XXV Międzynarodowe Sympozjum im Bolesława Krzysztofika AQUA 2005

Transkrypt

1 UZDATNIANIE WODY NA CELE ENERGETYCZNE METODĄ ODWRÓCONEJ OSMOZY (WATER TREATMENT FOR POWER INDUSTRY BY MEANS OF REVERSE OSMOSIS) Dr inż. Grażyna Totczyk Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska UTP w Bydgoszczy Słowa kluczowe: inżynieria sanitarna, ciepłownictwo, odwrócona osmoza Streszczenie Woda do zastosowań energetycznych musi spełniać zaostrzone wymagania. Zależą one od parametrów pracy kotłów i innych urządzeń wykorzystywanych do produkcji i przesyłu nośnika ciepła. W większości zakładów stosuje się konwencjonalne metody uzdatniania wody. Podstawowym procesem jest wówczas wymiana jonowa. Jednak coraz więcej zakładów modernizuje układy uzdatniania, wprowadzając tzw. metody membranowe. W referacie przedstawiono efektywność uzdatniania wody metodą odwróconej osmozy na cele energetyczne. Wprowadzenie Wszystkie wody naturalne zawierają różnego typu zanieczyszczenia zarówno chemiczne, bakteriologiczne jak i mechaniczne. Z tego względu nie są stosowane do celów energetycznych bez ich uzdatnienia. Również woda z sieci wodociągowej nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w obiegach energetycznych. Woda do zastosowań energetycznych musi spełniać specjalne, zaostrzone wymagania, które zależą od różnych czynników związanych z konstrukcją urządzeń, ich eksploatacją, obciążeniem cieplnym, jakością zastosowanych materiałów oraz sposobem przygotowania wody uzupełniającej. Dlatego niemożliwe jest ustalenie jednoznacznych wymagań dla wszystkich eksploatowanych w energetyce urządzeń. Określone zostały one w przepisach i normach [4], a podstawą do ich opracowania były przede wszystkim parametry pracy urządzeń i obciążenia cieplne powierzchni ogrzewalnych. Dokumenty te mają charakter zaleceń, a decydujące są wymagania stawiane przez producentów urządzeń.

2 Mimo zróżnicowanych wymagań podstawowym celem uzdatniania wody w energetyce jest wykluczenie lub ograniczenie do minimum wytrącania się osadów w instalacji i urządzeniach oraz przebiegu w nich korozji. Na powstawanie osadów (typu kamienistego lub szlamu): składają się przede wszystkim takie czynniki jak [1, 3]: - zmiana składu chemicznego wody w wyniku ogrzewania i wydzielanie z wody substancji stałych; - nanoszenie i osadzanie się na niektórych powierzchniach zawiesin zawartych w wodzie, w tym również osadów powstających z produktów korozji powierzchni metalowych. Największy wpływ na powstawanie osadów mają składniki: - sole wapnia, magnezu oraz krzemionka - w kotłach parowych; - wodorowęglany wapnia, magnezu, żelaza i manganu - w zamkniętych układach wodnych; - węglan wapnia powstający w wyniku zwiększającego się stężenia soli na skutek odparowania wody i odprowadzania dwutlenku węgla - w układach chłodniczych. Powstawanie osadów powoduje liczne negatywne skutki i problemy związane z eksploatacją urządzeń. Podstawowym problemem jest zmniejszenie przekroju czynnego przewodów, co powoduje utrudnienie przepływu nośnika ciepła, a w skrajnych przypadkach całkowite zablokowanie przepływu. Nie bez znaczenia są straty ekonomiczne spowodowane izolacyjnością osadów. W konsekwencji następuje wzrost zużycia energii cieplnej i paliwa do ogrzewania oraz uniemożliwienie ochładzania nośnika do wymaganej temperatury w układach chłodniczych. Problemem jest również wzrost temperatury ścianek kotłów spowodowany złym chłodzeniem, co prowadzi do uszkodzenia kotła oraz powoduje przyspieszoną korozję podosadową. Proces korozji może zachodzić na powierzchni metali i betonu. Na szybkość korozji i jej charakter wpływa skład wody, jej temperatura i prędkość przepływu [2, 3]. Wśród wielu parametrów wody największe znaczenie dla korozji ma: - tlen, który przyspiesza jej przebieg; - odczyn wody - wyższy ph powoduje, że większa może być zawartość tlenu bez groźby wzrostu korozyjności wody. Jednak przy podwyższaniu temperatury ta zależność przestaje obowiązywać; - dwutlenek węgla - nadaje wodzie odczyn kwaśny, co wpływa niszcząco na metale, jego agresywność wzrasta w obecności tlenu; - nadmierna alkaliczność i nadmierne stężenie wodorotlenku sodu, mogą być przyczyną korozji; - niektóre sole, tj. chlorki magnezu i żelaza w podwyższonej temperaturze i pod zwiększonym ciśnieniem tworzą kwas solny, który działa na żelazo. Podobnie działają sole kwasu -2 -

3 azotowego. Z kolei obecność amoniaku, przy jednoczesnej obecności tlenu działa korodująco na miedź i jej stopy. Korozja instalacji i urządzeń oraz wytrącanie się w nich osadów mają bezpośrednie przełożenie na koszty użytkowania instalacji i urządzeń. Ograniczenie tych negatywnych zjawisk polega na zmianie składu chemicznego i poprawienie właściwości fizycznych poprzez usunięcie lub zmniejszenie zawartości niekorzystnych składników wody. Istnieje szereg metod służących do uzdatniania wody na cele energetyczne. Do tej pory większość zakładów stosuje metody konwencjonalne, w których podstawowym procesem jest wymiana jonowa. Jednak obecnie obserwuje się tendencje do modernizacji układów uzdatniania, w których dominującymi metodami są tzw. metody membranowe, a wśród nich metoda odwróconej osmozy [5]. Przykładami są elektrociepłownie np. w Grudziądzu, Toruniu, czy lokalna stacja uzdatniania wody w kotłowni Rejonowego Centrum Onkologicznego w Bydgoszczy. Metoda odwróconej osmozy Oczyszczanie w metodzie odwróconej osmozy odbywa się na zasadzie przenikania wody przez półprzepuszczalną błonę (membranę) i zatrzymywaniu zdysocjowanych soli oraz organicznych (substancje humusowe) i nieorganicznych (krzemionka) zanieczyszczeń koloidalnych [1, 2, 5]. Błona jest przepuszczalna dla wody, a nieprzepuszczalna dla cząstek substancji rozpuszczonych. Przenikanie substancji przez błonę zachodzi pod wpływem działającego ciśnienia roboczego. Ciśnienie robocze działa po stronie roztworu o większym stężeniu i wymusza przepływ cząsteczek wody przez membranę do roztworu bardziej rozcieńczonego. Dzięki temu zawarte w wodzie rozpuszczone sole, bakterie zostają zatrzymane w postaci skondensowanego płynu (koncentratu). W wyniku tego procesu odpływa woda - produkt (permeat) o znikomej zawartości soli, pozbawiona koloidów, substancji stałych i bakterii. Stosunek ilości permeatu do ilości wody surowej (podawanej na membrany) nazywany jest odzyskiem systemu. Aby zapewnić optymalną pracę modułu odwróconej osmozy, woda surowa musi być dokładnie wstępnie oczyszczona. Szczególnie ważne jest usunięcie ciał stałych, zawiesin pochodzenia organicznego i nieorganicznego, zabezpieczenie błon przed wytrącaniem i osadzaniem się na nich kamienia. Dla wód o małej twardości wystarczy uzdatnianie na złożu piaskowym i na wymieniaczu jonowym. Wody twarde należy poddać procesowa zmiękczania wapnem lub wapnem i sodą oraz przefiltrować na złożach piaskowych. Natomiast dla wód powierzchniowych należy przeprowadzić chlorowanie, koagulację, sedymentację i filtrację na złożach piaskowych. Dodatkowo w module odwróconej -3 -

4 osmozy, przed pompą wysokociśnieniową, montuje się mikrofiltr zatrzymujący cząstki o wymiarach 5 25 m. Efektywność technologiczna metody odwróconej osmozy Badania realizowano w elektrociepłowni produkującej głównie energię zawartą w wodzie gorącej, potrzebną dla zaspokojenia potrzeb grzewczych miasta. Pozostałe wytworzone ciepło w postaci pary technologicznej i gorącej wody dostarczane jest pobliskim zakładom przemysłowym. Woda do celów technologicznych pobierana jest głównie z ujęć głębinowych i tylko czasami mieszana jest z wodą z miejskiej sieci wodociągowej. Ujmowana woda doprowadzana jest do zbiornika wody surowej, skąd czerpana jest do produkcji nośnika ciepła. W produkcji nośnika ciepła wyróżnić można następujące procesy technologiczne: - wstępne przygotowanie wody; - demineralizacja wody metodą odwróconej osmozy; - korekcja ph. Wstępne uzdatnianie wody zasilającej membrany jest podstawowym warunkiem ich długotrwałej pracy. W procesie tym należy usunąć zanieczyszczenia biologiczne i stałe, jony wapnia i magnezu oraz związki żelaza i manganu, gdyż mogą one tworzyć osady zatykające membrany. Należy także wyeliminować z wody substancje utleniające np. chlor, ponieważ mogą one trwale uszkodzić membrany. W celu ochrony membran stosuje się dodatkowy filtr bezpieczeństwa oraz dawkuje chemikalia: dechlorant (usuwający chlor) i antyskalant (zapobiegający wytrącaniu się na membranach osadów wapnia i magnezu). Konieczność podczyszczania wody określa się na podstawie indeksu gęstości osadu (tzw. indeks zatykania) - SDI. Dodatkowym wymaganiem jest odpowiednia temperatura wody, której optymalna wartość wynosi 20 C. Schemat stacji uzdatniania wody przedstawiono na rys. 1. Woda doprowadzana do zbiornika wody surowej (Zs), pompami (PI) wtłaczana jest na wymiennik ciepła (W), gdzie podgrzewa się ją do temperatury 20 C. Następnie woda kierowana jest na dwa pracujące równolegle filtry żwirowe (FA i FB). Celem filtracji jest usunięcie zawiesin. Woda przefiltrowana pompowana jest pompami (P2) na dwie jednostki odwróconej osmozy (ROI i RO2), przed którymi zainstalowane są 5 m filtry bezpieczeństwa. Przed urządzeniami odwróconej osmozy dawkowany jest dechlorant (D) i antyskalant (A). Na membranach zachodzi właściwy proces -4 -

5 uzdatniania wody. Każda jednostka odwróconej osmozy składa się z dwóch stopni. Permeat I stopnia podawany jest na II stopień. Koncentrat I stopnia odprowadzany jest do zbiornika koncentratu (Zk), a koncentrat II stopnia zawracany jest do wody zasilającej I stopień. Permeat przepompowywany jest pompami (P3) do zbiornika (Zn), a następnie po korekcji ph wody, do zbiornika magazynującego (Zk). Uzdatniona woda pompowana jest pompami (P4) do kotłowni, skąd uzupełniany jest obieg kotłowy i zład miejskiej sieci ciepłowniczej. Łączny odzysk jednostek odwróconej osmozy wynosi około 70 %. Wyniki badań i ich omówienie W trakcie badań zebrano wyniki analiz, które obejmują wodę surową, przefiltrowaną i uzdatnioną metodą odwróconej osmozy (permeat). W tabeli 1 przedstawiono ich średnie wartości w latach Tabela 1. Wyniki analiz wody surowej, przefiltrowanej i permeatu w latach (Table 1. The results of analysis of raw water, filtered water and permeat in ) Wskaźnik Jednostka Woda surowa Woda przefiltrowana Permeat Temperatura C 15,80 16,62 19,90 19,57 19,70 Potas mgk/dm 3 1,60 1,36 2,28 2,37 Zasadowość F mval/dm Zasadowość M mval/dm 3 3,39 3,48 3,32 3,09 3,15 2,88 0,078 0,078 0,129 Odczyn ph 7,68 8,38 7,78 7,64 7,64 7,75 5,62 '5,70 5,70 ChZT(Mn) mg0 2 /dm 3 0,36 0,388 0,383 0,504 0,918 0,863 0,892 Chlorki mg/dm 3 24,77 24,06 27,0 21,31 20,77 20,21 Mangan mg/dm 3 0,03 0,027 0,014 0,010 0,010 Wapń mg/dm 3 87,71 87,03 86,20 85,46 79,73 Magnez mg/dm 3 7,27 10,09 6,81 9,37 8,27 Krzemionka mg/dm 3 6,94 9,91 9,70 8,19 9,50 9,77 Siarczany mg/dm 3 77,03 71,83 72,20 Przewodność us/cm 502,26 490,07 520,0 479,40 485,42 491,04 2,70 3,06 2,84 Barwa mgpt/dm 3 4,68 4,06 4,80 1,97 3,76 2,53 Twardość og. mval/dm 3 4,99 5,17 5,29 4,87 5,00 4,69 0, Chlor wolny mgcl 2 /dm 3 0,06 0,01 0,032 0,015 0,011 Twardość niewęgl. mval/dm 3 1,62 1,68 i 1,97 1,78 1,87 1,80 Twardość węgl. mval/dm 3 3,38 3,48 3,32 3,09 3,14 2,87 C0 2 og. mg/dm 3 11,51 11,19 10,08 Żelazo og. mg/dm 3 0,14 0,10 0,095 0,010 0,014 0,028 0,003 0,011 0,025 Zawiesina og. mg/dm 3 0 0,29 0,005 0,018 0,009 Substancje rozp. mg/dm 3 318,03 343,09 319,87 Fosforany mgpcvdm 3 0,21 0,24 0,22 0,354 0,318 0,610 Azotany mgncvdm 3 2,39 1,97 2,24 Wskaźnik zatykania 2,51 2,07 2,59 2,06-5 -

6 Rys. 1 Schemat stacji uzdatniania wody: Zs - zbiornik wody surowej, P1-P4 - pompy, W - wymiennik, FA ieb filtry żwirowe, D, A - stacja dawkowania chemikaliów, ROI i RO2 - jednostki odwróconej osmozy, F5 - filtry bezpieczeństwa, I - pierwszy stopień układu odwróconej osmozy, II- drugi stopień układu odwróconej osmozy, Zn - zbiornik naziemny permeatu, NaOH - korekcja ph, Zp - zbiornik podziemny permeatu,zk - zbiornik koncentratu (Fig. 1 Water purjtcation plant scheme: Zs - raw water tank, P1-P4 - pumps, W - exschanger, FA, FB - gravel filters, D, A - chemical dosage stations, ROI, RO2 - reverse osmosis units, Zn - ground-based tank, NaOH - correction of reaction, Zp - underground tank of permeat, Zk - tank of concentrate) Temperatura wody surowej, wynosząca około 16 C wskazuje na konieczność jej podgrzania przed uzdatnianiem metodą odwróconej osmozy. Woda posiada jedynie zasadowość ogólną (3,32-3,48 mval/dm 3 ), co wskazuje na zawartość kwaśnych węglanów powodujących twardość węglanową. Woda charakteryzuje się średnią twardością ogólną (4,99-5,29 mval/dm 3 ), a jej przewodność wynosi 490,07-520,0 us/cm. Odczyn wody surowej jest lekko zasadowy (ph = 7,68-8,38). Woda zawiera znaczne ilości krzemionki oraz związki żelaza, manganu, wapnia i magnezu, które mogą powodować powstawanie osadów. Obecne chlorki w ilościach 24,06 27,0 mg/dm 3 powodują twardość niewęglanową oraz zwiększają korozyjność wody. W wodzie występuje również chlor wolny, ale w niewielkich ilościach (0,06-0,01 mgcl 2 /dm 3 ). Woda przefiltrowana, wcześniej podgrzana na wymienniku, ma temperaturę bliską 20 C. W wodzie obecne są siarczany (71,83-77,03 mg/dm 3 ), które mogą powodować twardość niewęglanową i wytrącać się w postaci kamienia. Twardość ogólna nadal utrzymuje się na poziomie wartości średnich (4,69-5,00 mval/dm 3 ). Nieznacznie zmniejszyła się ilość manganu i barwa wody w stosunku do wartości w wodzie surowej. Natomiast wyraźnie obniżyło się stężenie żelaza ogólnego, które nie przekracza 0,028 mg/dm 3. Woda przefiltrowana zawiera związki azotu i zwiększoną ilość fosforanów mogących powodować rozwój mikroorganizmów. Wartości zasadowości ogólnej, przewodności i zawartości krzemionki nie uległy istotnym zmianom. Permeat nie wykazuje twardości i ma bardzo małą przewodność (2,70-3,06 us/cm). Żelazo występuje w podobnych ilościach jak w wodzie przefiltrowanej. Zasadowość M jest natomiast wyraźnie niższa i wynosi 0,129-0,078 mval/dm 3. Odczyn permeatu jest kwaśny, -6 -

7 nie przekracza wartości ph = 5,7 i dlatego konieczna jest jego korekcja przed skierowaniem do kotłowni. Wszystkie wskaźniki permeatu mieszczą się w określonych wymaganiach dla wody uzdatnionej, gdyż dopuszczalne wartości graniczne są następujące: - dwutlenek węgla < 20 mg/dm 3 ; - odczyn ph = 5,5-8,0; - przewodność < 5,0 us/cm; - twardość ogólna < 0,02 mval/dm 3 ; - utlenialność < 10 mgkmno^dm 3 ; - zasadowość ogólna < 1,0 mval/dm 3 ; - zawiesina ogólna < 0,5 mg/dm 3 ; - żelazo ogólne < 0,05 mg/dm 3. Podsumowanie Woda do zastosowań energetycznych musi spełniać zaostrzone wymagania. Głównym celem uzdatniania wody w energetyce jest usunięcie substancji wytracających się w postaci osadów i pozbawienia jej właściwości korozyjnych. Stosowanie metody odwróconej osmozy pozwala uzyskać wodę o bardzo wysokim stopniu czystości i stabilnym składzie. Dzięki temu kontrola analityczna dokonywana jest rzadziej niż w przypadku metod konwencjonalnych. Uzdatnianie wody metodą membranową nie wymaga dużej ilości chemikaliów i magazynów do ich składowania. Powoduje to zwiększenie bezpieczeństwa pracy w zakładzie i poprawę warunków BHP. Ponadto zmniejsza się ilość szkodliwych ścieków, nie ma konieczności ich neutralizacji, a powstający koncentrat można wykorzystać np. do gaszenia popiołu. Podkreślić należy jednak, że metoda odwróconej osmozy wymaga dokładnego wstępnego oczyszczania wody. Jest to metoda droga pod względem inwestycyjnym, lecz zazwyczaj niższe są koszty inwestycyjne w porównaniu z metodami jonitowymi. Piśmiennictwo [1] Biłozor S., Nawrocki J. (2000), Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa - Poznań [2] Kowal A. L. (1996), Ochrona wody, Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław [3] Stańda J. (1995), Woda dla kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych, WNT,Warszawa [4] Polska Norma, PN-85/C-04601, Woda do celów energetycznych. Wymagania i badania jakości wody dla kotłów wodnych i zamkniętych obiegów ciepłowniczych [5] Prace dyplomowe nr 4843, 5267, 5337, napisane w KISiW, WBiIŚ, UTP w Bydgoszczy -7 -

8 Abstract Water for power industry must perform severe requirements. They depend on parameters of operation of boilers and other equipment used for production and transmission of heat carrier. In most of the plants conventional methods of water treatment are used. The basic process then is ion exchange. However, more and more plants modernizes systems of water treatment by introducing so called membrane methods. The paper presents efficiency of water treatment by means of reverse osmosis for power industry. -8 -