Обезжелезиваниеоборотных вод
Основным компонентомсостава пыли сталеплавильных агрегатов является железо в оксидной форме (до98%) в виде частичек крупностью около 0,1 мкм и плотностью 4,23...4.75 к/см3.Поэтому очистка газа от пыли помимо удовлетворения санитарных требований можетдать значительную экономию, так как позволяет получить ценное металлургическоесырье (содержание чистого железа до 67%). Первоначально очистка газов от пылиосуществляется с помощью турбулентных промывателей и скрубберов, либоэкектрофильтров, циклонов, цепных аппаратов, после чего пыль смешивают с водойи производят очистку последней. В сточной воде после газоочисток содержатсяпримеси в грубодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях. При этомосновными компонентами состава сточной воды газоочисток являются полидисперсныевзвешенные вещества минерального происхождения или шлам, концентрация которогоколеблется от 0,5...0,8 до 40...44 г/л.
Исследованиями,выполненными Т. Г. Федоровской, Н. Ф. Сериковым, О. С. Хабаровым, и др.методами седиментации и микроскопирования установлено, что шламы представляютсобой конгломерат с преобладающим размером частиц 10 100 мкм (55%). По строениюшламы следует отнести к кристаллическим и плотноаморфным группам. Химическиеанализы шламов показали, что содержание железа (Общего) зависит от технологиипроизводства, например, в шламах конверторного цеха содержится 73,2% железа,мартеновского цеха 64,4%, электросталеплавильного цеха 26,3%, и в шламахдоменной печи 65,4%. В состав общего железа входят F3O4(магнетит);Y-Fe203(магхомит);FeO (франклити пирротин). Наибольший процент магнитной составляющей железа Fe304содержитшлам мартеновского цеха (31,5%). Магнетит находится в шламах в виде скопленийзерен неправильной формы; отдельные зерна магнетита имеют размеры 10… 60мкм.
Известны тритехнологические схемы очистки сточных вод газоочисток: одноступенчатая врадиальных отстойниках, двухступенчатая, предусматривающая предварительнуюочистку в гидроциклонах и окончательно в радиальных отстойниках,трехступенчатая, осуществляемая путем последовательного прохождения воды черезгидроциклон, радиальный отстойник и гравийный фильтр.Следовательно, основным очистным сооружением для механической очистки сточныхвод газоочисток является радиальный отстойник. В зарубежной практике наряду сотстойниками для очистки оборотных вод газоочисток используют аэроакселяторы ициклаторы.
Т.Г. Федоровской былипроведены исследования с 0,1%-ным раствором ПАА на оборотных водах конверторныхгазоочисток* содержащих взвеси 1,5… 24 г/л. При работе с оптимальными дозамиПАА 0,4 1 мг/л в течение 10… 15 мин достигалось почти полное осветлениеоборотной воды. Примерно аналогичные результаты были получены при использованиифлокулянтов КФ, УКФ, ВАФ К-4 и К-6 для осветления воды с начальнойконцентрацией оксидов железа 5,5...7,2 г/л. Следует отметить, что эффектдействия указанных флокулянтов прямо пропорционален содержанию минеральныхпримесей в оборотной воде.
Исследованиямиустановлено, что в течение первых 30 мин при применении анионных флокулянтов в4...5 раз ускоряется процесс осветления воды отстаиванием, а в дальнейшемвлияние флокулянтов становится незначительным. Кроме того, существует обратнаязависимость между рН сточной воды и эффектом действия рассмотренныхфлокулянтов. При применении анионных флокулянтов образуется пористый осадок,что способствует лучшему обезвоживанию его на вакуумфильтрах.
Обезжелезивание шахтныхвод
Источниками образованияшахтных вод являются подземные горизонты, поверхностные воды,атмосферные осадки и воды, скопившиеся в затопленных горных выработках, а такжеводы, попадающие в шахты в процессе добычи полезных ископаемых. Шахтные водыподразделяются на два типа: кислые (железосодержащие) и высокоминерализованные.Основными ингредиентами состава шахтных вод являются мелко- Дисперсные взвеси,состоящие из зерен угля и размытых сопутствующих пород, соединения железа,хлориды, сульфаты (табл. 17.2). Кислые шахтные воды отличаются не тольконизкими значениями рН, но и большим содержанием железа, что существенноосложняет их обработку. Образование кислых шахтных вод связано с окислениемвеществ, содержащих серу (маркезит, пирит и др.), а также с жизнедеятельностьютионовых бактерий — Thiobacillusthiooxidans, Thiobacillusferrooxidans.
/>
О количестве шахтныхвод можно судить по данным МУП России: на каждую тонну добытого угляоткачивается на поверхность 3 м3 воды. Сброс в водоемы неочищенныхшахтных вод отрицательно действует на почву и растительный покров,загрязняет воду, приводит к необратимым процессам в природе. Особенно большойвред водоемам причиняют кислые железосодержащие шахтные воды, понижая рН, чтовлечет за собой гибель рыб, пресноводных организмов и сапрофитныхмикроорганизмов, участвующих в процессах самоочищения воды.
Основой технологииобезжелезивания шахтных вод является окисление железа (II)с последующим образованием гидроксида железа и выделением его при отстаиванииили фильтровании. В зависимости от качества шахтной воды и требований к ееобработке может быть использована одна из следующих технологических схем: 1)аэрирование на ступенчатом аэраторе и отстаивание в горизонтальном отстойнике;2)известкование, аэрирование на ступенчатом аэраторе и отстаивание в отстойнике;3) смешивание с известью в вертикальном смесителе, флокулирование ПАА ввихревой камере хлопьеобразование и отстаивание в радиальном отстойнике;4) известкование, аэрирование эжектированием, фильтрование через коническиесетки, грубое осветление в песколовках, хлопьеобразование в перегородчатыхкамерах, осветление в тонкослойных отстойниках, фильтрование на скорых фильтрахи обеззараживание (вариант); 5) известкование, аэрирование эжектированием,фильтрование через конические сетки, предварительное осветление в песколовках,электрокоагулирование (вариант), осветление в тонкослойных отстойниках,фильтрование на скорых фильтрах, бактерицидное облучение.
При обезжелезиваниислабощелочных шахтных вод, содержащих двухуглекислое железо,а также кислых вод, содержащих сернокислое железо, целесообразно применятьсоответственно первую и вторую схемы. Одним из основных сооружений указанныхсхем является ступенчатый аэратор, размещаемый над распределительным каналомотстойника. Аэратор представляет собой систему насадок из реек с зазором 2...3мм, располагаемых по высоте друг над другом на 0,4 м. Количество кислорода [02],которымнасыщается вода, можно определить из выражения
[02] = 492 +1,98h – 0.34h2
где h—высота перепада воды, м.
Постоянный обменвоздуха в объеме аэратора обеспечивается благодаря незначительной его ширине(0,4… 0,8 м). При содержании железа (II) до 52 мг/л следует применять пятьнасадок, при большем количестве исходного железа нужно либо увеличить числонасадок, либо предусмотреть повторную аэрацию или барботаж.
Третья технологическаясхема,предложенная Пермским НИУИ, предназначается для очистки кислых железосодержащихшахтных вод перед сбросом их в водоем и обеспечивает повышение рН до 6,6 д..8,5 и снижение содержания железа до 0,5 мг/. Шахтные воды подают в приемныйрезервуар-усредитель, затем разделяют на два равных потока и передают вдвухсекционный смеситель, где смешивают с известковым молоком, доводя рН послепервой секции до 3,8… 6, а после второй — до 9,5… 12. Из смесителянейтрализованную воду направляют в камеру хлопьеобразования, перед которой обапотока смешивают и в воду вводят раствор ПАА, затем вода подается в отстойник,откуда отводится в резерваар технической воды, а осадок идет на уплотнитель.
Четвертаятехнологическая схема предусматривает обезжелезивание такжекислых шахтных вод с большим содержанием механических примесей перед сбросом ихв местную гидрографическую сеть, снизив содержание взвешенных веществ до 15мг/л и железа до 0,5 мг/л, а при наличии фильтров и установок обеззараживанияводы — до лимитов ГОСТ 2874-82. Расход эжектируемого воздуха составляет 50 л на1 м3 воды. Для перевода железа(II) в окисное и образования хлопьевгидроксида предусмотрены камеры хлопьеобразования, рассчитываемые на30-минутное пребывание воды. Особенностью схемы является применениеводоочистных аппаратов (песколовки, отстойники, фильтры и др.) заводскогоизготовления.
Песколовки ДонУГИпредназначены для предварительной очистки шахтных вод от плавающихгрубодисперсных примесей. В состав песколовок входят: фильтр предварительнойочистки — объемная коническая самопромывающая сетка с отверстиями шириной 1 м,высотой 20 мм и длиной 1,2 м, в которых формируется ламинарный поток; камеранакопления и уплотнения осадка и коллектор для сброса и отведения осветленнойводы. В песколовке задерживаются примеси крупностью до 60....30 мкм.Производительность аппарата 300 м3/ч, допустимое давление 0,29 МПа,рабочая площадь по сечению потока 1 м
Тонкослойные отстойникиДонУГИпредназначены для очист-шахтных вод от механических примесей с гидравлическойкрупностью до 0,1 мм/с и соединений железа с применением реагентов или без них.Они состоят из камеры осветления, где размещены наклонные под углом 60° ячейкивысотой 22 мм, длиной 1,7 м и шириной 0,75 м, обеспечивающие ламинарнуюструктуру потока, и камеры накопления и уплотнения осадка. Отстойники выпускаютдвух производительностей — 60 и 100 м3/ч, рабочей площадью посечению потока соответственно 2,4 и 4,8 м2.
Пятая технологическаясхема (автоматизированная), предложенная ДонУГИ,производительностью 150 м3/ч предназначена для обработки кислыхжелезосодержащих шахтных вод с целью доведения их до питьевого качества. Помимоописанных аппаратов в рассматриваемой схеме предусматриваются бактерицидныеустановки ОВ-АКХ-1 или электролизеры «Поток» и электрокоагуляторы проточноготипа производительностью до 50 м3/ч с 60 алюминиевыми электродамитолщиной 2 мм и общей площадью 168 м2, сгруппированными в шестьпакетов. При прохождении воды в течение 10 мин в межэлектродном пространствешириной 5 см должна обеспечиваться плотность тока 1 А/м2 принапряжении на электродах 3… 5 В. Ванна электрокоагулятора размером3,71x1,51x5,4 м одновременно является камерой хлопьеобразования.
В комплект установкивходят пять осветлительных фильтров типа ХВ-044-2, выпускаемых Бийскимкотельным заводом и работающих под давлением 0,49 МПа при скорости фильтрованиядо 30 м/ч. Фильтрующая загрузка имеет крупность 0,8… 2 мм; высота ее 1,3 …1,5 м. Одновременно работают три фильтра, один промывают и один в резерве.
Обезжелезиваниеконденсата ТЭС
На современных блочныхконденсационных электростанциях (КЭС) конденсат турбин составляет не менее 98%количества питательной воды, поэтому качество конденсата в значительной степениопределяет качество питательной воды. Конденсат загрязняется как в самомпароводяном цикле электростанции (продукты коррозии оборудования), так и извне(добавочной водой, примесями охлаждающей воды). Количество загрязнений,поступающих в питательную воду с конденсатом, может значительно превышатьколичество примесей, поступающих с добавочной водой.
/> />
Рис. 17.6 Схемаводооборота в рабочем цикле КЭС (а) и ТЭЦ (б) с конденсационной турбиной.
1 — парогенератор; 2 —паровая турбина; 3 — генератор; 4 — химводоочистка; 5 — конденсатор турбины; 6,10 — конденсатный и питательный насос; 7 — установка очистки конденсататурбины; 9 — Деаэратор; 8 — подогреватель турбинного конденсата; 11 —подогреватель питательной воды; 12 и 13 — теплофикационный и производственныйпотребители пара; 14 — баки возвратного конденсата; 15 — насосы возвратногоконденсата; /б — Установка очистки возвратного конденсата; 17 подогревательдобавочной воды
Даже при нормальнойработе конденсаторов турбин присос охлаждающей воды составляет не менее 0,002%,а обычно — 0,005… 0,02% общего расхода конденсата (рис. 17.6).
Железо в пароводянойцикл поступает вследствие коррозии всего тракта. В табл. 17.1 приведеносодержание железа в воде всех потоков для одной ТЭЦ Тулэнерго. Как видно изтаблицы, в основном железо поступает в котлы от не защищенного от коррозииоборудования химводоочистки и дренажей подогревателей. Железо попадает в водутакже в результате отслаивания железо-оксидных отложений в котле при колебанияхтемпературы на отдельных участках. Вследствие большого количества загрязнений,поступающих в тракт от фильтров обессоливания, представляется целесообразнымприменение обезжелезивания перед деаэраторами, что позволяет снизить стоимостьподогревателя низкого давления (ПНД) путем замены в них трубок из аустенитнойстали на трубки из углеродистой стали. Так как температура перед деаэраторамизначительно выше, чем на „блочной опреснительной установке (БОУ), то ирастворимость железа здесь будет значительно меньше, т. е. железо будетнаходиться в основном виде железооксидного шлама.
водаочистка обезжелезивание шахтный
Таблица 17.1
/>
В воде ТЭС могутприсутствовать разнообразные соединения железа. Основными факторами,определяющими преимущественное содержание в воде оксидов той или иной формы,являются ее температура, рН и окислительно-восстановительный потенциал Eh.Различныеравновесия в системе оксиды—железо- вода оценивают следующим образом: прирН=2...5 преобладает реакция
Fe(ОН)3-> Fe(ОН)2-+OН-
ИлиFeOOH + H+ → Fe (OH)2+,
константа равновесияэтой реакции при t=20° С:
/>
при рН=5...11 протекаетреакция
FeOOH+ Н20-> Fe(ОН)3.
Молекулы Fe(OH)2помере повышения рН диссоциируют по схеме
Fe(OH)2-> Fe(OH)++ OH-иFe (ОН)+->Fe2++ОН-.
При рН=8,5 ионы Fe(OH)+иFe2+присутствуютв одинаковых количествах и обусловливают суммарную концентрацию железа около Ю-4моль/кг, или 5600 мкг/кг.
В более щелочнойобласти (рН-13) практически все молекулы Fe(OH)2образуютгидрокомплексы согласно реакции
Fe(ОН)2+ОН-→ Fe(ОН)3-.
Константа равновесияэтой реакции при t—25°С
/>Сон-
При больших значенияхрН происходит реакция
Fe(ОН)2+ 20Н- → Fe(ОН)42-
Константа равновесияэтой реакции K≈2,910-6моль/кг.
Соединения железасклонны к образованию коллоидных растворов с частицами кристаллической илиаморфной структуры. В ряде работ отмечается, что коллоиды α- FeOOH иFe(OH)3характеризуютсядвумя изоэлектрическими точками при рН=6,7 и 12. Как указывалось выше, дляразличных соединений железа существуют изоэлектрические точки при следующихзначениях рН:
/>
Вероятность присутствияв конденсате той или иной формы железа определяется модифицированной диаграммойПурбе) (рис. 17.7). Максимально допустимое содержание кислорода, при которомеще устойчив магнетит, 400 мкг/кг.
/>
Рис. 17.7 ДиафрагмаПурбе для конденсата ТЭС
При большем содержаниион может перейти в Fe(OH)3(точнее,в y — FeOOHиFе2Оз*nН2О).Редокс-потенциал (Е) должен быть не более +800 мВ (при рН 7) и содержаниежелеза (III) резко ограничено; только в очень кислых и сильнокислых условияхактивность этого иона более 10-6. Основное поле диаграммы (при рН,близких к условиям работы ТЭС) занимают магнетит Fe304иFe203(FeOOH). Термодинамическиболее устойчивым и поэтому преобладающим в циклах обычных ТЭС при температуременее 570°С является магнетит. При высоких температурах магнетит образуетсянепосредственно по уравнению
3Fe+4Н20 → Fe304+4Н2.
При более низкихтемпературах образование Fe3О4происходитчерез промежуточный продукт Fe(OH)2пореакции Шикорры
3Fe(ОН)2→ Fe304+Н2 + 2Н20.
Скорость реакции, поШикорру, уже при температуре более 50°С достаточно велика, катализаторами реакцииявляются ионы меди и никеля. При 200°С скорость реакции уже настолько велика,что практически наличие Fe(OH)2иликакого-либо другого оксида, но не магнетита, в воде обычных ТЭС можно неучитывать. Только при более высоком окислительно-восстановительном потенциале(например, при высоких концентрациях кислорода) устойчивыми оксидами и приповышенных температурах могут быть гематит или его гидратированные формы Fe(ОН)3,FeOOH ит. д.
Первые установкиконденсатоочистки предназначались только для задержания возможных примесейприсосов солей и кремниевой кислоты и состояли лишь из ионитовых фильтров.Затем вследствие эксплуатационных затруднений, вызванных повышенным содержаниемжелеза в конденсате, особенно при пуске блоков и после простоев оборудования, сталиприменять префильтры, для удаления продуктов коррозии.
Для удаления изконденсата продуктов коррозии на участках низкого давления системырегенеративного подогрева (t=120°С) и совмещения этого процесса с обессоливанием был разработан метод Паудекс-очистки.При этом способе горячий конденсат фильтруется через небольшой слой ионитов,намываемый на специальные фильтровальные элементы, что позволяет удалять дажеколлоидные оксиды железа и кремниевую кислоту. Конструкция «Паудекс-фильтра»аналогична конструкции намывного механического фильтра. Он имеет свечи, накоторые намывается смесь анионита и катионита толщиной 3...12 мм. Количествонамываемого ионита составляет 1 кг/м2 при толщине слоя 6 мм,скорость фильтрования 10 м/ч, начальные потери напора 0,035 МН/м2.Содержание в фильтрате железа, меди, кремниевой кислоты очень мало и находитсяв пределах чувствительности современных методов анализа. Паудекс-процесспроводится с ионитом в Н—ОН — форме, а также в NH4—ОН- форме, в результате чего предотвращается снижение рН среды в Цикле.
Степень использованияполной объемной емкости ионитов вследствие устранения влияния процессовдиффузии увеличивается с 20… 50 (ФСД) до 90%. Высокую степень удаленияколлоидных частиц железа можно объяснить нейтрализацией их зарядовтонкодисперсными частицами ионитов. Скорость поглощения сильноосновных ионовионитом в Паудекс-процессе увеличивается в 100 раз. Коллоидные частицы (50... 100 мкм) удаляются при потере напора 0,035 вместо 0,35 МН/м2 намембранных фильтрах. Так как иониты используют кратковременно, возможноповышение температуры конденсата до 150° С.
Опыт эксплуатацииПаудекс-установок позволяет сделать следующие выводы:Паудекс-процесс можно использовать для очистки донденсата при различныхусловиях работы блока (первый пуск, нормальная эксплуатация, период присоса вконденсаторах); очистка конденсата возможна при температуре до 150°С; процессобладает гибкостью, удаляет все виды загрязнений. Рабочий цикл фильтровсоставляет от 12...24 ч до 7сут и иногда до трех недель и определяется восновном потерей напора.
Достоинствами«Паудекс-фильтров» являются простота конструкции, малыекапитальные затраты, небольшие потери напо-, ра в фильтре, эффективностьудаления из конденсата растворенных солей, коллоидных и взвешенных частиц,высокая степень надежности оборудования, отсутствие необходимости обработкиконденсата реагентами и нейтрализации стоков, высокая степень использованияобменной способности ионитов (80… 90%), возможность обезжелезиванияконденсата при температуре до 150° С.
К числу недостатковПаудекс-процесса следует отнести большой расходвысококачественных и дефицитных ионитов, отсутствие регенерации ионитов (нет ихповторного использования), при аварии конденсаторов «Паудекс-фильтры» могутподдерживать работу блока в течение 30… 60 мин, а при использовании морскойохлаждающей воды —всего несколько секунд.
Наличие в конденсатебольшого количества магнитовосприимчивых частиц позволило использоватьмагнитное поле для удаления примесей. Магнитные свойства анионов железадовольно (разнообразны. В конденсате гидроксид железа, встречающийся в двухформах a — Fe(OH)3иy — Fe(OH)3,парамагнитен,так же как оксид железа a- F203,Привысоких температурах в условиях котла железо стремится к магнетиту Fe0-F203которыйобладает ферромагнитными свойствами, Растворимость магнетита незначительная,поэтому можно считать, что все железо в конденсате находится в виде частицдиспергированных оксидов. Частички магнетита, однажды намагниченные, сохраняютсвои свойства длительное время. Магнетит намагничивается довольно слабо,магнитные свойства его слабее в 30...40 раз, чем металлического железа. Сувеличением температуры его магнитные свойства слабеют.
Е.В. Терновцевым идругими были проведены исследования по использованию магнитного полядля интенсификации работы фильтра с магнетитовой загрузкой. На фильтр смагнетитовой загрузкой с частицами d=0,5…1 мм, высотой 0,25 м накладывалось магнитное поле постоянного тока,напряженность которого 1000… 2000 Э. Работу магнитомагнетитовых фильтровсравнивали с параллельно работающими магнетитовыми фильтрами. Температурафильтрата составляла 24… 26° С. Как показали исследования, при магнитномполе напряженностью 500 Э и скорости фильтрования примерно 85 м/ч происходитэффективное удаление оксидов железа, значительно более глубокое, чем в обычныхмагнетитовых фильтрах. Это может быть обусловлено эффектом «магнитнойкоагуляции», сущность которой заключается в том, что частички магнетита,намагничиваясь, приобретают северный и южный полюсы. Сталкиваясь частичкикоагулируют. Магнитная коагуляция отличается от коагуляции коллоидов, котораяпроисходит благодаря электростатическим силам. Коагулированные субстанцииотделяются на фильтрах значительно более полно.
В последнее время вкачестве механических фильтров для очистки конденсата применяют фильтры снамывным слоем (ФНС), в которых на фильтрующие элементы намываютвспомогательное фильтрующее вещество. Конструкции аппаратов для очисткитурбинного конденсата самые различные: с плоским фильтрующим слоем или спатронными трубчатыми элементами, с нанесением вспомогательного материала намелкие сетки или на обмотку из проволоки трапецеидального сечения, с удалениемшлама вне фильтра струей из брандспойта или гидравлической промывкой внутрифильтра. Фильтрующий материал — волокна целлюлозы; иногда поверх подслоя изцеллюлозы намывают активный уголь или смесь этих материалов. Применяют какпериодический разовый намыв вспомогательного слоя, так и непрерывную дозировкумалых его количеств (2...5 г/м3). Скорость фильтрования 7...10 м/ч(иногда 12… 17 м/ч). Остаточное содержание железа составляет 2...3 мкг/л.
Полимерные фильтрующиесредымогут быть успешно применены как в намывных фильтрах вместо целлюлозы, так и вмеханических фильтрах, эксплуатация которых значительно проще. Результатыисследований и данные эксплуатации позволяют считать перспективными следующиеобласти применения полимерных фильтрующих материалов: 1. Обезжелезиваниевозвратного конденсата на ТЭС с барабанными котлами. Основная масса оксидовжелеза в возвратном конденсате ТЭС имеет фракции размером 0,9 мкм. В этихусловиях использование полимерных материалов на ФНС обеспечивает снижениезагрязнений до 80%. Температура производственных конденсатов обычно не более100...120° С; в этом диапазоне температур многие полимеры устойчивы. 2. Очисткадренажной воды ПНД на энергоблоках с прямоточными барабанными котлами. Очисткадренажной воды ПНД, а в некоторых случаях и ПВД позволяет отказаться от ихкаскадного сброса в конденсатор для последующей очистки. Возможность подачидренажной воды с температурой до 150° С (вместо 35°) дает экономию теплоты 20ккал/кг. 3. Обезжелезивание турбинных конденсаторов в блоках СКД передионитовыми фильтрами.
ЛИТЕРАТУРА
Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшениекачества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.
Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутыесистемы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.,1984.
Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производствои применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.
Вейцер Ю. М., Мииц Д. М.Высокомоллекуляриые флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.
Егоров А. И. Гидравлика напорныхтрубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.
Журба М. Г. Очистки воды на зернистыхфильтрах. Львов, 1980.