Для получения обессоленной воды для тепловых электрических станций (ТЭС) можно использовать обратный осмос или один из термических методов. Выбор одного из вышеизложенных методов обессоливания воды для определенной ТЭС зависит в основном от степени солености исходной воды, от ионного состава, от требуемого качества обессоленной воды.
При солености исходной воды до 0,6-0,7 г/дм3 согласно нормам в основном по экономическим показателям используют химический метод. Если концентрация солей в исходной воде выше указанных значений, то тогда используют обратный осмос или же термические методы.
Во время химического обессоливания воды традиционными методами количество используемых кислоты и щелочи по сравнению со стехиометрическим получается, соответственно, в 2,0-2,25 и 1,5-2,0 раза больше. Несмотря на то, что количество реагентов, подаваемых на регенерацию ионитов в несколько раз превышает теоретически необходимое, используется лишь определенная часть обменной емкости ионитов. Например, общая обменная емкость сильнокислотного катионита КУ-2-8 составляет 1700 г-экв/м3, а при процессе Н-катионирования рабочая обменная емкость в среднем равна 450-500 гр-экв/м3, то есть используется лишь 25-30% от общей обменной емкости. [1, 2]
Технология обессоливания воды химическим методом, разработанная в Азербайджанском Архитектурно Строительном Университете (АзАСУ) позволяет снизить количество расходуемой для регенерации ионитов кислоты и щелочи до стехиометрических значений, а это означает снижение расхода реагентов в среднем в 1,7-2,2 раза. Кроме этого, при повышении обменной емкости ионитов в 1,5-2,5 раза при данной производительности наряду с уменьшением расхода ионитов существенно снижается также и число используемых в установке фильтров. В результате этого резко уменьшается капиталовложения в строительство водоподготовительных установок.
В этой статье проанализированы пути повышения эффективности анионирования воды.
Возможность снижения расхода реагента на регенерацию до стехиометрического количества в процессе анионирования воды достигается легче, чем при Н- катионировании. Это объясняется тем, что анионы сильных кислот очень интенсивно регенерируются раствором едкого натра из слабоосновного анионита, а в процессе анионирования, благодаря отсутствию противоионного эффекта, анионы сильных кислот хорошо поглощаются анионитом, вытесняя гидроксильные ионы. Последние тут же нейтрализуются ионами водорода. Поэтому в процессе анионирования воды основной задачей является правильный выбор способа анионирования. Так, например, при прямоточном способе анионирования для того, чтобы в процессе обработки воды из нижних слоев анионита не вымывалась кислота, через эти слои необходимо пропустить определенное количество щелочи, что приводит к повышению расхода щелочи выше стехиометрического, а при противоточной регенерации в этом нет необходимости. Учитывая известные недостатки противоточных фильтров и то, что при анионировании эти недостатки проявляются еще ярче, наиболее целесообразным является применение двухпоточно-противоточных [3] или двухпоточных фильтров по ступенчато-противоточной схеме [4]. Во втором случае первый корпус заполняется слабоосновным, а второй — сильноосновным анионитом. Такие схемы позволяют повысить в 2 раза допустимую пропускную способность фильтра, загруженного анионитом АН-31 (рис 1).
Рисунок 1. Схема и конструкция ионитного фильтра
РР, ОРР – соответственно, регенерационный и отработавший регенерационный растворы; ОВ, ИВ – обработанная и исходная вода
Как известно, по нормам технологического проектирования скорость фильтрования воды через фильтр, загруженный анионитом АН-31, не должна превышать 20 м/ч, что ограничивает его пропускную способность. Нетрудно заметить, что при работе по схеме (рис. 1 b) обрабатываемая вода пропускается через фильтр одновременно по двум параллельным потокам. Благодаря этому при скорости фильтрования такой же, как для обычных схем, пропускная способность фильтра, загруженного анионитом АН-31, увеличивается в 2 раза. Скорость фильтрования обрабатываемой воды во втором корпусе, загруженном анионитом АВ-17, будет соответственно в 2 раза больше, что вполне допустимо по технологии анионирования. При диаметре анионитного фильтра 3,4 м пропускная способность одного фильтра будет достигать 360 м3/ч против обычной 180 м3/ч. Это обстоятельство позволит повысить компактность установки и применять в качестве первого и второго корпусов однотипные фильтры.
По предложенной схеме анионирования анионитные фильтры включены после декарбонизатора и отключаются на регенерацию при проскоке кремниевой кислоты. Так как второй корпус анионитного фильтра выполняет также роль второй ступени для своевременного обнаружения такого проскока в фильтрат и повышения надежности работы установки пробы воды на анализ берутся одновременно из пробоотборников, установленных внутри загрузки анионита на высоте10¸ 20 см от нижнего слоя. При этом второй корпус загружается анионитом АВ-17-8 с учетом того, что верхние слои его будут задерживать анионы сильных кислот (в основном ионы Сl). При такой схеме максимально используются обменные емкости анионитов, загруженных в первый и второй корпусы. Использование верхних слоев анионита АВ-17-8 для улавливания ионов С1 целесообразно как с технологической, так и технико- экономической точки зрения. При концентрации ионов С1 в обрабатываемой воде менее 34 мг-экв/л (для большинства пресных вод концентрация ионов С1 в воде не превышает указанного значения) обменные емкости АН-31 и АВ-17-8 по этому иону очень близки между собой [2]. Стоимости этих анионитов отличаются незначительно, тогда как механические свойства АВ-17-8 значительно выше, чем у АН-31. Последнее говорит в пользу предложенной технологии, поскольку при этом АН-31 будет работать в основном по сульфат-ионам, за счет чего существенно повысится его используемая обменная емкость, а более длительный срок службы АВ-17-8 гарантирует повышение эффективности анионирования. Кроме того, в результате полной замены гидроксильных ионов низкоосновного анионита сульфат-ионами процесс регенерации его со стехиометрическим количеством щелочи происходит более интенсивно.
По разработанной технологии анионирования воды общий расход щелочи снижается практически до стехиометрического количества, т. е. в 1,52 раза, в связи с этим расход щелочи через вторую ступень анионирования также снижается во столько же раз. Если при этом вторую ступень анионирования оставить в прежнем режиме работы, т. е. по прямотоку, то для вод с относительно низкой концентрацией анионов сильных кислот качество обессоленной воды ухудшится. Для обеспечения необходимого качества обессоленной воды второй ступени анионирования необходимо использовать двухпоточно-противоточный фильтр. Причем регенерационный раствор щелочи подается сверху и снизу, отработавший забирается из средней дренажной системы, а обрабатываемая вода фильтруется сверху вниз (рис. 1а). Такая технология регенерации позволяет не только повысить качество обессоленной воды, но и эффективно использовать обменную емкость высокоосновного анионита для улавливания анионов сильных и слабых кислот. Таким образом, при рациональной организации процесса анионирования с использованием двухпоточно-ступенчато-противоточных фильтров можно достигнуть стехиометрического расхода щелочи на регенерацию и одновременно увеличить рабочую обменнную емкость анионитов АН-31 и АВ-17-8.
Однако резервы повышения эффективности процесса анионирования имеются и в повышении обменной емкости низкоосновных анионитов при регенерации их стехиометрическим количеством щелочи. При регенерации анионита АН-31, после обработки его раствором серной кислоты концентрацией 5 мг-экв/л до равновесного состояния, обменная емкость при стехиометрическом расходе 2 %-ного едкого натра со скоростью фильтрования 4 м/ч составляет около 1430 г-экв/м3. При подаче реагента с небольшим избытком удельного расхода, например 1,2 г-экв/г-экв, обменная емкость анионита повышается до 1800 г-экв/м3, т. е. приближается к значению полной обменной емкости. Отсюда следует, что обеспечение возможности повторного использования избытка щелочи, содержащегося в отработавшем растворе, позволит значительно повысить обменную емкость анионита АН-31.
Известные методы повторного использования щелочи, содержащейся в отработавшем растворе анионитных фильтров, предусматривающие использование щелочного раствора только во второй и третьей ступенях анионирования для регенерации первой ступени, на повышение эффективности процесса ощутимого влияния не оказывают. В связи с этим следует разработать технологию, позволяющую повторно использовать щелочь именно после первой ступени анионитных фильтров, так как количество этих стоков в несколько раз больше стоков II и III ступеней анионирования. С указанной целью в лабораторных условиях на примере анионита АН-31 были исследованы некоторые вопросы регенерации низкоосновных анионитов.
Аналогично катионированию здесь применялась развитая регенерация для процессов анионирования. Поскольку отработавший раствор первой ступени содержит в своем составе ионы SO4 и С1, являющиеся противоионами для рассматриваемых условий работы анионитных фильтров, то представляет интерес определить влияние их на регенерируемость анионита отработавшим раствором. С этой целью были проведены опыты с раствором, содержащим противоионы. Опыты со смесью растворов NаОН и Nа2SО4, концентрации которых составили соответственно 250 и 100 мг-экв/л, показали, что регенерируемость анионита в этом случае почти не отличается от регенерируемости его только раствором NаОН. Объясняется это высокой селективностью низкоосновных анионитов к щелочным, в данном случае ионам ОН. Таким образом, можно сделать вывод, что содержание противоионов в регенерационном растворе не оказывает влияния на регенерируемость АН-31. На основе этого свойства анионита была разработана технология развитой регенерации анионитных фильтров [5]. Сначала через анионитный фильтр первой ступени пропускается отработавший щелочной раствор предыдущей регенерации. Затем через первую ступень пропускается отработавший раствор щелочи второй ступени анионирования, если обе ступени регенерируются одновременно, или свежий раствор — если раздельно. При регенерации вначале фильтрат получается нейтральным, содержащим смесь только солей натрия, которая утилизируется. С появлением в фильтрате щелочи он направляется в бак отработавшего раствора (БОР). Если регенерация второй и третьей ступеней осуществляется не одновременно с первой ступенью, то их отработавшие растворы собираются в БОР, а затем используются для регенерации первой ступени. Таким образом, анионит, загруженный в первой ступени, каждый раз регенерируется избыточным количеством щелочи, что обеспечивает увеличение его обменной емкости.
Таким образом, разработанная в Азербайджанском Архитектурно-Строительном университете технология химобессоливания с применением новых конструкций ионитных фильтров позволяет снизить удельный расход щелочи практически до стехиометрического значения с одновременным существенным повышением обменной емкости анионитов АН-31 и АВ-17-18. Кроме этого, снижается количество ионитных фильтров в установке и тем самым и капиталовложения установки.
ЛИТЕРАТУРА
- А.С. Копылов, В.М. Лавыгин, В.Ф. Очков Водоподготовка в энергетике. М: издательство МЭИ, 2003
- Г.К. Фейзиев Г.К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоливания воды. Баку: «Тахсил» ТПП, 2009
- А. с. 676311 СССР, МКИ2 В 013 1/09/ С 02В 1/76. Способ регенерации ионитных фильтров/ Г. К. Фейзиев// Открытия. Изобретения. 1979. № 28.
- А. с. 1022948 СССР, МКИ2 С 02Г 1/42. Способ ступенчато-противоточного ионирования воды/ Г.К. Фейзиев// Открытия. Изобретения. 1983. № 22
- ПАТЕНТ i 20030003 А.П. Метод регенерации слабо- и среднеосновных анионитов (Г.К. Фейзиев, М.Ф. Джалилов, А.М. Гулиев, И.Г. Фейзиев, Г.Г. Фейзиева, В.А. Гулиев) 02.01.2003.[schema type=»book» name=»ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНИОНИРОВАНИЯ ПРИ ХИМОБЕССОЛИВАНИИ ВОДЫ» author=»Фейзиев Гасан Кулу оглы, Гусейнова Гюльнар Гасан кызы» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]