Теплоэнергетика, 2022, № 1, стр. 85-90

Возвратный производственный конденсат является основной и наиболее ценной составляющей питательной воды для котлов любых давлений (высокого, сверхвысокого и сверхкритического) и производительности. Возвратный конденсат от внешних потребителей пара используется после его очистки от загрязнений, полученных в процессе производства.

Возвратный конденсат загрязнен оксидами и гидроксидами железа и меди, образующимися в результате коррозии трубопроводов, баков, конденсаторов и теплообменников. Эти соединения находятся в конденсате преимущественно в коллоидной и грубодисперсной формах. Попадая в воду котлов, реакторов и парогенераторов, продукты коррозии участвуют в образовании отложений на теплопередающих поверхностях, а переходя в пар – на лопаточном аппарате турбины. В пусковые периоды работы энергооборудования концентрация продуктов коррозии в конденсатах достигает 100–1000 мкг/дм³ и снижается в период стабильной эксплуатации до 10–30 мкг/дм³ при нормируемых значениях 2–10 мкг/дм³ [1].

На ТЭС с производственными отборами пара применяются установки для очистки конденсата, возвращаемого внешними потребителями пара. При выборе технологии и схем очистки производственного конденсата учитывают не только влияние загрязняющих примесей на состояние поверхностей нагрева теплосилового оборудования, но и воздействие продуктов термического разложения этих примесей. Конденсат, который может быть загрязнен соединениями, образующимися при термолизе: минеральными или органическими кислотами, – не должен использоваться в цикле ТЭС. Технологии и аппараты для очистки производственного конденсата должны обеспечивать водный режим в соответствии с правилами технической эксплуатации.

Производственный конденсат, загрязненный различными примесями, должен пройти прежде всего очистку от нефтепродуктов, а в дальнейшем и обезжелезивание с последующим обессоливанием.

Первоначальная очистка производственного конденсата от механических примесей, смол, масел и других загрязнений выполняется у потребителей. На водоподготовительных установках ТЭС производится доочистка конденсата от нефтепродуктов, оксидов железа и меди, солей жесткости.

Возвращаемый конденсат не должен содержать потенциально кислых или щелочных соединений, вызывающих отклонение рН котловой воды от установленных норм более чем на 0.5 ед. при неизменном режиме коррекционной обработки воды фосфатами или фосфатами с едким натром. Если возвращаемый на электростанцию конденсат не соответствует нормам качества питательной воды, то должна быть предусмотрена его очистка до достижения нормативных показателей.

Производительность установки по очистке производственного конденсата предусматривается с учетом возможного покрытия его 50%-ных потерь. Качество конденсата должно удовлетворять следующим нормативным значениям [2]:

Эффективная очистка от нефтепродуктов производственного конденсата осуществляется при их концентрации не более 20 мг/дм³. При концентрации, не превышающей 10 мг/дм³, эффективная очистка может быть достигнута с применением только адсорбционных фильтров, оснащенных, как правило, активированным углем различных марок. Если концентрация нефтепродуктов выше 10 мг/дм³, то установки оборудуют специальными отстойниками с нефтеловушками.

Целью настоящей работы является исследование возможности использования гидрофобного сорбционного материала для очистки возвратного производственного конденсата от эмульгированных и растворенных нефтепродуктов, а также гранулированного сорбционного материала для обезжелезивания. Сорбционные материалы изготовлены на основе карбонатного шлама химводоподготовки.

Типовая схема очистки производственного конденсата включает в себя отстойник и доочистку на механических, адсорбционных и ионитовых фильтрах. В настоящей работе предлагается модернизировать типовую схему очистки путем применения гидрофобного гранулированного сорбционного материала (ГСМ) и гранулированного сорбционного материала (ГРСМ), изготовленных на основе шлама химводоочистки (ХВО), являющегося отходом энергетических предприятий.

В ранних работах автора данной статьи [3] была разработана технология получения ГСМ для доочистки производственного конденсата от эмульгированных и растворенных нефтепродуктов.

Для проведения экспериментальных исследований использовали шлам осветлителей Казанской теплоэлектроцентрали (Казанской ТЭЦ-1) (влажность 3%) с частицами размером 0.009–0.050 мм, образующийся на стадии предварительной очистки воды при известковании и коагуляции. Рентгенографический качественный фазовый анализ шлама на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker показал следующий химический состав, %:

Влагоемкость шлама химводоподготовки составляет 57%, что подтверждает его высокую гидрофильность и плохую смачиваемость неполярными соединениями.

Также были определены технологические характеристики и адсорбционная емкость материала по эмульгированным и растворенным продуктам нефти Шийского месторождения. Разработана технология получения гранулированного сорбционного материала: из карбонатного шлама при смешивании его со связующим жидким натриевым стеклом в соотношении 1 : 2 вручную формируют гранулы диаметром от 0.5 до 2.5 мм; эти гранулы проходят термообработку при 700°С в течение 60 мин, затем пропитываются 5%-ной водной эмульсией “Силор”, после чего высушиваются до постоянной массы при температуре 105–110°С [4].

В данной работе разработан и изучен гранулированный сорбционный материал для обезжелезивания производственного конденсата.

Обычно при очистке возвратного производственного конденсата на ТЭС от ионов железа и взвешенных примесей используются механические, адсорбционные, ионообменные фильтры с гранулированной загрузкой.

В настоящей работе предлагается следующая технология производства гранулированного сорбционного материала. Для получения гранул шлам с частицами размером от 0.01 до 0.09 мм смешивается с жидким натриевым стеклом при массовом и объемном соотношении 2 : 1. Термообработку проводят при температуре 250°С в течение 60 мин. Гранулы получают вручную окатыванием.

Гранулированный сорбционный материал имеет следующие технологические характеристики:

Адсорбционная способность ГРСМ по отношению к катионам железа оценивалась на модельных растворах хлорида железа FeCl₃. Эффективность очистки от ионов железа составила 92%. На рис. 1 показана изотерма адсорбции¹¹ Fe³⁺ материалом ГРСМ из водных модельных растворов хлорида железа в статических условиях. При ее определении использовался метод переменных навесок и постоянной концентрации.

Рис. 1.

Изотерма адсорбции А ионов Fe³⁺ гранулированным сорбционным материалом

Выпуклая форма изотермы относится к I типу по классификации Брунауэра, Демина и Теллера и соответствует изотерме Ленгмюра L-типа по классификации Смита.

Для производственных процессов наибольшее значение имеет адсорбция ионов железа в динамических условиях, которая обладает существенными технологическими, эксплуатационными и экономическими преимуществами по сравнению с адсорбцией в статических условиях. Адсорбция в динамических условиях позволяет более полно использовать емкость сорбента. Процесс адсорбции ионов железа исследован на ГРСМ фракции 0.5–2.5 мм на лабораторной установке, представляющей собой фильтрационную стеклянную колонку диаметром 25 мм. Концентрация ионов железа в модельном растворе равнялась 1 мг/дм³ и являлась средней на входе в адсорбционный фильтр. Высота слоя загрузки составляла 20 см, масса – 56 г, скорость фильтрования – 3.5 м/ч. Проскок ионов железа фиксировался при концентрации в фильтрате С_ф, равной 0.1 мг/дм³, и объеме очищенного модельного раствора 250 дм³. Получена кривая адсорбции катионов железа ГРСМ в динамических условиях (рис. 2).

Рис. 2.

Кривая адсорбции катионов Fe³⁺ ГРСМ в динамических условиях

В ходе эксперимента определены динамическая обменная емкость (ДОЕ) и полная обменная емкость (ПОЕ). Результаты эксперимента представлены в табл. 1.

Время τ и коэффициент защитного действия слоя загрузки ГРСМ K рассчитаны по уравнению Шилова [5]: $\tau = KL - {{\tau }_{0}},$ где L – высота слоя загрузки ГРСМ, м; τ₀ – потеря времени защитного действия слоя загрузки ГРСМ, ч. Получены следующие значения: τ = 70.5 ч, $K$ = 382.6 ч/м.

Фильтрат имеет рН = 6.8–7.5. После фильтрования через гранулы ГРСМ состав воды изменяется, поэтому проводился контроль воды по остаточной общей жесткости, рН, окисляемости и содержанию кремния. Эти показатели качества фильтрата должны изменяться в соответствии с ионным обменом между функциональными группами сорбционного материала и катионами железа. Выбор метода регенерации отработанного сорбционного материала зависит от эффективности очистки от катионов железа и технико-экономических показателей. Предусматривается регенерация материала разбавленным раствором серной кислоты Н₂SO₄ с нарастающей концентрацией от 0.5 до 2.5%, протекающим противопоточно производственному конденсату.

Для исключения вторичного загрязнения, привносимого материалом ГРСМ в фильтрат, определены показатели его качества при пропускании дистиллированной воды через фильтрующий слой, которые соответствуют показателям качества возвратного производственного конденсата (табл. 2).

Типовая схема очистки производственного конденсата предусматривает последовательное извлечение нефтепродуктов в отстойнике и обезжелезивание на механических, адсорбционных и ионообменных фильтрах (рис. 3).

Рис. 3.

Технологическая схема очистки возвратного производственного конденсата на Казанской ТЭЦ-1. 1 – отстойник; 2 – механический фильтр; 3 – адсорбционный фильтр; 4, 5 – ионообменные фильтры; 6 – бункер подачи сорбционного материала; 7 – бункер охлаждения и хранения готового сорбционного материала; 8 – муфельная печь; 9 – тарельчатый гранулятор

В адсорбционных фильтрах для очистки конденсата обычно применяется малозольный древесный активированный уголь марок БАУ и ДАК. Высота фильтрующего слоя составляет 1.5–2.0 м. Восстановление адсорбционной способности активированного угля в условиях эксплуатации ТЭС малоэффективно, так как связано с высокими финансовыми затратами и необходимостью расхода дорогостоящего фильтрующего материала, в качестве которого может быть использован антрацит.

Если по технологии использования пара конденсат не загрязняется нефтепродуктами, то механический фильтр заполняется сорбционным материалом, совмещая функции обезжелезивания и катионирования.

В технологии предлагается использовать ГРСМ для обезжелезивания и обессоливания производственного конденсата.

Линия производства сорбционного материала в технологической схеме включает следующие операции (см. рис. 3). Смешивание шлама с жидким натриевым стеклом и гранулирование происходят в тарельчатом грануляторе ГТ-0.6, предназначенном для получения гранул из сыпучих материалов. Гранулы имеют размер 0.5–2.5 мм, характеризуются прочностью на истирание 78% и средней гидрофильностью. Полученные гранулы выдерживаются в муфельной печи при температуре 250°С в течение 60 мин. После прокаливания гранулы поступают в бункер охлаждения и хранения, а затем в бункер подачи готового сорбента в адсорбер.

Рассчитанная себестоимость изготовленного ГРСМ составила 13.8 тыс. руб/т, себестоимость очистки возвратного производственного конденсата – 24.6 руб/м³. Экономическая оценка предотвращенного экологического ущерба от деградации почв и земель для Казанской ТЭЦ-1 производилась по временной методике Данилова-Данильяна и составила 1200 тыс. руб/год.