Очистка сточных вод

      Особый интерес представляют маслоохладители. В систему охлаждения включены не только конденсаторы турбин, но и ряд других аппаратов, которые хотя и требуют несравненно меньшего расхода охлаждающий воды, но способны эту воду загрязнять. К таким аппаратам относятся маслоохладители – трубчатые аппараты, которые в процессе эксплуатации могут пропускать некоторые количества масел в охлаждающую воду.     Следствием этого является ее загрязнение нефтепродуктами, причем масла попадают в общей поток охлаждающей воды. Предложен ряд способов для устранения этого загрязнения: изменение конструкции маслоохладителей, выделение их в самостоятельную систему охлаждения, повышение давления охлаждающей воды и т. д. Наиболее часто применяется сооружение промежуточного водяного теплообменника, где существуют два контура: маслоохладитель – теплообменник и теплообменник – градирня – конденсатор. При этом маслами может загрязняться только малый контур, так как давление воды, охлаждающий маслоохладитель, выше давления в малом контуре.

Рис.1. Схема включения маслоохладителей, исключающая

загрязнение нефтепродуктами всей системы охлаждения:

1 – маслоохладитель; 2 – промежуточный  водо-водяной теплообменник; 3 –  насос, осуществляющий циркуляцию в малом контуре маслоохладители; 6 – промежуточный теплообменник; 4 – основной циркуляциоонный насос 

      В заключение следует отметить, что на многих ТЭС продувочные воды системы охлаждения применяются частично. Их подают на химводоочистку, хотя при этом несколько возрастает расход реагентов, но зато используется тепло сбрасываемой воды, которая в этом случае отбирается непосредственно после конденсаторов. Кроме того, сокращается и сброс этих вод в природные водоемы. 
 
 

2. Воды  гидрозолоудаления

      Системы гидравлического удаления золы и шлама на ТЭС, где топливом служит мазут, отсутствуют; эти системы организуются только на ТЭС, сжигающих твердое топливо.

       На ТЭС мощностью 4000 МВт работающей, например, на углях Экибастурского месторождения, необходимо за 1 час удалить до 1300 т золы и шлака. Это количество имеет объем около 600 м³; следовательно, за год такая ТЭС была бы буквально погребена под слоем золы и шлака, общее количество которых превысило бы 5 млн м³. При площади промплощадки в 0,6 км² слой золы за год достиг бы высоты примерно 8 м. Во избежании этого золу и шлак гидравлически транспортируют на золошлакоотвалы. Это осуществляется так: зола и шлак смываются из зольных бункеров мощным потоком воды и образовавшаяся пульпа (взвесь золы и шлака в воде) по пульпопроводам направляется на несколько километров от станции на золошлаковые поля. Там зола оседает, а освободившаяся от золы так называемая осветленная вода или сбрасывается в природные водоемы или возвращается обратно на ТЭС для выполнения той же работы.

      К сожалению, еще в 1987 году только третья часть от общего числа систем гидрозолоудаления (ГЗУ) имела оборотное водопользование, а почти 60 % всех систем ГЗУ сбрасывали осветленную воду в природные водоемы, которые погибали, так как осветленные воды от многих топлив содержат крайне ядовитые вещества. Правда, теперь все вновь сооруженные электростанции будут иметь только оборотные системы ГЗУ. Планируется реконструировать на оборотные эти системы и на старых ТЭС. Однако было бы ошибочно предполагать, что оборотные системы ГЗУ полностью решают задачу охраны окружающей среды от вредного воздействия золы и шлака.

Количество  воды, требующееся для смыва и  гидротранспортировки золы и шлака, примерно в 10 раз превышает массовое их количество. Для нашего примера это составит 13 тыс м³/час. В оборотных системах ГЗУ это количество воды будет циркулировать, смывая и перенося все новые порции золы и шлака. При этом вода будет выщелачивать, растворять те компоненты золы, которые обладают заметной растворимостью. Каков же будет состав этой циркулирующей в системе гидрозолоудаления воды? Очевидно, этот состав будет зависеть от свойств топлива. Исследование показало, что все твердые топлива можно условно разбить на четыре группы. К первой относятся сланцы, торф и ряд углей восточных месторождений. Оборотные воды ГЗУ, где сжигаются эти топлива, представляют собой насыщенный раствор Ca(OH)₂. Значение рН осветленной воды на таких оборотных  системах ГЗУ достигает 13, а общая щелочность 40 мг-экв/л. вторая группа топлив, к которым относятся, в частности, угли Донецкого бассейна и некоторые угли Кузбаса, дает воды насыщенные сернокислым кальцием. Растворимость этой соли около 2 г/л, считая на CaSO₄. К третьей группе надо отнести такие топлива, осветленная вода ГЗУ которых содержит и сернокислый кальций и щелочь, т.е. насыщена и CaSO₄ и Ca(OH)₂.

      Зола углей Экибастурского месторождения (четвертая группа топлив) не содержит легко растворимых веществ, вследствие чего воды ГЗУ на таких ТЭС мало минерализованы. Но все без исключения топлива содержат фториды, ванадий, мышьяк, а некоторые даже ртуть, бериллий, германий и другие элементы. Поэтому осветленные воды ГЗУ практически всегда содержат ионы фтора и соединения других, перечисленных выше элементов. Концентрация фтора во многих водах оборотного ГЗУ достигает  
50 ¸ 70 мг/л. Содержание мышьяка составляет примерно 0,5 ¸ 1 мг/л. Такова же в большинстве случаев концентрация соединений ванадия.

      Существенным обстоятельством является то, что далеко не всегда удается сбалансировать водный режим систем ГЗУ. В них поступают атмосферные осадки, которые во многих районах нашей страны не полностью компенсируются испарением с золоотвала. Часто в систему ГЗУ сбрасывают и другие стоки, например нефтезагрязненные воды, отработавшие растворы после химических очисток и консерваций оборудования и т.д. Часть воды остается связанной компонентами золы; например, сернокислый кальций превращается в гипс, поглощая на молекулу CaSO₄ две молекулы Н₂О. Окись кальция и некоторые другие окислы гидратируются. Вода с рядом солей образует кристаллогидраты. Часть воды заполняет поры между частицами золы. Эти процессы могут быть изображены реакциями: 

CaSO₄ + 2 H₂O  ®    CaSO₄×2H₂O

CaO + H₂O  ®     Ca(OH)₂

MgO + H₂O ®     Mg(OH)₂

SiO₂ + n H₂O  ®    SiO₂×n H₂O 

      Наряду с этим имеются факторы, приводящие к увеличению воды в системах ГЗУ. Значительное количество мелкой золы уносится потоком отходящих топочных газов. Одним из эффективных способов улавливания этой летучей золы является промывание газов водой в так называемых мокрых газоочистителях. Орошение этих систем далеко не всегда возможно осветленной водой, возвращаемой с золоотвала, так как эта вода бывает насыщена Ca(OH)₂ и CaSO₄. При контакте такой воды с дымовыми газами, содержащими СО₂ и окислы серы, на стенках мокрых газоочистителей (скрубберов) и в соплах орошающей системы образуются малорастворимые соли, которые нарушают нормальную работу этих систем.  Вследствие этого для орошения аппаратуры мокрой очистки газов приходится применять свежую воду, количества которой довольно значительны. Все эти причины и приводят к необходимости сбрасывать  из систем ГЗУ от 200 до 400 м³ воды/час. Поскольку эта вода содержит ряд токсичных веществ, ее приходится подвергать обезвреживанию и лишь после очистки либо сбрасывать, либо использовать в системе ТЭС.

      Способы и технология обезвреживания сбросных вод ГЗУ в настоящее время разрабатываются. На одной электростанции Свердловской энергосистемы сооружена промышленная установка, действующая по принципу коагуляции. В очищаемой воде создаются хлопья гидроокиси алюминия за счет реакции 

Al₂(SO₄)₃ + 6 NaOH  ®   2 Al(OH)₃ + 3 Na₂SO₄ 

      Образующаяся гидроокись осаждает фтор, мышьяк и ванадий.

Обезвреживание  организованного сброса из систем ГЗУ, к сожалению, не полностью устраняет вредное воздействие этих вод на природные источники воды. Кроме организованного сброса, существуют неорганизованные утечки через дамбу, ограждающую золоотвал, и в грунт через его ложе. Решение этой проблемы очень сложное и дорогое, так как надо выстилать ложе золоотвала непроницаемыми для воды материалами. 

3. Обмывочные  воды

      Системы гидрозолоудаления характерны для электростанций, работающих на твердых топливах. Особенностью ТЭС, сжигающих жидкое топливо, т. е. сернистые мазуты или нефть, является высокое содержание серы, ванадия и никеля в топливе. Так, сернистые мазуты от уфимских и сибирских нефтей содержат около 100 г ванадия, 10–15 г никеля и примерно 5 г других металлов в каждой тонне этого топлива.

      На станции мощностью 4 000 МВт, которая выбрана нами в качестве примера, сжигается за 1 ч около 900 т мазута. При этом освобождается 90 кг ванадия,  
      15–20 кг никеля и около 5 кг других металлов. Большая часть этих веществ в виде различных окислов (V₂О₃, VO₂, NiO, CuO и т. д.) выбрасывается в атмосферу с отходящими газами; от 5 до 15 % оседает в системе котла на различных поверхностях. Отлагающиеся в зоне низких температур соединения могут быть смыты водой, так как они состоят из растворимых сульфатов ванадия V(SO₄)₃, ванадила VOSO₄, сульфатов никеля NiSO₄ и железа FeSO₄. Соли железа являются продуктом коррозии металлических поверхностей сернистыми соединениями, главным образом серной кислотой.

      Технология обработки обмывочных вод с извлечением из них ванадия разработана ВТИ. Она заключается в частичной нейтрализации этой воды до рН ≈ 4.    В этих условиях осаждается часть железа и практически весь ванадий. Осадок отделяется и направляется металлургам для выплавки феррованадия, а жидкость в другом резервуаре подвергается окончательной нейтрализации для полного осаждения железа и всех других примесей. Освобожденная от металлических соединений вода может быть возвращена для проведения следующих обмывок.

      Предложены и другие технологические схемы переработки зольных отложений, образующихся в котлах, где топливом служит сернистый мазут. В настоящее время на таких ТЭС устанавливаются электрофильтры для улавливания и того ванадия, который уносится дымовыми газами. По некоторым зарубежным материалам можно судить, что этими электрофильтрами удастся уловить до 60–70 % всего освобождающегося при сжигании мазута ванадия. Даже только по крупным мазутным электростанциям Минэнерго эти 60–70 % дадут около 5 000 т ванадия в год. Это значение соизмеримо с мировой добычей ванадия, которая в 1970 г. составляла примерно 10 000 т/год

      Физиологическое действие ванадия и его соединений весьма опасно. Соединения ванадия ядовиты. При попадании их в организм человека через желудочно-кишечный тракт или через легкие путем вдыхания пыли развиваются поражения дыхательных путей, нарушается деятельность почек, сердца и печени. Все это надо иметь в виду при работах по очистке поверхностей нагрева, загрязненных зольными отложениями, содержащими ванадий. Если пренебрегать средствами защиты, то могут возникнуть легочные кровотечения и нарушения работы внутренних органов, а при систематических отравлениях – опухолевые заболевания. 

4. Нефтезагрязненные воды

      Воды, загрязненные нефтепродуктами, т. е. мазутом и маслами, образуются на всех станциях независимо от вида применяемого топлива. На мазутных ТЭС количество этих вод обычно несколько больше за счет конденсатов, получающихся при разогреве мазута.

      Необходимо отметить, что количество нефтезагрязненных вод и степень их загрязнения год от года уменьшаются вследствие более внимательного отношения персонала ТЭС к этому виду загрязнений. Так, на одной крупной ТЭС в конце 60-х годов была создана установка для очистки нефтезагрязненных вод производительностью 400 т/ч с расчетом на поступление загрязненных вод с содержанием до 100 мг/дм³ нефтепродуктов. Сейчас эта установка работает только с половинной нагрузкой, причем содержание нефтепродуктов в поступающей воде находится в пределах 10–15 мг/дм³, редко превышая 20 мг/дм³.

      Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ) и Союзтехэнерго провели обследования эффективности удаления нефтепродуктов на промышленных установках, которые создавались из расчета высокой загрязненности стоков. Схема такой многоступенчатой установки показана на рис. 2.

      Нефтезагрязненная вода собирается в бак-отстойник, являющийся также и усреднителем. В нем происходит всплывание части нефтепродуктов и оседание тяжелых фракций. Как всплывающие, так и оседающие загрязнения периодически удаляются. Далее к воде добавляются реагенты – сернокислый алюминий и щелочь, в результате чего образуется осадок А1(ОН)₃, хорошо захватывающий нефтепродукты. В аппарате происходит насыщение воды воздухом под давлением до 6 кгс/см². Насыщенная воздухом вода поступает во флотатор, в котором она «вскипает» вследствие выделения пузырьков воздуха. Пена, содержащая хлопья гидроокиси алюминия и нефтепродукты, удаляется с поверхности флотатора, а вода проходит механические и сорбционные угольные фильтры, на чем и заканчивается ее очистка. Для высокозагрязненных стоков эффективность работы элементов установки довольно высока. Так, в усреднителе остается до 30 % нефтепродуктов, если их содержание в поступающей воде было не ниже 100 мг/дм³. Флотатор при этих условиях снижает содержание нефтепродуктов еще на 30–40 %.     Достаточно эффективно работают и последние элементы системы, т. е. механические и сорбционные фильтры. 

Рис.2. Схема многоступенчатой установки для очистки нефтезагрязненных вод: