядной схеме: 8 аппаратов в первом ряду и 4 во втором. В каждом аппарате устанавливается по 6 рулонных обратноосмотических элементов. В обратноосмотическом модуле происходит разделение исходной воды на два потока: фильтрат — 70 м3/ч и концентрат — 20 м3/ч. Производительность всей установки обратного осмоса по исходной воде - 360 м3/ч. Коэффициент использования установки составляет 72-78%.
Расчетный срок службы мембранных элементов 5-6 лет, после чего требуется их замена.
Периодически проводится химическая промывка обратноосмотических мембран слабыми растворами кислот, щелочей и моющих средств, для чего в установке обратного осмоса предусмотрен блок моющих растворов. В его состав входят: бак химического раствора, 3 насоса-дозатора реагентов, насос химической промывки с частотным приводом. Приготовление моющих растворов производится автоматически по заданной концентрации моющих растворов.
Пермеат с УОО поступает в баки частично-обессоленной воды.
Концентрат сливается в баки сбора дренажных вод, откуда перекачивается в баки нейтрализации химводоочистки.
Технологические операции (фильтрование, промывки, химические промывки) на УУФ и УОО проводятся в автоматическом режиме и не требуют постоянного присутствия оперативного персонала. Оперативный персонал с рабочего места оператора на мониторе персонального компьютера следит за технологическими процессами, происходящими на УУФ и УОО, и за качеством очищенной воды.
- В январе 2009 г. была закончена реконструкция второй и третьей ступени ионитного обессоливания - включены в работу противоточные ионообменные фильтры, работающие в автоматическом режиме, - рассказывает Леонид  Владимирович Кутилов. - Применение противоточной технологии ионирования позволило обеспечить требуемое качество обрабатываемой воды при сокращении расхода реагентов на регенерацию ионитов и воды на собственные нужды на 25-55%, объема и солесодержания стоков установок - на 25-55%, числа ступеней обработки - с 4 до 1, используемых фильтров - с 25 до 6, объема ионитов - в 4 раза.
В качестве исходной воды на противоточные фильтры поступает пермеат после установки обратного осмоса. Производительность установки по обессоленной воде – 210 м3/ч. Для выполнения регенераций к фильтрующему материалу противоточных фильтров смонтированы блоки регенерации щелочи и кислоты. Регенерация фильтров происходит в автоматическом режиме.
Возрастающие требования к экологической безопасности технологических процессов продиктовали необходимость применения малореагентных способов водоподготовки на Заинской ГРЭС.
Эксплуатация схемы водоподготовки на предприятии до реконструкции требовала значительного потребления химических реагентов (серной кислоты, щелочи, извести для нейтрализации агрессивных стоков), фильтрующих материалов, имели место большие затраты на платежи за сбросы загрязняющих стоков и за использование камской и артезианской воды.
Нововведение привело к улучшению качества воды, используемой в схеме обессоливания, снижению удельных расходов реагентов и в конечном итоге позволило в разы сократить расход кислоты и щелочи, а также обеспечить стабильную выработку обессоленной воды.
Таким образом, опыт внедрения мембранных технологий и проточного ионирования в химическом цехе Заинской ГРЭС относится к инновационным малоотходным процессам.

Ультрафильтрация

В результате сравнительного анализа различных вариантов реконструкции было принято решение провести реконструкцию ВПУ, используя систему ультрафильтрации.
Применение испарителей мгновенного вскипания (ИМВ) оправдано там, где имеется источник низкопотенциального пара, то есть на ТЭЦ. А на конденсационной станции данный пар получается путем отбора из турбины через РОУ, что приводит к уменьшению выработки электроэнергии и ухудшению технико-экономических показателей. Кроме того, для доведения качества дистиллята ИМВ до требований норм ПТЭ к питательной воде прямоточных котлов необходима финишная доочистка на ионообменных фильтрах, для чего дистиллят необходимо охладить до температуры 30-350С. Это порождает проблему утилизации избыточного тепла. Также для реконструкции по второму варианту необходимо было выполнить строительство известкового хозяйства и расширение солевого хозяйства ХВО, что повлекло за собой увеличение капиталовложений.