Разработка безотходных технологий при использовании природных вод

35

Курсовая работа

Разработка безотходных технологий при использовании природных вод

Содержание

Введение 3

1. Безотходные технологические процессы 5

2. Водооборотные циклы 7

3. Обоснование создания замкнутых систем водного хозяйства 11

3.1 Основные принципы создания замкнутых систем водного хозяйства 11

4. Замкнутая система водоснабжения циклического действия с извлечением ценных компонентов 21

5. Регулирование расхода охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения 27

Заключение 35

Литература 36

Введение

Актуальность. Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных, для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и другие факторы все больше усложняют проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и постоянно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км3. При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. На современном этапе определяются следующие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды [1].

Цель работы. Провести анализ основных приемов, применяемых в различных технологических процессах при использовании природной воды, рассмотреть на примере некоторых предприятий практическое приложение подхода, обеспечивающего безотходное использование природной воды.

1. Безотходные технологические процессы

Создание безотходных технологических процессов и основанных на них производств является одной из актуальнейших проблем химической технологии. Эта проблема имеет большое социально-экономическое значение как для повышения экономического уровня и промышленного потенциала страны, так и для обеспечения связанного с этим оптимального экологического взаимодействия производства с окружающей средой.

При безотходном производстве Термин «безотходное производство» в некоторой степени условный, так как в реальных условиях нельзя полностью избавиться как от отходов, так и от влияния производства на окружающую среду. Точнее, это «малоотходное производство», дающее такие минимальные выбросы, при которых самоочищаю-щая способность природы в достаточной степени препятствует возникновению необратимых экологических изменений. предполагается создание оптимальных технологических схем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. В идеальном случае такое производство не имеет сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов.

Создание безотходных технологических производств ведется в нескольких направлениях. Разрабатываются технологические процессы с минимальным удельным водопотреблением, заменой исходного сырья на нетоксичное; при этом стремятся к исключению из технологического процесса летучих растворителей. Свести к минимуму отходы позволяет укрупнение агрегатов, внедрение энерготехнологических схем; широкое применение высокоэффективных методов очистки сточных вод и газовых выбросов. В безотходных производствах достигается максимально полное использование сырья и энергии, возможное при повышении селективности процессов, улавливания и утилизации побочных продуктов и отходов, совершенствовании технологического оборудования и методов локальной очистки материальных потоков с целью возврата их в производство или утилизации. Ликвидировать отходы в ряде случаев можно путем максимального использования водооборотных циклов и организации бессточных производств. Интенсивно ведется разработка комплексных схем по переработке природных сырьевых ресурсов с максимально полным извлечением полезных продуктов.

В химической, нефтехимической и других отраслях народного хозяйства, использующих методы химической технологии, осуществляется широкий комплекс мероприятий по совершенствованию технологических процессов, внедрению водооборотных циклов и воздушного охлаждения, реконструкции устаревших производств и цехов, дальнейшему расширению использования отходов, созданию безотходных технологических процессов.

Так, применение воздушного охлаждения в новых крупных агрегатах аммиака позволило в 10 раз уменьшить расход оборотной воды.

Одним из примеров практической реализации основных принципов безотходного производства является разработка замкнутой системы промышленного водоснабжения и переработки отходов Первомайского производственного объединения «Химпром». С 1980 г. это объединение полностью прекратило сброс всех видов производственных сточных вод в открытые водоемы; для производственных нужд используются только очищенные промышленные и городские сточные воды. При этом водоочистные установки выполняют производственную программу по получению воды нужного качества и выработке продукции из отходов производства.

В России разрабатываются и внедряются проекты нескольких крупных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов и комбинатов, предусматривающих экологически оптимальные технологические системы, исключающие вредные выбросы в окружающую среду [2].

2. Водооборотные циклы

Водооборотные циклы технологических систем отдельных производств, цехов предприятий и целых промышленных комплексов являются одним из главных направлений охраны и рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выбросов загрязненных стоков в водоемы, а расходование свежей воды и восполнение ее связаны только с необходимыми технологическими превращениями и естественной убылью (испарение, брызгоунос и т.п.).

В настоящее время применяют три основные схемы водооборотных циклов (рис. 1). При этом вся вода в процессе производства может только нагреваться лиос только загрязняться или нагреваться и загрязняться одновременно. В первом случае ее охлаждают в градирне или другом аппарате (рис. 1, а), во втором -- подвергают очистке (рис. 1, б), а в третьем -- очищают и охлаждают (рис. 1, в), после чего она вновь поступает в производство.

В процессе многократной циркуляции вода оборотных систем нагревается, охлаждается, частично упаривается, аэрируется, минерализуется, может становиться менее стабильной, более коррозионно-активной, способной к отложениям минеральных солей и бактериологическим обрастаниям.

Основными ионами, которые могут приводить к отложениям минеральных солей в системах циркуляционного водоснабжения являются анионы НСО3-, ОН-, SО42-, РО43-, а также катионы Са2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, A13+, Zn3+.

Рис. 1. Схема оборотного водоснабжения: а - с охлаждением оборотной воды; б - с очисткой оборотной воды; в - с очисткой и охлаждением оборотной воды; 1 -- предприятие: 2 - насосная станция; 3 -- камера; 4 -градирня; 5 - очистные сооружения; потери воды: Q_п -- производственные; Q_исп -- на испарение при охлаждении; Q_ун -- на унос из охладителя; Q_сбр -- на сброс из системы для освежения последней (продувка); С_шл -- на сброс со шламом; Q_доб -- количество воды, добавляемой в систему

Наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений -- СаСО3. Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды pSO4 или НС1, ее рекарбонизацией, действием полифосфатов (NaPO3)6 и Na5P3O10, органических фосфатов и др. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воду добавляют ингибиторы коррозии полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями воду в основном хлорируют (содержание Сl2 до 5 мг/л), а иногда озонируют.

Требования к качеству воды в системах водооборотных циклов устанавливают для каждого технологического процесса. Чаще всего во-дооборотные циклы используют для охлаждения. Специальные водо-оборотные системы, использующие очищенную воду в том же или другом технологическом процессе, применяют пока реже. Например, такие системы применяются в производстве ацетилена, при получении аммиака, в нефтехимической промышленности, при газификации сланцев и бурого угля и др.

Критерием эффективности водооборотного цикла на предприятии является коэффициент использования воды, равный отношению количества забираемой из источника свежей воды и сбрасываемой в водоем сточной воды.

Широкое внедрение водооборота в химико-технологические процессы, замена водяного охлаждения воздушным, а также совершенствование технологических процессов -- основные мероприятия для сокращения потребления воды в химической промышленности.

Осуществление этих мероприятий позволило значительно сократить водопотребление в ряде основных производств, например на 1 т слабой азотной кислоты -- с 10 до 0,3 м3, на 1 т серной кислоты -- с 5,3 до 3,1 м3, на 1 т экстракционной фосфорной кислоты -- с 77 до 3 м3 и т. д. Повторное использование воды в промышленном бессточном водоснабжении может достичь 97 %, что позволит резко сократить потребление свежей речной и артезианской воды.

Существенно повышает кратность циркуляции оборотных вод их комплексная подготовка -- очистка от взвесей, реагентная обработка для уменьшения коррозии аппаратуры и подавления деятельности бактерий. В производство возвращаются и очищенные сточные воды. В производственном объединении «Киришинефтеоргсинтез», например, в водооборот возвращаются все стоки, а на уфимском и лисичанском нефтеперерабатывающих заводах -- все нейтральные стоки.

В целом по стране потребление воды из природных источников составляет в среднем более 320 км3 в год, или 6 % возобновляемых ресурсов, а объем оборотной и повторно используемой воды в 1987 г. составил 264,2 км3, или 71 % от общего водопотребления на производственные нужды. Сброс загрязненных сточных вод в водоемы составил в 1987 г. 20,6 км3. В настоящее время в РФ ежегодная экономия забора свежей воды из природных источников за счет применения оборотного и последовательного водоснабжения превышает среднегодовой сток Волги [2].

3. Обоснование создания замкнутых систем водного хозяйства

3.1 Основные принципы создания замкнутых систем водного хозяйства

Экономически целесообразные технологические процессы обезвреживания сточных вод обеспечивают в лучшем случае удаление 90 -5% органических веществ, 20-40% - неорганических и практически не снижают содержание в них солей. Последнее обстоятельство приводит к тому, что в местах сброса сточных вод, вплоть до расчетных створов водопользования, на водотоках образуются неблагоприятные в экологическом отношении зоны. Остаточные загрязнения, отводимые с очищенными сточными водами, в условиях роста производства и соответствующего увеличения объемов сточных вод обусловливают необходимость увеличения количества свежей воды для разбавления последних, чтобы сделать их безопасными для людей, животных и всех объектов окружающей среды.

Опасность представляет сброс в водоемы с промышленными сточными водами остаточных количеств токсичных веществ, в том числе канцерогенных. Необходимо учитывать и тот факт, что в природных условиях малотоксичные и даже нетоксичные соединения могут превращаться в токсичные.

Как было указано выше, радикальным решением проблемы сохранения природных ресурсов, в том числе и водной среды, от влияния химической промышленности является создание и внедрение в промышленность безотходных и безводных технологических процессов. Под такими процессами понимают отдельное производство или совокупность производств, в результате деятельности которых исключается отрицательное воздействие на окружающую среду. По существу безотходная технология представляет собой сочетание организационно-технических мероприятий, технологических процессов и способов подготовки сырья и материалов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии.

Если идеальная модель безотходного производства не может быть по каким-то причинам практически реализована в полной мере, то такая технология носит название малоотходной. Ранее при определении степени прогрессивности технологии в качестве решающих факторов принимались технические и экономические, теперь же основным должен являться экологический фактор. Несмотря на наличие образцовых достижений по совершенствованию технологии производства на отдельных производствах с целью охраны окружающей среды, в целом эта проблема разработана недостаточно, для массовой замены существующей технологии безотходной потребуются огромные капитальные вложения.

Отработанные воды можно отнести к основным отходам большинства предприятий. Действующие системы очистки включают сбор, транспортировку и только затем соответствующую очистку вод. При этом происходит неизбежное смешение различных веществ, иногда близких по свойствам, а часто и совершенно различных, что значительно усложняет выделение ценных компонентов и очистку воды до необходимой степени, а в ряде случаев вообще не позволяет решить эту задачу.

Во многих случаях со сточными водами предприятий химической промышленности в водные объекты поступают десятки и даже сотни веществ одного лимитирующего признака вредности, проявляющих аддитивное действие. Поэтому эффективность очистки сточных вод должна быть такой, чтобы остаточное содержание загрязнений было во много раз меньше существующих предельно допустимых концентраций, что неизбежно связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами.

Современные очистные сооружения промышленных объектов химической промышленности, основанные на традиционных методах механической, химической и биологической очистки, не обеспечивают снижение солесодержания в сточных водах, а в некоторых случаях оно даже повышается. В то же время и организация водооборота на этих объектах приводит к постепенному росту минерализации циркулирующей воды. Поэтому развитие систем оборотного и последовательного использования воды хотя и способствует резкому, примерно в 26-25 раз, уменьшению объемов водопотребления, и водоотведения, однако не исключает, как правило, сброса в водные объекты засоленных, так называемых продувочных вод. В связи с тем, что доля оборот-того и повторного водоснабжения промышленности возросла с 52,8% в 1970 г. до 72% в 1988 г., что позволило экономить более 230 км3 в год свежей воды, резко увеличился сброс в водоисточники «продувочных» вод.

Чтобы добиться полного исключения сброса в водоемы загрязняющих веществ в сравнительно короткий срок, необходимо разработать и поэтапно внедрить замкнутые системы водопользования отдельных производств.

Внедрение на химических предприятиях комплексных организационно-технических мероприятий, обеспечивающих создание замкнутых систем водообеспечивания, позволяет снизить удельные расходы вежей воды и, естественно, сточных вод на единицу продукции. Так, на предприятиях химических волокон удельное водопотребление снижают в два этапа:

I этап - выполнение организационно-технических мероприятий, позволяющих сократить водопотребление и не требующих капитальных затрат и дополнительного оборудования;

II этап - реализация этих мероприятий с использованием дополнительного или модернизация существующего оборудования.

Во ВНИИВпроекте выполнены исследования, которые показали, что только реализацией организационно-технических мероприятий можно обеспечить значительное снижение расхода свежей воды.

Необходимость и целесообразность создания замкнутых систем технического водоснабжения отдельных производств, предприятий и промышленных узлов обусловливаются в зависимости от местных условий тремя основными факторами: дефицитом воды; исчерпыванием ассимилирующей способности водных объектов, предназначенных для приема сточных вод; экономическими преимуществами перед прямоточными системами водоснабжения и очисткой сточных вод перед их сбросом в водные объекты до кондиций, обусловленных требованиями Правил охраны вод и Государственного водного надзора.

Применение замкнутых систем водообеспечения при проектировании химических предприятий позволяет размещать эти объекты в районах с ограниченными водными ресурсами, но обладающими благоприятными экономико-географическими условиями для развития производительных сил. Такое инженерно-экологическое направление развития водного хозяйства является наиболее прогрессивным и перспективным, позволяет решить проблему водообеспечения с одновременным удовлетворением требований, касающихся охраны окружающей среды.

В настоящее время разработаны общие принципы создания замкнутых систем водного хозяйства на химических предприятиях, к основным из них можно отнести следующие:

создание замкнутых систем водообеспечения должно сочетаться с организацией безотходного производства, технология которого ориентирована на максимальное извлечение из сырья основных продуктов;

проектирование замкнутых систем следует начинать с детальной проработки мероприятий, направленных на вывод отходов из технологических процессов преимущественно в безводной твердой форме, а если это невозможно, то в виде высококонцентрированных растворов для последующей их утилизации;

схема водного хозяйства при бессточном производстве должна включать как минимум один из трех основных циклов многократного использования воды: термического для охлаждения; экстрагенного для промывки, растворения, выщелачивания и т. д.; транспортного для гидравлического транспортирования веществ, материалов и удаления отходов;

потоки сточных вод следует разделять по видовому, фазовому, концентрированному, энтальпийному признакам для разработки соответствующего способа локальной очистки каждого потока, вплоть до потоков отдельных стадий технологического процесса;

для наиболее водоемких операций или технологических процессов необходимо установить научно обоснованные требования к качеству потребляемой в производстве воды и нормы на качество отводимых сточных вод; первоочередному отведению на локальную очистку или обработку подлежат наиболее загрязненные и нагретые воды;

при замкнутых системах следует объединить цехи водоподготовки с цехами локальной очистки предприятия или группы предприятий, а также использовать ливневый сток с промышленной площадки в системе оборотного водоснабжения.

При проектировании систем в обязательном порядке учитывают возможные отрицательные последствия (например, возможность биологических обрастаний трубопроводов и стен охлаждаемых агрегатов, загрязнение атмосферы), предусматривают соответствующие инженерные мероприятия по предотвращению таких явлений.

Анализ существующих решений и проектных материалов показывает, что создание экономически рациональных замкнутых систем водного хозяйства на химических предприятиях является достаточно трудной, но вполне разрешимой задачей. Сложный физико-химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений и взаимодействие одного с другим делают невозможным подбор универсальной структуры замкнутых схем. Создание таких систем на предприятиях зависит от особенностей технологии, технической оснащенности, требований к качеству получаемой продукции и используемой воды и т.д.

Решение вопроса использования воды на промышленных предприятиях по замкнутому циклу тесно связано с разработкой технологии основного производства. Необходимо создавать единую систему водного хозяйства предприятия, включающую водоснабжение, водоотведение, очистку сточных вод и их подготовку для технического водоснабжения, а также исключающую сброс сточных вод в водные объекты.

Свежая вода из водных источников должна использоваться только для подпитки замкнутых систем (при недостатке очищенных сточных вод для восполнения потерь воды в этих системах), для питьевых и хозяйственно-бытовых целей, а также для технологических операций, в которых очищенные сточные воды не могут быть использованы в соответствии с условиями гигиены и специальными требованиями технологии производства.

Современные технология и техника очистки обеспечивают получение воды по существу любой заданной степени чистоты из любой сточной воды, т.е. создание замкнутых систем может тормозиться только причинами экономического характера.

Для достижения наилучших технико-экономических показателей при создании замкнутых систем водоснабжения на химических предприятиях должны также прорабатываться следующие вопросы: максимальное внедрение воздушного охлаждения вместо водяного; многократное (каскадное) использование воды в технологических процессах, в том числе и с целью получения наименьшего объма загрязненных сточных вод, для обезвреживания которых можно подобрать эффективные локальные методы очистки; регенерация отработанных кислот, щелочных и солевых технологических растворов с использованием извлекаемых продуктов в качестве вторичного сырья.

Создание замкнутых водооборотных систем предопределяет необходимость разработки научно обоснованных требований к качеству воды, используемых во всех технологических процессах и операциях. Как показывает практика, в большинстве технологических процессов нет необходимости в использовании питьевой воды, поэтому целесообразно в каждом конкретном случае определять максимально допустимые пределы основных показателей качества воды, которые оказывают решающее влияние на качество получаемого продукта или безаварийную работу технологического оборудования [3].

Локальная очистка сточных вод для их повторного использования в производстве во многих случаях дешевле их полной очистки в соответствии с существующими требованиями, а создание замкнутых систем, предусматривающих полное выделение всех компонентов из сточных вод, является важнейшей составной частью безотходного производства.

Научно-техническую задачу создания экономически обоснованных замкнутых систем можно сформулировать следующим образом: затраты на регенерацию воды из сточных вод и затраты на доведение образующихся при очистке сточных вод осадков до товарного продукта или вторичного сырья должны быть ниже суммарных затрат на водоподготовку и очистку сточных вод до показателей, позволяющих сбрасывать последние в водные объекты.

При создании замкнутых систем водного хозяйства проектирование систем водоснабжения и канализации промышленных предприятий должно проводиться одновременно с проектированием основного производства.

На рис. 3 показана модель очистки сточных вод и подготовка их к использованию в системе оборотного водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы.

При создании системы замкнутого водопотребления должны быть учтены, с одной стороны, требования к качеству воды, а с другой - количество потребляемой воды. Вода наиболее высокого качества требуется для охлаждения энергетического оборудования, менее высокого - в технологии (растворение, промывка и т.д.), для охлаждения и в качестве транспортного сырья. В то же время наибольшее количество воды требуется для охлаждения и транспортировки, меньшее - для технологического процесса и еще меньшее - для энергетических систем. Это позволяет первоначально воду использовать в технологических цехах, затем после необходимой очистки для охлаждения, после чего без очистки в качестве транспортного средства или вновь направить в технологический цикл, а после глубокой доочистки и обессоливания использовать для охлаждения различного энергетического оборудования.

Рис. 3. Модель системы очистки сточных вод и подготовки их к использованию в системе оборотного водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы: I -- узел оборотного водоснабжения; II -- узел охлаждения чистой воды; III -- технологические установки; IV-- системы локальной оборотной очистки; V--узел дополнительной очистки; VI -- узел механической очистки; VII -- узел подготовки отходов; VIII -- узел физико-химической очистки; IX -- узел химической очистки; X -- узел биологической очистки; 1 -- линия воды, забираемой из водоема на подпитку; 2 -- оборотная охлаждаемая вода; 3 -- линия чистой воды, возвращаемой в технологические установки; 4 -- потери воды; 5 -- линии сточных вод; 6 -- линии очищенных сточных вод; 7 -линия подачи чистой воды из узла подготовки отходов; 8 -- линии отвода из очистных устройств отходов, содержащих воду; 9 -- линия возвращения полезных отходов в технологические установки; 10 -- линия отвода отходов на уничтожение.

При создании замкнутых водооборотных циклов обязательное условие - выделение трех различных циклов водоснабжения: охлаждающего, экстрагенного (или технического) и транспортного. В связи с этим необходима разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах, по показателям, влияющим на качество получаемого продукта. При этом необходимо строго обосновать целесообразность проведения процесса с применением водной среды. Если вода предназначена в качестве экстрагента (для промывки продуктов и полупродуктов, газов, оборудования и т.п.), то необходимо сопоставить такую промывку с промывкой в неводной среде (промывка оборудования растворителями) и в водно-воздушной средах. Рекомендуется противоточный режим промывки с выведением минимального количества высококонцентрированных промывных вод, переработка которых целесообразна вместе с отработанным раствором, и выведением основного количества промывной воды с концентрацией загрязнений, не препятствующих ее применению в производстве.

При проектировании систем охлаждения очень важно давать им технико-экономическую оценку с тем, чтобы выявить возможность осуществления следующих технических решений:

рекуперация тепла технических жидкостей и растворов, обеспечиваемая теплообменом между холодными и горячими потоками;

утилизация отводимого высокотемпературного тепла для получения энергетического и технологического водяного пара;

передача избыточного тепла на соседние предприятия или использование его для обогрева теплиц;

использование специфики производства, например охлаждающей способности природного газа при его расширении на выходе;

использование климатических особенностей местности, где расположено предприятие (низкой температуры наружного воздуха, холода ледниковых или артезианских вод и пр.), для охлаждения воды;

применение воздушно-испарительного или воздушного охлаждения; применение холодильных установок и т.д.

4. Замкнутая система водоснабжения циклического действия с извлечением ценных компонентов

В связи с ограниченностью ресурсов пресных вод и ужесточением требований к сбросу отработанных вод в водоемы системы технического водоснабжения подвергаются реконструкции и усовершенствованию путем разработки и внедрения оборонных циклов, позволяющих вo много раз сократить количество сбросных вод, по сравнению c прямоточными системами водоснабжения. Более кардинальным решением проблемы является создание замкнутых систем оборотного водоснабжения (COB), в которых полностью исключается сброс воды в водоемы, а осадки и жидкие отходы подвергаются концентрированию, складированию и утилизации.

В настоящее время проведены комплексные технологические исследования и осуществляется строительство впервые разработанной замкнутой СОВ комплекса газовой очистки (КГО) циклического действия с извлечением ценных жидких и твердых отходов.

На первом этапе разработки проектируемой замкнутой системы оборотного водоснабжения встал вопрос о разработке основного приемного резервуара, в котором можно было бы осуществить прием всех сбросных вод после газовой очистки, гашение энергии входящего потока, разделение суспензии оксида алюминия и проведение нейтрализации кислых стоков.

В соответствии с техническим заданием суммарный разовый объем поступающих на очистку сбросных вод составляет около 10000 м3. Вначале ожидается кратковременное, в течение 130 с, залповое поступление стоков расходом 27,5 м3/с, содержащих полидисперсную суспензию оксида алюминия концентрацией 2,2--5,0 г/л, а затем в течение часа -- промывкой и щелочной воды расходом 0,5--2,0 м3/с. Температура загрязненных сбросных вод после контакта с охлаждаемыми газами колеблется в интервале от 60 до 80 ?С.

Указанные выше операции технологического цикла обработки сбросной воды представлялось возможным осуществить в круглом (в плане) резервуаре достаточных размеров (диаметром 45--50 м, рабочей глубиной стенки 5,1 м и уклонам дна не менее 0,05 к центральному шламовому приямку). Для предотвращения опасности выброса воды из резервуара в водоподводящем канале предусмотрен гидрогаситель, а поток, входящий в круглый резервуар у вертикальной стенки по касательной, обеспечивает устойчивое вращательное движение воды во время наполнения резервуара и после этого в течение нескольких часов [4].

Гидравлические исследования режима наполнения резервуара и возможности разделения полидисперсной суспензии в этих условиях проведены на его модели в масштабе 1 : 25 к натуре. При этом установлено, что резервуар диаметром 50 м, рабочей глубиной 5,1 м при тангенциальной подаче воды может быть применен для гашения энергии вводящего потока, гравитационного разделения суспензии и нейтрализации кислого стока гидроксидом натрия вследствие использования остаточной энергии массы воды. По лабораторным данным, время затухания вращения потока в модели определено равным 0,6 ч, что соответствует продолжительности времени вращения в натуре 3,0 ч при входной скорости 1--11 м/с. Вращательное движение жидкости в приемном резервуаре вызывает перемещение к центру основной массы суспензии. Разделение ее происходит путем обычного отстаивания при значительном превышении сил гравитации над инерционными.

Кроме того, экспериментально на модели приемного резервуара определена кинетика осветления тонкодисперсной суспензии оксида алюминия в верхнем и нижнем слоях. В течение двух часов отстаивания эффект осветления в верхнем слое--99,4%, в нижнем -- 99,3%. Остаточная концентрация взвеси составляет соответственно 29,8 и 34,6 мг/л. Установлено, что осадок алюминия распределяется по четырем равновеликим площадям днища резервуара соответственно: 50; 21, 19 и 10% от общего количества твердой фазы. Поэтому удаление осевшего шлама необходимо предусматривать практически по всей площади путем предварительного гидросмыва и перемешивания шламовыми насосами.

Принципиальное решение такой системы схематично показано на рисунке. Система состоит из циркуляционного приемного резервуара (ЦПР) с тангенциальным вводом воды, насосных, водоочистной установки, узла обработки осадка, охладителей, водоподготовительной установки, выпарной дистилляционной установки, резервуаров очищенной и охлажденной воды и подающего трубопровода артезианской воды (подпитка системы).

35

Рис. 4. Замкнутая система водоснабжения циклического действия с извлечением ценных компонентов: 1--комплекс газовой очистки; 2 -- циркуляционный приемный резервуар; 3--насосы; 4--водоочистная установка; 5--узел обезвоживания осадка (Al2O3 + А1(ОН)3); 6-- резервуар осветленной воды; 7--выпарная дистилляционная установка; 8-- градирни; 9--сборник рассолов; 10--резервуар охлажденной воды; 11 -- артезианский водопровод (заполнение и подпитка системы)

Преобладающими примесями сбросной воды комплекса газовой очистки являются дисперсный оксид алюминия и растворенный хлорид натрия. Твердые частицы оксида алюминия имеют кристаллическое строение, плотность их равна 3960 кг/м3. Фракции частиц 0,4--1,0 мкм составляют более 65%, частиц 1--6 мкм -- 34% и 6--12 мкм -- 0,7%. Дисперсные частицы оксида алюминия агломерируют при контакте с водой я образуют агрегативно-неустойчивую суспензию.

После приема залпа всей массы сбросной воды ЦПР основной расход ее после предварительного осветления направляется на водоочистные сооружения путем отбора поплавковой системой по всей высоте вертикальной стенки. Время пребывания суспензии в ЦПР для отделения крупных фракций -- 56 часов.

Водоочистная установка состоит из трубчатого смесителя, вихревой камеры хлопьеобразования, горизонтального отстойника с попутным oтбором отстоянной воды и периодическим, гидравлическим удалением осадка, скорых фильтров с двухслойной загрузкой и приемного резервуара фильтрованной воды. Водоочистные сооружения работают непрерывно в течение 120 ч при расходе 160 м3/ч. Технологическая схема очистки: коагуляция + хлопьеобразование + отстаивание + фильтрование. B подающий трубопровод вводится коагулянт дозой 30--40 мг/л, считая на безводный сернокислый алюминий, с присадкой полиакриламида дозой 0,5-- 1,0 мг/л. Для корректировки pH воды в диапазоне 7,0--7,6 предусматривается подщелачивание или подкисление (NaOH или НС1). Эффект осветления в отстойнике -- 93 - 95%, что соответствует содержанию остаточной взвеси оксида алюминия менее 20 мг/л.

Для исключения потерь воды с осадком сброс его из отстойника производится гидравлическим способом с применением дырчатых труб 1 - 2 раза за цикл работы системы. Объем гидратного осадка (А12О3 + А1(ОН)3) составляет 0,3 - 0,4% от общего расхода обрабатываемой воды. Соотношение в смеси кристаллического и гидратного осадка равно 1 : 1, влажность - 83,2%.

После обработки объема осветленной жидкости в ЦПР осадок удаляется через центральный приямок шламовым насосом в гравитационный уплотнитель (ГУ). В ГУ пульпа из ЦПР, отстойников и лотка уплотняется до соотношения 1,0:3,2 общим объемом приблизительно 50 м3 за один рабочий цикл (400--600 кг/м3). В соответствии с физико-химическими свойствами принята технология обезвоживания смешанного осадка вакуум-фильтрованием на фильтрах типа ленточных (ЛН). Влажность снимаемого осадка с ленты фильтра составляет 23--25%, содержание остаточной взвеси в фильтрате - 1 - 0,2 кг/м3.

Во время испытаний за один рабочий цикл в сбросную воду поступает 1,4 г NaCl/л. Заполнение системы предполагается осуществлять артезианской водой с предварительным Ni+-катионированием. Сбросная вода характеризуется наличием следующих натриевых солей: NaCl, NаНСО3, Na2CO3, NaHSO3 и др., которые будут накапливаться от цикла к циклу. Для корректировки оборотной воды системы по солям на байпасной линии включена дистилляционная опреснительная установка, на которой одновременно с избытком хлорида натрия будут удаляться остальные компоненты солевых примесей. Подпитка системы с целью восполнения безвозвратных потерь производится через водоподготовительный узел с Nа+-катионированием.

Допустимое содержащие в оборотной воде хлорида натрия определяется в основном коррозионной активностью ее по отношению к конструкционным материалам на основе углеродистых сталей, из которых изготовлены трубопроводы, баки и резервуары. Экспериментально установлено, что оптимальная концентрация хлорида натрия, соответствующая минимуму скорости коррозии углеродистой стали, находится на уровне 8--10 г/л. Эта величина принята за расчетную равновесную концентрация хлорида натрия, соответствующая минимуму воды. Исходя из указанной равновесной концентрации хлорида натрия определен долевой объем циркуляционной воды, подлежащей термическому опреснению на байпасной дистилляционной установке, который составляет 1200 м3 за цикл.

Основными отходами СОВ КГО являются тонкодисперсный кристаллический оксид алюминия размером частиц менее 10 мкм в количестве 20 т, гидратный осадок -- 0,13 т и хлорид натрия -- 12,3 т в виде рассолов объемом 45 м3. Дисперсный оксид алюминия характеризуется преобладанием высокотемпературной кристаллической модификации -Аl2О3 и является ценным сырьем для силикатного производства, фарфоро-фаянсовой промышленности, в технологии тепло- и электроизоляционных материалов. Алюминийсодержащий смешанный осадок может быть использован для получения полезных материалов после его обезвоживания и термической обработки, а также взаимодействием с серной кислотой или сплавлением со щелочью для получения коагулянта в форме А12(SO4)3 или NaAlO2 [4].

Целесообразным способом утилизации хлорида натрия является использование его три приготовления регенерационных растворов (8--10%) в технологии Na-катионирования на ТЭС. Для этих целей применяется техническая поваренная соль (ТУ 1.13-13-14--82) с содержанием не менее 96% NaCl.

Одним из наиболее перспективных способов хлорирования питьевых и сточных вод является использование гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов поваренной соли при температуре 60 С. Расход технической поваренной соли на 1 кг активного хлора для средних установок составляет 10--15 кг [4].

5. Регулирование расхода охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения

Оборотные системы охлаждающего водоснабжения металлургических заводов по переработке цветных металлов, в частности алюминия, отличаются значительной неравномерностью водоподачи, которая обусловлена большим разнообразием типоразмеров отливаемых слитков, значительными колебаниями числа одновременно подключенных теплообменных аппаратов, а также посменным режимом работы литейного цеха. На одном из таких заводов для охлаждения расплавленного алюминия используются теплообменные аппараты открытого типа, которые представляют собой дырчатые корпуса, образующие контур будущего слитка. Вода подается на охлаждаемый металл через отверстия корпуса и сливается самотеком в резервуар нагретой воды. Нагретая вода охлаждается на градирне и подается в литейный цех (рис. 5). В процессе кристаллизации слитков температура охлаждающей воды должна колебаться в пределах 17--25 °С, отклонения давления от требуемого значения не должны превышать ± 0,25 атм (± 24,5 кПа) при любом требуемом расходе [5].

В настоящее время подача холодной воды регулируется вручную, с помощью электрозадвижек, а также изменением числа одновременно работающий насосов. Такой способ регулирования, как показано в [6], приводит к возникновению избыточных напоров в трубах, перерасходу электроэнергии, непроизводительным потерям воды. Подача горячей воды регулируется так, чтобы избежать срабатывания холодного и горячего резервуаров. Производительность насосов горячей воды можно регулировать или дросселированием напорной линии, или периодическим включением--отключением агрегатов.

35

Рис. 5. Оборотное водоснабжение литейного цеха. Функциональная схема автоматизации: 1, 2 -- резервуары горячей и холодной воды; 3 -- градирня; 4, 5, 8, 9 -- насосы; 6, 7 -- регулируемые электропри-воды насосов; 10--напорный трубопровод охлаждающей воды 11 - трубопровод нагретой самотечной воды; 12 - литейные машины; 13 - датчик уровня; 14 - датчик давления; 15 - индикатор уровня; 16 - индикатор давления; 17, 18 - электронные регуляторы; 19, 20 - переключатели режимов (ручной - автоматический); 21, 22 - ручные задатчики

Чтобы продлить срок службы электрозадвижек, персонал пользуется ими только при критичных значениях уровней и давлений воды. Поэтому имеют место значительные колебания уровней горячей и холодной воды. Чтобы избежать аварии, давление охлаждающей воды в трубопроводе намеренно завышается.

При увеличении подачи охлаждающей воды в литейный цех до момента возврата нагретой самотечной воды в резервуар проходит какое-то время, за которое вода протекает через наклонный трубопровод длиной 125 метров. Время возврата горячей воды при этом является функцией расхода охлаждающей воды. Запаздывание водопритока, носящее нелинейный характер, может быть причиной срабатывания резервуара горячей воды и срыва насосов.

С целью оптимизации режима работы описанной водооборотной станции, с учетом указанных характерных особенностей сегодняшней ее эксплуатации, была разработана упрощенная модель водооборотного цикла. Была составлена программа, по которой ЭВМ, при заданных конструктивных параметрах системы водоснабжения (геодезические перепады высот, размеры резервуаров, гидравлические характеристики трубопроводов и т. п.), а также при заданном графике потребления литейным цехом охлаждающей воды, вычисляла колебания расходов и уровней воды в разных точках сети. Подсчитывалась также мощность, потребляемая насосами горячей и холодной воды при разных способах регулирования водоподачи:

дросселированием напорной линии;

плавным изменением частоты вращения рабочего колеса насоса;

периодическим включением - отключением насосов по уровню воды в приемном резервуаре;

саморегулированием, вызванным изменением статического перепада высот за счет изменения уровня воды в резервуаре.

Выходные данные модели были представлены в виде функциональных зависимостей:

Qp = f1(t), Qг = f2(t), Нх = f3(t), Нг = f4(t),

где Qp, Qг -- расходы охлаждающей горячей воды, м3/c; Нх, Нг -- уровни холодной и горячей воды в резервуарах, м.

При составлении модели были приняты следующие допущения:

приведение в соответствие водопотребления и водоподачи, а также отработка заданного уровня в резервуаре происходят мгновенно; это допущение возможно, так как скорости изменения водопотребления (максимальная составляет 4800 м3/ч-ч) намного меньше, дам скорости протекания механических и гидравлических переходных процессов в трубах, резервуарах, насосах;

подача подпиточной воды в холодный резервуар производится так, что потери поды в каждый момент времени полностью компенсируются;

КПД системы «насос--двигатель» при регулировании расхода воды изменением частоты вращения рабочего колеса нacooa остается неизменным.

При расчете расходов и уровней воды определялись:

1. По реальному суточному графику водопотребления текущее значение расхода охлаждающей воды

Qp = QI + ((QI+1 - QI) / (60DI+1)) t.

где QI, DI -- массивы чисел, описывающие график водопотребления; t--текущее время.

2. Время возврата нагретой самотечной воды

T = L/v,

где L --длина самотечного трубопровода.

3. Скорость потока по формуле Шези

,

где R -- гидравлический радиус; I -- гидравлический уклон; с--коэффициент Шези.

4. Скорость потока, выраженная через его сечение,

v = Q/.

Решая совместно уравнения пп. 3 и 4, получим (для круглого сечения)

или

где r -- радиус трубы. Отсюда v находится методом последовательного приближения при известном Q.

5. Расход горячей воды

а) при поддержании постоянным уровня холодной воды

Qг = Qp;

б) три поддержании постоянным уровня горячей воды Qг = Qс, где Qc -- расход нагретой воды на выходе самотечного трубопровода;

в) при использовании свойств саморегулирования производительности за счет изменения уровня воды

,

где Нф -- фиктивное давление, развиваемое насосом при нулевой подаче;

Нст = Нгр- Нд. г + Нг

-- статический перепад высот; Нгр-- уровень сопел градирни; Нд. г -- уровень дна горячего резервуара; Нг -- уровень горячей воды в резервуаре;

г) при регулировании водоподачи периодическим включением -- отключением насоса

Qг = Qн при Нг Нв. к,

Qг = 0 при Нг Нн. к,

где Hв.к, Нн. к-- верхнее и нижнее критичные значения уровня горячей воды; Qн -- номинальная производительность насоса.

6. Мощность, потребляемая насосами

а) при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии

где - плотность воды, кг/м3; Q -- текущее значение расхода, м3/ч; -- общий КПД системы «насос--двигатель»;

б) три регулировании водоподачи изменением частоты вращения рабочего колеса насоса

где Нв -- уровень воды в резервуаре; Нп, Нд -- геодезические высоты потребителя воды и дна резервуара.

7. Численным интегрированием текущие значения объемов (V м3) и уровней (H м) горячей и холодной воды в резервуарах

Vt = Vt-1 - t(Qвых.I - Qвх.I),

H=V/S,

где Qвых.I -- суммарный расход воды, забираемой из резервуара; Qвх.I --cуммарный расход воды, подаваемой в резервуар; S -- площадь резервуара, изменяющаяся по высоте.

Таким образом, задавая характер потребления воды и режим управления насосами горячей ступени, получаем значения расходов горячей и холодной воды в интересующих нас точках сети, уровней воды в резервуарах в функции времени, а также потребленную электроэнергию при том или ином режиме.

Как и следовало ожидать, наименьшее потребление электроэнергии имеет место три плавном регулировании водоподачи изменением скорости вращения насосов, наибольшее -- при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии.

Использование свойств саморегулирования насоса за счет изменения статического перепада высот в данной водооборотной системе невозможно: резервуар горячей воды при таком регулировании срабатывается за 10--15 минут.

Задавая режим работы насосов таким, при котором давление холодной воды на входе в литейный цех и уровень воды в одном из резервуаров остаются постоянными, имеем следующие результаты.

По зависимости Qc = f(t) (рис. 6) видим, что максимальное время запаздывания притока нагретой воды -- 85 с, минимальное -- 45 с. И то и другое намного меньше времени срабатывания резервуара при отсутствии притока и максимальном отборе воды (11 минут).

Задавая характер возрастания водопритока на входе в самотечный трубопровод таким, при котором вся вода достигает конца трубы в течение 20--30 с, не получаем каких-либо аварийный ситуаций; уровень воды а нерегулируемом резервуаре колеблется в пределах ±0,5 м, что допустимо. Целесообразнее регулировать уровень, воды в горячем резервуаре, так кaк колебания в нем сильнее. К тому же при высоких уровнях горячая вода уходит через перелив в ливневую канализацию и теряется безвозвратно.

Рис. 6. Передаточная характеристика самотечного трубопровода

Можно сказать, что значительный запас резервуаров горячей и холодной воды ino емкости дозволяет приманить в данной циркуляционной системе схему регулирования, состоящую из двух нe связанных между собой контуров:

контура управления подачей холодной воды по давлением на входе в литейный цех;

контура управления подачей горячей воды по уровню в приемном резервуаре.

Возможный вариант схемы автоматического регулирования станции оборотного водоснабжения, состоящей из контура управления давлением (I) и уровнем (II), представлен на рис. 5. Регулируемый электропривод изменяет частоту вращения насосов в зависимости от сигнала, снимаемого или с датчика давления (уровня), или c ручного задатчика Н. [5]

Заключение

Во всем мире сложилась такая ситуация, что наращивание добычи и производства сырья, топлива и энергетических ресурсов сопряжено с большими трудностями. Наиболее эффективное средство сокращения потерь - переход на полную комплексную переработку сырья в товарную продукцию. В этом направлении имеются большие неиспользованные резервы. Рациональное использование природных вод является одним из них [7].

Представленная курсовая работа не претендует на полное рассмотрение проблемы разработки безотходных технологий при использовании природных вод, а лишь освещает некоторые, но, на мой взгляд, главные ее стороны.

Литература

1. Родионов А. И., Клушин В. Н., Торочешников Н. С. Техника защиты окружающей среды. - Москва: 1989.

2. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. Общая химическая технология. М.: «Высшая школа», 1990, с. 317-321.

3. Беличенко Ю. П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1990, с. 16-39.

4. О. П. Кузнецов и др. Регулирование расхода охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения / …

5. Ю. Ю. Бусов. Регулирование расхода охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения / …

6. Лезнов Б. С. Энергетические и экономические аспекты автоматизации насосных установок // Тр. ин-та / ВНИИ ВОДГЕО.-- М., 1986.-- Автоматизация и управление системами водоснабжения и водоотведения; Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок/Госстрой СССР.--М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987.

7. Беличенко Ю. П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1990, с. 144 - 191.