Опыт применения технологии противоточного натрий-катионирования в котельных

Э. Г. Амосова, канд. техн. наук, член-корр. МАЭП и АВН,

П. И. Долгополов, канд. техн. наук,

Н. В. Потапова, канд. техн. наук,

Д. Г. Малахов, С. П. Журавлев, инженеры

 

При подготовке воды для промышленных и отопительных котельных руководствуются существующими нормативными требованиями и используют в основном методы известкования, подкисления, натрий-катионирования, водород-катионирования с «голодной» регенерацией. Исходное качество воды определяет выбор способов и их сочетание в каждом конкретном случае. Однако на практике наиболее распространенным является метод натрий-катионирования.

Эксплуатация натрий-катионитовых фильтров в режиме параллельнотока имеет ряд серьезных недостатков:

- многоступенчатость в случае необходимости глубокого умягчения воды (до жесткости 0,01 мг-экв/л);

- значительный расход реагентов на регенерацию, превышающий стехиометрию в 2–3 раза;

- образование минерализованных сточных вод, составляющих 10–30% от производительности установки и имеющих солесодержание 3–10 г/л;

Одним из основных направлений снижения удельных расходов реагентов, сокращения металлоемкости оборудования и объемов сброса солевых сточных вод является применение технологии противоточного натрий-катионирования.

Эффект улучшения качества фильтрата и снижения расхода реагентов при противотоке достигается за счет того, что в первую очередь свежим раствором регенерируются наименее загрязненные выходные слои смолы. При этом избыток реагента в этих слоях, обеспечивающий глубину очистки воды, превышает расчетные в несколько раз. Кроме того, по мере продвижения регенерационного раствора в более истощенные слои создается равновесие между концентрацией десорбируемых ионов в растворе и слое, что исключает нежелательные повторные процессы сорбции-десорбции, характерные для параллельнотока.

Использование противотока в одну ступень позволяет получить минимальную остаточную концентрацию катионов жесткости. Причем нарастание последней идет плавно по мере истощения материала загрузки. При параллельнотоке минимальное и сравнительно высокое содержание удаляемых ингредиентов достигается уже при 40–60% истощения материала загрузки и далее резко возрастает.

Для реализации преимуществ противоточного ионирования необходимо обеспечить неподвижность слоя ионита во время рабочего цикла и регенерации, одновременно позволяя ему расширяться в период взрыхления. Нарушение распределения слоев смолы служит причиной серьезного ухудшения качества фильтрата и нивелирование эффекта противоточной технологии.

Имеется ряд систем противоточного ионирования, предусматривающих подачу обрабатываемой воды как сверху вниз, так и в противоположном направлении [1].

Условно все противоточные системы можно разделить на погружные коллекторные и с плавающим слоем.

За рубежом погружные коллекторные системы используются очень широко и предполагают устройство нижнего, среднего и верхнего дренажа. Средний дренаж скрыт в верхнем слое смолы и предназначен для вывода регенерационного раствора. Обрабатываемая вода подается сверху, регенерационный раствор – снизу. Во время регенерации слой смолы поддерживается в компактном состоянии потоком воды или сжатого воздуха. Эта конструкция позволяет взрыхлять верхний слой смолы, не нарушая нижние слои.

На аналогичном принципе основана противоточная технология, разработанная консорциумом «Аквахим» и используемая на некоторых отечественных энергетических предприятиях.

Опыт монтажа, наладки и эксплуатации противоточных фильтров конструкции «Аквахим» выявил их следующие основные недостатки:

- громоздкость и сложность надежного крепления среднего дренажа;

- значительные трудности в обеспечении надежного блокирования среднего дренажного устройства;

- нерациональное использование полезного объема фильтра;

- низкая допустимая скорость фильтрования.

Указанных недостатков во многом лишены системы противотока с плавающим слоем. Наиболее известными из таких систем являются «ШВЕБЕБЕТ», «АПКОРЕ» и «АМБЕРПАК». В последние годы появилась отечественная технология, основанная на том же принципе, разработанная ЗАО «Энергокаскад» (Патент РФ. № 2121873 «Устройство для очистки воды путем ионного обмена с противоточной регенерацией ионита») [2]. Общим для противоточных фильтров, используемых в перечисленных системах, является их оборудование нижним и верхним дренажным устройствами.

Система «ШВЕБЕБЕТ» предполагает подачу обрабатываемой воды снизу вверх, регенерационного раствора – сверху вниз. Фильтр практически полностью заполняется смолой, чтобы предотвратить ее слишком большое разжижение. Часть свободного объема фильтра заполняется инертным материалом, предотвращающим засорение колпачков верхней дренажной системы мелкими частицами смолы, часть – остается свободным.

Перед регенерацией уплотненный слой катионита опускается к нижнему дренажу и происходит его разрыхление, что, по мнению разработчиков технологии, позволяет исключить стадию взрыхления. Периодически, по мере прироста потери напора в фильтре, для эффективного взрыхления смола перегружается в специальную колонну обратной промывки.

Наряду с компактностью и эффективностью серьезным недостатком данной технологии является необходимость постоянного прижатия слоя к верхней дренажной системе, т. е. поддержания постоянного расхода воды, поступающего на фильтр. В противном случае наблюдается ухудшение качества обработанной воды. Последнее весьма существенно, т. к. одной из специфических особенностей эксплуатации отечественных установок умягчения воды является значительное колебание нагрузок в течение суток.

Система «АМБЕРПАК» по направлению движения потоков аналогична «ШВЕБЕБЕТ», но предусматривает загрузку всего объема фильтра смолой и периодическую отмывку нижнего слоя смолы в специальной емкости. Основным недостатком данной системы является высокая чувствительность к содержанию взвешенных веществ в исходной воде.

Противоточная технология «АПКОРЕ» предусматривает загрузку фильтра на 80–85% полезного объема фильтра смолой и на 8–10% – инертным материалом. Цикл работы фильтра состоит из следующих операций: обработка воды в направлении сверху вниз, прижатие слоя смолы к верхней дренажной системе потоком воды, регенерация и отмывка – снизу вверх.

На наш взгляд, фильтрация воды сверху вниз по способу «АПКОРЕ» является преимущественной, т. к. в этом случае исключается зависимость эффекта умягчения от колебания нагрузки на установку. Подача регенерационного раствора снизу также имеет положительный эффект, т. к. вследствие вытеснения менее плотной жидкости (воды) более плотной (регенерационный раствор) разбавление реагента водой минимально. При этом увеличивается эффективность регенерации при меньших затратах реагентов.

Особый интерес представляет процесс прижатия слоя смолы к инертной загрузке, который осуществляется водой снизу с высокой скоростью и по сути близок к взрыхляющей промывке. Эта операция позволяет эффективно удалять загрязнения в виде высокодисперсной взвеси, включая мелкие фракции смолы, накопившиеся в верхнем слое. По данным, приведенным в [3], эффект очистки существенно превосходит традиционную взрыхляющую промывку. Линейная скорость потока, подаваемого для зажатия слоя, в несколько раз превышает этот показатель для традиционного взрыхления.

При противотоке по системе «АПКОРЕ» слой смолы находится в зажатом состоянии и основным фактором очистки является влияние относительной скорости движения фаз жидкость – твердое тело на границе их раздела.

Противоточная технология ЗАО «Энергокаскад» предлагает использовать фильтр, оборудованный верхним и нижним распределительным устройством, а также цилиндрической перегородкой, разделяющей объем фильтра на периферийную и центральную камеры. Камеры полностью заполнены на высоту перегородки основным и вспомогательным ионообменным материалом. Под верхним распределительным устройством предусмотрено пространство для заполнения инертным материалом с размером зерен не менее 1,5 мм и плотностью менее 1 г/см³.

Подача исходной воды осуществляется двумя потоками. Первый направляется снизу вверх в центральную трубу со скоростью, обеспечивающей вытеснения из нее в свободное пространство вспомогательного слоя смолы. Через 2–3 минуты второй поток направляется сверху вниз через верхнее распределительное устройство, слой инертного материала, вспомогательный слой смолы. Далее совместно с первым потоком исходной воды, которая на выходе из центральной трубы меняет свое направление, проходит через основной слой сверху вниз. Обработанная вода выходит из фильтра через нижнее распределительное устройство.

Регенерация осуществляется в направлении снизу вверх при подаче смеси исходной воды и воздуха в центральную трубу. Струя вновь вытесняет вспомогательный слой смолы в свободное пространство и зажимает его основной слой. Далее водовоздушная смесь проходит через слой инертного материала и выходит из фильтра через верхнее распределительное устройство. Через 1 минуту после подачи водовоздушной смеси через нижнее распределительное устройство в центральную трубу поступает регенерационный раствор, который последовательно проходит два слоя смолы и слой инертного материала. Отработанный регенерационный раствор выводится из фильтра через верхнее распределительное устройство.

Отмывка ионита производится обработанной водой по линии подачи регенерационного раствора со скоростью 8–15 м/ч. Продолжительность отмывки составляет 20–40 минут. Перед включением фильтра в работу производится доотмывка ионита в рабочем режиме.

Технология ЗАО «Энергокаскад» имеет следующие основные недостатки:

- неполное использование сечения фильтра за счет устройства внутри его цилиндрической перегородки и соответственно уменьшенный объем катионита;

- увеличение металлоемкости фильтра;

- увеличения числа технологических операций и сложность поддержания гидравлических режимов в рабочем цикле при наличии двух потоков обрабатываемой воды;

- неоправданное разбавление отработанного регенерационного раствора, что усложняет его утилизацию;

- необоснованно принятая скорость отмывки смолы.

Эффективность применения зарубежных технологий в существенной степени определяется применением специальных марок катионитов с низкой степенью неоднородности зерен загрузки, т. е. моносферы и жестким ограничением таких показателей качества исходной воды, как содержание механических и биологических примесей, соединений железа. В связи с тем что отечественной промышленностью не налажен выпуск моносферы, представляется актуальным рассмотрение технологии противоточного ионирования как на основе импортных монодисперсных смол, так и на основе отечественных полидисперсных.

Кроме того, в отдельных случаях в связи с высоким уровнем загрязнения исходной воды механическими и биологическими примесями, а также органическими соединениями возможна значительная кольматация не только верхнего слоя смолы, но и глубинных слоев, что также приводит к росту гидравлического сопротивления слоя. Источником загрязнения слоя смолы соединениями железа может быть и раствор поваренной соли даже после стадии осветления на механических фильтрах.

Анализ существующих вариантов систем противоточного умягчения воды привел нас к мнению о предпочтительности использования фильтров, оборудованных нижним и верхним дренажом и фильтрацией в рабочем цикле в направлении сверху вниз, а регенерационного раствора и отмывочной воды – снизу вверх. Фильтр загружается смолой на 85% и инертным материалом. В качестве фильтрующей загрузки может использоваться как импортная полидисперсная или монодисперсная, так и отечественная полидисперсная смола. Регенерация фильтра производится после прижатия слоя смолы к верхнему распределительному устройству в направлении снизу вверх, отмывка – в том же направлении и с той же скоростью. Особенностью технологии является периодическая перегрузка смолы в емкость взрыхляющей промывки в количестве, необходимом для эффективного удаления из нее механических, биологических и органических примесей.

На данном принципе основана технология противоточного ионирования НИИ Водгео и НПФ «Экос Водгео», защищенная патентом РФ № 2139253 «Способ ионообменной обработки воды» и разработанная конструкторская документация. Номенклатура выпускаемых фильтров – диаметром 0,7; 1,0; 1,5 и 2,0 м и емкости взрыхляющей промывки диаметром 1,0 и 1,5 м (ТУ 3113-001-02495477-99, ТУ 3113-001-51448802-2003).

Рекомендуемая скорость фильтрования при жесткости исходной воды до 10 мг-экв/л – до 40 м/ч.

Противоточные фильтры оборудованы:

- нижним и верхним распределительными устройствами по типу «ложного» днища с дренажными колпачками производства ПП «Тэко-Фильтр»;

- смотровыми стеклами в нижней и верхней частях корпуса;

- штуцерами в нижней и верхней частях корпуса для перегрузки смолы.

Фильтры имеют внутреннее антикоррозионное покрытие эпоксидной смолой.

Обрабатываемая вода с содержанием взвешенных веществ до 8 мг/л пропускается через противоточный фильтр, загруженный смолой и инертным материалом. В начальный период гидравлическое сопротивление слоя смолы не должна превышать 0,8 кгс/см². Регенерацию и отмывку производят в противотоке. По мере нарастания гидравлического сопротивления слоя, связанного с его загрязнением, гидроперегрузке подлежит от 20 до 80% объема смолы. Взрыхляющую промывку всего объема смолы осуществляют одним потоком воды, последовательно проходящим противоточный фильтр, а затем емкость обратной промывки.

Данная технология реализована в промышленном масштабе в 1999 году в котельной ОАО «Плутон» и в 2001 году на РТС «Люблино». В качестве исходной воды на обоих объектах используется вода Московского водопровода, имеющая жесткость порядка 4,0 мг-экв/л. Проекты водоподготовительных установок выполнены ГПИ «СантехНИИпроект».

В соответствии с проектом производительность водоподготовительных установок котельной ОАО «Плутон» – 15 м³/ч. На первой ступени натрий-катионирования установлены три противоточных фильтра диаметром 0,7 м, загруженных катионитом КУ-2-8 и инертным материалом «Дауэкс IF – 62». Два противоточных фильтра находятся в работе, а третий, не загруженный смолой, используется как емкость взрыхляющей промывки. На второй ступени натрий-катионирования на начальном этапе эксплуатации использовались два существующих фильтра диаметром 1,0 м, загруженных сульфоуглем. Установка укомплектована арматурой с ручным приводом и все операции производятся вручную. Счетчик воды установлен только на линии умягченной воды. Это затрудняет получение достоверных параметров стадий регенерации и отмывки.

Требуемая жесткость химочищенной воды – 15 мкг-экв/л.

В настоящее время фактическая производительность водоподготовительных установок не превышает 10 м³/ч. В эксплуатации находятся только противоточные фильтры первой ступени, обеспечивающие при обработке требуемую глубину умягчения. Фильтры второй ступени демонтированы. Основные стадии процесса умягчения, регенерации и отмывки катионита представлены на рис. 1.

Рисунок 1. (увеличить) Стадии процесса умягчения воды на противоточных натрий-катионитовых фильтрах

Полученные результаты:

- рабочая динамическая обменная емкость КУ-2-8 – 1 100–1 200 г-экв/м³;

- удельный расход поваренной соли на регенерацию – 100–110 г/г-экв;

- жесткость умягченной воды в течение основной части фильтроцикла не превышает 10–15 мкг-экв/л;

- удельный расход воды на отмывку составляет 3,5–4 объема на объем загрузки.

Водоподготовительная установка РТС «Люблино» рассчитана на производительность 100 м³/ч. В соответствии с проектом на водоподготовительных установках установлено четыре противоточных натрий-катионитовых фильтров первой ступени диаметром 1,5 м, два таких же фильтра второй ступени и емкость обратной промывки. Обвязка фильтров предусмотрена таким образом, что фильтры второй ступени могут использоваться в качестве первой ступени. Фильтры загружены монодисперсной смолой «Амберджет 1200 Na» и инертным материалом отечественного производства. Установка укомплектована арматурой с электроприводом и автоматизирована. Все команды по управлению фильтров могут задаваться как с пульта управления (рис. 2), так и от щитов непосредственно у фильтров (рис. 3). Требования к качеству химочищенной воды – 10 мкг-экв/л.

Пусконаладочные работы выполнялись ГУП «Теплоэнергоремонт» совместно с НПФ «Экос Водгео». В рамках выполнения этих работ наряду с уточнением основных технологических параметров работы фильтров подробно изучался процесс противоточной регенерации смолы и ее отмывки.

Рисунок 2. Пульт управления ВПУ РТС «Люблино»	Рисунок 3. Противоточные натрий-катионитовые фильтры на РТС «Люблино»

Данные эксплуатации фильтров показали, что требуемая глубина умягчения, составляющая 10 мкг-экв/л, достигается в одну ступень. Это исключает необходимость использования фильтров второй ступени.

Рабочая динамическая обменная емкость смолы колеблется в пределах от 1 000 до 1 300 г-экв/м³ в зависимости от корректности проведения регенерации, в особенности стадии прижатия слоя к верхнему дренажу и подачи именно в таком режиме раствора соли. Кроме того, на обменную емкость смолы оказывает влияние количество пропущенной соли и ее концентрация.

Удельный расход соли на регенерацию по данным эксплуатации составляет 90–100 г/г-экв удаленных солей.

Расход воды на собственные нужды не превышает 4 объемов на объем смолы. Для сравнения можно сказать, что для параллельноточных фильтров даже при условии использования последних порций отмывки для взрыхления фильтров расход воды на собственные нужды равен 5,5–6,0 объемам загрузки. В условиях использования в качестве исходной водопроводной воды это особенно существенно. При этом в себестоимость умягченной воды входит не только стоимость водопроводной воды, но затраты на сбрасываемые сточные воды. А стоимость сброса в московскую городскую канализацию сопоставима со стоимостью водопроводной воды.

Рисунок 4. Eмкость обратной промывки ВПУ РТС «Люблино»

Перепад давления при максимальных нагрузках, соответствующих скорости фильтрования 40 м/ч – 1,0–1,2 кгс/см², при фактических нагрузках – 0,4–0,6 кгс/см².

После эксплуатации противоточных фильтров в течение отопительного сезона 2001–2002 годов фильтры были вскрыты, и обнаружено загрязнение верхних слоев загрузки соединениями железа. Для отмывки загрузки 50% объема было перегружено в емкость обратной промывки и произведена отмывка одним потоком воды, последовательно проходящим противоточный фильтр с интенсивностью 1,25–2,5 л/м²•с, а затем емкость обратной промывки с интенсивностью 2,5–5,0 л/м²•с. Контроль осуществлялся по количеству железа, присутствующему в катионите. До промывки в катионите присутствовало 1,85 г/л загрузки, после отмывки – 0,96 г/л загрузки.

Кроме того, интерес для нас представляло установление баланса сорбированных за фильтроцикл и десорбированных при регенерации солей жесткости, а также снятие выходной кривой регенерации. Для этого производился непрерывный отбор отработанного регенерационного раствора в течение стадий регенерации и отмывки и в пробах определялась жесткость и содержание хлоридов. Зная объем пропущенных при регенерации и отмывке растворов и жесткость каждой пробы, мы имели возможность рассчитать количество деворбированных при регенерации солей жесткости. В большинстве проведенных нами регенераций этот баланс имел сопоставимые значения. Например, если в рабочем цикле сорбировано 3 952 г-экв солей жесткости, то при регенерации десорбировано 3 884 г-экв.

Полученные результаты по качеству отработанного регенерационного раствора при регенерации противоточного фильтра показали, что, несмотря на снижение удельных расходов соли на регенерацию по сравнению с параллельноточными фильтрами, в сточных водах присутствует повышенное содержание хлоридов по сравнению с нормой сброса в московскую городскую канализацию. Следовательно, проблема утилизации отработанного регенерационного раствора или его разбавления остается актуальной.

Рисунок 5. Выходные кривые регенерации и отмывки противоточного натрий-катионитового фильтра № 1 на РТС «Люблино»

На основе полученных данных построены выходные кривые регенерации и отмывки (рис. 5). По этим выходным кривым может быть выбрана соответствующая технология утилизации сточных вод или их разбавления.

В целом полученные в промышленных условиях результаты эксплуатации противоточных натрий-катионитовых фильтров показали их эффективность как с точки зрения получения высоких технологических параметров самих фильтров, так и с точки зрения существенного сокращения расхода воды на собственные нужды, объема сточных вод и количества сбрасываемых со сточными водами солей.

Литература

1. Кишневский В. А. Современные методы обработки воды в энергетике / ОГПУ. Одесса, 1999.

2. Балаев И. С., Кусманов Б. К., Бондарев Н. Т. Водоподготовка: новая противоточная технология // Аква-терм. 2001. Июль. С. 46–47.

3. Громов С. Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. 1998. № 3.