Разработка электромембранных методов утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов тэс
На правах рукописи
ВАФИН ТИМУР ФИЛАРИТОВИЧ РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ЖИДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ ОТХОДОВ ТЭС Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань – 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (КГЭУ)
Научный консультант: Чичиров Андрей Александрович доктор химических наук, профессор
Официальные оппоненты: Куличихин Владимир Васильевич доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”», профессор кафедры «Промышленные теплоэнергетические системы» Кудинов Анатолий Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции»
Ведущая организация: Исследовательский центр проблем энергетики ФГБУН Казанского научного центра Российской академии наук
Защита состоится « 11 » июня 2013 г., в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (Д-223).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».
Автореферат разослан « 8 » мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.082. кандидат химических наук, профессор Э.Р. Зверева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Работа тепловой электростанции (ТЭС) сопровождает ся сбросом высокоминерализованных сточных вод в окружающую среду. В послед ние годы штрафы за сброс химических веществ со сточными водами значительно увеличиваются (п. 2 ст. 16 Федерального закона от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», Постановление Правительства Российской Федерации от 12.06.2003 № 344), что стимулирует внедрение на ТЭС технологий очистки и пере работки стоков. В настоящее время основным способом утилизации высокоминера лизованных отходов ТЭС является их концентрирование и упаривание с получением и захоронением твердых солей. При этом все химические компоненты стоков, в том числе нейтральные или ценные, теряются. Направлением решения проблемы сбро сов может быть извлечение ценных компонентов и их повторное использование в цикле станции. Эти решения, очевидно, могут быть успешными при условии утили зации концентрированных жидких отходов непосредственно с установок водополь зования ТЭС. Последующие операции смешивания (взаимная нейтрализация) жид ких отходов и их разбавление ведет к их превращению в сточные воды сложного со става, переработка которых экономически нецелесообразна.
Для утилизации высокоминерализованных жидких отходов ТЭС интерес пред ставляет использование электромембранных методов, поскольку они характеризу ются селективностью, отсутствием потребности в химических реагентах и практи чески безотходностью. При этом для целей утилизации жидких отходов ТЭС элек тромембранные методы до сих пор не использовались.
Анализ систем водопользования ТЭС показывает, что из жидких отходов уста новок водопользования превалируют отходы щелочного характера. Их переработка представляет несомненный экономический интерес, поскольку щелочь относится к дорогостоящим реагентам. Основным источником жидких высокоминерализован ных щелочных отходов являются водоподготовительные установки (ВПУ). Отрабо танные щелочные регенерационные растворы ОН-фильтров образуются на всех ТЭС, использующих в своих технологических схемах ионитные ВПУ. Кроме того, жидкие щелочные отходы – продукт непрерывных и периодических продувок на всех ТЭС, использующих барабанные котлы, а также термообессоливающих ком плексов (ТОК). Такие ТОК работают, например, на Омской ТЭЦ-6, Саранской ТЭЦ 2, Казанской ТЭЦ-3, Тобольской ТЭЦ. Щелочной концентрат установок обратного осмоса образуется на ТЭС, использующих баромембранные технологии водоподго товки с реагентной предочисткой, например Нижнекамская ТЭЦ-1, Казанская ТЭЦ 2, Новомосковская ГРЭС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 14.В37.21.0658) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» за 2012-2013 годы.
Цель работы – разработка способов утилизации жидких щелочных отходов ТЭС электромембранными методами.
Задачи работы:
- анализ схем водопользования ТЭС, определение источников, объёма и соста вов высокоминерализованных жидких щелочных отходов;
- разработка и создание модельной лабораторной электромембранной установ ки (ЭМУ);
- исследование электрических, физико-химических характеристик ионообмен ных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС;
- разработка методов электромембранной утилизации высокоминерализован ных жидких щелочных отходов, проведение исследований на модельных растворах и жидких отходах ТЭС;
- разработка исходных данных для проектирования аппаратов электромембран ной утилизации жидких отходов ТЭС;
- разработка и создание лабораторного электромембранного стенда.
Научная новизна. Разработаны электромембранные методы утилизации высо коминерализованных жидких щелочных отходов установок водопользования ТЭС с получением щелочных растворов.
Определены транспортные, электрические и физико-химические характеристи ки ионообменных мембран разного типа и разных производителей в модельных рас творах и жидких щелочных отходах ТЭС. Рассчитаны коэффициенты селективности мембран в процессах утилизации растворов.
Выполнены исследования механизма процессов при электромембранной обра ботке высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается: в тео ретическом плане – использованием научно-обоснованных моделей и методов рас чета процессов и аппаратов;
в практическом плане – согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными испытаний, выполненных в настоящей работе и литературными данными.
Практическая ценность работы и внедрение ее результатов.
Получены данные, необходимые для проектирования промышленных электро мембранных аппаратов и установок.
Разработан проект электромембранного лабораторного стенда для отработки режимов технологических процессов в водном теплоносителе и жидких отходах ТЭС различного состава с целью их разделения и концентрирования. Осуществлен подбор конструкционных материалов для комплектования аппаратов. Разработан ные решения могут быть использованы для утилизации жидких отходов ТЭС.
Результаты работы приняты к использованию на Казанской ТЭЦ-2. Разрабо танные методы могут быть использованы на ТЭС РФ, имеющих высокоминерализо ванные жидкие отходы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методы переработки жидких щелочных отходов ТЭС с использованием элек тромембранных аппаратов.
Результаты исследований транспортных, электрических и физико-химических свойств ионообменных мембран в модельных и производственных растворах ТЭС.
Варианты компоновки мембранных пакетов для разработанных схем в соответ ствии с требуемыми параметрами обработки жидких отходов.
Технологическая схема лабораторной электромембранной установки.
Практические рекомендации, сформированные на базе проведенных исследо ваний, которые могут быть использованы при разработке и внедрении электромем бранных установок на ТЭС.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д-ра хим. наук, проф. Чичирова А.А.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009-2011г.), Меж дународной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлек троника, электротехника, энергетика (Москва, МЭИ, 2010, 2011);
VII Школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2010 г), Международной молодежной научной конферен ции «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010 г), IV молодежной научно практической конференции ОАО «Генерирующая компания» (Казань, 2009 г), I мо лодежной научно-практической конференции ОАО «ТГК-16» (Нижнекамск, 2010 г), молодежной научно-практической конференции ОАО «Татэнерго» (Казань, 2010 г), молодежной научно-технической конференции «Идель-4» (финал регионального молодежного форума по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию МФП в НТС (Академия наук РТ, Казань, 2011 г), Всероссийской молодежной кон ференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (Ка зань, 2011 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано двадцать четыре пе чатные работы, из них 3 в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ, 1 моногра фия, 1 патент на полезную модель, тезисы докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пя ти глав, выводов, заключения, справки о возможности использования полученных результатов на ТЭС и списка литературы из 154 наименований. Диссертация изло жена на 186 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и схем, таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложены научная новизна, цели и задачи исследования, практическая значимость работы, ос новные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор литературы по технологиям переработки обра зующихся на современных ТЭС жидких высокоминерализованных отходов. Приве дена классификация характерных узлов их образования (рис.1).
Рис. 1. Схема образования жидких отходов на ТЭС: 1 – осветлитель;
2 – Н катионитный фильтр;
3 – анионитный фильтр;
4 – Na катионитный фильтр;
5 – ТОК;
6 – установка обрат ного осмоса;
7 – барабан ный котел;
8 – исходная вода;
9 – продувочная вода осветлителя;
10 – обессоленная вода;
11 – H2SO4 на регенерацию Н-катионитного фильтра;
12 – NaOH на регенера цию анионитного фильтра;
13 – отработанный регенерационный раствор (ОРР) Н катионитного фильтра;
14 – ОРР анионитного фильтра;
15 – периодическая и непре рывная продувки испарительной установки;
16 – периодическая и непрерывная про дувки барабанного котла;
17 – подпиточная вода теплосети;
18 – греющий пар на испарительную установку;
19 – NaCl на регенерацию Na-катионитных фильтров.
На ТЭС преимущественно образуются кислые и щелочные жидкие отходы, а основным источником их образования являются водоподготовительные установки.
Ввиду того, что стоимость используемой в технологических процессах щелочи до статочно высока, экономически целесообразно осуществлять переработку щелочных стоков с извлечением щелочи и повторным её использованием в производственном цикле. Объем образующихся высокоминерализованных отработанных регенераци онных растворов ОН-фильтров составляет в среднем 1 % от производительности ВПУ, а среднее солесодержание – 40-60 г/л. При работе термообессоливающих ком плексов объем образующихся жидких отходов также составляет в среднем 1 % при солесодержании 30-50 г/л. Объём щелочного концентрата установок обратного ос моса – 20 %, солесодержание – 2-4 г/л. Щелочные продувочные воды котлов обра зуются в объёме 1,5 % от расхода питательной воды, солесодержание – 1 г/л.
В главе приведены описания сущности электромембранного процесса и основ ных характеризующих его показателей. Приведено описание конструкционных осо бенностей электромембранных аппаратов, даны характеристики электродов и ионо обменных мембран.
Использование электромембранных модулей в схемах утилизации жидких ще лочных отходов позволяет добиться существенного экономического эффекта, свя занного с извлечением и повторным использованием содержащихся в них ценных компонентов. Экологическая составляющая эффективности электромембранных технологий обусловлена исключением сброса стоков в окружающую среду.
На основе анализа литературных данных сформулированы задачи исследова ния.
Вторая глава посвящена описанию методик проведения лабораторных и натурных исследований, позволяющих производить анализ свойств рабочих раство ров, а также характеристик промышленных образцов ионообменных мембран, при меняемых в электромембранных аппаратах.
Сконструирован опытный электромембранный аппарат для проведения иссле дований характеристик ионообменных мембран (рис.2).
Рис. 2. Лабораторный электромем бранный аппарат: 1 – прижимная плита;
2 – вставки, образующие приэлектродные ка меры;
3 – резиновая прокладка;
4 – корпус ные рамки;
5 – ионообменные мембраны;
– отверстия для ввода и вывода рабочих растворов.
Представлены заводские характеристики отечественных и зарубежных ионооб менных мембран. Приведена методика расчета электромембранной установки.
Разработана методика определения важнейших эксплуатационных характери стик электромембранного процесса, заключающаяся в определении набора парамет ров, характеризующих совершенство электромембранного процесса:
D – эффективный коэффициент диффузии через мембрану, см2/с:
C l V (1) D, S C град где С/ – изменение концентрации от времени;
l – толщина мембраны (см);
V – объем камеры (см3);
S – рабочая площадь мембраны (см2);
Сград – градиент концен трации.
ji – диффузионный поток, диффузионная проницаемость, моль/(см2·с):
V dC. (2) ji S d U i – коэффициент диализа, см/с:
U i i /l. (3) Коэффициент диффузионной проницаемости:
ji l. (4) i (C iI C iII ) Uуд – удельная скорость диффузионного диализа, г/(м2·ч·моль/л):
C M В V, (5) U уд S C град где МВ– молярная масса, г/моль.
Коэффициент селективности разделения NaOH и NaCl :
U OH. (6) U Cl Зависимость между потоком диффузии и градиентом концентрации:
dN dC (7) j a i dS, d dl где dN/d – число продиффундировавших молекул, dC/dl – градиент молярной кон центрации. Знак « - » перед формулой ставится при С 0, « + » – при С 0.
Для случая V II V I и граничных условий х = С(), С0=С(=0), dN =Vdx инте грируем уравнение (7):
S lnC 0 ln(C 0 ax) a i. (8) VII l Из уравнения (8) получим:
VII l C a x 1. (9) ln( 0 ) i aS C0 Уравнение переноса заряда, А/см2:
dU ), (10) j ( dx u j z C U F, (11) I j j j, (12) BTA i 10 a. (13) UA l (C C ) E F Удельная электрическая проводимость i-го соединения, См/см:
i z Ci F u i. (14) Эквивалентная электрическая проводимость i-го соединения в мембранах, Смсм2/г-экв:
i F ui. (15) В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств ионоселективных мембран в модельных и производ ственных растворах. В работе исследовались образцы, полученные от разных произ водителей: CM-PAD, AM-PAD, Ralex®, MEGA (Чехия);
МК-40, МА-41, МА-40, МБ, ОО ОХК «Щекиноазот» (Россия), СР-61, АР-111, Ionics Inc. (США).
Набухание и поглощающая способность мембран являются важнейшими ха рактеристиками ионообменных мембран, которые определяют доступность ионо генных групп и скорость установления ионообменного равновесия.
Как показали результаты исследований, наименьшими значениями набухания в растворе соли обладает биполярная мембрана МБ, затем идут катионообменные мембраны МК-40 и Ralex®. Наибольшее значение набухания соответствует анионо обменной мембране МА-41.
В работе исследовалась обменная емкость мембран в статических условиях.
Обменная емкость является количественной характеристикой способности ионита к ионному обмену.
Для расчета графическим методом обменной ёмкости в зависимости от pH равновесного раствора снимали кривую титрования в отсутствие ионита. Обменную способность ионита при равных рН определяли по смещению кривой титрования ионита относительно кривой титрования чистой соли. Установлено, что обменная емкость возрастает в ряду МК-40 – МК-41 – МА-41 – МА-40 – Ralex® АM – Ralex® CM – МБ.
Четвертая глава посвящена разработке методов электромембранной перера ботки жидких щелочных отходов ТЭС. Исходным материалом служили жидкие от ходы ВПУ действующей ТЭС. Эксперименты проводились на лабораторном аппара те. В серии опытов изменяли структуру мембранного пакета: порядок чередования мембран, количество рабочих камер, напряжение, температуру. Кинетические кри вые зависимости скорости изменения концентрации в камерах от времени в трехкамерной ячейке с мембранами МК 40 и МА-41 представлены на рис.3. Для определения коэффициента диффузии графически были построены кинетиче ские зависимости в полулогарифмиче ских координатах (ln(C0-ax)-) (рис. 4).
В режиме диффузионного диализа (DD – diffusion dialysis) сборка пакета по Рис.3. Кинетика диффузионного процес схеме МА-МК обеспечивает высокую са в трехкамерной ячейке с мембранами скорость процесса, но практическое от МК-40 и МА-41.
сутствие селективности разделения ще лочи и солевых компонентов. Кроме то го, полученный диффузат загрязняется примесями органических веществ и же леза.
Сборка мембранного пакета по схеме МК-МК показывает заметную се лективность диффузионной проницае мости гидроксил-иона. Вероятно, начи нает работать механизм переноса ОН– Рис.4. Кинетика диффузионного про- иона через расщепление молекул воды на цесса в средней камере в полулогариф- поверхности катионообменной мембра мических координатах для мембран ны. Диффузат при этом несколько за МК-40 и МА-41. грязнен ионами Cl–. Вероятно, малая сте пень гидратации хлорид-иона способствует чисто диффузионному переносу его че рез катионообменную мембрану.
Сравнение эффективности разделения на мембранах разных производителей показывает, что на мембранах Ralex® скорость диффузионного процесса выше, а се лективность ниже, чем на мембранах отечественного производства МК-40. При этом для мембран обоих производителей отмечено отсутствие диффузионного переноса органических веществ и железа, вероятно, из-за большого размера органических макромолекул и электростатического отталкивания. Природные органические веще ства представлены, главным образом, гуминовыми и фульвокислотами в анионной форме. Железо большей частью входит в состав органических макромолекул и удерживается в объеме диализата. На основании полученных результатов по дуффу зионному разделению компонентов модельного раствора предложена технологиче ская схема выделения щелочи, включающая, по крайней мере, два аппарата – диф фузионно-диализный экстрактор (DDE) и электродиализный концентратор (EDC).
Наличие второго аппарата обусловлено необходимостью получения концентриро ванного щелочного раствора, пригодного для использования в технологическом цикле ВПУ.
На установке, состоящей из двух аппаратов, проведена серия опытов по не прерывному отделению и концентрированию модельного раствора. Кривые измене ния концентраций компонентов в аппаратах представлены на рис. 5.
Рис. 5. Динамика DDЕ экстракции и EDС концентрирования щелочи из опытного раствора на лабораторной установке с двумя аппаратами: индекс 1 – концентрация щелочи и соли в кон центрате аппарата 1 (EDC), индекс 2 – концентрация щелочи и соли в диали зате аппарата 2 (DDЕ).
В табл. 1 представлены результаты диффузионно-диализной обработки опыт ного раствора на аппарате трехкамерной сборки с мембранами МК-40 на аппарате DDE при массовом соотношении диализат/диффузат, равном «4», по достижению равновесного состояния, а также результаты концентрирование диффузата на 5-ти камерном аппарате с мембранами CМ и АМ (Ralex®).
Полученный щелочной концентрат представляет собой прозрачный раствор с рН около 14 и концентрацией щелочи 2,5 масс. %. Раствор практически не содержит нежелательных компонентов (органические вещества, железо, силикаты), однако включает солевые компоненты – сульфаты и хлориды. Их наличие не мешает ис пользованию щелочного раствора в цикле ВПУ. При необходимости можно осуще ствить дополнительную очистку щелочного раствора другим электромембранным методом.
Таблица 1. Результаты обработки опытного раствора по схеме DDE – EDС Концентрирование диффузата на DD обработка опытного раствора на аппа 5-ти камерном аппарате с мембра рате 3-х камерной сборки с мембранами Показа ® МК-40 нами CМ и АМ (Ralex ) тель Исходный раствор Диффузат Диализат Концентрат SO42-, г/кг 24,9 5,1 23,6 39, Cl-, г/кг 3 1,2 2,7 13, OH-, г/кг 1,33 1,01 1,08 11, NO3-, г/кг 0,2 0,1 0,08 1, CO32-, г/кг 0,7 0,4 0,6 2, SiO2, г/кг 0,36 0,03 0,32 0, Na+, г/кг 16,9 4,8 15,7 44, Ca2+, мг/кг 0,56 0,06 0,5 0, Fe3+, мг/кг 14 1 14 Ок, мл/кг 480 2,6 472 3, рН 13,5 13,2 13,3 13, В третьем аппарате было предложено использовать процесс, названный EDP – электродиализная очистка, с использованием мембран из слабоосновного анионита МК-40.
Пятая глава посвящена разработке и созданию лабораторного электромем бранного стенда для изучения процессов в водном теплоносителе и сточных водах различного состава с целью их разделения и концентрирования.
Принципиальная схема лабораторного электромембранного стенда показана на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной электромембранной установки: ЭМА – электромембран ный аппарат;
Н-1 – Н-5 – насосы циркуляции рабочих растворов;
Р- – Р-5 – расходомеры (ротаметры);
М 1 – М-5 – манометры на входе в ап парат;
М-6 – М-10 – манометры на выходе из аппарата.
На лабораторном электромембранном стенде проведено исследование процесса концентрирования предварительно разделяемого солещелочного раствора. Изучена динамика изменения компонентного состава приэлектродных камер, камер концен трирования и делюирования. Условия проведения исследований представлены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики электромембранной установки в ходе исследований Показатель Значение Вариант сборки установки Четырехтрактная Вариант сборки мембранного пакета МК-МА Количество мембран, шт Количество мембран по 1 тракту, шт Рабочая площадь мембраны, дм2 8, В серии опытов исследовались зависимости эффективности электромембран ного концентрирования от величин напряженности электрического поля на мем бранный пакет.
Характеристики модельного раствора в ходе исследований: состав раствора – 15700 мг/л NaCl;
основа раствора – природная вода (ОСС=400 мг/л);
объёмы рас творов в баках – 6,8 л;
общий объём по каждому тракту – 7,5 л;
скорость циркуля ции растворов – 260 л/ч;
температура рабочих растворов – 25-32 °С. Полученные ре зультаты пересчитаны на удельные характеристики (табл. 3).
Таблица 3. Удельные характеристики концентрирования солевого раствора на 4-х трактном ЭМ концентраторе при различной напряженности электрического поля Напряженность электрического поля, В/пакет Показатель 75 40 Удельный перенос соли, экв/F 0,33 0,57 0, Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/кг 4,2 2,2 1, Прослеживается закономерность снижения удельного расхода электроэнергии при снижении напряженности электрического поля. Максимальный солеперенос до стигается при напряженности поля 40 В/пакет и в дальнейшем не меняется. Прини мая во внимание, что экономически выгодно наиболее интенсивное использование мембранного аппарата, устанавливаем напряженность поля на уровне 40 В/пакет, что соответствует напряжению на 1 ячейку – 0,68 В. Из полученных данных следу ет, что удельные характеристики процесса концентрирования-делюирования резко меняются (ухудшаются) при снижении общего солесодержания до 0,1 г/л по край ней мере в камерах одного тракта. Из этого следует, что в процессе концентрирова ния необходимо поддержание уровня солесодержания в дилюате не менее 0,1 г/л.
Коррозионная устойчивость мембран и электродов – без изменений.
На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по про ектированию электромембранных аппаратов (табл.4).
Таблица 4. Рекомендации по проектированию и эксплуатации ЭМУ Показатель Предъявляемые требования Конструкционные характеристики электромембранных аппаратов Тип аппарата Аппарат фильтр-прессного типа Тип межмембранных прокладок Проточный, с сеткой-турбулизатором Варианты сборки аппарата Двух-, трех- или четырехтрактный Промывка электродных камер Раздельная Минимальное число рабочих камер Максимальное число рабочих камер Число электродов Продолжение табл.4.
Конструкционные материалы Токоподвод Медный пруток Прижимные плиты Текстолит, стеклотекстолит Уплотнительные прокладки Химически стойкая резина Электроды Титан марки ВТ-1 с вакуумным напылением платины Приэлектродные камеры Капролон Межмембранные прокладки Полиэтилен высокого давления Сепаратор-турбулизатор Полиэтилен, ПВХ Организация режимов работы аппаратов Прямоточная Гидравлические схемы С рециклом растворов Минимальная скорость циркуляции раствора по одному тракту, л/ч Максимальная скорость циркуляции раствора по одному тракту, л/ч Рабочий напор в линии исходного раствора на входе, МПа 0,2 – Максимально допустимый кратковременный напор на входе, МПа 2, Максимально допустимая разница напоров между трактами, МПа 0, Разработаны технологические схемы электромембранной обработки высоко минерализованных щелочных отходов ТЭС (рис. 7).
Рис.7. Технологические схемы электро мембранной обработки высокоминера лизованных щелочных отходов ТЭС.
Выполнен проектный расчет электромембранного аппарата (табл. 5).
Таблица 5. Проектный расчет электромембранного аппарата Показатель Значение Порядок расчета Объем обрабатываемого раствора, V (т/ч) 1 Исходные данные Концентрация щелочи, Сщ (кг/т) 5 Исходные данные Удельный перенос ионов через мембраны, э (г-экв/F) 0,9 Исходные данные Плотность тока, i (А/м ) 100 Исходные данные Разность потенциалов на электродах, Uэ (В) 3 Исходные данные Напряжение на ячейку, Uяч (В) 1 Исходные данные Расчетное время, (час) 1 Исходные данные Gщ = V Сщ 103 / ЭNaOH Количество переносимой щелочи, Gщ (г-экв/ч) Количество электричества, Q (Ач) 3722 Q= 26,8 Gщ / э Sм = Q / i Необходимая площадь мембран, Sм (м ) 37, р 2 р Рабочая площадь одной мембраны, Sм (м ) 0,56 Sм = 1,5 0,5 0, n = S м / S мр Количество мембран, n (шт) I = S мр i Требуемая сила тока, I (А) N = (Uэ + n Uяч) I 10- Потребляемая мощность аппарата, N (кВт) 3, Расход электроэнергии, Э (кВтч) 3,86 Э=N В результате электромембранной переработки жидких высокоминерализован ных щелочных отходов ТЭС образуется в среднем Gщ=0,012 т/ч 40 %-ного щелочно го раствора.
Годовые затраты на электроэнергию определяются по формуле:
ЗГ = GЩ э SЭ n, (16) где GЩ - содержание щелочи в 1 тонне обрабатываемого отхода, кг;
э - удельный расход электроэнергии на перенос 1 кг соли, кВт·ч/кг;
SЭ - стоимость электроэнер гии, руб/кВт·ч;
n - число часов работы электромембранной установки.
Результаты расчета годовых затрат на электроэнергию представлены в табл. 6.
Таблица 6. Годовые затраты на электроэнергию при производительности ВПУ DВПУ=100 т/ч и напряжении 0,3 В на ячейку Показатель Значение ОРР ОН- Продувочные Вид высокоминерализованного жидкого отхода ТОК УОО фильтров воды котлов Содержание щелочи в 1 тонне обрабатываемого от 5 4 3 хода (Gщ), кг Удельный расход электроэнергии (э), кВтч/кг соли 4,2 4,2 4,2 4, Расход электроэнергии, кВтч 21 16,8 12,6 4, Стоимость электроэнергии (SЭ), руб/кВтч 1,3 1,3 1,3 1, Затраты на электроэнергию (З), руб 27,3 21,84 16,38 5, Число часов работы ЭМ установки (n) 8760 8760 8760 Годовые затраты на электроэнергию (ЗГ), руб 239 148 191 318 143 489 47 Количество получаемого щелочного раствора в год составляет:
GщГ=0,0128760 = 105,12 т. (17) При средней стоимости щелочи СЩ = 24000 руб/т экономическая эффектив ность за счет её получения из щелочных отходов составит:
ЭЩ = GщГ СЩ = 105,1224000 = 2 522 880 руб. (18) С учетом максимальных затрат электроэнергии на проведение электромем бранного процесса (ЗГ = 621 785 руб/год) общая экономическая эффективность со ставит:
Э = ЭЩ – ЗГ = 2 522 880 – 621 785 = 1 901 095 руб/год. (19) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнен системный анализ структуры водопользования на ТЭС. Опреде лены источники и состав жидких щелочных отходов.
2. Сконструирована лабораторная установка для исследования вероятных электромембранных процессов, разработки возможных схем и режимов работы электромембранных установок, исследования характеристик ионообменных мем бран. Разработана методика определения важнейших эксплуатационных характери стик электромембранных процессов.
3. По результатам исследования транспортных, электрических и физико химических свойств различных ионоселективных мембран разных производителей выбраны типы электромембранных процессов, виды мембран и структуры мембран ных пакетов для конкретных процессов утилизации жидких отходов ТЭС.
4. Разработаны методы электромембранного разделения, концентрирования и очистки щелочных высокоминерализованных отходов ТЭС.
5. Разработаны рекомендации для проектирования опытно-промышленного образца электромембранного аппарата для утилизации высокоминерализованных щелочных отходов ТЭС.
6. Разработан проект лабораторного электромембранного стенда для отработ ки режимов утилизации щелочных отходов ТЭС.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монография:
1. Чичирова, Н.Д. Электромембранные технологии в энергетике: монография / Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, Т.Ф. Вафин. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2012. – 260 с.
В изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:
2. Чичирова, Н.Д. Экологическая и экономическая эффективность внедрения ресурсосберегающих технологий на тепловых электрических станциях / Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, А.Г. Королёв, Т.Ф. Вафин //Труды Академэнерго. – 2010. – № 3. – С. 65-71.
3. Чичирова, Н.Д. Разработка и создание ТЭС с высокими экологическими показателями / Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, А.И. Ляпин, А.Г. Королёв, Т.Ф. Вафин // Труды Академэнерго. – 2010. – № 1. – С. 34-44.
4. Чичирова, Н.Д. Технико-экономическая оценка эффективности использова ния электромембранных технологий на отечественных ТЭС / Н.Д. Чичирова, А.А.
Чичиров, Т.Ф. Вафин, А.И. Ляпин // Известия высших учебных заведений. Про блемы энергетики. – 2013. – №3-4. – С. 14-25.
Патенты:
5. Патент на полезную модель Российская Федерация № 121500. Установка для переработки промышленных сточных вод и получения концентрированного щелочного раствора и умягченного солевого раствора / Т.Ф. Вафин, А.А. Чичиров. – Опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.
В материалах конференций:
6. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г., Ляпин, А.И. Электродиализная технология разделения продувочной воды на ТЭЦ // XV Межд. НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бернардосовские чтения)»: мат. докладов. – Иваново.
– 2009. – Т.1. – С. 205.
7. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Утилизация стоков испарительной установки с возвратом щелочи в цикл станции // XVI Межд. НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: сб. трудов. – Москва. – 2010. – Т.3. – С. 152-153.
8. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г., Чичирова, Н.Д., Чичиров, А.А. Внедрение электромембранной технологии для очистки стоков Казанской ТЭЦ-3 // VII Школа семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении»: мат.
докладов. – Казань. – 2010. – С. 434-436.
9. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Электродиализная установка для утилизации сточных вод ВПУ ТЭС и генерации щелочи // V Межд. науч. конф. «Тинчуринские чтения»: мат. докладов. – Казань. – 2010. – Т.2. – С. 167-168.
10. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Ресурсосберегающая технология переработки промышленных стоков на базе электромембранных модулей // XVII Межд. НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: мат.
докладов. – Москва. – 2011. – Т.3. – С. 156-157.
11. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Бессточные технологии водоподготовки для экологически безопасных ТЭС // XVI Межд. НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бернардосовские чтения)»: мат. докладов. – Иваново – 2011. – Т.2. – С. 105-106.
12. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Экономическая эффективность внедрения электромембранной технологии в схеме переработки стоков ТЭС // Межд. науч.
конф. «XIX Туполевские чтения»: мат. докладов. – Казань. – 2011. – Т.1. – С. 422 423.
13. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Современные технологии в схеме переработки сточных вод ТЭС // XIII Всероссийский студенческий семинар «Энергетика:
эффективность, надежность, безопасность»: сб. трудов. – Томск. – 2011. – Т.2. – С.101-102.
14. Вафин, Т.Ф. Ресурсосберегающая технология переработки промышленных стоков с применением электромембранных модулей // Всероссийская молодежная конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования»:
мат. докладов. – Казань. – 2011. – С.55-57.
15. Вафин, Т.Ф., Королёв, А.Г. Принципиальная технологическая схема переработки сточных вод ВПУ ТЭС // Межд. науч. конф. «Научному прогрессу – творчество молодых»: мат. докладов. – Йошкар-Ола. – 2011. – С. 138-139.
Подписано к печати 29.04.2013 Формат 6084/ Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная Тираж 100 экз. Усл.печ.л. 0.94 Уч.-изд. л. 1. Заказ № Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51.