Технология глубокой концентрации сточных вод с высоким содержанием солей

Как крупный потребитель промышленных вод, тепловые электростанции сталкиваются с серьезными вызовами в области контроля загрязнения воды. Сточные воды от десульфурации, сточные воды от переработки кислот и щелочей и концентрированные стоки циркуляционной воды представляют собой сточные воды с высоким содержанием солей и не могут быть повторно использованы в других системах. Таким образом, сточные воды с высоким содержанием солей становятся центром внимания и сложностью в профилактике и контроле загрязнения воды. Учитывая большое количество воды в этих сточных водах, невозможно достичь необходимого уровня потребления воды за один этап; поэтому приоритет отдается глубокой концентрации сточных вод с высоким содержанием солей перед реализацией нулевого сброса.
Глубокая концентрация подразумевает использование технических средств для отделения части воды из сточных вод с высоким содержанием солей, оставляя конечные сточные воды с более высоким содержанием солей, которые не могут быть дальше сконцентрированы и могут быть непосредственно направлены на утилизацию. Цель глубокой концентрации – уменьшить объем сточных вод, поступающих на последующую утилизацию, чтобы сократить общие инвестиции и эксплуатационные расходы системы очистки сточных вод. В настоящее время в некоторых отечественных инженерных проектах используются различные процессы глубокой концентрации.
В данной статье представлен технический и экономический анализ технологий DTRO, ED, многоэффектной флэш-испарения и низкотемпературной концентрации дымовых газов, что предоставляет справочную информацию для проектов реконструкции аналогичных сточных вод.

1. Введение в технологию глубокой концентрации

1.1 Мембрана обратного осмоса с дисковыми трубками (DTRO)

DTRO – это мембранный компонент, специально предназначенный для обработки сточных вод с высокой концентрацией и высоким содержанием солей. Практические инженерные примеры использовались десятилетиями для обработки сточных вод с высоким содержанием солей, таких как фильтрат на свалках. Его ключевая технология – колонна мембраны DTRO, состоящая из гидравлически направляющих дисков, фиксированных центральным стержнем и торцевой пластиной, помещенных в корпус под давлением. Это формирует мембранную колонну. Уникальный открытый канал DTRO значительно отличается от традиционной структуры катушечной мембраны. В процессе работы сырая вода поступает в верхний фланец мембранной колонны через канал между нижним фланцем и оболочкой, а затем попадает в дефлектор. Сырая вода течет с одной стороны диафрагмы, установленной между дефлекторными пластинами, на другую сторону с очень высокой скоростью и затем выходит из центра дефлекторной пластины. Входя в следующую диафрагму, образуется двойной "S"-образный маршрут, а конечный выход на конце мембранной колонны – это концентрированная жидкость. DTRO широко используется для обработки фильтратов на свалках, а также в проектах нулевого сброса сточных вод тепловых электростанций, и его работа более надежна.

1.2 Электродиализ (ED)

Электродиализ (ED) представляет собой комбинацию процессов электролитической диффузии, являющихся одной из технологий мембранной сепарации. Используя селективную проницаемость ионообменной мембраны, положительная мембрана теоретически позволяет проходить только катионам, а отрицательная мембрана – только анионам. Под действием внешнего постоянного электрического поля негативные и катионы движутся к аноду и катоду соответственно. Если фиксированный заряд мембраны противоположен заряду иона, ион может пройти через мембрану. Таким образом, достигается цель концентрации и разделения раствора. Процесс опреснения происходит в камере пресной воды, а в камере концентрированной воды получается концентрированный раствор. Основным процессом опреснения является обратная миграция ионов. Технология электродиализа может концентрировать раствор до массовой доли TDS 18%-22% и стабильно работать в течение длительного времени.

1.3 Многоэффектная флэш-испарение

Основной принцип работы многоэффектного испарения заключается в многократном использовании тепловой энергии пара с помощью вторичного пара, образующегося в предыдущем испарителе, в качестве источника тепла для последующего испарителя, что позволяет повысить коэффициент использования тепловой энергии. На тепловых электростанциях пар может быть получен из вспомогственного пара. Рабочий пар нагревает и конденсирует одноэффектный испаритель для повторного использования. Сточные воды испаряются и концентрируются в одноэффектном испарителе, образуя вторичный пар, который служит источником тепла для двухэффектного испарителя. Концентрированные сточные воды далее концентрируются во входном двухэффектном испарителе, а вторичный пар используется в качестве источника тепла для трехэффектного испарителя и так далее. Концентрированные сточные воды поступают в следующий испаритель для дальнейшей концентрации. В конечном итоге пар из последнего испарителя попадает в конденсатор и конденсируется в воду, то есть в дистиллированную воду после опреснения, качество которой очень хорошее и может использоваться в качестве воды для охлаждающих башен или даже для подпитки котлов. Конечный концентрированный рассол может быть продолжен в последующую систему концентрации или непосредственно через сгущатель и центрифугу для твердо-жидкостного разделения. В зависимости от направления потока вторичного пара и подаваемой жидкости различают параллельный, адвекционный, противоточный и поперечный поток. В практическом применении выбираются разные процессы в зависимости от производственных требований и различных физико-химических свойств материалов.

1.4 Низкотемпературная испарение дымовых газов

Низкотемпературная испарение и концентрация дымовых газов заключается в том, чтобы направить часть низкотемпературных дымовых газов после вентиляторов с принудительной тягой в испарительный концентратор в качестве источника тепла. Высокосоленая сточная вода подается в испарительный концентратор и испаряется и концентрируется в результате прямого контакта с дымовыми газами для теплообмена. Насыщенные влажные дымовые газы обрабатываются дефоггером в испарительном концентраторе, а затем поступают в основной дымоход. После обработки низкотемпературной испарением дымовых газов образуются конденсат и концентрированная жидкость. Конденсат можно повторно использовать в качестве воды для процесса десульфурации, а концентрированная жидкость поступает в конечный процесс очистки сточных вод. В низкотемпературной испарении и концентрации дымовых газов используется большой поток циркуляционного испарения; рабочий принцип такой же, как у абсорбционной колонны десульфурации, что позволяет достичь концентрации сточных вод в 5-10 раз.

2. Сравнение различных технологий глубокой концентрации

Эффективность глубокой концентрации и уменьшения непосредственно влияет на утилизацию конечных сточных вод и является ключевым элементом для достижения нулевого сброса, поэтому необходимо выбрать подходящую программу глубокой концентрации и уменьшения. Для проекта оптимизации использования воды и преобразования контроля загрязнения воды на отечественной тепловой электростанции с установленной мощностью 4x1000 МВт, оставшиеся сточные воды с высоким содержанием соли, которые не могут быть повторно использованы после глубокой оптимизации, составляют 66 м³/ч, в основном из сточных вод десульфурации и небольшого количества сточных вод от переработки кислот и щелочей. Содержание TDS (соль) после смешивания составляет 42000 мг/л. Сравнение различных технологий глубокой концентрации с концентрацией хлоридов 8000 мг/л представлено в таблице 2. Смотрите рисунки 1-4 для схемы каждого процесса.

2. Сравнение различных технологий глубокой концентрации

Эффективность глубокой концентрации и уменьшения непосредственно влияет на утилизацию конечных сточных вод и является ключевым элементом для достижения нулевого сброса, поэтому необходимо выбрать подходящую программу глубокой концентрации и уменьшения. Для проекта оптимизации использования воды и преобразования контроля загрязнения воды на отечественной тепловой электростанции с установленной мощностью 4x1000 МВт, оставшиеся сточные воды с высоким содержанием соли, которые не могут быть повторно использованы после глубокой оптимизации, составляют 66 м³/ч, в основном из сточных вод десульфурации и небольшого количества сточных вод от переработки кислот и щелочей. Содержание TDS (соль) после смешивания составляет 42000 мг/л. Сравнение различных технологий глубокой концентрации с концентрацией хлоридов 8000 мг/л представлено в таблице 2. Смотрите рисунки 1-4 для схемы каждого процесса.

2.1 Условия качества исходной воды

Процессы DTRO и ED являются мембранными процессами, которые используют мембранные технологии для удаления солей. Однако для обеспечения стабильной работы мембранной системы необходимо провести предварительную обработку (включая удаление мутности и жесткости). Процесс многоэффектного испарения имеет низкие требования к мутности и жесткости входной воды и может работать без предварительной обработки, но для долгосрочной стабильной работы содержание твердых частиц должно быть ниже 1%. Процесс низкотемпературной испарения дымовых газов аналогичен работе абсорбционной колонны десульфурации и требует контроля содержания взвешенных частиц ниже 500 мг/л.

2.2 Площадь

По сравнению с процессами DTRO, ED и многоэффектного испарения, процесс низкотемпературной испарения дымовых газов не требует строительства новых помещений для концентрации, занимает меньшую площадь и может быть установлен рядом с абсорбционной колонной десульфурации. Процессы DTRO и ED требуют значительного пространства для установки новых систем, включая системы смягчения. Процесс многоэффектного испарения не требует таких систем и занимает умеренную площадь.

2.3 Сравнение применимости

Системы DTRO и ED имеют высокую техническую зрелость и широкий спектр применения, но они более сложные и требуют высоких инвестиций для обработки высокосоленых сточных вод. Многоэффектный процесс имеет высокую степень автоматизации и не требует предварительной обработки, однако его производительность требует дальнейшей проверки. Процесс низкотемпературной испарения дымовых газов использует остаточное тепло от работы электростанции и менее эффективен в плане энергии, его эффективность зависит от нагрузки.

3. Анализ экономических показателей различных процессов глубокой концентрации

Анализ экономических показателей различных процессов глубокой концентрации высокосоленых сточных вод на примере тепловой электростанции с установленной мощностью 4x1000 МВт в Китае показывает, что инвестиции в новые системы предварительной обработки для поддержки процессов DTRO и ED составляют почти 40% от общего объема. Основные эксплуатационные расходы приходятся на эксплуатацию этих систем, что ограничивает развитие мембранных технологий концентрации.

Основные инвестиционные затраты на процесс многоэффектного флэш-испарения сосредоточены в оборудовании для флэш-испарения, а эксплуатационные расходы в основном связаны с потреблением пара. Процесс низкотемпературной испарения дымовых газов имеет наименьшие эксплуатационные расходы благодаря использованию тепла от низкотемпературных дымовых газов, что позволяет избежать необходимости в дополнительных операторах и снижает эксплуатационные затраты.

4. Заключение

Согласно техническому и экономическому сравнению четырех технологий глубокой концентрации высокосоленых сточных вод, все четыре схемы могут удовлетворить требования глубокой концентрации и минимизировать объем конечных сточных вод. Однако различные технологические маршруты имеют свои преимущества и недостатки.