Экологическая оценка котельной установки

Экологическая оценка котельной установки

Часть 2: нормативы Предельно допустимых

Сбросов в водоемы.

Методические указания для студентов специальностей

290700 “Теплогазоснабжение и вентиляция”

330100 “Безопасность жизнедеятельности”

550100 «Экология и природопользование»

Нижний Новгород

2003 г.

УДК 621.53

Лебедева Е.А., Гордеев А.В. Экологическая оценка котельной установки. Часть 2: Нормативы предельно допустимых сбросов в водоемы.

Методические указания для студентов специальностей

290700 “Теплогазоснабжение и вентиляция”

330100 “Безопасность жизнедеятельности”

550100 «Экология и природопользование»

В методической разработке приведены указания по экологической оценке котельной установки с позиции воздействия на водный бассейн, включая характеристику источников загрязнения, расчет сбросов загрязняющих веществ и определение нормативов ПДС котельной.

Библиограф. назв. 12 , рис. 7, табл. 12

ÓНижегородский Государственный архитектурно- строительный

университет, 2003

Содержание

Введение 4

1 Техногенное воздействие на водоемы 4

2 Котельные установки. Водопотребление и водоотведение 6

2.1 Расчет водопотребления котельной 8

2.2 Водоотведение.Характеристика сточных вод 10

3 Сточные воды от химводоочистки 11

3.1 Выбор схемы и подбор оборудования химводоочистки 12

3.2 Расчет расхода сточных вод 27

3.3 Расчет массы загрязняющих веществ 29

4 Сточные воды от продувки котлов 34

5 Расчет предельно допустимых сбросов котельной 36

5.1 Нормирование качества водоемов 36

5.2 Расчет предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ 38

Приложения 40

Список использованных источников 44

Введение.

С конца XIX века резко возросло влияние человеческого общества на биосферу. Индустриализация вовлекает в хозяйственный оборот все новые и новые природные ресурсы, вносит глубокие негативные изменения в природную среду.

Рост жилищного строительства, промышленного и сельскохозяйственного производства вызвал значительное увеличение водопотребления и водоотведения. Возросло антропогенное загрязнение водного бассейна. Недостаточная обеспеченность очистными сооружениями, низкий технологический уровень очистки сточных вод и эксплуатации очистных сооружений приводит к поступлению в водоемы промышленно развитых городов огромного количества загрязняющих веществ.

Например, предприятиями Н.Новгорода только в 2001 г. сброшено около 25 млн. м³ загрязненных вод.

Разнообразен и состав загрязнений.

По данным экологических служб Н.Новгорода ежегодный сброс в открытые водоемы составляет:

сульфатов – свыше 25 тыс. т/ год

хлоридов – свыше 18 тыс. т/ год

нефтепродуктов – свыше 10 тыс. т/ год.

Основным поставщиком этих веществ в водоемы являются энергетические предприятия – ТЭЦ и котельные. При этом, если на ТЭЦ имеются очистные сооружения, то промышленные и отопительные котельные их практически не имеют.

В данной методической разработке приведена методика расчета сброса загрязняющих веществ в водоемы и способы установления предельно допустимых сбросов котельными установками малой и средней производительности.

Выбор схемы и подбор оборудования химводоочистки.

Расчет и подбор основного оборудования химводоочистки.

Натрий-катионирование.

Исходными данными для расчета натрий-катионитных фильтров яв­ляются:

- производительность установки G_хво, м³/ч (т/ч);

- общая жесткость воды, поступающей на фильтры Ж_о, г-экв/м³(cм. прил. А);

- остаточная жесткость воды после фильтров Ж_ост, г-экв/м³.

Основные данные для расчета натрий-катионитных фильтров при­ведены табл. 3.3.

Натрий-катионитный фильтр подбирают по площади фильтрования (живое сечение фильтра), которая определяется по формуле:

(3.21)

где w_н - нор­мальная скорость фильтрования, м/ч; принимаются в зависимости от жесткости умяг­чаемой воды по табл. 3.3;

а - количество рабо­тающих фильтров, принимается не менее двух, сверх того, один резерв­ный, который в расчете не учиты­вается.

Площадь фильтрования стандартного фильтра принимается по табл.3.4.

Таблица 3.4 – Площадь фильтрования стандартных фильтров

Диаметр фильтра Dу , мм
Площадь фильтрования f, м2	0,39	0,76	1,72	3,1	5,2	6,95	9,1

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования

нормальная скорость

(3.22)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.23)

где - площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

Рассчитанные по формулам (3.22) и (3.23) скорости не должны превышать значений, указанных в табл. 3.3.

Таблица 3.3 - Технологические данные для расчета натрий-катионитных фильтров.

Показатель	Фильтр первой ступени	Фильтр второй ступени
Высота слоя катионита, м	2 – 2,5	1,5
Крупность зерен катионита, мм	0,5 – 1,1	0,5 - 1,1
Скорость фильтрования1, м/ч, нормальная, в скобках максимальная (при регенерации одного из фильтров), при жесткости, мг-экв/л: до 5 до 10	25 (35) 15 (25)	40 (50)
Взрыхляющая промывка катионита: Интенсивность, кг/(м2 × с), при крупности зерен катионита, мм 0,5 – 1,1 0,8 – 1,2 продолжительность2, мин	30 (15)	30 (15)
Удельный расход поваренной соли на регенерацию сульфоугля, г/г-экв, при двухступенчатом натрий-катионировании и жесткости обрабатываемой воды, мг-экв/л: до 5 до 10	100 – 120 120 –200	300 - 400
Концентрация регенерационного раствора, %	5 - 8	8 - 12
Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч	3 - 4	3 - 5
Отмывка катионита от продуктов регенерации: скорость пропуска отмывочной воды через катионит, м/ч удельный расход отмывочной воды, м3/м3, при загрузке фильтра: сульфоуглем катионитом КУ-2	6 – 8	6 – 8

Примечания: 1 Скорость фильтрования менее 5 м/ч не рекомендуется из-за возможного снижения обменной емкости катионита.

2 В скобках - при загрузке мелкого катионита с крупностью зерен 0,3 - 0,8 мм.

Размеры и количество фильтров первой ступени выбираются таким образом, чтобы чис­ло регенераций каждого фильтра в сутки было не более трех.

Количество солей жесткости, удаляемое на натрий-ка­тионитных фильтрах, определяется по формуле:

A =24 × Ж_о × G_хво , г-экв/сут (3.24)

где Ж_о - общая жесткость воды поступающей на натрий-катионитный фильтр, г-экв/м³.

На натрий-катионитные фильтры первой ступени обычно поступает вода с жесткостью, равной жесткости исходной воды.

Число регенераций каждого фильтра в сутки определяется по формуле:

(3.25)

где Н_сл – высота слоя катионита, м. Принимается по табл. 3.3;

а – число работающих фильтров;

Е_р^Na – рабочая обменная способность катионита при Na-катионировании, г-экв/м³. При использовании в качестве катионита сульфоугля принимается 250 - 300 г-экв/м³.

Расход 100%-ной поваренной со­ли на одну регенерацию фильтра определяется из уравнения:

(3.26)

где g_с - удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв обменной спо­собности катионита. Принимается по табл 3.3.

Расчет Na-катионитных фильтров второй ступени аналогичен расчету фильтров первой ступени, технологические данные приведены в табл. 3.3. При расчете Na-катионитных фильтров второй ступени жесткость обрабатываемой воды принимают 0,1 мг-экв/кг, а жесткость обработанной воды 0,01 – 0,02 мг-экв/кг.

Водород-катионирование

Расчет водород-катионитных фильтров производится на основании следующих исходных данных:

- производительность водород-катионитных фильтров;

- требований, предъявляемых к водород-катионированной воде;

- качественного состава воды, поступающей на фильтры (см. прил. А).

Технологические данные для расчета Н-катионитных фильтров приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5 - Технологические данные для расчета водород-катионитных фильтров.

Показатель	Нормативные данные
Высота слоя катионита, м:	до 2,5
Допустимая скорость фильтрования, м/ч	4-30
Рекомендуемая нормальная скорость фильтрования, м/ч, в скобках максимальная (при регенерации одного из фильтров), при жесткости обрабатываемой воды, мг-экв/кг: до 5 до 10 до 15	20(30) 15(25) 10(20)
Взрыхление катионита: интенсивность, кг/(с×м2) продолжительность, мин	по рис. 3.4 15 - 30
Отмывка катионита: скорость отмывки, м/ч расход воды на отмывку катионита, м3/м3: при одноступенчатом водород-катионировании при двухступенчатом водород-катионировании	6 - 8

Рис.3.4 – График для определения необходимой интенсивности взрыхления катионита i в зависимости от диаметра зерен катионита d.

1 – при t = 5⁰С; 2 - при t = 20⁰С

Расчет Н-катионитного фильтра начинают с определения площади фильтрования (живое сечение фильтра), которая определяется по формуле:

(3.27)

где w_н - нор­мальная скорость фильтрования, м/ч; принимаются в зависимости от жесткости умяг­чаемой воды по табл. 3.5;

а - количество рабо­тающих фильтров, принимается не менее двух, сверх того, один резерв­ный, который в расчете не учиты­вается.

Площадь фильтрования стандартного фильтра принимается по табл. 3.4.

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования

нормальная скорость

(3.28)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.29)

где – производительность водород-катионитных фильтров, м³/ч;

- площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

В схемах с “голодной” регенерацией фильтров, совместного и последовательного Н-катионирования = G_хво.

При обработке воды по схеме параллельного Н-катионирования

= у × G_хво, м³/ч (3.30)

где у – доля воды, обрабатываемой на Н-катионитных фильтрах.

(3.31)

где Щ_и.в – щелочность исходной воды, мг-экв/л;

Щ_ост – остаточная щелочность воды после обработки по схеме параллельного Н-катионирования, Щ_ост = 0,3 мг-экв/кг;

Ж_о – общая жесткость исходной воды, мг-экв/кг.

Количество солей жесткости, удаляемое на Н-катионитных фильтрах: в схемах последовательного, параллельного и совместного н-катионирования

А = 24 × × (Ж_о – Ж_ост), г-экв/сут (3.32)

где Ж_ост – остаточная жесткость обработанной воды, г-экв/м³;

Ж_ост = 0,01 г-экв/м³ – при последовательном Н-катионировании;

Ж_ост = 0,1 г-экв/м³ – параллельном и совместном Н-катионировании.

в схеме с «голодной» регенерацией фильтров

А = 24 × × (Ж_к – ), г-экв/сут (3.33)

где Ж_к – карбонатная жесткость исходной воды, г-экв/м³;

= 0,7 – 1,5 г-экв/м³- остаточная карбонатная жесткость.

Число регенераций Н-катионитного фильтра определяется

(3.34)

где Н_сл – высота слоя катионита, м. Принимается по табл. 3.5.

– рабочая обменная способность катионита. Для сульфоугля принимается = 250 – 300 г-экв/м³.

Расход 100%-ной серной кислоты на одну регенерацию Н-катионитного фильтра

(3.35)

где g_к – удельный расход серной кислоты на регенерацию, г/г-экв. В схемах с «голодной» регенерацией катионита g_к = 35 – 50 г/г-экв. В схемах последовательного, параллельного и совместного Н –катионирования принимается по рис. 3.5.

Рис. 3.5 – Удельный расход серной кислоты g_к в зависимости от требуемой жесткости фильтрата Ж_ф и солесодержания исходной воды.

Солесодержание исходной воды, мг-экв/л:

1 – 5; 2 – 7; 3 – 10; 4 – 15; 5 – 20.

Натрий – хлор-ионирование.

Для расчета натрий-хлор-ионитных фильтров необходимо иметь следующие данные:

- производительность натрий-хлор-ионитных фильтров G_хво, м³/ч;

- требуемое снижение бикарбонатов или остаточную щелочность обрабатываемой воды (решается при выборе схемы обработки воды), Щ_ост, мг-экв/л.

- качественный состав исходной воды (см. прил.А).

Необходимые технологические данные для расчета хлор-ионитных фильтров приведены в табл. 3.6.

Расчет натрий-хлор-ионитного фильтра начинают с подбора диаметра по скорости фильтрования:

(3.36)

где w_Сl – cкорость фильтрования, принимается 15 – 20 м/ч;

G_хво– производительность фильтров, м³/ч;

а – количество фильтров.

Стандартные диаметры фильтров приведены в табл. 3.4.

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования по формулам:

нормальная скорость

(3.37)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.38)

где - площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

Таблица 3.6 - Технологические данные для расчета хлор-ионитных фильтров.

Показатель	Смешанный Na-Cl-ионитный фильтр
Высота слоя, м: анионита катионита	2,0 0,5 – 2,0
Крупность зерен анионита, мм	0,35 – 1,2
Скорость фильтрования, м/ч: допустимая рекомендуемая	4-30 15 - 20
Взрыхляющая промывка анионита: интенсивность, л/(с×м2) продолжительность, мин
Отмывка анионита: скорость отмывки, м/ч расход воды на отмывку анионита, м3/м3	6 - 8

Количество удаляемых на хлор-ионитных фильтрах ионов НСО₃ определяется из уравнения:

А_Cl = 24 ×G_хво × (Щ_и.в - Щ_ост), г-экв/сут (3.39)

где Щ_и.в – бикарбонатная щелочность исходной воды, г-экв/м³;

Щ_ост – остаточная щелочность после хлор-ионирования, г-экв/м³.

Для паровых котлов принимается меньшее значение Щ_ост, определенное по формулам:

(3.40)

или

(3.41)

где S_х = S_о.в – допускаемое солесодержание котловой воды (см. прил.Б);

a_о.в – доля химически обработанной воды в питательной (см. разд.3.1.2).

Число регенераций хлор-ионитного фильтра в сутки

(3.42)

где - высота слоя анионита, м;

- рабочая обменная способность анионита АВ – 17 по иону НСО₃, г-экв/м3. В расчетах принимают ориентировочно равной 300 г-экв/м³

Число регенераций хлор-ионитного фильтра принимается не более 3 раз в сутки.

Расход соли на одну регенерацию хлор-ионитного фильтра определяют по формуле:

= g_c × × , кг (3.43)

где g_c = 65 – удельный расход соли на 1 м³ анионита, кг.

Расчет расхода сточных вод.

Натрий - катионирование

Расход воды на одну регенера­цию натрий-катионитного фильтра складывается из расходов воды на взрыхляющую промывку, приготовление регенерационного раствора и отмывку катионита от продуктов регенерации.

Расход воды на одну взрыхляющую промывку фильтра определяется по формуле:

(3.44)

где i - интенсивность взрыхляющей промывки фильтров, л/(с×м²), при­нимается по табл. 3.3;

t_взр - про­должительность взрыхляющей про­мывки, мин, принимается по табл. 3.3;

Расход водына приготовле­ние регенерационного растворасо­ли определяется из уравнения:

(3.45)

где b - концентрация регенерацион­ного раствора, %, принимается по табл. 3.3;

r_р.р - плотность регенера­ционного раствора, т/м³, принимает­ся по табл.3.7 .

Таблица 3.7 – Плотность водного раствора NaCl

Cодержание NaCl в процентах массы (г/100 г раствора)
Плотность при 200С, г/см3	1,013	1,027	1,041	1,056	1,071	1,086	1,101

Расход воды на отмывку катионита от продуктов регенера­ции определяется из уравнения:

G_от = g_от × × H_cл , м³ (3.46)

где g_от – удельный расход воды на отмывку катионита, м³/м³ катионита, при­нимается по табл. 3.3.

Расход воды на одну регенера­цию натрий-катионитного фильтра составляет:

G_с.н = G_взр + G_р.р + G_от , м³ (3.47)

Расход воды на собственные нужды натрий-катионитных фильтров определяет­ся по формуле:

(3.48)

Водород-катионирование

Расход воды на одну регенера­цию водород-катионитного фильтра складывается из расходов воды на взрыхляющую промывку, приготовление регенерационного раствора и отмывку катионита от продуктов регенерации.

Расход воды на взрыхляющую промывку фильтра и отмывку катионита от продуктов регенерации определяется как и для натрий-катионитных фильтров по формулам (3.44) и (3.46). При этом расчетные данные принимаются по табл. 3.5.

Расход воды на приготовление регенерационного раствора определяется по формуле:

(3.49)

где G_к – расход 100-ной серной кислоты на одну регенерацию фильтра (см.

раздел 3.1);

b – концентрация регенерационного раствора. При использовании сульфоугля b = 1,5 – 2 %.

r_р.р – плотность регенерационного раствора серной кислоты, т/м³. Принимается в зависимости от концентрации серной кислоты. При 1,5 – 2 % r_р.р = 1,009 – 1,013 т/м³.

Расход воды на собственные нужды водород-катионитных фильтров определяется по формуле 3.48.

Натрий-хлор-ионирование

Расход воды на собственные нужды натрий-хлор-ионитных фильтров определяется также как и для натрий-катионитных фильтров по формулам (3.44 – 3.48). При этом расчетные данные принимаются по табл. 3.6.

Натрий-катионирование

В процессе регенерации натрий-катионитных фильтров в дренаж сбрасываются: избыток поваренной соли NaCl; продукты ре­генерации катионита CaCl₂ и MgCl₂ (см. раздел 3.1); возможно присутствие измельченно­го катионита.

Масса сбрасываемых ве­ществ подсчитывается в целом за одну регенерацию фильтра (включая взрыхление и промывку).

Сбрасываемый избыток соли за одну регенерацию подсчитывается по формуле:

(3.50)

где g_c - удельный расход соли на реге­нерацию катионита, принимается из

расчета водоподготовительной уста­новки, г/г-экв;

V_кат - объем катионита, загружен­ного в фильтр, принимается по расчету водоподготовки, м³;

Е_р^Na - ра­бочая обменная способность катионита, принимается 250 - 300 г-экв/м³;

Э_NaCl – эквивалентная масса NaCl (теоретиче­ски необходимая), расходуемая на регенерацию 1 г-экв солей жесткости.

Масса соли, сбрасываемой от натрий-катионитных фильтров в час, определяется по формуле:

(3.51)

где n - общее количество регенера­ций натрий-катионитных фильтров в сутки, раз/сут.

Масса солей жесткости, сбра­сываемых в дренаж за одну регенерацию фильтра определяется по формуле:

(3.52)

Масса CaCI₂, сбрасываемого за одну регенерацию фильтра, определяется по формуле:

= Ж_с × a_Са , кг-экв (3.53)

где a_Са - доля солей кальция в об­щем количестве сбрасываемых солей жесткости.

Масса MgCl₂, сбрасываемого за одну регенерацию фильтра, определяется по формуле:

= Ж_с × a_Mg , кг-экв (3.54)

где a_Mg - доля солей магния в об­щем количестве сбрасываемых солей

жесткости.

a_Са и a_Mg принимаются аналогично соотношению солей кальция и магния в жесткости исходной воды.

Масса CaCl₂ и MgCl₂, сбра­сываемых от водоподготовительной установки в час, определяются по формулам:

кг/ч (3.55)

кг/ч (3.56)

где и – соответственно эквивалентные массы СаСl₂ и MgCl₂

Сброс продуктов регенерации от фильтров второй ступени в течение суток, на которые ведется расчет, незначителен (фильтры второй сту­пени регенерируются обычно 1 раз в 10—15 суток), поэтому все улав­ливаемые соли жесткости учиты­ваются в первой ступени катионирования.

Годовой сброс измельченного катионита, подсчитывается по фор­муле:

И_к = g_к × V_кат × а × b × 0,01, т/год (3.57)

где g_к - насыпная масса катионита, т/м³. Для сульфоугля принимается

g_к = 0,67 – 0,79 т/м³ ;

а - количе­ство установленных фильтров;

b - механический износ катионита, %, принимается 10 – 20% в

зависимости от срока эксплуатации фильтров.

Водород-катионирование

Качественный и количественный характер загрязнений стоков зави­сит как от схемы, в которой рабо­тают водород-катионитные фильтры («голодная» регенерация, парал­лельное водород-натрий-катиониро-вание, частичное или полное хими­ческое обессоливание), так и от ка­чества исходной воды.

При водород-катионировании с голодной регенерацией фильтров и парал­лельном водород-натрий-катионировании удаляются на фильтрах и сбрасываются в дренаж только катионы жесткости в виде CaSO₄ и MgSO₄, количество которых определяется по формуле:

Ж_с^н = V_кат × Е_р^н , г-экв (3.58)

Е_р^н – рабочая обменная способность катионита, г-экв/м³. Принимается из расчета водоподготовительной установки в зависимости от качества исходной воды и схемы ее обработки.

Натрий-хлор-ионирование

Расчет сброса стоков от первой ста­дии обработки — натрий-катионировании производится в соответствии с указаниями, приведенными выше.

При регенерации натрий-хлор-ионитных в дренаж сбрасываются: избыток поваренной соли NaCI; продукты регенерации анионита Na₂SO₄, NaHCO₃.

Сбрасываемый избыток соли за одну регенерацию хлор-ионитного или натрий-хлор-ионитного фильтра определяется по формуле:

(3.73)

где V_ан – объем анионита, загруженного в фильтр, м³;

Е_р^Cl - рабочая обменная способ­ность анионита при хлор-ионировании по НСО_з^-, г-экв/м³ (Е_р^Cl =300 г-экв/м³);

g_c - удельный расход соли на регенерацию анионита, г/г-экв

g_c = 217 г/г-экв;

Э_NaCl – эквивалентная масса NaCl (теоретиче­ски необходимая), расходуемая на регенерацию 1 г-экв солей жесткости, г/г-экв;

G_хво - производитель­ность всех хлор-ионитных фильтров, м³/ч;

- содержание сульфат-иона в исходной воде, г-экв/м³.

n - количество регенераций хлор-ионитного фильтра в сутки.

Избыток соли, сбрасываемый от регенерации натрий-хлор-ионитных фильтров в час, определяется по формуле:

кг/ч (3.74)

Количество сбрасываемого в час при регенерации сульфата натрия определяется по формуле:

кг/ч (3.75)

где - эквивалентная масса Na₂SO₄.

Количество сульфата натрия, сбрасываемого за одну регенерацию определяется по формуле:

= (3.76)

Количество NaHCO₃, сбрасывае­мого за одну регенерацию, оп­ределяется по формуле:

= V_ан × Е_р^Cl , г-экв (3.77)

Количество NaHCO₃, сбрасывае­мого от натрий-хлор-ионитных филь­тров в час определяется по фор­муле:

кг/ч (3.78)

где - эквивалентная масса NaHCO₃.

Водный бассейн.

Предельно допустимым сбросом (ПДС) вещества называется масса вещества в сточных водах максимально допустимая к отведению в водный бассейн в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе.

Исходными данными для расчета ПДС котельной установки являются:

- максимальный расход сточных вод от установки ХВО (см. разд. 3.2);

- максимальный расход продувочных вод (см. разд. 2.1);

- количество загрязняющих веществ в сточных водах ХВО (см. разд. 3.3);

- количество загрязняющих веществ в продувочных водах (см разд. 4);

Экологическая оценка котельной установки