Сборник проектов Питер

РАБОТЫ ПОБЕДИТЕЛЕЙ КОНКУРСА В НОМИНАЦИИ «ЛУЧШИЙ ПРОЕКТ СТУДЕНТА»

К.Ю. Афанасьев (студент)

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Научный руководитель – Л.И. Молодежникова, ст. преподаватель каф. ТПТ, ТПУ.

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ОБЕССОЛИВАНИЯ СТОКОВ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ТЭЦ

Реферат

Ключевые слова: аппарат погружного горения, тепловой баланс, материальный баланс, водоподготовительная установка, погружная горелка, скруббер Вентури, циклон-каплеуловитель, сушильная установка, сульфат натрия, установка мгновенного испарения.

Объектом исследования являются схемы термического обезвреживания сточных вод водоподготовительной установки ТЭЦ, включающие аппарат погружного горения (АПГ), установку мгновенного испарения (УМИ), систему газоочистки и сушильную установку.

Цель работы: разработка и оптимизация схемы обессоливания сточных вод, образованных при обмывке и регенерации катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ с возможностью получения высококонцентрированного сульфата натрия.

Основные задачи работы:

•сравнительный анализ существующих методов обессоливания сточных вод;

•разработка нескольких вариантов схем обессоливания;

•оптимизация разработанных схем;

•проектирование основных компонентов оптимизированной схемы для ТЭЦ, использующей натрий-катионитные фильтры;

•технико-экономический анализ.

Методы проведенных исследований: литературный обзор, анализ сточных вод

ТЭЦ и выбор наиболее опасной, сравнительный анализ методов обессоливания, математическое моделирование, разработка и оптимизация.

Основные результаты НИР – разработка и оптимизация системы термического обезвреживания, конструирование и расчет основного оборудования, входящего в систему обезвреживания, подбор вспомогательного оборудования, техникоэкономический анализ, разработка автоматической системы регулирования, моделирование процессов, происходящих в аппарате погружного горения, создание компьютерных моделей теплообменного оборудования.

11

Введение

Внастоящее время, говоря о промышленности и, в особенности, об энергетическом секторе, все чаще встает вопрос о выработке мер по энерго- и ресурсосбережению.

Политика энерго- и ресурсосбережения ставит перед собой такие цели как:

•эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов;

•максимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР), которые в дальнейшем могут быть использованы для получения энергии или другой экономической выгоды;

•эффективное использование территории промышленных объектов без неконтролируемого разрастания полигонов для отходов производства.

•рациональное использование водных ресурсов.

Также внимание должно уделяться и экологическому аспекту данной проблемы.

Вцелях защиты окружающей среды (ЗОС) работа промышленности должна быть организована так, чтобы образующиеся отходы превращались в новые продукты. Охрана природы требует, чтобы производство совершенствовалось, а отходы утилизировались; все процессы создавались на основе малоотходной и безотходной технологии. Применение малоотходной и безотходной технологии позволит не только решить проблему ЗОС, но одновременно обеспечит высокую экономическую эффективность производства [1].

Безотходная технология является наиболее активной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия предприятий. Под понятием «безотходная технология» следует понимать комплекс мероприятий в технологических процессах, который на данном этапе развития общества должен включать: совершенствование технологических процессов и разработку нового оборудования с меньшим уровнем выбросов и сбросов вредных веществ и отходов в окружающую среду; обеззараживание отходов; замену не утилизируемых отходов на утилизируемые т.д.

Пассивные методы защиты окружающей среды включают комплекс мероприятий по ограничению выбросов/сбросов с последующей утилизацией или захоронением отходов. К их числу относится очистка сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, захоронение токсичных и радиоактивных отходов и т.д.

Водоемы и водотоки представляют собой сложные экологические системы существования биоценоза – сообщества живых организмов. Эти системы создавались в течение длительного времени эволюции. Водоемы являются не только сборниками воды, в которых вода усредняется по качеству, но и в них непрерывно протекают процессы изменения состава примесей – приближение к равновесию, которое может быть нарушено в результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод [2].

12

Наиболее неблагоприятными видами являются сточные воды, образованные при регенерации и обмывке катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки, непосредственный сброс которых в водоемы невозможен из-за резкопеременных значений рН, выходящих за пределы 6,5-8,5, оптимальных для воды в водоемах, а также высокого содержания в них грубодисперсных примесей и солей. Очистка таких вод должна сводиться к удалению основной части солей, грубодисперсных примесей и коррекции их рН в соответствии с условиями, предъявляемыми санитарными нормами, регулирующими сбросы сточных вод в водоемы.

Удаление грубодисперсных примесей и регулирование рН не представляют труда, но снижение концентрации истинно-растворенных примесей должно сводиться к повторному проведению тех же самых процессов, которые использовались на водоподготовительных установках. Это, в конечном счете, приведет к резкому возрастанию количества сбрасываемых солей со значительным увеличением суммарных затрат на очистку воды [2].

Выходом из этого положения может быть применение выпарных аппаратов для концентрирования и глубокого упаривания сточных вод.

Рассматривая проблемы энерго-ресурсосбережения и экологии в едином ракурсе, выходом из этого положения может быть разработка и оптимизация новых схем обессоливания, которые позволят не только очистить стоки, но и получить вторичный материальный ресурс. При этом должны быть максимально использованы вторичные энергоресурсы, водные ресурсы и территория ТЭЦ.

Цель работы: разработка и оптимизация схемы обессоливания сточных вод, образованных при обмывке и регенерации катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ с возможностью получения высококонцентрированного сульфата натрия.

Основные задачи работы:

•сравнительный анализ существующих методов обессоливания сточных вод;

•разработка нескольких вариантов схем обессоливания;

•оптимизация разработанных схем;

•проектирование основных компонентов оптимизированной схемы для ТЭЦ, использующей натрий-катионитные фильтры;

•технико-экономический анализ.

Результаты данной работы позволят создать безотходную установку

обессоливания сточных вод, которые сейчас без обработки сбрасывается в прудынакопители шлама, повысить экологические и технико-экономические показатели станции, а также даст возможность получить концентрированный сульфат натрия, который может найти широкое потребление в различных отраслях промышленности.

13

1. Сравнительный анализ методов обессоливания

Получение обессоленных вод может осуществляться на основе любых известных методов деминерализации: физико-химических (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.), холодильных (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладагентами, кристаллогидратный) и дистилляционных.

В настоящее время обессоленную воду на большинстве крупных предприятий получают с применением метода ионного обмена в специальных ионообменных фильтрах из поверхностных вод, затрачивая при этом большие количества дорогостоящих ионообменных смол и реагентов.

Если исходная вода имеет повышенное содержание ионов сильных кислот (>5 мг-экв/кг), испарительные установки по своим технико-экономическим показателям выгоднее, чем установки химического обессоливания [3]. Данную зависимость можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 1. Сравнение затрат на химическое (1) и термическое (2) обессоливание

Удаление грубодисперсных примесей и регулирование рН не представляют труда, но снижение концентрации истинно-растворенных примесей должно сводиться к повторному проведению тех же самых процессов, которые использовались на водоподготовительных установках. Это, в конечном счете, приведет к резкому возрастанию количества сбрасываемых солей со значительным увеличением суммарных затрат на очистку воды.

Выходом из этого положения может быть применение выпарных аппаратов для концентрирования и глубокого упаривания сточных вод.

14

Процесс выпаривания применяется для достижения различных целей – опреснение воды, разделение смесей, концентрирование растворов и т.д. Отсюда наличие большого числа различных типов и модификаций выпарных установок.

Классификация современных испарительных установок может быть проведена по следующим основным признакам:

1.принципу действия;

2.гидродинамике режима;

3.способу использования теплоты вторичного пара;

4.роду теплоносителей, обогревающих поверхности;

5.конструктивному исполнению;

6.по способу организации движения раствора.

Наиболее подходящие для выпаривания сточных вод испарительные установки условно можно разделить на установки, в которых раствор контактирует с поверхностью нагрева и установки, в которых раствор не контактирует с поверхностью нагрева. В установках первого типа образуются отложения солей с соответствующим снижением плотности теплового потока и производительности установок. При этом неизбежны периодические остановки на чистку поверхности нагрева, снижающие технико-экономические показатели и усложняющие эксплуатацию установок. Степень концентрирования раствора в них существенно ограничена из-за резкого увеличения отложений с ростом концентрации раствора.

Одним из путей уменьшения отложений солей на поверхностях нагрева установок концентрирования минерализованных вод является использование аппаратов погружного горения (АПГ), при этом стоит отметить эффективность использования установок мгновенного испарения (УМИ) при малых концентрациях за счет возможности использования низкотемпературных вторичных энергоресурсов (ВЭР).

2. Графоаналитический метод определения областей использования аппаратов для термической обработки растворов

В целях рационального использования теплоэнергетических ресурсов при термической обработке жидкостей чрезвычайно важно знать области применения теплоиспользующих установок, в которых процесс выпаривания растворов становится эффективным и экономичным.

При удалении паровой фазы концентрация раствора будет непрерывно увеличиваться. Изменение содержания воды в растворе у по отношению к массовой концентрации раствора х можно представить в виде зависимости:

y=f(x).

В процессе выпаривания раствора содержание воды уменьшается и в конечном результате достигается соотношение:

y=100(Gж/Gт), (1)

где Gж, Gт – масса растворителя и растворенного вещества, кг.

15

Масса воды в остатке упаренного раствора: Gж=Gпр-Gт,

где Gпр – масса продукта (концентрата), кг. Подставляя это значение Gж в (1), получаем:

y=Gж/Gт=(Gпр-Gт)/Gт=Gпр /Gт-1.

Для любого раствора при концентрации х, %, содержание растворенного вещества определяется по формуле:

Gт=0,01Gпрx.

Далее получаем:

y=(100-x)/x.

Из этого уравнения мы видим, что каждой концентрации х соответствует определенное значение у при условии, что выпаривание ведется без уноса раствора с паровой фазой. Поэтому, задаваясь концентрацией растворенного вещества в конечном растворе, можно графически получить кривую (рисунок 2), характеризующую зависимость у=f(x).

Рис. 2. График определения областей использования выпарных установок

Из графика на рисунке 2 видно, что выбор того или иного выпарного аппарата зависит от той концентрации раствора, которую мы хотим получить и от конечного содержания воды в растворе, соответственно, эффективно и экономично получить высококонцентрированный насыщенный продукт можно только в аппарате погружного горения с последующей сушкой, также стоит отметить эффективность применения установок мгновенного испарения для концентрирования раствора до 10-15%, учитывая, что работать они могут на низкотемпературных вторичных энергоресурсах.

В этих аппаратах создаются хорошие условия теплообмена между нагретыми газами и жидкостью, так как при барботаже нагретые газы распыляются в виде пузырьков и образуют большую межфазную поверхность. Интенсивное перемешивание раствора ускоряет процесс нагрева.

Включение АПГ в состав оборудования технологической схемы ТЭЦ позволит кардинально решить такие задачи как:

16

•полностью прекратить сброс загрязненных сточных вод водоподготовительной установки в природные водоемы и пруды-накопители шлама;

•сократить потребление свежей воды из природных источников;

•создать благоприятные санитарно-гигиенические условия на электростанции;

•	регулировать расход воды в системах оборотного водоснабжения за
	счет стабильности параметров;

•снизить капитальные затраты на установку очистных сооружений;

•получить экономический эффект при утилизации сточных вод [5].

3. Оптимизация схем термического обезвреживания с использованием испарительных установок

В ходе работы были разработаны и проанализированы четыре схемы для упаривания сточных вод, образующихся после регенерации и обмывки катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ. Среднее солесодержание исходных стоков составляло 27,4 кг/мЗ, в том числе 8,5 кг/мЗ хлористого натрия и 18,5 кг/мЗ сульфата натрия. Количество анионов сильных кислот превышает 35гэкв/кг. Принятый состав стоков характерен для большинства ТЭЦ, использующих натрийкатионитные фильтры.

Топливо — природный газ Уренгой-Сургут-Челябинск.

Производительность схемы по исходному продукту L=15000 кг/ч. В аппарат поступает раствор следующего состава: 0,85% NаCl, 1,85% Na2SO4, 0,025% другие соли, 97.3% Н2О с температурой 30˚С. После многоступенчатого выпаривания и сушки должен образоваться 97% сульфат натрия.

Рассмотренные схемы представлены на рисунках 3 – 6.

Рис. 3. Схема №1

Недостатком первой схемы является ее замкнутость, т.е. происходит постоянное неравномерное изменение содержания солей без вывода очищенной воды. Также

17

отсутствует сушильная установка. Соответственно отсутствует возможность получения очищенной воды и конечного высококонцентрированного сульфата натрия, а значит стоимость реализации 45%-ого раствора сульфата натрия будет ниже.

Рис. 4. Схема №2

К минусам второй схемы можно отнести не использование теплоты уходящей парогазовой смеси, использование которой позволило бы нагревать воду для ГВС, а значит – снизить потребление природного газа. В схеме уже присутствует сушильная установка для получения готового порошкообразного сульфата натрия.

В третьей схеме был устранен недостаток предыдущей, и теплота уходящей парогазовой смеси используется для нагрева воды в системе ГВС. При этом недостатком всех трех схем является большой расход природного газа в АПГ.

Рис. 5. Схема №3

Отличительной особенностью четвертой схемы является использование на первой степени упаривания аппарата мгновенного вскипания. Как видно из графика

18

(рисунок 2) экономично упаривать в опреснительной установке возможно до концентрации 5%, соответственно расход природного газа на АПГ снижается в 2.7 раза.

Рис. 6. Схема №6

Выбор системы газоочистки производился с целью достижения наиболее интенсивного тепло- и массообмена для утилизации теплоты парогазовой смеси, эффективного пылеулавливания, а также малой металлоемкости, в результате чего были рассмотрены различные виды скрубберов и конденсаторов и выбран скоростной газопромыватель, состоящий из скруббера Вентури и циклона-каплеуловителя.

Для повышения качества получаемого сульфата натрия предложено использовать барабанную сушилку, источником теплоты для которой будут служить уходящие газы АПГ, это позволит получить экономический эффект при реализации

Na2SO4.

Параметры рассмотренных схем приведены на рис. 7, рис. 8.

Далее приведем сравнение рассмотренных схем с помощью критериев оптимальности.

Рис. 7. Удельный коэффициент геометрической компактности

19

Рис. 8. Удельный критерий оптимизации Кирпичева

Наиболее важными экономическими критериями оптимальности являются годовая прибыль и срок окупаемости. Результаты экономического расчета рассматриваемых схем приведены в таблице 1.

Таблица 1. Экономический расчет рассмотренных схем.

Расходы, млн. руб./год

		№1	№2	№3	№4
	Природный газ	16,102	16,102	16,102	5,964
	Электроэнергия	0,238	0,238	0,238	0,238
	Заработная плата	0,54	0,54	0,54	0,54
	Страховые фонды	0,162	0,162	0,162	0,162
	Амортизация	0,139	0,161	0,161	0,158
	Всего	17,180	17,203	17,203	7,061
		Доходы	млн. руб./год
	Реализация сульфата	9,791	13,46	13,46	13,46
	натрия
	Регенерация теплоты	0	0	4,503	1,668
	(ГВС)
	Охрана и рациональное
	использование водных	0,55	0,55	0,55	0,55
	ресурсов
	Всего	10,341	14,01	18,513	15,678
	Капитальные затраты,	2,779	3,229	3,229	3,154
	млн. руб.
	Срок окупаемости, лет	нет	нет	2,5	0,4
	Годовая прибыль, млн.	нет	нет	1,310	8,616
	руб.

20