Оптимизация эффективности системы водоподготовки в промышленной теплоэнергетике

Ахметова И.Г., Федотова В.Н.

В настоящее время в Российской Федерации теплоснабжение промышленного, жилого и социального сектора осуществляется по двум основным схемам: комбинированная выработка тепловой и электрической энергии и выработка только тепловой энергии в котельных.

В большинстве котельных исторически сложилась следующая схема водоподготовки. Для нужд подпитки тепловой сети, собственных нужд котельных, подачи пара потребителю, горячего водоснабжения используется вода из сети водоснабжения города. Таким образом, эта вода уже прошла механическую очистку и осветление на водозаборе и соответствует ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая». В котельной осуществляется умягчение и деаэрация воды.

Для умягчения воды традиционно используются Na – катионитные фильтры. Традиционная схема умягчения воды имеет ряд недостатков. В первую очередь это необходимость постоянного контроля со стороны аппаратчиков химического цеха за эффективностью работы установок, необходимостью и частотой регенерации фильтров. Фактически такая схема умягчения воды работает в «ручном» режиме, требует постоянного присутствия персонала. При этом практически невозможно полностью использовать ресурс катионита, необходимость регенерации определяется «на глаз» по проскоку ионов жесткости, анализ которых производит лаборант по графику.

Более совершенной установкой для умягчения воды на котельных стали автоматические установки умягчения воды.

Автоматический умягчитель представляет собой пластиковый корпус с управляющим блоком. Жесткая вода, поступая в фильтр, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы. При этом происходит изменение химического состава растворенных солей за счет замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, блок управления автоматически начинает цикл регенерации. Периодичность регенерации определяется количеством воды, которое может пройти через умягчитель до его полного истощения и рассчитывается с учетом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величина ее расхода и т.д. Сигнал на начало регенерации в управляющий блок подается специальным расходомером. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NaCl) за счет обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция на ионы натрия. Затем все загрязнения вымываются из фильтра в дренаж.

Автоматические установки умягчения воды позволяют функционировать системе водоподготовки в отсутствие аппаратчиков и лаборантов химического цеха. Таким образом, значительно расширяется количество обслуживаемых котельных одним специалистом-химиком, сокращается обслуживающий персонал, что снижает издержки и, в конечном итоге, себестоимость вырабатываемой тепловой энергии.

Автоматизация системы водоподготовки – значительный шаг вперед в развитии системы энергосбережения при производстве тепловой энергии на котельных. Но, при этом, не снимается одна проблема присущая и традиционной и автоматизированной системе умягчения воды. Катионит (чаще всего КУ-2-8), не полностью используется в установке умягчения воды до начала цикла регенерации. Это связано с тем, что процесс ионного обмена в вышеописанных установках происходит в неподвижном слое.

Интенсивность использования катионита значительно возрастает, при применении пульсационного метода. На основе развиваемого подхода в области пульсационной техники получен ряд решений, улучшающих ее характеристики: создана конструкция динамически уравновешенного пульсационного экстрактора; дано обоснование эффективности несимметричной пульсации; предложены для пульсационных аппаратов клапанные тарелки; найден способ непрерывного противоточного технологического транспортирования твердой дисперсии в виде плотного слоя пульсацией жидкой фазы [1-6]. Полученные решения расширяют круг технологических задач, где использование пульсационной аппаратуры дает существенное улучшение технико-экономических показателей технологических процессов.

Вариант аппаратурного оформления одной из стадий технологической схемы водоподготовки – Na-катионирование с использованием технологического транспортирования ионообменных смол представлен в виде схемы рис. 1.

На представленной принципиальной схеме процессы ионообмена и регенерации смолы проводят в одном аппарате. Технологическое непрерывное транспортирование смолы обеспечивается пульсацией жидкого потока. В правой части аппарата в режиме противотока происходит обработка воды, в нижней части – в режиме противотока происходит регенерация смолы. Транспорт отработанной смолы на регенерацию организуется через канал (II). На этом канале предусматриваются также штуцера для отвода и подпитки свежей смолой. По внешним конструктивным признакам описанная схема пульсационного аппарата близка к малоизвестной конструкции Хиггинса [7]. Однако условия технологического транспортирования твердой дисперсии в описанной конструкции (рис. 1) существенно отличаются, т.к. процесс протекает в противоточном режиме, что позволяет обеспечить в рабочей зоне близкие к идеальным условия для протекания процесса массообмена.

Рис. 1. Схема пульсационной установки очистки воды

1 – необработанная вода; 2 – умягченная вода; 3 – регенерационный раствор; 4 – отработанный регенерационный раствор; 5 – пульсационное воздействие.

Нами были проведены серии лабораторных исследований гидродинамики технологического транспортирования в виде плотного слоя твердой дисперсии растительного сырья, ионообменных смол, силикагеля, волокнистых материалов, целлюлозы и др. Исследования показали высокую стабильность режима технологического транспортирования независящего от их физических свойств и форм дисперсии, тогда как в используемых аппаратурно-технологических схемах водоподготовки к форме ионообменных смол к качеству их поверхности предъявляются жесткие требования.

Пульсационный способ технологической транспортировки твердой дисперсии в виде плотного слоя обладает достаточной универсальностью и гибкостью, что позволяет заменить традиционное аппаратурное оформление всей технологической цепочки водоподготовки пульсационными аппаратами, отличающимися компактностью, высокой производительностью и эффективностью, работающими в непрерывном режиме. Все это позволяет вывести технологию водоподготовки на принципиально новый, отвечающий современным требованиям уровень.

Список использованной литературы

1. Гурьянов А.И. Моделирование и конструирование колонных интенсифицированных экстракторов на основе структурного подхода: Дисс. д.т.н. : 05.17.08 – КХТИ, 1996 . – 360с.

2. Гурьянов А.И., Розенцвайг А.К. Сопряженное моделирование и конструирование пульсационных аппаратов. – Казань.: КГЭУ, 2005. – 200с.

3. Г.Н. Марченко, А.А. Чичиров. Бессернокислотные процессы в технологии получения нитратов целлюлозы. В кн. «Физико-химические основы и аппаратурное оформление технологии производства пироксилиновых порохов // Изд.ФЭН, Казань, 2002г., с.439-527.

4. С. Бретшнайдер, М., В. Пасюк. Интенсификация процессов в химической промышленности путем вибрации. – Химич. пром-ть, 1963, №3, с. 211.

5. С.М. Корпачева, Е.И. Захаров, Л.С. Рогинский, В.М. Муратов. Пульсирующие экстракторы. – М.: Атомиздат, 1964г.

6. РФ патент № 2057570 Гурьянов А.И., Сигал П.А. и др. Способ непрерывного противоточного проведения гидромеханических тепломассообменных процессов в подвижном плотном слое дисперсии. 10.04.96. Бюлл. №10.

7. J.R. Higguns, Н.Н. Смирнов, А.И. Волжинский, В.А. Константинов. Расчет и моделирование ионообменных реакторов. – Л.: Химия, 1984, с. 224.