Оборотные системы водоснабжения промышленных пред- приятий
Большинство промышленных предприятий являются крупными потребителями воды, что обусловлено универсальностью её свойств и распространённостью на Земле.
Так, в энергетической отрасли, на тепловых и атомных электростанциях (ТЭС и АЭС) рабочим телом являются вода и водяной пар. В зависимости от того, для каких целей используется вода на электростанции, к качеству воды предъявляются различные требования. На ТЭС и АЭС различают: воду и пар, используемые как рабочее тело (пар, кондесат, питательная вода); добавочную воду (для восполнения потерь рабочего тела в цикле электростанции); сетевую и подпиточную воду теплосетей и техническую воду. Последняя используется для отвода теплоты от отработавшего пара в конденсаторах турбин, в системе гидрозолошлакоудаления, для охлаждения масла и газа турбин и электрогенераторов, охлаждения подшипников вспомогательных механиз-мов, для отвода тепла из бассейнов выдержки тепловыделяющих элементов АЭС и для ряда других целей. Незначительная часть технической воды, поступающей на электростанцию, является исходной для подготовки добавочной воды основного цикла и подпиточной воды.
Значит, в процессах использования технической (природной) воды на электростанции образуются: золошлаковая пульпа (для ТЭС на твёрдом топливе), замасленные и замазученные воды (для ТЭС на мазуте), стоки химцехов, в которых подготавливается вода для использования в цикле в качестве рабочего тела (засоленные воды), стоки химических промывок и консервации оборудования, обмывок поверхностей нагрева котлов и воздухоподогревателей и подогретая (в сравнении с источником) сбросная вода конденсаторов турбин (тепловое загрязнение).
Как и для других промышленных предприятий, для ТЭС и АЭС принципиально возможны два варианта водопользования. По первому техническая вода забирается из природного источника (река, озеро) и после использования на электрической станции и соответствующей очистки сбрасывается в тот же источник. Эта система технического водоснабжения – прямоточная.
По второму варианту на электростанции применяется замкнутое водопользование, а из природных источников техническая вода на ТЭС и АЭС подаётся лишь в количествах, необходимых для восполнения естественных её потерь на электростанции. Этому варианту соответствуют оборотные системы технического водоснабжения. Они снабжены прудами – охладителями или градирнями.
По варианту прямоточной системы водоснабжения электростанция должна располагаться вблизи крупного природного водного источника, во втором варианте это требование необязательно.
“Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения” регламентируют преимущественное использование оборот-ных систем водоснабжения, в которых сточные воды после очистки вновь используют в технологических процессах.
Анализ изложенного в настоящей главе позволяет сделать вывод: уже в обозримом будущем общество должно прийти к такому режиму водопользования, когда сброс вод, использованных на промышленных предприятиях, будет исключён: технологической схемой предприятия будет предусмотрено многократное использование некоторого количества воды в тех или иных технологических процессах. То есть повсеместно утвердится высокоэффективное оборотное водоснабжение.
В ряде технологий (фрагментов технологий) это имеет место уже сегодня или планируется на недалёкое будущее. Так, в энергетике реально стоит вопрос о создании бессточных систем ВПУ (водоподготовительных установок, обессоливающих природную воду для пароводяного цикла), об отказе от систем гидрозолошлакоудаления на ТЭС, работающих на твёрдом топливе, и переходе к “сухому”, бессточному удалению золы и шлака и т.п. [14]. Очень перспективной и, повидимому, ещё до конца не оценённой сегодня является разработка оборотной системы водо-снабжения ТЭС с воздушно-конденсационной установкой Геллера (рисунок 2.9). [10]. Такая установка включает в себя конденсатор смешивающего типа, циркуляционный насос и радиаторно-охладительную башню (РОБ). Последняя состоит из корпуса, подобного корпусу градирни, в нижней части которого установлены алюминиевые радиаторы.
Вода (конденсат турбины) циркуляционными насосами прока-чивается через радиаторы, в которых она охлаждается потоками воздуха, поступающими в вытяжную башню через боковые окна, имеющиеся в её нижней части. Охлаждённая вода после РОБ используется в конденсаторе смешивающего типа для конденсации отработавшего в турбине пара. Небольшая часть конденсата, в количестве, равном расходу пара, поступающего в конденсатор, после циркуляционных насосов отводится к конденсатному насосу и далее к паровому котлу. Основной поток вновь поступает в РОБ. Воздух через РОБ движется под воздействием естественной тяги. Для увеличения теплообмена радиаторы выполняют оребрёнными. Интенсивность теплообмена сильно зависит от высоты башни. Поэтому высота РОБ для мощных установок достигает 150 м.
Установка Геллера замечательна тем, что исключает испарение или капельный унос воды из конденсатора в процессе её охлаждения, как это имеет место в прудах – охладителях или в градирне. Это значительно уменьшает [14] безвозвратные потери воды по сравнению с прямоточной и, особенно, оборотной (с прудами – охладителями или градирнями) системами водоснабжения – до 1 % и 2 % от валового водопотребления соответственно. Валовое потребление – сумма расходов (м3/с) воды, находящейся в обороте и поступающей на станцию свежей воды. Например, по [10] для ТЭС мощностью 5 млн. кВт при прямоточной системе водоснабжения для целей конденсации пара в конденсаторе необходим постоянный забор свежей воды ~ 140 м3/с. Это – валовое потребление, в котором есть только поступление свежей воды и нет оборотной воды. Безвозвратные потери воды при этом составляют 1 % или 1,4 м3/с. При оборотной системе, например, с градирнями, для конден-сации пара в конденсаторе необходимо примерно такое же количество воды (140 м3/с), но здесь свежая вода составляет ~ 5 % от валового водо-потребления, то есть ~ 7 м3/с, оборотная – 95 % или 2,8 м3/с.
Рисунок 2.9 – Схема оборотного водоснабжения с воздушноконденсационной установкой Геллера
1 – смешивающий конденса-тор; 2 – форсунки конденса-тора; 3 – паровая турбина;
4 – генератор; 5 – вытяжная башня; 6 – охлаждающие колонны; 7 – трубопровод нагретой воды; 8 – трубопровод охлажденной воды; 9 – гидротурбина; 10 – циркуляционный насос; 11 – конденсатный насос
Внедрение установок Геллера может снизить норму забора свежей воды на электростанциях в 17(!) раз, а норму безвозвратных потерь – в 4 раза.
Конечно, в бессточных технологических процессах в разных отраслях индустрии есть и будут расходы воды на собственно произ-водство продукции и безвозвратные потери, которые будут компенсиро-ваться в соответствии с уравнением:
Qист = Qпотребл + Qпотерь .
При этом тарифная политика в области водопотребления в соответствии с концепцией устойчивого развития (постоянное ужес-точение тарифов) с неизбежностью будет вести к уменьшению как Qпотребл, так и Qпотерь, поскольку потребитель воды должен будет оплачивать и то, и другое. И если сегодня существует известная сдержанность в части внедрения воздушно-конденсационной системы Геллера (из-за необходимости больших расходов на это) [14], то в рамках осуществления концепции устойчивого развития владельцы электростанций будут вынуждены пойти на большие расходы по внедрению установок Геллера, и этим будет внесён вклад в защиту гидросферы.
В том, что техносфера придёт к бессточным технологиям, сомневаться не приходится: ещё 40…50 лет назад господствовали прямо-точные системы водоснабжения предприятий; сегодня в большинстве стран прямоточное водоснабжение просто немыслимо. Если, положим, всё та же ТЭС 5 млн. кВт стоит на берегу реки с дебитом 140 м3/с (это средняя река; напомним, что дебит реки Урал составляет 360 м3/с, Днестра – 340 м3/с, Эльбы (Лабы) – 690 м3/с), то при прямоточной системе водоснабже-ния ТЭС водозабор составляет 140 м3/с, и вся вода реки должна прокачиваться через теплообменники ТЭС. То есть весь водоток реки превратится в стоки, а русло между водозабором и водосбросом будет осушено. В то же время при утвердившейся сегодня оборотной системе водоснабжения для целей конденсации пара в конденсаторе должен производиться забор свежей воды ~ 7 м3/с, а сброс сточной воды составит 4,2 м3/с - с учётом безвозвратных потерь в 2% от валового водопотреб-ления - 2,8 м3/с. То есть прогресс в уменьшении доли стоков в валовом водопотреблении большой энергетики очевиден. Следующий шаг в направлении уменьшения стоков в энергетике – использование воздушно-конденсационных установок Геллера.
Что касается замасленных и замазученных вод и вод обмывок поверхностей нагрева, то здесь формируются высокоэффективные локальные замкнутые системы, в которых очищенные и охлаждённые до приемлемого уровня сточные воды будут снова направляться на охлаждение масла и газа, подшипников, на обмывку поверхностей нагрева и др.
В части уменьшения стоков химпромывок и консервации оборудования стратегическим для энергетики остаётся вопрос разработки материалов для внутренних поверхностей элементов пароводяного цикла, способных противостоять коррозии и связанному с ней образованию отложений. Решение этого вопроса приведёт к исключению данных стоков вообще. Это – вопрос совершенствования технологии энергетического производства, направленного на исключение самих причин возникновения стоков химических промывок и консервации оборудования пароводяного цикла, являющийся одной из компонент общей проблематики создания малоотходных и безотходных технологий (см. п. 2.7.5).
Такие же тенденции – развитие оборотного водоснабжения и уменьшение объёма сточных вод – наблюдаются в других отраслях индустрии. Так, в машиностроении в большом числе случаев используют оборотные системы водоснабжения отдельных цехов и участков, стоки которых стабильны по составу. Используются также двухступенчатые схемы очистки, при которых в локальных очистных сооружениях сточные воды предварительно очищаются от специфических (для данных цехов, участков) примесей, а доочистка от других примесей осуществляется на общезаводских очистных сооружениях. Выбор схем очистки стоков и, соответственно, схем оборотного водоснабжения определяется типом и мощностью предприятия, степенью “безотходности” используемых технологий, характеристиками источников водоснабжения [12].
На рисунке 2.10 представлена схема типичной оборотной системы водоснабжения крупного машиностроительного предприятия [12].
Рисунок 2.10 Схема оборотного водоснабжения машиностроительного предприятия [12]
В основные и вспомогательные цехи поступает питьевая 2, техническая 3, техническая деминерализованная 4 вода и сточные воды 1 и 17. Состав сточных вод: маслосодержащие 5 – 60,6 %; с преобладающим содержа-нием твёрдых примесей 9 – 23,7 %; концентрированные маслосодержащие сточные воды, в том числе: отработанные моющие и обезжиривающие растворы 8 и отработанные смазочно-охлаждающие жидкости 6 – 1,6 %; стоки окрасочных камер 7 – 1,2 %; стоки с преобладающим содержанием растворимых примесей, в том числе: цианосодержащие 10, кислотно-щелочные 11, никельсодержащие 12 и хромосодержащие 13 – 12,8 %. Маслосодержащие стоки очищают в очистных сооружениях 23 и очищенные воды 1 возвращают в технологический процесс; отделённые маслопродукты идут в сборник 22, откуда часть поступает на установку 20 регенерации масел, остальные – на термическую утилизацию 21. На очистные сооружения одновременно поступают и предварительно очищенные в установке 24 отработанные смазочно-охлаждающие жидкости 6. В очистных сооружениях 25-27 производится очистка соответственно стоков окрасочных камер 7, отработанных моющих и обезжиривающих растворов 8 и стоков с преобладанием твёрдых частиц 9, которые после очистки вновь используются в технологическом процессе, а выделенные масла и твёрдые частицы направляют в сборник маслопродуктов 22 и шламосборник 19. Цианосодержащие 10, кислотно-щелочные 11 и никельсодержащие 12 сточные воды после нейтрализации в нейтрализаторе 15 направляют в очистные сооружения 16, из которых очищенную сточную воду вновь подают в технологический процесс или сбрасывают в водоём по трубопроводу 18. Хромосодержащие сточные воды 13 после выделения из них хрома в очистных сооружениях 14 направляют через трубопровод 28 для дальнейшей очистки на городскую станцию очистки стоков.
Как следует из рисунка 2.10, данная схема оборотного водоснабжения одноступенчатая, кроме той её части, которая относится к очистке хромосодержащих стоков: последняя имеет две ступени, правда, вторая ступень – не общезаводские (их нет), но коммунальные очистные сооружения. И ешё: рассматриваемая система водоснабжения, можно сказать, малосточная, так как за пределы предприятия передаются только сточные воды 13, очищенные от хрома. Думается, что по мере ужесточения тарифов на водопотребление предприятие найдёт возможным доочистить эти стоки собственными силами и направить очищенную воду повторно в технологический процесс. В последующем предприятие, скорее всего, будет воздерживаться и от сброса в водоём очищенных вод после очистных сооружений 16. Этот сброс и, соответственно, забор свежей воды могут стать гораздо дороже доочистки (если доочистка требуется) и повторного использования данных сточных вод. Если это осуществится (прекращение сбросов 18 и 28), то рассмотренная оборотная система водоснабжения станет фактически идеальной, бессточной. Тогда на повестку дня встанет другой вопрос: как сократить потери воды в технологическом процессе и тем самым минимизировать забор всё более дорожающей свежей воды.
На рисунке 2.11 приведена также схема локального оборотного и бессточного водоснабжения окрасочных камер (поз. 25 на рисунке 2.10) [12]. Сточные воды из окрасочных ванн 1 поступают в ёмкость 9 и насосом 2 подаются в электрокоагулятор 3 с растворяемыми алюминиевыми электродами, питающимися от выпрямителя 4. В электрокоагуляторе образующиеся хлопья гидроксида алюминия поглощают частицы краски и твёрдые частицы, в отстойнике 5 указанные хлопьеобразные образования оседают и подаются в шламонакопитель 8. Очищенная сточная вода насосом 2 подаётся в электрокоагулятор 6 с нерастворимыми алюминиевыми электродами, в котором при протекании тока вода обеззараживается и направляется в накопитель 7, а затем - в окрасочные ванны для повторного использования.
Рисунок 2.11 – Схема локального оборотного и бессточного водоснабжения окрасочных камер [12]