Nowoczesne Metody Uzdatniania Wody w Elektrociepłowniach: Elektrodializa i Inne Procesy
- Szczegóły
Rozwój infrastruktury technicznej oraz wprowadzanie nowych rozwiązań w przemyśle, mających na celu zwiększenie wydajności i sprawności instalacji technologicznych, powoduje zaostrzenie kryteriów jakościowych wody wykorzystywanej w procesach produkcyjnych. Zapewnienie wody surowej, relatywnie taniej, jest podstawowym problemem przy lokalizacji obiektu energetycznego. Konieczne jest odchodzenie od wykorzystywania jej pitnych zasobów jako źródła ich zasilania.
Poszukuje się zatem technologii umożliwiających użycie do tego celu wód odpadowych, czyli powierzchniowych, oczyszczonych ścieków przemysłowych, komunalnych z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni, odsolin z obiegu chłodzącego itp. Potrzeba ta wynika również ze wzrostu zasolenia wody surowej oraz zapotrzebowania na jej zdemineralizowaną formę.
Techniki Membranowe w Uzdatnianiu Wody
Od blisko dziesięciu lat obserwuje się zmianę w podejściu do problemu produkcji wody zdemineralizowanej. Coraz szersze zastosowanie do celów przemysłowych w energetyce znajdują techniki membranowe. Woda uzdatniona w wyniku procesów membranowych, zwłaszcza odwróconej osmozy, charakteryzuje się wysokim stopniem czystości.
Do zasilania energetycznych kotłów parowych stosuje się układy hybrydowe, takie jak odwrócona osmoza (RO)-wymiana jonowa. Za pomocą RO woda pozbawiona jest ok. 99,5% substancji rozpuszczonych. Wprowadzenie odwróconej osmozy do układu technologicznego przygotowania wody zdemineralizowanej w wyraźny sposób poprawia wyniki eksploatacji stacji demineralizacji.
W celu zapewnienia niezawodnej i ciągłej pracy stacji z tą technologią konieczne jest właściwe wstępne przygotowanie wody z zastosowaniem koagulacji, sedymentacji i filtracji, a czasami celowe jej dekarbonizowanie i dodatkowe zmiękczanie. Zestaw czynności ją przygotowujących uzależniony jest od jej charakteru chemicznego w stanie surowym oraz wielkości stacji demineralizacji. System RO-wymiana jonowa stosuje się, zaczynając od stężenia 100-300 mg/l substancji rozpuszczonej. Przy czym im jest ono większe, tym korzystniejszy okazuje się układ z odwróconą osmozą.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Dla wody o niskiej zawartości soli preferowana jest wymiana jonowa, dlatego czyszczenie kondensatu prowadzi się prawie wyłącznie tą metodą. Poza aspektami technicznymi i ekonomicznymi należy również brać pod uwagę czynniki ekologiczne.
Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne instalacji skojarzonej metody RO-wymiana jonowa wskazują na zalety w postaci pracy wymieniaczy jonowych, przebiegającej w korzystniejszych warunkach w złożu mieszanym, co daje wodę wysokiej jakości. Zmniejsza się częstość ich regeneracji w porównaniu do układu klasycznego, a ponadto spada zużycie jonitów, czas pracy ich złoża oraz chemikaliów służących do ich regenerowania.
Przykładem rozwiązania opartego na systemie hybrydowym RO-wymiana jonowa z wykorzystaniem dwujonitu w węźle demineralizacji jest stacja uzdatniania wody (SUW) Elektrociepłowni (EC) Chorzów. Działanie jej opiera się na uzdatnianiu wstępnym i demineralizacji. Ten pierwszy proces obejmuje wstępną koagulację i filtrację na filtrach żwirowych w celu usunięcia zawiesin i koloidów, zmiękczanie oraz filtrację na filtrach węglowych i workowych o śr. 5 µm.
Elektrodejonizacja (EDI) jako Alternatywa
W najnowocześniejszych rozwiązaniach w miejsce klasycznej wymiany jonowej stosuje się elektrodejonizację (EDI). Wprowadzenie RO do demineralizacji nie eliminuje jednak całkowicie wad rozwiązań opartych o wymianę jonową. Przede wszystkim chodzi tutaj o konieczność regeneracji złóż chemikaliami.
Elektrodejonizacja jest połączeniem elektrodializy z wymianą jonową, w której wykorzystuje się konwencjonalną żywicę. Przyłożone napięcie powoduje wędrówkę jonów do odpowiednich elektrod i tym samym do strumienia zatężonego. Drugim zadaniem stałego napięcia elektrycznego jest dysocjacja wody na jony H+ i OH-, które obsadzają grupy jonowymienne żywicy, doprowadzając do jej regeneracji.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Komory wypełnione jonitem są zasilane wodą surową i stąd odprowadzana jest jej forma zdemineralizowana. Te urządzenia oraz komory koncentratu są rozdzielone membranami jonowymiennymi. W ten sposób eliminuje się konieczność chemicznej regeneracji jonitów. Woda zdemineralizowana ma bardzo wysoką jakość i przewodność poniżej 0,2 mS/cm (S - siemens, jednostka przewodności elektrycznej w układzie SI). W odróżnieniu od złoża mieszanego proces dejonizacji EDI ma charakter ciągły.
Na świecie pojawia się coraz więcej firm oferujących technologię RO-EDI. Przykładem takiej instalacji jest rozwiązanie zastosowane w EC Wrotków-Lublin, służące do produkcji wody zasilającej turbiny parowe bloku gazowo-parowego.
Elektrodializa Odwracalna (EDR)
W niektórych rozwiązaniach w miejsce odwróconej osmozy stosuje się elektrodializę odwracalną (EDR), która służy do wstępnej demineralizacji wody zasilającej kotły energetyczne w układzie hybrydowym z wymianą jonową. W tego rodzaju metodzie liczba regeneracji jonitów zostaje zmniejszona o 80%, a tym samym obniża się zużycie chemikaliów i ilość zrzucanych ścieków.
Wzrasta natomiast fizyczna stabilność jonitów i zmniejsza się ich zanieczyszczenie, a ponadto obniżają się koszty procesu. System z EDR jest w mniejszym stopniu wrażliwy na zanieczyszczenia w wodzie niż rozwiązania oparte na odwróconej osmozie i wymianie jonowej. To umożliwia zasilanie wodami powierzchniowymi posiadającymi SDI (test SDI - ang. Slit Density Index jest stosowany do oceny jakości wody kierowanej do produkcji) w granicach od 5 do 6. EDR pozwala też na uzyskanie wysokiego stopnia odzysku wody na poziomie 85-95%.
Systemy Dwustopniowej Odwróconej Osmozy
Nowoczesne systemy ciepłownicze, sterowane za pomocą rozbudowanej automatyki, wymagają odpowiedniej jakości wody sieciowej (będącej nośnikiem ciepła) oraz jej form składników w postaci uzupełniającej. Zasadnicze wymagania stawiane są zasadowości, która powinna wynosić poniżej 0,5 mval/l. Praktyczne osiągnięcie tego parametru umożliwiają dekarbonizacja na słabo kwaśnym kationicie regenerowanym kwasem solnym lub demineralizacja z wykorzystaniem instalacji odwróconej osmozy.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
W procesie przygotowania wody dla ciepłownictwa bardzo często stosuje się systemy dwustopniowego układu odwróconej osmozy. W pierwszym i drugim stopniu na ogół wykorzystuje się membrany z tego samego lub różnych surowców polimerowych. Zasadniczym ograniczeniem zastosowania RO w tym przypadku jest duża wrażliwość na zanieczyszczenie wody zasilającej. Wskaźnik SDI nie powinien przekraczać wartości 5, a poziom substancji utleniających, takich jak wolny chlor, musi być mniejszy od 0,1 mg/l. Ponadto należy wziąć po uwagę to, że membrany są narażone na skażenie mikrobiologiczne. Osiągnięcie wydajnej i bezawaryjnej pracy instalacji RO wymaga bardzo starannego przygotowania wstępnego wody.
Omawiane rozwiązania są obecne w naszym kraju w postaci instalacji przygotowujących wody ciepłownicze w elektrociepłowniach: Żerań, Grudziądz, Rydułtowy oraz w Okręgowym Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej Gliwice.
Tabela 1: Przykłady Zastosowania Ultrafiltracji (UF) i Mikrofiltracji (MF)
| Elektrociepłownia/Elektrownia | Zastosowanie |
|---|---|
| Elektrownia Łagisza | Odsoliny z obiegu chłodzącego do produkcji wody zdemineralizowanej zasilającej kotły wysokoprężne (mikrofiltracja poprzedzona filtrami 50 µm, odwrócona osmoza, wymienniki dwujonitowe) |
| EC Rzeszów | Połączenie klasycznego uzdatniania wstępnego z ultrafiltracją i dwustopniową RO oraz elektrodejonizacją (EDI) |
| EC Katowice | Proces podciśnieniowej mikrofiltracji do oczyszczania wody zasilającej obiegi chłodzące |
Ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF) w otrzymywaniu wody zdemineralizowanej jest wykorzystywana jako metoda wspomagająca właściwą demineralizację. Może zatem współpracować zarówno z wymianą jonową/elektrodejonizacją, jak i odwróconą osmozą. Rozwiązanie takie dla celów kotłowych zastosowano w Elektrowni Łagisza oraz w EC Rzeszów. Zapewnia ono właściwą jakość wody podawanej na membrany do RO.
Instalacja w Elektrowni Łagisza to jedno z nielicznych na świecie rozwiązań wykorzystujących odsoliny z obiegu chłodzącego do produkcji wody zdemineralizowanej zasilającej kotły wysokoprężne. Takie skojarzenie obiegów przyczyniło się do zmniejszenia ilości ścieków przemysłowych odprowadzanych do odbiornika powierzchniowego.
Połączenie klasycznego uzdatniania wstępnego z ultrafiltracją i dwustopniową RO oraz elektrodejonizacją (EDI) zrealizowano w EC Rzeszów. Wielką zaletą tego systemu jest to, że działa z jednakową skutecznością niezależnie od dużych fluktuacji jakości wody surowej, pobieranej w tym przypadku z rzeki Wisłok. Jej jakość po demineralizacji wykazuje: przewodność poniżej 0,08 µS/cm, SiO2 jest niższe niż 10 ppb (ang.
Mikrofiltracja lub ultrafiltracja może być wykorzystana do oczyszczania wody zasilającej obiegi chłodzące w elektrowniach. Duże obiekty energetyczne zlokalizowane zazwyczaj na terenach zurbanizowanych mają trudności z zaopatrzeniem w wodę potrzebną m.in. do chłodzenia. Przykładowo do chłodni wentylatorowych bloku energetycznego 110 MW w EC Katowice wykorzystuje jej formę powstałą po oczyszczaniu biologicznym.
W stacji uzdatniania wody w EC Katowice zastosowano proces podciśnieniowej mikrofiltracji, który oparty jest o kapilarne membrany zanurzone. Obieg chłodzący w elektrociepłowni uzupełnia się permeatem po MF. Jakość wód surowych pochodzących z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków w Siemianowicach istotnie wpływa na możliwości wykorzystania jej oczyszczania w obiegu chłodzącym.
Na ogół filtrat po MF jest wolny od zawiesiny, bakterii i glonów. Posiada on obniżoną utlenialność, zawartość azotu organicznego i amoniakalnego oraz żelaza w porównaniu ze ściekami pochodzącymi z oczyszczalni. Jednakże zawartość soli ze względu na sposób uzdatniania wody pozostaje na niezmienionym poziomie, gdyż MF nie stanowi dla nich bariery.
Tabela 2: Porównanie Jakości Wody po Mikrofiltracji w EC Katowice
| Parametr | Ścieki z oczyszczalni | Filtrat po MF |
|---|---|---|
| Zawiesina | Wysoka | Brak |
| Bakterie i glony | Obecne | Brak |
| Utlenialność | Wysoka | Obniżona |
| Azot organiczny i amoniakalny | Wysoki | Obniżony |
| Żelazo | Wysokie | Obniżone |
| Zawartość soli | Niezmieniona | Niezmieniona |
Trójmembranowy system demineralizacyjny stosuje się w produkcji wody zdemineralizowanej służącej do zasilania energetycznych kotłów parowych w elektrowniach atomowych oraz w przemyśle elektronicznym. Jest to układ hybrydowy, w którym wykorzystuje się łącznie trzy procesy membranowe: ultrafiltrację, elektrodializę odwracalną i odwróconą osmozę.
Wykorzystanie nowoczesnych technologii, w tym technik membranowych, stanowi swoisty przełom otwierający szerokie możliwości stosowania zasobów wodnych trudnych do uzdatniania. Ponadto takie rozwiązania mogą służyć recyrkulacji ścieków i wód odpadowych w energetyce oraz do zamykania układów wodnych.
W innowacyjnych systemach demineralizacji wody uzupełniającej zasilanie kotłów parowych stosuje się układy hybrydowe, takie jak: odwrócona osmoza-wymiana jonowa oraz elektrodializa-wymiana jonowa. Ostatnio w miejsce klasycznej wymiany jonowej wprowadzany jest proces elektrodejonizacji, który eliminuje konieczność chemicznej regeneracji jonitów.
Istotne jest wstępne przygotowanie wody przed właściwą demineralizacją. Wprowadzenie nowoczesnych technik separacji w przemyśle energetycznym umożliwia wykorzystanie wód odpadowych jako nowego źródła dla układów technologicznych. Coraz realniejszy staje się pełny recykling wody i ścieków.
tags: #elektrociepłownia #uzdatnianie #wody #elektrodializa #proces
