Глава 8. Пример разработки проекта производственного водоснабжения промышленного предприятия

Разработка проекта производственного водоснабжения промышленного предприятия применительно к выполнению курсового проекта включает следующие основные этапы:

анализ исходных данных и разработка вариантов систем водоснабжения;

проектирование систем водоснабжения с разработкой технологических схем, расчетом сооружений и подбором оборудования;

разработка графической части проекта.

Исходные данные для проектирования

Источник водоснабжения - река.

Показатели качества воды источника:

мутность М ≤ 42 г/м³;

температура воды t ≤ 24 ℃;

жесткость общая Ж₀≤ 3,2 г-экв/м³;

содержание натрия Na = 7 г/м³.

Параметры охлаждающего воздуха:

температура по сухому термометру θ = 25 ℃;

температура по смоченному термометру τ = 18 ℃;

влажность φ = 48 %.

Сведения о водопотреблении и водоотведении приведены в табл. 8.1.

Генеральный план промышленного предприятия показан на рис. 8.1.

Обозначения, принятые в схемах и чертежах

П1, П2,... - производственные водопотребители номер1, номер2и т. д.;

P1.1, Р1.2, ... - резервуары в системе водоснабжения первого водопотребителя номер1, номер2и т. д.;

НС2.1, НС2.2, ... - насосные станции в системе водоснабжения второго водопотребителя номер1, номер2и т. д.;

OC1.1- очистные сооружения в системе водоснабжения первого водопотребителя номер1;

Обр. ос.- обработка осадка;

108

Таблица 8.1

109

Рис. 8.1. Генеральный план промышленного предприятия (М 1:2000)

110

Охл. 1.1- охладитель в системе первого водопотребителя номер1;

Охл.34.1- охладитель в объединенной системе водоснабжения третьего и четвертого водопотребителей номер1;

ВОС- водопроводные очистные сооружения подготовки воды из источника;

Ум.- установка умягчения воды;

ССФС2.1- сверхскоростная фильтровальная станция батарейного типа в системе водоснабжения второго водопотребителя номер1;

ССФК- сверхскоростные фильтры камерного типа;

PO1. 1- радиальные отстойники в системе первого водопотребителя номер1;

ГР1.1- градирня в системе водоснабжения первого водопотребителя номер1;

БВП- блок вспомогательных помещений;

МП- монтажная площадка;

РХ- реагентное хозяйство;

Фу- фильтры умягчения;

В6- вода умягченная;

В7- вода речная неосветленная;

В8- вода речная осветленная;

В_пр- вода после промывки фильтров;

1В4, 2В4,... - подающие трубопроводы в оборотных системах первого, второго и других водопотребителей;

1В5, 2В5,... - отводящие (обратные) трубопроводы в оборотных системах первого, второго и других водопотребителей;

p1- раствор поваренной соли;К- канализация.

111

8.1. Анализ исходных данных и разработка вариантов систем водоснабжения

На первом этапе производится анализ исходных данных и оценка возможности объединения водопотребителей в общие системы водоснабжения.

Водопотребитель П1требует воду достаточно высокого качества, выше, чем в источнике водоснабжения. В процессе водопотребления вода насыщается механическими примесями и нагревается. Следовательно, водопотребительП1относится к третьей категории водопотребления.

111

ВодопотребительП2требует воду того же качества, что и первый, однако в процессе водопотребления вода насыщается относительно небольшим количеством механических примесей и не нагревается. Соответственно водопотребитель относится ко второй категории водопотребления. Качество отработанной воды у него и у потребителяП1существенно различается, и объединять их в общую систему водоснабжения не следует.

Водопотребители ПЗиП4имеют одинаковые требования к качеству воды и одинаково воздействуют на воду в процессе водопотребления. Относятся они к первой категории водопотребления, так как в процессе использования вода только нагревается и не загрязняется. Исходя из этого имеется техническая возможность их объединения в общую оборотную систему водоснабжения.

Водопотребитель П5требует умягченную воду и относится к шестой категории водопотребления. После использования вода в сток не возвращается и остается в теплотехническом контуре.

В результате анализа принимается решение о создании локальных оборотных систем водоснабжения для первого и второго водопотребителей, объединенной, и, как вариант, раздельной оборотной системы водоснабжения третьего и четвертого водопотребителей и прямоточной системы водоснабжения для пятого водопотребителя.

Оборотная система первого водопотребителя (рис. 8.2) включает в свой состав очистные сооружения для обеспечения баланса по веществам и охладитель для обеспечения баланса по теплу.

При этом осуществляются сначала очистка воды, затем ее охлаждение. Отработанная вода поступает в резервуар P1.1и насосной станциейНС1.1подается на очистные сооруженияОС1.1.Очищенная вода собирается в резервуарР1.2и насосной станциейНС1.2направляется на охладитель. После охлаждения очищенная и охлажденная вода поступает в резервуарР1.3и насосной станциейНС 1.3подается водопотребителюП1. Потери воды в системе компенсируются подпиточной водой из источника. Подпиточная вода может подаваться в резервуарР1.1(первый вариант) или в резервуарP1. 3(второй вариант - рис. 8.3). В первом случае осветление воды из источника осуществляется на очистных сооружениях оборотной системы совместно с очисткой отработанной воды, при этом увеличиваются суточная производительность этих сооружений и гидравлическая нагрузка на охладитель, но существенно снижается производительностьВОС.

112

Рис. 8.2. Схема системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов, м3/сут (первый вариант)

113

Рис. 8.З. Схема системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов, м3/сут (второй вариант)

114

Во втором варианте качество подпиточной воды должно соответствовать требованиям водопотребителя и вода из источника предварительно осветляется наВОС.

В оборотной системе водопотребителя П2для баланса по веществам предусматриваются очистные сооруженияОС2.1, вода на которые подается насосной станциейНС2.1из резервуара отработанной водыР2.1.Очищенная вода собирается в резервуареР2.2и насосной станциейНС2.2подается водопотребителю. Подпитка в системе может осуществляться так же, как и в первой системе, неосветленной речной водой с подачей в резервуарР2.1(первый вариант - рис. 8.2) либо осветленной наВОСводой с подачей в резервуарР2.2(второй вариант - рис. 8.3).

При разработке схем объединенной системы оборотного водоснабжения водопотребителей ПЗиП4следует учитывать разные потребные напоры и напоры на отводе отработанной воды. Так, у четвертого водопотребителя на 10 м выше потребный напор и имеется 20 м остаточного напора, который можно использовать для транспортирования воды на охладитель, поэтому в объединенной системе водоснабжения общими для этих водопотребителей будут только охладитель и резервуар охлажденной воды. Подающие и отводящие сети будут разными. Учитывая эти различия в напорных характеристиках, разрабатывается второй вариант (см. рис. 8.3) с созданием локальных оборотных систем водопотребителейПЗиП4. В первом варианте отработанная водаП3собирается в резервуарР3.1и насосной станциейНСЗ.1подается на общий охладительОхл.34.1.Отработанная водаП4под остаточным напором подается прямо на охладитель. Охлажденная вода собирается в общем резервуареР34.1, откуда собственными насосными станциямиНС3.2иНС4.1подается водопотребителям. Во втором варианте (см. рис. 8.3) в каждой оборотной системе предусматривается собственный охладитель и резервуар охлажденной воды. Подпитка оборотных систем в обоих вариантах осуществляется осветленной водой из источника.

Для обеспечения водой водопотребителя 775 предусматриваются сооружения умягчения воды Ум., на которые подается осветленная наВОСвода из источника.

Водный баланс на схемах рассчитан по суточному водопотреблению (м³/сут). При разработке водного баланса потери в охладителях приняты 1,5 % от количества поступающей воды, на

115

очистных сооружениях - 5 %.

При разработке реальных проектов выбор оптимального варианта осуществляется на основании технико-экономической оценки.

В учебном проекте ограничимся некоторыми общими соображениями и оценками.

По системам водопотребителей П1иП2первый вариант отличается от второго тем, что подпитка систем в первом варианте осуществляется неосветленной водой из источника с последующим осветлением ее на очистных сооружениях оборотных систем. Это приводит к увеличению среднесуточной производительности сооружений оборотных систем, но при этом в 4 раза снижается производительностьВОС. Если учесть, что расчет очистных сооружений оборотных систем производится по максимальному часовому расходу водопотребителя, то поступление на сооружения подпиточной воды не отразится на размерах очистных сооружений. В то же время размерыВОСпри снижении производительности в 4 раза пропорционально уменьшаются. Отсюда можно предположить, что первый вариант в этой части предпочтительней.

Для систем водоснабжения третьего и четвертого водопотребителей варианты отличаются общим или раздельными охладителями и резервуарами охлажденной воды. Опыт проектирования систем водоснабжения показывает, что практически всегда одно сооружение дешевле, чем несколько аналогичных сооружений равной суммарной производительности или равной суммарной емкости.

На основании этих рассуждений можно предположить, что первый вариант целесообразней второго и дальнейший расчет и проектирование будут осуществляться для схем, разработанных в первом варианте.

116

8.2. Проектирование систем водоснабжения

Система водоснабжения первого водопотребителя

В соответствии с разработанной схемой оборотная система водоснабжения первого водопотребителя включает в свой состав очистные сооружения, охладитель, резервуары, насосные станции и трубопроводы.

Очистные сооружения предназначены для осуществления баланса по веществам и должны снизить мутность обрабатываемой воды с 320 до 10 г/м³. Для получения воды мутностью не более 10 г/м³

116

необходимо применение зернистых фильтров. Ввиду большой мутности отработанной воды перед подачей на фильтры требуется ее предварительное осветление до мутности не более 50 г/м³, поэтому предусматривается двухступенчатое осветление отработанной воды сначала на радиальных отстойниках, затем на напорных зернистых фильтрах. В качестве напорных зернистых фильтров используется автоматическая сверхскоростная фильтровальная станция батарейного типа системы Г. Н. Никифорова.

Для охлаждения воды применяются типовые секционные вентиляторные градирни.

Расчет сооружений ведется по максимальному часовому расходу Q_ч.максс проверкой работы в час минимального водопотребления Q_ч.мин

Перед расчетом сооружений разрабатывается высотно-технологическая схема системы оборотного водоснабжения (рис. 8.4). Все сооружения системы располагаются на выделенной на генплане площадке с планировочной отметкой 26,500 м.

Технологической схемой предусматривается повторное использование промывных вод сверхскоростных фильтров с возвратом их в резервуар P1.1и очисткой на радиальных отстойниках. Это отразится на объеме резервуара, так как надо будет иметь емкость для приема залпового сброса промывной воды в объеме, необходимом для промывки одного фильтра. В силу этого расчет следует начать со сверхскоростной фильтровальной станции.

Сверхскоростная фильтровальная станция (ССФС1.1)

Полезная производительность станции принимается равной максимальному часовому водопотреблению Q_пот= 1300 м³/ч. Площадь фильтрования определяется из выражения

F= Q_пот/V_н,

где V_Н- скорость фильтрования в период отсутствия промывки одного из фильтров, которая принимается в диапазоне от 20 до 25м/ч.

F = Q_пот/V_Н= 1300/20 = 65м².

117

Рис. 8.4. Высотно-технологическая схема системы водоснабжения первого водопотребителя

118

Количество фильтров в блоке принимается равным восьми (N = 8), тогда площадь одного фильтра

f=F/N = 65/8 = 8,125м².

К установке принимаются серийные напорные вертикальные однокамерные осветлительные фильтры диметром 3,4 м с площадью f=9,0м².

Расход воды, м³/ч, на промывку такого фильтра

Q_пр=if·3,6,

где i - интенсивность промывки, которая может быть принята равной 15л/с·м².

Q_пр=15·9,0·3,6 = 486м³/ч.

Проверяется скорость фильтрования в период промывки одного из фильтров:

V_ф= Q_пот+ Q_пр/f(N-l)≤30,

V_ф= 1300 + 486 / 9,0 (8-1) = 28,3 м/ч < 30 м/ч.

Проверка показывает, что соблюдается условие V_ф≤ 30 м/ч, поэтому сохраняются принятое число фильтров и их размер.

Определяется объем воды на промывку одного фильтра при времени промывки t_пр= 6 мин, или 0,1 ч, из выражения

W_пр= Q_прt_пр= 486· 0,1= 48,6 м³.

Именно этот объем воды должен быть принят в резервуаре P1.1и накоплен в резервуареР1.2, откуда он забирается на промывку фильтров насосами насосной станцииНС1.2.

Суточный расход воды, необходимый на промывку фильтров ССФС1.1, определяется по формуле

W_пр.сут=W_прN n_пр,

119

где n_пр- число промывок каждого фильтра в сутки, которое может быть принято равным 2.

W_пр.сут= 48,6·8·2 = 778м³/сут.

Этот расход воды на промывку фильтров учитывается при балансовых расчетах.

Резервуар Р1.1

Объем резервуаров в системе водоснабжения определяется исходя из их назначения. Резервуары в рассматриваемой системе водоснабжения являются всасывающими камерами соответствующих насосных станций. Объем такого резервуара определяется исходя из 5-10-минутной производительности насосной станции. При этом большее значение принимается для небольших по производительности систем (менее 100 м³/ч). С увеличением производительности расчетное время уменьшается. Кроме того, резервуарP1.1должен иметь дополнительный объем для приема промывной воды от промывки одного фильтра ССФС1.1 W_пр.

W_р= 5Q_пот/60 + W_пр= 5 · 1300/60 + 48,6 = 159,6 м³.

К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 250 м³с размерами в плане 6x12 м, глубиной 3,6 м. Для обеспечения самотечного приема воды от водопотребителей верх резервуара располагается на 1м ниже планировочной отметки площадки.

Радиальные отстойники РО1.1

Расчетная производительность радиальных отстойников определяется исходя из максимального часового водопотребления и обеспечения очистки промывной воды.

Q_от=Q_пот+W_пр.сут/24 =1300 + 778/24 = 1332 м³/ч.

Площадь отстойников, м², определяется по формуле

120

F_от=0,2(Q_от/u₀)^1,07+f₁,

где u₀- гидравлическая крупность частиц, которые нужно осадить для обеспечения требуемого эффекта осветления, мм/с; f₁- площадь центральной вихревой зоны, которая может быть принята в пределах от 20 до 40 м²на каждый отстойник.

Расчетная гидравлическая крупность частиц u₀зависит от характера примесей и требуемого эффекта осветления. Для расчетов в проекте u₀может быть принята в пределах 0,2-0,4 мм/с при требуемом эффекте осветления выше 80 %, 0,4-0,6 мм/с при эффекте осветления 60-80 % и 0,6-1 мм/с при эффекте осветления менее 60 %.

Расчетная гидравлическая крупность u₀принимается равной 0,4 мм/с, тогда

F_от= 0,2 (1332/0,4)^1,07+ 60 = 1235 м².

В установке должно быть не менее двух рабочих отстойников. С учетом большой расчетной площади, принимаются 3 рабочих отстойника. Резервных отстойников не предусматривается.

Диаметр одного отстойника:

D = √4·1235/3,14·3= 22,9м

К установке принимаются типовые отстойники диаметром D = 24,00 м. Так как в отстойники поступает нагретая вода, то они устраиваются открытыми в насыпи с отметкой верха на 5 м выше планировочной отметки площадки (31,500).

Если отстойники используются в системе второй категории водопотребления (без нагрева воды), то их следует устанавливать в здании с поддержанием в зимнее время температуры внутри здания плюс 5 ℃.

Потери воды с осадком в отстойниках могут быть определены из следующих расчетов:

W_ос= [Q_сут(М_отр-М_тр) + Q_под(М_ист-М_тр)]/δ,

где W_ос- суточный объем осадка, м³; Q_сут- количество отработанной

121

воды, м³/сут; Q_под- количество подпиточной воды из источника, м³/сут; М_отр- мутность отработанной воды, г/м³; М_ист- мутность воды источника водоснабжения, г/м³; М_тр- мутность по требованиям водопотребления, г/м³; δ - средняя концентрация твердой фазы в осадке, г/м³, которая при безреагентном отстаивании воды и удалении осадка не чаше одного раза в сутки может быть принята 150000 г/м³.

W_ос= [28500 (320 - 10) + 3450 (42 - 10)] / 150000 = 59,7 м³.

Количество воды, м³/сут, теряемой при гидравлическом удалении этого осадка, определяется из выражения

Q_ос= W_осK_р,

где К_р- коэффициент разбавления, который принимается равным 1,5.

Q_ос=59,7·1,5 = 90м³/сут.

Следовательно, при повторном использовании промывных вод фильтров потери воды на очистных сооружениях составят всего 90 м3/сут. Именно эту величину потерь воды с осадком следует учесть при корректировке водного баланса в системе.

Насосная станция НС1.1

Насосная станция НС 1.1подает воду из резервуараР1.1в отстойникиPO1.1Расчетная производительность насосной станции равна количеству воды, подаваемой в отстойники, и составляет 1332 м³/ч.

Потребный напор, м, определяется из выражения

H_нас= z₁- z₂+ h_HC+ h_c+ H_тр,

где z₁- отметка, на которую подается вода в отстойники, в соответствии со схемой (см. рис. 8.4); z₁= 31,500 м; z₂- минимальный уровень воды в резервуареP1.1; z₂= 21 ,900 м; h_НС- потери напора в насосной станции; h_HCпринимаются равными 2,0-2,5 м; h_c-потери

122

напора в трубопроводах; h_cмогут ориентировочно приниматься 5,0 м на 1000 м длины трубопровода; Н_тр- требуемый напор в точке подачи воды, который на излив из трубопровода в отстойник может быть принят равным 1,0 м.

Н_нас= 31,500 - 21,900 + 2,0 + 1,0 + 1,0 = 13,6 м.

При таких малых напорах обычно используются консольные насосы. Количество рабочих насосов должно быть не менее двух. Количество резервных насосов принимается в зависимости от требуемой надежности в соответствии с рекомендациями табл. 32 [12]. В проекте насосные станции могут быть приняты II категории надежности, поэтому при количестве рабочих насосов не более 6 принимается 1 резервный насос.

В соответствии с рабочими характеристиками насосов (прил. 4) к установке принимается 5 рабочих и 1 резервный насос марки К 200-150-250 (п = 1450 об/мин).

Насосы в насосной станции устанавливаются "под залив", без использования вакуумных установок для запуска насосов. Это обеспечивает надежную работу насосных станций с простой системой автоматики. Для создания такого режима работы отметка оси насоса должна быть не выше среднего уровня воды в резервуаре (всасывающей камере). Средний уровень воды в резервуаре (см. рис. 8.4)

z_ср= (z_макс+z_мин)/2 = (25,5+ 21,9)/2 = 23,7м.

Отметка оси насоса принимается равной 23,5 м. Расстояние от оси насосов до пола насосной станции в заглубленных насосных станциях ориентировочно может быть принято 1,0 м. Соответственно отметка пола насосной станции равна 22,5 м, при этом ее глубина

Н_загл= 26,5 + 0,2 - 22,5 = 4,2 м.

Резервуар Р1.2

Резервуар Р1.2является всасывающей камерой насосной

123

станцииНС 1.2и, кроме этого, в нем должен храниться объем воды на промывку одного фильтраССФС1.1.ОбъемР1.2равен объему резервуара P1.1и соответственно принимается такой же типовой железобетонный резервуар объемом 250 м³.

Насосная станция НС1.2

Насосная станция НС 1.2подает воду из резервуараР1.2наССФС1.1и далее остаточным напором на охладительОхл.1.1.Режим работы насосной станцииНС1.1совпадает с режимом работыССФС1.1, поэтому производительность ее должна быть Q₁= Q_пот+ Q_прв период промывки одного из фильтров и Q₂= Q_пот+ Q_прв период отсутствия промывки одного из фильтров.

Q₁= 1786 м³/ч, Q₂= 1300 м³/ч.

Соответственно будут меняться и потребные напоры насосов. В период без промывки фильтра

Н_нас= z₁- z₂+ h_HC+ h_c+ h_ССФС+ H_тр,

где z₁- отметка распределительной системы градирни, принимаемая ориентировочно на 5 м выше планировочной отметки; z₁= 31,500 м; z₂= 21,900 м; h_НС= 2,0 м; h_c= 1,0 м; h_ССФС- потери напора в скоростной фильтровальной станции, которые в период без промывки фильтра могут быть приняты равными 7,0 м; Н_тр- требуемый напор в распределительной системе градирни, который может быть принят равным 5,0 м.

Н_HC1= 31,500 - 21,900 + 2,0 + 1,0 + 7,0 + 5,0 = 24,6 м.

Потребный напор насосов НС 1.2в период промывки одного из фильтров повышается из-за увеличения производительности системы и уменьшения числа рабочих фильтровССФС1.1. В этот период потери напора в насосной станции могут быть приняты равными 2,5 м, а вССФС1.1- равными 10 м.

Н_HC2= 31,500 - 21,900 + 2,5 + 1,0 + 10,00 + 5,0 - 28,1 м.

124

К установке принимаются 4 рабочих и 1 резервный насос марки Д 630-90 (п = 980 об/мин). При этом в период отсутствия промывки фильтра будут работать 3 насоса. В период промывки одного из фильтровССФС1.1будет автоматически включаться четвертый рабочий насос.

Охладитель Ох.1.1

Исходные данные для расчета:

количество охлаждаемой воды Q = 1300 м³/ч

температура нагретой воды t₁= 34℃;

температура охлажденной воды t₂= 26℃;

перепад температур Δt = 8 ℃;

температура охлаждающего воздуха по сухому термометру θ₁=25℃;

температура охлаждающего воздуха по смоченному термометру τ₁= 18℃;

влажность воздуха φ = 48 %.

Для охлаждения воды используются типовые секционные вентиляторные градирни с капельным оросителем.

Площадь градирни, м², определяется из выражения

F_гр= Q/q_ж,

где q_ж- гидравлическая нагрузка, которая рассчитывается с использованием методик и графиков, приведенных в гл. 5 настоящего учебного пособия.

Расчетная температура охлажденной воды для использования в графике (см. рис. 5.11) определяется по формуле

t₂^*= t₂+ (τ₁- 20)(0,9 - Δτ/100) + 8(0,8 - τ₁/θ₁) = 25 + (18 - 20)(0,9 - 8/100) + 8(0,8 - 18/25) = 26,6℃

По графику (см. рис. 5.11) при t₂^*= 26,6℃и Δt = 8℃, находим q_ж= 7,7м³/ч·м².

Тогда площадь градирни

F_гр= 1300/7,7= 169м².

125

К установке принимается типовая трехсекционная градирня с капельным оросителем, имеющая размеры секции 8 х 8 м, площадь одной секции 64 м²и общую площадь 192 м².

Резервуар Р1.3

Резервуар P1.3является всасывающей камерой насосной станцииНС 1.3.Объем его определяется из расчета:

W_p=5Q_пот/60 = 5·1300/60= 108,4м³.

К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 250 м³с размерами в плане 6x12 м, глубиной 3,6 м, такой же, как и резервуарыР1.1иР1.2.

Насосная станция НС 1.3

Насосная станция НС1.3подает воду из резервуараP1.3водопотребителю. Производительность станции равна максимальному часовому водопотреблению Q_HC=1300 м³/ч. Потребный напор насосов составляет

Н_нас=z₁- z₂+ h_HC+ h_c+ Н_тр=27,00-21,9+ 2,0+ 2,0+ 25 = 34,1 м.

К установке принимаются 3 рабочих и 1 резервный насос марки Д 630-90 (n = 980 об/мин).

Определение диаметров подающих и отводящих трубопроводов

Подающие трубопроводы выполняются из стальных или пластмассовых труб и рассчитываются по таблицам, приведенным в книге Ф. А. Шевелева "Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных и пластмассовых водопроводных труб" (М.: Стройиздат, 1970).

Отводящие самотечные трубопроводы выполняются из железобетонных, асбестоцементных, стальных и других труб и рассчитываются по таблицам, приведенным в книге А.А. Лукиных,

126

НА. Лукиных "Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле акад. Н.Н. Павловского" (М.: Стройиздат, 1974).

Подающий трубопровод (1В4) выполняется из стальных труб. Расчетный расход составляет 1300 м³/ч, или 361 л/с. По таблицам принимается стальная труба d = 600 мм, при этом скорость движения воды V = 1,2 м/с, гидравлический уклон 10001 = 2,93.

Отводящий трубопровод (1В5) выполняется самотечным из железобетонных труб. При расчетном расходе 361 л/с по таблицам находим, что d = 600 мм, V = 1,47 м/с, i = 0,004, наполнение h/d = 0,8 d.

Ввиду большого объема проекта проектирование сооружений для обработки осадка не производится. В графической части проекта в комплексе сооружений водоснабжения предусматривается здание для размещения оборудования обработки осадка размером 12х18м.

Система водоснабжения второго водопотребителя

В соответствии с разработанной схемой оборотная система водоснабжения второго водопотребителя включает в свой состав очистные сооружения, резервуары, насосные станции и водопроводные сети.

Очистные сооружения должны снизить мутность отработанной воды с 40 г/м³до требуемых 10 г/м³. Это может быть достигнуто одноступенчатым фильтрованием на зернистых фильтрах. Для осветления воды предусматривается автоматическая сверхскоростная фильтровальная станция батарейного типа, аналогичная той, которая была запроектирована в системе первого водопотребителя.

В соответствии с этим решением разрабатывается высотно-технологическая схема системы водоснабжения (рис. 8.5).

Отработанная вода от второго потребителя поступает в резервуар Р2.1, откуда насосной станциейНС2.1подается наССФС2.1и далее под остаточным напором поступает непосредственно ко второму водопотребителю.

В схемах очистных сооружений, в составе которых имеются только фильтровальные сооружения, всегда возникает проблема обработки промывных вод. В рассматриваемой схеме эта проблема может быть решена строительством собственных сооружений обработки промывных вод либо подачей промывных вод в схему с

127

аналогичными загрязнениями, где имеются грязеемкие очистные сооружения, позволяющие осуществлять осветление промывной воды вместе с осветлением других стоков.

Рис. 8.5. Высотно-технологическая схема системы водоснабжения второго водопотребителя

Можно предположить, что возможно направить промывные воды ССФС2.1из системы второго водопотребителя в резервуарP1.1системы первого водопотребителя, уменьшив соответственно количество подпиточной воды из источника, подаваемой в этот резервуар.

Сверхскоростная фильтровальная станция ССФС2.1

Расчет ССФС 2.1ведется аналогично выполненному ранее расчетуССФС 1.1с обеспечением подачи второму водопотребителю 800 м³/ч воды с напором 25 м. Подробные пояснения к расчету приведены в предыдущем разделе.

Площадь фильтрования определяется из выражения

F = Q_пот/V_н= 800/20 = 40м².

Количество фильтров в блоке принимается равным восьми (N = 8), тогда площадь одного фильтра

f = F/N = 40/8 = 5м².

К установке принимаются серийные напорные вертикальные однокамерные осветлительные фильтры диметром 2,6 м с площадью f=5,3м².

128

Расход воды на промывку такого фильтра

Q_пр= i f3,6 = 15 · 5,3 · 3,6 = 286 м³/ч.

Проверяется скорость фильтрования в период промывки одного из фильтров:

V_ф= Q_пот+ Q_пр/ f (N - 1) = 800 + 286 / 5,3 (8 - 1) = 29,3 м/ч < 30 м/ч

Проверка показывает, что соблюдается условие V_ф≤ 30 м/ч, поэтому сохраняются принятое число фильтров и их размер.

Определяется объем воды на промывку одного фильтра при времени промывки t_пр= 6 мин, или 0,1 ч, из выражения

W_пр=Q_прt_пр=286·0,1= 28,6м³.

Именно этот объем воды должен быть принят в резервуаре P1. 1Из расчета резервуараР1.1(см. систему водоснабжения первого водопотребителя) видно, что при расчетном объеме 156,9 м³к установке принят резервуар объемом 250 м³, позволяющий принять туда еще 28,6м³.

Суточный расход воды, необходимой на промывку фильтров ССФС2.1, определяется по формуле

W_пр.сут=W_прN n_пр= 28,6 · 8 · 2 = 458 м³/сут.

Этот расход воды передается из системы водоснабжения второго водопотребителя в систему первого водопотребителя и должен быть учтен при балансовых расчетах. Он же дополнительно поступит на РО1.1, что увеличит их производительность на 1,5 %. Однако площадь отстойников при расчете принята с достаточным запасом и, в связи с увеличением производительности на 1,5 %, перерасчета не требуется.

Концентрация механических примесей в промывной воде, г/м³, фильтровССФС2.1может быть определена следующим расчетом:

129

M_пр= Q_сут(M_отр- M_тр)/W_пр.сут,

где M_отр= 40г/м³; M_тр= 10 г/м³; Q_сут= 16800 м³/сут; W_пр.сут= 458 м³/сут.

M_пр= 16800(40 - 10)/458 = 1100 г/м³

При поступлении этой промывной воды в резервуар P1.1концентрация примесей в смешанном потоке

M_смеш= (М_отр1Q_{сут.отр1}+ М_пр2W_пр.сут2)/(Q_{сут.отр1}+ W_пр.сут2) = = (320 · 28500 + 1100 · 458)/(28500 + 458) = 332,3 г/м³.

Приведенный расчет показывает, что при поступлении промывной воды из системы второго водопотребителя в резервуар Р1.1мутность смешанного потока увеличится незначительно (с 320 до 332,3 г/м³), что не может снизить эффективность работы очистных сооружений в системе водоснабжения первого водопотребителя. В силу этого решение о подаче промывной воды из системы второго потребителя на очистные сооружения системы первого водопотребителя можно считать возможным и целесообразным.

В случаях, когда в системах производственного водоснабжения предприятия нет грязеемких сооружений, либо когда подача промывных вод фильтров может существенно усложнить их работу, то в системе водоснабжения с фильтрами создаются собственные сооружения для очистки и повторного использования промывных вод.

Резервуар Р2.1

Резервуар Р2.1является всасывающей камерой насосной станцииНС2.1и, кроме того, должен хранить объем воды на промывку одного фильтраССФС2.1.

Расчетный объем резервуара определяется из выражения

W_p=5Q_пот/60 + W_пр=5·800/60+ 28,6 = 95,3м³.

130

К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 100 м³с размерами в плане 6x6 м, глубиной 3,6 м. Высотное положение резервуара принимается аналогично положению резервуараP1.1в схеме водопотребителяП1.

Насосная станция НС2.1

Насосная станция НС2.1подает воду из резервуараР2.1наССФС2.1и далее остаточным напором водопотребителюП2. Режим работы насосной станцииНС2.1совпадает с режимом работыССФС2.7, поэтому производительность ее должна быть

Q₁= Q_пот+Q_пр= 800+ 286= 1086 м³/ч

в период промывки одного из фильтров ССФС2.1и Q₂= Q_пот= 800 м³/ч в период отсутствия промывки.

Соответственно будут меняться и потребные напоры насосов. В период без промывки фильтра потребный напор

H_нас= z₁- z₂+ h_HC+ h_c+ h_ССФС+ H_тр= 28,00 - 21,90 + 2,00 + 2,0 + 7,00 + 25 + 25 = 45,10 м.

Потребный напор в период промывки одного из фильтров

Н_нас= 28,00 - 21,900 + 2,5 + 2,0 + 10,00 + 25 = 48,6 м.

К установке принимаются 2 рабочих и 1 резервный насосы марки Д 500-65 (п = 1450 об/мин) с автоматической регулировкой числа оборотов. В период промывки одного из фильтров насосы будут работать при п = 1450 об/мин и в соответствии с рабочими характеристиками обеспечат подачу 1086 м³/ч воды с напором 48,6 м. В период отсутствия промывки путем снижения числа оборотов насоса будет обеспечена работа насосов с подачей 800 м3/ч при напоре 45,1 м.

Определение диаметров трубопроводов

Подающий трубопровод (2В4) выполняется из стальных труб.

131

Q = 800 м³/ч = 222 л/с; d = 500 мм; V = 1,06 м/с; l000i = 2,90.

Отводящий трубопровод (2В5) выполняется самотечным из железобетонных труб.

Q = 800 м³/ч = 222 л/с; d = 500 мм; V = 1,30 м/с; i = 0,004; h/d = 0,80.

Объединенная система водоснабжения третьего и четвертого водопотребителей

В соответствии с разработанной схемой оборотная объединенная система водоснабжения водопотребителей ПЗиП4включает в свой состав общие охладитель и резервуар охлажденной воды, а также собственные резервуары, насосные станции и водопроводные сети. Высотно-технологическая схема системы представлена на рис. 8.6.

Для охлаждения воды используется типовая секционная вентиляторная градирня.

Исходные данные для расчета:

количество охлаждаемой воды Q = 1100 + 400 = 1500 м³/ч;

температура нагретой воды t₁= 33℃;

температура охлажденной воды t₂= 25℃;

перепад температур Δt = 8 ℃;

температура охлаждающего воздуха по сухому термометру θ₁= 25℃;

температура охлаждающего воздуха по смоченному термометру τ₁= 18 "С;

влажность воздуха φ = 48 %.

Площадь градирни, м², определяется из выражения

F_гр= Q/q_ж

где q_ж- гидравлическая нагрузка, которая рассчитывается с использованием методик и графиков, приведенных в гл. 5 настоящего учебного пособия.

Рассмотрим варианты использования градирен с капельным и пленочным оросителями.

При применении градирни с капельным оросителем расчетная температура охлажденной воды для использования в графике (см. рис. 5.11) определяется по формуле

132

Рис. 8.6. Высотно-технологическая схема объединенной системы водоснабжения третьего и четвертого водопотребителей

133

t₂^*= t₂+ (τ₁- 20)(0,9 - Δt/100) + 8(0,8 - τ₁/θ₁) = 25 + (18 - 20)(0,9 - 8/100) + 8(0,8 - 18/25) = 25,6℃

По графику (см. рис. 5.11) при t₂^*= 25,6℃и Δt = 8℃находим q_ж= 6.7 м³/ч· м².

Тогда площадь градирни

F_гр=1500/6,7 = 224м².

К установке принимается типовая четырехсекционная градирня, имеющая размеры секции 8 х 8м, площадь одной секции 64 м²и общую площадь 256 м².

При применении градирни с пленочным оросителем расчет ведется с использованием графиков (см. рис. 5.12).

По графику (см. рис. 5.12,б) при τ₁= 18℃и t₂= 25℃находим t₂¹= 21℃, а затем по этой величине и Δt = 8℃по графику рис. 5.12,aнаходим q_ж= 8,5 м³/ч·м².

Тогда площадь градирни с пленочным оросителем

F_гр= 1500/8,5 = 176м².

К установке принимается типовая трехсекционная вентиляторная градирня с пленочным оросителем, имеющая размеры секции 8 х 8 м, площадь одной секции 64 м²и общую площадь 192 м².

Окончательный выбор варианта осуществляется на основании технико-экономической оценки вариантов.

В рассматриваемом примере остановимся на выборе трехсекционной вентиляторной градирни с пленочным оросителем.

Резервуар Р3.1

Резервуар РЗ.1является всасывающей камерой насосной станцииНСЗ.1.

Расчетный объем резервуара определяется из выражения

W_p= 5 Q_пот3/60 = 5·1100 / 60 = 91,7 м³.

134

К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 100 м³с размерами в плане 6 х 6 м, глубиной 3,6 м.

Резервуар Р34.1

Резервуар Р34.1предназначен для приема охлажденной коды из градирни и является всасывающей камерой насосных станцийНС3.2иНС4.1.

Расчетный объем резервуара определяется из выражения

W_p=5(Q_пот3+ Q_пот4)/ 60 = 5 (1100 + 400) /60= 125м³.

К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 250 м³с размерами в плане 6x12 м, глубиной 3,6 м.

Насосная станция НС 3.1

Насосная станция НС3.1подает воду из резервуараР3.1на градирнюОхл. 34.1.

Производительность насосной станции Q = 1 100 м³/ч.

Потребный напор

H_нас= z₁- z₂+ h_НС+ h_c+ H_тр= 31,500 - 21,90 + 2,00 + 1,0 + 5,00 = 17,6 м.

К установке принимаются 4 рабочих и 1 резервный насос марки К 200-150-250 (n = 1450 об/мин).

Насосная станция НС3.2

Насосная станция НС 3.2подает воду из резервуараР34.1потребителю ПЗ.

Производительность насосной станции Q = 1 100 м³/ч. Потребный напор

H_нас= z₁- z₂+ h_НС+ h_c+ H_тр= 28,0 - 21 ,90 + 3,00 + 2,0 + 30 = 40,1 м.

135

К установке принимаются 2 рабочих и 1 резервный насос марки Д 500-65 (n = 1450 об/мин).

Насосная станция НС4.1

Насосная станция НС4.1подает воду из резервуараР34.1потребителюП4. Производительность насосной станции Q = 400м³/ч.

Потребный напор

H_нас= z₁- z₂+ h_НС+ h_c+ H_тр= 27,6 - 21,90 + 2,00 + 2,0 + 45 = 54,7 м.

К установке принимаются 2 рабочих и 1 резервный насос марки Д 320-70 (n = 2950 об/мин).

Определение диаметров трубопроводов

Подающий трубопровод (ЗВ4) выполняется из стальных труб.

Q = 1100 м³/ч = 305,6 л/с; d = 500 мм; V = 1,46 м/с; 1000 i = 5,4.

Отводящий трубопровод (ЗВ5) выполняется самотечным из железобетонных труб.

Q = 1100 м³/ч = 305,6 л/с; d = 600 мм; V = 1,44 м/с; i = 0,004; h/d = 0,70.

Подающий и отводящий трубопроводы (4В4 и 4В5) напорные, выполняются из стальных труб.

Q = 400 м³/ч = 111 л/с; d = 300 мм; V = 1,46 м/с; 1000 i = 10,3.

Система водоснабжения пятого водопотребителя

Система водоснабжения водопотребителя П5должна обеспечить получение умягченной воды и подачу ее потребителю равномерно в течение суток. Получение умягченной воды жесткостью не более 0,1 г-экв/м³при жесткости исходной воды не более 3,7 г-экв/м³может быть достигнуто одноступенчатым Na-катионированием. Для обеспечения равномерной в течение суток работы Na-катионитовой установки предусматривается накопление умягченной воды в резервуаре, откуда она подается водопотребителю насосами.

136

В качестве исходной воды для установки умягчения принимается осветленная речная вода, которая накапливается в резервуаре и насосами подается на установку умягчения. Объем резервуаров принимается равным часовой производительности установки. Технологическая схема установки умягчения (рис. 8.7), кроме Na-катионитовых фильтров, включает в свой состав реагентное хозяйство для регенерации фильтров.

Рис. 8.7. Технологическая схема установки умягчения воды

В соответствии с технологической схемой речная осветленная вода насосной станцией НС5.1подается на Na-катионитовые фильтрыФ_y, где происходит обмен катионов Са²⁺и Mg²⁺нa катионы Na⁺. Катионы Са²⁺и Mg²⁺остаются в катионите, а катионы Na⁺переходят в воду, и она становится мягкой. Каждый катионит обладает определенной обменной способностью, по исчерпании которой требуется ее восстановить. Для восстановления обменной способности Na-катионитовые фильтры периодически останавливаются на регенерацию. Регенерация осуществляется в три этапа. На первом эта

137

этапе производится взрыхление катионита пропуском воды через катионит восходящим потоком. Затем осуществляется собственно регенерация, заключающаяся в пропуске через катионит в направлении сверху вниз рабочего регенерационного раствора (раствора поваренной соли Nad). На третьем этапе пропуском исходной воды в направлении сверху вниз осуществляется отмывка катионита от продуктов регенерации. После этого фильтр опять пускается в работу по умягчению. Для осуществления регенерации в реагентном хозяйстве предусматривается склад концентрированного раствора поваренной соли1(см. рис. 8.7), осветлительный фильтр3для очистки раствора соли, баки рабочего регенерационного раствора4и воды для взрыхления5, а также соответствующие насосы2.

Расчет Na-катионитовой установки осуществляется в соответствии с рекомендациями прил. 7 [12].

В качестве катионита используется сульфоуголь.

Объем катионита, м³, определяется из выражения

W_кат=24q_умЖ_исх/n_pE^Na_раб,

где q_ум- часовая производительность установки; q_ум=50 м³/ч; Ж_исх-жесткость исходной воды; Ж_исх= 3,2 г-экв/м³; n_р- число регенераций в сутки; n_p= 2; Е^Na_раб- рабочая обменная способность катионита, г-экв/м³.

E^Na_раб= α_Naβ_NaE_полн- 0,5q_удЖ_исх,

где α_Na- коэффициент эффективности регенерации катионита; при удельном расходе соли 200 г/г-экв α_Na= 0,81; β_Na- коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости за счет частичного задержания катионов натрия; β_Na= 0,83 при Na / 23 Ж_исх= 0,1; Е_полн- полная обменная емкость катионита; для сульфоугля Е_полн= 500 г-экв/м³; q_уд- удельный расход воды на отмывку катионита; для сульфоугля q_уд=4 м³/м³.

E^Na_раб= 0,81 · 0,83 · 500 - 0,5 · 4 · 3,7 = 328,75 г-экв/м³.

Тогда объем катиона

138

W_к= 24 · 50 · 3,2 / 2 · 328,75 = 5,84 м³.

При высоте слоя загрузки Н_к= 2 м площадь катионитовых фильтров будет составлять

F_к= W_к/Н_к= 5,84 / 2 = 2,92 м².

Количество рабочих фильтров в установке должно быть на менее двух, резервный - один.

Принимаем количество рабочих фильтров N = 2. Тогда площадь одного фильтра

f_к=F_к/N = 2,92/2= 1,46м².

Диаметры и площади серийных катионитовых фильтров соответствуют размерам осветлительных фильтров, приведенных в гл. 6 настоящего учебного пособия.

К установке принимаются 2 рабочих и 1 резервный фильтр D= 1,4 м и f_к= 1,54м².

Проверяется скорость фильтрования для принятых размеров фильтров, которая при жесткости воды до 5 г-экв/м³должна быть не более 25 м/ч:

V = q_ум/ 2f_к= 50/2 · 1,54 = 16,2 м/ч < 25 м/ч.

Скорость фильтрования не превышает допускаемой величины, поэтому принятое количество рабочих фильтров и их размер сохраняются.

Ввиду большого объема проекта проектирование реагентного хозяйства не производится. В графической части проекта в блоке сооружений предусматривается место для реагентного хозяйства размером 6x1.2 м.

Резервуары Р5.1иР5.2принимаются типовыми, объемом 50 м³с размерами в плане 3x6 м и глубиной 3,6 м.

Насосная станция НС5.1подает воду из резервуараР5.1на фильтры умягчения и далее в резервуарР5.2.Производительность станции составляет 50 м³/ч.

Потребный напор насосов определяется с учетом потерь напора в фильтрах умягчения, равных h_Фу= 6,0 м, из выражения

139

H_нас= z₁- z₂+ h_НС+ h_c+ h_Фу+ H_тр= 25,5 - 21,90 + 2,00 + 1,0 + 6,00 + 1,0 = 13,6 м.

К установке принимаются 1 рабочий и 1 резервный насос марки К 80-65-160 (n = 2900 об/мин).

Насосная станция НС5.2подает умягченную воду из резервуараР5.2водопотребителюП5. Производительность станции составляет 50 м³/ч.

Потребный напор насосов определяется из выражения

Н_нас= z₁- z₂+ h_HC+ h_с+ H_тр= 27,5 - 21,90 + 2,00 + 2,0 + 25 = 34,6 м.

К установке принимаются 1 рабочий и 1 резервный насос марки К 80-65-160 (n = 2900 об/мин).

Подающие трубопроводы В8иВ6выполняются из стальных труб.

Q = 50 м³/ч = 13,9 л/с; d = 125 мм; V = 1,01 м/с; 1000 i = 5,4.

Система подпиточной воды

Подпитка оборотных систем водоснабжения осуществляется из водоисточника. В системы первого и второго водопотребителей вода подается из источника без осветления. В систему третьего и четвертого водопотребителей подается речная осветленная вода. Кроме того, речная осветленная вода подается на установку умягчения.

Осветление речной воды осуществляется одноступенчатым фильтрованием. В соответствии с балансовой схемой полезная производительность водопроводных очистных сооружений (ВОС) составляет 1820 м³/сут.

При равномерной работе ВОСв течение суток расчетная производительность

Q = 1820/24 = 76 м³/ч.

140

Для осветления воды применяются сверхскоростные многокамерные фильтры (ССФК) системы Г.Н. Никифорова (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Схема системы подпиточной воды

В соответствии с расчетной производительностью к установке принимаются 1 рабочий и 1 резервный фильтр D = 3,0 м с общей площадью фильтрования F = 6,4 м², площадью каждой из восьми камер f = 0,8 м².

Скорость фильтрования в период отсутствия промывки одной из камер

V = Q/F = 76/6,4 = 12м/ч.

Скорость фильтрования в период промывки одной из камер

V = (Q + Q_пр)/f (8- 1) = (76 + 15 · 0,8 · 3,6)/0,8 · 7 = 21,3м/ч<30м/ч.

Объем воды на промывку одной камеры

141

W_пр= i f·3,6 t_пр= 15 · 0,8 · 3,6 · 0.1 = 4,32 м³.

Суточный расход воды, необходимой на промывку фильтров,

W_пр.сут= W_прN_кn_пр= 4,32 · 8 · 2 = 70 м³/сут.

Эта вода направляется в резервуар P1.1для повторного использования, что следует учесть при корректировке балансовой схемы.

Определение диаметров трубопроводов

Трубопровод, подающий воду от водозабора на ССФК, выполняется из стальных труб.

Q = 119,2 м³/ч = 33,1 л/с; d = 200 мм; V = 0,96 м/с; 1000 i = 7,83.

Трубопровод, подающий воду от водозабора к резервуарам P1. 1иР2.1, выполняется также из стальных труб.

Q = 3770/24 = 157 м³/ч = 43,6 л/с; d = 200 мм; V = 1,27 м/с; 10001=13,4.

После расчета всех сооружений, уточнения технологических схем, расходов и состава сооружений осуществляется корректировка балансовой схемы водоснабжения промпредприятия (см. рис. 8.2). Окончательный вариант схемы системы водоснабжения промпредприятия приведен на рис. 8.9.

Окончательный вариант схемы системы водоснабжения промпредприятия (см. рис. 8.9) выносится на листы графической части проекта.

142

8.3. Разработка графической части проекта

Разработка графической части проекта осуществляется после выполнения всех расчетов, определения размеров и количества сооружений, подбора оборудования.

Сначала на месте, выделенном на генеральном плане промпредприятия, разрабатывается в масштабе 1:200 комплекс сооружений водоснабжения, включающий в свой состав резервуары, насосные станции, все сооружения и оборудование очистных сооружений, охладители и трубопроводы, соединяющие сооружения в технологические схемы.

142

Рис. 8.9. Схема системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов, м³/сут (окончательный вариант)

143

Перед началом этой работы осуществляется выборка всех рассчитанных сооружений и оборудования по каждой системе водоснабжения с графическим изображением элементов систем в плане. Это дает наглядное представление о размерах и количестве сооружений, которые должны быть размещены на площадке комплекса, и позволяет не упустить из вида в дальнейшем ни одно из них.

Основным зданием в комплексе сооружений водоснабжения является блок насосно-фильтровальных станций (далее - блок). В нем размещаются насосные станции, фильтры, реагентные хозяйства и блок вспомогательных помещений (ВВП), в котором располагаются лаборатории, бытовые помещения, службы энергетики, автоматики и др. Компоновочная схема блока зависит от наличия фильтровальных сооружений и их количества. При наличии мощных фильтровальных сооружений, как в рассматриваемом примере, по боковым сторонам здания размещаются заглубленные насосные станции, а между ними на нулевой отметке располагаются фильтровальные сооружения (рис. 8.10).

В одном торце здания на нулевой отметке устраиваются монтажные площадки насосных станций шириной 3000 мм и монтажная площадка фильтров. В другом торце здания размещается ВВП.

При отсутствии мощных фильтровальных сооружений основной частью блока будут два ряда заглубленных насосных станций с выходом всасывающих линий насосов по обеим боковым сторонам здания (рис. 8.11). В торце здания устраиваются небольшие фильтровальные установки и ВВП.

Приведенные примерные компоновочные схемы блока (см. рис. 8.10 и 8.11) не исключают других вариантов размещения оборудования и конструктивных решений.

Длину технологической части блока L_тобычно определяют размеры насосных станций. Исходя из этого ориентировочная длина этой части здания может быть рассчитана из выражения

L_т= ΣL_HC/2,

где ΣL_HC- сумма длин насосных станций, размещаемых в блоке.

Пролет насосных станций принимается с размерами 6,9,12 м. Пролет помещений фильтровальных станций при двухрядном расположении фильтров должен быть кратным 6 м и не менее 5D, где D - максимальный диаметр фильтров, размещаемых в блоке.

144

Рис. 8.10. Компоновочная схема блока насосно-фильтровальной станции

Если длина помещений насосных станций получается значительно больше, чем требуется для размещения фильтровальных сооружении, то уменьшить ее можно увеличением пролета и двухрядным шахматным расположением насосов.

145

Задачей разработки комплекса сооружений водоснабжения является рациональное размещение оборудования и сооружений на площадке, обеспечивающее простые функциональные связи между элементами систем водоснабжения и компактность. Для этого следует использовать приведенные далее общие подходы к решению этой задачи и обеспечить нормативные требования [12].

Рис. 8.11. Компоновочная схема блока насосных станций

146

При размещении сооружений на площадке и в блоке следует учитывать расположение водопотребителей на генеральном плане промпредприятия (см. рис. 8.1). Должны быть обеспечены кратчайшие пути движения воды от водопотребителей на площадку, по всем сооружениям технологической схемы и опять к водопотребителям. При этом следует помнить, что трубопроводы должны прокладываться вдоль проездов. Нужно обратить внимание на то, что именно проезды позволяют организовать не только целесообразную прокладку трубопроводов, но и грамотное размещение сооружений. В силу этого после определения размеров блока (основного сооружения на площадке) и размещения его на плане целесообразно подвести к нему дороги от проездов на генплане промплощадки. Ширину дорог можно принимать от 3,5 до 7,0 м.

Резервуары следует располагать на расстоянии не менее 6 м от стены блока в непосредственной близости от насосных станций, которые забирают воду из этих резервуаров. Это обеспечивает короткие всасывающие линии и надежную работу насосов. Расстояние между резервуарами должно быть не менее 2 м.

Градирни должны располагаться на расстоянии не менее 20 м от стены блока. Расстояние между торцами секционных вентиляторных градирен следует принимать не менее 3 м. Резервуары охлажденной воды должны размещаться вблизи градирен, на расстоянии от них не менее 6 м. Желательно градирни, резервуары охлажденной воды при них и насосные станции, забирающие охлажденную воду из этих резервуаров, располагать с одной стороны блока.

Напорные трубопроводы насосных станций целесообразно прокладывать внутри технологических помещений блока и выводить в наружные сети в местах, обеспечивающих минимум подземных коммуникаций на площадке.

После размещения всех сооружений и трубопроводов на площадке комплекса должны быть проставлены размеры сооружений и расстояния между ними, а также обозначения и диаметры трубопроводов. Следует установить условную границу комплекса, охватывающую все сооружения, размещенные на площадке, определить ее размеры и расстояния от границы до выхода с площадки дорог и трубопроводов. Комплекс сооружений водоснабжения для рассмотренного примера приведен на вклейке.

После этого разрабатывается генеральный план промпредприятия (в масштабе 1:2000) с сетями водоснабжения и водоотведения.

147

Рис. 8.12. Генеральный план промышленного предприятия (М 1:2000)

148

Для этого на генеральный план (рис. 8.12) переносится контур комплекса сооружений водоснабжения в масштабе 1:2000, соединяются проезды комплекса с проездами промплощадки и прокладываются трубопроводы к водопотребителям.

При оформлении графической части курсового проекта целесообразно размещение на одном листе формата А1 комплекса сооружений водоснабжения в масштабе 1:200, генерального плана промплощадки с сетями водоснабжения и водоотведения в масштабе 1:2000 и окончательного варианта схемы системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов. Если эти графические материалы не размещаются на одном листе формата А1, то генеральный план и схема приводятся на дополнительном листе формата А2.

149

Заключение

В учебном пособии рассмотрены только основные, наиболее общие вопросы устройства и разработки систем производственного водоснабжения с направленностью на создание оборотных и замкнутых систем водопользования. Решение реальных задач создания оборотных и, особенно, замкнутых систем водоснабжения требует дополнительного глубокого изучения опыта таких работ в отдельных отраслях промышленности [2, 4, 8, 11, 13, 14, 15 и др.], а также результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, позволяющих обеспечить рациональное использование воды во всех технологических процессах, максимальную утилизацию компонентов сточных вод и исключение загрязнений окружающей природной среды.

Создание замкнутых систем водного хозяйства на промышленных предприятиях является сложным процессом. Сроки создания таких систем зависят от темпов разработки и внедрения совершенных технологических процессов с рациональным использованием воды в производстве. На некоторых предприятиях замкнутые системы водопользования могут создаваться уже в настоящее время, а на большинстве других еще требуются дополнительные исследования по очистке отработанной воды, утилизации извлеченных примесей и подготовке производства к созданию замкнутых систем водопользования.

149

В силу этого можно с уверенностью отметить, что молодых специалистов в области водоснабжения и водоотведения впереди ожидает большая творческая и очень нужная работа по созданию замкнутых систем водного хозяйства на промышленных предприятиях.

150

Технические характеристики типовых секционных вентиляторных градирен

Размеры одной секции в плане, м	Площадь одной секции, м2	Количество секций	Тип оросителя
4x4	16	2-6	Капельный
4x4	16	2-6	Пленочный
6x4	24	2-5	Капельный
6x4	24	2-5	Пленочный
8x8	64	2-5	Брызгальный
8x8	64	2-5	Капельный
8x8	64	2-5	Пленочный
12x12	144	2,3	Капельный
12x12	144	2,3	Пленочный
12x16	192	2,3	Капельный
12x16	192	2,3	Пленочный

Приложение 2

Размеры типовых прямоугольных железобетонных резервуаров

Объем, м	Размеры в плане, м	Глубина воды, м
50	3x6	3,6
100	6x6	3,6
250	6x12	3,6
500	12x12	3.6
1000	18x12	4,8

151

Приложение 3

Сводный график полей Q - Н консольных насосов

152

Приложение 4

Сводный график полей Q - Н насосов типа Д

153

Рекомендуемая литература

1. Абрамов Н. Н.Водоснабжение: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1982.

2. Андоньев С.М. и др.Особенности промышленного водоснабжения. - Киев.: Будивельник, 1967.

3. Алферова Л.А., Нечаев А.П.Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. - М.: Стройиздат, 1984.

4. Беличенко Ю.П.Замкнутые системы водообеспечения химических производств. - М.: Химия, 1990.

5. Гладков В. А. и др.Вентиляторные градирни. - М.: Стройиздат, 1976.

6. Кузьмин Ю.М.Сетчатые установки систем водоснабжения: Справочное пособие. - Л.: Стройиздат, 1976.

7. Кульский Л. А. и др.Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: В 2 ч. - Киев.: Наукова думка, 1980.

8. Левин Г.М. и др.Защита водоемов от загрязнения сточными водами предприятий черной металлургии. - М.: Металлургия, 1978.

9. Москвитин А. С. и др.Оборудование водопроводно-канализационных сооружений: Справочник монтажника. - М.: Стройиздат, 1979.

10. Николадзе Г.И.Технология очистки природных вод. - М.: Высшая школа, 1987.

11. Паписов В.К., Баранова В.В., Соколова О.А.Эффективность использования водных ресурсов на машиностроительных заводах. - М.: Машиностроение, 1977.

12. СНиП 2.04.02-84.Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М.: Изд-во стандартов, 1985.

13. Шабалин А.Ф.Оборотное водоснабжение промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 1972.

14. Шабалин А.Ф.Эксплуатация промышленных водопроводов. - М.: Металлургия, 1972.

15. Шицкова А. П. и др.Охрана окружающей среды от загрязнения предприятиями черной металлургии. - М.: Металлургия, 1982.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная работа предназначена для студентов, обучающихся по специальностям 290800 "Водоснабжение и водоотведение" и является изложением курса, читаемого по дисциплине "Водоснабжение промышленных предприятий". В данной работе, учитывающей требования примерной программы дисциплины "Водоснабжение промышленных предприятий", утвержденной УМО вузов Российской Федерации по строительному образованию и соответствующей требованиям Государственного стандарта для специальности 290800 "Водоснабжение и водоотведение", представлен необходимый объем сведений с отражением специфики водоснабжения промышленных предприятий и относительно кратким изложением в необходимых случаях уже известного студентам материала, имеющего общий характер для коммунальных и промышленных систем, изучаемых по другим разделам курса "Водоснабжение".

При этом предполагается знание студентами сведений, полученных при изучении общего курса водоснабжения, а также полученных ранее навыков по расчету основных сооружений водоснабжения (разветвленных трубопроводов, кольцевых сетей, сооружений для очистки питьевой воды и т.п.), в данной работе не приводятся подробные сведения, например, по расчету и проектированию дренчерных и спринклерных установок, насосных станций, регулирующих резервуаров, водозаборных сооружений и др. В связи с этим подробно не рассматриваются также принципы действия и конструкции различных отстойников, отсветлителей и их расчет, вопросы реагентного хозяйства, применяемые схемы и методы обработки осадков, вопросы техники безопасности, реконструкции и эксплуатации сооружений, принципы и компановочные решения очистных станций, которые являются общими и изучались по специальным курсам. Практические рекомендации по расчету и компановке станции умягчения воды методом ионного обмена даны в методических указаниях¹и применяются при выполнении студентами курсового проекта станции умягчения воды для производственных целей.

При необходимости углубления сведений по отдельным специфическим вопросам, кратко изложенным в данном учебном пособии, рекомендуется воспользоваться прилагаемым списком специальной литературы.

Автор выражает благодарность заочному факультету за спонсорскую поддержку издания настоящей работы.

3

¹Умягчение воды методом ионного обмена. Методические указания. / Иванов В.Г., Зырянов В.П., Постнова Е.В. - Л.; ПГУПС, 1995.- 30 с.

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное водоснабжение предназначено для надежного обеспечения водой надлежащего качества производственных процессов на предприятиях различных отраслей промышленности и является составной частью всей системы водного хозяйства промышленного предприятия, включающей также его водоотводящие системы. Без воды невозможно развитие современной промышленности и энергетики, выживание и дальнейший прогресс всего человечества. Как свидетельствуют статистические данные, абсолютное потребление воды в различных отраслях промышленности, несмотря на принимаемые меры экономии водных ресурсов постоянно растет. Так почти во всех регионах США и многих развитых странах Запада ощущается нехватка пресной воды в основном в связи с неравномерным распределением водных ресурсов и развитием промышленности, что дает основания специалистам говорить о водном кризисе в США и ряде других стран. В связи с этим растет потребление соленой воды в промышленности и энергетике, что создает дополнительные проблемы в организации систем промышленного водоснабжения. За последние 30 лет использование соленой воды в США возросло в 2 раза. Почти в 3 раза превышают промышленное водопотребление расходы на ирригацию. Истощаются запасы подземных вод. Использование значительной части их на хозяйственно-питьевые и промышленные нужды привело к понижению уровня грунтовых вод в ряде районов земного шара до нескольких сот метров, что уже повлекло за собой серьезные экологические последствия - обмеление рек, изменение ландшафта, живого и растительного мира, оседание почв и т.п.

Некоторое снижение общего промышленного водопотребления в России и странах СНГ в последнее десятилетие, связанное с уменьшением объема производства и разорением ряда предприятий, следует рассматривать как кратковременное. Так за последние годы в Москве расходы воды на промышленные нужды сократились с 40% до 10%. В результате реализации ряда мероприятий по экономии воды в последнее время также наметилась тенденция снижения расходов воды на хозяйственно-питьевые нужды населения. Однако динамика перспективного изменения структуры водопотребления для различных промышленных районов отличается значительно.

Так по прогнозам ГУП "Водоканал - Санкт-Петербурга" промышленное водопользование до 2010 г. в Санкт-Петербурге и пригородах останется в абсолютном исчислении на прежнем уровне. Составляя в настоящее время около 40% всего количества подаваемой воды, оно незначительно увеличится в процентном отношении за счет прогнозируемого снижения расходов воды на хозяйственно-питьевые нужды населения.

4

В ряде городов страны расход воды на технологические нужды промышленности значителен и составляет 30 - 40% общего количества воды, подаваемой в городскую сеть. В различных регионах России в зависимости от степени концентрации промышленности, особенностей промышленного производства и численности населения, доля промышленного водопотребления чрезвычайно велика. Так для Нижегородской области, где проживает 3,7 млн. чел, ежегодно используется 1,5 млрд. м³воды, в том числе 91% из поверхностных и 9% из подземных источников. Причем только 20% воды подается на хозяйственно-питьевые и сельскохозяйственные нужды, а остальные 80% (в том числе около 10% питьевого качества) подается на производственные нужды.

В целом структура потребления воды в развитых странах характеризуется следующими показателями:

• коммунальное водоснабжение 10-12%;

• промышленное водоснабжение 36-41%;

• орошение и сельскохозяйственное водопотребление 49 - 54%.

По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 км³свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения. Это равняется примерно 20% потребности промышленных предприятий в воде. Недостающее количество ее обеспечивается последовательно используемой, оборотной или циркуляционной водой за счет повторного использования после охлаждения или очистки.

Чистую пресную воду, потребляемую в огромных количествах промышленностью, тепловой и атомной энергетикой, орошаемым земледелием, животноводством, коммунальным хозяйством, нельзя заменить никаким другим природным ресурсом. Требования к питьевой воде не отличаются большим разнообразием и находятся в достаточно узком диапазоне.

Питьевая вода помимо обязательного соответствия государственным стандартам, должна обладать физиологической полноценностью, которая зависит от концентрации в воде калия, кальция, магния, фтора, натрия и т.д. Так оптимальный состав бутилированной питьевой воды отвечает содержанию в ней калия 4,8-6,5 мг/л, натрия - 8-10,5 мг/л, магния - 21-27 мг/л, кальция - 64-81 мг/л, фтора - 0,3-0,7 мг/л, хлорида 1,5-3 мг/л, гидрокарбоната - 360-380 мг/л, сульфата - 8-12,2 мг/л.

Требования к качеству воды, используемой в промышленности, определяются технологией производственных процессов и чрезвычайно разнообразны, что предопределяет многообразие возможных вариантов решения систем водного хозяйства промышленных предприятий. По содержанию различных химических элементов и соединений,

5

растворенных и нерастворенных примесей, газов и солей, пригодная для промышленного водоснабжения вода может значительно отличаться от качества питьевой воды. Технология ее подготовки в большинстве случаев также существенно отличается от применяемой в коммунальном водоснабжении. Это касается в первую очередь глубокого умягчения и обессоливания воды, удаления биогенных элементов, стабилизации и дегазации воды, обезжелезивания, обескремнивания и т.п.

Основой проектирования, строительства и эксплуатации современного промышленного водоснабжения является научно обоснованное рациональное и комплексное использование водных ресурсов, разработка современных систем и технологических схем промышленного водоснабжения, обеспечивающих охрану водных источников от истощения и загрязнения, гарантирующих минимальный экологический ущерб окружающей природной среде. Эти основы закреплены в конституции РФ, решениях правительства, основах водного законодательства, а также нормах строительного проектирования. В связи с этим быстрыми темпами растет применение оборотных, последовательных и замкнутых систем водоснабжения промышленных предприятий с многократным использованием после соответствующей обработки технологических и бытовых сточных вод, причем последние рассматриваются как основной резерв для водоснабжения промышленных предприятий.

Проектирование, строительство и эксплуатация систем промышленного водоснабжения должно осуществляться в соответствии с основными нормативными актами в области охраны окружающей среды и здоровья населения, к которым, прежде всего, относятся: Закон РСФСР "Об охране окружающей природной среды", "Закон о санитарно-эпидемиологическом благополучии населения", Федеральный закон РФ "Об экологической экспертизе", "Водный кодекс РФ" и другие нормативные акты, устанавливающие правовые основы комплексного и рационального использования и охраны водных объектов и призванные способствовать обеспечению экологической безопасности хозяйственной и иной деятельности, оказывающей отрицательное воздействие на состояние окружающей природной среды. Затраты на охрану природы постоянно растут. Причем основную массу этих затрат для промышленных предприятий составляют расходы на функционирование и развитие в соответствии с современными экологическими требованиями систем водного хозяйства промышленных предприятий. Так, например, на предприятии "Тюменьтрансгаз" эти расходы ежегодно составляют около 80% общих затрат (водные ресурсы, атмосфера, размещение и утилизация отходов, рекультивация земель и др.) на охрану природы.

Системы и сооружения промышленного водоснабжения требуют для своего устройства больших материальных затрат в некоторых случаях

6

достигающих 15 - 20% общей стоимости объекта. Поэтому проблема экономии в сооружениях водного хозяйства предприятий имеет общегосударственное значение. Проектировщики" работающие в этой области должны обеспечивать:

1. наибольшую эффективность капитальных вложений в строительстве систем и сооружений;

2. рациональное использование водных ресурсов и защиту источников воды от загрязнения и истощения.

Из вышеизложенного вытекают основные задачи в области промышленного водоснабжения, связанные с рациональным использованием водных ресурсов, повышением эффективности функционирования систем водного хозяйства промышленных предприятий и их экологической безопасности:

• внедрение безводных и маловодных технологических схем;

• осуществление замены водяного охлаждения воздушными и испарительными;

• широкое применение оборотных и замкнутых систем водоснабжения с соответствующей очисткой или охлаждением воды;

• повторное использование очищенных промышленных и городских сточных вод;

• нормирование отпуска воды промышленности и регулирование промышленного водопотребления;

• повышение качества проектирования, строительства и эффективности эксплуатации систем водоснабжения, внедрение прогрессивных технологических схем и оборудования, автоматизации и диспетчеризации, снижение стоимости строительства водного хозяйства промышленных предприятий;

• повышение надежности и долговечности систем за счет использования современных конструкций и более стойких материалов, труб с защитным покрытием, в том числе неметаллических труб, других способов защиты трубопроводов и сооружений от коррозии;

• реконструкция существующих систем водоснабжения с целью повышения эффективности и экологической безопасности их работы, экономии энергетических и природных ресурсов.

Большой вклад в развитие систем промышленного водоснабжения, создание и исследование современного водопроводного оборудования, в том числе охладителей оборотной воды, совершенствование технологии водоподготовки, разработку средств борьбы с отложениями, коррозией металлов и биообрастаниями систем, строительства замкнутых оборотных систем промышленных комплексов и районов, разработку соответствующей нормативной базы для расчета и проектирования, а

7

также практическую реализацию современных достижений в этой области, внесли ученые и специалисты ведущих научно-исследовательских, проектных и проектно-конструкторских организаций: ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО, ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, отраслевые научно-исследовательские институты (ВНИИ Нефть, ВНИИБ, ЦНИИ МПС и др.),Союзводоканалпроект, Атомзнергопроект, Теплоэлектропроект, Гипрокаучук, Тепломаш и другие проектные организации. В разработке проектов водоснабжения предприятий железнодорожного транспорта ведущая роль принадлежит проектным институтам Мосгипротранс, Ленгипротранс, Сибгипротранс и др., а также отраслевым научно-исследовательским лабораториям.

Впервые в мировой практике отечественными специалистами были решены сложнейшие вопросы водоснабжения больших промышленных комплексов в Южных засушливых районах и за Полярным Кругом, в Якутии, на Ямале и других районах со сложными природно-климатическими условиями. Построены крупнейшие продольные водопроводы для водоснабжения транспорта, промышленности и населения в безводной местности, крупные станции опреснения морской воды, разработана технология и оборудование для использования морской воды в технических целях.

8

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

1.1. Классификация водопроводов по их назначению и зоне обслуживания

Основное назначение водопровода определяет его специфические особенности и требования, предъявляемые при проектировании, строительстве и эксплуатации.

По назначению (по объектам водопотребления) водопроводы бывают: коммунальные, производственные, железнодорожные, сельскохозяйственные, для водоснабжения объектов строительства, специальные.

1.Коммунальные водопроводы. Это городские и поселковые водопроводы. Они обеспечивают водой хозяйственно-питьевые, коммунальные и бытовые объекты, а также противопожарные нужды и в ряде случаев промышленные предприятия, находящиеся в черте города. В зоне действия коммунального водопровода могут также находиться промышленные предприятия, которые не используют совсем или используют частично, городскую воду, и имеют свои водопроводы, т.к. городская вода дорогая и при больших производственных расходах становится невыгодно использовать ее для производственных целей. Особенность коммунальных водопроводов - вода используется, как правило, один раз и после этого отводится в канализацию.

2.Производственные водопроводы. Это водопроводы, обслуживающие потребности промышленных предприятий (охлаждение промышленных агрегатов, получение продукции, промывка сырья, гидротранспорт и другие цели). В отдельных отраслях промышленности около 90-95 % всей производственной воды идет на нужды охлаждения. Охлаждение обеспечивает сохранение прочности агрегатов, нормальные условия работы механизмов, увеличивая срок их службы, обеспечивает требуемый температурный режим работы производственных установок к т.д. Современное промышленное водоснабжение - это самостоятельная отрасль. К качеству воды предъявляются особые требования, особенно к температуре, содержанию солей, растворенных газов, биогенных элементов и т.п. Основная масса воды промышленного водопровода обычно идет на производственные нужды и лишь незначительная часть -на хозяйственно-питьевые и противопожарные нужды. Характерной особенностью производственного водоснабжения является многократное использование воды (при организации оборотного и последовательного водоснабжения). В последние годы оборотное водоснабжение в промышленности составило в среднем 78 %, а на ряде металлургических комбинатов и тепловых электростанциях 90-95 %. Больших значений этот

9

показатель достигает в нефтеперерабатывающей отрасли, на предприятиях черной и цветной металлургии, а также нефтехимии. Основные перспективы дальнейшего совершенствования промышленных водопроводов связывают с развитием систем оборотного водоснабжения и повторного использования воды с доведением его в ближайшие годы до 90-99 % , что позволит резко сократить потребление свежей воды и сохранить чистоту водоемов, т.к. при оборотных системах резко уменьшается сброс отработанной воды.

К характерным особенностям промышленных водопроводов, по сравнению с коммунальными, следует отнести:

• большой объем водопотребления;

• сложность системы водоснабжения;

• высокий уровень диспетчеризации и автоматизации;

• повышенные требования к надежности и бесперебойности водоснабжения;

• необходимость регулирования напоров и расходов;

• возможность применения оборотного и последовательного использования воды;

• особые требования к качеству воды.

3. Железнодорожные водопроводы - это частный случай водопроводов промышленного водоснабжения. Характерная особенность их - вода может забираться в одном месте, а расходоваться в другом (поездное водоснабжение). Предъявляются особые требования к качеству воды для охлаждения (например, дизелей, паровых котлов и т.п.). По мере вытеснения паровой тяги - электрической и дизельной тягой, железнодорожные водопроводы теряют постепенно свою специфику. Поездное водоснабжение практически устранено. Но сохраняются такие производственные потребители, как депо, заправка вагонов, мастерские, котельные, компрессорные льдопункты и т.п. Значительная, все возрастающая в последние годы часть воды железнодорожных водопроводов, используется на коммунальные нужды населения. Особым видом железнодорожных водопроводов являются продольные водопроводы, прокладываемые вдоль железнодорожных линий для водоснабжения станций в безводной местности. Протяженность таких водопроводов составляет сотни километров. Они имеют свои специфические особенности.

4. Сельскохозяйственные водопроводы - это водопроводы, обслуживающие сельскохозяйственное производство и хозяйственно -питьевые нужды сельского населения. Они имеют свои особенности, связанные с большой территорией обслуживания и малой концентрацией потребителей, потреблением воды для водопоя скота, поливки, охлаждения сельскохозяйственной техники, обеспечения водой тепличных

10

хозяйств и крупных животноводческих комплексов, предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. Для хозяйственно-питьевых целей и водопоя скота, как правило, используются подземные воды. Расходы на эти нужды невелики. Они резко возрастают, когда вода используется на полив. Для сельскохозяйственных водопроводов характерна значительная сезонная неравномерность водопотребления.

5. Временные водопроводы для водоснабжения объектов строительства. Для осуществления строительства устраиваются временные водопроводы. Характерной особенностью их является то, что они носят временный характер и обеспечивают водой строительную технику, строительные процессы (приготовление растворов, бетонов и т.п.). Часто вода берется от существующего городского водопровода. На крупных стройках от городского водопровода вода забирается только на хозяйственно-питьевые и противопожарные нужды, а производственные нужды обеспечиваются собственными водопроводами. Для объектов строительства, удаленных от городов и населенных мест, устраивается полностью самостоятельный временный водопровод. При проектировании организации строительства, как правило, стремятся отдельные элементы или водопровод строящегося объекта в целом использовать для временного водоснабжения, а затем и в постоянной эксплуатации.

6. Специальные водопроводы - это водопроводы для водоснабжения бассейнов, фонтанов, стадионов и т.п. К специальным водопроводам относятся, например водопроводы газированной углекислой воды на предприятиях со значительными тепловыделениями, водопроводы для заправки систем охлаждения водой со специальными химическими присадками, трубопроводы транспортирования водных растворов регентов, специальные противопожарные водопроводы и т.п. Для них установлены специфические требования.

В зависимости от зоны охвата водопроводы могут быть:

• местными (для данного города, промышленного предприятия);

• групповыми или районными (для водоснабжения территориальных районов или нескольких населенных мест, промышленных предприятий или других объектов).

Групповые и районные системы водоснабжения обслуживают объекты различного назначения (населенные пункты, промышленные предприятия, сельскохозяйственные объекты и др.). Такое решение по сравнению с устройством отдельных систем для каждого объекта дает значительный экономический эффект, позволяет индустриализировать строительство, повысить уровень автоматизации и диспетчеризации, улучшить условия эксплуатации и оптимизировать работу всего комплекса водопроводных сооружений.

11

1.2. Основные категории водопотребления промышленных предприятий и их особенности

На промышленных предприятиях можно выделить три основные категории потребителей:

1. Производственные.

2. Хозяйственно-питьевые.

3. Противопожарные.

В общем случае требования к качеству воды у этих потребителей разные. Так для хозяйственно-питьевых потребителей вода должна соответствовать ГОСТу "Вода питьевая" и требованиям СанПИН, для противопожарного водоснабжения качество воды особого значения не имеет, а для производственных потребителей может изменяться в широких приделах в зависимости от технологических требований конкретного производства. Но в ряде случаев все три потребителя могут обеспечиваться водой из одной системы водоснабжения.

Чаще устраиваются отдельные системы производственного и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Противопожарные водопотребители могут обеспечиваться водой из производственного или хозяйственно-питьевого водопровода или из специального противопожарного водопровода. Если предприятие расположено на территории города, то возникает вопрос о возможности и целесообразности объединения его водоснабжения с городским. Решение зависит от требуемых расходов воды, напора, качества ее и ряда местных условий. Потребители технической воды в промышленности и ее назначение в производственных процессах весьма разнообразны. Даже на одном и том же предприятии вода может использоваться для разных целей. Назначение воды в производстве:

1. Теплоноситель - при охлаждении продукта через стенку или защиты агрегата от теплового разрушения, В этом случае вода нагревается и практически не загрязняется.

2. Среда, поглощающая и транспортирующая механические и растворенные примеси (мойка, обогащение, очистка сырья). В этом случае вода загрязняется механическими и растворенными примесями.

3. Комплексный агент (многоцелевого назначения), например, при очистке газов (и теплоноситель и среда и растворитель). Около 70 - 75 % всей воды в промышленности используется в качестве теплоносителя.

4. Растворитель реагентов (флотационное обогащение угля, руды и т.п.). В этом случае вода превращается в техническую воду или раствор.

12

Рис. 1.1. Схема потребления воды в промышленности для технических целей

В зависимости от выполняемой функции воду в системах производственного водоснабжения можно разделить на следующие четыре категории:

вода I категории используется в качестве теплоносителя (для охлаждения машин, аппаратов); вода нагревается и практически не загрязняется;

вода II категории используется на паросиловое нужды;

вода III категории служит в качестве среды, поглощающей различные нерастворимые (механические) и растворенные примеси; вода используется с нагревом (очистка газов в скрубберах) и без нагрева (гидротранспорт), загрязняется механическими и растворенными примесями;

13

вода IV категории служит в качестве экстрагента (для извлечения из полупродукта или товарного продукта нежелательных примесей) и растворителя реагентов.

Вода в промышленности и энергетике используется для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов химических и нефтехимических производств, для конденсации отработавшего пара после паровых двигателей, отвода тепла от маслоохладителей и оборудования в целях предохранения его от разрушения под влиянием высоких температур (цилиндры компрессоров, кладка производственных печей) и т.п.

В зависимости от вида производства требования, предъявляемые к температуре охлаждающей воды различны (табл. 1.1). Они диктуются условиями производственных процессов и определяются экономичностью и надежностью работы оборудования.

Водопотребление на охлаждение имеет масштабы, значительно превосходящие все остальные виды потребления воды. Причем удельный вес его продолжает расти. На большинстве предприятий от50 до 98 % общего количества воды идет на нужды охлаждения. Так по некоторым сведениям на охлаждение только для металлургических заводов расходуется воды столько же, сколько ее потребляется половинной всех коммунальных водопроводов. Потребление воды на отдельных предприятиях весьма значительно.

Предприятия теплоэнергетической отрасли потребляют две трети свежей воды, забираемой на промышленные нужды из источников водоснабжения, при наибольшем расходовании ее для охлаждения технологического оборудования (96%). Однако коэффициент водооборота в отрасли ниже среднего по промышленности и составляет примерно 60% из-за сохранившихся с предыдущих лет на многих энергетических предприятиях прямоточных систем водоснабжения.

Например, на ТЭС мощностью 1 млн. квт. Расходуется на охлаждение около 200000 м³/час воды.

Некоторые данные об использовании оборотной воды в промышленной энергетике приведены в табл. 1.1.

Большое количество воды идет на подсобные нужды (промывка изделий) в бумажной, целлюлозной, деревообрабатывающей, текстильной, кожевенной промышленности, на фабриках производства искусственных волокон и др. Таким образом, в общем случае водоснабжение конкретного промышленного предприятия - это комплекс, состоящий из отдельных систем, обеспечивающих те или иные категории потребителей.

Так для большинства машиностроительных и судостроительных предприятий до 80% общей потребляемой воды расходуется на нужды охлаждения, самым крупным из которых является охлаждающий цикл компрессорных станций. Для того, чтобы температура орошаемого воздуха, выходящего из компрессора, не превышала допустимого для

14

нормальной и безопасной работы предела 140-160°С, используется его охлаждение. Поэтому совершенствование охлаждающих систем компрессорных станций имеет решающее значение для сокращения общего водопотребления на подобных предприятиях.

Таблица 1.1

Данные об использовании оборотной воды в промышленности

15

В процессе охлаждения вода практически не загрязняется и может циркулировать в системе оборотного водоснабжения сколь угодно долго. С целью экономии воды могут применяться комбинированные системы охлаждения для межступенчатого и концевого охлаждения сжатого воздуха различными средами (воздух, вода, промежуточный теплоноситель). Сначала сжатый воздух охлаждают атмосферным воздухом в воздухонагревателях. В зимний период эксплуатации 60-70% отводимого этим воздухом тепла может быть использовано для отопления производственных зданий.

Завершение охлаждения сжатого воздуха осуществляется в водяном теплообменнике-охладителе. В зависимости от погодных условий расход, охлаждающей воды через теплообменный аппарат можно регулировать. При низкой температуре атмосферного воздуха доохлаждения в водяном холодильнике не потребуется. Таким образом, в определенные периоды эксплуатации необходимость в охлаждающей воде вообще отпадает.

Промышленная эксплуатация комбинированных воздушно-водяных систем охлаждения компрессорных установок показала, что расход охлаждающей воды может быть снижен в 10-15 раз.

Для оценки технического совершенствования производственного водоснабжения и эффективности использования воды в производстве применяются следующие показатели:

1.Процент использования воды в обороте

P_об=

Wобор

Wобор+ Wист+ Wc

 100%; P_об→ 100%,

где W_обор, W_ист, W_c- соответственно расход оборотной воды, забираемой из источника водоснабжения свежей воды, воды, поступающей с сырьем и реагентами.

Среднее значение Р_об≈ 60% (для отдельных предприятий от 75 до 95%).

2.Рациональность использования по коэффициенту использования

K_и=

Wист- Wсбр

Wист

  ≤ 1; K_и→ 1,

где W_c6p- расход сбрасываемой в водоем или городскую канализационную сеть.

Среднее значение K_и≈ 0,27, но есть предприятия, имеющие K_и=0,75 - 0,85.

3. Процент безвозвратного потребления и потерь водыв системе водоснабжения от общего ее расхода

P_пот=

Wист- Wсбр

Wист+ Wпосл+ Wоб

 100%; P_пот→ 0,

16

где W_посл- расход последовательного используемой воды. Среднее значение Р_пот≈ 2,5% (1,25 - 30%).

4. Коэффициент отведения воды

K_o=

Wсбр

Wист

 100% ≤ 100%; K_o→ 100%.

Даже для родственных по характеру технологических процессов предприятий показатели эффективности использования воды могут существенно отличаться, как видно из представленных данных по системам водопользования АО "Русский дизель" и ГП "Адмиралтейские верфи".

АО "Русский дизель"	ГП "Адмиралтейские верфи"
Механосборочный корпус:	Цеха основного производства:
Роб= 99,8%;	Роб= 32-96,7%;
Ки= 99,8%;	Ки= 10-97,4%;
Кo=95,7%.	Кo=56,6-99%.
Вспомогательные цеха:	Вспомогательные цеха:
Роб= 79,6%;	Роб= 0;
Ки= 93,6%;	Ки= 0;
Кo* =31, 6%.	Кo* =100%.
Крмпрессорная станция:	Компрессорная станция:
Роб=100%;	Роб= 6 1,2%;
Ки= 0;	Ки= 63%;
Кo= 0.	Кo= 94,8%.
Предприятие в целом:	Предприятие в целом:
Роб= 96,5%;	Роб= 48,5%;
Ки= 98,5%;	Ки= 50%;
Кo=46,6%.	Кo= 97,4%.

На основании этих данных в целом систему производственного водоснабжения АО "Русский дизель" можно рассматривать как оборотную с минимальным сбросом сточных вод в водоем.

17

3. РАСХОДЫ ВОДЫ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Промышленные предприятия являются крупными потребителями воды. Вода используется на производственные, хозяйственно-питьевые и противопожарные цели. Наиболее крупными производственными потребителями являются металлургические, нефтеперерабатывающие и химические заводы, теплосиловые станции, использующие воду для охлаждения, предприятия целлюлозно-бумажной и горнодобывающей промышленности, где значительное количество воды используется для промывки сырья и продукции. Эти расходы доходят до 80-90% общего водопотребления предприятия.

Вода используется для конденсации и получения пара, гидротранспорта, пылеулавливания и для многих других целей. В зависимости от назначения воды в производстве к качеству воды предъявляются различные требования. Так, вода, используемая в теплоэнергетике, должна иметь минимальное солесодержание и газосодержание, вода для текстильной промышленности не должна содержать железа и марганца, для предприятий производства синтетических волокон должна иметь малую окисляемость, для предприятий пищевой промышленности вода должна отвечать требованиям ГОСТ "Питьевая вода" и СанПиН. Аналогичные требования предъявляются к воде для хозяйственно-питьевых нужд. Для пожаротушения пригодна вода практически любого качества.

Во всех случаях используемая вода не должна вызывать коррозию металла, интенсивность которой определяется, как её качеством, так и условиями использования в разнообразных технологических процессах.

Огромные объемы потребления воды в промышленности требуют особого внимания к вопросам её экономии и рационального использования, ликвидации потерь воды с утечками и в охладителях оборотной воды, оптимизации всей системы водного хозяйства промышленных предприятий. Одним из важнейших факторов для снижения водопотребления до научно-обоснованного уровня является введение платы за водные ресурсы и лимитированный отпуск воды промышленным предприятиям.

Для оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий важно различать расходы оборотной воды, необходимые для производства продукции, и расходы свежей воды, забираемой из источника водоснабжения для восполнения потерь воды на производстве. Для повышения эффективности работы системы водного хозяйства промышленного предприятия и защиты окружающей природной среды необходимо стремиться к снижению расходов свежей воды и уменьшению объемов сбрасываемых в водоем сточных вод.

56

3.1. Определение расходов воды на производственные нужды

Расход воды на производственные нужды предприятий определяется по нормам водопотребления или по удельным расходам на единицу продукции.

Суточный расход воды:

Q_ср.сут= ∑P·q_уд,

где Р - количество выпускаемой продукции в сутки; q_уд- норма расхода воды на единицу продукции, м³.

Норма или удельный расход зависят от характера предприятия и уровня организации технологических процессов, технологической схемы, системы водоснабжения, качества воды, её температуры и т.п. и могут изменяться в широких пределах для одного и того же вида производства.

Например, при разном качестве воды нормы водопотребления могут различаться в 1,5-2 раза.

Так охлаждение мартеновских печей в Донбассе жесткой водой требует 250-500 м³/ч на печь, при температурном перепаде 10°, а для заводов Урала 150-300 м /ч и температурный перепад 20°, т.к. качество воды лучше. При испарительном охлаждении на одну печь требуется всего 4-7 м³/ч воды, но она должна быть химически очищенной.

Для охлаждения конденсаторов турбин на 1 кВт мощности идет 300 л воды при t=25°, а при t=15°-200 л.

Приводимые в литературе удельные нормы расхода воды на единицу продукции получены на основании эксплуатации аналогичных производств и являются ориентировочными при проектировании.

Для ориентировочных расчетов потребления воды на производственные нужды используются укрупненные нормы¹расхода воды, устанавливающие достаточно обоснованные рациональные значения их для предприятий различных отраслей промышленности. В укрупненную норму входят все расходы воды на предприятии. Изменения средней нормы водопотребления рекомендуется учитывать коэффициентами изменения среднегодовой нормы в летний и зимний сезоны К_лети К_зим

Нормы расхода воды на единицу выпускаемой продукции определяются:

• характером производства, составом сырья и получаемого продукта;

• ролью воды в процессе производства;

• системой водоснабжения;

• качеством применяемой воды;

57

• условиями использования воды (температура нагрева, степень загрязнения, возможность регенерации).

Указанные укрупненные нормы также можно применять для оценки рациональности использования воды на действующих предприятиях, сопоставляя фактические и нормативные расходы воды.

Для различных предприятий расходы воды на единицу продукции, м³/т, изменяются в широких пределах:

• • предприятия угольной промышленности - 3-5;

• " металлургические заводы с завершенным циклом производства для всего комплекса (доменные цеха, мартеновские и прокатные цеха, газоочистка и воздуходувные станции) на 1 т чугуна - 150-200;

• • предприятия цветной металлургии:

• производство глинозема из нефелинов - 30-40;

• - титаномагниевое производство - 1000-1200;

• - алюминиевые заводы-150-250;

• • химической промышленности:

• нефтеперерабатывающие заводы - 100-120;

• - заводы синтетического каучука - 600-1000;

• производство пластмасс - 200-250;

• • машиностроительные заводы - 15-20;

• • предприятия легкой промышленности: кожевенные заводы - 40-80;

• - льнокомбинаты - 50-85;

• - тонкосуконные фабрики - 300-400;

• - вискозные фабрики - 700-1200;

• • предприятия целлюлозно-бумажной промышленности - 50-800;

• • предприятия пищевой промышленности: хлебозаводы -1,5-2;

• - мясокомбинаты-10-15;

• - рыбозаводы -6-10; молочные заводы - 15-20.

Значительные расходы воды характерны для тепловых электростанций, вырабатывающих около 80% всей потребляемой электроэнергии в нашей стране.

Мощность, тыс. кВт	25	50	100	200	1200
Расход воды, м3/ч	5000	12000	20000	40000	200000

При таких больших расходах обычно применяется оборотное водоснабжение с добавкой 3-5% свежей воды.

Кроме указанных укрупненных норм расхода воды, для отдельных отраслей промышленности и транспорта имеются свои ведомственные

58

нормы по отдельным производственным циклам, операциям и типам применяемого оборудования, которые приводятся в соответствующей литературе. Так, например, на предприятиях железнодорожного транспорта введены "Нормы водопотребления и водоотведения в технологических процессах отрасли" ОН 016-01124328-2000, определяющие как удельные расходы, так и требования к качеству воды.

Режим водопотребления. Режим расходования воды на промышленных предприятиях отличается от режима работы коммунального водоснабжения и зависит от особенностей технологического процесса: может быть равномерным, неравномерным или эпизодическим. Причем во многих случаях неравномерность водопотребления вызвана сезонными изменениями водопотребления. Неравномерность водопотребления характеризуется коэффициентами суточной К_сути часовой К_чнеравномерности. На коэффициент суточной неравномерности влияет сезонность производства и качество воды.

Например, консервные заводы зимой имеют малые расходы, а в осенний период - наибольшие (К_лет=2; К_зим=0,2). При использовании большого количества воды на охлаждение расход воды летом будет больше, чем зимой, т.к. зимой температура охлаждающей воды ниже. Так для металлургических заводов К_лет=1,15; К_зим=0,9. Имеют место колебания расхода по режиму работы аппаратуры, заполнения различных емкостей и т.п. Обычно значение К_сут=1-2. Сезонные изменения водопотребления учитываются коэффициентами К_лети К_зим.

Коэффициенты часовой неравномерности являются результатом сменности производства и неравномерности выпуска продукции по сменам.

Расчет системы производится на максимальную смену при наибольшем суточном расходе. Для уменьшения расчетных расходов и неравномерности водопотребления применяются различные регулирующие емкости и резервуары, наполняемые в течение смены и опорожняемые в период проведения водоемких технологических операций. Обычно значения этих коэффициентов для систем производственного водоснабжения составляют К_ч=3,5-1.

59

¹Укрупненные нормы расхода воды и количества сточных вод на единицу продукции для различных отраслей промышленности. М., Стройиздат,1973, 367 с.

3.2. Определение расходов воды при водяном и испарительном охлаждении

Расходы воды на охлаждение являются значительной, а для многих предприятий определяющей частью общего расхода воды на производственные нужды, достигая 90-95% от него.

При охлаждении агрегата, имеющего тепловую нагрузку А, ккал/ч, расход воды Q_в, м³/ч, необходимый для отведения выделяющегося тепла

59

при температуре выходящей нагретой воды t₁и поступающей холодной определяется по зависимости:

Q_a=

A

c·(t1- t2)·103

  =

A

c·Δt·103

 

Расход воды возрастает с увеличением тепловой нагрузки А и уменьшением температурного перепада Δt.

Для увеличения Δt надо увеличивать t₁или уменьшать t₂. Значение t₂зависит от температуры воды в источнике или на охладителе (бассейн, градирня). Летом условия охлаждения хуже, значит воды надо больше. Значение t₁зависит от конструкции системы охлаждения и условий технологического процесса. Для систем водяного охлаждения обычно t₁≤40-50°.

При значительном содержании солей жесткости и нагреве до 40-50°С и более происходит обильное выпадение накипи. Это ограничивает предел нагрева воды. Учитывая взаимосвязь Δt и Q_вдля различных объектов можно определить экономически наивыгоднейшие температуры t₁и t₂. Учитывая вышеизложенное, при оптимальном проектировании и эксплуатации систем охлаждения, можно обеспечить повышение эффективности водного хозяйства промпредприятия.

Расчет системы охлаждения сводится к определению расхода воды, который обеспечивает охлаждение, при принятой конструкции охлаждаемых деталей и гидравлической схеме распределения воды.

При водяном охлаждении требуемый расход воды Q принимается наибольшим из соотношения

Q≥Q_в=

A

c·(t1- t2)·103

  ≥ υ_кр·ω·3600 ≥ β·Q_в, м³/ч

• где t₁и t₂- температуры отходящей горячей и поступающей холодной воды, °С;

• с - теплоемкость воды, ккал/град·кг;

• υ_кр- критическая скорость воды, исключающая выпадение взвеси при

• заданном качестве воды и местное кипение, м/с;

• ω - площадь живого сечения, м²;

• β - коэффициент, учитывающий отклонение распределения расхода воды от заданного; β=1,1-1.3.

где υ_{самочищ}- самоочищающая скорость, м/с (обычно от 0,01 до 0,5 м/с при содержании частиц взвеси крупностью d=0.1-4 мм, а для воды содержащей окалину > 0,8 м/с);

60

υ_м.к.- скорость, исключающая местное кипение, м/с; d_э- эквивалентный гидравлический диаметр, м; χ - смоченной период, м; q - тепловое напряжение, ккал/м²·ч.

Практически расчетный расход воды определяется величиной Q = β·Q_β.

Для предотвращения выпадения накипи температура нагретой воды должна быть не более предельной t₁≤ t_1пред. Для её определения существуют различные зависимости.

При прямоточном водоснабжении

t_1пред= f(Ж_к),

где Ж_к- жесткость карбонатная, мгэкв/л.

Например, t_1пред= 15 +

600

2,8· Жк+ 4

  +

8000

(2,8· Жк)4

 , °C

При оборотной системе водоснабжения

t_1пред= f(Ж_к,Ж_н.к., О_в), 80 + 1,67· О_в- 14·Ж_к

• где Ж_к- жесткость карбонатная, мгэкв/л;

• Ж_н.к.- жесткость некарбонатная;

• О_в- окисляемость воды, мг/л.

Например, t_1пред= 80 + 1,67· О_в- 14·Ж_к-

112· Жк

48-Ов

  , °С

При испарительном охлаждении расход воды Q, м³/ч, принимается наибольшим из соотношения

Q≥Q_п=

A

(i1- i2)·103

  ≥ υ_кр·ω·3600≥КП ,

• где Q_п- расход воды, обеспечивающий отведение выделяющегося тепла, м³/ч;

• i₁-теплосодержание потока жидкости (воды, пароводяной эмульсии) после отбора тепла, ккал/кг;

• i₂- теплосодержание потока жидкости до отбора тепла, ккал/кг;

• ω - площадь живого сечения, м²;

• К - критическая кратность циркуляции;

• П - выход пара, т/ч;

• υ_кр-критическая скорость воды, м/с. Это скорость при которой исключается выпадение примесей из воды и расслоение потока на пар и воду; υ_кр≥ 0,6-1,2 м/с.

• где р - давление, кг/см²;

• q - тепловое напряжение, ккал/м²·ч;

• d_э- эквивалентный диаметр.

61

Критическая кратность циркуляции К - это количество циркуляционной воды, необходимое для отвода пара, выделяющегося при охлаждении при заданной конструкции охлаждаемой детали и действующем тепловом напряжении. Принимается на основании опытных данных. Так, например, для различных элементов металлургических печей, она составляет от 5 до 20 при ее среднем значении К ≈ 10.

Выход пара при испарительном охлаждении металлургических печей на 1 т продукции составляет:

• мартеновские печи 0,20-0,25 т/ч;

• доменные печи 0,15-0,17 т/ч.

При испарительном охлаждении, как уже отмечалось выше, выходящий пар утилизируется для теплофикации и горячего водоснабжения при повышении его давления до 6-8 атм.

Экономически выгоднее повысить давление пара до 40 атм и использовать его вначале для выработки электроэнергии, а затем для теплофикации. Это перспективное использование пара.

Зная К и П легко определить расход циркуляционной воды,

62

3.3. Определение расходов воды на хозяйственно-питьевые и противопожарные нужды

Расходы хозяйственно-питьевой воды. Общие расходы хозяйственно-питьевой воды на промышленных предприятиях могут быть определены по укрупненным нормам расхода воды и количества сточных вод на единицу продукции для различных отраслей промышленности. В нормах отдельно указаны расходы питьевой воды для производственных и для хозяйственно-бытовых целей. Для расчета системы хозяйственно-питьевого водоснабжения предприятия необходимо знать расходы воды по отдельным административным, хозяйственно-бытовым и производственным зданиям, В этом случае расходы определяются в соответствии со СНиП.

Расходы на хозяйственно-питьевые нужды рабочих для цехов со значительным тепловыделением (более 80 кДж на 1 м³/ч) принимают 45 л, для остальных цехов - 25 л на каждого работающего в смену, при этом коэффициент часовой неравномерности принимают соответственно 2,5 и 3.

Расход воды в душевых определяют из расчета 500 л/ч на одну душевую сетку в течение 45 минут после окончания смены. Количество душевых сеток в цехах предприятия зависит от характера производства. В цехах, где не происходит загрязнения одежды и рук 1 душевая сетка предусматривается на 15 человек, если производственные процессы приводят к загрязнению одежды и рук - на 7 человек, для сильно

62

запыленных цехов, где применяется вода - на 5 человек и для цехов с выделением особо загрязняющих веществ - на 3 человека.

В основное время смены расход незначителен. По окончании смены он резко возрастает, так как коэффициент часовой неравномерности К_ч=2,5-3. Поэтому для уменьшения диаметров подводящих водоводов и максимальных расходов, отбираемых из сети города при объединенном городском и промышленном водопроводе на территории предприятия устраиваются запасные емкости, которые постепенно пополняются в течение смены и опорожняются в часы максимального водоразбора.

Расходы на благоустройство территории промышленных предприятий составляют: на механизированную мойку и поливку усовершенствованных покрытий площадей и проездов соответственно 1,2-1,5 и 0,3-0,4 л/м², то же на поливку из шлангов - 0,4-0,5 л/м²; поливка цветников и газонов - 4-6 л/м². Причем для этих целей разрешается использовать воду из сетей производственного водоснабжения, если качество ее соответствует санитарным и агротехническим требованиям.

Расход воды на противопожарные нужды. Необходимые сведения по определению расхода воды на нужды пожаротушения и устройству специальных противопожарных водопроводов представлены в п. 6.

На промышленных предприятиях противопожарный водопровод, как правило проектируется объединенным с производственным или хозяйственно-питьевым.

Число одновременных пожаров и расход воды принимается согласно СНиП. Расчетное время пожара 3 часа. Расходы воды на поливку улиц, души мытье полов и мойку оборудования при этом не должны учитываться.

В среднем противопожарные расходы на промышленном предприятии невелики и составляют 3-7% от общего расхода воды. В том числе учитывается профилактическая поливка древесины на складах, смачивание торфа, орошение резервуаров для хранения легковоспламеняющихся жидкостей (нефти, керосина, дизельного топлива и т.п.).

Лимитирующими являются, как правило, не расходы, а напоры, т.к. большинство противопожарных водопроводов на предприятиях проектируются высокого давления. Это одна из причин объединения противопожарного водопровода с хозяйственно-питьевым, а не производственным, так как для производственных целей обычно напор -20-40 м.

Сохранение необходимого противопожарного запаса воды на предприятии обеспечивается принятием при проектировании и эксплуатации специальных мер (см. п. 6).

63

3.4. Водный баланс промышленного предприятия

При проектировании систем водоснабжения промышленного предприятия составляется водный баланс, в котором указываются расходы воды для всех категорий потребителей и потери воды. Потребители группируются по районам их расположения, напорам, качеству воды. Затем составляется схема использования воды с показанием ее потоков. Водный баланс изображается в виде эпюр потоков, т.е. расходы, поступающие к потребителям и отводимые от них, показываются в масштабе или обозначаются цифрами.

При проектировании водный баланс необходим для расчета сооружений водоснабжения, определения мощности оборудования и размеров основных сооружений (НС, водоводов, ОУ, ОС и т.п.). При эксплуатации реальный водный баланс отражается на экономической стороне работы предприятия и оказывает влияние на реальную себестоимость продукции.

Принципы составления водного баланса промышленного предприятия:

• 1. Количество воды в системе промышленного водоснабжения водоснабжения поддерживается постоянным. Убыль воды из системы возмещается добавляемой водой.

• 2. Устанавливаются источники поступления и убыли воды.

• 3. Определяются количественные характеристики каждого источника.

• 4. Анализируются качественные характеристики воды источников и их возможное влияние на состав и свойства оборотной воды, эффективность работы системы водоснабжения.

• 5. Определяются группы потребителей, требующих воду одинакового качества.

• 6. Для уменьшения количества свежей воды, забираемой из источника, выявляется возможность последовательного использования отработавшей воды одной группы потребителей для водоснабжения другой.

В общем виде источники поступления и убыли воды из систем водоснабжения предприятия показаны в таблице 3.1. Для соблюдения водного баланса:

∑Q_пост= ∑Q_уб.

Кроме водного баланса систем водоснабжения чрезвычайно важное значение имеет поддержание баланса по качеству, термостабильности, коррозионности, биогенности оборотных вод.

Поведение воды в системе производственного водоснабжения, особенно при использовании ее в обороте, ввиду большого разнообразия действующих факторов необходимо тщательно контролировать,

64

обеспечивая в процессе эксплуатации стабильное ее качество. Стабильное качество оборотной воды можно обеспечить, поддерживая не необходимом уровне водный и температурный режимы и баланс растворенных в воде солей, кислот, щелочей, газов, биогенных элементов и т.п. за счет специальной ее обработки или сбросом из системы части оборотной воды по мере превышения содержания нежелательных соединений в ней и заменой ее добавочной водой с лучшими свойствами.

Таблица 3.1

Поступление и убыль воды в системе водоснабжения предприятия

Поступление воды в систему	Убыль воды из системы
1. С исходным сырьем и полуфабрикатами Qсыр	1.Унос с продуктами и отходами Qб.п.
2. С вспомогательными веществами (топливо, реагенты и т.п.) Qвсп	2. На полив полов, проездов, зеленых насаждений Qпол
3. С атмосферными осадками (дождь, таяние снега) Qатм	3. На испарение в охладителе оборотной воды Qисп.хол
4. В виде шахтного или рудничного водоотлива, почвенная (дренажная), инфильтрационная и пр. Qподз	4. Унос воздухом из охладителя оборотной воды Qyн
5. Из источника водоснабжения Qисп	5. Испарение естественное с водной поверхности Qисп.ест
6. Сточная вода, повторно используемая после очистки Qст.повт	6. Транспирация растительностью водоема Qтрансп
	7. Эксфильтрация из системы водоснабжения в почву Qэксф
	8. Сброс воды в водоем для освежения оборотной воды (продувка) Qсбр
	9. Сброс собственно сточных вод в водоем или другие приемники их Qсбр.ст
∑Qпост	∑Qуб

Эти меры предназначены обеспечить нормальное функционирование системы водоснабжения с точки зрения коррозионного воздействия на аппаратуру. Трубопроводы и сооружения, выпадения карбонатных отложений и отложений взвеси, развития биологических обрастаний.

Баланс растворенных в воде солей или ионов, не выпадающих в осадок и не отлагающихся в трубопроводах и холодильниках, выражается уравнением

С_д·_Q = C_o·(Q₂ + Q₃) = C_o·(Q-Q₁),

65

• где С_ди С_o- концентрация солей или ионов соответственно в добавочной и оборотной воде, г/м³;

• Q₁и Q₂- потери воды соответственно на испарение и на унос ветром в охладителях, м³/ч;

• Q₃- расход воды на продувку и технологические нужды, м³/ч;

• Q = Q₁+ Q₂+ Q₃- общие потери воды на производстве, м³/ч.

На основании этого уравнения можно определить качество добавочной воды по содержанию ионов или солей для поддержания требуемого их уровня в оборотной системе.

66

5. ОСОБЕННОСТИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

5.1. Водоснабжение тепловых электростанций

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают до 80% всей потребляемой электроэнергии и являются крупными потребителями воды. Так как транспортирование электроэнергии на значительное расстояние приводит к дополнительным затратам, на энергоемких предприятиях, например, металлургических, нефтеперерабатывающих, химических (и др.) имеются свои тепловые электрические станции.

Теплоэлектростанции оборудуются тепловыми установками, вырабатывающими электрическую энергию. Такие станции, обслуживающие заводы, группы предприятий или города и снабжающие их не только электроэнергией, но также паром и горячей водой называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На ТЭС и ТЭЦ имеются устройства для транспорта и подогрева топлива перед сжиганием, котельные установки, паровые турбины, приводящие в действие электрогенераторы и имеющие устройства для отбора пара с целью использования его на технологические нужды и отопление. Электрогенераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. На ТЭЦ большая часть пара после турбин поступает не в конденсаторы, а направляется в бойлеры-аппараты для приготовления горячей воды, поступающей в сеть теплофикации и горячего водоснабжения.

Основное количество воды на ТЭС используется для выработки пара и охлаждения конденсаторов паровых турбин. Кроме того, вода потребляется на охлаждение в воздухе- и газоохладителях, используется для охлаждения подшипников и гидрозолоудаление. Работа теплосиловой установки осуществляется следующим образом.

Пар, вырабатываемый в котле, подается в паровую турбину, приводящую в действие энергогенератор (рис. 5.1). Отработавший в турбине пар идет в конденсаторы, куда подается охлаждающая вода, в результате чего происходит конденсация пара; конденсат снова подается в паровой котел.

При использовании в конденсаторах и других теплообменных аппаратах закрытого типа вода не загрязняется, а только нагревается. В зимний период количество поступающего в конденсаторы пара сокращается, и водопотребление их снижается на 30 - 50% от летнего периода.

Коэффициент полезного действия турбины возрастает при снижении температуры и давления насыщенного пара на выходе из турбины, что достигается конденсацией пара.

138

Рис. 5.1. Схема паротурбинной установки: 1 - котел; 2 - турбина; 3 - конденсатор; 4 - конденсатный насос; 5 - бак; 6 - питательный насос; 7 - подача химически очищенной воды для восполнения потерь

Конденсаторы предназначены для:

• поддержания заданного вакуума на выходе пара из турбины, что достигается его конденсацией и удалением неконденсировавшихся газов, попадающих в конденсатор;

• получения чистого конденсата из пара для дальнейшего использования в котлах;

• удаления воздуха и газа из конденсата.

Как правило, применяются поверхностные конденсаторы (рис. 5.2 а) и оборотная или прямоточная системы их охлаждения (рис. 5.2 б). Конденсатор состоит из большого числа параллельных охлаждающих трубок 1, заключенных в стальной цилиндр (кожух) 2 между дисками 4. Пар из турбины поступает в конденсатор через патрубок 3, омывает трубки, по которым движется холодная вода, поступающая по трубе 6 и выходящая по трубе 5. В результате охлаждения пар конденсируется превращаясь в конденсат. Конденсат стекает вниз и выходит из конденсатора через патрубок 7. Охлаждающая вода нагревается в конденсаторах на 5 - 10°С. Из-за незначительного перепада температуры теплоту охлаждающей воды в широких масштабах использовать невозможно.

Конденсаторы бывают одноходовые, в которые вода входит с одной стороны и, пройдя по трубкам, выходит с другой идвухходовые, в которых вода входит и выходит с одной стороны.

На работу паровой турбины исключительно большое влияние оказывает величина вакуума в конденсаторе: с уменьшением вакуума падает КПД турбины, возрастает удельный расход пара и топлива.

Величина вакуума зависит от:

• площади поверхности охлаждения;

• коэффициента теплопередачи стенок охлаждающих трубок;

139

• количества охлаждающей воды W, приходящейся на 1 кг конденсируемого пара G, так называемой кратности охлаждения;

n =

W

G

 ; n = 30-70;

• температуры охлаждающей воды.

Рис. 5.2. Двухходовый конденсатор паровой турбины: 1 - охлаждающие трубки; 2 - кожух конденсатора; 3 - входной патрубок; 4 - диски; 5 - патрубок для отвода нагретой воды; 6 - патрубок для подачи холодной воды; 7 - патрубок отвода конденсата

Рис. 5.2 б. Прямоточная система производственного водоснабжения конденсаторов ТЭС: 1 - береговая насосная станция; 2 - напорный водовод; 3 - конденсаторы; 4, 5 - сливной и переключательный колодцы; 6 - отводящие каналы нагретой воды

140

Так как увеличение количества подаваемой воды влечет за собой увеличение мощности насосов и расхода электроэнергии, то углубление вакуума за счет увеличения количества охлаждающей воды после некоторого предела становится невыгодным,

Воздухе- и газоохладители. При работе электрогенераторов происходит нагрев обмоток. Для охлаждения их применяют принудительное охлаждение с помощью вентиляторов, подающих воздух или газ к обмоткам генераторов. Нагревшийся в генераторе газ или воздух после охлаждения его в воздухоохладителе, вновь поступает в генератор. Воздухоохладитель конструктивно устроен также, как и конденсатор -трубки, по которой проходит охлаждающая вода, омываются газом или воздухом, в результате чего он охлаждается.

Температура охлаждающего воздуха должна быть ≤ 35 - 37°C, поэтому охлаждающая вода, подаваемая в охладитель, должна иметь температуру 30 - 33°С. Обычно к охладителям подается свежая вода.

Маслоохладители. Для смазки подшипников паровых турбин и генераторов, а также регулирующих механизмов применяют турбинное масло. Оно подается насосом под давлением 4 - 5 атм и, циркулируя, отводит тепло, выделяющееся от трения. Нагревшееся масло охлаждается в маслоохладителе и вновь подается к подшипникам. По своей конструкции маслоохладитель такой же, как и воздухоохладитель. Он ставится на нагнетательной линии масляных насосов. Напор масла должен быть выше, чем напор охлаждающей воды в трубках, чтобы вода не попала в масло из-за неплотностей в конструкции маслоохладителя.

Охлаждение подшипников. Расход воды на охлаждение подшипников питательных и конденсатных насосов невелик и составляет 1 - 2% от общего водопотребления, нопрекращение подачи водынедопустимо, поэтому рекомендуется устанавливать резервные баки, включаемые в работу автоматически в случае неисправности постоянного источника. Емкость баков определяется из расчета 30-минутного запаса воды.

Питание котлов. Для питания котлов используется химически очищенная и обессоленная вода. Подготовка воды производится в цехе химводоочистки. В качестве исходной воды используется нагретая вода после конденсаторов паровых турбин.

Гидрозолоудаление. Применяется при сжигании твердого топлива. Удаление шлака и золы на большинстве электростанций производится гидравлическим способом (рис. 5.3). Для удаления используется вода после конденсаторов, охлаждения подшипников и другие сбросные воды. Шлак и зола, разбавленные водой транспортируются самотеком или с помощью побудительных сопел к багерным насосам, которые перекачивают пульпу на золоотвалы.

141

Золо- и шлакоотвалы проектируются как отстойники непрерывного действия с оборотом (или без оборота) воды.

Транспорт золы может быть самотечный или напорный. Самотечный транспорт применяется при небольшом расстоянии до золоотвала. Для лучшего смыва между золовыми воронками и каналом устанавливаются смывные аппараты, к которым подводится вода под давлением 2 атм. В местах поворота каналов устанавливаются побудительные сопла, к которым вода подается под давлением 5-8 атм. Из самотечного канала вода поступает в золовую яму.

Рис. 5.3. Схема гидрозолоудаления: 1 - подача воды; 2 - шлаковый бункер; 3 - золовые бункеры; 4 - самотечный канат; 5 - смывное устройство; 6 - шибер; 7 - решетка; 8 - окно; 9 - шлакодробилка; 10 - железоуловитель; 11 - багерный насос; 12 - золопровод

При низконапорном гидрозолоудалении транспортирование пульпы за пределы котельной производится при помощи багерных насосов. Гидрозоловая смесь самотеком поступает к багерным насосам, пройдя через наклонную решетку. Крупные куски шлака задерживаются на решетке и сползают в шлакодробилку, откуда в раздробленном состоянии поступают к багерным насосам. Багерные насосы перекачивают смесь в золоотвал по трубопроводам. Перед ними устанавливаются железоуловители. Отведение смеси в золоотвалы при соответствующем рельефе может быть и самотечным.

Гидрозолоудаление может быть оборотным (замкнутым) и разомкнутым, когда вода разбавляющая золу, стекает из золоотвалов в естественные водоемы. В первом случае осветленная в золоотстойниках вода подается к смывным аппаратам.

Производственное водоснабжение ТЭС может осуществляться по прямоточной, оборотной иликомбинированной системам. При оборотном водоснабжении для охлаждения воды обычно применяют градирни и в отдельных случаях - пруды-охладители, обеспечивающие достаточно низкую температуру охлаждения воды.

142

Забор воды из источника для пополнения системы оборотного водоснабжения с учетом обработки воды принимется в пределах 2% от расхода охлаждающей воды. Потери воды в системе гидрозолоудаления составляют до 20% и более расхода оборотной воды в этой системе.

Вода питьевого качества расходуется на хозяйственно-бытовые нужды станции, на химводоочистку (для подпитки сети теплофикации) и на горячее водоснабжение.

Среднегодовые расходы воды определяются в зависимости от количества и типа установленных турбин, вида используемого топлива и системы водоснабжения с учетом коэффициентов К_лети К_зимдля летнего и зимнего периодов работы ТЭС в соответствии с "Укрупненными нормами расхода воды и количества сточных вод на единицу продукции для различных отраслей промышленности". Для мощных электростанций количество охлаждающей воды, подаваемой в конденсаторы паровых турбин достигает 1 млн. м³/ч.

Системы противопожарного водоснабжения ТЭС проектируются, как правило, высокого давления.

143

5.2. Водоснабжение атомных электростанций

Атомные электрические станции (АЭС) в структуре топливо-энергетического баланса страны занимают второе место после ТЭС. Наряду с выработкой электроэнергии предполагается широко использовать атомную энергетику для отопления и горячего водоснабжения, для чего необходимо строительство атомных станций теплоснабжения (ACT).

Технология тепловых электрических станций на ядерном топливе аналогична технологии станций, использующих твердое, жидкое топливо или природный газ. Вместо парового котла применен реактор, выделяющееся в нем тепло используется для получения пара, который направляется в паровые турбины.

На отечественных станциях применяют три типа реакторов: РБМК, ВВЭР и БН. В канальных реакторах РБМК теплоносителем является кипящая вода (пароводяная смесь), а замедлителем - графит.

Вода поступает в топливные каналы (в реакторе РБМК-1000 их 1700 шт.), во внутренней части которых расположены тепловыделяющие сборки (ТВС), состоящие из 18 стандартных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Активная зона включает 179 систем управления и защиту (СУЗ) со стержнями поглотителями для регулирования работы реактора. С их помощью в аварийных ситуациях реактор может быть остановлен за 15 с.

Для отвода теплоты из активной зоны реактора организованы два самостоятельных симметричных контура многократной принудительной циркуляции: левый и правый. Вода при 270°С и давлении ≈8 МПа поступает на вход нижней части технологических каналов, в которых

143

находятся ТВС Омывая ТВЭЛы, вода нагревается до температуры кипения (284°С), часть (≈ 15%) воды испаряется, пароводяная смесь выходит из каналов и поступает в горизонтальные баки-сепараторы 5. В реакторе расположено четыре сепаратора длиной 30,7 и диаметром 2,3 м каждый. Под действием гравитационных сил пароводяная смесь в сепараторах разделяется на пар и воду, после чего насыщенный пар с влажностью не более 0,1% направляется по пароводам 6 в турбины.

Рис. 5.4. Схема канального реактора РБМК-1000: 1 - главный циркуляционный насос (ГЦН); 2 - главные запорные задвижки; 3 - опускная труба для поступления воды из бака-сепаратора; 4 - подача питательной воды; 5 - горизонтальные баки-сепараторы; 6 - трубопровод пара к турбинам; 7 - верхняя металлоконструкция; 8 - металлический кожух; 9 - нижняя опорная металлоконструкция; 10 - вертикальные топливные каналы из труб диаметром 90 мм; 11 - графитовые блоки кладки; 12 - стержень-поглотитель; 13 - бетонная шахта

Жесткое ограничение влажности пара необходимо, во-перзых, для уменьшения эрозионного износа лопаточного аппарата турбины, а во-вторых, для снижения уровня радиактивного загрязнения оборудования машинного зала (турбин, конденсаторов, регенеративных подогревателей и др.), так как вода загрязняется больше пара. Из бака-сепаратора вода поступает в опускные трубы 3, предварительно смешиваясь с питательной водой 4, которая снижает ее температуру до 270°С, и далее - в главные циркуляционные насосы 1 (ГЦН), обеспечивающие ее принудительную циркуляцию через реактор. Перед ГЦН и за ними установлены главные запорные задвижки 2 с дистанционным приводом. Через коллекторы и

144

индивидуальные трубопроводы нижних разводящих коммуникаций вода поступает в технологические каналы, замыкая контур циркуляции.

Корпусный реактор ВВЭР отличается от РБМК типом замедлителя и теплофизическими характеристиками теплоносителя. Прокачиваемая через активную зону ВВЭР под высоким давлением обычная некипящая вода выполняет функции теплоносителя и замедлителя. В таком реакторе пар не образуется, поэтому он может работать только в системе двухконтурной АЭС. Высокое давление воды - теплоносителя - требует расположения активной зоны внутри толстостенного корпуса, изготовляемого на специализированных заводах. Реакторы ВВЭР компактны, конструктивно просты и получили распространение на отечественных и зарубежных АЭС.

Реакторы ВВЭР (рис. 5.5) состоят из корпуса 7 с внутрикорпусными устройствами, активной зоны 6, верхнего блока с крышкой 3 и приводами 2 СУЗ.

Рис. 5.5. Схема реактора ВВЭР-440: 1 - защитная трубка кассеты; 2 - привод СУЗ; 3 - крышка корпуса; 4, 5 - выход и вход теплоносителя; 6 - активная зона; 7 - корпус; 8 - зазор; 9 - шахта

Поступающая в реактор вода опускается по кольцевому зазору 8 в нижний объем, проходит снизу вверх через активную зону, нагревается, охлаждая ТВЭЛыэ и выходит из верхней части реактора.

145

Корпус является наиболее ответственной и дорогостоящей частью реактора, так как должен работать в сложных условиях - при высоких температуре, давлении и радиационном воздействии без капитального ремонта не менее 30 лет.

Активная зона состоит из 349 тепловыделяющих шестигранных рабочих кассет (312 - неподвижных - рабочих и 37 - подвижных). Подвижные выполняют также функции аварийной защиты, регулирования и компенсации медленных изменений реактивности.

Рабочая кассета состоит из 126 ТВЭЛов. Подвижная кассета, являющаяся рабочим органом СУЗ, состоит из двух частей - верхней и нижней. В нижней части расположены ТВЭЛы, аналогично рабочей кассете, а в верхней - поглотитель из бористой стали. При перемещении кассеты вверх поглотитель выводится из активной зоны, а его место занимает тепловыделяющая часть, что приводит к увеличению реактивности из-за увеличения количества топлива в активной зоне и уменьшения поглощения нейтронов. При перемещении кассеты вниз реактивность уменьшается, так как в активную зону вводится поглотитель. Положение подвижных кассет регулируется автоматически. В аварийных ситуациях реактор может быть остановлен за 10с.

Кроме стержневых поглотителей нейтронов для реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 дополнительно используется жидкий поглотитель - раствор борной кислоты Н₃ВО₃, вводимый в воду реактора. Борная кислота хорошо растворяется в воде, обладает низкой коррозионной способностью и достаточно легко выделяется из воды реактора на фильтрах спецводоочистки. В начале работы реактора концентрация борной кислоты в теплоносителе 8-13,5 г/кг, а по мере выгорания топлива она снижается за счет сорбции борной кислоты на очистной установке. Благодаря применению жидкого борного регулирования упрощается конструкция механической системы управления и защиты реактора (СУЗ),

Технологическая схема первого корпуса АЭС с реакторами ВВЭР (рис. 5.6) представляет собой несколько самостоятельных циркуляционных контуров (петель). Каждая из шести циркуляционных петель (на реакторе ВВЭР-1000· ччетыре петли) включает ГЦН 7, горизонтальный парогенератор 9, две главные запорные задвижки 5 с электроприводами, паровой компенсатор объема давления 4 с электроподогревателем и собственно реактор 10с системой подачи подпиточной воды 11.

Главный циркуляционный насос должен обладать высокой надежностью, так как прекращение подачи воды в активную зону может привести к повышению температуры и выходу из строя ТВЭЛов, а также обеспечивать минимум протечек радиоактивного теплоносителя из корпуса насоса.

146

Рис. 5.6. Схема первого контура АЭС с реактором ВВЭР-440: 1 - барботажный бак; 2 - предохранительный клапан; 3 - регулятор; 4 - компенсатор объема и давления; 5 - главная запорная задвижка; 6 - вспомогательный насос; 7 - ГЦН; 8 - теплообменник контура охлаждения подшипника ГЦН; 9 - парогенератор; 10 - реактор; 11 - вход для подпиточной воды в реактор

Современные ГЦН имеют гидромеханическое уплотнение вала нерадиоактивной водой с контролируемой протечкой и электродвигатель с маховиком, благодаря чему в течение 2 мин обеспечивается достаточный для охлаждения активной зоны расход воды при отключении электропитания. Производительность каждого из ГЦН для ВВЭР-440 составляет 1,95 м³/с (7000 м³/ч), а напор, определяемый гидравлическим сопротивлением реактора, - около 1,5 МПа. Для охлаждения подшипников ГЦН используют специальный контур, содержащий насос 6 и теплообменник 8.

В первом контуре реактора применяют систему компенсации объема и давления, которая регулирует его при изменении температуры в стационарном и переходных режимах. Снижение давления воды в первом контуре может привести к ее вскипанию, что недопустимо.

Основным элементом системы является компенсатор давления (объема), представляющий собой вертикально расположенный цилиндрический сосуд ≈ 50 м³, рассчитанный на высокие давления. В рабочем состоянии компенсатор заполнен водой на 2/3, а выше уровня

147

воды - паром. Генерация пара обеспечивается электронагревателями, помещенными в водном объеме. Водяная часть компенсатора давления подключена к одной из циркуляционных петель на выходе из реактора - к "горячей" нитке, - а паровая - трубопроводом - к "холодной" нитке той же петли, что обеспечивает впрыск реакторной воды перед ВВЭР в паровое пространство компенсатора. Регулируемыми параметрами в компенсаторе являются давление и уровень воды. Давление в первом контуре поддерживают воздействием импульса, подаваемым регулятором на автотрансформатор электронагревателей компенсатора. При превышении предельного давления срабатывает предохранительный клапан 3, помещенный в паровой части компенсатора давления, а стравливаемый пар направляется для конденсации в барботажный бак 1 со сдувкой 2.

Парогенераторы представляют собой горизонтальные аппараты с погруженной поверхностью теплообмена (трубным пучком) и предназначены для выработки сухого насыщенного пара из воды второго контура. Схема парогенератора приведена на рис. 5.7. В корпусе 1, выполненном в виде горизонтального барабана, расположены входной 10 и выходной 9 вертикальные трубные коллекторы реакторной воды с двумя закрепленными пучками U-образных горизонтальных труб 2 из нержавеющей стали.

Рис. 5.7. Схема парогенератора ВВЭР: 1 - корпус; 2 - горизонтальные теплообменные трубы; 3 - входной коллектор питательной воды второго контура; 4 - жалюзи; 5 - пароотводящие трубы; 6 - паровой коллектор; 7 - люк; 8 - уровень воды в парогенераторе; 9 - выходной вертикальный коллектор реакторной воды; 10 - входной вертикальный коллектор реакторной воды

В межтрубном пространстве находится вода парогенератора 8, из которой при нагревании образуется пароводяная смесь. Таким образом, вода первого и второго контуров разделена стенками труб парогенератора. Для исключения поступления высокоактивного теплоносителя первого контура во второй (с более низким давлением) трубки парогенератора 148

148

выполняют из коррозионно-стойкого материала, кроме того, их тщательно развальцовывают в коллекторе, а торцы закрепляют сваркой. Для доступа к местам вальцовки и сварки в верхней части коллектора имеется люк 7 с фланцевым разъемом.

Питательная вода второго контура попадает внутрь парогенератора по коллектору 3. В межтрубном пространстве парогенератора вода омывает U-образные трубы, охлаждая воду первого контура примерно на 30°С, и нагревается, образуя пароводяную смесь. Сепарация (осушка) пара осуществляется в паровом объеме под действием гравитационных сил и в потолочных жалюзийных устройствах 4. В верхней части парогенератора расположены пароотводящие трубы 5, врезающиеся в паровой коллектор 6, из которого по паропроводам пар влажностью 0,2% направляется в турбину.

Для поддержания солевого режима в испаряемой воде предусмотрено выведение части воды из парогенератора в виде непрерывной и периодической продувок.

В зависимости от используемых реакторов различают одно-, двух- и трехконтурные АЭС.

Рис. 5.8. Схема одной секции одноконтурной АЭС с реактором РБМК-1000: 1 - реактор; 2 - трубопровод пара; 3 - цилиндр высокого давления (ЦВД); 4 - пароперегреватель (промежуточный); 5 - цилиндр низкого давления (ЦНД); 6 - конденсатор; 7 - насос; 8 - установка для очистки конденсата; 9 - регенеративные подогреватели низкого давления; 10 - деаэратор; 11 - питательный насос

На одноконтурных АЭС насыщенный пар давлением 7,0 МПа и температурой 284°С, выработанный в реакторе 1 (РБМК), поступает к двум турбинам по трубопроводу 2 (рис. 5.8.). Отработав в цилиндрах высокого давления 3 (ЦВД), пар направляется в сепараторы - промежуточные

149

пароперегреватели 4, где освобождается от образовавшихся в ЦВД турбины капель влаги и одновременно нагревается до 250°С. Благодаря этому обеспечивается повышение экономичности и надежности работы турбин. Далее, пройдя цилиндры низкого давления 5 (ЦНД) турбины, пар направляется в конденсатор 6, в котором конденсируется при глубоком вакууме. Особенность работы конденсатора заключается в возникновении разности давлений между охлаждающей водой и конденсирующим паром, приводящим к поступлению (присосу) небольшого количества охлаждающей воды с более высоким солесодержанием, чем в конденсате, в результате чего конденсат загрязняется. Забираемый из конденсатора 6 конденсат прокачивается насосами 7 через установку 8, предназначенную для его очистки, а также через регенеративные подогреватели низкого давления 9 и поступает в деаэратор 10 для дополнительного подогрева и удаления из конденсата растворенных газов. После этого вода питательным насосом 11 подается в барабаны-сепараторы, где смешивается с водным теплоносителем, циркулирующим в контуре многократной принудительной циркуляции. Для РБМК-1000 расход вырабатываемого пара составляет 5600 т/ч.

Недостатком схемы одноконтурной АЭС с РБМК является загрязненность вырабатываемого реактором пара радиоактивными примесями, переходящими в пар из реактивной воды. Для исключения выделения такого пара в помещение, где установлено паротурбинное оборудование (турбогенератор, конденсатор, устройства регенеративного подогрева, перекачивающие насосы), в местах выхода вала из цилиндров турбины на уплотнения подается нерадиоактивный пар, вырабатываемый в специальной испарительной установке.

Реакторы ВВЭР охлаждаются водой под давлением, подогревая водный теплоноситель в активной зоне с 270 до 300°С. Этот температурный перепад используют для образования насыщенного пара соответствующих температуры и давления в парогенераторах, число которых на энергоблоке АЭС должно соответствовать числу циркуляционных петель. Поскольку паротурбинный контур не имеет непосредственной связи с первым контуром, его называют вторым.

Тепловая схема двухконтурной АЭС с ВВЭР приведена на рис. 5.9. Второй контур характеризуется той же последовательностью включения основного и вспомогательного оборудования, что и на АЭС с реактором РБМК. Различие заключается в том, что во втором контуре АЭС с реактором ВВЭР используется практически нерадиоактивный пар, поэтому оборудование не требует дополнительной биологической защиты. Паротурбинные части тепловых схем АЭС и ТЭС также сходны, что позволяет на ТЭС и АЭС использовать одинаковое оборудование.

В многоконтурных схемах АЭС в качестве теплоносителя кроме воды используют другие вещества. Так, в реакторах на быстрых

150

Рис. 5.9. Схема двухконтурной АЭС с реактором ВВЭР: 1 - реактор; 2 - компенсатор давления; 3 - парогенератор; 4 - паропроводы соседних парогенераторов; 5 - ГЦН; 6 - главные запорные задвижки; 7 - вход - выход реакторной воды соседней петли; 8 - ЦВД турбины; 9 - сепаратор - промежуточный пароперегреватель; 10 - ЦНД турбины; 11 - конденсатор; 12 - трубопровод охлаждающей воды; 13, 17 - конденсатный и питательный насосы; 14 - система конденсатоочистки; 15 - подогреватель низкого давления (ПНД); 16 - деаэратор; 18 - подогреватель высокого давления (ПВД), 19 - стопорный клапан турбины, I, II-- первый и второй контуры

нейтронах теплоносителем является жидкий (расплавленный) натрий. Особенностью реакторов БН является также отсутствие замедлителя и возможность получения вторичного ядерного топлива (плутоний-239). Температуру жидкометаллического натрия можно повысить на выходе из реактора до 550°С и, следовательно, получить пар высоких параметров, а также повысить КПД блока до 41% и использовать серийное паротурбинное оборудование. Высокой температуры жидкого натрия можно достичь при низком давлении (около 0,5 МПа), поэтому толщина стенки корпуса реактора БН может быть небольшой. Поскольку возможна реакция жидкого радиоактивного натрия с водой водопарового (третьего) контура, между ними включен промежуточный (второй) контур, заполненный нерадиоактивным жидким натрием (рис.5.10).

На выходе из реактора БН температура натрия в первом контуре повышается от 380 до 550°С, на входе в теплообменник промежуточного контура - составляет 520°С, а на выходе - 320°С, что позволяет генерировать перегретый водяной пар давлением 14 МПа и температурой 510°С и перегревать его между ЦВД и ЦНД турбины до 505°С. Тепловая мощность реактора БН-600 обеспечивает работу трех серийных турбин

151

мощностью 200 МВт каждая. Несмотря на ряд преимуществ, затраты на выработку электроэнергии на АЭС с реакторами БН значительно выше, чем с реакторами ВВЭР и РБМК.

Рис. 5.10. Трехконтурная схема энергоблока с реактором БН-600: 1 - реактор; 2, 4 - натриевые насосы первого и промежуточного контура; 3 - промежуточный теплообменник; 5 - питательный насос; 6 - парогенератор с промежуточным пароперегревателем; 7, 8 - ЦВД и ЦНД турбины; 9 - система конденсации, регенеративного подогрева и деаэрации, I, II, III - первый, второй и третий контуры

Для комбинированной выработки электро- и тепловой энергии используют атомные теплоэлектроцентрали (аналогично ТЭЦ на органическом топливе). Для этого во втором контуре АТЭЦ с реактором ВВЭР конденсационную турбину заменяют турбиной с теплофикационными отборами.

Кроме того, для получения тепловой энергии из ядерной сооружают специализированные отопительные котельные, работающие на ядерном топливе - атомные станции теплоснабжения (ACT).

Технологическая схема энергоблока АСТ-500, приведенная на рис, 5.11, состоит из реакторного (первого), промежуточного (второго) и сетевого (третьего) контуров.

Водоводяной реактор АСТ-500 изготавливают в корпусном исполнении. Естественная циркуляция водного теплоносителя происходит при его небольшом кипении. Активная зона реактора 3 состоит из шестигранных ТВС (как у ВВЭР) со стержневыми ТВЭЛами. Система управления и защиты включает регулирующие стержни 4, с приводами 8, расположенными на крышке реактора. В кольцевом зазоре между устройствами активной зоны и корпусом реактора размещены три теплообменника 6 (трехпетлевая схема), в которых за счет охлаждения реакторной воды и конденсации пара происходит нагрев промежуточного контура 7. Для естественной циркуляции реакторной воды

152

теплообменники располагают выше активной зоны, а для повышения ее надежности допускают небольшое кипение теплоносителя на выходе из активной зоны. При этом паровой объем в корпусе реактора выполняет функции компенсатора давления. Активная зона заключена в цилиндрическую шахту с проемами в верхней части. Между шахтой и корпусом реактора имеется кольцевой зазор. Таким образом, контур естественной циркуляции водного теплоносителя внутри корпуса реактора состоит из следующих участков:

• участка подъема воды внутри активной зоны (внутри шахты) и пароводяной смеси на выходе из нее;

• участка конденсации пара и охлаждения реакторной воды во встроенных теплообменниках;

• участка движения охлажденной реакторной воды сверху вниз в кольцевом зазоре между шахтой и корпусом реактора.

Рис. 5.11. Технологическая схема энергоблока АСТ-500

Давление теплоносителя (воды и пара) в первом контуре составляет 1,6 - 2,0 МПа, а максимальная температура соответствует температуре насыщения пара 200 - 212°С, что обеспечивает надежность металлического корпуса при работе реактора 2.

153

Основной корпус реактора размещен внутри второго герметичного металлического корпуса 5, выполняющего страховочные функции. За пределы второго корпуса выходят трубопроводы диаметром 50 - 80 мм с радиоактивной водой, соединяющие реакторный контур с вспомогательными системами очистки теплоносителя и аварийного впрыскивания борной кислоты. Для локализации выхода радиоактивной воды в случае разрыва этих трубопроводов при аварии сооружается защитная железобетонная оболочка 1 вокруг всего реактора ACT, которая обеспечивает также защиту от внешних воздействий.

Для исключения протечки воды из промежуточного контура в сетевой давление в промежуточном контуре (1,2 МПа), стабилизируемое паровым компенсатором 9, должно быть ниже давления в сетевом контуре.

В промежуточном и сетевом контурах осуществляется циркуляция некипящей воды. Вода сетевого контура, нагретая в теплообменнике 10, отдает теплоту в системы горячего водоснабжения 11 и отопления 12.

На блоках ACT, сооружаемых на расстоянии 1,5 - 2 км от границ крупных городов, из соображений надежности, размещают две реакторные установки ACT - 500 (430 Гкал/ч).

Основное количество воды на АЭС, как и на паротурбинных ТЭС, идет на охлаждение конденсаторов паровых турбин (конденсацию пара). Оно в 50 - 100 раз превышает расход конденсируемого пара. Кроме того вода расходуется на подготовку обессоленной и химически очищенной (умягченной) воды, на охлаждение воздуха и охлаждающих газов, масла, подшипников насосов и различных механизмов, а также на уплотнение сальников, другие технологические и бытовые нужды станции и восполнение потерь оборотной воды.

Для восполнения потерь пара и конденсата при работе станции служит система подготовки добавочной воды для контуров АЭС. Система поддержания водно-химического режима предназначена для обработки воды и предотвращения образования отложений и коррозионных повреждений трубопроводов и оборудования.

При прямоточной схеме водоснабжения расход охлаждающей конденсаторы турбин воды для АЭС мощностью 4 млн. кВт достигает 240 м³/с. Сбросная вода хотя и не содержит радиоактивных примесей, имеет температуру примерно на 10°С выше, чем исходная, что приводит к повышению естественной температуры воды в водоеме, снижению концентрации кислорода, к цветению воды и развитию водорослей. Поэтому перспективы развития АЭС связаны с использованием оборотных систем с градирнями и прудами-охладителями, хотя такие системы в 1,5 - 2 раза дороже и имеют более высокие безвозвратные потери воды на испарение.

В современных реакторах применяют химическое регулирование реактивности (борной кислотой Н₃ВО₃). Для уменьшения коррозии на

154

отечественных АЭС вводят КОН и водный раствор аммиака, обеспечивая щелочной режим (рН ≈ 9,6). Водный теплоноситель первого контура реактора ВВЭР для сильнощелочного водно-химического режима должен отвечать следующим основным требованиям: рН > 6, концентрация в мг/л хлоридов и фторидов < 0,1, кислорода < 0,01, аммиака > 5; продуктов коррозии в пересчете на железо < 0,2 (до 1 при переходных режимах), в пересчете на медь < 0,02, удельная активность < 3,7-10⁸Бк/л. Кроме того нормируется содержание водорода 30 - 60 см³/л (при t = 0°С и р = 0,1 МПа). Нормируется концентрация борной кислоты, ионов калия, лития> натрия.

Для реакторов ACT продуктов коррозии в пересчете на Fe < 0,05 мг/л (до 0,2 мг/л при переходных режимах).

Для обеспечения качества воды первого контура подпиточная вода должна быть термически деаэрирована и полностью обессолена5 что исключает необходимость нормирования содержания в ней ионов кальция, магния и кремнекислоты. Требуемое качество обеспечивается вспомогательной системой очистки теплоносителя.

К качеству воды второго контура предъявляются следующие требования: рН = 9,1 ± 0,1 (при t = 25°С), общая жесткость 0,5 мкг-экв/л, концентрация, мкг/л, кремниевой кислоты в пересчете на SiO₂- 25; соединений железа в пересчете на Fe - 20; меди в пересчете на Си - 105 кислорода перед деаэратором -30 мкг/л, масел до конденсатоочистки - 100 мкг/л, избыток гидразина - 20 - 60 мкг/л.

При эксплуатации АЭС вода и пар, находящиеся в реакторном и парогенерирующем контурах, загрязняются примесями, поступающими с добавочной водой, вводимой в контур для восполнения потерь водного теплоносителя; с присосами охлаждающей воды в конденсаторах; с растворами, вводимыми в конденсатно-питательный тракт, реакторную воду и воду парагенераторов для корректирования их состава; в результате коррозии материалов оборудования и трубопроводов контура АЭС с водным теплоносителем; при выходе продуктов деления ядерного топлива из-за негерметичности оболочек некоторых ТВЭЛов в реакторную воду. Кроме того, водный теплоноситель загрязняется продуктами собственного радиолиза и газами.

Примеси, содержащиеся в воде, особенно продукты коррозии, образуют отложения на поверхности ТВЭЛов, парагенераторов теплообменников, что снижает эффективность работы станции и может привести к аварии. Интенсивность отложений зависит от целого ряда факторов:

• концентрации и ионного состава примесей;

• растворимости веществ в воде и паре;

• массообмена на греющих поверхностях;

• теплового и гидравлического режимов работы оборудования;

155

• физико-химических превращений веществ в условиях радиации.

Требуемый водно-химический режим АЭС обеспечивается в процессе эксплуатации соответствующих систем очистки и водопод готовки. На рис. 5.12 представлена схема водоснабжения двухконтурной АЭС, включающая основной реакторный (первый) контур со вспомогательными системами (очистки теплоносителя, подпитки и расхолаживания реактора и т.п.) и парогенерирующий второй контур

Рис. 5.12. Схема водоснабжения двухконтурной АЭС: 1 - реактор ВВЭР; 2 - компенсатор объема; 3 - парогенератор; 4 - турбогенератор; 5 - конденсатор; 6 - конденсатный насос; 7 - ГЦН, 8 - деаэратор подпитки; А - очистка теплоносителя; Б - очистка организованных протечек; В - борорегулирующая система; Г - очистка воды парогенератора; Д - блочная конденсатоочистка; Е - подготовка добавочной воды; Ж - переработка сбросных вод; З - коррекционная обработка теплоносителя; И- очистка отработанного конденсата

Образующиеся на АЭС сточные воды, загрязненные радионуклидами, не могут быть сброшены в водные объекты. Они проходят системы спецводоочистки (СВО), снижающие до безопасной концентрации содержащиеся в них радиоактивные примеси и повторно используются в производственном цикле АЭС.

Концентрированные радиоактивные растворы, образующиеся при очистке сточных вод АЭС, подлежат захоронению в специальных хранилищах жидких отходов.

156

5.3. Водоснабжение предприятий черной металлургии

К предприятиям черной металлургии относятся предприятия по добыче и обогащению руд и нерудных ископаемых, являющихся сырьем для производства чугуна и стали, металлургические комбинаты по выплавке чугуна и стали, производству проката и металлов,

156

коксохимические заводы с углеобогатительными фабриками, заводы огнеупорных изделий.

157

5.3.1. Рудники и обогатительные фабрики

Рудники. Руда и нерудные ископаемые добываются в шахтах или открытым способом. Вскрытие залежей может производится гидравлическим способом с оборотным использованием размывающей породу воды после ее осветления отстаиванием. Расход воды составляет от 8 до 24 м³на 1 т породы.

На рудниках вода расходуется на мокрое бурение забоев буровыми станками и перфораторами, обеспыливание забоев, орошение горной массы отвалов и пылеподавление на погрузочных и разгрузочных площадках. На поверхности шахт вода расходуется на водоснабжение котельной, охлаждение компрессоров, выпрямителей тока тяговых подстанций, на нужды ремонтно-механических мастерских и бытовые нужды. Охлаждение оборудования осуществляется по оборотной схеме. Общий расход воды на 1 т добытой горной массы составляет от 0,1 до 1 м³.

Обогатительные фабрики предназначены для отделения от горной массы пустой породы и вредных примесей гравитацией (промывкой), магнитной или электрической сепарацией или флотацией.

При сухом обогащении производится только дробление руды, отборка пустой породы и отделение мелкой пылевой руды. Расход воды при этом незначительный и составляет примерно 0,15 м³на 1 т рудной массы. Она идет на охлаждение подшипников механизмов, обеспылевание и хозяйственно-питьевые нужды. При мокром гравитационном методе обогащение состоит в отделении пустой породы путем промывки рудной массы водой.

При обогащении руды флотацией ее измельчают, взбалтывают в воде, добавляют флотореагенты и флотируют. При этом пустая порода остается в осадке, образуя вместе с водой пульпу, а полезные минералы переходят в пену. Вода при этом процессе используется для приготовления реагентов, промывку и как среда транспортирующая и поглощающая загрязнения. Общее потребление воды на охлаждение оборудования, обеспылевание и др. технологические и бытовые нужды на 1 т железорудной массы, обогащаемой флотацией с предварительным гравитационным обогащением и магнитной сепарацией составляет до 8 м³. Расход свежей воды составляет около 30%. Система водоснбжения обогатительных фабрик - оборотная с очисткой воды в хвостохранилищах или шламонакопителях. (рис. 5.13)

Оборотная схема водоснабжения, представленная на рис. 5.13, предполагает предварительную обработку коагулянтами не всего образующегося стока фабрики, а только содержащего флотореагенты. Этот

157

Рис. 5.13. Схема водоснабжения обогатительной фабрики: 1 - рудопромывочная фабрика; 2- флотационная фабрика; 3 - отстойники; 4 - шламонакопитель; HC-I - насосная станция первого подъема; HC-IШ -то же второго подъема

сток направляется в радиальные отстойники, а затем после отстаивания в шламонакопители. Осадок из отстойников поступает в поток сточной воды, не содержащий флотореагентов, для коагуляции им мелкодисперсной взвеси и далее вместе с этой водой поступает в шламонакопитель, где осветляется и затем подается насосной станцией второго подъема на промывку и флотацию. Восполнение потерь обеспечивается свежей водой, которая подается из источника насосной станцией первого подъема.

158

5.3.2. Агломерационные фабрики

Агломерационные фабрики могут располагаться у рудообогатительных фабрик или на металлургических заводах. Они предназначены для спекания в куски шихты, состоящей из продуктов флотации, переработки мелких руд и пылеватых материалов доменных пылеуловителей сухой газоочистки сталеплавильных цехов и окалины прокатных цехов в окускованный материал для загрузки в доменную печь. Суммарное потребление воды на аглофабриках составляет от 3,5 до 6,8 м³на 1 т агломерата и зависит от технологических особенностей производства и от применяемых пылеулавливающих аппаратов, в которых пыль смешивается с водой. Вода идет на обеспыливание шихтовых материалов и увлажнение шихты, охлаждение горнов и масла подшипников эксгаустеров, электродвигателей, барабанов, охлаждение агломерата, гидроуборку полов и стен помещений, мокрую газоочистку, гидротранспорт пыли от аппаратов газоочистки (скрубберов), а также на хозяйственно-бытовые нужды.

По характеру использования воды потребители аглофабрик подразделяются на три группы:

1. Потребители, использующие воду для охлаждения и гидроуплотнения оборудования. Эта вода не загрязняется, а только нагревается. Отработанная вода от воздухоохладителей эксгаустерного отделения собирается в резервуар чистой воды и насосами подается на

158

использование для охлаждения горна агломерационных, машин и уплотнения сальников насосов. Вода от потребителей повторного использования, если ее температура не превышает 30°С, является допустимой для мокрой газоочистки, может подаваться на аппараты мокрой очистки и охлаждение агломерационных газов зоны спекания. Используемая вода не должна содержать взвеси > 50 мг/л, вызывать коррозию металла и отложение солей жесткости.

2. Потребители, у которых используемая вода нагревается и загрязняется (гидросмыв пыли из газоочистных аппаратов, смыв полов и стен, промывка шламопроводов др.). Здесь содержание взвеси допускается до 150-200 мг/л.

3. Потребители, у которых происходит полная потеря воды (увлажнение шихты в смесительных барабанах, питание форсунок и др.). На эти цели может быть использована вода грязного цикла от потребителей второй группы.

Система водоснабжения агломерационных фабрик оборотная с разделением на циклы чистой охлаждающей воды (с градирней) и грязной воды (с отстойниками и градирней) рис. 5.14. Расход оборотной воды чистого цикла 0,7 - 1,7 м³, а грязного - 3 - 5 м³на тонну агломерата. Задержанный в отстойниках шлам используется в агломерационном процессе.

Рис. 5.14. Схема оборотного водоснабжения грязного цикла аглофабрики: 1 - приток шламовых вод; 2 - приемная камера; 3 - насосы; 4 - гидроциклоны; 5 - классификаторы; 6 - радиальные отстойники; 7 - насосы осветленной воды; 8 - вакуум-фильтры; 9 - транспортер на шихтовый склад; 10 - подача воды на повторное использование

159

5.3.3. Металлургические комбинаты

Современные металлургические комбинаты име:от сложные системы водного хозяйства, включающие до 30 и более оборотных циклов, обеспечивающих потребности в воде отдельных производств, отличающихся качеством воды и необходимыми напорами в сети (рис. 5.15). Число систем оборотного водоснабжения принимается по числу производств.

Для выплавки 1 т металла на металлургических комбинатах с полным циклом расходуется до 300 - 350 м воды.

Рис. 5.15. Схема оборотного водоснабжения металлургического комбината: А -доменный цех; Б - газоочистка; В - сталеплавильный цех; Г - прокатный цех; Д разливочные машины; Е - коксохимический цех; Ж - ТЭЦ и паровоздуходувная станция; 3 - цех огнеупоров; И - химводоочистка; К - прочие цехи: 1 - насосные станции циклов оборотного водоснабжения; 2 - отстойники; 3 - брызгальные бассейны; 4 - насосная станция первого подъема

На металлургических комбинатах с полным технологическим циклом выплавляется чугун, затем переплавляемый в сталь, изготавливаются различные профили проката или трубы. В комплексе современного металлургического комбината имеются коксохимическое, огнеупорное и другие производства, а также ТЭЦ, паровоздуходувные

160

станции (ПВС), механический, транспортный и другие вспомогательные цеха. Чугун выплавляется в непрерывно действующих доменных печах с использованием в качестве топлива кокса и природного газа. Сталь выплавляется из чугуна и металлического лома в непрерывно действующих мартеновских печах, периодически действующих электропечах или конверторах. Получающиеся слитки стали затем нагревают и превращают в различные профили на прокатных станах, для изготовления изделий. На ряде заводов применяется непрерывная разливка стали в общий профиль. Многие сорта профильного металла подвергаются дополнительной обработке травлением кислотами, термической обработке и т.п.

При производстве чугуна и выплавке стали вода расходуется главным образом на охлаждение металлургических печей (60 - 70%), а также на конденсацию отработавшего пара на ТЭЦ и ПВС. Значительное количество воды расходуется на очистку дымовых газов доменного и сталеплавильного производства, а также на охлаждение прокатных станов, металла, шлака (35 - 25%), остальная вода (до 5%) расходуется на прочие нужды,

В состав металлургических комбинатов входят теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) и паровоздуходувная станция (ПВС) при доменном цехе, а также кислородная станция, вырабатывающая кислород для доменного и сталеплавильного цехов, являющиеся наиболее крупными потребителями воды. На паровоздуходувных и силовых станциях вода расходуется на питание и продувку котлов, охлаждение конденсаторов, масле и воздухоохладителей, подшипников, золоудаление, сероочистку и др.

Питание котлов осуществляется химически очищенной водой высокого качества, в которой недопустимо присутствие механических примесей и солей жесткости. Полученный в котлах пар, пройдя турбину, поступает в конденсаторы и снова в виде конденсата возвращается в котел. Потери в этом цикле составляют 3 - 5% общего расхода воды, циркулирующей в системе. Расход пара 4,5 - 5,5 кг на 1 ·чт·ч в зависимости от величины вакуума в конденсаторах.

Продувка котлов с добавкой свежей воды производится для поддержания требуемого состава минеральных примесей. С учетом собственных нужд водоумягчительной установки суммарный расход воды для котлов составляет 0,8 - 0,9 л на 1 кВт мощности.

Конденсаторы силовых станций - наиболее крупные водопотребители на металлургических комбинатах. Их значение состоит в сохранении заданного вакуума при выходе пара из турбины, превращении пара в конденсат для возврата его в котел и для удаления воздуха и газа из конденсата. По своему устройству конденсаторы бывают одноходовые и двухходовые.

161

Глубина вакуума, а следовательно, и расход пара зависят от температуры охлаждающей воды и ее количества. При температуре охлаждающей воды 15 - 16°С и кратности охлаждения т = 60 вакуум принимают равным 96%. При подборе конденсаторов важное значение имеет отношение массы охлаждающей воды к массе конденсируемого пара, именуемого кратностью охлаждения,

n =

W

G

 

• где W - масса охлаждающей воды, т/ч;

• G - масса охлаждаемого пара, т/ч.

При прямоточном водоснабжении кратность охлаждения принимают 80 - 100 и используют одноходовые конденсаторы, а при оборотном --кратность охлаждения - 50 - 70 и применяют двухходовые конденсаторы.

Для ориентировочных подсчетов в среднем принимают расход пара 5 кг на 1 кВт·ч при кратности охлаждения n = 60 расход воды в конденсаторах составляет 0,3 м³на 1 кВт·ч.

По качеству вода, подаваемая в конденсаторы, не должна содержать песок и другие минеральные примеси в количестве более 100 мг/л и в отдельных случаях до 300 - 400 мг/л, временная жесткость не более 4 мг·экв/л; а отработавшая вода ничем не загрязнена и может быть использована другими водопотребителями завода.

Удельный расход воды в паровоздуходувных станциях (ПВС) составляет около 40 м³на I т чугуна.

Поскольку большая часть воды идет на охлаждение лимитирующими показателями качества воды являются температура воды, содержание взвешенных веществ и их дисперсный состав, карбонатная и общая жесткость воды и солесодержание.

В зависимости от технологических требований к качеству воды и особенностями производства можно выделить несколько групп водопотребителей:

1. Доменные и коксовые печи, нагревательные печи прокатного производства, электроплавильные и мартеновские печи, конвертеры, конденсаторы паровоздуходувных станций (ПВС) и теплоэлектростанций (ТЭС), компрессорные и кислородные станции (содержание взвешенных веществ до 20 - 50 мг/л, жесткость карбонатная Ж_к≤ 3 мг·экв/л, температура до 30°С).

2. Кристаллизаторы установок напрерывной разливки стали (содержание взвешенных веществ до 20 - 50 мг/л, Ж_к≤ 1 мг-экв/л, температура до 30°С).

3. Установки по очистке загрязненных газов доменного, сталеплавильного и агломерационного производства (допускается содержание взвешенных веществ до 150 мг/л).

162

4. Установки гидротранспорта отходов металлургического производства (зола, шлак, окалина) (допускается содержание взвешенных веществ до 300 мг/л, любая температура и солесодержание).

5. Установки кондиционирования воздуха и санитарно- технические устройства, требующие подачи воды питьевого качества. Основное количество воды на металлургических комбинатах (до 75%) расходуется на охлаждение доменных, сталеплавильных и нагревательных печей и на конденсацию пара на воздуходувных и электрических станциях. Остальная часть воды расходуется на охлаждение оборудования и продукции (газа, металла), а также транспортирование механических примесей и прочие нужды.

Системы водного хозяйства металлургических комбинатов обеспечивают производственные, противопожарные и хозяйственно-питьевые нужды потребителей и проектируется в соответствии с основными принципами проектирования систем общего и производственного водоснабжения промышленных предприятий (см. п.1 ). Они включают водозаборные сооружения, водоводы, разводящие сети, системы противопожарного водопровода, шламонакопители и хвостохранилища, сооружения для охлаждения и очистки оборотных вод, циркуляционные насосные станции, очистные сооружения дождевых стоков. Применяются оборотные схемы водоснабжения и схемы с последовательным использованием воды после ее охлаждения или очистки, а также без предварительной очистки, если это допустимо по технологическим требованиям. Наиболее оптимальной с точки зрения экономии водных ресурсов и защиты окружающей среды является применение замкнутых систем водного хозяйства металлургических комбинатов с извлечением из сточных вод и использованием полезных отходов в производстве продукции.

163

5.3.4. Доменные цеха

В доменных цехах производится выплавка чугуна из шихты (смесь руды с коксом и известняком). Для интенсификации процесса в доменную печь воздуходувками подается нагретый воздух, а также кислород, получаемый на специальных станциях, и природный газ. Продукты производства · чугун и шлак. Шлак подается на грануляционную установку и затем утилизируется. Доменный газ после предварительной очистки используется как топливо.

Вода расходуется на увлажнение шихты, охлаждение доменных печей и арматуры, для предотвращения их разрушения, (так, например, клапаны воздухонагревателей работают при температуре проходящих через них газов и воздуха 800°С и более), воздухонагревателей и на другие нужды. Кроме того, вода в доменном цехе расходуется на грануляцию

163

шлака, охлаждение чугуна на разливочных машинах и в подбункерных помещениях для уборки пыли и просыпавшейся шихты.

Для охлаждения доменной печи применяется водяное и испарателыюе охлаждение. Потребление воды доменными цехами составляет 16 - 20% общего количества потребляемой воды. Система охлаждения доменной печи состоит из холодильников, фурм, чугунной и шлаковой леток, напорной сети водопроводных труб, снабжающих холодильники водой, системы самотечных труб, отводящих отработанную воду. Схема водоснабжения доменной печи показана на рис. 5.16 а.

Рис. 5.16 а. Схема водяного охлаждения доменной печи: А - шахта; Б - распар; В - заплечики доменной печи; Г - горн; Д - фурмы; Е - металлоприемник; 1 - сеть нижней зоны водоснабжения; 2 - сеть верхней зоны водоснабжения; 3 - сеть высокого напора (для подачи воды на колошник и промывку холодильников); 4 - кольцевая труба от верхней зоны для наружной поливки шахты печи; 5 - водоотводящий трубопровод; 6 - сборный бачок отработавшей воды; 7 - переливные козырьки для наружной поливки печи; 8 - насос для повышения напора; 9 - обратные клапаны

Водоснабжение доменного цеха может быть однозонным и двухзонным. В последнее время водоснабжение доменных печей

164

устраивается однозонным, при котором вся охлаждающая вода подается в холодильники под одним общим напором, обеспечивающим ее поступление в наивысшую точку домны.

Для обеспечения бесперебойности водоснабжения вода к доменному цеху подается по двум самостоятельным работающим водоводам и сетям с перемычками между ними. На вводах к печам устанавливаются электроприводные задвижки и обратные клапаны, препятствующие обратному току воды из водопроводного кольца доменной печи в случае аварии на одном из водоводов. Управление задвижками дистанционное.

Для периодической промывки холодильников и перепускных клапанов предусматривается водопроводная сеть высокого давления с напором 70 - 100 м. Необходимый напор оборотной воды в сети у доменных печей от 45 до 70 м.

Расход воды определяется тепловыми нагрузками и температурным перепадом, который по конструктивным соображениям обычно не превышает 6 - 8°С в среднем и имеет максимальную величину 2 - 4°С для лещади и 12 - 14°С для фурменной зоны. Расход воды для доменной печи достигает 1,45 - 1,55 м³/ч на 1 м³объема печи.

Отработанная вода доменных печей относится к условно чистой, в результате чего водоснабжение доменного цеха может быть осуществлено по любой схеме. Наиболее распространенной является последовательная схема использования воды, при которой вода, подаваемая насосной станцией на доменные печи, предварительно проходит конденсаторы ТЭЦ и ПВС. При такой схеме для обеспечения надежности водоснабжения доменного цеха необходимо, кроме подачи отработанной воды после охлаждения конденсаторов турбин, предусмотреть также подачу воды непосредственно из водоводов насосной станции первого подъема.

При оборотной схеме (рис. 16 б) к составу сооружений добавляют охладители воды доменного цеха и сеть отработанной воды между доменным цехом и охладителями. В качестве охладителей при наличии свободных площадей предпочтительнее применять брызгальные бассейны, в которых создаются большие запасы воды, обеспечивающие водоснабжение доменного цеха в течении 5-6 часов. Однако площадь, занимаемая бассейнами, примерно в 5 - 6 раз превышает площадь капельных или пленочных градирен и, кроме того, они должны быть удалены на 80-100 м от ближайших заводских сооружений с целью предохранения последних от обледенения.

Сети водоснабжения доменного цеха прокладывают обычно в тоннелях, обязательно в две нитки с двумя подводами воды к доменным печам.

Водоснабжение подбункерных помещений. В современных доменных печах шихту к спиковой яме подают транспортерами. При такой подаче пыль осаждается на полу и стенах подбункерных помещений.

165

Рис. 5.16 б. Схема оборотного водоснабжения доменного цеха: 1 - градирня; 2 - насосы высокого напора; 3 - водосборник; 4 - насосы низкого напора; 5 - трубопровод высокого давления; 6 - трубопровод отработанной воды; 7 - трубопровод низкого давления; 8 - трубопровод добавочной воды; 9 - доменная печь; 10 - воздухонагреватели

Уборка помещений от осевшей пыли и просыпи осуществляется гидравлическим способом при помощи переносных шлангов или при помощи стационарных дырчатых труб и сопел. Вода от уборки помещений самотеком по лоткам поступает в отстойник и после отстаивания снова используется.

Расход воды для гидротранспортировки пульпы по лоткам определяют в зависимости от количества просыпающейся шихты и пыли в сточной воде и уклона лотка (рис. 5.17).

Водоснабжение установок грануляции шлака, Возможны два способа грануляции шлака:

1. Мокрый, при котором шлак от доменной печи подается передвижными ковшами к бассейну, сливается в воду, гранулируется и, превратившись в пескообразный материал, грейферными кранами выгружается из бассейна на склад гранулированного шлака. Удельный расход воды при этом составляет 1 м³на 1 т шлака. Система водоснабжения грануляционной установки оборотная с пополнением

166

безвозвратных потерь воды в бассейне. Сброс воды из бассейна в водоем ввиду наличия в них сернистых соединений не допустим.

2. Полусухой способ, при котором гранулированный шлак получается в виде стекловидных зерен и при дальнейшем использовании для выработки цемента повышает качество последнего. При таком способе удельный расход воды составляет 0,5 м³на 1 т шлака.

Рис. 5.17. Графики для определения расхода воды для гидротранспорта: а - при транспортировке просыпи по лотку шириной 200мм; 1 - уклон 0,04; 2 - уклон 0,03; 3 - уклон 0,02; б - при транспортировке пыли по лотку шириной 100 мм; 1 - уклон 0,03; 2 - уклон 0.02 шириной 200 мм; 3 - уклон 0,03; 4 - уклон 0,02

Грануляция шлака этими способами осуществляется в стороне от доменного цеха. К преимуществам этого способа следует отнести устранение влияния пара и влаги на обслуживающий персонал и на сооружения и коммуникации доменного цеха. К недостаткам следует отнести наличие шлаковозных ковшей. При непрерывном выпуске шлака уборка его ковшами становится затруднительной. Тогда грануляция шлака производится при доменных печах (рис. 5.18). Шлак из печи попадает в приемник доменной печи, одновременно смачивается небольшими порциями воды, в результате получается шлак в полурыхлом состоянии, легко разбираемый грейферным краном; недостаток этого способа -обильное парообразование вблизи печи с выделением сернистых соединений, опасных для обслуживающего персонала и разрушающих металлоконструкции сооружений. При этом способе расход воды равен 0,5 м³на 1 т шлака.

Для получения гранулированного шлака - шлак из печи выливается в камеру и попадает под струю воды, подаваемую под давлением 6-8 атм. Гранулированный шлак, накапливающийся в виде пульпы в бункере, представляет собой подвижную массу, поступающую на обезвоживание. Расход воды составляет 3 м³на 1 т шлака.

Выделяющийся при грануляции пар и газ содержащий сернистые соединения, отводятся в дымовую трубу.

167

Рис. 5.18 Схема водоснабжения придомениой грануляционной установки: 1 - гранулировочный агрегат; 2 - приемный бункер; 3 - скруббер; 4 - баггерный насос; 5 - пульпопроводы; 6 - охладительное устройство; 7 - обезвоживающий бункер; 8 -сборник воды; 9 - резервуар-отстойник; 10 - приемная камера насосной станции; 11 -насос оборотной воды; 12 - грейфер

Водоснабжение разливочных ковшей. Технологическим процессом разливки чугуна предусмотрена поливка лент и мульд с жидким чугуном водой по мере их движения для того, чтобы к концу пути чугун в мульдах затвердел, а его температура снизилась до 600 °С. Чугунные чушки падают в металлические платформы под лентами и охлаждаются водой до тех пор, пока их температура не снизится до 60-70°С. Вода собирается в лотки и направляется в песколовку и отстойник. Схема водного хозяйству типовой разливочной машины, приведена на рис. 5.19.

Рис. 5.19. Схема водного хозяйства типовой разливочной машины: 1 - отстойники; 2 - контактный резервуар; 3 - песколовка; 4 - разливочные машины; 5 - здание опрыскивателей; 6 - здание известкового хозяйства; 7 - здание постов управления; 8 - здание кантовальных лебедок; 9 - насосная станция; 10 - приемные колодцы;11 -установки опрыскивателей; В_о- вода осветленная; В_г- вода грязная; В_с--вода свежая; И_ш- известковый шлам

168

Водоснабжение разливочных машин оборотное. Количество взвешенных веществ в воде до песколовки составляет 2500 мг/л. После отстойников количество взвешенных веществ в воде снижается до 150 - 200 мг/л. Напор воды для разливочных машин должна быть 30 м.

169

5.3.5. Цеха очистки доменного газа

В цехах очистки доменного газа вода служит поглотителем механических примесей, растворителем газов и некоторых минералов, содержащихся в колошниковой пыли, а также охладителем и транспортирующей средой поглощенных примесей. В трубах Вентури, скрубберах и в электрофильтрах охлаждаемый и очищаемый газ движется навстречу струям воды.

Водное хозяйство доменной газоочистки, как правило, принимается по замкнутому оборотному циклу, так как по условиям охраны водоемов сброс таких сточных вод без очистки запрещен. Сточные воды газоочистки, кроме механических примесей (мелкие фракции шихты, не осевшие в сухих пылеуловителях), содержат токсичные цианистые и родонистые соединения.

Среднее содержание пыли в 1 м газа перед тонкой газоочисткой составляет 5 г при работе печей с повышенным и высоким давлением и 15 г при работе печей с обычным давлением. Расходы воды на газоочистку на действующих установках при обычном давлении газа под колошником на 1000 м³газа составляют 5-6 м³, в том числе на охлаждение газа в скрубберах 4,5 м³, на непрерывную промывку электроосадительных труб электрофильтров 1,1 м³и на периодическую промывку электрофильтров 0,4 м³.

Суммарный расход воды при повышенном и высоком давлениях газа под колдошником составляет около 3,2 - 4,5 м³на 1000 м³. Удельные расходы воды на очистку доменного газа зависят от температурного режима очистки (температуры газа, исходной воды и температурного перепада). Вода в процессе ее использования для очистки доменного газа обычно нагревается на 10-20°С.

Качество подаваемой воды на газоочистку регламентируется содержанием механических примесей (50-80 мг/л на скрубберы и 120 - 150 мг/л на периодическую промывку электродов) и температурой не более 35 - 40°С.

В водное хозяйство газоочистки (рис. 5.20.) входят насосная станция, обычно совмещенная с насосной станцией доменного цеха, вентиляторная градирня, радиальные отстойники со шламовой насосной станцией, самотечные лотки и напорные трубопроводы.

Лотки, подающие грязную отработанную воду из газоочистки в радиальные отстойники, должны иметь минимальную протяженность и

169

уклон, обеспечивающий скорость 1,10-1,25 м/с.

Рис. 5.20. Схема водного хозяйства доменной газоочистки: 1 - газоочиска; 2 - самотечные лотки; 3 - радиальные отстойники; 4 - шламовая насосная станция; 5 - туннели всасывающих трубопроводов; 6 - насосная станция; 7 - трубопроводы нагретой воды; 8 - трубопроводы охлажденной воды; 9 - градирня; 10 - трубопровод добавочной свежей воды

Для подачи охлажденной воды на газоочистку обычно принимают насосы среднего давления с напором 40-45 м, с установкой их под заливом; градирни-вентиляторные, секционные с нагрузкой до 5-7 м³/ч на 1 м полезной площади градирни; отстойники-радиальные с удельной нагрузкой 1,5 - 2,5 м³/ч на 1 м²полезной площади. Повышение удельной нагрузки до 3-4 м³/ч на 1 м²и эффекта осветления возможно за счет применения коагулянтов и флокулянтов.

Для предотвращения образования карбонатных отложений на градирнях в трубах и газоочистных аппаратах оборотную воду подвергают рекарбонизации углекислотой доменного газа, вводя его в резервуар насосной станции.

170

5.3.6. Сталеплавильные цеха

В сталеплавильных цехах производится выплавка стали из чугуна конвертерным, мартеновским или электродуговым способами.

В мартеновских цехах вода расходуется на охлаждение отдельных элементов печи, кислородных фурм, на очистку газа (при мокрой газоочистке за мартеновскими печами), а также на поливку рабочей

170

площадки у печей, заливку шлака, охлаждение инструмента, мойку механизмов и т.п.

При водяном охлаждении мартеновской печи водой охлаждаются головки (фурмы и форсунки в мазутных печах), передние стенки рамы и заслонки завалочных окон, передние, а иногда и задние пятовые балки, перекидные клапаны и шиберы.

Система охлаждения мартеновской печи при водяном охлаждении (рис. 5.21) состоит из отдельных холодильников, которые постоянно охлаждаются циркулирующей в них водой. На современных печах охлаждение головок осуществляется с помощью кессонов. Вода из внутрицеховых водоводов поступает в коллектор, от которого предусмотрен самостоятельный подвод воды к каждой охлаждаемой детали.

Отработанная вода сливается в приемные коробки и далее в отводящий коллектор за пределы цеха. В процессе охлаждения вода нагревается на 10-15°С, не загрязняется и может быть использована в оборотном цикле водоснабжения.

Рис. 5.21. Схема водяного охлаждения мартеновской печи: 1 - кессон; 2 - заслонка; 3 - рама; 4 - воронка; 5 - гребенка; 6 и 7 - обратные водоводы № 1 и 2; 8 и 9 - главные падающие водоводы № 1 и 2

Общий расход воды при водяном охлаждении всех элементов мартеновской печи составляет 10 -15 м³на 1 т стали. Добавка свежей воды на восполнение потерь в системе составляет 4-6 % общего расхода. Напор воды в сети на вводе воды в цех составляет 25 - 30 м, кроме кислородных фурм, где требуется вода с напором 80 - 100 м.

Схема водопроводной сети мартеновского цеха приведена на (рис.5.22.). От магистральных водоводов или водопроводного кольца вода

171

поступает в цех по вводам 1 в водопроводные линии 2, уложенные параллельно внутри цеха. К охладительным устройствам вода подводится по линиям 3 через водопроводное кольцо 4, уложенное по верху каждой мартеновской печи (МП). Отработавшая нагретая вода сливается в коллектор 5, по которому она поступает на охладительное сооружение (градирню или брызгальный бассейн). В зависимости от местных условий одна из линий 2 может быть уложена с другой стороны сталеплавильных печей.

В случае понижения давления в одной из линий внешней водопроводной сети на соответствующем вводе 1 автоматически закрывается обратный клапан 6, благодаря чему вода не пойдет обратно во внешнюю водопроводную сеть. В сталеплавильном цехе не допускается не только перерыв в подаче воды, но и уменьшение ее количества или снижение напора, так как это влечет за собой нарушение нормального хода плавки стали в печах. Для обеспечения бесперебойной подачи воды в мартеновский цех устраивают водонапорную башню с запасом воды на 20-30 мин ее расходования.

Рис.5.22. Схема водопроводной сети мартеновского цеха: 1 - подача воды; 2 - магистральные водопроводные линии; 3 - подводящие линии; 4 -водопроводное кольцо печи; 5 - отвод отработавшей нагретой воды; МП -мартеновская печь

Основными недостатками водяного охлаждения являются значительное недопотребление и быстрый прогар водоохлаждаемых элементов в результате отложений солей и взвесей.

Применение испарительного охлаждения мартеновских печей позволило увеличить срок службы водоохлаждаемых элементов печей в 4-6 раз по сравнению с водяным охлаждением, а общий расход на выплавку 1 т стали снизить до 1 - 0,3 м³. Поэтому сейчас в нашей стране все мартеновские печи переведены на испарительное охлаждение, а в качестве резерва сохранено водяное охлаждение. На (рис. 5.23), приведена

172

принципиальная схема испарительного охлаждения одной половины мартеновской печи с естественной циркуляцией.

Рис. 5.23. Схема испарительного охлаждения мартеновской печи с естественной циркуляцией: 1 и 9 - общецеховые водоводы; 2 - бак-сепаратор; 3 - регулятор питания; 4 - кессон; 5 - гидравлический затвор; 6 - сливные баки; 7 - рамы; 8 - пятовые балки

Применение кислорода для увеличения производительности мартеновских печей вызвало необходимость очистки отходящих газов за мартеновскими печами, содержащих большое количество пыли (до 4 г/м³). Для очистки этих газов применяют в основном мокрые газоочистки, в результате чего образуются сточные воды, загрязненные механическими и растворимыми примесями, которые необходимо очищать.

Расход воды на газоочистку составляет 0,3 - 0,8 м³на 1000 м³газа, что соответствует 1,6 - 4,2 м³/т выплавляемой стали. В газоочистке вода нагревается на 40 - 45°С и при оборотном водоснабжении газоочистки без охлаждения воды температура оборотной воды устанавливается в пределах 60-65°С, а потери воды на испарении достигают 10 - 15% от общего

173

расхода воды. Требуемый напор воды на газоочистку в зависимости от конструкции находится в пределах 50 - 60 м. Для очистки сточных вод мартеновской газоочистки применяются радиальные отстойники с гидравлической нагрузкой до 1 мЗ/ч на 1 м², а также безнапорные гидроциклоны с нагрузкой в них 5-6 м³/ч на 1 м².

В кислородно-конверторных цехах вода расходуется на охлаждение фурм, каминов, подшипников дымососов, орошение и охлаждение газов, поливку пола и пр. В зависимости от способа охлаждения конвертора, отвода и очистки отходящих газов расходы воды составляют от 5 до 13,5 м³на 1 т стали. Из этого количества примерно 35% воды не загрязняется и ее можно повторно использовать. Остальная вода в количестве до 65% общего расхода воды загрязняется и требует очистки для возможности ее повторного использования. К потребителям чистой воды кислородно-конверторного цеха вода подается с напором 45 - 55 м, на охлаждение фурм под напором до 120 м и на газоочистку с напором 40 - 60 м.

В электросталеплавильных печах вода требуется для охлаждения некоторых ее элементов: зажимов электродержателей, сводового кольца экономайзеров, арки рабочего окна рамы, окна загрузки, заслонки, а также очистку отходящих газов.

Охлаждение может быть водяным и испарительным. При водяном охлаждении расход воды на дуговые печи составляет в среднем 18 м³/т стали (без учета газоочистки). Температурный перепад составляет от 5 до 12°С, вода ничем не загрязняется и может быть повторно использована.

При испарительном охлаждении электродуговой печи из-за сравнительно малых потерь тепла применяют простые схемы с естественной циркуляцией.

При мокрой системе очистки отходящих газов электродуговой печи удельный расход воды в зависимости от объема печи и системы газоочистных аппаратов составляет от 1 до 4 м³на 1000 м³газа или 1,5 - 6 м /т выплавляемой стали.

Система водоснабжения газоочистки должна быть оборотной, а для осветления сточных вод применяют радиальные отстойники и шламонако-пители. При оборотном водоснабжении газоочистки вода характеризуется высокой бикарбонатной и карбонатной щелочностью, величина рН в пределах 8-10,5; общая жесткость достигает 16 мг-экв/л, вода не термостабильна и склонна к образованию отложений в системе водоснабжения - в лотках, градирнях и трубопроводах.

Разливка стали. Изложницы после разливки в них стали на железнодорожных платформах поступают в душирующее отделение, где они охлаждаются водой. Расход воды на одну установку для охлаждения составляет 300 - 550 м³/ч; общее время работы установки от 4 до 12 ч в

174

сутки. Около 40% воды, подаваемой на охлаждение изложниц, испаряется, остальная загрязненная вода поступает на очистку.

После охлаждения в душирующем отделении изложницы поступают в отделение гидроочистки, где струями воды под большим давлением осуществляют гидравлическую очистку их внутренних полостей. Установка гидроочистки изложниц потребляет от 40 до 80 м³/ч воды, из которых до 40% испаряется.

При непрерывной разливке стали на машинах непрерывного литья заготовок вода расходуется на охлаждение машин и механизмов кристаллизаторов, обжимных валков, тянущих клетей, газовых резаков, прижимных колодок, а также на охлаждение продукции и гидротранспорт окалины. Вода, идущая на охлаждение машин и механизмов, в процессе работы не загрязняется, а только нагревается на 12-15°С. Удельный расход воды на эти цели составляет около 3 м³/ч на 1 т разлитой стали. К кристаллизаторам и резакам вода подается с напором 80 м к остальным потребителям под давлением 20 - 30 м. Расход воды на вторичное охлаждение продукции в зависимости от марки стали и сечения слитка составляет от 0,25 до 2 м³на 1 т разлитой стали, подается эта вода под давлением 90 м. До 20% этой воды испаряется, остальная, стекает в приямок, служащий первичным отстойником. Для уборки окалины из-под рольгангов устраивается система гидросмыва, расход воды на одну установку составляет 80 - 150м³/ч.

Для одного ручья машины непрерывного литья максимальный расход на кристаллизатор и охлаждение механизмов составляют 610 м³/ч, на вторичное охлаждение 80 м³/ч и на гидросмыв 150 м³/ч. Продолжительность рабочего цикла разливки 70 - 75 мин, общее число часов работы установки 5 - 7 в сутки.

Для различных установок в сталеплавильных цехах обычно применяют два цикла оборотного водоснабжения, использующие для охлаждения незагрязненную и загрязненную воду.

175

5.3.7. Прокатные цеха

В прокатных цехах слитки превращают в металл самого разнообразного профиля после его нагрева в печах или нагревательных колодцах и прокатки нагретых слитков.

Во всех новых и реконструированных прокатных и трубопрокатных цехах, как правило, применяется только оборотное водоснабжение (рис. 5.24). При этом незагрязненные воды подвергают только охлаждению, а воды, загрязненные окалиной и маслом, - отстаиванию и затем охлаждению.

Для охлаждения валков станов горячей прокатки, роликов, рольгангов и пил обычно используют оборотную воду грязного цикла,

175

прошедшую двухступенчатую очистку в отстойниках и охлажденную в градирне. Нормальная температура воды для потребителей прокатных цехов составляет 28- 30°С, а в отдельных случаях может подниматься до 35 - 40°С.

Рис. 5.24. Схема оборотного водоснабжения прокатного цеха: 1 - ножницы; 2 - прокатные клети; 3 - первичный отстойник (яма для окалины); 4 -обжимная клеть; 5 - маслоохладитель; 6 - нагревательные печи; 7 - вторичный отстойник; 8 - насосная станция оборотной воды; 9 - охладитель оборотной воды

Гидросбив окалины. Для удаления окалины с прокатываемого металла применяется гидросбив струёй воды давлением 100-200атм. Для этих целей требуется чистая вода, которая может быть использована из грязного оборотного цикла, предварительно отфильтрованная на фильтрах,

Гидросмыв окалины. Окалина в процессе прокатки под станами и рольгангами удаляется гидросмывом. Расход воды на гидросмыв окалины определяется из расчета от 5 до 15 кг окалины на 1 м³воды в зависимости от крупности окалины со скоростью протока воды по лоткам от 1,5 до 2,5 м/с, что обеспечивается уклонами лотков. В целях сокращения расхода воды на смыв окалины в последнее время стали применять периодический смыв окалины при помощи сифонных бачков, устанавливаемых в тупиковых участках лотков.

Для охлаждения подшипников прокатных станов требуется подача чистой воды. Для этих целей подают на подшипники воду грязного цикла, отфильтрованную на напорных или безнапорных фильтрах.

176

Водоснабжение машинных залов состоит из охлаждения ртутных выпрямителей или тиристорных устройств, которое осуществляется по внутреннему замкнутому оборотному циклу дистиллированной воды с охлаждением ее в теплообменнике технической водой, а также охлаждения воздуха и масла в воздухоохладителях и маслоохладителях технической водой.

Максимальная температура воды на охлаждение воздуха не должна превышать 28°С, а содержание взвешенных веществ не более 5-10 мг/л.

Водоснабжение печей и других нагревательных устройств. В печах прокатных цехов вода проходит закрытые холодильники и непосредственно с прокатываемым металлом не соприкасается. Таким образом, в процессе производства вода не загрязняется, а лишь нагревается от 2 - 3 до 15 - 20° С. Нагревательные печи в большинстве случаев охлаждаются водой чистого оборотного цикла, а иногда в результате повторного использования оборотной или свежей воды после воздухоохладителей машинных залов, что в сильной степени сокращает расход чистой оборотной воды.

В прокатных цехах особое внимание должно быть обращено на обеспечение бесперебойного поступления воды к нагревательным печам во избежании аварийного разрушения элементов печей. Для аварийных ситуаций предусматривается запас воды на 20 - 30 мин работы печи, который подается от водонапорной башни. Прекращение подачи воды к прокатным станам также недопустимо, т.к. при этом они должны быть оставлены во избежании порчи подшипников и валков. Допускается лишь кратковременное снижение подачи на 30%.

177

5.3.8. Коксохимические заводы

Коксохимические заводы включают коксовые цеха и химические цеха и отделения: улавливания химических продуктов с отделениями конденсации и охлаждения газа, машинное отделение с электрофильтрами, аммиачно-сульфатное отделение с пиридиновыми и обесфеноливающими установками, отделения улавливания и дистилляции бензола, цех отгонки газа от сероводорода с сероводородными и сернокислотными отделениями, смолоразгонный цех.

На действующих предприятиях существуют оборотное и оборотно-прямоточное водоснабжение, причем прямоточное используют только в отдельных случаях для закрытой теплообменной аппаратуры, в которой отработанная вода в процессе использования только нагревается.

Для строящихся и реконструируемых предприятий, из условий ликвидации загрязнения водоемов, как правило, принимают только оборотное водоснабжение,которое осуществляется в виде отдельных замкнутых циклов соответственно технологии производства.

177

Отдельные системы оборотного водоснабжения применяют для углеобогатительной фабрики, тушения кокса, охлаждения газа и химических продуктов в закрытой теплообменной аппаратуре, конечного охлаждения газа в холодильниках непосредственного действия, охлаждения и грануляции пека, охлаждения серной кислоты в оросительных холодильниках и др.

Принципиальная типовая схема оборотного водоснабжения коксохимического производства приведена на рис. 5.25.

Рис 5.25. Схема водоснабжения коксохимического производства: 1 - резервуар добавочной воды; 2 - насосная; 3 - закрытая теплообменная аппаратура; 4 - градирня; 5 - углеобогатительная фабрика; 6 - резервуар оборотной воды; 7 -осветлитель; 8 - резервуар нагретой воды; 9 - потребители добавочной воды; 10 -пополнение оборотных систем (тушение кокса, конечное охлаждение газа и др.)

Как видно из схемы, водоснабжение закрытой теплообменной аппаратуры химических цехов оборотной водой, так же как и подача свежей добавочной воды, централизованно. Объединенная насосная станция располагается в одном узле с градирнями, запасными резервуарами технической воды и сооружениями по очистке и обработке воды. Другие оборотные системы, как правило, решаются локально в составе соответствующих цехов. При оборотном водоснабжении коксохимических производств расход повторно используемой воды

178

составит 23 м³, а свежей 1,73 м³на 1 т кокса. Количество сточных вод 0,42 м³на 1 т кокса.

На углеобогатительных фабриках техническая вода расходуется на обогащение в отсадочных машинах, гидроклассификаторах, грохотах, в установках тяжелых сред и флотации, для очистки нагретого запыленного воздуха в сушильных отделениях, для работы шламовых насосов, вакуум-насосов, воздуходувок и др. Принципиальная схема производственного водоснабжения углеобогатительной фабрики приведена на рис. 5.26.

Вода на углеобогатительных фабриках находится в водо-шламовых оборотных циклах. После осветления в гидроциклонах, отстойниках и шламонакопителях ее используют повторно. Потери воды в обороте, на увлажнение угля, шлама, породы, на испарение и дренаж в отстойниках и накопителях восполняют технической водой.

Циркуляционная вода углефабрики в основном загрязняется механическими примесями до 50 - 60 г/л в виде частичек земли, породы угля и следов флотореагентов. Примерный расход воды на 1 т обогащенного угля составляет: технической воды на восполнение потерь в обороте 0,1 и оборотной воды 3 м³. Для обогатительных фабрик обычно подается техническая и частично нагретая оборотная вода из оборотного цикла теплообменной аппаратуры химических цехов.

Рис. 5.26. Принципиальная схема производственного водоснабжения углеобогатительной фабрики: 1 - регулирующая емкость; 2 - насосная станция; 3 - напорный резервуар; 4 - потребители технической воды; 5- потребители воды из шламового оборотного цикла; 6 - очистные сору-жения (шламонакопитель, отстойники); 7 - насосная станция осветленной воды

Расход воды при тушении кокса. Температура выдаваемого из печи кокса равна 1200 - 1300° С. Тушение его производится мокрым или сухим способом.

При тушении кокса мокрым способом вода в процессе тушения загрязняется мелкими частичками кокса. Система оборотного, водоснабжения состоит из шламовых отстойников, резервуара осветленной воды и насосной станции. Нагретая до 60° вода с содержанием шлама 200 - 300 г/л первоначально направляется в шламовые отстойники, затем насосами подается на тушильную башню. Расход

179

оборотной воды на тушение 1 т кокса 3 - 4 м³, добавочной на пополнение потерь в обороте (испарение в башне, увлажнение кокса) - 0,5 м³.

Пополнение потерь воды в обороте обычно осуществляется оборотной водой из цикла закрытых теплообменников и очищенными фенольными водами. При сухом тушении кокса расход умягченной воды для производства пара на 1 т кокса составляет 0,5 м³.

Водоснабжение закрытой теплообменной аппаратуры. К закрытой теплообменной аппаратуре относятся трубчатые газовые холодильники (первичное охлаждение газа), кожухо-трубчатые холодильники поглотительного масла, конденсаторы-холодильники и другая теплообменная аппаратура закрытого типа, а также различные механизмы (компрессоры, газодувки, насосы), в которых вода используется для охлаждения подшипников, рубашек и др.

Вода после теплообменной аппаратуры нагревается до 45 - 50° С. При ее обороте потери на испарение, унос в градирнях и на продувку (освежение) составляют до 2% общего расхода оборотной воды.

Обычно продувочные воды используют для пополнения потерь воды в загрязненных оборотных системах водоснабжения (углефабрике, на тушение кокса и в конечном охлаждении коксового газа).

Расходы оборотной воды составляют: в отделении конденсации и улавливания на 1 т кокса - 20 м³; в цехе ректификации на 1 т бензола -210 м³; в смолоперерабатывающем цехе на 1 т смолы - 27 м³; в цехе очистки коксового газа от сероводорода на 1000 м³коксового газа- 17 м³.

Конечное охлаждение коксового газа имеет своей целью охлаждение газа до 25-30°С и вымывание из него нафталина перед подачей коксового газа в отделение дистилляции бензола.

В процессе непосредственного контакта воды с газом она нагревается до 40° С и загрязняется фенолами в количестве 0,4 - 1,0 г/л, аммиаком 0,5 - 1,0 г/л, цианистым водородом, роданидами, сероводородом, смолой и маслами 0,1 - 0,2 г/л, нафталином и др. Схема оборотного водоснабжения при конечном охлаждении газа приведена на рис. 5.27.

Освежение оборотной воды осуществляется непрерывной продувкой в систему фенольной воды в размере 2% расхода оборотной воды. Расход оборотной воды на 1000 м³охлаждаемого газа составляет 6,5 м³.

Водоснабжение цеха сероочистки коксового газа. Вода используется для охлаждения серной кислоты в оросительных холодильниках. Расход оборотной воды на 1 т 100% серной кислоты составляет 75 м³. Вода в процессе использования нагревается до 37 - 40°С, потери воды в обороте на испарение составляют 3% от расхода оборотной воды. В состав сооружений оборотного водоснабжения входят установка для нейтрализации кислой воды (при нарушении герметичности холодильников), градирня и насосная станция.

180

Рис. 5.27. Схема оборотного водоснабжения конечного охлаждения коксового газа: 1 - холодилиник; 2 - промыватель; 3 - сборник для смолы; 4 - отстойник; 5 - сборник оборотной воды; 6 - насосы; 7 - вентиляторная градирня

Водоснабжение при грануляции пека. Вода используется для охлаждения и грануляции пека при непосредственном контакте. Расход оборотной воды на 1 т пека составляет 15 м³; вода в процессе использования нагревается до 35 - 40°С и загрязняется частицами пека. Потери воды на испарение и увлажнение пека составляют 10% от расхода оборотной воды.

Повышенные требования к качеству технической воды в основном предъявляются для закрытой теплообменной аппаратуры, где расход охлаждающей воды на современных предприятиях достигает 10 - 15 тыс, м³/ч.

К качеству охлаждающей воды предъявляются следующие основные требования: содержание взвешенных веществ не более 15 мг/л, карбонатная жесткость оборотной воды более 3 мг-экв/л, а при обработке фосфатами - более 5 мг·экв/л, температура воды 20 - 28°С.

В качестве основных мер улучшения качества технической воды на коксохимических предприятиях предусматривается: осветление, фосфатирование, подкисление, хлорирование и купоросование. Осветлению подвергают добавочную и оборотную воду.

181

5.4. Водоснабжение нефтеперерабатывающих заводов, предприятий нефтехимической и химической промышлености

На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) в результате перегонки нефти получают бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, гудрон и

181

другие фракции. В результате дальнейшей нефтехимической переработки этих фракций, производят различные масла, консистентные смазки, парафин, пропилен, полиэтилен, сжиженные газы, серную кислоту и элементарную серу, кокс, битумы и другие нефтехимические продукты.

На нефтеперерабатывающих заводах вода используется главным образом для охлаждения, конденсации и промывки готовой продукции. Основная масса воды до 90 - 95% на нефтеперерабатывающих и химических предприятиях расходуется на охлаждение оборудования и конденсацию. На заводах топливного профиля расходуется от 13,2 до 39,6 м воды на 1 т нефти в зависимости от глубины ее переработки, на заводах топливо-масленного профиля от 27,5 до 68,5 м³, а на НПЗ с некоторыми нефтехимическими производствами до 85 м³на 1 т.

Недопотребление на химических предприятиях по выпуску: этилена и пропилена, полипропилена, бутиловых спиртов, синтетических жирных спиртов, циклогексана - составляет от 550 до 120 м³на 1 т продукта.

На всех перечисленных производствах вода в основном расходуется на охлаждение продукта и сырья в закрытых теплообменных аппаратах, на охлаждение компрессоров, в незначительных количествах на кондиционирование воздуха, химводоочистку, периодическую промывку аппаратов и емкостей, а также во вспомогательных цехах. Система водоснабжения основных потребителей воды оборотная с градирнями, для мелких потребителей - прямоточная. Добавочная вода предварительно осветляется. Химически загрязненные сточные воды очищают совместно с бытовыми, а отдельные виды концентрированных стоков сжигаются. Значительной величины достигают расходы воды на заводах синтетического каучука. На заводах резинотехнических изделий расходуется - 230 м³на 1 т изделий, а на сажевых заводах - 40 м³/т.

На заводах резиновой промышленности вода расходуется на охлаждение различных машин и продукта. По технологическим требованиям производства используемая вода должна иметь различную температуру.

Для потребителей первой группы требуемая вода с температурой не выше 14°С охлаждается на холодильной станции, машины которой имеют свою систему оборотного водоснабжения с градирнями.

Для потребителей второй группы требуется вода с температурой не более 16 - 18°С. Для них используется свежая вода и частично вода, отработавшая в первом цикле.

Для потребителей третьей группы подается вода с температурой до 20 - 25°С, а для потребителей четвертой группы требуется умягченная вода. Система водоснабжения - оборотная с частичным использованием отработавшей воды для мойки изделий, оборудования, полов и на других операциях.

182

В схеме оборотного водоснабжения НПЗ предусматривается четыре самостоятельные системы, отличающиеся по качеству воды (рис. 5.28).

Рис. 5.28. Схема водоснабжения нефтеперерабатывающего завода: 1 - водоприемник, совмещенный с насосной станцией I подъема; 2 - насосная станция II подъема; 3 - вентиляторные градирни; 4 - циркуляционные насосные станции; 5 - насосно-компрессорная станция; 6 - нефтеловушки; 7 -жироуловитель; 8 -десорбер; 9 - резервуар горячей воды; 10 - камеры горячей воды; 11 - камеры охлажденной воды; 12 - установка для стабилизации и хлорирования воды; 13 - установка для очистки воздуха от сероводорода; 14 - установки для подкисления воды; 15-18 - потребители воды соответственно I, II, III, и IV системы; 19 - установки, использующие питьевую воду на производственные нужды; 20 - установки, использующие исходную воду на производственные нужды;производственный водопровод низкого давления;производственный водопровод высокого давления;производственный водопровод нагретой воды;производственный водопровод охлажденной воды;подача реагента;воздуховод

Отработавшая загрязненная нефтепродуктами вода сначала очищается в нефтеловушках, а затем охлаждается на градирнях и снова направляется в

183

оборот. Безвозвратные потери и количество сбрасываемой продувочной воды составляет 7 - 10% от общего водопотребления.

Первая система водоснабжения обеспечивает водой установки, перерабатывающие тяжелые и легкие нефтепродукты. При этом вода загрязняется случайно попадающими нефтепродуктами в количестве до 100 мг/л. Удельный расход оборотной воды в системе составляет 45 - 50 м³на 1 т перерабатываемой нефти.

Вторая система обеспечивает водой установки в которых вода практически не загрязняется нефтепродуктами (сернокислотный цех, катал изаторная фабрика, установка разливки парафина, компрессорные станции, реагентное хозяйство и др). Удельный расход воды во второй системе доходит до 40 м³/т.

Третья система водоснабжения обеспечивает водой аппараты и установки, вода от которых загрязняется сероводородом и нефтепродуктами (установки АВТ, электрообессоливающие установки (ЭЛОУ), установки каталитического крекинга, гидроочистки дизтоплива и бензина, деасфальтазации, депарафинизации, контактного коксования и др.). Отмывку нефти от серной кислоты и солей производят частично умягченной осветленной водой в водопромывочных колоннах, растворяющих их в противотоке. Расход отмывочной воды составляет 0,1-1 м³/т продукта. Обессоливание нефти производят обессоленной водой (концентрация солей ≤ 3 мг·экв/л) с содержанием взвеси ≤ 3 мг/л, отмывку бензина - водой с содержанием взвеси ≤ 2 мг/л при нелимитируемом солесодержании.

Четвертая система водоснабжения обеспечивает водой аппараты и установки цехов производства синтетических жирных кислот, вода от которых загрязняется жирными кислотами и парафином. Перед поступлением на градирни вода очищается в жироуловителях. Удельный расход воды в четвертой системе составляет около 1 м³/т.

На нефтеперерабатывающих заводах предусматривается водопровод свежей воды для восполнения потерь воды в оборотных системах и для подачи некоторым потребителям (приготовление,растворов щелочей, работы некоторых установок, реагентное хозяйство), которая затем используется последовательно.

Кроме того устраивается система хозяйственно-питьевого водоснабжения, которая подает воду на хозяйственно-бытовые цели, к некоторым технологическим потребителям. Расход этой воды не превышает 6 м³/т.

Особое значение для НПЗ и предприятий нефтехимической промышленности при наличии на территории предприятия большого количества легковоспламеняющихся материалов имеет противопожарное

184

водоснабжение. Оно устраивается в виде специального противопожарного водопровода высокого давления.

На предприятиях химической промышленности, включающих: горно-химические производства, предприятия основной химии, синтеза аммиака, азотной, серной и других кислот, азотных удобрений5 лакокрасочные, пластмасс, предприятий химических волокон, синтетических моющих средств, кислородные и ацетиленовые станции и др., - воду используют для приготовления растворов, охлаждения и нагревания аппаратов и оборудования, кристаллизации, адсорбции, экстракции, флотации, гидротранспорта сырья и отходов, а также для теплоэнергетических процессов, уборки помещений, промывки оборудования и других хозяйственно-питьевых и бытовых целей. Во многих отраслях химического производства вода является основной частью готовой продукции, сырьем или полуфабрикатом. Кроме нефтехимических предприятий наиболее крупными и специфическими потребителями воды в химической промышленности являются заводы искусственного и синтетического волокна, азотно-туковые, органических красителей, синтетического каучука.

Водопотребление в цехах производства капрона составляет 720 - 1000 м³/т, лавсана - 270 - 340 м³/т, корда - 120 - 130 м³/т, целлофана -410-510 м³/т. Количество воды, потребляемое кислотными станциями и установками рабочих отделочных растворов, достигает 750 - 1150 м³/т.

Требования, предъявляемые к качеству воды, зависят от ее назначения в производстве и особенностей установленного технологического оборудования. Вода для целей охлаждения не должна приводить к образованию карбонатных отложений и отложениям взвеси, биологическим обрастаниям и коррозии труб и теплообменных аппаратов.

При использовании воды в качестве среды поглощающей и транспортирующей загрязнения при непосредственном контакте ее с производимым или отмываемым продуктом требования к воде устанавливаются в зависимости от вида производства. Требование к качеству воды для технологических процессов, как правило, являются более высокими и определяются соответствующими ведомственными нормами.

Достаточно большое количество воды расходуется на теплоэнергетические нужды. Для котлов высокого давления требуется вода с содержанием взвеси не более 3 мг/л, практически обессоленная, полностью умягченная, обескремненная, деаэрированная и химически обескислороженная (жесткость< 0,005-0,003 мг-экв/л, содержание оксидов железа, меди и кремния соответственно 0,01, 0,005 и 0,002 мг/л, нитратов и нитритов < 0,02 мг/л и кислорода до 0,01 мг/л).

На современных предприятиях химической промышленности, как правило, применяются схемы оборотного и замкнутого водоснабжения с

185

последовательным использованием воды отдельных циклов, В зависимости от вида производственных процессов, решения генплана предприятия, требуемых расходов и напоров для отдельных производств и ряда других факторов, система производственного водоснабжения может включать до 20 различных оборотных систем, в числе которых кроме систем охлаждения имеются системы фильтрованной, умягченной, обессоленной воды. Кроме того, на предприятиях предусматривается водопровод хозяйственно-питьевого водоснабжения и объединенный с ним или отдельно устраиваемый противопожарный водопровод.

186

5.5. Водоснабжение предприятий железнодорожного транспорта

К предприятиям железнодорожного транспорта относятся вагоноремонтные и локомотивные заводы (тепловозоремонтные и электровозоремонтные); вагонные и локомотивные депо, шпалопропиточные станции, дезинфекционные промывочные станции и пункты, пункты экипировки пассажирских составов и вагонов, промывочно-пропарочные станции и пункты промывки грузовых вагонов, тяговые подстанции, котельные и др. предприятия, а также железнодорожные станции. Работу железных дорог обеспечивают тысячи станций, сотни локомотивных и вагонных депо и других предприятий железнодорожного транспорта, которые разбросаны по территории всей страны и существенно влияют на использование водных ресурсов, экологическое состояние водных объектов, несмотря на сравнительно небольшие объемы водопотребления. Частичная реализация комплексной программы осуществления водоохранных мероприятий на железнодорожном транспорте и ряд других обстоятельств позволили к 2000 г. стабилизировать водопотребление предприятий железнодорожного транспорта на уровне 1000 - 1100 млн.м³/год и довести объем оборотной к повторно используемой воды до 25 - 33% от объема сбрасываемых сточных вод.

Специфика предприятий, их многочисленность и разбросанность, различие в технологии работы, недостаток свободных площадей требует применения малогабаритных, компактных сооружений для охлаждения и очистки воды, унифицированного водоочистного оборудования, упрощения и облегчения эксплуатации, полного отказа или ограниченного применения дефицитных реагентов и оборудования.

Основные технологические процессы на этих предприятиях весьма разнообразны и связаны с работой, выполняемой предприятиями железнодорожного транспорта. Потребляемая на железнодорожном транспорте вода расходуется на производственные нужды станций и предприятий (около 30%) и питьевые и хозяйственно-бытовые

186

потребности работников предприятий, жителей пристанционных поселков и пассажиров (около 70%).

Системы общего водоснабжения железнодорожных станций, как правило, являются объединенными, т.е. вода ко всем потребителям подается по единой системе трубопроводов и сооружений. К особой категории железнодорожных водопроводов относятся продольные водопроводы (рис.5.29) прокладываемые для водоснабжения железнодорожных станций и населения пристанционных поселков в безводной местности. Продольные водопроводы строятся в одну линию, но с запасными регулирующими резервуарами, обеспечивающими потребность в воде данной станции обычно в течение 2-3 суток (не менее 1 суток). Насосные станции перекачки располагаются на расстояниях, которые определяются допустимым наибольшим рабочим давлением используемых водопроводных труб. Для равнинной местности при использовании чугунных труб расстояние между насосными станциями составляет около 25 км, а при использовании стальных труб достигает 100 км.

Рис. 5.29. Схема продольного водопровода: А, Б, В, Г - железнодорожные станции; НС - насосные станции; ВБ - водонапорные башни; w_Б, W_В, W_Г- объемы регулирующих резервуаров

На железнодорожных предприятиях воду используют главным образом в качестве:

• теплоносителя при охлаждении различного оборудования (компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, электропечей, дымососов, дистилляторов и т.п.); вода остается практически чистой, но при использовании повышается ее температура;

• рабочей жидкости и транспортирующей среды при очистке и промывке подвижного состава, различных узлов и деталей, технологического оборудования, смотровых канав, помещений и т.п.; при этом вода загрязняется механическими и растворенными примесями органического и минерального происхождения;

• сырья для получения пара в котельных установках, в виде пара вода используется при отоплении и для различных технологических нужд, превращаясь в чистый или загрязненный конденсат;

187

• растворителя для приготовления различных технологических растворов, применяемых при обмывке и очистки подвижного состава, нанесения гальванопокрытий, регенерационных растворов ионообменных установок и др. Эти растворы могут иметь высокую температуру и содержать различные моющие средства, соли, механические примеси.

Кроме того, на предприятиях вода расходуется для мокрой очистки воздуха в пылеулавливающих установках, для водяных завес, поливки территории и зеленых насаждений и для хозяйственно-бытовых целей. В зависимости от особенностей технологических процессов, операций и мастных условий применяются прямоточная, последовательная или оборотная система водоснабжения, а также их комбинации. Применение оборотных и комбинированных систем с минимизацией подачи свежей и сброса отработавшей нагретой или зафязненной воды является наиболее перспективным направлением развития систем железнодорожного водоснабжения.

Примерная балансовая схема водопотребления и водоотведения на железнодорожных предприятиях показана на рис. 5.30.

Рис. 5.30. Примерная балансовая схема водопотребления и водоотведения на железнодорожных предприятиях:Q_B,Q_C- общий расход потребляемой воды и сбрасываемых стоков; Q_б- расход бытовых стоков, передаваемых в городскую канализацию; q_В, q_об, q_C- расходы водопроводной и оборотной воды и производственных стоков в отдельных технологических процессах; q_п- технологически оправданные потери воды; ОУ -охлаждающие устройства; МОС - местные (локальные) очистные сооружения

188

Кроме того, значительное количество воды безвозвратно тратится на заправку и пополнение систем водоснабжения и отопления пассажирских вагонов и на водопой перевозимых животных. Удельные нормы расхода воды на различные нужды предприятий железнодорожного транспорта зависят от системы водоснабжения, вида технологического процесса и особенностей его реализации (Приложение I).

Вода, используемая в качестве теплоносителя при охлаждении компрессоров и другого оборудования, только нагревается. Нагретая вода может использоваться последовательно в других технологических процессах (промывка вагонов и деталей, растворение реагентов, охлаждение устройств, не требующих низкой температуры воды) или после охлаждения в охладителях по оборотной схеме (рис. 5.31).

В случае перегрева воды (> 35 ÷ 40 °С) предусмотрена подача в систему воды из водопровода. При выходе из строя оборотной системы компрессор может быть переведен на охлаждение проточной водой со сбросом нагретой воды в канализацию, поэтому дублирование водоохладителя нецелесообразно. Работа компрессоров и системы охлаждения автоматизируется.

Рис. 5.31. Схема оборотной (а) и замкнутой (б) системы охлаждения компрессорных установок: К - компрессор; ОУ - охладитель; Р - резервуар; Н - насос; СУ - стабилизационная установка; БУ - блок утилизации регенерационных растворов; Q_п- расходы подпиточной (свежей) воды; Q_сбр, q_ст- сбросной и стабилизационный расходы; Q_об-расход оборотной воды

Для обычно применяемых на транспорте компрессоров с расходом охлаждающей воды Q_охл= 3÷10 м³/ч все оборудование оборотной системы может быть размещено в компрессорной, за исключением вентилятора, который размещается вне здания. Наиболее перспективными водоохладителями для предприятий железнодорожного транспорта являются:

189

• компактные пенно-испарительные водоохладители (ПИВ);

• прямоточные испарительные водоохладители;

• малогабаритные вентиляторные градирни (МГ).

Пенно-испарительные охладители (рис. 5.32, а)применяются для температуры наружного воздуха до 35°С. Особенностью их является отбор тепла от охлаждаемой воды в теплообменнике (радиаторе) за счет испарения небольшого количества воды, подаваемой из водопровода.

Рис. 5.32. Схема пенно-испарительного водоохладителя (а) и прямоточного (б): 1 - поддон с испаряемой водой; 2 - вода на подпитку охладителя; 3 - вход и выход охлаждаемой воды; 4 - водоуловитель; 5 - змеевик теплообменника; 6 - вентилятор; 7 - бак-каплеуловитель;8 - распылительная камера; 9 - треугольный короб; 10 - направляющий козырек; 11 - поплавковый клапан; 12 - воздуховыпускная труба

Непосредственного контакта охлаждаемой воды с воздухом нет. Воздух подводится в водоохладитель со скоростью 20 -25 м/с и образует с водой из поддона пенно-воздушную эмульсию, которая омывает змеевики и частично испаряясь охлаждает протекающую по трубкам змеевика воду. Высота слоя эмульсии определяется уровнем воды в поддоне (обычно ± 5 см от обреза патрубка подающего воздух). Брызги, задержанные в водоуловителе, стекают в поддон. Компенсация испарившейся воды осуществляется из водопровода, через регулятор уровня.

Благодаря развитой поверхности теплообменника и турбулентности потока водовоздушной эмульсии коэффициент теплопередачи в этом аппарате очень высок и составляет а = 600 - 1000 ккал/ч·м²·°С, превышая в десятки раз коэффициент теплопередачи устройств с обычными охладителями. В связи с этим аппарат имеет небольшие размеры. Теоретическим пределом охлаждения воды в этом аппарате является

190

температура подаваемого в аппарат воздуха, замеренная по смоченному термометру.

Производительность аппаратов от 5 до 50 м /ч. Расход воды сокращается в 100 раз по сравнению с прямоточной системой охлаждения. Необходимый напор перед регулятором уровня в водопроводе должен быть от 3 до 40 м вод.ст.

Во ВНИИЖТе разработан более простой тип малогабаритного прямоточного испарительного водоохладителя (рис.5.32, б), в котором создаваемый вентилятором поток воздуха распыляет воду и отводит от нее тепло. При испарительном охлаждении температура жидкости снижается в результате совместного действия процессов тепло- и массообмена, протекающих при непосредственном соприкосновении свободной поверхности воды с атмосферным воздухом.

Жидкость скоростным потоком воздуха дробится на мелкие капельки, обладающие большой суммарной поверхностью, и каждая капелька обдувается воздухом со скоростью нескольких десятков метров в секунду. Размер капелек воды при этом составляет доли миллиметров, в 3 - 5 раз меньше, чем в градирнях, благодаря чему поверхность соприкосновения их с воздухом возрастает в 30 - 100 раз. Относительная скорость капелек воды и воздуха в таком охладителе в 5 - 7 раз больше, чем в градирнях и составляет 25 - 35 м/с. Благодаря этому, теплоотдача возрастает в 25 - 50 раз. За распылителем скорость воздуха снижается, капли воды укрупняются и задерживаются в баке-каплеуловителе, а воздух выбрасывается в атмосферу. При производительности 10 м /ч водоохладитель имеет размеры в плане 1,5 × 1,5 м и высоту 3 м. Такие охладители применяются при температуре наружного воздуха до 40 - 45°С и обеспечивают ширину охлаждения Δt = 8 - 10°С. В связи с наличием непосредственного контакта охлаждаемой воды с воздухом им присущи недостатки малогабаритных вентиляторных градирен.

Малогабаритные вентиляторные градирни (МГ) имеют производительность от 5 до 50 м³/ч (рис.5.33). Аналогичны обычным вентиляторным градирням. Работают с принудительной вентиляцией по принципу противотока воды и воздуха.

К достоинствам их можно отнести:

• компактность;

• малые потери до 2% от расхода охлаждаемой воды;

• достаточную ширину зоны охлаждения Δt = 8 - 12°С.

Недостатки их:

• вода обогащается кислородом воздуха, что может вызывать повышенную коррозию металла;

• загрязнение оборотной воды механическими примесями поступающими с воздухом.

191

Рис. 5.33. Схема малогабаритной вентиляторной градирни: 1 - водосборный резервуар; 2 - каркас; 3 - ороситель; 4 - водоразбрызгивающие сопла: 5 -водоуловитель; 6 - вентилятор; 7 - поплавковый клапан; 8 - вода на подпитку

К качеству воды для охлаждения компрессоров предъявляются следующие требования: температура воды t₁≤ 28°С; взвешенные вещества ≤ 30 мг/л; эфирорастворимые ≤ 20 мг/л; рН 7 - 8; Ж_к≤ 3 мг·экв/л5 Щ_обш≤ 4 мг·экв/л; сухой остаток ≤ 2000 мг/л; сульфаты до 500 мг/л; хлориды до 350 мг/л; фосфаты (P₂O₅) и азот аммонийных солей N (каждого не более 0,5 мг/л. Температура на выходе из компрессора t₂≤ 40°С. Запах оборотной воды не более 3-4 баллов.

Для большинства технологических процессов предприятий железнодорожного транспорта разработаны схемы многократного использования производственных сточных вод после соответствующей очистки. Состав и количество этих вод, а также режим их поступления в водоотводящую сеть различны и зависят от вида предприятия, технологии производства, используемого топлива, сырья, реагентов и т.д.

На ремонтных заводах, в локомотивных и вагонных депо сточные воды образуются при обмывке подвижного состава, очистке узлов и деталей в моечных машинах и ваннах, гальванической обработке деталей, промывке деталей, промывке аккумуляторов, регенерации умягчительных фильтров, промывке и продувке котлов, гидравлических испытаниях различных емкостей, спуске подтоварной воды из хранилищ для нефтепродуктов, обмывке полов, смотровых канав и т.д. В этих процессах вода загрязняется нефтепродуктами, минеральной к органической взвесью, щелочами, кислотами, поверхностно-активными веществами (ПАВ), солями металлов (хрома, никеля, железа, меди и др.).

На пунктах подготовки пассажирских вагонов при наружной обмывке кузовов и ходовых частей образуются сточные воды, содержащие нефтепродукты, продукты коррозии металлов, пыль, различные органические примеси, а также моющие средства, используемые при обмывке вагонов.

На пунктах подготовки грузовых вагонов, где их промывают изнутри, в сточные воды попадают остатки перевозимых грузов - цемента, извести, мела, кирпича, минеральных удобрений, зерна, овощей,

192

комбикормов, мяса, рыбы и др. Характерной особенностью этих сточных вод является высокое содержание взвешенных веществ и растворенных солей.

На промывочно-пропарочных станциях сточные воды образуются при промывке и пропарке цистерн из-под нефти, нефтепродуктов и других наливных грузов, а также при обмывке промывочных эстакад, путей, лотков, стирке спецодежды, спуске подтоварной воды из отстойных резервуаров и пр. Эти воды могут иметь сложный состав и содержать плавающие и эмульгированные нефтепродукты, взвешенные вещества, фенолы, тетраэтилсвинец и другие органические примеси. Цистерны промывают горячей водой, поэтому стоки обычно имеют повышенную температуру.

На дезинфекционно-промывочных станциях, где обрабатывают вагоны после перевозки скота, птицы, кожсырья, шерсти, костей, сточные воды загрязняются остатками навоза, соломы, перевозимых грузов, дезинфекционными средствами (хлорной известью, каустической содой и др.), а также могут иметь бактериальные загрязнения, включая возбудителей различных заболеваний. На дезинфекционно-промывочных станциях нередко обрабатывают и другие грузовые вагоны, поэтому в сточных водах могут присутствовать минеральная взвесь и растворенные соли.

На шпалопропиточных заводах сточные воды образуются при отстаивании обводненного пропиточного масла, работе вакуум-насосов, охлаждении конденсаторов, сбросе конденсата из змеевиковых пароподогревателей, сбросе стоков с предцилиндровых площадок, тракционных путей, складов готовой продукции, продувке котлов, регенерации водоумягчительных фильтров, обмывке оборудования и производственных помещений. Основными загрязнениями воды является каменноугольное или сланцевое пропиточное масло с примесями растворимых смол, фенолов и органических веществ, содержащихся в древесине (скипидар, ацетон, органические кислоты и др.).

На щебеночных заводах производственные стоки образуются при мокрой очистке воздуха от пыли, промывке щебня, уборки помещений, охлаждения дробилок в основном загрязненные взвешенными веществами и в незначительной степени некоторыми другими примесями.

Кроме дезинфекционно-промывочных станций и шпалопропиточных заводов перечисленные выше объекты оборудуются локальными оборотными системами с очисткой и многократным использованием оборотной воды. Для очистки воды перед ее повторным использованием применяют отстаивание, флотацию, фильтрацию, сорбцию, а также другие известные методы.

Локальные оборотные системы на предприятиях железнодорожного транспорта предусматриваются для водоснабжения моечных машин

193

различного типа, для промывки деталей и узлов ( букс, колесных пар, рессор, тележек, тормозных тяг и т.п.), в гальванических цехах, где производится хромирование, никелирование, цинкование, меднение. В гальванических цехах вода расходуется на приготовление электролитов, промывку деталей после нанесения покрытий. Промывные воды после нейтрализации и электрокоагуляции или ионного обмена для удаления шестивалентного хрома и других металлов, вновь используют в обороте. Отработавшие травильные растворы применяются для нейтрализации щелочных сточных вод от моечных машин.

Значительное количество водопроводной воды и топлива позволяет экономить возврат конденсата для приготовления пара в котельной после его очистки от масла и железа, которыми он загрязняется в трубопроводах и технологических аппаратах, подачи его на пополнение оборотных систем предприятия, приготовление моющих растворов, мытья производственных помещений и др. нужды. Локальная очистка конденсата состоит из фильтров загруженных коксом, антрацитом или активированным углем при концентрации нефтепродуктов до 20 мг/л, а при больших концентрациях применяют предварительное отстаивание или флотацию.

Дробленный кокс задерживает 50 - 60% масла. Для повышения эффекта очистки производят обработку конденсата коагулянтами, что снижает остатки содержания масла до 1 - 2 мг/л.

Наиболее глубокое обезмасливание конденсата достигается путем фильтрации его через березовый активированный уголь с крупностью частиц 0,3 - 1,5 мм (высота загрузки 1 - 1,5 м, скорость фильтрации 7-10 м/ч). При исходном содержании масла 5 мг/л его остаточные концентрации составляют 0,3 - 1 мг/л. Маслоемкость угля-около 25 - 30% его веса. Загрузку коксовых и угольных фильтров периодически заменяют.

В крупных котельных помимо конденсата повторно используются также регенерационные растворы Na - катионитовых фильтров, что позволяет экономить до 50 % соли и снижает сброс засоленных стоков в канализацию.

В оборотных схемах водоснабжения моечных машин предусмотрена двойная промежуточная очистка: от грубых механических примесей и от нефтепродуктов и мелкой взвеси. Система очистки от нефтепродуктов и мелкой взвеси работает по принципу отстаивания с коагуляцией. Очистка производится в отстойнике с подогревом паром. В качестве отстойника может использоваться имеющийся при моечной машине бак моющего раствора, дополнительно оборудованный устройством для удаления осадка и для перемешивания раствора с коагулянтом. В отстойнике тяжелые фракции оседают на дно, а нефтепродукты частично всплывают на поверхность. Очищенный раствор самотеком возвращается в бак моечной машины. Продолжительность отстаивания > 2 часа. Очистка с коагуляцией производится периодически по мере загрязнения раствора, тогда когда

194

качество воды будет близко к нормируемому технологическими требованиями.

Независимо от качества очистки и восполнения потерь при оборотном использовании воды периодически необходимо освежать воду в системе за счет сброса части воды так, как в ней накапливаются не удаляемые очисткой примеси. Сбрасываемая вода, как правило, требует доочистки. Для доочистки воды в оборотных системах железнодорожных предприятий перед сбросом ее в водоем или систему водоотведения населенного пункта или, например, при необходимости опорожнения их в связи с ремонтом, применяется повторная флотация с последующей фильтрацией через зернистую загрузку из кварцевого песка, дробленого керамзита, кокса, сульфоугля, горелой породы. При фильтрации удаляются наиболее мелкие частицы загрязнений и хлопья коагулянта, не задержанные флотацией. Благодаря дополнительной очистке остаточное содержание эфирорастворимых и взвешенных веществ снижается до 5-10 мг/л; после фильтрации через активированный уголь - до 1 - 2 мг/л.Применение коагулянтов и флокулянтов повышает эффект очистки. Используются стандартные напорные фильтры. Высота загрузки -1 - 1,2 м, крупность зерен 0,5 - 2 мм, скорость фильтрации - 3 - 5 м/ч. Вода в фильтр подается насосом из промежуточного резервуара. Промывка осуществляется фильтрованной водой. Продолжительность промывки 15 - 20 мин. Периодичность промывки 7-10 дней.

В настоящее время разработаны и реализованы на нескольких вагоноремонтных заводах и промывочно-пропарочных станциях замкнутые бессточные системы производственного водоснабжения. Разработанная для вагоноремонтного завода замкнутая система водоснабжения включает пять самостоятельных локальных оборотных контуров (рис. 5.34), в которые выделяются щелочные моющие растворы от имеющихся на предприятиях моечных машин, нефтесодержащие сточные воды от различных источников, краскосодержащие стоки гидрофильтров окрасочных камер, стоки гальванического отделения и охлаждающая вода. В каждом контуре имеются соответствующие очистке сооружения, насосные станции, регулирующие емкости, устройства для сбора и транспортирования нефтепродуктов и осадков.

В схему также включены блок термического обезвоживания отходов и сооружения для сбора и очистки поверхностного стока, который направляется на подпитку технологических контуров.

После локальной очистки отработавшей воды, она снова применяется для производственных целей. При этом вода отдельных локальных систем используется в своем контуре, а также последовательно для подпитки других локальных систем. Для пополнения контура моющих растворов используется продувочная вода контуров нефтесодержащих стоков и гальванического отделения.

195

Рис. 5.34. Схема бессточной системы водоиспользования: 1 - теплообменник; 2 - водоохладитель; 3 - технологические потребители; 4 - локальные очистные сооружения; 5 - окрасочная камера; 6 - моечные машины; 7 - гальваническая ванна; 8 - установка для термообезвреживания нефтеотходов; 9 - накопитель атмосферного стока; I - свежая водопроводная вода; II - поверхностный сток; III - продувка сооружений; IV - нефтеотходы; V - негорючие отходы

Продувочная вода контура охлаждения подается в контур нефтесодержащих стоков.

Контуры гальванического отделения и охлаждающей воды пополняются из водопровода или очищенным поверхностным стоком.

Применение замкнутых систем водопользования на предприятиях железнодорожного транспорта с точки зрения защиты окружающей природной среды является целесообразным, однако в каждом конкретном случае оно должно быть обосновано соответствующими технико-экономическими расчетами.

196

5.6. Водоснабжение объектов строительства

При разработке проекта организации строительства и проекта производства строительных работ решаются вопросы организации водоснабжения. Выявляются возможные источники водоснабжения,

196

потребность в хозяйственно-питьевой и технической воде различных категорий потребителей, определяются их количество, режим водопотребления и требования к качеству воды. На строительном объекте необходимо устройство временного водопровода для подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды рабочих и населения временных поселков строителей, технологические цели и для пожаротушения. Расход воды на хозяйственно-питьевые нужды строительных рабочих на строительной площадке при наличии канализации определяется исходя из нормы 25 л/чел в смену, а для неканализованных объектов - 15 л/чел. Вода должна удовлетворять требованиям СанПиН 2.1.4.559-96.

Для питания рабочих сооружают обеспечиваемые санитарно-бытовыми условиями в соответствии с действующими нормами их проектирования стационарные или передвижные столовые, оборудованные умывальниками, с расходом воды 10 - 15 л на одного обедающего.

В соответствии с санитарными требованиями объекты строительства относятся к категории производств, вызывающих загрязнение одежды и рук, поэтому на строительной площадке предусматриваются гардеробные, умывальные и душевые из расчета одна душевая сетка на 20 чел. при расходе воды 500 л на одну душевую сетку.

В строительном деле вода необходима для производства земляных и свайных работ, бетонных, каменных и штукатурных работ, для передвижных силовых и компрессорных станций и автотракторного парка.

При эксплуатации землеройной техники, оборудованной двигателями внутреннего сгорания, расход воды определяется из расчета 10 - 15 л на 1 машину в смену. Расход воды для уплотнения насыпей зависит от естественной влажности грунта, степени уплотнения и толщины уплотняемого слоя и составляется ориентировочно 0,13 - 0,16 м³на 1 м³уплотняемого фунта.

Значительное количество воды расходуется при бетонных и других работах на промывку заполнителей бетона и приготовление растворов из расчета: на 1 м³щебня или гравия - 0,5 - 1 м³, песка - 1,2 - 1,5 м³, на приготовление 1 м³бетона - 0,2 - 0,4 м³, для 1 м³кирпичной кладки 1 - 1,2 м³, для штукатурных работ 0,002 - 0,008 м³на 1 м²поверхности. Также вода идет на гашение извести, поливку территории и другие нужды.

Вода для приготовления бетонов и растворов не должна содержать вещества разрушающие камень (нефтепродукты, жиры, масла, кислоты, щелочи), содержать значительное количество взвешенных глинистых частиц. Вода для охлаждения силовых и компрессорных станций, питания паровых и водогрейных котлов должна иметь минимальную жесткость (не более 4,5 - 5 мг·экв/л для двигателей внутреннего сгорания и компрессоров) и содержать взвешенных веществ не более 20 - 25 мг/л. Для котлов нельзя использовать воду с жесткостью более 3,5 мг·экв/л и содержанием кислорода более 1 - 2 мг/л.

197

Удельные расходы воды на мойку техники и заливку радиаторов двигателей машин и тракторов составляют соответственно 0,5 - 0.6 м³и 0,3 - 0.6 м³. Требования к воде, заливаемой в двигатели, соответствуют изложенному выше. Требования к обмывочной воде не нормируются.

Водоснабжение объектов строительства, является временным, однако, при разработке схемы водоснабжения строительных площадок обычно предусматривается максимальное использование временных сооружений, для постоянной эксплуатации после завершения строительства.

При строительстве вблизи существующих населенных пунктов целесообразно в качестве источника водоснабжения использовать городские водопроводы для водоснабжения объекта строительства в целом или только хозяйственно-питьевого водоснабжения. Для технологических нужд в этом случае вода может забираться из ближайших поверхностных источников.

При значительном удалении объекта строительства от населенного пункта предусматривается его самостоятельное временное водоснабжение из подземных или поверхностных источников. Как правило, подземные источники обеспечивают требования к питьевой воде, но могут оказаться непригодными для технических целей из-за повышенной минерализации или агрессивности к бетону. При необходимости на строительной площадке устраиваются раздельные хозяйственно-питьевые и технические водопроводы. Противопожарный водопровод объединяется с хозяйственно-питьевым.

При организации временных водозаборов из поверхностных источников применяют передвижные насосные станции, располагаемые на понтонах или сваях. Для противопожарного водоснабжения устраивают открытые водоемы, необходимого объема, с соответствующей гидроизоляцией боковых откосов и днища глиной, полимерным пленочным материалом или асфальтом, бетонными плитами.

Для транспортирования воды от водозабора к потребителям устраивается разводящая сеть, прокладываемая по поверхности или под землей на глубине промерзания, а также в насыпи или по эстакадам.

При временном водоснабжении строительных площадок широко применяются передвижные или стационарные установки заводской готовности для перекачки и улучшения качества воды. Такие установки имеют максимальную производительность до 1000 м³/сут.

198

7. ОБРАБОТКА ВОДЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

7.1. Требования к качеству воды производственного назначения

В зависимости от целевого назначения используемой в производственных процессах воды к ней предъявляются различные требования. Свойства воды определяются концентрацией отдельных примесей, совокупность которых определяет качество воды. Показателями качества воды являются:

1. Физические (температура, содержание взвешенных веществ" растворенных газов, цветность, запах и др.);

2. Химические (жесткость, щелочность, активная реакция, хлориды, сульфаты, окисляемость, сухой остаток и др.).

3. Биологические и бактериологические (гидробионты, общее количество бактерий, коли-индекс и др.). Бактериологические показатели качества производственной воды определяют безопасность ее использования и требуют особенно тщательного контроля при использовании в промышленном водоснабжении биологически очищенных и дочищенных бытовых сточных вод.

Пищевая промышленность. Показатели качества воды, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, для нужд пищевой промышленности и некоторых других отраслей промышленности или процессов, требующих применения воды питьевого качества, должны соответствовать СанПиН 2.1.4.559-96 Питьевая вода.

Отдельные производства пищевой промышленности предъявляют дополнительные требования по содержанию сульфатов, железа, марганца, солесодержанию (пивоваренная промышленность, сахарная промышленность), что регламентируется специальными технологическими отраслевыми нормами и стандартами.

Процессы охлаждения. Наибольшее количество воды в промышленности используется для охлаждения технологического оборудования, пара, жидких и газообразных продуктов, паровых машин и конденсаторов турбин, доменных и мартеновских печей, вагранок и т.п. Применяются прямоточные и оборотные системы водоснабжения. Качество охлаждающей воды определяется условиями применения. Так обычно ограничивается максимальная температура нагрева воды и содержание бикарбонатов кальция и магния, общая жесткость воды, содержание взвешенных веществ и их гранулометрический состав, содержание железа, марганца и органических соединений, во избежании образования накипи, засорения отложениями взвеси или биообрастания холодильных аппаратов и конденсаторов, а также трубопроводов, что снижает эффективность работы всей системы охлаждения и увеличивает затраты на эксплуатацию.

233

Для предотвращения накипеобразования в оборотных системах при нагреве воды нормируется как карбонатная временная жесткость, обусловленная содержанием в воде карбонатных и бикарбонатных солей кальция или магния и легко устраняемая кипячением, так и некарбонатная (постоянная) жесткость, обусловленная кальциевыми и магниевыми солями серной, соляной, азотной и кремниевой кислот. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды. Присутствие в воде солей железа и марганца, а также биогенных элементов азота и фосфора может способствовать развитию биологических обрастаний теплообменных аппаратов и труб железобактериями и марганцевыми бактериями, что может приводить к уменьшению их живого сечения и вследствие этого к увеличению потерь напора, а также уменьшению коэффициентов теплопередачи и изменению качества воды за счет насыщения ее продуктами жизнедеятельности бактерий.

В охлаждающей воде нормируется величина рН (6,5 - 8,5), ограничивается содержание сульфатов и хлоридов, при повышенном содержании которых вода становится агрессивной по отношению к бетону. Усиливаются также коррозионные свойства воды.

Особую роль в охлаждающей воде играют растворенные газы кислород, углекислота, сероводород, метан. Углекислота, кислород, сероводород при определенных условиях придают воде коррозионные свойства по отношению к металлам и бетонам. Присутствие в воде углекислоты существенно влияет на ее качество. В зависимости от рН воды углекислота может содержаться в воде в виде свободной углекислоты (СО₂), в виде бикарбонат-ионов СО₃^2-. При рН < 4,5 бикарбонат-ионы в воде отсутствуют и вся углекислота находится в виде углекислого газа, а при рН = 8,4 - только в виде бикарбонатных ионов, при рН > 10,5 - только в виде карбонатных ионов. Содержание этих ионов в воде связано углекислотным равновесием

СО₂+ Н₂О →← Н₂СО₃→← H⁺+ HCO₃^-→← 2H⁺+ СО₃^2-.

Нарушение этого равновесия существенно изменяет свойства воды для производственных целей.

В водных растворах углекислых соединений наблюдается динамическое равновесие

2HCO₃^-→← СО₃^2-+ СО₂+ Н₂O,

где [СО₂] - равновесное количество свободной углекислоты.

Разница между свободной и равновесной углекислотой определяет агрессивную углекислоту. По концентрации агрессивной углекислоты можно судить об агрессивности или стабильности воды по отношению к бетону или металлу. В поверхностных водах присутствие углекислоты исключено, а в подземных оно может быть значительным.

234

Присутствие в воде сероводорода и кислорода, интенсифицирует процесс коррозии металлов. Присутствие сероводорода может способствовать биологическим обрастаниям трубопроводов и оборудования вследствие развития скоплений серобактерий.

Качество воды, используемой в процессах охлаждения, определяется для конкретных условий с учетом основных факторов, отмеченных выше.

Теплоэнергетика. К качеству воды теплоэнергетических процессов предъявляются более жесткие требования, чем к качеству воды, используемой для охлаждения. При использовании воды для нужд паросилового хозяйства она не должна образовывать накипи, вызывать коррозию металла, вспениваться, приводить к загрязнению пара и отложению различных примесей на лопатках турбин. Использование жесткой воды приводит к образованию отложений накипи на поверхности нагрева котлов, ухудшает теплопередачу, вызывает перегрев и прогар металла деталей в местах образования накипи, способствует перерасходу топлива, сокращает срок службы оборудования и приводит к авариям различной тяжести. Термический распад бикарбонатов и повышение концентрации солей, связанное с непрерывным выпариванием, интенсифицирует процесс выпадания их из раствора и образования твердой накипи на стенках котлов. Наибольшую опасность представляют соли, растворимость которых уменьшается с повышением температуры: карбонат кальция, сульфат кальция, силикаты магния и кальция. Присутствие в воде других солей, например, хлорида, сульфита, карбоната, фосфата натрия, создающих рыхлые отложения при достаточно большой концентрации их в воде, снижает растворимость солей кальция и магния и способствует образованию накипи. Поэтому в теплоэнергетике содержание солей для целого ряда процессов допускается не более 10-15 мг/л, а содержание солей жесткости в десятки и сотни раз меньше, чем для воды, используемой при охлаждении. Такая вода, как правило, должна подвергаться частичному или глубокому обессоливанию и умягчению. Для котлов высокого давления не допускается присутствие кремниевой кислоты, способствующей образованию плотных отложений накипи с низкой теплопроводностью. Окисляемость воды должна быть в несколько раз ниже, чем для систем охлаждения. Не допускается вспенивание котловой воды, которое обычно обусловлено присутствием фосфатов, щелочей, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ и приводит к загрязнению пара различными примесями и последующему отложению загрязнений на лопатках турбин. Щелочи с одной стороны создают опасность загрязнения пара, а с другой стороны способствуют формированию плотной пленки гидроокиси железа на поверхности металла, предотвращающей коррозию металла. Поэтому целесообразно поддерживать в питательной воде некоторое минимальное содержание щелочи в пределах 20 - 50 мг/л едкого натра.

235

Технологические процессы. Требования к качеству воды для технологических процессов чрезвычайно разнообразны, обусловлены спецификой производства и в целом ряде случаев значительно более высокие, чем требования, предъявляемые к питьевой воде. Они устанавливаются специальными ведомственными нормами. Так лимитируется жесткость воды при ее использовании на предприятиях бумажной и текстильной промышленности, производстве искусственных волокон. Содержание железа и марганца строго ограничено в воде, используемой при производстве пластмасс, кинопленки и фотобумаги, в пищевой и текстильной промышленности, ограничена окисляемость воды и содержание хлоридов. В воде используемой для приготовления растворов кислот, щелочей, красителей, мыла жесткость воды не должна превышать десятых долей мг-экв/л. В радиоэлектронной промышленности при производстве печатных плат жестко нормируется содержание взвешенных веществ и растворенных солей, присутствие которых приводит к значительному увеличению производственного брака. Специфические требования предъявляются к воде, входящей в состав продукции. Для ряда производств, в горнодобывающей промышленности, при обогащении полезных ископаемых, в воде для гидротранспорта при обмывке и сортировке сырья должна отсутствовать грубодисперсная взвесь.

В нефтедобывающей промышленности все возрастающее количество воды используется для заводнения нефтяных пластов. Она не должна вызывать кольматаж пор нефтеносного грунта за счет взаимодействия с пластовой водой и частицами породы, не должна содержать кислород, который при взаимодействии с железом и сероводородом пластовой воды, будет образовывать соединения, кальматирующие поры грунта. Поэтому в такой воде ограничивают содержание железа, взвешенных веществ, нефтепродуктов, бикарбонатов, образующих осадок карбоната кальция при своем распаде. Вода не должна быть агрессивна по отношению к оборудованию сооружений водоподготовки и материалу трубопроводов и заводняющих скважин.

Сельское хозяйство и орошение. Для водопоя домашних животных, зверей и птиц обычно используется вода питьевого качества. Допускается использование воды с повышенной минерализацией (сухой остаток до 5000 мг/л), хлориды до 2000 мг/л, сульфаты до 2400 мг/л, общая жесткость до 45 мг-экв/л), качество которой устанавливается в зависимости от вида и возраста животных. Основным требованием к качеству воды для орошения является предотвращение засоления почв сульфатами магния и натрия, углекислым и хлористым натрием, что делает их непригодными для дальнейшего сельскохозяйственного использования.

На основании вышеизложенного могут быть сформулированы

236

некоторые общие требования к качеству воды производственного назначения.

1. Вода, используемая для производственных целей, не должна приводить к образованию отложений взвеси в трубопроводах и холодильниках. Отложения приводят к уменьшению коэффициентов теплопередачи, сужают поперечное сечение потока, увеличивают сопротивление движению воды и в целом снижают эффективность охлаждения и технико-экономические показатели работы системы охлаждения. Необходимо нормировать не только количество взвеси, но и ее гранулометрический состав. Общие требования к гранулометрическому составу и количеству взвеси должны быть увязаны со скоростями движения воды в системе. Причем для= систем различного производственного назначения существуют свои специфические требования.

2. Вода, используемая для производственных целей, не должна приводить к биологическим обрастанием в системе, т.е. образованию и развитию в трубопроводах и холодильниках живых микроорганизмов, микроводорослей, ракушек, мидий, дрейсены и т.п. В оборотных и прямоточных системах охлаждения этому способствует благоприятная температура воды до 45 - 50°С. Биологические обрастания образуют отложения в элементах систем водоснабжения, интенсифицирует процесс выпадения взвеси, изменяют свойства воды и засоряют трубопроводы и холодильники, снижают эффективность работы охлаждающих устройств оборотной воды и в целом системы промышленного водоснабжения.

3. Вода, используемая для производственных целей, не должна вызывать отложений накипи. Образование накипи является следствием высокой температуры воды. Для оборотных систем охлаждения нагревание воды содержащей углекислые соли кальция и магния в технологических агрегатах приводит к диссоциации этих солей

Са(НСО₃)₂→← Ca²⁺+ 2HCO₃^-Mg(HCO₃)₂→← Mg²⁺HCO₃^-. В свою очередь ион HCO₃^-диссоциирует с образованием 2HCO₃^-→← СО₂+ Н₂О + СО₃^2-.

При нагревании, а затем охлаждении воды в открытых охладителях углекислый газ уходит из системы. В результате углекислотное равновесие нарушается, возникает избыток ионов СО₃^2-. При наличии в воде ионов кальция Са²⁺и магния Mg²⁺образуются нерастворимые соединения, выпадающие в осадок,

Са²⁺+ СО₃^2-= СаСО₃↓, Mg²⁺+ СО₃^2-= СаСО₃↓.

237

Как показывает практика, слой накипи в системах охлаждения состоит на 70 - 80% из СаСО₃и на 20 - 30% из MgCO₃и SiO₂. При отсутствии свободных ионов Са²⁺и Mg²⁺в воде и наличии свободной углекислоты вода становится агрессивной по отношению к бетону, происходит его разрушение за счет выщелачивания ионов кальция и магния, входящих в состав бетона.

Наличие взвеси и биологических обрастаний увеличивает интенсивность накипеобразования. Поэтому при значительном накипеобразовании целесообразно сначала обеспечить максимальное снижение концентрации взвеси в воде и устранить причины биологических обрастаний, а уже затем разрабатывать меры борьбы с образованием накипи.

4. Вода, используемая для производственных целей, не должна вызывать интенсивную коррозию трубопроводов и оборудования. Скорость коррозии увеличивается при низких рН, повышенном солесодержании и уменьшением жесткости воды, увеличении концентрации хлоридов и сульфатов, кислорода, а также других агрессивных газов CO₂, H₂S и с повышением температуры и давления воды.

5. Вода, используемая для производственных целей, не должна ухудшать условия производства и качество продукции, должна быть кондиционной, т.е. соответствовать технологическим требованиям, а ее использование не должно приводить к неблагоприятным последствиям, указанным выше.

Очень важной классификацией оборотной воды, используемой для целей охлаждения, является классификация ее по способности образовывать накипь в системах водоснабжения при чередовании циклов "нагревание - охлаждение". С этой точки зрения вода для производственных целей подразделяется на:

• термостабильную, не дающую накипи при многократном нагревании до 40 - 50°С. Обычно это вода с жесткостью карбонатной Ж_к< 3,5 мг·экв/л;

• условно термостабильную, которая не образует накипь при первых циклах "нагревание - охлаждение", а при последующих циклах отличается интенсивным накипеобразованием. Для такой воды характерна жесткость карбонатная Ж_кот 3,5 до 5,5 мг·экв/л;

• нетермостабильную, которая при первых же циклах "нагревание -охлаждение" интенсивно образует накипь даже при наличии в воде свободной углекислоты. Для такой воды характерна высокая карбонатная жесткость Ж_к> 5,5 мг·экв/л.

Если качество воды для производственных целей не отвечает предъявляемым требованиям, производится соответствующая ее очистка

238

или водоподготовка различными способами, обеспечивающая выполнение этих требований к качеству воды.

239

7.2. Очистка воды от взвешенных веществ

Для очистки свежей, добавочной и оборотной воды от взвешенных веществ в системах промышленного водоснабжения применяются те же сооружения, что и в коммунальных системах: решетки, сетки, сита, барабанные сетки и микрофильтры, гидроциклоны напорные и открытые, а также отстойники различных типов, осветлители и фильтры. Однако специфические и разнообразные требования к качеству воды и значительный диапазон расходов централизованных и локальных систем промышленных водопроводов явились причиной появления специальных высокопроизводительных конструкций сооружений, учитывающих особый характер технологических процессов в различных отраслях промышленности: конусные сетки, сетчатые фильтры, сверхскоростные самопромывающиеся фильтры, тонкослойные отстойники, осветлители особых конструкций.

7.2.1. Очистка воды отстаиванием

Для очистки воды производственного назначения от взвешенных веществ широко применяются отстойники вертикальные, горизонтальные, радиальные, обеспечивающие при относительно малых затратах средств и электроэнергии извлечение из воды основной массы взвешенных веществ, и позволяющие при использовании их в оборотных технологических циклах, в ряде случаев, возвратить в производство ценное сырье: жиры, нефтепродукты, волокно и др., обеспечить достаточную для дальнейшего использования в оборотном водоснабжении степень очистки воды. При разработке новых проектов и проектов реконструкции систем водного хозяйства промышленных предприятий, как правило, предусматриваются более компактные и эффективные тонкослойные отстойники различных типов: с горизонтальным, восходящим, нисходящим или радиальным движением воды в тонкослойных элементах. Значительный вклад в разработку теории и практики тонкослойного отстаивания, а также отечественных конструкций тонкослойных отстойников различного назначения внесли специалисты ГЦ НИИ ВОДГЕО, Петербургского государственного университета путей сообщения (ЛИИЖТа), АКХ им. Памфилова, многие проектные и конструкторские организации.

Для очистки свежей добавочной воды и оборотных вод локальных внутрицеховых систем водоснабжения разработан типоразмерный ряд различных конструкций вертикальных и горизонтальных отстойников (рис. 7.1) производительностью 9, 18 и 30 м³/ч. Для условий очистки воды

239

Рис. 7.1. Схемы тонкослойных полочных отстойников для локальных внутрицеховых оборотных систем производительностью 9, 18 и 30 м³/ч: а - вертикальный круглый в плане с радиальным расположением полок тонкослойных элементов; б, в - вертикальные с наклонным и прямым корпусом; г - горизонтальный; 1 - металлический корпус; 2 - подача исходной воды; 3 - водосборные съемные желоба; 4 - отвод осветленной воды; 5 - блок тонкослойных элементов; 6 - выпуск осадка; 7 - распределительная перегородка

240

с применением реагентов используются аналогичные отстойники, оборудованные встроенными камерами хлопьеобразования (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Тонкослойные отстойники типоразмерного ряда производительностью 30,60 и 90 м³/ч для локальных внутрицеховых оборотных систем и очистки добавочной воды: а - горизонтальный; б - с восходящим движением потока в тонкослойных элементах и камерой хлопьеобразования; в - то же, с тонкослойными элементами для больших исходных концентраций взвеси; г - с гравийной камерой хлопьеобразования; 1 - входной патрубок; 2 - входной распределительный лоток с водосливом; 3 - распределительная перегородка; 4 - полочный блок; 5 - водосборный лоток; 6 - отвод осветленной воды; 7 - патрубок для выгрузки осадка; 8 - камера хлопьеобразования; 9 - поворотная труба для отвода нефтепродуктов и всплывающей взвеси; 10 - прорези; 11 - глухая перегородка четных тонкослойных элементов блока; 12 - вертикальная перегородка; 13 - отвод воды из осадкоуплотнителя; 14 - осадкоприемные окна; 15 - зона уплотнения осадка; 16 - гравийная камера хлопьеобразования; 17 - рапределительный подводящий трубопровод; 18 - осадкоотводящая труба

241

В практике очистки воды применяются также трубчатые тонкослойные отстойники с тонкослойными элементами из труб различного поперечного сечения.

Эффективность применения тонкослойных отстойников для оборотных систем может быть показана на примере использования их для улавливания выбросов и охлаждения газов от вагранок чугунно-литейного производства в мокрых пылеуловителях (скрубберах). Вода оборотного цикла загрязняется большим количеством пыли от 1,2 до 1,4 т на тонну выплавляемого чугуна и отходящими токсичными газами (окись углерода, сернокислый газ, азот и др.), что вызывает сильную эрозию насосов и трубопроводов и требует тщательного осветления воды перед подачей ее в оборот.

В случае использования вместо обычных вертикальных отстойников тонкослойных отстойников производительностью 9, 18, 30 м³/ч для 10-ти тонных вагранок с расходами воды на орошение пылеуловителей 40 - 50 м/ч их высота будет в 1,2 - 1,9, а для горизонтальных отстойников в 1,8 - 2,7 раза ниже, рабочие объемы отстойников - в 2 - 11 раз, а площадь в 1,6 - 6,5 раз меньше. Соответственно достигается значительная экономия металла и упрощается эксплуатация. Отстойники меньшей производительности 9 и 18 м³/ч целесообразно применять для 3 и 5 тонных вагранок, для которых расходы воды на орошение ниже, чем для 10-ти тонных и составляет 14 - 18 и 20 - 28 м³/ч. Это существенно повышает экономические показатели их применения вместо обычных отстойников.

Рис. 7.3. Схема радиального тонкослойного отстойника (а) и двухярусной установки полок в нем во входном (6) и выходном (в) сечениях блока: 1 - впускное распределительное устройство дифференциального типа из дисков переменного диаметра; 2 - кольцевой блок полочных тонкослойных элементов; 3 - водосборные желоба; 4 - скребок типа "логарифмическая спираль"

Для очистки воды от взвешенных веществ в системах промышленного водоснабжения и водоотведения большой производительности разработаны тонкослойные отстойники с радиальным течением жидкости в тонкослойных полочных элементах. Преимущетсво радиальных отстойников перед горизонтальными заключается в более простой и эффективной системе удаления осадка обычными скребками 242

242

или более производительными компактными скребками типа "логарифмическая спираль", что чрезвычайно важно при больших расходах и высоких исходных содержаниях взвеси в добавочной и оборотной воде. При использовании в агрессивной среде отстойники оборудуются блоками индустриального изготовления из алюминия. Монтаж их в отстойнике осуществляется на заранее установленный опорный каркас. Для удобства установки при монтаже и обслуживания каждый блок имеет специальные катки, прикрепленные к нижней части каркаса. Полки блока могут быть также изготовлены из стали, полиэтилена, слоистого пластика, винипласта и других материалов.

Рис. 7.4. Схема двухярусного блока из алюминия индустриального изготовления: 1 - трубчатый или уголковый каркас; 2 - полки из плоского или гофрированного листа

Таблица 7.1.

Основные параметры полочных радиальных отстойников

Отстойники могут применяться на исходной воде без обработки и с обработкой ее химическими реагентами. Эффект очистки добавочной или оборотной воды в радиальном тонкослойном отстойнике определяется по данным кинетики осаждения взвеси. Для выделения в отстойнике частиц взвеси с гидравлической крупностью менее 0,3 мм/с необходимо уменьшить его производительность по сравнению с указанной в таблице 7.1.

При незначительных уменьшениях гидравлической крупности по сравнению с расчетным ее значением U_o= 0,3 мм/с, ориентировочно можно считать, что производительность отстойника следует уменьшить до значения

243

Q = Q

Uo`

Uo

 

• где U`_o- гидравлическая крупность частиц, подлежащих задержанию в отстойнике для получения заданного эффекта;

• U_o- расчетные значения гидравлической крупности по таблице 7.1;

• Q - расчетная производительность отстойника по табл. 7.1.

При модернизации существующих горизонтальных и радиальных отстойников обычного типа с целью повышения производительности или эффекта очистки воды, их оснащают тонкослойными элементами различной конструкции с горизонтальным, восходящим или нисходящим течением жидкости, располагаемыми в концевой части отстойников. На рис. 7.5. показан пример реконструкции горизонтального отстойника

Рис. 7.5. Схема реконструкции горизонтального отстойника с установкой в концевой его части тонкослойных элементов с восходящим течением жидкости: 1 - перегородка, препятствующая движению воды над тонкослойными блоками; 2 - блоки тонкослойных элементов; 3 - водосборные желоба; 4 - водоотводящие желоба; 5 - сплошная перегородка водосборной камеры

244

обычного типа с шириной секции В = 7,8 м и глубиной Н = 5,4 м большой производительности (производительность 3000 м³/ч) для промышленного водоснабжения, а на рис.7.6. схемы реконструкции радиальных отстойников в тонкослойные.

Рис. 7.6. Схемы реконструкции радиальных отстойников с тонкослойными элементами из профилированного полимерного листа: 1 - подача исходной воды; 2 - распределительное устройство; 3 - блок полочных тонкослойных элементов; 4 - радиально расположенные водосборные желоба; 5 -кольцевой водосборный желоб; 6 - отвод очищенной воды; 7 - водосборные перфорированные трубы

Принцип тонкослойного осаждения взвеси нашел широкое применение в общезаводских и локальных системах водоподготовки и очистки оборотной воды на промышленных предприятиях. Так, например, для улучшения эксплуатации оборотных систем охлаждения, на эффективность работы которых значительное влияние оказывает содержание грубодисперсных примесей, резервуары градирен оборудуются тонкослойными блоками с восходящим движением потока жидкости. Взвешенные вещества осаждаются в тонкослойных блоках и, очищенная от взвеси вода, поступает к технологическим установкам. Осадок периодически удаляется с помощью шнека или перфорированных труб. Применение градирен, оборудованных этими устройствами, существенно улучшает условия работы теплообменного оборудования и снижает эксплуатационные затраты.

При реконструкции обычных отстойников в тонкослойные применяются тонкослойные блоки различной конструкции с элементами полочного и трубчатого типа, изготавливаемые, например, из профилированного листа (рис. 7.7, а и 7.7,б).

Тонкослойные отстойники в системах промышленного водоснабжения могут применяться как самостоятельные и единственные сооружения водоподготовки (рис.7.8, а) или в комплексе с другими сооружениями (рис. 7.8, б), например, механическими и сорбционными фильтрами или ионообменными фильтрами и прочими сооружениями, обеспечивающими необходимый эффект очистки, когда требуется более высокая степень очистки воды, чем та, которую обеспечивает тонкослойное отстаивание.

245

Рис. 7.7,а. Схема блока тонкослойных элементов для горизонтальных отстойников из профилированного полимерного листа

Отстойники применяют с реагентной обработкой исходной воды и без нее, что при больших расходах воды на производственные нужды предпочтительнее. Расчет тонкослойных отстойников заключается в определении их числа и размеров, обеспечивающих требуемое качество очистки. Расчет отстойников для необработанной реагентами воды производится по данным кинетики тонкослойного осаждения взвеси или ее дисперсному составу.

Коагулированная взвесь, представляет собой хлопья гидроокиси металлов, гидравлическая крупность которых составляет 0,3 - 0,5 мм/с. Поэтому при реагентной обработке исходной воды гидравлическую крупность задерживаемых в отстойнике частиц обычно принимают равной U_o= 0,3 - 0,5 мм/с.

При значительной мутности воды в источнике в технологическую схему подготовки воды могут быть включены водозаборы, оборудованные тонкослойными элементами (модулями). Такой плавучий водозабор

246

Рис. 7.7, б. Схема блока тонкослойных элементов для радиальных отстойников из профилированного полимерного листа

Рис. 7.8. Схема производственного водоснабжения с очисткой воды в тонкослойном отстойнике (а) и в тонкослойном отстойнике в комплексе с фильтрами (б): HC-I, НС-II - насосные станции I и II подъема; СМ - смеситель; РХ - реагентное хозяйство; ТО - тонкослойный отстойник; ФМ - фильтр механический; ФС - фильтр сорбционный; 1 - охлаждаемый агрегат; 2 - охладитель оборотной воды; 3 - перепускной канал; 4 - резервуар охлажденной и добавочной воды; 5 - трубопровод для удаления осадка

247

устанавливается вместо традиционных водозаборных сооружений. Он представляет собой тонкослойный отстойник с восходящим потоком жидкости, оснащенный входной успокоительной решеткой, работающей при скорости движения воды в тонкослойных элементах 10 мм/с. В отстойнике происходит процесс осаждения взвешенных частиц, из поступающей в него воды реки, сползание уловленных частиц взвеси по наклонным поверхностям тонкослойных элементов к входным сечениям, их унос речным потоком. Такое решение позволяет значительно уменьшить объем обрабатываемого осадка на очистной станции.

Расчет тонкослойных отстойников. Для обеспечения надежности работы и стабильного качества осветленной воды необходимо соблюдать ламинарный режим течения жидкости в тонкослойных элементах, что контролируется по числу Рейнольдса потока

Re =

Vω

νχ

 ≤500

где V - средняя скорость жидкости в тонкослойном элементе, см/с; ω - площадь поперечного сечения тонкослойного элемента, см²; χ - смоченный периметр, cм ; ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости, см²/с.

Для полочных и трубчатых отстойников при

b

2h

  ≥ 4, где b - ширина тонкослойного элемента, можно считать

ω

χ

  = h, где h - половина расстояния между соседними полками.

Максимальная допустимая скорость в тонкослойных элементах

V_макс≤

500νχ

ω

 .

Длина тонкослойного элемента (полочного блока) определяется по зависимости

L_п= φ

V·2h

Uocosα

 ,

где V - средняя скорость жидкости в живом сечении полочных блоков

V =

Q

3,6Fп

 ≤2-10,мм/с;

• Q - расход обрабатываемой жидкости, м³/ч ;

• F_п- суммарная площадь живого сечения тонкослойных блоков, м ; 2h - расстояние между полками (глубина тонкослойного элемента), м; рекомендуется 0,025 ≤ 2h ≤ 0,1 м;

• U_o- гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с, принимается в зависимости от вида природных и сточных вод, состава и свойств взвеси в воде и требуемого эффекта очистки; наиболее обоснованно может быть назначена на основании данных по кинетике тонкослойного осаждения взвеси;

248

• α - угол наклона тонкослойных элементов (полок) к горизонту, зависит от свойств взвеси и материала полок. Из условия сползания осадка α = 45 ÷ 60°;

• φ - коэффициент, учитывающий гидродинамические условия осаждения частиц в тонкослойных элементах.

Значение коэффициента φ определяется по нижеприведенной таблице (табл. 7.2) методом последовательного приближения. Принимая вначале φ = 1 и определяя L_п, находят значение

Lп

hRe

 , затем уточненное значение φ и, вновь определив L_пи

Lп

hRe

  по таблице находят расчетное значение φ.

Значения коэффициента φ = f(

Lп

hRe

 )

Таблица 7.2

Объем осадка w_oc, м³/ч, выпадающего в отстойнике, определяется по приведенной ниже зависимости или по аналогичным зависимостям, имеющимся в литературе

w_ос=

QCисхЭ

ρ(100 - p1)106

 

• где Q - расход, м³/ч ;

• ρ - плотность осадка, т/м³, ρ ≈ 1 т/м³;

• p₁- влажность осадка, т/м³;

• Э - эффект очистки, %.

Эффект очистки воды от взвеси

Э =

Сисх- Сост

Сисх

 100, %,

где С_исх, С_ост- содержание взвеси в исходной и осветленной жидкости, г/м³.

После определения основных параметров отстойника осуществляется его конструирование. Определяется местоположение

249

тонкослойных блоков в отстойнике, их количество и размеры, разрабатывается конструкция впускных и распределительных устройств, определяются размеры осадочной части. Особое внимание следует обращать на равномерность распределения воды по живому сечению тонкослойных элементов и предотвращение течения жидкости за пределами зоны отстаивания, т.е. минуя блоки тонкослойных элементов.

Соотношение объема осадочной зоны отстойника и объема выпадающего осадка определяет режим и периодичность его удаления из отстойника.

В случае применения существующих типовых отстойников с определенными базовыми параметрами необходимо привязать их к местным условиям, т.е. уточнить режим их работы с учетом обрабатываемого расхода, исходной концентрации взвеси и ее дисперсного состава, температуры жидкости и т.п. Параметры тонкослойных отстойников, приведенных выше, определены из условия задержания частиц расчетной гидравлической крупности U_o= 0,25 ÷ 0,3 мм/с, при расстояниях между полками 2h = 40 мм или 2h = 50 мм. Этим условиям соответствуют базовые значения производительностей отстойников каждого типоразмерного ряда и эффекты очистки, соответствующие извлечению из обрабатываемой воды всех частиц взвеси с гидравлической крупностью более U_o= 0,25÷ 0,3 мм/с.

При использовании отстойников для других условий или изменения базовых параметров, например, расстояния между полками 2h, длины полок L_п, расхода Q, гидравлической крупности U_oи т.п., необходимо воспользоваться основными зависимостями для расчета отстойников приведенными выше. При привязке базовых отстойников необходимо учитывать, что при их разработке учтена возможность увеличения базовой производительности до 25% при соответствующем увеличении гидравлической крупности задерживаемых частиц U_o. При этом обеспечивается нормальная работа камер хлопьеобразования и гидравлических систем распределения и отвода жидкости. Снижение базовой производительности с соответствующим уменьшением гидравлической крупности задерживаемых частиц, а следовательно, соответствующим повышением эффекта очистки Э, может допускаться без ограничения для отстойников без камер хлопьеобразования, если это является целесообразным для данного типоразмера отстойника или экономически оправдано. Ниже приведены примеры привязки отстойников для условий, отличающихся от базовых.

Пример 1. Определение гидравлической крупности, задерживаемых частиц и эффекта очистки при заданной производительности.

Предположим, необходимо подобрать горизонтальный отстойник без камеры хлопьеобразования при его производительности Q = 25 м /ч. Ближайший базовый вариант имеет производительность Q = 30 м³/ч при 250

250

U_o- 0,25 мм/с. Выбираем этот отстойник. Площадь живого сечения полочных блоков в отстойнике F_п= 1,69 м²(находится по таблице основных размеров).Длина полок L_п= 300 см = 3,0 м, расстояние между полками 2h =50 мм = 0,05 м.

Скорость движения жидкости в блоке

V =

Q

3,6Fп

  =

25

3,6 · 1,69

  = 4,1 ,мм/с.

Гидравлическая крупность задерживаемых частиц определяется по зависимости

U_o= φ

V·2h

Lпcosα мм/с .

 , мм/c

Находим φ. Число Рейнольдса потока

Re =

Vh

ν

  =

0,41 · 2,5

0,01

  = 103,

где ν - кинематический коэффициент вязкости ν =0,01 см²/с при Т = 20°С (значение вязкости должно быть скорректировано в соответствии с местными условиями).

Значение комплекса

Lп

hRe

  =

300

2,5·103

  = 1,17 ,

где L_пи h в см.

Откуда по таблице 7.2 находим φ = 1,27.

Гидравлическая крупность задерживаемых частиц

U_o= φ

V·2h

Lпcosα мм/с .

  = 1,27

4,1·0,05

3·0,5

  = 0,168 мм/с,

где 2h и L_пв м.

По дисперсному составу взвеси или графику кинетики тонкослойного осаждения взвеси для данной обрабатываемой жидкости, находится эффект очистки в отстойнике при заданной производительности, отличающейся от базовой. При использовании данных по дисперсному составу взвеси необходимо по гидравлической крупности U_oнайти диаметр задерживаемых частиц d_o, а затем соответствующий ему эффект очистки.

Затем определяется объем осадка и проверяется достаточность объема зоны накопления осадка. Назначается режим его удаления.

Пример 2. Определение производительности отстойника при заданном эффекте очистки. Предположим, необходимо подобрать отстойник, обеспечивающий заданный эффект очистки Э = 70%. По данным кинетики тонкослойного осаждения в виде графика Э = f(U) находим значение U = U_o, соответствующее эффекту очистки Э = 70%.

251

Пусть этому эффекту на графике соответствует U_o= 0,18 мм/с. Это меньше, чем базовое значение U_o= 0,25 мм/с. Значит, принимая любой из отстойников типоразмерного ряда, получим снижение его производительности по сравнению с базовой приблизительно в

0,25

0,18

  = 1,39 раза. 0,18 ' F

Для более точного подсчета необходимо воспользоваться зависимостью

Q =

UoLпcosα

φ·2h

  F_п.

Поставляя в нее параметры выбранного типоразмера отстойника L_п, 2h, F_п, α, найденные из таблицы основных размеров базового отстойника, и расчетное значение U_o= 0,18 мм/с при φ = 1 определяем в первом приближении расход Q, а затем находим по этому приближенному значению расхода скорость V, число Рейнольдса Re и значение комплекса

Lп

hRe

 . После чего уточняем значение φ и уточненный расход отстойника Q, подсчитывая его по найденному значению φ.

Как правило, одного приближения достаточно для получения требуемой точности расчетов.

При привязке базовых типоразмеров отстойников могут быть изменены расстояния между полками 2h, длина L_пи другие элементы отстойников и полочных блоков. При этом их рабочие параметры подлежат уточнению по основным расчетным зависимостям.

252

7.2.2. Очитка воды методом фильтрации

Для очистки воды от взвешенных и коллоидных примесей методом фильтрации применяются безнапорные открытые и напорные фильтры. Они могут применяться для доочистки воды после отстойников или осветлителей со взвешенным осадком и как самостоятельные сооружения. В зависимости от типа фильтрующего слоя различают фильтры: зернистые, сетчатые, тканевые и намывные (фильтрующий материал намывается в виде тонкого слоя на каркас из керамики, сетки, ткани). Наиболее широко в промышленном водоснабжении применяются скорые (v_ф= 5 - 15 м/ч) и сверхскорые (v_ф≥ 15-25 м/ч) зернистые фильтры, а также сетчатые фильтры.

В зависимости от крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разделяют на мелкозернистые (размеры зерен верхнего слоя 0,3 - 0,5 мм); среднезернистые (размеры зерен 0,5 - 0,8 мм) и крупнозернистые (размеры зерен верхнего слоя 1-2 мм). Поддерживающие слои укладывают из крупного песка или гравия с

252

размерами зерен 2 - 20мм. Наряду с использованием тяжелых загрузок для фильтров с плотностью зерен больше плотности воды (кварцевый песок, антрацит, керамзит, горелые породы и т.п.), применяются плавающие загрузки, плотность зерен которых меньше плотности воды (гранулированный пенополистирол, пенополеуретан, фторопласт и др. материалы).

Крупнозернистые загрузки применяют в напорных и открытых фильтрах, предназначенных для частичного осветления технической воды при исходной ее мутности до 150 мг/л. Они обеспечивают эффект очистки до 50 - 60% и рассчитаны на задержание частиц взвеси крупнее 0,05 мм, которые могут осаждаться в трубопроводах и оборудовании в зонах с пониженными скоростями движения воды. Обычно используется кварцевый песок и дробленый антрацит с крупностью зерен загрузки 0,8 - 1,8 мм (коэффициент неоднородности 1,8) и 1,5 - 2,5 мм (коэффициент неоднородности 2). Высота слоя загрузки соответственно 1,5 - 2 м и 2,5 - 3 м, а скорость фильтрации v_ф= 10 - 12 м/ч и v_ф= 13 - 15 м/ч, Интенсивность промывки водой 6 - 8 л/ с.м (1 мин в начале и 2 мин в конце) и воздухом 15-25 л/с·м²с одновременной подачей воды 3-4 л/с.м" в течение 5 мин. Кроме крупнозернистых фильтров для частичного осветления технической воды применяют конусные сетки, барабанные сетки (БС) и микрофильтры (МФ), сетчатые самопромывающиеся фильтры,

Конусные сетки. Для некоторых водоемких производств, требующих больших расходов воды, иногда без особого ущерба для технологического процесса достаточно обеспечить лишь весьма грубую очистку воды от взвешенных веществ, что может быть выполнено на ленточных и барабанных сетках. Однако они громоздки и дороги. Поэтому в промышленности нашли применение малогабаритные конусные очистные сетки с реактивным промывным устройством, устанавливаемые на горизонтальном или вертикальном трубопроводе (рис.7.9). Эта сетка представляет собой фланцевый патрубок, внутри которого смонтирован сетчатый конус, жестко прикрепленный к опорному кольцу, и реактивное промывное вращающееся устройство, располагаемое внутри конуса. Исходная неочищенная вода подается снаружи сетчатого конуса, очищенная вода проходит внутрь его и по трубопроводу поступает к потребителю. Смыв задержанного на сетке мусора осуществляется промывным устройством в виде вилки с двумя ветвями, на которых имеются отверстия или сопла, направленные нормально к поверхности конического сетчатого полотна и крайних сопел на концах ветвей с направлением выхода струи по касательной, в результате чего промывное устройство вращается по действием реактивной силы струи, истекающих из крайних сопел каждой ветви. Смытый с поверхности сетки мусор отводится через специальный патрубок. В зависимости от требуемой

253

Рис. 7.9. Конусная очистная сетка с реактивным промывным устройством: 1 -- корпус сетки; 2 - опорное кольцо; 3 - реактивное промывное устройство-4 - сетчатый конус; 5 - подшипник; 6 - вал; 7 - неподвижная труба; 8 - специальные сопла, обеспечивающие вращение промывного устройства; 9 - трубопровод для отведения задержанного мусора и взвеси

степени очистки воды могут быть установлены сетчатые полотна с ячейками размером 0,25 × 0,25 мм до 4 × 4 мм. Потери воды вместе с удаляемым мусором достигают 3 % от обрабатываемого расхода.

Барабанные сетки и микрофильтры. Наряду с конусными очистными сетками применяются барабанные сетки и микрофильтры, выпускаемые промышленностью, одинаковые по конструкции и отличающиеся только размерами ячеек фильтрующих полотен. Размер поддерживающих сеток 2 × 2 мм, фильтровальных - 0,5 × 0,5 мм для барабанных сеток и 40 - 60 мкм для микрофильтров. Барабанные сетки применяются как защитные сооружения для извлечения крупных плавающих загрязнений в схемах с контактными осветлителями.

Скорость фильтрования на барабанных сетках составляет от 90 до 250 м/ч, потери напора 0,1 м, расход промывной воды до 0,5% суточного расхода.

Микрофильтры используют в технических водопроводах для грубого осветления воды за счет извлечения части взвеси с размерами более 40 - 60 мкм, а также задержания планктона. Эффект очистки на микрофильтрах зависит от размеров ячеек фильтрующего полотна и скорости фильтрования. Применение микрофильтров позволяет снизить содержание взвеси на 30 - 40% (50 - 80%) и планктона на 75 - 100%. Микрофильтр (рис. 7.10) является аппаратом непрерывного действия. Он состоит из многогранного барабана, к граням которого крепятся фильтрующие элементы, представляющие собой прямоугольные рамки с натянутыми на них сетками. Верхняя и нижняя сетки поддерживают основную микросетку с размерами ячеек 40 - 60 мкм. Барабан на 2/3 диаметра погружен в камеру для сбора фильтрата. Обрабатываемая вода

254

7.10. Схема установки микрофильтра: 1 - канал фильтрата; 2 - водослив; 3 - коллектор промывной воды; 4 - труба для отвода промывной воды; 5 - разбрызгиватель; 6 - воронка; 7 - кожух; 8 - входной канал; 9 - труба опорожнения; 10 - входная труба; 11 - фильтрующие элементы; 12 - барабан

поступает через входную трубу внутрь барабана, вращающегося со скоростью 1,25-5 мин^-1, фильтруется через фильтрующие элементы и поступает в камеру микрофильтра, откуда через водослив с тонкой стенкой попадает в канал, отводящий очищенную воду. Загрязнения остаются на внутренней поверхности барабана. Загрязненные фильтрующие элементы промываются водой при помощи специального устройства в тот момент, когда они при вращении барабана оказываются в верхнем положении. Промывная вода собирается воронками и по глухой части полого вала отводится в канализацию. Скорость фильтрования составляет от 35 до 90 м/ч. Потери напора на микросетке принимаются не более 0,2 м, а в целом на установке достигают 0,5 м. Отметка гребня водослива камеры микрофильтра должна быть на 0,1 - 0,2 м ниже горизонта воды в камере. Средний расход промывной воды составляет 2%, а расход грязной промывной воды, отводимой в канализацию, 1,5%, т.к. часть воды, поступающей на промывку, попадает в камеру микрофильтра.

Самопромывающиеся фильтры. Из напорных самопромывающихся фильтров с плоскими сетчатыми фильтрующими элементами с непрерывной очисткой воды и автоматической промывкой, наиболее характерными и широко применяемыми в системах промышленного водоснабжения является фильтры ВСФ-2000 (рис.7.11). Производительность его 2000 м³/ч, площадь фильтрования - 31 м². Исходная вода в фильтр подается сверху и снизу корпуса, фильтруется через сегментные фильтрующие элементы и отводится через патрубок, расположенный в средней части корпуса. Часть очищенной воды используется на промывку

255

сегментных фильтрующих элементов, которая осуществляется обратным током под действием разности давлений в корпусе фильтра и системе канализации. Промываются фильтрующие элементы, ^перекрытые вращающимися коробами. Вода смывает осадок с фильтрующих элементов во вращающиеся короба и через полый вал отводится из фильтра в канализацию. Как и все сетчатые фильтры, самопромывающийся фильтр ВСФ-2000 имеет малые потери напора. Фильтр задерживает взвешенные вещества крупностью 0,01 мм и выше при скорости фильтрации v_ф= 60 - 70 м/ч. Такие фильтры часто используются для очистки оборотной воды и устанавливаются без разрыва струи на напорных водоводах охлажденной воды. Эффект очистки зависит от исходной концентрации и дисперсного состава взвешенных веществ, размеров ячеек фильтровальной сетки и скорости фильтрования. Эффект задержания взвешенных частиц из оборотной воды нефтехимических предприятий при оснащении фильтров сеткой с размерами ячеек 0,2 × 0,2 мм достигает 45%, Уменьшение размеров ячеек до 65 × 25 мкм увеличивает эффект очистки до 63%, но при этом снижается производительность фильтров и почти в 2 раза возрастает расход воды на промывку. При исходной концентрации взвешенных веществ в оборотной воде НПЗ до 20 - 30 мг/л эффект очистки на фильтрах ВСФ составляет 30%. Самопромывающиеся фильтры дешевле напорных и безнапорных зернистых фильтров в строительстве и эксплуатации.

Рис. 7.11. Напорный самопромываемый фильтр ВСФ-2000: 1 - отвод очищенной воды; 2 - фильтрующие сегментные элементы; 3 -электродвигатель для перемещения вращающихся коробов; 4 - вращающийся короб; 5 - подача воды; 6 - полый вал; 7 - отвод промывной воды в канализацию

256

Скорые безнапорные фильтры. Скорые фильтры в системах промышленного водоснабжения применяются для доочистки воды после предварительной очистки ее и как самостоятельные сооружения.

Вода, поступающая на скорые фильтры не должна содержать взвешенных веществ более 25 мг/л. Для грубозернистых фильтров допускается содержание взвеси в воде до 150 мг/л, а при очистке оборотной воды в зависимости от местных условий грубозернистые фильтры применяют при содержании взвешенных веществ более 150 мг/л (до 300 - 500 мг/л), а скорые фильтры с обычной загрузкой более 25 мг/л (до 40 мг/л).

Применяют однослойные, многослойные и каркасно-засыпные фильтры (рис. 7.12, 7.13), которые являются разновидностью многослойных фильтров с загрузкой в виде каркаса из гравия или щебня и

Рис. 7.12. Схема однослойного скорого фильтра (а) и каркасно-засыпного (б): 1 - поддерживающий гравийный слой; 2 - распределительная система высокого сопротивления; 3 - фильтрующая загрузка; 4 - желоб для сбора промывной воды; 5 -трубопровод для подачи исходной воды; 6 - трубопровод для отвода промывной воды; 7 - трубопровод для отвода фильтрата; 8 - трубопровод для подвода промывной воды; 11 - песчаная засыпка; 12 - гравийный каркас; 13 - трубчатая система для подачи исходной и отвода промывной воды; 14 - трубопровод для подачи воздуха при промывке

засыпки мелкозернистого материала в поровом пространстве каркаса, примерно, на половину его высоты. Загрузка многослойных фильтров состоит из комбинации нескольких (от 2 до 4) слоев разных фильтрующих материалов, уложенных с уменьшением плотности и размера зерен снизу вверх.

При форсированном режиме скорость фильтрования принимается на 20 - 25% больше, чем при нормальном режиме v_ф.р.= (1,2 - 1,25) v_ф.

257

Рис. 7.13. Схема многослойного контактного фильтра (а) и однослойного фильтра (ФПЗ-4) с плавающей загрузкой (б): 1 - поддон фильтра; 2 - распределительное устройство из пористого бетона; 3 - трехслойная фильтрующая загрузка; 4 - отвод промывной воды; 5 - боковой карман; 6 - водосборные желоба; 7 - водораспределительная система из перфорированных труб; 8 - ввод реагентов; 9 - подача исходной воды; 10 - подача промывной воды; 11 - отвод фильтрата; 12 - нижняя дренажная система; 13 - средняя дренажная система; 14 - плавающая фильтрующая загрузка

Таблица 7.3.

Технологические параметры скорых фильтров

258

Расчет фильтров и их коммуникаций производят на нормальный и форсированный режимы работы.

Суммарная площадь фильтров

F =

Q

Тф·vф - nпр·qпр·t1 - nпр·t1·vф

 , м²,

• где Q - количество очищаемой воды, м³/сут;

• Т_ф- продолжительность работы фильтров в течение суток, ч;

• v_ф- скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч;

• n_пр· число промывок фильтра в сутки; обычно n_пр= 2 - 3;

• q_пр- интенсивность промывки; л/с·м²; q_np= 10 - 18 л/с-м²;

• t₁- продолжительность промывки фильтра, ч;

• t₂- время простоя фильтра в связи с промывкой, ч; t₂= 0,33 ч, при промывке водой и t₂= 0,5 ч при промывке водой и воздухом.

Количество фильтров N_ф= 0,5√F.

При этом должно соблюдаться условие

V_ф.р.≤

vф·Nф

Nф- N

 , м/ч

где N · число фильтров в ремонте. Для станций производительностью менее 1600 м³/сут допускается принимать N_ф‹4.

Площадь одного фильтра

F₁=

F

Nф

 ≤120 м³.

Число и размеры промывных желобов распределительной системы, бокового кармана, расположение желобов в фильтре и других элементов фильтра определяются обычным порядком.

Высота слоя воды над поверхностью загрузки фильтра должна быть не менее 2 м. Высота борта фильтра - не менее 0,5 м. При устройстве распределительных систем большого сопротивления в виде трубчатого дренажа с ответвлениями при наличии поддерживающих слоев диаметр отверстий в них принимается d_o= 10 - 12 мм, а при отсутствии -предусматриваются щели шириной на 0,1 мм меньше минимального размера зерен фильтрующей загрузки.

Верхняя граница поддерживающих слоев располагается на уровне верха распределительных труб и должна быть выше отверстий не менее, чем на 100 мм. Поддерживающие слои отсыпаются из гравия или гранитного щебня крупностью 5 - 2 мм (высота 50 - 100 мм), 10 - 5, 20 - 10 и 40 - 20 мм (высотой 100 - 150 мм). Общая площадь отверстий должна составлять 0,25 - 0,5%, а площадь щелей 1,5 - 2% рабочей

259

площади фильтра. Низ ответвлений располагают на 80 - 120 мм от дна фильтра, расстояние между осями ответвлений 250 - 350, а между осями отверстий и щелей соответственно 150 - 200 мм и не менее 20 мм. Сечение коллекторов и ответвлений трубчатой распределительной системы принимают по скорости движения воды в начале коллектора 0,8 - 1,2 м/с и в начале ответвлений 1,6-2 м/с.

Распределительная система с колпачками применяется при водовоздушной промывке из расчета размещения 35 - 50 шт. колпачков на квадратный метр площади фильтра. Потери напора в щелевых колпачках составляют 0,5 - 0,8 м,

Распределительная система фильтров может быть также выполнена без поддерживающих слоев в виде каналов, перекрываемых полимербетонными плитами.

Для удаления воздуха из коллекторов фильтрата и промывной воды фильтры оборудуются воздушными стояками.

Параметры промывки фильтров зависят от типа загрузки (табл. 7.4)

Таблица 7.4.

Параметры промывки скорых фильтров

Расход промывной воды

q_пр= q_пр·F₁,

• где q_пp- интенсивность промывки, л/с·м ;

• F₁- площадь одного фильтра, м²;

Напор промывного насоса

Н = z_ж- z_п.р+ h_д+ h_п.c+ h_ф.с+∑h + 1 ,5, м,

• где z_ж- отметка верхней кромки желобов, м;

• z_н.р- отметка нижнего уровня воды в РЧВ, м;

• h_д- потери напора в дренажной системе, м; h_д= 0,8 - 1,6 м;

• h_п.с- потери напора в поддерживающем слое, м, h_n.с= 0,7 - 1,4 м;

• h_ф.с- потери напора в слое фильтрующей загрузки, м; h_ф.с≈ Н_ф, где Н_ф- высота фильтрующего слоя;

260

• ∑h - сумма потерь напора в подводящем промывную воду трубопроводе, м.

Для сбора и отведения промывной воды в фильтрах устраиваются желоба с полукруглым или треугольным днищем. Расстояние между соседними желобами принимается не более 2,2 м.

Расстояние от фильтрующей загрузки до кромок желобов

Н_ж=

Hфε

100

  + 0,3, м,

• где Н_ф- высота фильтрующего слоя, м;

• ε - относительное расширение фильтрующей загрузки, %.

Ширина желоба определяется по зависимости

• где q" - расход воды в желобе, м³/с;

• а_ж- отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины,а_ж=1 - 1,5;

• К_ж- коэффициент равный для желобов с полукруглым днищем 2, а с треугольным днищем - 2,1.

Желоба укладываются с уклоном 0,01 к сборному каналу. Расстояние от дна желоба до дна канала

• где q_кан- расход воды в канале, м³/с;

• В_кан- ширина канала, м; В_кан≥ 0,7 м.

Уровень воды в канале должен быть на 0,2 м ниже дна желоба.

Наиболее эффективная отмывка фильтрующего материала происходит при водовоздушной промывке, которая обычно осуществляется следующим образом: продувка воздухом с интенсивностью 15-20 л/с.м²в течении 1 - 2 мин, затем водовоздушная промывка при интенсивности подачи воздуха 15-20 л/с.м²и воды 3-4 л/с.м²в течение 4-5 мин, после чего промывка осуществляется водой с интенсивностью 6-8 л/с.м²в течение 4-5 мин.

Кроме скорых фильтров и каркасно-засыпных фильтров в системах промышленного водоснабжения применяются контактные осветлители при содержании взвешенных веществ до 150 мг/л и цветности до 150 град., а также контактные фильтры, работающие с использованием контактной коагуляции, но в отличие от контактных осветлителей, при фильтрации воды сверху вниз. В этих фильтрах для увеличения грязеемкости загрузки,

261

которая примерно такая же, как у контактных осветлителей, ее делают многослойной, с использованием крупнозернистых материалов в верхних слоях, что позволяет реализовать принцип фильтрования в сторону уменьшения крупности зерен загрузки. Наибольшее распространение в системах промышленного водоснабжения получили контактные фильтры типа КО-5 (рис.7.13, а). Загрузка этих фильтров состоит из трех слоев высотой по 0,5 м каждый. Верхний слой керамзит крупностью 2,3 - 3,3 мм, второй слой аглопорит крупностью 1,25 - 2,3 мм и третий слой кварцевый песок крупностью 0,7 - 1,25 мм.

Фильтрующий материал непосредственно укладывается на распределительную систему из керамических пористых плиток или винипластовых щелевых труб.

Контактные фильтры применяют в одноступенчатых схемах обработки свежей и оборотной воды при содержании взвеси в ней до 50 - 60 мг/л.

Фильтры с плавающей загрузкой. В последнее время для очистки свежей и оборотной воды в промышленности находят применение фильтры нескольких модификаций с пенополистирольной плавающей загрузкой. При использовании таких фильтров температура обрабатываемой воды не должна превышать 50°С. Используются однослойные фильтры ФПЗ-1 с восходящим потоком с диаметром гранул нижнего рабочего слоя 0,7 - 1,5 мм и поддерживающего верхнего слоя 2,5 - 6 мм, а также с нисходящим потоком, при фильтрации воды сверху вниз, в направлении убывающей крупности загрузки (ФПЗ-3, ФПЗ-4, АФПЗ-5М).

Фильтры ФПЗ-4 (рис. 13, б) с диаметром гранул 0,8 - 1,0 мм обеспечивают безреагентное осветление воды для технических нужд до 10-15 мг/л при исходном содержании взвешенных веществ до 500 мг/л. Скорость фильтрования v_cp= 5 м/ч. Высота слоя загрузки Н_ср= 1,4 м.

При доочистке воды на фильтрах ФПЗ-4 и АФПЗ-5М с диаметрами гранул фильтрующего слоя 0,7 - 6 мм после физико-химической и биологической очистки с исходным содержанием взвеси в воде до 20 - 50 мг/л, остаточное содержание ее в фильтрате снижается до 3-6 мг/л.

Высота фильтрующего слоя в фильтрах ФПЗ-3 - 1,4 м, в фильтрах АФПЗ-5М - 1,6 , рекомендуемые скорости фильтрования соответственно 10 и 15 м/ч. При реагентном контактном фильтровании фильтры для очистки воды до остаточного содержания взвеси 1,5 мг/л, применяются при исходном содержании ее 100 - 200 мг/л. Скорость фильтрования зависит от типа фильтра и параметров фильтрующей загрузки и составляет от 4 до 10 м/ч. При безреагентной очистке воды для получения таких параметров очистки скорость фильтрации должна быть снижена до 0,8 - 2 м/ч.

262

Расчет фильтров с плавающей загрузкой производится аналогично расчету скорых фильтров, но имеет ряд особенностей, связанных со спецификой применяемых фильтрующих материалов и конструктивными особенностями различных типов фильтров. Основным расчетным параметром является скорость фильтрации при нормальном и форсированном режимах, продолжительность фильтрации и время промывки. Площадь одного фильтра рекомендуется назначать от 4 до 50м².

Одним из факторов ограничивающих максимальную площадь фильтра с плавающей загрузкой, является значительная величина выталкивающей силы, действующей на решетку или сетку, предохраняющую фильтрующий слой от всплытия.

R = R_a+ R_н- G, кг,

• где R_a= F₁·Н_ф·(1 - m) - Архимедова сила выталкивания, кг;

• R_н= F₁·H_p- сила выталкивания за счет напора перед загрузкой,

• Н_р= 1,5 - 2,5 м; для фильтров ФПЗ-3, ФПЗ-4 и ФПЗ-5 R_н= 0;

• G = F₁·Н_ф·ρ(1 - m) + масса загрузки, кг;

• Н_ф- толщина фильтрующего слоя, м.

Напорные фильтры. Напорные фильтры широко используются в промышленном водоснабжении для безреагентного осветления воды с содержанием взвешенных веществ от 20 до 500 мг/л и осветлением ее без предварительного отстаивания или с предварительным отстаиванием после обработки коагулянтами. Применяют вертикальные однокамерные (рис. 7.14) напорные фильтры заводского изготовления с высотой слоя фильтрующей загрузки 1 м диаметрами от 1 до 3,4 м производительностью 50-150 м³/ч и горизонтальные фильтры с высотой нижнего слоя загрузки 1,08 м, верхнего - 0,5 м (рис. 7.15), диаметром 3 м и длиной Юме площадью фильтрации 30 м², производительностью до 300 м³/ч. Находят применение двух- и трехкамерные однопоточные фильтры конструкции Уралэнергометаллургпрома и двухслойные фильтры института ВНИИ ВОДГЕО. У последних загрузка состоит из двух слоев: нижнего - из мелкого кварца и верхнего- из более крупного дробленого антрацита. Они не имеют поддерживающих слоев. Фильтрующий материал располагается непосредственно на колпачковом или щелевом дренаже.

Промывка загрузки предусматривается водовоздушная, для чего в загрузке устанавливается специальная распределительная система для подачи сжатого воздуха. Загрузка фильтра осуществляется через верхний лаз, а для гидравлической выгрузки при ее замене предусмотрен специальный загрузочный штуцер. В качестве фильтрующего материала однослойных напорных фильтров используется кварцевый песок (насыпной вес 1,6 т/м³) и мраморная крошка (насыпной вес 1,8 т/м³) с диаметром зерен 0,5 - 1 мм, эффективной крупностью 0,35 мм и

263

Рис. 7.14. Вертикальные однокамерные напорные фильтры: а - общий вид; б - схема фильтра с тяжелой загрузкой; в - то же, с плавающей загрузкой; 1 - подвод обрабатываемой воды; 2 - отвод обработанной воды; 3 - подвод промывной воды; 4 - отвод промывной воды; 5 - спуск первого фильтрата; 6 - подвод сжатого воздуха; 7 - отвод воздуха; 8 - люк для загрузки фильтрующего материала; 9 - манометры; 10 -штуцер для гидровыгрузкн фильтрующего материала; 11 - монтажный люк; 12 - распределительная воронка или иное распределительное устройство; 13 - верхняя распределительная система; 14 - средняя дренажная система; 15 - нижняя дренажная система; 16 - слой фильтрующей загрузки

коэффициентом неоднородности 2, а также дробленый антрацит (насыпной вес 0,8 т/м³) с диаметром зерен 0,8 - 1,5 мм, эффективной крупностью 0,6 мм и коэффициентом неоднородности 3. Скорость фильтролания для напорных фильтров с предварительным отстаиванием воды при нормальном режиме принимают 8 м/ч, без отстаивания - 4 м/ч.

264

Рис. 7.15. Горизонтальный напорный фильтр: 1 - подвод обрабатываемой воды; 2 - отвод обрабатываемой воды; 3 - подвод промывной воды; 4 - спуск промывной воды; 5 - подвод сжатого воздуха; 6 - спуск первого фильтрата; 7 - штуцер для гидровыпуска; 8 - трубопровод для выпуска воздуха

При форсированном режиме допускается увеличение скорости фильтрования на 25%. Расчетная грязеемкость загрузки кварцевого песка и мраморной крошки составляет 0,75 кг/м²при безреагентном осветлении воды и 1,5 кг/м" с коагуляцией без предварительного отстаивания, а грязеемкость дробленого антрацита соответственно составляет 1 и 1,75 кг/м. Фильтры выводят на промывку при повышении потерь напора в фильтрующей загрузке до 10 - 15 м вод. ст. Интенсивность промывки для кварцевого песка и мраморной крошки - 15 л/с-м², для дробленого антрацита - 10 л/с-м", длительность промывки - 6 мин. В случае применения при промывке сжатого воздуха интенсивность продувки воздуха 20 л/с-м², длительность 3 мин.

Напорные фильтры, как правило, не имеют поддерживающих гравийных слоев. Их дренаж выполняется в виде трубчатой магистрали с ответвлениями, снабженными фарфоровыми или пластмассовыми колпачками или прорезанными щелями. В случае применения водовоздушной промывки устраивается специальная распределительная система для подачи сжатого воздуха, располагаемая в фильтрующей загрузке над основной дренажной системой или применяются специальные колпачки, позволяющие осуществлять подачу воды и воздуха одновременно.

Значительное распространение в системах промышленного водоснабжения получили напорные сверхскоростные фильтры системы Г.Н.Никифорова (рис. 7.16), обеспечивающие скорости фильтрования 50 - 100 м/ч. Производительность такого фильтра диаметром 3 м составляет 150 м³/ч. Фильтр представляет собой цилиндрический корпус разделенный на 8 отсеков с центральным стаканом внутри его. Каждый отсек представляет собой фильтр с песчано-гравийной засыпкой при

265

Рис. 7.16. Сверхскоростной фильтр системы Г.Н.Никифорова: 1 - корпус; 2 - центральный цилиндр; 3 - дренажное днище; 4 - подача воды на обработку; 5 - распределительный колпак; 6 - распределительные окна; 7 - отверстия для поступления воды из междудонного пространства в центральный цилиндр; 8 - отвод фильтрата; 9 - электродвигатель для перемещения вращающегося патрубка; 10 - вращающийся патрубок, перекрывающий подачу воды в промывную камеру и соединяющей ее с центральным стояком; 11 - междудонное пространство; 12 - центральный стояк для отвода промывной воды; 13 - отвод промывной воды в канализацию

266

высоте слоя песка около 0,5 м. Вода поступает в фильтр по трубопроводу в распределительный колпак и из него через окна в камеры фильтра (кроме промываемой в настоящий момент). В режиме фильтрации работают 7 отсеков, а один в это время промывается очищенной водой, поступающей из общего для всех отсеков поддренажного (поддонного) пространства под действием разности давлений ΔР = p₁- Р_а, где Р -давление в поддренажном (поддонном) пространстве фильтра, а Р_а-атмосферное давление в канализационной сети. Промывка осуществляется автоматически по мере подключения промываемого отсека к сбросному трубопроводу, отводящему промывную воду в канализацию, с помощью перемещаемого электродвигателем специального вращающегося патрубка. При этом одновременно перекрывается подача исходной воды в промываемый отсек фильтра. Продолжительность фильтрацикла в каждом отсеке составляет 1 - 2 ч. Продолжительность промывки около 10 мин, в том числе около 3 мин тратится на операции, связанные с промывкой.

Фильтр работает при переменной скорости фильтрования, которая уменьшается от некоторой начальной скорости v_ф.нв только что промытой камере, до v_ф.кв камере перед очередной промывкой, так как по мере загрязнения фильтра сопротивление его загрузки будет возрастать.

Производительность фильтра определяется по средней расчетной скорости фильтрования

v_ф.ср=

vф.н+vф.к

2

 

Развитие систем автоматики позволили Г.Н.Никифорову предложить батарейный тип сверхскоростных напорных фильтров, связанных единым гидравлическим режимом и автоматической системой промывки каждого фильтра. В такой системе каждый фильтр блока по существу аналогичен камере обычного сверхскоростного фильтра. Управление осуществляется при помощи электрифицированных задвижек на линиях труб, обслуживаемых фильтры.

В системах промышленного водоснабжения применяются также двухкамерные и трехкамерные фильтры, обладающие большой грязеемкостью до 40 кг/м²(у обычных фильтров ≈ 1,5 кг/м²), при скорости фильтрования 15-25 м/ч в первой и 6 - 10 м/ч во второй камере. Они применяются при концентрации взвешенных веществ в исходной воде не более 1000 мг/л.

Для стабилизационной обработки воды используют активные фильтрующие материалы, способные извлекать не только взвешенные и коллоидные примеси 7 но и растворенные загрязнения. Это широко применяемая в промышленном водоснабжении мраморная крошка, магномасса, а для очистки от растворенных органических загрязнений различные активные угли и другие типы загрузок.

267

К активным фильтрующим материалам относится разработанный на кафедре "Водоснабжение и водоотведение" ЛИИЖТа искусственный материал алюмо-силикатный адсорбент (ААА) с ярко выраженными сорбционными свойствами, которые нри снижении его сорбционной активности периодически восстанавливаются регенерацией с применением доступных активирующих реагентов на 70 - 80% после обычной промывки материала от задержанной взвеси. Таким образом не требуется заменять эту загрузку, как например, при использовании активированного угля. Разработан типоразмерный ряд напорных осветлительно-сорбционных фильтров (рис. 7.17) диаметрами от 0,8 до 1,6 м, одинаковой высоты 3 м.

Рис. 7.17. Осветлительно-сорбционный фильтр ОНИЛ кафедры "Водоснабжение и водоотведение": 1 - корпус; 2 - дренажная система из дисковых щелевых распределителей; 3 - патрубок отвода фильтрата и подвода промывной воды; 4 - загрузка фильтра (ААА); 5 - патрубок подвода исходной и отвода промывной воды; 6 - распределительное (водосборное) устройство; 7 - устройство для автоматического выпуска воздуха; 8 - люки для загрузки (нижний) и выгрузки (верхний) фильтрующего материала

268

производительностью от 4 до 20 м³/ч (табл. 7.5). Технические параметры осветлительно-сорбционных фильтров ОНИЛ кафедры "Водоснабжение и водоотведение" ЛИИЖТа приведены в табл. 7.6.

Таблица 7.5.

Типоразмерный ряд напорных фильтров ОНИЛ кафедры "Водоснабжение и водоотведение" ЛЙИЖТа

Диаметр D, м	Высота Н, мм	Диаметр патрубков для подачи и отвода воды d d1= d2	Количество дисковых распределителей	Диаметр монтажных люков, мм
800	3000	100	6	500
1000	3000	100	7	500
1200	3000	125	7	500
1400	3000	150	8	500
1600	3000	200	10	500

Таблица 7.6.

Технические параметры осветлительно-сорбционных фильтров ОНИЛ кафедры "Водоснабжение и водоотведение" ЛИИЖТа

Фильтры рассчитаны на очистку воды от взвеси и снижение цветности в безреагентном режиме и могут быть использованы для очистки воды, обработанной реагентами. По опытным данным при исходной концентрации взвешенных веществ 40 - 50 мг/л и цветности до 150 град, продолжительность фильтроцикла составляет 5-7 суток, после чего фильтр выводится на промывку. Промывка производится водой с интенсивностью 13 - 14 л/с.м²,в течение 6 - 7 мин для удаления задержанной взвеси. После пятой промывки водой производится активация загрузки с применением регенерационных веществ (MgSO₄, MgCl₂) для восстановления сорбционной способности загрузки. При длительной эксплуатации сорбционная способность загрузки восстанавливается не полностью, стабилизируясь на уровне 70-80 % от начальной активности сорбента.

269

При использовании данных фильтра для безреагентной очистки воды с исходной концентрацией взвеси от 50 до 500 мг/л продолжительность фильтроцикла снижается из-за интенсивного загрязнения загрузки задержанной взвеси и возникает необходимость в более частых промывках фильтрующей загрузки водой с интервалами от 12 до 24 часов. При этом необходимость и частота регенерации сорбционных свойств загрузки определяется рабочей емкостью сорбента ААА и количеством содержащихся в воде сорбируемых веществ. Как правило, продолжительность периода между регенерациями сорбента существенно превышает продолжительность периода между промывками его водой с целью удаления задержанной взвеси. Грязеемкость ААА по взвеси -60 - 70 кг/м³для подготовки технической воды с остаточным содержанием взвеси до 5 мг/л и 30 - 40 кг/м³при остаточным содержанием взвеси до 2 мг/л. Сорбционная емкость составляет 20 мг/л по проскоку сорбируемого лимитирующего вещества.

Распределительная система фильтра представляет собой несколько дисковых щелевых распределителей специальной конструкции, изготовленных из полимерных материалов, смонтированных на дренажном днище и перекрывающих отверстия в нем, диаметрами по 150 мм для отвода фильтрата и подвода промывной воды. Размеры щелей 0,5 мм на 0,1 мм меньше минимального диаметра зерен фильтрующей загрузки. Поддерживающий слой не устраивается. В верхней части фильтра установлено автоматическое устройство для выпуска воздуха.

Исходная вода на фильтрацию подается через распределительные устройства в виде стакана диаметром 300 мм, которое служит также для сбора промывной воды.

Для перегрузки фильтра и обслуживания его во время эксплуатации предусмотрены два люка в верхней и нижней частях корпуса фильтра.

Напорные фильтры подбирают по скорости фильтрации и техническим параметрам. После определения требуемой суммарной площади фильтров F, м², определяется их количество

N =

F

F1

 

где f₁- площадь фильтрации одного фильтра, м².

Число напорных фильтров на очистной станции обычно принимают N_ф=4 - 6 шт.

Необходимость очистки свежей или оборотной воды не только от взвешенных веществ, но и от растворенных примесей природного и антропогенного происхождения, предопределила разработку и применение комбинированных напорных осветлительно-сорбционных фильтров. Такие фильтры в отличии от фильтров с ААА, которые одновременно являясь и фильтрующими и сорбционными материалами, загружают двумя видами

270

фильтрующей загрузки: для осветления воды от взвеси и для сорбционной очистки каким-либо адсорбентом (рис. 7.18). Обрабатываемая вода последовательно проходит в корпусе фильтра очистку от содержащейся в ней взвеси, а затем адсорбционную очистку. Фильтр может работать, как без применения реагента, так и с применением реагента. В качестве адсорбента применяют активированный уголь и другие активные сорбирующие загрузки.

Рис. 7.18. Схема напорного комбинированного осветлительно-сорбционного фильтра: 1 - подача воды на обработку и отвод промывной воды; 2 - песчаная фильтрующая загрузка; 3 - поддерживающий слой; 4 - подача промывной воды; 5 - слой адсорбента; 6 - отвод очищенной и промывной воды

Для задержания периодически поступающих в воду примесей, требующих применения сорбентов, разработаны конструкции осветлительно-сорбционных фильтров с комбинированной плавающей пенополистирольной загрузкой, обеспечивающих возможность одноразового в течение фильтроцикла ввода сорбентов в обрабатываемую воду в соответствии с видом и количеством примесей, присутствующих в воде. Такие фильтры оснащаются специальной системой для ввода сорбента. Введенный сорбент естественным путем распределяется между гранулами пенополистирола, образуя комбинированный осветлительно-сорбционный слой. Фильтрование осуществляется при восходящем потоке воды. При появлении проскока лимитирующего вещества фильтр выводится на промывку. Промывка производится обратным током воды. Плавающая загрузка при промывке расширяется, зерна адсорбционного материала, имеющие плотность больше плотности жидкости движутся вниз и отводятся из корпуса фильтра в специальную емкость.

271

.3. Дегазация воды

7.3.1. Сущность процесса и классификация применяемых методов дегазации

Дегазация или деаэрация воды - это удаление из воды растворенных в ней газов. Во многих случаях качество продукции и сохранность систем промышленного водоснабжения и оборудования от коррозии и отложений связаны с наличием газов в воде, используемой в технологических процессах. Чаще всего приходится удалять из воды углекислоту СO₂, кислород О₂, сероводород H₂S и метан СН₄.

Эти газы относятся к коррозионно-активным, способствующим или усиливающим процессы коррозии металлов. Кроме того, углекислота и сероводород коррозионны по отношению к бетону, сероводород ядовит и имеет неприятный запах, а метан взрывоопасен. Очень часто необходимо удалять из воды растворенный в ней кислород, являющийся одной из основных причин интенсивной коррозии металлов.

Газы попадают в исходную воду в результате растворения в ней воздуха, а также при некоторых процессах обработки воды, например, при катионитовом умягчении воды и ионитовом обессоливании воды, обезжелезевании и деманганации подземных бикарбонатных вод.

Сероводород присутствует в некоторых подземных источниках водоснабжения.

Практика показывает, что срок службы паровых котлов, теплообменных аппаратов, трубопроводов, тепловых сетей и т.п. на деаэрированной воде в 3 - 4 раза больше, чем на недеаэрированной.

Для защиты от коррозии паровых котлов, теплообменников, тепловых сетей, конденсаторов и другого теплоэнергетического оборудования, в различных процессах водоподготовки необходимо удалять из воды растворенные газы.

Существующие методы дегазации воды подразделяются на физические и химические, основанные на применении химических реагентов. Для извлечения сероводорода применяетсябиохимический метод с использованием окислительной способности микроорганизмов.

Сущность физических методов дегазации заключается в следующем:

1. Вода, содержащая удаляемый газ, парциальное давление которого в воздухе близко к нулю, приводится в соприкосновение с воздухом, куда и переходит удаляемый газ;

2. Создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится ничтожно малой.

Первый способ применяется для удаления свободной углекислоты и сероводорода, парциальное давление которых в атмосферном воздухе близко к нулю.

272

Второй способ применяется для газов с большим парциальным давлением в атмосферном воздухе, вследствие чего аэрацией их удалить нельзя. Поэтому воду доводят до кипения, тогда растворимость газов в ней падает до нуля. Для этого применяют либо нагревание воды, либо понижение давления до величины, при которой вода кипит без дополнительного подогрева. Этот способ применяется при обескислороживании воды, ввиду значительного парциального давления которого в воздухе аэрацией его удалить нельзя.

Процесс термической дегазации состоит из нагрева деаэрируемой воды, диффузии растворенных в воде газов и десорбции их. Скорость диффузии зависит от вязкости и поверхностного натяжения и с увеличением температуры диффузионный процесс протекает быстрее. Дробление воды уменьшает путь газа и ускоряет выход из нее, так как увеличивается, поверхность контакта воды с паром. Увеличение поверхности соприкосновения может быть также достигнуто барботированием греющего пара.

Десорбция газа сводится к последовательной диффузии удаляемого газа на границе раздела фаз через два пограничных слоя - жидкостный и газовый, оказывающих сопротивление десорбции, причем для труднорастворимых газов процесс определяется сопротивлением жидкостного пограничного слоя. Величины обратные сопротивлениям слоев называются коэффициентами десорбции,

Количество десорбированного газа:

G = K_общ·F·ΔC_ср

• где К_общ- общий коэффициент десорбции; для труднорастворимых газов К_общ≈ К_ж

• F - площадь соприкосновения жидкой и газообразной фаз, м²;

• ΔС_ср- средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м³.

Для малоконцентрированных растворенных газов:

• где С_вхи С_вых- концентрации удаляемого газа на входе в аппарат и на выходе из него;

• С_р.вхи С_с.вых- равновесные концентрации удаляемого газа в воде на входе в аппарат и на выходе из него.

Расчет десорбционных аппаратов заключается в определении необходимой поверхности соприкосновения F жидкой и газообразной фаз для обеспечения заданного эффекта дегазации, а следовательно и их

273

размеров. Величина Кобщ принимается по опытным данным или находится с помощью теории подобия.

274

7.3.2. Физические методы дегазации воды. Конструкции дегазаторов

Для реализации физических методов дегазации воды применяют несколько типов дегазаторов:

• 1. Пленочные с различного рода насадками, работающие по принципу противотока дегазируемой воды и воздуха подаваемого вентилятором или поступающего за счет естественной вентиляции;

• 2. Барботажные с подачей воздуха в воду через перфорированные воздухораспределительные трубы, пористые трубы,пористые пластины;

• 3. Пенные, основанные на десорбции газов воздухом из пенного слоя или слоев, создаваемых в рабочей зоне аппарата.

• 4. Вакуумно-эжекционные, основанные на десорбции газов за счет вакуума, возникающего в потоке жидкости при ее эжектировании;

• 5. Вакуумные, основанные на десорбции газов при создании вакуума в рабочей зоне аппарата. С подогревом или без подогрева обрабатываемой воды и применением вакуумных устройств (вакуум-насосов, пароструйных или водоструйных эжекторов).

Для удаления из воды растворенных газов в технике водоподготовки в основном применяются пленочные дегазаторы, а в теплоэнергетике -термические деаэраторы (дегазаторы).

В практике водоподготовки наиболее часто для глубокого удаления свободной углекислоты (СO₂), сероводорода (H₂S) и др. газов применяют пленочные дегазаторы, загруженные кольцами Рашига, керамическими или пластмассовыми кольцами или с хордовой деревянной насадкой для увеличения поверхности контакта аэрируемой воды и воздуха. Обрабатываемая вода тонкой пленкой стекает по контактной загрузке сверху вниз, а снизу под контактную массу вентилятором нагнетается воздух.

К струйно-пленочным дегазаторам без принудительной подачи воздуха относятся контактные градирни (рис. 7.19, б) с зафузкой из кусков кокса или фавия, в которых исходная вода распределяется и подается в верхнюю часть фадирни, стекает, контактируя с воздухом, сверху вниз, последовательно проходя все ярусы, заполненные контактной зафузкой.

Дегазаторы барботажного типа требуют значительных эксплуатационных затрат и имеют офаниченную область применения.

Дегазаторы пенного типа (рис.7.19, в, г) являются разновидностью барботажных дегазаторов. Они применяются для удаления углекислоты и экономичны при расходах до 100 м³/ч. Основным элементом такого дегазатора является перфорированная полка с отверстиями не более 6 мм,

274

Рис.7.19. Дегазаторы различных типов: а - пленочный с принудительной подачей воздуха; б - струйно-пленочный без принудительной подачи воздуха (контактная градирня); в - пенный многоярусный; г - то же, одноярусный; 1 - подача воздуха; 2 - насадка из колец Рашига; 3 - перфорированные пластины или дырчатое днище; 4 - слой пены; 5 - отвод воздуха; 6 - подача исходной воды; 7 - отвод дегазированной воды; 8 - водослив; 9 - стабилизационная перегородка; 10 - распределительная труба; 11 - вентилятор; 12 - распределительная плита; 13 - оросительные патрубки; 14 - газоотводные патрубки

вдоль которой тонким слоем протекает вода, вспениваемая потоком воздуха, поступающим через отверстия. Количество полок (ярусов аппарата) не более 4-5, расстояние между полками 150 - 200 мм,

275

эффективность десорбции свободной углекислоты 96-97%. Интенсивность подачи воздуха 0,35 - 0,75 м³/м³воды. Суммарная площадь отверстий в перегородке 5 - 15% ее общей площади.

В вакуумно-эжекционных аппаратах (рис. 7.20, а) десорбция растворенных в воде газов происходит в результате резкого понижения давления. В вакуумной камере за счет большой скорости движения воды, где происходит ее мгновенное вскипание, сопровождаемое десорбцией растворенных газов. Эти аппараты показали высокую эффективность десорбции газов в технологии обезжелезевания, деманганации, умягчения и обессоливания воды.

Рис. 7.20. Вакуумно-эжекционный (а) и вакуумный (б) дегазатор: 1 - конически сходящийся насадок; 2 - вакуумная камера; 3 - окна для подсоса воздуха; 4, 5, 6 - эжекционные камеры; 7 - отражательная пластина; 8 - сопло Вентури; 9 - подвод воды; 10 - распределительная тарелка с отверстиями; 11 - патрубок для отсоса газов; 12 - насадка из керамических колец Рашига; 13 - дырчатое днище; 14 - отвод дегазированной воды; 15 - патрубок для водомерного стекла

Вакуумные дегазаторы применяются при необходимости одновременного удаления углекислоты (СO₂) и кислорода (О₂) или только кислорода. Вакуумные дегазаторы (рис. 7.20,б) выполняют стальными,

276

круглыми в плане с корпусным днищем. Контактные насадки внутри аппарата располагаются на дырчатом листе с отверстиями 15 - 20 мм или решетке. Вода подается в дегазатор устройством, обеспечивающем тонкое и равномерное распределение ее по поверхности насадки, в качестве которой чаще всего применяются кольца Рашига. Для наблюдения за уровнем воды в дегазаторе установлено водомерное стекло. Парогазовая смесь отводится из дегазатора вакуумным устройством, в качестве которого могут быть использованы вакуумные насосы или паровые или водоструйные эжекторы. Наиболее полная дегазация воды достигается разбрызгиванием воды в вакууме с одновременным подогревом.

В теплоэнергетике на ТЭС, ТЭЦ и АЭС широко применяется термическая деаэрация, при которой из воды удаляются все растворенные в ней газы. Процесс термической деаэрации состоит из нагрева воды до кипения, диффузии растворенных в воде газов и десорбции их в дегазаторах (деаэраторах). В зависимости от рабочего давления применяются дегазаторы:

• атмосферные (ДА, р_раб=1,2 атм.);

• вакуумные (ДВ, р_ра6=0,075-0,5 атм.);

• повышенного давления (ДП, p_раб=6-7 атм.).

На железнодорожном транспорте атмосферные деаэраторы (рис. 7.21, а) применяют в котельных производительностью до 100 т/ч пара, вакуумные деаэраторы (рис. 7.21,б) применяют там, где нет пара (водогрейные котельные, тепловые сети, горячее водоснабжение).

В термических деаэраторах большая часть газов выделяется в виде пузырьков, меньшая за счет диффузии и десорбции. Процесс интенсифицируется с увеличением температуры. Частичное выделение газов происходит на верхней и промежуточной тарелках. На барботажном листе вода подогревается до рабочей температуры и удаляются газы, оставшиеся после струйной деаэрации.

При термической деаэрации эффективность удаления свободной углекислоты значительно ниже, чем кислорода, так как термическое разложения бикарбонатов HCO₃начинается после практически полного удаления из воды свободной углекислоты. Выделяющуюся при этом углекислоту надо отводить. Этот процесс и определяет глубину декарбонизации.

Теплоэнергетические деаэрационные установки (рис. 7.22) состоят из деаэратора, бака для деаэрированной воды, который служит также для отстаивания мельчайших пузырьков пара, оставшихся после деаэратора, теплообменников для подогрева исходной воды за счет тепла выпара, предохранительной и защитной арматуры и трубопроводов, устройств для отбора проб деаэрированной воды. Вакуумные деаэрационные установки

277

дополняются вакуумными устройствами для создания требуемого вакуума в деаэраторе (см. рис. 7.22).

Рис.7.21. Атмосферный (а) и вакуумный струйно-барботажный (б) деаэратор: 1 - штуцер отвода парогазовой смеси (выпара); 2 - верхняя тарелка; 3 - перепускная тарелка; 4 - корпус деаэратора; 5 - барботажный лист; 6 - сливная труба; 7 - деаэраторный бак; 8 - перепускное устройство; 9 - обводная труба; 10 - сечение для прохода пара; 11 - подвод обрабатываемой воды; 12 - отвод деаэрированной воды; 13 - штуцер для подвода конденсата; 14 - тоже для подвода перегретой воды; 15 - перегородка; 16 - сектор перепускной тарелки; 17 - сплошная вертикальная перегородка; 18 - сектор барботажного листа; 19 - щели в барботажном листе; 20 - порог барботажного листа

В деаэраторах атмосферного типа (ДА) температура воды в баке около 104°С. Это осложняет подбор насосов из-за снижения их допустимой высоты всасывания и возможности появления кавитации. Для надежной работы насосов нужен подпор 6 - 8 м, что требует увеличения высоты помещения или вызывает необходимость размещения баков за пределами зданий.

В вакуумных термических деаэраторах применение пара не обязательно. Они могут работать на перегретой воде. Температура воды перед вакуумными деаэраторами может быть 35 - 60°С, что существенно упрощает подбор насосов для деаэрированной воды и создает ряд других преимуществ в эксплуатации. Перегретая вода вскипает, образуя пар, который проходит через барботажный лист и далее через зону струйной аэрации, десорбируя растворенный в воде газ. Парогазовая смесь отсасывается вакуумной системой через устройства для удаления выпара.

278

Рис. 7.22. Схема вакуумной деаэрационной установки: 1 - газо-водяной эжектор; 2 - подвод исходной воды на охлаждение выпара; 3 - охладитель выпара; 4 - слив конденсата; 5 - вакуумный деаэратор; 6 - регулирующий клапан регулятора температуры деаэрированной воды; 7 - линия подвода перегретой воды; 8 - перфорированные коллекторы; 9 - деаэраторный бак; 10 - сливной трубопровод; 11 - деаэрированная вода к насосу; 12 - гидрозатвор; 13 - подвод химически очищенной воды; 14 - теплообменник для подогрева химически очищенной воды; 15 - регулирующий клапан регулятора температуры химически очищенной воды; 16 - слив нагретой воды; 17 - бак-газоотделитель; 18 - перекачивающие насосы; 19 - подвод исходной воды

Основное назначение охладителя выпара - резкое уменьшение (≈ в 100 раз) объема парогазовой смеси за счет конденсации содержащегося в ней пара и утилизации тепла; что уменьшает производительность отсасывающих устройств. Используются теплообменники поверхностного типа.

В качестве отсасывающих устройств, кроме эжекторов (гидроэлеваторов), также используются вакуум-насосы.

Работа таких (деаэрационных) установок автоматизируется в зависимости от температуры и давления.

Факторы, влияющие на работу термических деаэраторов:

• надежный нагрев воды до температуры кипения;

• хорошее распределения воды в дегазаторе;

• надежное и полное удаление выпара;

• исключение вторичной аэрации воды.

279

Для исключения вторичной аэрации воды давление в баке деаэрационной установки должно быть на 100... 200 мм в.ст, больше атмосферного.

280

7.3.3. Химические способы дегазации воды

Химические способы дегазации воды применяются для глубокого удаления кислорода после термической деаэрации, сероводорода, а также удаления углекислоты.

Удаление агрессивной углекислоты в процессах стабилизационной обработки воды при отрицательном индексе стабильности может быть достигнуто реагентным методом с применением едкого натрия (NaOH), соды (Nа₂СО₃), извести (СаО), мела или мраморной крошки с содержащимся в ней СаСО₃. При этом происходят следующие реакции:

• NaOH + CO₂=NaHCO₃;

• Na₂CO₃+CO₂+ Н₂О = 2NaHCO₃;

• СаО + 2СО₂+ Н₂О = Са(НСО₃)₂;

• СаСО₃+ СО₂+ Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Доза реагентов определяется в зависимости от требуемого технологического эффекта обработки.

Удаление растворенного кислорода осуществляется фильтрованием через железную стружку, введением в обрабатываемую воду сульфита натрия (Na₂SO₃), тиосульфата натрия, сернистого газа (SO₂), гидразина N₂H₄в виде гидразин гидрата (N₂Н₄·H₂O) или гидразин сульфата (N₂H₄·H₂SO₄). Процесс обескислороживания происходит по реакциям:

• 4Fe + 3O₂=2Fe₂O₃;

• 2Na₂SO₃+O₂= 2Na₂HCO₃;

• SO₂+H₂O = H₂SO₃;

• 2H₂SO₃+O₂= 2H₂SO₄;

• N₂H₄+O₂=N₂↑+2H₂O.

Доза реагента:

Д_р= 1,1·β·С_к

• где β - теоретический расход реагента для удаления 1 мг растворенного кислорода, мг;

• С_к- концентрация растворенного кислорода в исходной воде, мг/л.

Дозу гидразина рекомендуется определять с учетом взаимодействия его с оксидами железа и меди, присутствующими в исходной воде:

280

Д_р.г=3·С₁+0,3·С₂+0,15·С₃,

где С₁, С₂, С₃- концентрации соответственно растворенного кислорода., железа и меди в обрабатываемой воде, мг/л.

Повышение температуры способствует увеличению скорости процесса и повышает его эффективность.

Рис. 7.23. Технологическая схема реагентного обескислороживания воды: 1 - подвод греющего пара; 2 - герметик; 3 - бак обескислороженной воды; 4 -дозировочная шайба; 5 - бак с реагентом; 6 - дозатор; 7 - ротаметр; 8 - подача исходной воды; 9 - отвод обескислороженной воды

Достаточно широкое промышленное применение нашли также реагенты как сульфит натрия Na₂SO₄и гидразин N₂H₄. В первом случае в результате окисления сульфита, растворенным в воде кислородом, образуется хорошо растворимый и не опасный в коррозионном отношении сульфат натрия, а во втором случае выделяется также не опасный инертный газ - азот. Наиболее часто применяется гидразин. Он не увеличивает сухой остаток воды и не дает вредных летучих продуктов, но его растворы ядовиты и при работе с ним надо иметь средства защиты (очки, респиратор, перчатки). Реакции обескислороживания с применением гидразина способствуют повышению значения рН и температуры выше 100°С.

При обескислороживании воды сульфитом натрия увеличивается солесодержание воды, в пределах 12 мг на 1 мг растворенного кислорода, что влияет на величину продувки системы.

Химические методы удаления кислорода чаще всего применяются, как корректировочные после дегазации более дешевыми физическими способами.

Значительно реже обескислороживание осуществляется с применением железа. Железо-стружечные фильтры рассчитывают на

281

время контакта, которое зависит от температуры и должно быть не менее 25 мин. Скорость фильтрации принимается 25-100 м/ч, расход стружек - 5 кг на 1 кг удаляемого кислорода.

В последнее время для обескислороживания воды применяют электронно-обменные (ЭО) и ионно-обменные (ЭИ) смолы. Их восстановительная способность различна и составляет по кислороду для смол типа ЭИ- 12 - 45000 г/м³, а для смол типа ЭО - 450-5000 г-экв/м³. Регенерацию истощенных смол осуществляют 1-2% раствором сульфита или тиосульфита натрия. Конструкция фильтров аналогична конструкции обычных водопроводных фильтров. Высота загрузки Н=2 м, скорость фильтрации - 20 м/ч.

Удаление сероводорода химическим путем производится при его содержании в исходной воде до 10 мг/л. Применяются сильные окислители: хлор (Сl₂), гипохлорит натрия (NaClO), гипохлорит кальция (CaClO₂), озон (О₃), перекись водорода (Н₂О₂), перманганат калия (КМnО₄), кислород (O₂), двуокись марганца (МnО₂), а также железо.

В зависимости от вида и количества окислителей, вступающих в реакцию, сероводородные соединения могут быть окислены до свободной серы, тиосульфитов, сульфидов и сульфитов. На ход процесса оказывает влияние рН среды. Увеличение рН приводит к снижению окислительной способности реагентов по отношению к сероводороду.

При использовании в качестве реагентов хлора (Сl₂), озона (О₃) и кислорода (О₂) процесс описывается следующими химическими реакциями:

• H₂S + Cl₂=2HCI + S;

• H₂S + 4 · Сl₂+ 4 · Н₂О = H₂SO₄+ 8 · НС1;

• H₂S + O₃=S + H₂+ O₂;

• 3·H₂S + O₃= 3·S + 3·H₂O;

• 3·H₂S + 4·O₃= 3·H₂SO₄;

• 2·H₂S + O₂= 2·S + O₂= 2·S + H₂O;

Расход реагентов составляет: хлора - 1,85 - 8,4 мг/мг сероводородных соединений, озона - 0,47 - 1,85 мг/мг, кислорода - 0,47 мг/мг.

Установлен линейный характер зависимостей расхода окислителя (Д мг на мг H₂S) от значений рН среды:

при применении гипохлорита натрия (NaCIO)

Д = 1,707 + 0,216·рН,

при применении озона

Д = -0,219 + 0,165·рН,

при применении гипохлорита кальция (СаСЮ2)

282

Д = 2,214 + 0,1 72·рН.

Ожидаемая концентрация коллоидной серы (S, мг/л) при этом в воде составит:

для гипохлорита натрия (NaCIO)	S = (0,738-0,065-pH)-CH2S,
для озона	S = (l,340-0,110.pH)-CH2S,
для гипохлорита кальция	S = (0,594-0,052- pH).CH2S,

где C_H2s- исходная концентрация сероводорода, мг/л.

283

7.3.4. Удаление свободной углекислоты

Удаление свободной углекислоты (углекислого газа) называется декарбонизацией воды. Для удаления свободной углекислоты применяются, главным образом, физические методы дегазации и аппараты, рассмотренные выше, а также значительно реже химические способы (см. п. 7.3.3).

Содержание свободной углекислоты после Н-катионитовых фильтров можно ориентировочно определить по формуле:

С_нач= 0,268·(Ж_к)³,

или более точно по зависимости:

С = 44·Ж_к+С_исх,

• где Ж_к- карбонатная жесткость исходной воды, мг·экв/л;

• С_исх- содержание свободной углекислоты в исходной воде, мг/л.

Значение С_исхопределяется по данным химического анализа воды или по номофамме (рис. 7.24) с поправками на температуру α и содержание растворенных солей (плотный растворенный остаток) β:

где С_н- содержание свободной углекислоты по номофамме для t=25°C и плотного растворенного остатка 8=20 мг/л.

Таблица 7.7.

Значения коэффициентов α и β

Температура t, °C	0	5	10	15	20	25	30
α	1,65	1,44	1,29	1,16	1,06	1,00	0,95
Плотный остаток	20	50	100	200	300	400	500
β	1,0	0,97	0,94	0,90	0,88	0,86	0,84

283

Расчет дегазаторов производят исходя из необходимости удаления свободной углекислоты до требуемой конечной концентрации.

Рис. 7.24. Номограмма для определения содержания в воде свободной углекислоты

Площадь поперечного сечения дегазатора определяется по расчетному расходу воды и плотности орошения насадки (удельной гидравлической нагрузке):

F_д=

Q

qf

 , м²

где Q - расход, м³/ч;

q_f- рекомендуемая плотность орошения или удельная гидравлическая нагрузка, м³/м²ч; для дегазаторов с хордовой насадкой q_f= 40 м³/м²ч, для дегазаторов с кольцами Рашига размерами 25×25×3 q_f=60 м³/м²ч.

Суммарная площадь поверхности насадки

F =

G

Kж·ΔСср

  =

Q·(Свх- Свых)

1000·Кж· ΔСср

 

• где G - количество удаляемой углекислоты, кг/ч

• С_вх, С_вых- концентрация удаляемого газа на входе и на выходе, мг/л;

• К_ж- коэффициент десорбции, м/ч;

• ΔС_ср- средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м³

284

Для дегазаторов с деревянной хордовой насадкой и кольцами Рашига значения К_жпринимаются по графикам (рис. 7.25,а, б), а ΔС_ср- по графикам рис. 7.26.

Рис. 7.25. Графики для определения коэффициента К_ж:

a - для дегазаторов с деревянной хордовой насадкой при плотности орошения 40 м³/м²ч; б - то же, с кольцами Рашига при плотности орошения 60 м³/ м²ч; d - средний эквивалентный диаметр насадки, м

Рис. 7.26. График для определения ΔС_срв зависимости от С_вхи c_вых

285

Размеры досок деревянной хордовой насадки принимают 50 х 13, 80 х 13 и 120 х 13 соответственно прозоры между ними 20, 40 и 70 мм, удельная поверхность насадки с учетом стенок дегазатора S_y, м²/м³, 44,4 - 38,7; 32,7 - 30,9; 28,1 - 27,5 м /м³, а средний эквивалентный диаметр d_э- 0,078, 0,104 и 0,121 м. Расстояние между рядами досок по высоте (щитами досок) - 50 мм,

Объем насадки:

W_н=

F

Sн

 , м³,

где S_н- поверхность насадки, м²/м³.

Обычно S_н=44,4 - 27,5 м²/м³с учетом стенок аппарата для хордовой насадки из досок при производительности дегазаторов от 10 до 400 м³/ч (определяется при конструировании щита насадки), для насадки из колец Рашига размерами 25x25x3 мм S_н=204 м²/м³при количестве колец в 1 м³загрузки 53200 шт. Эквивалентный диаметр такой насадки d_э=0,01452 м².

Для выпускаемых промышленностью колец Рашига более крупных размеров 35x35x4 и 50x50x5 мм S_н=140 м²/м³и S_н=87,5 м²/м³соответственно.

Высота загрузки определяется по объему насадки W_ни площади поперечного сечения дегазатора F_дпосле чего определяются его основные конструктивные размеры.

Производительность вентилятора назначают по необходимому расходу воздуха и напору.

Требуемый расход воздуха:

W_в= Q·B_yд,м³/ч,

где В_уд- удельный расход воздуха, м³/м³; В_уд=20 м³/м³для насадки хордовой и 15 м³/м³для насадки из колец Рашига размером 25x25x3 мм.

Напор вентилятора для дегазаторов с кольцами Рашига размером 25x25x3 мм принимают 30 мм в. ст., а для дегазаторов с хордовой насадкой - 10 мм в. ст. на 1 м высоты загрузки.

Расчет контактных градирен и дегазаторов, применяемых при обезжелезивании воды аэрацией, производится аналогично.

Параметры дегазаторов пенного типа при удалении свободной углекислоты приведен в п. 7.3.1.

При обезжелезивании подземных вод аэрацией для достижения оптимального значения рН=7,5 необходимо удалять некоторое количество свободной углекислоты:

С=1,57·С_Fe+(С_нач+С_опт), мг/л,

где С_Fe- общее содержание железа в обезжелезиваемой воде, мг/л;

286

С_начи С_опт- начальная и оптимальная концентрации свободной углекислоты при данной щелочности воды (рис. 7.27).

Рис. 7.27. График для определения коэффициента К_ждля различных насадок:

а - при q_f=90 м³/м²·ч;б - при q_f=60 и 50 м³/м²·ч; 1 - кольца Рашига 25x25x3 мм; 2 - гравий d_ср=42 мм; 3 - кокс d_ср=43 мм; 4 - то же, d_ср=41 мм; 5 - то же, d_ср=29 мм., q_f=60 м³/м²·ч; 6 - то же, d_ср=24 мм, q_f=50 м³/м²·ч

Плотность орошения насадки принимают от 50 до 90 м³/м²·ч в зависимости от типа и размера насадки (табл. 7.8), а значения К_жпо графику (рис. 7.28).

Рис. 7.28. График для определения коэффициента К_жпри различных насадках для контактных градирен при плотности орошения q_f= 10 м₃/м₂·ч:

1 - кольца Рашига 25x25x3 мм; 2 - кокс d_cp=24 мм; 3 - гравий d_cp=42 мм; 4 - кокс, d_cp=29 мм; 5 - то же, d_cp=41 мм; 6 - то же, d_cp=43 мм

287

Таблица 7.8

Характеристика насадок

Значение ΔС_српри расчете дегазаторов, применяемых для обезжелезивания воды аэрацией:

где С_вхи С_оптв кг/м³

7.3.5. Обескислороживание воды

В настоящее время для обескислороживания воды широко применяется метод вакуумного обескислороживания на специальных аппаратах - вакуумных дегазаторах, заполненных кольцами Рашига, а также используются термические деаэраторы, предназначенные преимущественно для деаэрации воды в теплоэнергетике. Кроме того удаление кислорода осуществляется химическими методами (см. п. 7.34), Химические методы применяются как самостоятельные или как корректировочные для более глубокого обескислороживания воды, например, после термической деаэрации.

Вакуумные дегазаторы применяются при необходимости удаления свободной углекислоты (СО₂) и кислорода (О₂) или только кислорода.

Расчет ведется на требуемую конечную концентрацию О₂в воде при известной исходной его концентрации.

288

Значение ΔС_сри К_жопределяются по эмпирическим графикам (рис. 7.29 и 7.30),

Рис. 7.29. Зависимость ΔС_срот начальной и конечной концентрации кислорода в воде

Рис. 7.30. График для определения коэффициента К_ждля дегазатора с кольцами Рашига 25x25x3 мм при q_f=50 м3/м2·ч

Производительность вакуумных устройств для создания необходимого вакуума подбирают по объему парогазовой смеси W при t=0°C и давлении Р_o=1 атм., отсасываемой из дегазатора:

289

W_см=0,0035·

Gк·(273 + t)·Rк

Свых

 ·

Pсм

1 + 0,0036·t

 

• где Gк - количество удаляемого из воды кислорода, кг/ч;

• t - температура воды, °С;

• С_вых- концентрация кислорода в воде на выходе из дегазатора, г/м³;

• R_к- растворимость О₂в воде при данной температуре и при

• парциальном давлении кислорода 1 атм., г/м³атм.;

• Р^см- давление парогазовой смеси в дегазаторе при температуре t°C, атм.

Для W_смпри удалении СO₂необходимо вводить коэффициент 0,725. Растворимость O₂в воде при данной температуре и парциальном давлении кислорода, равном 1 атм., принимается по таблице 7.9.

Таблица 7.9.

Растворимость кислорода в воде при парциальном давлении его 1 атм.

Температура воды, °С	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Растворимость O2, г/м3атм.	69,5	60,7	53,7	48,0	43,4	39,3	35,9	33,2	30,8	28,6	26,6

Давление парогазовой смеси Р_смв дегазаторе соответствующее точке кипения воды при данной ее температуре принимается по графику на рис. 7.31.

Рис. 7.31. График для определения давления, соответствующего точке кипения воды при данной ее температуре

Расчет остальных параметров вакуумного дегазатора для обескислороживания воды производится аналогично расчету таких аппаратов при удалении свободой углекислоты (см. п. 7.34). По

290

расчетному расходу воды Q и плотности орошения насадки q_f, определяется площадь сечения аппарата F_ди определяется его диаметр D. Затем определяется площадь поверхности насадки F при заданной начальной и требуемой конечной концентрации O₂в воде. По площади поверхности насадки F и ее удельной поверхности S_нопределяется объем W_ни высота слоя насадки Н при диаметре дегазатора D.

291

7.3.6. Удаление сероводорода

Сероводородные подземные воды достаточно широко применяются в питьевом и промышленном водоснабжении из-за их сравнительно большого распространения на территории России, когда другие более подходящие источники водоснабжения отсутствуют. Концентрация сероводорода в используемых подземных водах доходит до 10 - 50 мг/л, а в бальнеологической практике применяют сероводородные воды, содержащие 100-150 мг/л сульфидов.

Сероводород - это ядовитый бесцветный газ с удельным весом 1,19, Запах сероводорода H₂S ощущается при содержании его в воде 0,2 - 1 мг/л. По европейским стандартам концентрация сероводорода в воде не должна превышать 0,05 мг/л. По отечественным требованиям допускается концентрация, придающая запах воде, ≤2 балла. Растворимость сероводорода при 0°С составляет 4,35 объема в одном объеме воды, ПДК в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м³.

Присутствие сероводорода в воде интенсифицирует коррозию трубопроводов и оборудования, соединения сероводорода, образуя гидросульфид кальция Ca(HS)₂, разрушают цемент, выводя из строя раструбные соединения труб и бетонные сооружения.

Использованная сероводородная вода не должна поступать на сооружения биологической очистки, так как при наличии в ней сульфидов более 20 мг/л процесс очистки нарушается. Сброс сероводородной воды в водные объекты приводит к гибели рыб и нарушению кислородного режима в зимний период вследствие расхода кислорода на окисление сероводорода. Проблема очистки от сероводорода возникает также на предприятиях нефтяной и целлюлозно-бумажной промышленности и во многих других отраслях.

Методы очистки воды от сероводорода зависят от соотношения форм производных его в зависимости от рН.

pH	4	5	6	7	8	9	10
Молекулярный H2S	99,91	99,1	91,66	52,35	9,81	1,09	0,11
Гидросульфидный ион HS-	0,09	0,9	8,34	47,65	90,19	98,91	99,89

291

В сероводородных водах на различных этапах их обработки могут присутствовать следующие соединения H₂S:

молекулярный H2S;	тиосульфат S2О3-2;
гидросульфидный ион HS-;	сульфит-ион SО3-2;
сульфидный ион S-2;	сульфат-ион SO4-2.

При азрационном методе удаления сероводорода на градирнях и барботажных установках желательно иметь сероводород в виде молекулярного сероводорода H₂S.

Физические (безреагентные) методы удаления H₂S основаны:

• на создании условий, когда растворимость H₂S резко снижается и приближается к нулю, т.е. при нагреве или понижении давления в вакуумных дегазаторах;

• на создании развитой поверхности контакта обрабатываемой воды и воздуха, где парциальное давление сероводорода равно нулю, что осуществляется в дегазаторах с принудительной и естественной вентиляцией (пленочные с насадками, струйно-пленочные контактные градирни, барботажные устройства).

Термические и вакуумные дегазаторы не применяются из-за высокой стоимости эксплуатации и загрязнения окружающей среды выделяющимся сероводородом.

При дегазации сероводородных вод частичное удаление сероводорода происходит и за счет химического окисления кислородом воздуха с образованием серы

2·H₂S+O₂=2·S+2·H₂O.

При подкислении до рН=5 возможно практически полное удаление сероводорода. Аэрационные методы эффективны при рН < 5 и низкой концентрации H₂S в воде (2-3 мг/л).

Для очистки от сероводорода природных и сточных вод применяют:

• аэрацию с последующим хлорированием;

• комбинированный метод (подкисление, аэрацию, хлорирование, подщелачивание, коагуляцию, фильтрование);

• химический метод (окисление различными окислителями: хлором, озоном, перманганатом калия). Практически применяется хлорирование дозами хлора 2,1 мг/л на 1 мг, содержащихся в воде соединений сероводорода. Доза увеличивается на 2 - 3 мг/л с учетом потребления хлора другими соединениями, окисляющимися хлором. При этом продуктами реакции будут элементарная сера и сульфаты;

292

• биохимическое окисление в аэротенках, на аэрофильтрах и в биохимических реакторах с последующим хлорированием и фильтрованием.

Дегазация (аэрация) неподкисленной воды, содержащей до 10 мг/л сероводорода, не обеспечивает надлежащей очистки её от сероводорода. В дегазированной воде образуется коллоидная сера и сохраняется значительное количество гидросульфидов. Окисление сероводорода и гидросульфидов хлором до свободной серы (2-9 мг на 1 мг сероводорода) с последующей коагуляцией сульфатом алюминия и фильтрованием позволяет получить воду пригодную для питья и технических целей. Для удаления сероводорода из воды и её одновременной стабилизации необходимо подкисление воды серной или соляной кислотой до рН=5,8-6 с сохранением в воде небольшого щелочного резерва 1-1,5 мг/л, обеспечивающего стабильность воды после десорбции H₂S и СО₂.

СНиП 2.04.02-84 рекомендует применять аэрационный метод при содержании сероводорода до 3 мг/л, химический - до 10 мг/л. Комбинированный метод является достаточно сложным, методы с использованием кислоты и окислителей не получили широкого распространения из-за больших затрат. Биохимическое окисление в аэрофильтрах из-за интенсивной аэрации и удаления углекислоты приводит к выпадению карбонита кальция, цементирующего загрузку, вследствие чего она выходит из строя.

Аэрацией удаляется от 20 до 30% и более содержащегося в воде сероводорода. При аэрации с рН > 5 происходит механическое выдувание H₂S и его окисление кислородом воздуха. Эффективность этого процесса зависит от рН воды, её температуры, интенсивности аэрации и реально этим методом при определенных условиях возможно удаление до 65% сероводорода. Применяются открытые градирни и дегазаторы.

Открытые градирни устраивают с загрузкой из кусков кокса, шлака и других материалов крупностью 30 - 50 мм с толщиной каждого слоя 0,3 - 0,4 м, расстоянием между слоями 0,6 м, числом слоев 3 - 5 в зависимости от исходной концентрации сероводорода в воде. Гидравлическая нагрузка на градирню - 15 м³/м²ч. Помещения должны быть оборудованы вентиляцией с 12-кратным воздухообменом.

Дегазаторы применяют с загрузкой из колец Рашига и с хордовыми насадками. Высота слоя колец Рашига - 2 - 3 м, хордовой насадки на 1 м больше, чем для колец Рашига. Гидравлическая нагрузка на дегазатор с загрузкой из колец Рашига - 40 м³/м²ч (до 60), а с хордовой насадкой -30 м³/м²ч. расход воздуха 15 м³на 1 м³воды.

Дозу хлора для окисления оставшегося в воде после аэрации сероводорода необходимо принимать 4-5 мг/л.

293

В случае применения комбинированного метода подкисление осуществляют до рН = 5,5 соляной или серной кислотой, затем воду аэрируют, хлорируют для окисления оставшегося в воде после аэрации сероводорода, вводят коагулянт и производят фильтрование для очистки воды от образующейся в процессе аэрации и хлорирования коллоидной серы.

Доза кислоты Д_кв мг/л для снижения рН до 5,5 рассчитывается по зависимости:

Д_к= Щ·e·

100

c

 ,

• где Щ - щелочность исходной воды в мг·экв/л;

• е - эквивалентный вес кислоты (для H₂SO₄- 49; для НСl - 36,5) мг/мг-экв;

• с - содержание H₂SO₄или НСl в технической кислоте в %.

После обработки воду необходимо стабилизировать щелочью.

Площадь поперечного сечения дегазатора рассматривается по плотности орошения (гидравлической нагрузке) насадки из колец Рашига размерами 25x25x3 мм.

Площади поверхности насадки определяются также как и для удаления свободной углекислоты. При этом ΔС_срнаходят по графику (рис. 7.32), а значение К_жопределяют по формуле:

• где f - площадь поперечного сечения дегазатора, м²;

• r_c- растворимость сероводорода в воде при данной температуре и парциальном давлении сероводорода 1 атм., кг/м³атм. (рис. 7.33).

294

Рис. 7.32. Значение ΔС_срв зависимости от начального содержания H₂S в воде при конечном содержании его 0,1 мг/л

Рис. 7.33. Растворимость H₂S в воде в зависимости от ее температуры при парциальном давлении H₂S, равном 1 атм.

Примером реализации комбинированного метода комплексной технологии обработки подземных сероводородных вод является схема удаления сероводорода, внедренная на Ейском групповом водопроводе (рис. 7.34).

Она обеспечивает полное (100%) удаление из воды сероводорода, доочистку воды от коллоидальной и взвешенной серы, обеззараживание воды, её стабилизационную и антикоррозионную обработку. Исключено

295

загрязнение окружающей среды какими-либо (жидкими, газообразными или твердыми отходами).

Для удаления из воды сероводорода (H₂S = 6 мг/л; рН=7 - 8,6; общая минерализация 0,8 - 1 г/л) предусматривается ввод в обрабатываемую воду хлора перед поступлением ее в контактную камеру. Доза хлора принимается из расчета 3 - 4 мг O₂на 1 мг H₂S в исходной воде. Далее обрабатываемая вода поступает в перегородчатый смеситель, куда подается раствор коагулянта. Освобождение обрабатываемой воды от скоагулированной серы предусмотрено в контактных осветлителях КО-1.

Для подавления коррозионной агрессивности воды и создания защитной пленки на внутренних стенках трубопроводов предусматривается производить обработку воды известью с вводом ее в виде прозрачного насыщенного известкового раствора непосредственно в водовод очищенной воды. Для регулирования скорости осаждения карбоната кальция на стенках водоводов при формировании защитной пленки предусмотрена возможность ввода в водовод очищенной воды гексаметафосфата.

Рис. 7.34. Технологическая схема удаления сероводорода на новом Ейском групповом водопроводе: 1 - контактная камера; II - смеситель; III - контактный осветлитель; IV - резервуар чистой воды; V - насосы второго подъема; VI - башня промывной воды; VII - коагулянтное хозяйство; VIII - хлораторная; IX - известковое хозяйство; X - устройство для приготовления и дозирования полиакриламида; XI - устройство для приготовления и дозирования гексаметафосфата натрия; 1 - исходная вода из скважин; 2 - очищенная вода к потребителям; 3 - вода из скважин; 4 - вода на промывку контактных осветлителей; 5 - хлорная вода; 6 - известковое молоко, очищенное на гидроциклонах; 7 - раствор сернокислого алюминия; 8 - раствор полиакриламида; 9 - раствор гексаметафосфата натрия; 10 - сброс промывной воды от фильтров на очистку

296

Наконец, обеззараживание воды в данной технологии осуществляется хлором путем ввода его в водовод очищенной воды перед резервуаром чистой воды.

Регенерация промывных вод (от контактного осветлителя и других сооружений) осуществляется путем их отстаивания в отстойнике с последующим возвратом в начало технологической схемы, а осадок направляется на утилизацию в сельском хозяйстве и лакокрасочном производстве.

Наиболее дешевым перспективным методом удаления сероводорода H₂S при его содержании в исходной воде до 50 мг/л является метод ВНИИ ВОДГЕО в реакторах биохимического окисления (рис. 7.35). Рекомендуемые параметры процесса t = 8- 30°С, рН=7 - 9.

Биохимическое окисление сероводорода H2S основано на использовании микроорганизмов, серобактерий и тионовых бактерий, развивающихся при благоприятных условиях на затопленной зернистой загрузке при протекании через нее воды и воздуха. В реакторе биохимического окисления через 2-3 недели развиваются микроорганизмы окисляющие H₂S до серы или сульфатов. Технологическая схема включает реагентное хозяйство, реактор, блок подачи воздуха, блок подачи хлора и блок скорых фильтров (рис. 7.36).

Рис. 7.35. Принципиальная схема реактора: 1 - сборный лоток; 2 - щебеночная загрузка; 3 - дренаж; 4 - подача исходной воды; 5 - подача воздуха; 6 - ввод триполифосфата натрия

297

Рис. 7.36. Технологическая схема биохимического окисления сероводорода: 1 - Реагентное хозяйство для приготовления и введения биогенных компонентов (нитрофоска и др.); 2- реактор для биохимического окисления сероводорода; 3 - распределительная система воды и воздуха; 4 - воздуходувка; 5 - хлоратор; 6 - песчаный фильтр

Эффективность очистки воды от H₂S (сероводорода) после реакторов и скорых фильтров составляет 95-99% при времени обработки 0,5 - 1 час, остаточное содержание H₂S 0,1 - 0,3 мг/л. При загрязнении воды взвешенными веществами свыше 15 мг/л воду перед реактором необходимо осветлить для предотвращения засорения распределительной системы и загрузки. Загрузка реактора - щебень или гравий крупностью зерен 10-30 мм, высота слоя не менее 1 м. Вода пропускается снизу вверх через затопленную зернистую загрузку и при этом барботируется воздухом с небольшим расходом. Крупность загрузки скорых фильтров 0,5 - 1,25 мм. Высота загрузки, конструктивные и технологические параметры фильтров принимаются аналогично обычным водопроводным фильтрам. Промывные воды после скорых фильтров необходимо отстаивать не менее 5 часов и возвращать в реактор. Осадок, а также промывная вода могут быть сброшены в сеть бытовой канализации.

Технологические параметры реактора принимаются в зависимости от содержания H₂S в исходной воде:

Содержание H2S	Удельная гидравлическая нагрузка	Удельный расход воздуха
до 20 мг/л	210-70м3/м2сут	2-4 м3/м3воды
до 50 мг/л	70-40 м3/м2 сут	4-7 м3/м3воды

Площадь одной секции реактора ≤120 м²из условия равномерного распределения воды и воздуха. Количество секций не менее n = 4. На дне

298

каждой секции размещаются две трубчатые распределительные системы: одна для воды, а другая для воздуха. Расстояние между трубами распределительной системы для воды 0,5 м, для воздуха - 0,3 м, шаг между отверстиями соответственно 0,3 и 0,15 м, диаметры отверстий для распределения воды 10 мм, воздуха 2 мм. Отверстия располагаются в шахматном порядке в нижней части труб под углом 45°к горизонту. Система распределения воздуха должна быть расположена строго горизонтально. Диаметр труб определяется по рекомендуемой скорости. Скорость воды в начале распределительной дырчатой трубы - 1 - 1,5 м/с, воздуха - 16-20 м/с. Равномерность распределения воды и воздуха не менее 80%. При подборе материала труб необходимо учитывать агрессивность сероводородной среды. Рекомендуется применять асбестоцементные напорные трубы, нержавеющую сталь, полиэтиленовые трубы высокого давления низкой плотности, винипластовые трубы и т.п. Арматура в коррозионно-стойком исполнении. Вентили и клапаны из пластмасс (винипласт, полиэтилен), стальная и чугунная арматура футерованная пластмассой или резиной.

Отвод воды из реактора осуществляется посредством желобов, располагаемых равномерно по площади реактора на расстоянии 2 м друг от друга.

Промывка реактора осуществляется подачей всей воды и всего воздуха через одну секцию.

Для нормальной работы реактора должно быть обеспечено необходимое количество биогенных элементов фосфора и азота. В период пуско-наладочных работ в течение 3-4 недель осуществляется дозирование раствора триполифосфата натрия. Доза составляет 0,5 мг/л по РО₄. Рабочий раствор получают посредством барботажа сжатым воздухом. В процессе эксплуатации дозирование раствора триполифосфата натрия осуществляется периодически 2-4 суток в месяц или непрерывно при зарастании загрузки отложениями солей кальция с дозой 2 мг/л по РО₄.

При суммарном содержании аммония, нитратов и нитритов < 0,3 мг/л (по азоту N) в пуско-наладочный период необходимо дозировать аммиак, как биогенный компонент, в течение 2 - 3 недель дозой 0,5 мг/л (по азоту N). В дальнейшем корректировка содержания биогенных элементов осуществляется по необходимости в зависимости от работы реактора. Установлено, что ввод в воду биогенных элементов азота в виде NH₄Cl при дозе 0,5 мг/л по азоту, фосфора и калия в виде К₂НРО₄в дозе по фосфору 0,25 мг/л снижает остаточное содержание H₂S в воде на 10 - 30%.

Для полного окисления остатков H₂S и очистки от биомассы, выносимой из установки, на заключительном этапе производится хлорирование, коагулирование и фильтрование на скорых фильтрах.

Впервые технологическая схема биохимического окисления сероводорода предложенная ВНИИ ВОДГЕО была реализована на

299

промышленном узле "Северный" г. Великие Луки. Производительность сооружений до 50 тыс. м³/сут. При содержании сероводорода в подземной воде 10 мг/л, после обработки его содержание 0,1 - 0,3 мг/л. Время обработки воды в реакторе 1 час. Доза триполифосфата натрия 2 мг/л. Промывка реактора 1-2 раза в год, интенсивность промывки - 3 л/с на 1 м³площади.

По сравнению с методами химического окисления, биохимическое окисление позволяет уменьшить капиталовложения из-за отказа от сооружений базисного склада хлора, установки дехлорирования воды, стабилизационной установки, снизить эксплуатационные расходы за счет экономии реагентов (хлора), предотвратить загрязнение окружающей среды токсичными выбросами сероводорода в атмосферу.

Для обработки сероводородных вод с содержанием сероводорода до 30 - 40 мг/л и рН = 6-8,5 используются блочные модульные компактные установки заводского изготовления небольшой производительности. Например, производительность одного модуля установки типа "Нептун-НПИ" - 240 м³/сут. Они обеспечивают удаление сероводорода, доочистку от коллоидной серы, осветление, обесцвечивание, стабилизацию и обеззараживание.

В установке "Нептун-НПИ-1" сероводородная вода подается в контактную камеру-реактор. Окисление сероводорода до серы производится гипохлоритом натрия, который вводится в шайбовый смеситель до контактной камеры-реактора. Доочистка от серы производится на напорном фильтре, перед которым в шайбовый смеситель вводится коагулянт дозой 15 мг/л. Стабилизационная обработка производится содой Na₂СО₃, обеззараживание электролитическим гипохлоритом. Промывные воды отстаиваются в баке-отстойнике, отстоянная вода возвращается в контактную камеру-реактор, осадок обезвоживается на центрифуге и утилизируется. Раствор гипохлорита натрия готовится на электролизной установке заводского изготовления ЭН-25, разработанной НИИ КВОВ.

В установке "Нептун-НПИ-2" для окисления сероводорода и обеззараживания используется хлорная известь из расчета 3,6 мг хлора на 1 мг сероводорода. Доочистка от серы производится на напорном фильтре с песчаной загрузкой по схеме контактного осветлителя. Промывка напорного фильтра водо-воздушная. Раствор хлорной извести готовится в баках-мешалках и расходных баках.

В установке "Нептун-НПИ-3" технология очистки воды от сероводорода упрощена за счет исключения из технологической схемы контактной камеры-реактора, вследствие чего удаление из воды сероводорода производится одновременно с доочисткой воды от коллоидной и взвешенной серы путем обработки на напорных фильтрах.

300

В установке "Нептун-НПИ-4" для удаления из воды сероводорода предусмотрено озонирование дозой 0,5 - 1 мг/л на 1 мг сероводорода в последовательно подключенных трех контактных камерах, куда одновременно с водой подается и озоно-воздушная смесь. Эффект удаления сероводорода озонированием достигается 99,5 - 99,8%.

Приготовление озона происходит в генераторе "Озон-2М" заводского изготовления. Вторичное озонирование для обеззараживания производится дозой 1 мг/л. Остальные элементы технологической схемы аналогичны.

Установки серии "Нептун-НПИ" полностью автоматизированы и могут быть изготовлены стационарными или передвижными.

301

7.3.7 Удаление метана.

Удаление метана из метансодержащих природных вод вызвано невозможностью их использования в производственом и хозяйственно-питьевом водоснабжении из-за взрывоопасности метана СН₄.

Для удаления метана широкое распространение получил метод вакуумной дегазации с принудительным насыщением обрабатываемой воды воздухом, диоксидом углерода (углекислым газом) или азотом. При производительности установки до 16 тыс. м³/сут и содержании метана в исходной воде до 40 мг/л применяют насыщение воздухом (рис. 737) в соотношении 1:1. Рабочая жидкость для создания вакуума в дегазаторе -хлористый натрий, концентрация которого определяется в зависимости от температуры воды и растворимости в нем метана. Применяют вакуумные дегазаторы с загрузкой из обрезков винипластовых труб размерами 8x8x1 - 15x15x2 высотой слоя 2-2,5 м.

Рис. 7.37. Технологическая схема удаления метана вакуумным способом с предварительным насыщением исходной воды воздухом: 1 - скважина; 2 - вакуумный дегазатор; 3 - эжектор; 4 - циркуляционный насос; 5 -герметичная емкость с высокоминерализованной водой; 6 - подача дегазированной воды потребителю

301

Рис. 7.38. Технологическая схема удаления метана вакуумным способом с предварительным насыщением исходной воды углекислым газом: 1 - скважина; 2 - вакуумный дегазатор; 3 - эжектор; 4 - циркуляционный насос; 5 -герметичная емкость с высокоминерализовашюй водой; 6 - бак с раствором извести; 7 - электропечь; 8 - газгольдер; 9 - насос для перекачки пульпы СаСО₃; 10 - фильтр; 11 -резервуар чистой воды; 12 - НС-II; 13 - подача дегазированной воды потребителю

При производительности установки более 10 тыс. м³и содержании метана более 40 мг/л применяют насыщение воды смесью углекислого газа (диоксида углерода) с воздухом в соотношении 4:1 или азотом. Углекислый газ (диоксид углерода) получают в электропечи разложением пульпы СаСОз, которая образуется при контакте выпара (СН₄+СО₂) с раствором извести. Метан собирают в газгольдере, а очищенную от метана воду фильтруют и далее подают потребителю.

302

7.4. Умягчение воды

Умягчение воды - это снижение ее исходной обусловленной присутствием в воде ионов кальция Са²⁺и магния Mg²⁺

Карбонатная жесткость обусловлена гидрокарбонатами Са и Mg(Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂, СаСО₃, MgCO₃. Некарбонатная - сульфатами и хлоридами (CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂,MgCl₂.

В соответствии с СанПИН для питьевого водоснабжения жесткость воды не должна быть более 7 мг-экв/л. Для большинства производственных процессов требуется жесткость воды значительно меньше этой величины (до 0,01 - 0,005 мг-экв/л).

Методы умягчения воды:

• термический;

• реагентный (химический);

302

• ионообменный (катионитный);

• комбинированный.

Комбинированные методы умягчения воды представляют собой сочетание реагентного и катионитного или термического и реагентного методов. В последнем случае применяют нагрев воды и используют реагентный метод, достигая при этом более глубокого умягчения воды за счет уменьшения растворимости СаСО₃и Mg(OH)₂с повышением температуры.

Выбор метода умягчения воды зависит от ее качества, требуемой глубины умягчения и осуществляется с учетом технико-экономических соображений.

303

8. ОБРАБОТКА ВОДЫ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ КОРРОЗИИ И ЗАРАСТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

8.1. Причины и виды зарастания труб и оборудования. Понятие о стабильности воды

В процессе эксплуатации систем промышленного водоснабжения на стенках трубопроводов и оборудования образуются различные отложения, приводящие к зарастанию сечения труб, сужению водопроходных отверстий и каналов технологических установок, снижению пропускной способности и повышению гидравлического сопротивления, что приводит к нерациональным затратам энергии на транспортирование воды и может нарушить нормальные условия эксплуатации технологического оборудования. Появление отложений, как правило, связано со свойствами воды, ее химическим составом, эффективностью и качеством предварительной обработки (см. п. 7.1).

К числу наиболее существенных компонентов, определяющих химические свойства воды, относятся соединения угольной кислоты, встречающиеся в том или ином виде практически во всех природных водах. От того, в каких формах и в каких концентрациях присутствуют соединения углекислоты в той или иной воде, зависит выбор метода и режима подготовки воды.

В природных водах углекислота может содержаться в следующих основных формах:

в виде свободной углекислоты, т.е. молекулярно-раствореннсго в воде газа СО₂;

недиссоциированных молекул Н₂СО₃;

бикарбонатных ионов HCO^-;

карбонатных ионов СО_32-.

Бикарбонатные и карбонатные ионы образуются при первой и второй ступенях диссоциации угольной кислоты:

1 ступень Н₂СО₃→ H⁺+ HCO₃^-;

2 ступень HCO₃^-→ Н⁺+ СО₃^2-.

Диссоциация угольной кислоты характеризуется константами диссоциации k₁и К₂первой и второй ступеней:

K₁=

fH[H+]fHCO3[HCO3-]

[H2CO3]

 ,

360

K₂

fH[H+]fCO3[CO32-]

fHCO3[HCO3-] = ,

 

• где f_H, f_HCO3, f_CO3- коэффициенты активности соответствующих ионов;

• [H⁺], [HCO₃^-], [Н₂СО₃], [СО₃^2-] - концентрации соответствующих ионов и молекул.

Соотношение между различными формами углекислоты зависит при данной температуре воды от активности ионов водорода, т.е. от рН раствора. Как видно из рис. 8.1, при рН ≤ 4 вся имеющаяся в воде углекислота находится в форме свободной СО2. При увеличении рН до 8,3 содержание свободной углекислоты уменьшается почти до нуля, тогда как содержание бикарбонатных ионов возрастает от нуля до максимума. В

Рис.8.1. Соотношение различных форм углекислоты и рН воды при температуре 25° С

диапазоне рН = 8,3 - 8,4 содержание ионов HCO₃^-достигает 98% общего количества соединений угольной кислоты, тогда как на долю остальных компонентов (СО₂+ СО₃^2-) приходится около 2%. При дальнейшем повышении рН содержание ионов HСО₃^-в воде увеличивается за счет уменьшения содержания ионов HCOJ. Свободная углекислота при рН > 8,4 практически отсутствует. Указанное соотношение между различными формами углекислоты наблюдается при стационарных условиях.

Изменение температуры воды приводит к перераспределению различных форм углекислоты в соответствии с изменением констант

361

приведенных выше уравнений. Увеличение или уменьшение в воде концентрации какого-либо компонента углекислотного равновесия приводит к соответствующему изменению концентраций других компонентов до тех пор, пока снова не установится равновесие согласно уравнению

2HCO₃^-→← СО₃^2-+СО₂+Н₂О.

Так, если в воде, находящейся в состоянии углекислотного равновесия, уменьшить каким-либо образом концентрацию свободной углекислоты, то равновесие в уравнении сдвинется вправо, т.е. произойдет распад части бикарбонатных ионов с выделением карбонатных ионов и свободной углекислоты. Образовавшиеся карбонатные ионы в результате реакции с обычно имеющимися в природных водах ионами кальция дают малорастворимый карбонат кальция, который, выделяясь в осадок, образует карбонатные отложения:

Ca²⁺+ CO₃^2-→ CaCO↓

Если же в раствор, характеризующийся равновесием углекислотных соединений, ввести некоторое количество свободной углекислоты, то равновесие в уравнении сдвинется влево, т.е. при контакте такой воды с карбонатом кальция часть его, соответствующая избыточному количеству углекислоты, перейдет в раствор. Такие воды называют агрессивными, а та часть избытка свободной углекислоты над равновесной ее концентрацией, которая вступает в реакцию с ионами СО^2-₃, называют агрессивной углекислотой.

Агрессивные воды и воды, склонные к карбонатным отложениям, создают значительные трудности при эксплуатации систем промышленного водоснабжения. При контакте агрессивных вод с бетоном происходит разрушение последнего вследствие растворения его карбонатных компонентов. В трубопроводах и теплообменных аппаратах такие воды вызывают растворение защитной карбонатной пленки, а затем и коррозию металла. Следовательно, определение условий углекислотного равновесия воды, т.е. определение при различной температуре и химическом составе воды равновесных концентраций углекислоты, необходимых для предотвращения как распада бикарбоната кальция, так и растворения карбоната кальция, является важнейшим фактором борьбы с зарастанием трубопроводов и оборудования и защиты их от коррозии. Практические задачи обычно заключаются в определении склонности воды к какому-либо из этих процессов и в выявлении их интенсивности. Следует отметить, что случай, когда вода оборотных систем производственного водоснабжения содержит свободную углекислоту в концентрации, больше равновесной и обладает агрессивными свойствами, менее распространены, чем те, где содержание углекислоты в оборотной 362

362

воде меньше равновесного и в системе происходит распад бикарбонатов, приводящий к образованию карбонатных отложений.

Отложнеия на стенках труб и оборудовании могут быть:

• сплошные, равномерно уменьшающие живое сечение;

• бугристые, возникающие в виде отдельных выступов;

• донные, образующиеся в нижней части труб, каналов и технологического оборудования.

Сплошные отложения образуются при использовании воды, пересыщенной карбонатом кальция. В этом случае они состоят в основном из кристаллов карбоната кальция, прикрепляющихся к стенкам труб и оборудования. При наличии взвеси она цементируется карбонатом кальция, образуя достаточно прочные, трудноудаляемые отложения.

Бугристые отложения образуются в результате коррозии металла под действием воды и представляют собой прочные бугорки неправильной формы высотой до 20 - 30 мм, крепко сцепленные со стенкой. Значительная роль в их образовании принадлежит железобактериям, которые в процессе своей жизнедеятельности перерабатывают оксиды железа в гидроксиды железа.

Донные отложения являются следствием недостаточной очистки воды от грубой взвеси и малых скоростей движения воды, а так же результатом выпадения, уплотнения и цементирования транспортируемых водой продуктов коррозии при уменьшениях расхода.

Зарастание трубопроводов и оборудования различными отложениями, особенно карбонатом кальция, а так же интенсивность их коррозии, в значительной степени связаны с количественными соотношениями присутствующих в воде различных углекислых соединений. Воду не способствующую ни одному из этих процессов можно назвать стабильной.

Применяются два метода определения стабильности воды:

• экспериментальный,

• расчетный.

Экспериментальный метод определения стабильности воды основан на увеличении щелочности воды при взаимодействии свободной (агрессивной) углекислоты СO₂с карбонатом кальция

СаСО₃+ СО₂+ Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Берут две пробы исходной воды объемом по 500 мл. Первую пробу наливают в колбу с 3г углекислого кальция СаСО₃или измельченного мрамора и выдерживают в течение двух суток при периодическом

363

перемешивании. Затем производят титрование фильтрата соляной кислотой и определяют количество кислоты М₁мг-экв/л, пошедшее на титрование, или определяют рН₁. Вторую пробу исходной воды титруют сразу же, определяя количество кислоты М², или определяют рН₂исходной воды.

Показатель стабильности воды находят из выражения

С =

M2

M1

  =

pH2

pH1

 

При С = 1 вода стабильна; при С < 1 вода агрессивна; при С > 1 вода способна к отложению карбоната кальция.

По индексу стабильности решается вопрос о целесообразности стабилизационной обработки воды.

Расчетный метод определения стабильности воды основан на определении индекса насыщения воды карбонатом кальция (индекса Ланжелье)

J = pH-pHs^∨,

• где рН - действительная величина рН воды, определяемая ее анализом;

• pH s^∨- ровеличина рН воды, соответствующая равновесному насыщению воды карбонатом кальция, т.е. такому, при котором вода, содержащая ионы Са²⁺и НСО₃^-находится в состоянии углекислотного равновесия.

При рН > pH s^∨(J > 0) вода склонна к образованию карбонатных отложений; при рН < pH s^∨(J < 0) вода агрессивна и вызывает растворение карбонатных отложений и коррозию металлов; при рН = pH s^∨(J = 0) вода стабильна и не склонна ни к одному из этих процессов.

Индекс Ланжелье не является количественной характеристикой агрессивных свойств воды, а является лишь качественным показателем склонности воды к тому или иному процессу.

Значение pH s^∨определяется по номограмме (рис. 8.2), исходя из содержания кальция С_Ca, общего солесодержания S = Р, щелочности Щ и температуры t воды.

При определении стабильности воды необходимо учитывать изменение ее качества в результате предшествующей обработки. Щелочность воды Щ_к, мг-экв/л, после обработки ее коагулянтами

Щ_к= Щ-Д_к/е_к,

• где Щ - щелочность исходной воды, мг-экв/л;

• Д_к- доза коагулянта в расчете на безводный продукт, мг/л;

• е_к- эквивалентная масса безводного вещества коагулянта, мг/мг-экв,; принимаемая для Al₂(SO₄)₂- 57; FeCl_-3-54, Р₂(SО₄)₃- 67.

364

Рис.8.2. Номограмма для определения рН насыщения воды карбонатом кальция (pHs) Пример. Дано: С_Са=100 мг/л, Щ=2 мг-экв/л, р=3 г/л, t =40°С. Ответ: рНs =7,47

Количество свободной двуокиси углерода в воде после коагулирования

[СO₂]_св= [CO₂]_исх+ 44Д_к/e_к,

где [СО₂]_исх- концентрация двуокиси углерода в исходной воде, мг/л.

Величина рН воды после обработки коагулянтами определяется по номограмме (рис. 8.3.).

Рис. 8.3 Номограмма для определения концентрации свободной двуокиси углерода в природной воде (или рН) Пример. Дано: рН=7, р=1 г/л, Щ=1 г-экв/л, t =80°С. Ответ: [CO₂]_св=9,I мг/л

При хлорировании воды необходимо учитывать также взаимодействие хлора с гидрокарбонатами воды.

365

8.2. Стабилизационная обработка воды для предотвращения коррозии

Для защиты от коррозии систем производственного водоснабжения стабилизационная обработка воды предусматривается при отрицательном индексе насыщения (индексе стабильности) менее 0,3 более трех месяцев в году.

При этом применяют:

• подщелачивание известью, едким натром или содой (сода применяется при достаточном содержании ионов кальция для образования защитной пленки СаСОз);

• фильтрование через мраморную крошку (СаСО₃), полуобоженный доломит - магномассу (СаСО₃·MgO) или обоженный магнезит (MgO);

• удаление оксида углерода аэрированием.

Щелочные реагенты подают перед вторичным хлорированием воды и поступлением ее в резервуары чистой воды или, если это не мешает процессу очистки и стабилизации воды, до отстаивания или фильтров.

При этом происходят следующие реакции:

Na₂СО₃+ СО₂+ Н₂О → 2 NaHCO₃СаО = 2СО₂+ Н₂О → Са(НСО₃)₂

Доза извести определяется по формуле

Д_н= 28 β_нК₁Щ,

• где Д_н- доза извести, мг/л, в расчете на СаО;

• β_н- коэффициент, определяемый по номограмме рис. 8.4 в зависимости от рН воды (до стабилизационной обработки) и индекса насыщения J;

• K_t- коэффициент, зависящий от температуры воды: при t = 20°С -

• К_t= 1,при t = 50°С-К₁= 1,3;

• Щ - щелочность воды до стабилизационной обработки, мг-экв/л,

Дозу соды в расчете на Na₂CO₃, мг/л, принимают в 3 - 3,5 раза больше дозы извести в расчете на СаО, мг/л.

Если по формуле доза извести Д_н/ 28, мг-экв/л, получается больше величины д_щ, мг-экв/л, определяемой по формуле

д_щ=0,7([СO₂]/22 + Щ),

то в воду кроме извести в количестве d_щ, мг-экв/л, следует вводить также соду, доза которой Д_смг/л, определяется по формуле

Д_с= (Д_н/28-d_щ)100.

Следует предусматривать возможность одновременно с введением щелочных реагентов дозировать гексаметафосфат или триполифосфат

366

натрия дозой 0,5 - 1,5 мг/л (в расчете на Р₂О₅) для повышения степени равномерности распределения защитной карбонатной пленки по длине трубопроводов.

Рис.8.4. Номограмма для определения коэффициента β_ипри расчете дозы щелочи

При стабилизации воды методом фильтрации фильтры загружают мраморной крошкой, магномассовой или магнезитовой крошкой с частицами размером 0,5 - 3 мм. Высота загрузки принимается до 2 м, скорость фильтрации зависит от температуры, щелочности воды и концентрации агрессивной углекислоты и составляет v_ф≤ 10-20 м/ч. Фильтры промывают водой с интенсивностью 15 л/с-м²в течение 10-15 мин или применяется водовоздушная промывка с интенсивностью подачи воздуха 20 - 25 л/с-м²в течение 5 мин, а затем водой с интенсивностью 3 -4 л/с·м²в течение 2-3 мин.

В обрабатываемой воде ограничивается содержание железа до 0,5 мг/л, приводящее при больших концентрациях к цементированию зерен загрузки. На 1 мг агрессивной окиси углерода расходуется около 2,3 мг мрамора или 1,1 мг магномассы, поэтому фильтр периодически догружают свежей загрузкой.

При необходимости одновременной стабилизации и осветления воды применяют фильтры со смешанной загрузкой, состоящей из песка и мраморной крошки или магномассы. Контроль за процессом стабилизации воды ведется по величине рН.

367

Стабилизация воды при отрицательном индексе насыщения может быть достигнута удалением из нее избыточной углекислоты дегазацией с применением различных типов дегазаторов (см. п. 7.3). Нагрузка на дегазатор с пластмассовой насадкой или кольцами Рашига составляет соответственно 70 и 60 м³/м²·ч, расход воздуха 20 м³/м³воды. При заданном остаточном содержании СО₂в воде (3-10 мг/л) и исходной щелочности воды значение рН определяется по номограмме (см. рис. 8.3).

Степень агрессивности воды устанавливается в процессе эксплуатации. Вода может быть слабо агрессивной, что обычно соответствует солесодержанию ее S < 500 мг/л, содержанию хлоридов и сульфатов < 150 мг/л, жесткости карбонатной Ж_к> 2,5 - 3 мг-экв/л, рН до 6 - 7 и малому содержанию растворенных газов, способствующих коррозии.

Агрессивность воды возрастает при увеличении ее солесодержания, сульфатов и хлоридов, снижении карбонатной жесткости воды Ж_к< 2,5 мг-экв/л и рН < 6, при увеличении содержания кислорода более 6 мг/л и биологических обрастаниях.

Для предупреждения коррозии и защиты трубопроводов и оборудования в системах промышленного водоснабжения применяют как методы стабилизации воды, так и другие приемы:

• нанесение различных защитных покрытий с использованием традиционно применяемых для этого материалов (защитные лаки, эмали, окрашивание поверхности и др.), применение катодной защиты и т.п.;

• введение ингибиторов;

• введение фосфатов, образующих защитные пленки на катодных и анодных участках поверхности металла и тормозящих коррозионный процесс;

• введение извести для создания и поддержания защитной пленки СаСО₃;

• применение магнитной, ультразвуковой и других физических методов обработки воды.

Для повышения степени равномерности распределения защитной пленки карбоната кальция одновременно с введением щелочных реагентов предусматривается дозирование гексаметофосфата или триполифосфата натрия в количестве 0,5 - 1,5 мг/л (по Р₂O₅).

Фосфаты - гексаметофосфат натрия (Na₆P₆O₁₈) и тринатрий фосфат (Na₃PO₄·12H₂O) обладают поверхностно-активными свойствами и адсорбируются не только на поверхности металла, но и на поверхности зародышей кристаллов карбоната кальция в виде пленки гексаметофосфата кальция и натрия или малорастворимого ортофосфата кальция, препятствуя росту микрокристаллов, что приводит к торможению процесса

368

кристаллизации и образованию вместо накипи рыхлого легко удаляемого шлама.

Если щелочные реагенты не применяются, то для производственных водопроводов доза фосфатных реагентов (гексаметофосфата или три полифосфата натрия) принимается 5-10 мг/л (для хозяйственно-питьевых водопроводов < 2,5 мг/л).

При вводе в эксплуатацию новых трубопроводов для создания защитной пленки и снижения интенсивности коррозии их заполняют на 2-3 суток раствором этих реагентов с концентрацией 100мг/л, а затем доза фосфатов снижается до обычной. Схема фосфатирования оборотной воды показана на рис.8.5.

Концентрация вводимых растворов фосфатов принимается от 0,5 до 3% в расчете на товарный продукт. Они растворяются сжатым воздухом или в механических мешалках. Продолжительность растворения зависит от температуры воды (2ч при температуре воды 50°С и 4 ч при температуре 20°С). Растворно-расходные баки реагентного хозяйства выполняются с антикоррозионной защитой.

Защитное действие фосфатов ограничивается карбонатной жесткостью воды 5,5 - 6 мг-экв/л, выше которой наблюдается рост кристаллов и выпадение карбоната кальция.

Для формирования защитной пленки карбоната кальция на внутренней поверхности трубопровода в начальный период его эксплуатации предусматривается обработка воды вдвое увеличенными дозами щелочных реагентов, а в дальнейшем, для поддержания защитной пленки на 10-20 % больше, чем требуется из условия сохранения стабильности воды. Доза реагентов и продолжительность периода формирования защитной карбонатной пленки уточняются в процессе эксплуатации.

Рис.8.5 Схема фосфатирования оборотной воды: 1 - подача пара на подогрев воды или горячей воды; 2 - растворный бак; 3 - расходный бак; 4 - дозатор; 5 - циркуляционный насос; 6 - охлаждаемый агрегат; 7 - охладитель оборотной воды; 8 - резервуар охлажденной воды; 9 - подача свежей воды

369

Для маломинерализированных вод с содержанием кальция < 20 - 30 мг/л и щелочностью Щ = 1 - 1,5 мг-экв/л необходимость стабилизационной обработки должна быть соответствующим образом обоснована.

370

8.3. Стабилизационная обработка воды для предотвращения отложений карбоната кальция.

При положительном индексе насыщения (индексе стабильности) для предупреждения зарастания труб и оборудования карбонатом кальция воду стабилизируют подкислением серной или соляной кислотой, гексаметофосфатом или триполифосфатом натрия. При подкислении понижается содержание в воде гидрокарбонатов и увеличивается концентрация оксида углерода,

Са(НСO₃)₂+

H2SO4

HCl

  =

CaSO4

CaCl2

  + 2CO₂+ 2H₂O,

что препятствует образованию карбоната кальция и зарастанию трубопроводов. Техническая серная кислота содержит от 75 до 93 % H₂SO₄, техническая соляная кислота содержит более 28 % НС1. Подкисление осуществляется разбавленными растворами кислот. Оборудование реагентного хозяйства должно быть кислотостойким.

Доза кислоты Д_кис, мг/л, (в расчете на товарный продукт)

Д_кис= 100 α_кисЩ е_кис/ С_кис

• где α_кис- коэффициент, определяемый по номограмме рис.8.6;

• Щ - щелочность воды до стабилизационной обработки, мг-экв/л;

• е_кис- эквивалентная масса кислоты, мг/мг-экв (для серной кислоты - 49, для соляной кислоты - 36,5);

• С_кис- содержание активной части в товарной кислоте, %.

Механизм действия фосфатов и схема фосфатирования оборотной воды представлены в п.8.2.

Доза гексаметафосфата или триполифосфата натрия (в расчете на P₂O₅) принимается для хозяйственно-питьевых водопроводов - не более 2,5 мг/л (3,5 мг/л в расчете на РО₄) для производственных водопроводов -до 4 мг/л.

Кроме фосфатирования и подкисления для предотвращения карбонатных отложений применяются магнитная, ультразвуковая и другие виды стабилизационной обработки воды (см.п.9).

Особо важное значение имеет стабилизационная обработка воды для предотвращения карбонатных отложений в оборотных системах водяного охлаждения. Специфический водный и тепловой режимы систем оборотного водоснабжения существенно влияют на интенсивность 370

370

отложений. Способы борьбы с ними в системах охлаждения рассмотрены ниже.

Рис.8.6. Номограмма для определения коэффициента α_киспри расчете дозы кислоты

При проектировании промышленных водопроводов вопросы обработки воды для предупреждения коррозии и зарастания труб и оборудования требуют тщательной проработки, поскольку существенно влияют на технико-экономическую эффективность и надежность работы технологического оборудования и предприятия вцелом.

371

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДООЧИСТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

10.1. Размещение в промышленном узле, генплан и высотная схема водоочистных сооружений

Размещение водоочистных комплексов, их состав и количество на площадке промышленного предприятия определяется общей схемой водоснабжения и расположением основных производств, а также технологическими требованиями к качеству производственной воды и назначению ее в производстве, целесообразностью объединения систем водоснабжения отдельных потребителей, технико-экономическими соображениями. Существенную роль играют также природно-климатические и экологические условия. Проектирование сооружений водоподготовки необходимо осуществлять исходя из условий оборота воды, общего для всего предприятия, или в виде замкнутых циклов для отдельных производств, технологических цехов или установок, В зависимости от назначения оборотной воды предусматривается ее необходимая очистка или охлаждение. Количество оборотных циклов устанавливается исходя из назначения воды и требований к ее качеству, способа очистки, технологии производства и территориального размещения водопотребителей.

Для сокращения протяженности и диаметра трубопроводов целесообразно предусматривать на предприятиях раздельные оборотные системы с местными локальными очистными сооружениями для отдельных производств, цехов или установок с максимальным приближением их к потребителям воды. При необходимости на локальных или централизованных сооружениях осуществляется обработка оборотной воды соответствующими реагентами для предотвращения коррозии, накипеобразования, биологических обрастаний, а также предусматриваются устройства для обработки стабилизационного расхода в замкнутых оборотных циклах с целью корректировки содержания взвешенных веществ, солесодержания и ионного состава воды.

При решении генплана сооружений водоподготовки кроме природно-климатических, топографических и геологических условий основополагающими факторами являются производительность и состав сооружений. Состав сооружений водоподготовки промышленных предприятий отличается значительным разнообразием, а расчетные расходы воды находятся в широком диапазоне от нескольких до десятков и даже сотен тысяч кубометров в час.

Полный расход воды, поступающий на комплекс водоподготовки, определяется с учетом расхода воды на собственные технологические нужды (приготовление раствора и суспензий реагентов, потери воды при

406

выпуске осадка из отстойников и осветлителей, удаление пены из флотаторов, промывку фильтров, резервуаров, регенерацию катионитных фильтров и т.п.).

Расход воды на собственные нужды станции доочистки может быть ориентировочно принят: для компенсации потерь воды при выпуске осадка - 1,5-3 %, на промывку фильтров - 3 - 5 %, на промывку контактных осветлителей - 8 - 10 %, при ионитовом умягчении воды - 10 - 15 %, при глубоком ионитовом обессоливании воды - 15 - 25 %.

При соответствующем технико-экономическом обосновании повторное использование промывных вод после их отстаивания с применением реагентов или без них, когда это возможно, позволяет существенно сократить расходы промывной воды.

Коммуникации станции при проектировании необходимо рассчитывать на возможность пропуска расхода воды на 20 - 30 % больше расчетного, по соображениям дальнейшей интенсификации или реконструкции водоочистных сооружений.

Расположение охладителей на промплощадке. При расположении градирен и других охладителей на площадке предприятия необходимо учитывать характер застройки окружающей территории и стремиться к наименьшей протяженности циркуляционных трубопроводов, соединяющих потребителей охлаждающей воды с охладителями, а также учету направления господствующих ветров зимой и летом, возможное туманообразование, вынос капель воды за пределы охладительной, вызывающих обмерзание расположенных вблизи сооружений.

В целях уменьшения диаметров и протяженности трубопроводов применяют при соответствующем обосновании децентрализацию систем оборотного водоснабжения с максимальным приближением охладительной оборотной воды к цехам и потребителям воды.

Минимальные расстояния между охладителями воды при проектировании назначаются с учетом взаимного влияния их друг на друга в отношении эффективности охлаждения воды (табл. 10.1), а до зданий и сооружений в соответствии с рекомендациями по проектированию генеральных планов промышленных предприятий (табл. 10.2).

Минимальные расстояния между градирнями в одном ряду для градирен открытого типа и вентиляторных секционных принимаются Зм, башенных - 0,5 диаметра градирен, одновентиляторных - две высоты воздуховходных окон. При числе секций в ряду менее трех расстояний между открытыми градирнями сокращаются на 30 %.

При проектировании комплексов водоподготовки для промышленных предприятий необходимо стремиться к рациональному использованию земельных ресурсов, стоимость которых зависит от их назначения и типов почв. В условиях дефицита свободных площадей и

407

высокой стоимости земельных участков уменьшение занимаемой площади под сооружения водоподготовки становится важным фактором, влияющим на экономичность проектных решений.

Таблица 10.1

Минимальное расстояние между охладителями воды (между рядами градирен)

В связи с этим оправдано широкое применение вентиляторных градирен, так как площади, требуемые для вентиляторных градирен в 1,4 раза меньше, чем под башенные градирни, в 17 раз меньше, чем для размещения брызгальных бассейнов и в 134 раза меньше по сравнению с занимаемой водохранилищами - охладителями.

Блоки охладителей воды большой производительности с резервуарами и насосными станциями, как правило, располагаются отдельно, вблизи потребителей охлажденной воды, или компонуются на общей площадке совместно с другими сооружениями водоподготовки. При этом насосно-силовое оборудование размещают в одном здании с оборудованием для очистки воды.

Генплан комплекса очистных сооружений определяется их составом и местными условиями. На территории водоочистных комплексов помимо

408

основных технологических сооружений размещают все вспомогательные помещения (склады реагентов, кислот, щелочей, фильтрующих материалов, адсорбентов, мастерские, лабораторию, диспетчерскую и др.). Склады реагентов, кроме хлора и аммиака, также как кислот и щелочей, располагаются вплотную к реагентному цеху, где непосредственно производится приготовление их к использованию.

Таблица 10.2

Расстояние градирен до зданий и сооружений

Сооружение открытых отстойников и осветителей вне зданий возможно в климатических регионах, где толщина образующегося на поверхности воды льда зимой не превышает 75 мм. Расположение вне зданий осветлительных и катионитовых фильтров возможно, если в течение фильтроцикла на поверхности воды образуется слой льда толщиной не более 15 мм. Галереи трубопроводов к этим сооружениям, расположенным вне здания, необходимо утеплять.

На генеральный план водоочистного комплекса наносят все технологические обслуживающие и подсобные сооружения, трансформаторную подстанцию, материальный склад, песковое хозяйство, котельную, мастерские, проходную. Для внутриплощадных станций водоподготовки промышленного предприятия, как правило, отдельная котельная, электроподстанция, мастерские, проходная не требуются, так как они часто бывают общими для всего предприятия и могут на территории очистной станции отсутствовать. Хлораторную и склад хлора, как правило, совмещают и располагают в наиболее низкой части

409

территории на расстоянии > 30 м от зданий. Территория водоочистных сооружений ограждается с соблюдением требований СНиП. Для обеспечения надежности их функционирования производится дублирование отдельных сооружений, устройство обводных и дублирующих водопроводных линий.

На генплан наносятся технологические трубопроводы исходной, очищенной и охлажденной воды, трубопроводы подачи, отвода и оборота промывной воды, а также производственная и бытовая канализация, хозяйственно-противопожарный водопровод, отводной коллектор, теплосеть, кабели и др.коммуникации. Кроме того показываются сооружения, предусматривающиеся для улавливания песка из промывных вод и сооружения обезвоживания и складирования осадка. Песковое хозяйство водоочистных станций предусматривается для хранения загрузочных материалов. Там же производится их сортировка и промывка перед загрузкой в фильтр. Если используются фильтры с двухслойной загрузкой, то на территории пескового хозяйства располагается установка для дробления и рассева антрацита и площади для его хранения.

При решении генплана водоочистного комплекса необходимо предусматривать возможность его расширения и строительство по очередям. С этой целью на генплане предусматривают территорию для размещения сооружения, прокладки трубопроводов второй очереди и последующего расширения. Стороны здания, в направлении которых производится пристройка при расширении комплекса, не должны загромождаться постройками постоянного типа или другими сооружениями и коммуникациями. Каналы и трубы сооружений должны быть рассчитаны с запасом на возможность пропуска воды после реконструкции отдельных водоочистных сооружений или целых блоков.

При проектировании генерального плана водоочистного комплекса необходимо предусматривать минимальную протяженность путей перемещения реагентов; максимально возможную механизацию погрузочно-разгрузочных работ и замены загрузки фильтровальных аппаратов; маневренность эксплуатации как отдельных технологических сооружений, так и целых блоков.

Планировка территории комплекса должна обеспечивать отвод атмосферных осадков от всех технологических сооружений, отдельных зданий и всей площадки. На территории комплекса помимо дорог предусматривают устройство тротуаров и озеленение.

Высотная схема водоочистных сооружений для осветления и обесцвечивания, умягчения, обессоливания и др.видов подготовки воды для производственных целей может быть самотечной, напорной или самотечной с включением напорных элементов (напорных фильтров, электрообессоливающих установок, аппаратов электромагнитной обработки воды и т.п.).

410

В открытых сооружениях водоочистной станции обрабатываемая вода от начального сооружения, например, смесителя до конечного, резервуара обработанной воды движется самотеком. Для того, чтобы правильно определить взаимное высотное расположение отдельных элементов очистной станции, нужно знать максимально возможные потери напора во всех сооружениях станции, через которые движется обрабатываемая вода, а также потери напора в коммуникациях, соединяющих эти сооружения.

При составлении высотной схемы безнапорных сооружений обычно исходят от максимальной отметки воды в резервуаре обработанной воды, которую желательно принимать не ниже 0,2 - 0,5 м от поверхности земли около резервуара.

Далее отметку воды в каждом элементе очистных сооружений находят по ориентировочным данным потерь напора, м, которые для предварительного расчета высотного расположения сооружений допускается принимать:

в сооружениях
на сетчатых барабанных фильтрах (барабанных сетках и микрофильтрах)	0,4-0,6
во входных (контактных) камерах	0,3-0,5
в устройствах ввода реагентов	0,1-0,3
в гидравлических смесителях	0,5-0,6
в механических смесителях	0,1-0,2
в гидравлических камерах хлопьеобразования	0,4 - 0,5
в механических камерах хлопьеобразования	0,1-0,2
в отстойниках	0,7-0,8
в осветлителях со взвешенным осадком	0,7-0,8
на скорых фильтрах	3-3,5
в контактных осветителях и префильтрах	2-2,5
в медленных фильтрах	1,5-2
в соединительных коммуникациях
от сетчатых барабанных фильтров или входных камер к смесителям	0,2
от смесителей к отстойникам, осветителям со взвешенным осадком и контактным осветителям	0,3-0,4
от отстойников, осветителей со взвешенным осадком или префильтров к фильтрам	0,5-0,6
от фильтров или контактных осветителей к резервуарам фильтрованной воды	0,5-1

411

в измерительной аппаратуре на входе и выходе со станции	0,5
в индикаторах расхода на отстойниках, осветлителях и фильтрах	0,2 - 0,3

Приведенные выше данные позволяют подсчитать отметки уровня воды в отдельных сооружениях станции, при которых обеспечивается движение воды от начального сооружения до резервуара обработанной воды. В дальнейшем эти отметки могут быть уточнены.

Для составления высотной схемы необходимо определить также отметки дна сооружений по отношению к поверхности земли, что является значительно более трудной задачей, чем определение отметок уровней воды в сооружениях, так как при определении отметок днищ сооружений необходимо учитывать не только предварительно определенную технологическими расчетами высоту сооружений, но и ряд местных условий, которые могут потребовать ее корректировки, а именно:

• максимальный уровень воды в водоеме в период паводков;

• условия производства земляных работ и их объем;

• возможность самотечного отвода воды и осадка от всех сооружений станции;

• условия работы насосов, подающих обработанную воду на производственные установки;

• рельеф площадки очистных сооружений.

Учет максимального уровня воды в ближайшем водоеме необходим для того, чтобы сооружения очистной станции не могли быть подтоплены через водостоки и водоотводяющую сеть предприятия в период паводков.

Отметки днищ основных сооружений очистной станции должны выбираться с таким расчетом, чтобы общий объем земляных и строительных работ был минимальным, а условия производства работ наиболее благоприятными.

В частности, высокий уровень грунтовых вод на площадке очистных сооружений может решающим образом повлиять на степень заглубления основных сооружений станции. В этом случае нужно стремиться назначать минимально возможную высоту основных сооружений и минимальное их заглубление, хотя это и вызовет увеличение объема земляной подсыпки тех сооружений, которые обычно располагаются вне помещений (резервуаров очищенной воды, горизонтальных отстойников, камер хлопьеобразования), но при этом будет значительно сокращен объем наиболее трудоемких работ в водонасыщенных грунтах по устройству фундаментов сооружений и водоотводящих сетей. Во всех случаях заглубление сооружений очистной станции и резервуаров должно быть таково, чтобы была обеспечена возможность в течение года (включая и периоды максимальных паводков) самотечного выпуска из них воды и

412

осадка. Перекачка воды при опорожнении сооружений может допускаться только в виде исключения при соответствующем обосновании.

С этой точки зрения, для облегчения задачи определения глубины заложения сооружений водоподготовки следует одновременно с разработкой ее высотной схемы в первом приближении, наметить трассу водоотводящей сети площадки очистных сооружений и определить необходимое заглубление этой сети.

При расположении очистных сооружений обязательно следует учитывать рельеф площадки, так как это дает возможность значительно сократить объем земляных работ и, следовательно, уменьшить строительную стоимость станции. В частности, при расположении сооружений вдоль небольшого склона можно уменьшить заглубление отдельных сооружений, так как необходимая разность отметок в последовательно работающих сооружениях может создаваться не за счет различной степени заглубления сооружений и их высоты, а за счет уклона площадки, на которой располагаются сооружения.

На станциях осветления, умягчения и обессоливания воды для промышленных целей широко применяются конусные сетки, самопромывающие фильтры, ионообменные напорные фильтры, электродиализные установки, остаточный напор после которых используется для подачи воды на другие сооружения очистки или на производственные нужды. В этом случае решение высотной схемы станции упрощается. Напорные фильтры располагают на отметке пола очистных сооружений и обеспечивают подачу воды в них насосами. Отметки остальных сооружений определяют исходя из высотного расположения напорных фильтров.

Насосы, как правило, располагаются под заливом. Это повышает надежность пуска насосов, упрощает возможность автоматизации их работы. Отметка оси насосов определяется от среднего уровня воды в приемном резервуаре. Резервуары технической воды обычно располагают в земле за пределами здания. Объем их принимается равным 5 - 10 мин производительности насосной станции.

413

10.2. Основные принципы компоновки станций осветления, умягчения и обессоливания воды

При компоновке очистных станций следует все технологические сооружения и основные вспомогательные помещения располагать в одном здании, так как это значительно упрощает эксплуатацию станции и снижает ее строительную стоимость.

Компоновка отдельных блоков очистных сооружений в разных зданиях допускается только для крупных водоочистных станций и то при наличии достаточных технико-экономических обоснований. Сооружения

413

для предварительного осветления воды перед умягчением или обессоливанием могут быть расположены за пределами здания. Для местностей с положительными температурами в течение всего года или с кратковременными заморозками допускается такое решение для устройства открытых отстойников и осветлителей, располагаемых вне помещений (см.п. 10.1), дегазаторов и других технологических емкостей.

При решении компоновки блока основных сооружений необходимо исходить из логической последовательности передачи воды от сооружения к сооружению, учитывая возможность интенсификации работы отдельных сооружений или расширения станции, удобства размещения вспомогательных сооружений (узла приготовления реагентов и регенерационных растворов, устройств замены фильтрующей загрузки, установок регенерации адсорбентов, узлов дозирования химических реагентов).

Взаимное расположение отдельных сооружений на плане станции должно осуществляться так, чтобы обеспечивалась минимальная протяженность трубопроводов между ними и чтобы каждый тип очистных сооружений можно было бы вводить в эксплуатацию по очередям, а в дальнейшем расширять без существенной реконструкции в целом и при минимальном выключении из работы действующих сооружений. Сооружения целесообразно располагать блоками по их назначению в схеме очистки. Насосно-силовое оборудование обычно размещается в здании станций водоподготовки, трубопроводы в зданиях и сооружениях прокладываются над поверхностью пола на опорах или кронштейнах с устройством мостиков над ними для обеспечения подхода и обслуживания оборудования и арматуры. Допускается прокладка трубопроводов в каналах, перекрываемых съемными плитами или в подвалах. Ширина каналов принимается при диаметре труб до 400 мм на 600 мм, а глубина -на 400 мм больше диаметра прокладываемого в канале трубопровода. При диаметре труб 500 мм и выше ширина канала принимается на 800 мм, а глубина - на 600 мм больше его диаметра.

Расстояния между соседними сооружениями должны быть минимальными при условии сохранения вполне удобной их эксплуатации и ремонта.

При определении габаритов помещений для установки основного технологического, подъемно-транспортного и другого вспомогательного оборудования, а также укладки трубопроводов в зданиях и сооружениях водоподготовки ширина проходов должна приниматься:

• между насосами или электродвигателями - 1м;

• между насосами или электродвигателями и стеной в заглубленных помещениях - 0,7 м, в прочих - 1 м; при этом ширина прохода со стороны электродвигателя должна быть достаточна для демонтажа ротора;

414

• между компрессорами или воздуходувками - 1,5 м; между ними и стеной - 1 м;

• между неподвижными выступающими частями оборудования -0,7м;

• перед распределительным электрическим щитом -- 2 м;

• проходы вокруг оборудования, регламентируемые заводом -изготовителем - по паспортным данным;

• для агрегатов с диаметром нагнетательного патрубка до 100 мм, которые могут устанавливаться у стены на кронштейнах или на одном фундаменте, расстояние между выступающими частями агрегатов - 0,25 м с проходами вокруг сдвоенной установки не менее 0,7 м;

• для монтажной площадки - 0,7 м вокруг установленного на ней оборудования.

Площадка и мостики обслуживания предусматриваются при расположении органов управления на высоте более 1,4 м от пола, при этом высота до мест обслуживания должна быть не более 1 м.

По фронту напорных фильтров в местах установки запорно-регулирующей и предохранительной арматуры и контрольно-измерительных устройств, а также между блоками сооружений водоочистной станции предусматриваются необходимые проходы и места для прокладки технологических трубопроводов, обеспечивающие удобство их обслуживания и ремонта.

При проектировании сооружений водоподготовки необходимо ориентироваться на стандартные пролеты фильтровальных залов и учитывать, что капитальные вложения и эксплуатационные расходы на станциях водоподготовки с фильтрами в значительной степени зависят от размеров фильтровальных сооружений, их количества и производительности.

Технико-экономическое сравнение вариантов фильтрованных сооружений с использованием безнапорных открытых фильтров при производительности станции от 5 до 200 тыс.м³/сут позволило определить наиболее экономичные решения по приведенным затратам¹. Установлено, что наиболее оптимальные решения относятся к фильтровальным залам с пролетами длиной L 18, 2.4 и 30 м (рис. 10.1) при двухрядном расположении фильтров.

Минимальное количество широко применяемых в промышленном водоснабжении напорных фильтров в блоках одинакового назначения для удобства в эксплуатации должно быть, как правило, не менее N = 3 - 4.

415

Рис. 10.1. График зависимости оптимально числа фильтров N от их суммарной производительности

В целях обеспечения бесперебойности водоснабжения на каждой очистной станции должна быть предусмотрена система обводных линий,гарантирующих возможность подачи воды, минуя сооружения, а также отключения отдельных сооружений.

Вспомогательные помещения станции водоподготовки. В

зданиях станции водоподготовки следует предусматривать лаборатории (химическую, бактериологическую) с помещениями для хранения посуды и реактивов, мастерские для текущего ремонта оборудования, комнату для дежурного персонала и бытовые помещения (гардеробные, душ и санитарно-технический узел), местный пункт управления и другие вспомогательные помещения. Состав и площади помещений принимаются в зависимости от назначения и производительности станции, а также источника промышленного водоснабжения (подземные воды, поверхностные воды, морская вода, биологически очищенные и доочищенные сточные воды, сбросные воды оборотных циклов).

Кроме вспомогательных помещений на каждой станции водоподготовки должны быть предусмотрены склады для реагентов (коагулянта, извести, соды, хлора, аммиака) и песковое хозяйство, а также склады для хранения запаса ионообменных смол, сорбционных материалов и т.п. Для стабилизации воды после ее очистки, кроме извести, могут применяться серная и соляная кислоты, фосфат и гексаметафосфат натрия. На станциях умягчения и обессоливания воды для регенерации ионообменных фильтров применяют поваренную соль, соли аммония, щелочи и др.вещества.

Склады коагулянта и извести, как правило, должны примыкать к помещению, где располагаются баки для приготовления раствора коагулянта и известкового молока. Аналогично решается схема размещения блока приготовления регенерирующих растворов для регенерации ионообменных фильтров.

416

При определении необходимой площади складов запас реагентов, в зависимости от местных условий их доставки, должен приниматься в пределах 15-30 суток. Высоту слоя для коагулянта следует принимать 2 м, а для извести - 1,5 м. При наличии механизации для погрузки, транспортирования и разгрузки реагентов высоты слоев могут быть повышены соответственно до 3,5 и 2,5 м. При мокром хранении концентрированного раствора (15 - 20%) в растворных баках их количество должно быть не менее 3. Допускается размещение растворных баков и баков-хранилищ вне здания.

При сухом хранении извести предусматривают дробилки и известегасильные аппараты, при мокром - резервуары-хранилища и устройства для отбора, транспортировки теста и его гидравлического или механического перемешивания при приготовлении известкового молока. Емкость для гашения извести следует размещать в изолированном помещении. Склад активированного угля размещается также в отдельном помещении, которое относится к классу пожарной опасности категории В. Помещения для хранения запаса катионита и анионита рассчитываются на объем загрузки двух катионитных фильтров, одного анионитного фильтра со слабоосновным и сильноосновным анионитом в случае его применения. Склады для хранения реагентов (кроме хлора и аммиака) следует располагать вблизи помещений для приготовления их растворов и суспензий. Для поваренной соли применяются склады мокрого хранения. Объем баков определяется из расчета 1,5 м³на 1 т соли. Допускается применение складов сухого хранения, при этом слой соли не должен превышать 2 м.

При необходимости предварительного осветления воды перед ее умягчением или обессоливанием необходимо предусматривать специальное хозяйство для хранения, дробления, промывки, сортировки и транспортирования фильтрующих материалов (песок, антрацит, керамзит и др.) из расчета 10% ежегодного пополнения и аварийной перегрузки 1 - 2 фильтров. Транспортирование фильтрующих материалов следует предусматривать водоструйными или Песковыми насосами по трубам диаметром не менее 50 мм со скоростью движения пульпы 1,5-2 м/с.

Для хранения кислот и щелочей применяются металлические цистерны. При сливе в них кислот и щелочей из железнодорожных или автомобильных цистерн, а также дальнейшего использования, должно предусматриваться специальное оборудование (насосы, мерники, дозаторы) и необходимые мероприятия по технике безопасности.

Кроме блока реагентного хозяйства с необходимыми складскими помещениями, подсобных и вспомогательных помещений в одном здании, где размещаются основные технологические сооружения, следует размещать распределительные устройства, трансформаторные подстанции

417

и щиты управления во встраиваемых или пристраиваемых помещениях с учетом возможного их расширения и увеличения мощности.

При большой производительности сооружений реагентный цех очистной станции, служебные и вспомогательные помещения могут быть вынесены в отдельное здание, обычно соединяемое с блоком основных сооружений проходной галереей.

В одном здании станции водоподготовки могут быть размещены сооружения нескольких оборотных циклов различного назначения, а также насосы охлажденной и горячей воды цикла охлаждения. При этом возможны различные схемы расположения насосно-силовогс оборудования, основных технологических сооружений и трубопроводов. Для станций водоподготовки с большим числом оборотных циклов целесообразно устанавливать насосное оборудование вдоль длинных сторон цеха очистки воды с расположением насосов, забирающих воду из резервуаров, под залив и размещением основного очистного оборудования в несколько рядов в центрально расположенном зале.

Возможно также расположение насосно-силового оборудования с одной стороны здания станции водоподготовки и только по ширине или на части его длины, размещение фильтров в один ряд или блоками по назначению и принадлежности к определенным оборотным циклам или технологическому признаку с выделением специальных мест для удобной прокладки основных коммуникаций.

При этом ширина пролетов здания и другие его габаритные размеры должны соответствовать требованиям строительной модульной сетки (ширина пролетов 6, 9, 12, 18, 24 м, длина здания кратной 6 м). Размеры встраиваемых в здания резервуаров следует принимать кратными!,5 м для прямоугольных и 1 м для круглых в плане конструкций, а по высоте 0,6 м.

На рис. 10.2 показан пример компоновки станции умягчения воды H-Na катионированием, а на рис. 10.3 и 10.4 высотное расположение основных сооружений и оборудования станции.

На рис. 10.5 приведен план станции глубокого обессоливания воды для питания котлов ТЭЦ с блоком очистки конденсата. Разрезы станции показаны на рис. 10.6. Станция предназначена для обессоливания водопроводной воды или свежей воды после ее предварительного осветления в отстойниках и на фильтрах. Сооружения для предварительного осветления воды (отстойники или осветлители) могут быть расположены в составе водоочистного комплекса на его территории, а его фильтры в отдельном здании фильтров. Последнее может быть сблокировано со станцией обессоливания воды.

418

Рис. 10.2. План станции умягчения воды H-Na катионированием: 1 - Na-катионитные фильтры; 2 - Н-катионитные фильтры; 3 - декарбонизатор (для удаления углекислоты); 4 - бак для декарбонизированной воды; 5 - пароводяные подогреватели; 6 - бак с водой для промывки фильтров; 7 - цистерна для хранения концентрированной кислоты; 8 - бак для щелочи; 9 - мерник для концентрированной кислоты; 10 - бачок с водой для обслуживания вакуум- насоса; 11 - мешалка раствора фосфата; 12 - фильтр для раствора фосфата; 13 - фильтр для раствора соли; 14 - бак - мерник для раствора соли; 15 - мешалка раствора суперфосфата; 16 - вакуум - насос; 17 - насосы для подачи исходной воды; 18 - насосы для подачи декарбонизированной воды; 19 - насос для подачи взрыхляющей воды на фильтры; 20 - насос для подачи концентрированной кислоты; 21 - насос для раствора суперфосфата; 22 - насос для раствора фосфата; 23 - насос для раствора соли; 24 - вентилятор для обслуживания декарбонизатора; 25 - калорифер; 26 - баки для мокрого хранения соли; 27 -электросборка; 28 - контрольно-измерительные приборы; 29 - склад фосфата; 30 - склад суперфосфата

419

Рис. 10.3. Разрезы станции умягчения воды H-Na-катионированисм. (Обозначения см. рис. 10.2)

420

Рис. 10.4. Разрезы станции умягчения воды H-Na катионированием. (Обозначения см. рис. 10.2)

421

Рис. 10.5. План станции глубокого обессоливания воды с блоком очистки производственного конденсата: I - цех обессоливания; II - щит КИП; III - трансформаторная; IV - корпус служебно-вспомогательных помещений; V - вывод трубопроводов обработанной воды к потребителю. (Обозначения сооружений на плане станции приведены в тексте)

422

Рис. 10.6. Разрезы станции глубокого обессоливания воды с блоком очистки производственного конденсата. (Обозначения сооружений станции приведены в тексте)

423

Dсновные сооружения для глубокого обессоливания воды, очистки производственного конденсата и подпитки тепловой сети, показанные на плане и разрезах станции водоподготовки (рис. 10.5 и 10.6): 1 - Н-катионитные фильтры первой ступени D=3м (8 шт.); 2 - Н-катионитные фильтры второй ступени D=3м (5 шт.); 3 - анионитные фильтры первой ступени D=3м (4 шт.); 4

- Н-катионитные фильтры третьей ступени D=3м (3 шт.); 5 - анитонитные фильтры второй ступени 0=3м (4 шт.); 6 - декарбонизатор первой ступени с баком D=3м (1 шт.); 7 - декарбонизатор второй ступени с баком D=3м (1 шт.); 8 - резервуар для обессоленной воды D=6,3м (1 шт.); 9 - цистерны для хранения концентрированной серной кислоты (4 шт.); 10 - бак-мерник для концентрированной серной кислоты (1 шт.); 11 - цистерны для хранения жидкого концентрированного едкого натра (3 шт.); 12 - бак-мерник для концентрированного едкого натра (1 шт.); 13 - резервуар с водой для взрыхления анионитных фильтров D=5,3м (1 шт.); 14 - подогреватель раствора едкого натра (1 шт.); 15 - мешалка для заготовки раствора гидразина (1 шт.); 16- мешалки для заготовки раствора фосфата (1 шт.); 17 - фильтры для раствора фосфата (1 шт.); 18 -вытеснители для концентрированной серной кислоты и едкого натра (2 шт.); 19 -вакуум-насос (2 шт.); 20 - вентиляторы к декарбонизаторам (3 шт.); 21 - насосы для подачи воды в тепловую сеть (2 шт.); 22 - насосы для подачи воды на Н-катионитные фильтры второй ступени (2 шт.); 23 - насосы для подачи воды на анионитные фильтры второй ступени (2 шт.);24 - насосы для подачи обессоленной воды (2 шт.); 25 - насос для взрыхления анионита в анионитных фильтрах (1 шт.); 26 - насос для подачи воды к эжектору для захвата и разбавления едкого натра при регенерации анионитных фильтров (1 шт.); 27 - насос для подачи воды к эжектору для захвата и разбавления серной кислоты при регенерации Н-катионитных фильтров (1 шт.); 28 - насос для подачи раствора гидразина с целью обескислороживания обессоленной воды (1 шт.); 29 насос для подачи раствора фосфата (1 шт.); 30 - фильтры для очистки конденсата D=3м (4 шт.); 30а - Na-катионитные фильтры для доумягчения конденсата D=3м (2 шт.); 31 -резервуары для сбора производственного конденсата D=3м (2 шт.) 32 - баки для мокрого хранения поваренной соли (2 шт.); 33 - фильтр для раствора поваренной соли D=1м (1 шт.); 34 - мерник для насыщенного раствора поваренной соли (1 шт.); 35 -насосы для перекачки производственного конденсата (2 шт.); 36 - насосы для перекачки раствора соли (2 шт.).

Вода, используемая для подпитки тепловой сети проходит только умягчение на Н-катионитных фильтрах и декарбонизаторах. Остальная вода, предназначенная для питания котлов ТЭЦ высокого давления, подвергается глубокому обессоливанию, на Н-катионитных фильтрах второй ступени, анионитных фильтрах первой степени и Н-катионитных фильтрах третьей ступени. Далее вода снова пропускается через декарбонизатор и подается на анионитные фильтры второй ступени. Обессоленная вода собирается в резервуаре и затем подается в деаэраторы котлов.

Анионитные фильтры первой степени загружены слабоосновным анионитом, а анионитные фильтры второй ступени - сильноосновным для задержания анионов кремниевой кислоты.

Компоновка водоочистной станции осуществлена в одноэтажном прямоугольном здании облегченного типа, примыкающем к корпусу

424

служебно-вспомогательных помещений (см.рис.10.5 и 10.6). Общий размер здания в плане 66 × 24 м с высотой до низа балок перекрытия 6,8 м.

Все резервуары, декарбонизаторы, баки и цистерны для хранения концентрированной серной кислоты вынесены из пределов здания с очень небольших заглублением их. Перечисленные емкости снабжены наружной теплоизоляцией и все кроме кислотных цистерн имеют внутреннюю противокоррозийную изоляцию. Для обеспечения проектной производительности в состав станции водоподготовки включено оборудование, сведения о котором приведены выше. Кроме оборудования, предназначенного непосредственно для обессоливания воды, в пределах очистной станции размещено также оборудование для очистки и доумягчения производственного конденсата и фосфатирования питательной воды.

Резервные фильтры различных групп приняты без загрузки, что дает возможность просто производить гидравлическую перегрузку ионитов при необходимости ремонтировать тот или иной фильтр.

Для повышения обменной способности анионитов предусмотрен подогрев раствора едкого натра.

Кроме оборудования, предназначенного непосредственно для обессоливания воды, в пределах очистной станции размещено также оборудование для очистки и доумягчения производственного конденсата и фосфатирования питательной воды.

Солевое хозяйство используется не только для регенерации Na-катионитных фильтров, но и для промывки анионитных фильтров при снижении их обменной способности из-за поглощения органических веществ.

425

10.3. Применение современных конструкций сооружений водоподготовки и автоматизация их работы, основные мероприятия по технике безопасности

Проектированием внутриплощадочных систем и водоочистных комплексов промышленных предприятий занимаются отраслевые проектные организации, имеющие соответствующую нормативную базу и опыт реализации разработанных ими проектных решений в соответствующих специфических отраслях промышленного производства. Общая направленность проектных решений в области водоснабжения промышленных предприятий состоит в максимальном использовании передовых достижений науки и техники с целью интенсификации работы систем и сооружений водного хозяйства промышленных предприятий, внедрения новых высокопроизводительных процессов и оборудования, рациональных конструкций и экономичных материалов, что обеспечивает

425

снижение капитальных вложений и эксплуатационных затрат, а также экономию трудовых ресурсов.

При проектировании новых и реконструкции существующих сооружений целесообразно применять современные конструкции самопромывающихся сеток, сетчатых фильтров и микрофильтров, радиальных и вертикальных отстойников, позволяющих повысить пропускную способность их на 20 - 25 % и облегчить эксплуатацию по сравнению с обычными; компактные отстойники с блоками тонкослойных элементов, использование которых гарантирует повышение производительности в 1,5-3 раза и высокий эффект очистки отработавшей воды, обеспечивающий для целого ряда производственных циклов возможность ее оборотного использования.

Эффективно применение современных конструкций механических и сорбционных фильтров с прогрессивными видами инертной и активной загрузок, противоточных катионитных фильтров для умягчения воды с выносной обратной промывкой, установок непрерывного ионирования, современных полимерных ионообменных материалов. В системах водоподготовки применение напорных фильтров вместо безнапорных во многих случаях позволяет исключить вторую ступень перекачки воды и использовать остаточный напор для подачи ее на охладители, сооружения глубокой очистки или непосредственно потребителю. Для производств, требующих сверхчистую воду, рекомендуется применять обратноосмотические установки, в которых реализуются мембранные технологии очистки воды.

При разработке конструкций сооружений и их элементов целесообразно широкое использование сборного железобетона и различных пластмасс. Применение для изготовления тонкослойных блоков полимерных материалов позволяет индустриализировать процесс производства блоков, существенно облегчить конструкцию тонкослойных отстойников, повысить их долговечность и получить существенный экономический эффект.

Значительные преимущества дает также использование водоуловителей и оросителей градирен из полимерных материалов более стойких к воздействию повышенных температур и влажности среды, позволяющих повысить компактность этих чрезвычайно важных элементов конструкций градирен при одновременном увеличении их гидравлической и тепловой нагрузок. Применение закрытых радиаторных охладителей вместо открытых испарительных исключает потери воды на испарение и капельный унос, что позволяет обеспечить существенную экономию воды.

При проектировании трубопроводов необходимо снижать их материалоемкость за счет максимального сокращения применения стальных и чугунных труб с заменой их на напорные железобетонные,

426

пластмассовые, асбестоцементные и др.. Для систем производственного водоснабжения необходимо шире применять специальные методы защиты внутренней и наружной поверхностей стальных труб от химической коррозии и биоповреждений.

Здания насосных станций, насосно-воздуходувных станций, блоков производственных и бытовых помещений, хлораторных мастерских, складов и др.объектов проектируются из унифицированных изделий для промышленных зданий и сооружений. Применение типовых проектов и типовых элементов сооружений существенно ускоряет процесс проектирования и уменьшает стоимость строительства.

Наибольшую сложность представляет проектирование и осуществление строительства емкостных сооружений: резервуаров, отстойников, усреднителей, осветлителей и др.. Для индустриализации их строительства разработаны габаритные схемы наиболее часто применяемых сооружений прямоугольной и цилиндрической форм. Размеры прямоугольных и диаметры круглых в плане сооружений предусмотрено принимать кратным Зм, а по высоте 0,6 м; для емкостных сооружений встраиваемых в здания они принимаются кратными 1,5 м; круглых - 1 м. На основании этого разработана серия 3.900 - 3 "Сборные железобетонные конструкции емкостных сооружений водоснабжения и канализации" , а также серии 3.900.1 - 10 - для прямоугольных сооружений; 3.900.-11 - для круглых сооружений; 3.900.1 - 14 - для круглых колодцев; 3.900.1 - 12 -для лотков.

В целях значительного сокращения сроков строительства объектов водоподготовки внедряется комплектно-блочное решение зданий и сооружений. При этом многие операции по изготовлению строительных конструкций и комплектации оборудования осуществляются в заводских условиях с последующим монтажом оборудования заводского изготовления на строительной площадке.

С целью сокращения габаритов, упрощения конструкции насосных станций или исключения части их из схемы очистных сооружений для перекачки сточных вод целесообразно применять погружные центробежные насосы отечественных (ЦМК, ЦМФ, Гном и др.) и зарубежных конструкций. Такие насосы могут устанавливаться непосредственно в емкостях, резервуарах и отстойниках без устройства отдельных насосных станций или выделения соответствующих дополнительных площадей для их размещения, что уменьшает габариты станции водоподготовки и снижает их стоимость.

В качестве водоохладителей при небольшой производительности рекомендуется применять радиаторные охладительные афегаты типа АВО и аппараты испарительного охлаждения АУКС, пенно-испарительные водоохладители, малогабаритные градирни различных типов,

427

поставляемые в виде единого блока с насосом, вентилятором и системами управления.

Во многих из них исключен контакт воды с воздухом, ее загрязнение и потери вследствие этого. Привязка типовых или повторно-применяемых конструкций к местным условиям должна осуществляться с учетом особенностей обрабатываемой воды, технологических, топографических, гидрогеологических и противопожарных требований, а также высотной схемы сооружений.

Системы управления технологическими процессами водоподготовки и объем автоматизации сооружений принимаются из условий эксплуатации с учетом экономических и социальных факторов.

Насосные станции всех назначений на сооружениях водоподготовки должны проектироваться без постоянного обслуживающего персонала с автоматическим, дистанционным (телемеханическим) или местным управлением в зависимости от уровня воды в емкостях, давления или расхода в системе. В автоматизируемых насосных станциях при аварийном отключении рабочих насосных агрегатов предусматривается автоматическое включение резервного агрегата. Это требование относится также к насосным станциям I категории с дистанционным управлением. В насосных станциях предусматривается автоматизация вспомогательных процессов (промывка сеток по заданной программе, откачка дренажных вод, электроотопление, вентиляция).

В системах оборотного водоснабжения контролируется: расход добавочной воды; уровни в резервуарах нагретой и охлажденной воды; температура нагретой и охлажденной воды; концентрация остаточного хлора в охлажденной воде; концентрация солей в нагретой воде. Автоматическое регулирование подачи добавочной воды в оборотную систему обеспечивается по уровню в камере охлажденной воды.

В вентиляционных градирнях в зависимости от температуры охлажденной воды должно предусматриваться изменение числа работающих вентиляторов или числа оборотов вентилятора.

При стабилизационной обработке воды автоматизируется дозирование растворов фосфатов (по расходу добавочной воды); кислоты (по рН), хлора и медного купороса ( по заданной программе).

Должна также предусматриваться автоматизация вспомогательных процессов (промывка сеток, откачка дренажных вод, электроотопление и вентиляция). На станциях водоподготовки автоматизируется дозирование коагулянтов и других реагентов, процессы обеззараживания, регулирование скорости фильтрации, а также промывка фильтров при их количестве > 10. Насосы для перекачки растворов реагентов должны иметь местное управление с автоматическим отключением их при заданных уровнях растворов в баках. На установках реагентного умягчения воды, удаления карбонатной жесткости и рекарбонизации автоматизируется

428

дозирование реагентов, дымовых газов по рН и электропроводности. Регенерация ионообменных катионитных фильтров автоматизируется по остаточной жесткости воды, анионитных - по электропроводности обработанной воды. При необходимости в емкостях для хранения воды всех назначений предусматривается измерение уровней воды и их контроль для использования в системах автоматики и передачи на пункт управления или на насосную станцию.

Система управления водопроводными и водоочистными сооружениями должна быть централизированной и находится в подчинении пункта управления промышленного предприятия. Она может быть диспетчерской (обеспечивающей контроль и поддержание заданных параметров на основе использования средств контроля) и

автоматизированной (АСУТП), включающей применение средств вычислительной техники. В пунктах управления предусматриваются: диспетчерские для размещения персонала, щиты пульта, мнемосхемы, средства связи, аппаратная для установки средств телемеханики, электропитание и т.п., комната отдыха, мастерская текущего ремонта, аккумуляторная, а для пунктов АСУТП дополнительно помещение для размещения технических средств АСУТП. Пункты управления могут быть размещены в зданиях насосных станций, очистных сооружений, в административно-бытовых зданиях.

При проектировании очистных сооружений должны быть предусмотрены мероприятия для обеспечения безопасности и нормальных условий труда обслуживающего персонала. В число этих мероприятий должны входить мероприятия по электробезопасности и защите от шума и вибрации, вентиляция, освещение и, при необходимости, отопление помещений, ограждения, грузоподъемные устройства,

Во всех помещениях очистных сооружений независимо от их назначения и категории пожаро- и взрывоопасности должна быть предусмотрена, как правило, проточно-вытяжная вентиляция, обеспечивающая непрерывный гарантированный воздухообмен. Независимо от наличия вентиляции площадь открывающихся проемов проветривания должна быть ≥ 50 % площади остекленения. Кратность воздухообмен в помещениях очистных сооружений следует принимать по данным технологической части проекта. Для отделения реагентного хозяйства с приготовлением хлорного железа, гипохлорита, хлора, аммиака, серной кислоты - она составляет 6, для отделений приготовления растворов сернокислого алюминия, известкового молока, гексаметофосфата, полиакриламида, кремниевой кислоты, фосфатов, активированного угля - 3.

В помещениях очистных сооружений должно быть предусмотрено естественное и искусственное освещение рабочих мест, оборудования и проходов, обеспечивающее безопасную работу обслуживающего

429

персонала. Для обеспечения удобной и безопасной работы обслуживающего персонала и проведения ремонта отдельные установки и оборудование должны быть отделены друг от друга и от стен помещения переходами соответствующей ширины. Должны быть предусмотрены ограждения емкостных сооружений, перекрытия и рабочие мостики. Высота ограждений ≥ 1 м, ширина мостиков - 0,6 м. Необходимо предусматривать возможность слива воды из сооружений при промывке или опорожнении и уклон пола в сторону прямотока для сбора воды. В резервуарах, отстойниках, шахтах должны предусматриваться ходовые скобы, лестницы и другие приспособления для безопасного спуска обслуживающего персонала.

При проектировании очистных сооружений . необходимо предусматривать грузоподъемные устройства или приспособления для установки переносных грузоподъемных устройств. При массе груза до 5 т предусматривается таль ручная или кран-балка подвесная ручная при массе груза более 5 т - кран мостовой ручной, а при высоте подъема груза более 6 м или длине подкранового пути более 18 м - электрическое крановое оборудование.

Для защиты от вредных воздействий шума и вибрации следует предусматривать вибро-изоляционные основания и мягкие вставки для насосов и вентиляционных установок, шумозащитные кабины для обслуживающего персонала и другие мероприятия, снижающие уровень шума и вибрации в рабочих помещениях.

430

13.5. Локальные установки и их роль в общей системе водоочистки промышленного предприятия

Сточные воды отдельных производств содержат обычно ограниченное число загрязняющих компонентов. Однако их концентрация в воде значительно превышает содержание их в общезаводском стоке, образованном смешением локальных потоков.

Так как часть компонентов загрязнений - это реагенты и потери конечных или промежуточных продуктов производства, локальная очистка стоков позволяет решить две важные задачи:

• извлечь из стоков основную массу загрязнений;

• снизить потери ценного сырья за счет утилизации извлеченных продуктов в производстве.

В общей системе водоочистки промышленного предприятия роль локальных установок сводится к следующему:

1. Для многих производств возможно повторное использование воды после локальных сооружений без полного извлечения из нее загрязняющих веществ, что значительно удешевляет и упрощает технологию очистки. Целесообразность применения локальных установок в этом случае безусловна. Кроме того после локальной очистки вода может быть использована в других локальных циклах с менее жесткими требованиями, как подпиточная, если ее качество удовлетворяет предъявляемым требованиям.

2. Если после локальных сооружений невозможно использовать очищенную воду в технологическом процессе, то она в смеси с другими стоками направляется для доочистки на общезаводские сооружения. В этом случае локальная очистка также оказывается экономически целесообразной, так как:

• нагрузка по загрязнениям на общезаводские сооружения снижается;

• загрязнения на локальных сооружениях из концентрированных стоков проще извлечь и использовать, так как посторонние примеси в локальном стоке содержатся в меньшей степени;

• при использовании в производстве продуктов, уловленных из сточных вод, уменьшаются потери ценного сырья.

3. Локальная очистка необходима при наличии в воде токсичных компонентов, препятствующих биологической или физико-химической очистке смеси сточных вод предприятия.

482

Для локальной очистки сточных вод применяются известные методы:

• 1. Механические;

• 2. Химические;

• 3. Физико-химические.

Все методы очистки производственных сточных вод можно разделять на две группы:

• регенерационные;

• деструкционные.

Предпочтение надо отдать регенерационным методам, позволяющим вернуть ценные продукты в производство.

При организации локальных замкнутых циклов широко применяются методы отстаивания и оборудование для механической очистки рассмотренные выше в разделе водоподготовки. Отстаивание, процеживание, фильтрация, флотация позволяют с минимальными затратами извлечь загрязнения из сточных вод непосредственно вблизи места их образования и использовать в технологическом процессе. Иногда при этом удается получить качество очистки оборотной воды, обеспечивающее возможность использования ее повторно (цеха , моющие машины, некоторые циклы производства бумаги и т.п.).

Ниже приведены некоторые методы очистки сбросных вод, часто применяемые на локальных очистных установках промышленных предприятий с целью извлечения и утилизации ценного сырья.

483

13.5.1. Коагуляция и флокуляция примесей сбросных вод

Коагуляция используется для разрушения устойчивых суспензий и эмульсий веществ, загрязняющих воду, посредством введения коагулянтов. Широко применяется для интенсификации процессов механической очистки производственных сбросных вод. При введении в воду коагулянтов образуются малорастворимые гидроокиси металлов в виде рыхлых хлопьев, сорбирующих на своей поверхности коллоидные и растворенные в воде примеси. Гидравлическая крупность основной массы хлопьев гидроокиси U_o= 0,3 - 0,5 мм/с, что позволяет эффективно извлекать их из воды методами отстаивания и фильтрации. В качестве коагулянтов используют сернокислый алюминий А1₂(SО₄)₃, а также сернокислое железо FeSO₄или хлорное железо FеС1₃. Кроме них можно использовать известь СаО, алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия А1₂(ОН)₅С1, хлорид магния MgCb, сульфат магния MgSO₄. Дефицитность и высокая стоимость известных коагулянтов стимулируют поиск и замену их более дешевыми и доступными.

483

Применение коагуляции связано с приготовлением раствора реагента, дозирования и перемешивания его с водой. Для этих целей в схеме очистки производственных сбросных вод предусматривается реагентное хозяйство, дозаторы и смесители. Проектирование и расчеты этих устройств осуществляются так же, как и в системах коммунального водоснабжения.

На ход процесса коагуляции существенно влияет температура воды, рН, присутствие растворенных солей и органических соединений. Оптимальная температура воды 15 - 20°С, при понижении температуры до 5 - 10°С образуются мелкие плохо оседающие хлопья. Оптимальные значения рН соответствуют минимальной растворимости образующихся гидроокисей и для сернокислого алюминия составляют 6,5 - 8,5, для хлорного железа 6 - 10, для сернокислого железа более 8. Для регулирования рН сточную воду перед введением коагулянта подкисляют, подщелачивают или разбавляют. Для этого могут быть использованы, образующиеся на предприятии кислые и щелочные сточные воды. Оптимальная доза коагулянта подбирается опытным путем. Для условий обработки производственных сбросных вод на предприятиях железнодорожного транспорта она составляет обычно 100 - 300 мг/л. Для ускорения процесса коагуляции и получения более прочных и плотных хлопьев в дополнение к минеральным коагулянтам используются флокулянты, главным образом, полиакриламид (ПАА). Доза ПАА для обработки сточных вод составляет 2-10 мг/л.

При большой исходной концентрации загрязнений наиболее экономичной схемой очистки является двухступенчатая:

• на 1 -ой ступени - простое отстаивание;

• на 2-ой ступени - отстаивание с предварительной реагентной обработкой.

Рис. 13.3. Схема двухступенчатой очистки сточных вод: 0-1, 0-II отстойники I и II ступени; СМ - смеситель; КР - камера реакции

Часто в последнее время процесс очистки (смешение, контакт и отстаивание) осуществляется в одном аппарате. Если концентрация

484

загрязнений не превышает 4 г/л, вместо отстойников применяются осветлители со взвешенным слоем осадка прямоугольной и круглой формы в плане.

Кроме обычной коагуляции для интенсификации процесса очистки сбросных вод от хрома (рис. 13.4), жиров, эмульгированных нефтепродуктов и мелкой взвеси в обычных и тонкослойных отстойниках и нефтеуловителях, применяется электрокоагуляция.

Процесс электрокоагуляции заключается в растворении под действием постоянного электрического тока металла электродов с образованием нерастворенных в воде хлопьев гидроокиси. В результате электрохимического взаимодействия образовавшихся хлопьев гидроокиси с коллоидальными, взвешенными и эмульгированными загрязнениями сбросной воды возникают крупные, быстро оседающие агрегаты частиц, которые задерживаются при отстаивании. Электрохимическое коагулирование сточной воды осуществляется в электрокоагуляторах (рис. 13.5). Электроды в них выполняются из листового алюминия или железа. Подвод электропитания осуществляется от источников постоянного (выпрямленного) тока по монополярной схеме с реверсированием через 0,5 - 1,0 ч.

Рис. 13.4. Схема установки для электрокоагуляционного метода очистки сточных вод от хрома: 1 - насос; 2 - ванна хромирования; 3 - источник постоянного тока; 4 -электроды; 5 - электрокоагулятор; 6 - центрифуга (сепаратор); 7 - обезвоженный осадок; 8 - подача очищенной воды на использование; 9 - сброс в канализацию

Доза металла электродов D определяется методом пробного электрохимического коагулирования или ориентировочно принимается по таблице 13.2.

Таблица 13.2,

Необходимая доза металла D

Доза металла, мг/л	Исходная концентрация растворенных и эмульгированных нефтепродуктов Сн, мг/л
	150	100	50
Алюминий	2-9	2-8	1,5-6
Железо	25-30	20-50	15-40

485

Рис. 13.5. Схема электрокоагулятора: 1- электроды; 2 - источник постоянного тока

В табл. 13. 2 минимальная доза соответствует скорости движения v = 2 мм/с, максимальная - скорости v = 6 мм/с, обеспечивая остаточную концентрацию нефтепродуктов после отстаивания С_ост= 10-20 мг/л.

Необходимая активная площадь электродов (м²)

S =

D·Q

kэσ

 

• где Q - расход сбросных вод, м³/ч;

• k_э- электрохимический эквивалент; для алюминия k_э= 0,336 г/Ач, для двухвалентного железа k_э= 1,042 г/А · ч;

• σ - поверхностная плотность тока; σ = 6 - 20 А/м .

Размеры электрокоагулятора принимаются такими, чтобы через него протекал весь расход обрабатываемых сточных вод. Обычно высота электрокоагулятора назначается Н_э= Н, В_э= В, а длина из соотношения

L_э=

S

m1·Hэ

 

• где m₁· число электродов;

• Н_э- высота электрокоагулятора.

Расстояние между пластинами электродов I_эрекомендуется в пределах 15 -20 мм.

Сила тока в А, необходимая для поддержания требуемой интенсивности растворения металла,

I =

DQ

kэ

 

Падение напряжения между пластинами электродов U = (1,5 - 2,0) а, В. Меньшие значения U соответствуют меньшему принятому расстоянию между пластинами электродов.

Требуемая мощность энергетического оборудования (кВА)

486

N = α

IU

1000

 ,

где а - коэффициент запаса мощности (α = 1,3 - 1,5).

487

13.5.2. Экстракционная очистка сбросных вод

Экстракционная очистка основана на введении в воду химических жидкостей экстрагентов, обладающих следующими свойствами:

• хорошо растворяющих выделяемые из сточной жидкости вещества;

• не растворяющихся в обрабатываемой воде.

После добавления экстрагента его тщательно перемешивают с обрабатываемой водой. При этом загрязнения (экстрагируемые вещества) растворяются в экстрагенте, а концентрация их в сточной воде уменьшается. После отстаивания и расслоения жидкостей их легко разделить и извлечь из органического растворителя (экстрагента) поглощенное из водного раствора (экстрагированное) вещество. Органическую жидкость, в которую перешла часть растворенного вещества из водного раствора, называют экстрактом, а воду после экстракции, из которой извлечено вещество, - рафинатом.

Экстракция наиболее распространена при очистке сточных вод от фенолов и жирных кислот. Однако этот метод может применяться и для извлечения из сточных вод многих других органических продуктов. Целесообразность применения определяется соотношением стоимости экстрагируемого продукта и затратами на экстракцию. В большинстве случаев применение экстракции при концентрации выделяемого растворенного вещества до 1 г/л менее выгодно, чем применение адсорбции.

Процесс экстракции при постоянной температуре характеризуется коэффициентом распределения

К_э= С_э/ С ≈ const ,

• где С_э- концентрация растворенного вещества в экстрагенте при установившемся равновесии;

• С - концентрация экстрагируемого растворенного вещества в воде в состоянии равновесия.

Коэффициенты распределения зависят от вида экстрагируемого вещества, температуры, наличия примесей в воде и примесей экстрагента. Так, при t = 25°С для фенола, экстрагируемого бензолом К_э= 2,3 - 12,5, бутилацетатом - 51, толуолом - 1,71 - 9,03, а диизопропиловым эфиром -27,8 - 30. При экстракции салициловой кислоты и использовании бензола К_э= 1,69 - 4,5, хлороформа - К_э= 2,85 - 4,26, а бутилацетата К_э= 126. При

487

увеличении температуры значение К_эуменьшается, поэтому при температуре более 40°С экстракцию проводить не рекомендуется.

Если известны значения температурного градиента коэффициента распределения β и К_эдля какой - либо температуры t₁то для другой температуры t₂

K_э= K_эt₁-β(t₂-t₁).

Экстрагент должен легко регенерироваться. Наиболее приемлемыми экстрагентами являются органические растворители с низкой температурой кипения или легко отгоняющиеся с водяным паром. Фенолы и органические кислоты выделяют при обработке экстракта водным раствором щелочи. Из полученных концентрированных водных растворов фенолятов фенолы выделяются при понижении рН до 8 - 7,5, например, пропуская через раствор дымовые газы, содержащие углекислоту.

Процесс экстракции характеризуется уравнением изотермы экстракции

C_э= W_эС ⁿ¹,

• где W_э- объем экстрагента в экстракторе, м³;

• С_эи С - концентрации вещества в экстрагенте и в воде, г/м³;

• n₁- эмпирический показатель степени.

На основании изотермы экстракции можно найти число ступеней экстракции для достижения заданной степени извлечения продукта из сточной воды.

В технике экстракционной очистки применяется:

1.Периодическая экстракция, состоящая в периодическом добавлении экстрагента к обрабатываемой воде в статических условиях. При этом требуется значительное количество экстрагента, так как при одноразовой экстракции нельзя полностью удалить экстрагируемое вещество. Это можно сделать при повторных экстракциях, используя каждый раз новый экстрагент.

2.Непрерывная экстракция в одном аппарате по принципу противотока. Она является более экономичной. Производится в специальных аппаратах с загрузкой, позволяющей увеличить турбулизацию потока и перемешивание.

Принципиальная схема непрерывной экстракции приведена на рис. 13.6. Экстрактор представляет собой колонну с насадками, в которую подается вода и экстрагент. В тех случаях, когда удельный вес экстрагента меньше удельного веса воды, экстрагент подают снизу, как показано на схеме; при обратном соотношении удельных весов экстрагент подают сверху.

Чтобы поддержать постоянный уровень жидкости, воду выпускают из колонны через сифон, сообщающийся с ее верхней частью.

488

Рис, 13.6. Схема непрерывной экстракции с противотоком (а) и типы экстракционных колонн (б): I - насадочная; II - с перфорированными сетчатыми тарелками; 1 · чистый экстрагент; 2 - сточная вода; 3 - загрязненный экстрагент; 4 - очищенная сточная воды; 5 -тяжелая фаза; 6 - легкая фаза

Поперечное сечение аппарата заполняется специальными перегородками и насадками для лучшего смешения.

Количество экстрагента при непрерывной противоточной экстракции значительно снижается (до 4-х раз) по сравнению с периодической экстракцией.

Размеры колонного экстрактора - его высота Н, достаточная для достижения необходимой степени очистки сточной жидкости, и диаметр D, обеспечивающий необходимую производительность, находят графоаналитическим методом по лабораторным исследованиям хода процесса экстракции для каждого растворенного вещества и экстрагента.

При многократной ступенчато-противоточной экстракции (рис. 13.7) свежий экстрагент вводится в сточную воду на последнем этапе, когда концентрация загрязнений в воде мала, а загрязненный экстрагент смешивается с исходной сточной жидкостью. Это позволяет более полно использовать его экстрагирующую способность. На каждой ступени осуществляется перемешивание и разделение фаз в отстойниках или центробежных сепараторах.

Расчет процесса экстракции осуществляется на основании уравнения материального баланса

C_oW = CW + C_эW_э,

• где С_o- начальная концентрация вещества в воде;

• W - объем воды, подвергаемой экстракции;

• С - конечная концентрация вещества в воде;

489

• С_э- концентрация растворенного вещества в экстрагенте;

• W_э- общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию.

Рис. 13.7. Многократная экстракция с противотоком: I, II, III - экстракторы; 1, 2, 3 - отстойники; 4 - сборник загрязненного экстрагснта; 5 -сборник очищенной воды

Так как К_э= С_э/С, то С_э=К_эС;

W_э= bW, то b =

Wэ

W

 ,

где b - удельный расход экстрагента, м³/м³сточной воды,

С учетом этого C_oW = CW + К_эС b W ,

C_o = C + CК_эb = C(1+К_эb),

C = C_o/(1+К_эb) ⁿ, а b =

Wэ

nW

 

При непрерывной многократной экстракции с использованием нового экстрагента на каждой ступени остаточная концентрация его

C = C_o/(1 + К_эb) ⁿ, а b =

Wэ

nW

 

где n · число экстракций.

Из данных уравнений видна высокая эффективность многократной экстракции.

При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде. При этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент. Вода вводится в экстракционную колонну сверху, если ρ_в> ρ_э, а экстрагент снизу и наоборот.

Концентрация экстрагируемого вещества в обработанной воде при непрерывной противоточной экстракции

490

С = С_o

Кэb - 1

Кэb N-1- 1

  ,

где N -- теоретически необходимое число ступеней экстракции;

N =

lg[1+C/Co(Кэb - 1)]

lgКэb

  - 1.

Требуемый удельный расход экстрагента

b =

Co- C

КэС

 

Применяемые технологические схемы очистки сбросных вод экстракционным методом зависят от количества и состава сточных вод, типа экстрагента и методов его регенерации.

В зависимости от способа контакта сточной воды и экстрагента применяют экстракционные колонны без какой-либо насадки - распылительные, инжекторные, с насадками из керамики и металла (кольца Рашига, кольца Палля и др.), с перфорированными неподвижными и подвижными сетчатыми тарелками, колонны с пульсацией потока. В распылительной и насадочной колоннах, а также колоннах с движущимися сетчатыми тарелками, высота, эквивалентная одной ступени экстракции соответственно равна 10, 6 и 0,8 м. Выбор типа колонны при непрерывной противоточной экстракции определяется теоретически необходимым числом ступеней экстракции N.

Наряду с пульсационными колоннами высокой производительностью обладают центробежные экстракторы, но они более энергоемки.

После последней ступени экстракции экстрагеш из сточной воды отгоняют паром, обычно под вакуумом. Этот процесс может осуществляться также отдувкой воздухом или другими газами. Регенерация экстрагента из экстракта осуществляется обычно после его подогрева с использованием теплообменников, в регенерационных (ректификационных) колоннах в одну или две ступени с последующим охлаждением, разделением и сбором регенерированного экстракта и экстрагируемых веществ.

Вода перед доочисткой методом экстракции при необходимости охлаждается и должна пройти предварительную очистку традиционными методами: отстаиванием, флотацией, фильтрацией, нейтрализацией.

Метод экстракции широко применяется на предприятиях термической переработки топлива, угля, торфа. На химических предприятиях его применяют для очистки сбросных сточных вод от фенолов. Эффективность извлечения фенолов этим методом составляет 80

491

- 97 % и экономически рентабельна при исходной концентрации их в сточной воде ≥ 3 г/л.

492

13.5.3. Адсорбционная очистка сбросных вод

Адсорбция находит все более широкое применение в замкнутых системах водоснабжения для глубокой очистки и доочистки сбросных водооборотных циклов от растворенных органических примесей на локальных установках.

•Извлечение растворенных веществ с их последующим возвращением в производство или получением вторичных товарных продуктов при относительно невысоком содержании органических веществ в сточной воде и возможностью регенерации адсорбента с его многократным использованием, существенно повышает экономичность процесса.

Локальные адсорбционные установки применяют, когда в сточных водах от какой-либо технологической операции содержатся биохимически устойчивые или высокотоксичные компоненты. Такие сточные воды без локальной очистки нельзя подавать на общезаводские или городские биологические очистные сооружения, т.к. они вызывают нарушения нормального течения процесса очистки или в процессе очистки не обезвреживаются.

После локальной очистки адсорбцией сточные воды можно возвращать в технологический процесс или использовать для подпитки других систем предприятия.

Наиболее универсальными адсорбентами являются активированные угли, которые относятся к гидрофобным углеродным материалам, обладающим высокой энергией взаимодействия с извлекаемыми органическими минералами. Они хорошо сорбируют фенолы, полициклические ароматические углеводороды, большинство нефтепродуктов, хлорорганические и фосфорорганические соединения и многие другие органические загрязнения. Площадь поверхности частиц гранулированного угля находится в пределах 450 - 1800 м²/г. Минеральные адсорбенты - силикагели, алюмогели, глинистые минералы, цеолиты относятся к гидрофильным материалам, обладают высокой энергией взаимодействия с молекулами воды и не активны по отношению к растворенным в воде органическим веществам. Их применяют для удаления из воды неорганических примесей. В последнее время появились эффективные искусственные адсорбенты, предназначенные для преимущественного извлечения отдельного класса соединений, ионов тяжелых металлов, гуминовых соединений и т.п.

Активированные угли и другие адсорбенты, например, алюмосиликатный адсорбент ААА, применяемые в локальных установках, должны иметь высокую сорбционную емкость и низкую удерживающую

492

способность, т.е. легко отдавать поглощенные вещества при регенерации, обладать хорошей механической прочностью по отношению к истиранию, хорошей смачиваемостью.

При проектировании локальных адсорбционных установок необходимо учитывать, что адсорбция органических соединений, способных к ионизации (фенолов, кислот, аминов и др.) сильно зависит от степени ионизации, а следовательно, и от рН. Наибольшей величины адсорбция достигает, когда доля неионизированных молекул близка к единице. Для фенолов и органических кислот

pH_опт= pH_[H+]и- 3,

а для адсорбции аминов

pH_опт= pH_[H+]и+ 3,

где pH_[H+]и- отрицательный десятичный логарифм константы ионизации по кислотному типу.

Активность сорбента характеризуется количеством вещества, поглощаемого единицей массы сорбента.

Различают статистическую активность сорбента - максимальное количество поглощаемого вещества к моменту достижения равновесия в сорбенте и растворе в покое при постоянной температуре идинамическую активность - максимальное количество вещества, поглощаемого сорбентом до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточных вод через слой сорбента. В промышленных адсорберах динамическая сорбционная активность составляет 40 - 90 % статической.

Статическая активность адсорбента характеризуется изотермой адсорбции

a =

Amax·β·C

1+β·C

 ,

• где А_max- предельная величина адсорбции; максимальное количество вещества, которое может адсорбироваться единицей массы (или поверхности) адсорбента;

• Р - константа равновесия, константа адсорбции, зависящая от марки и диаметра частиц сорбента; С - остаточная равновесная концентрация вещества в сточной воде.

Значения А_maxи β находятся графически из экспериментальных данных по уравнению И.Лангмюра

C

a

  =

1

Аmaxβ

  +

1

Аmax

 C

Иногда опытные данные процесса адсорбции лучше описываются параболическим уравнением

a = αC^1/n₁,

493

где α и n₁- константы, определяемые графически из логарифмического уравнения

lg a = lgα +

1

n1

  lg C.

Это уравнение получило название изотерма Фрейндлиха.

Установив вид изотермы адсорбции и определив константы, можно вычислить величину удельной адсорбции при любой концентрации раствора С и найти необходимую дозу адсорбента для заданной остаточной концентрации извлекаемого вещества в сбросной воде. Так как

A_max=

Co- C

m

 , m =

Co- C

Amax

 

• где С_o- начальная концентрация вещества в воде до адсорбции;

• m - доза абсорбента.

Различают следующие виды адсорбционной очистки:

1. Сорбция на порошкообразном активированном угле. При

использовании порошкообразного активированного угля (размер частиц 0,07 - 0,12 мм) для достижения состояния равновесия нужно несколько минут. Вычисления из изотермы адсорбции доза активированного угля вносится в обрабатываемый объем жидкости и перемешивается до достижения адсорбционного равновесия. Затем уголь отделяется отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием. Процесс может осуществляться в несколько ступеней.

Применяются трехступенчатые сорбционные установки с последовательным введением свежего сорбента на каждой ступени (рис. 13.8), что обеспечивает очистку до минимальной концентрации и сорбционные установки с противоточным введением сорбента (рис. 13.9).

Рис. 13.8. Схема трехступенчатой сорбционной установки с последовательным введение сорбента 1 - подача неочищенной воды; 2, 3, 4 - вода после первой, второй и третьей обработки сорбентом; 5 - мешалки; 6 - отстойники для выделения отработанного сорбента от воды; 7 - ввод в воду чистого сорбента; 8 - отвод отработанного сорбента из воды При многоступенчатой противоточной сорбции обеспечивается более глубокая очистка при одной и той же дозе сорбента и более полно используется его сорбирующая способность. Противоточные установки применяются значительно шире вследствие более экономичного расходования сорбента.

494

Рис. 13.9. Схема трехступенчатой сорбционной установки с противоточным введением сорбента: 1 - подача неочищенной воды; 2, 3, 4 - вода после первой, второй и третьей обработки сорбентом; 5 - мешалки; 6 - отстойники для отделения отработанного сорбента от воды; 7 - приемники отработанного сорбента; 8 - насосы для перекачки сорбента; 9 - отвод отработанного сорбента; 10 - ввод свежего сорбента; 11 - подача сорбента из третьей ступени во вторую; 12 - подача сорбента из второй ступени в первую

Регенерация активированного порошкообразного угля большей частью не предусматривается, поэтому этот метод применим, когда дозы угля не превышают 10-20 г/м³. При необходимости интенсифицировать процесс отстаивания частиц порошкообразного угля применяются реагенты. Фильтрация обычно предусматривается на последней ступени для задержания частиц, не выпадающих в осадок при отстаивании.

Расчет сорбционных установок осуществляется на основании уравнения материального баланса

С_oW = m а + С W ,

• где W - количество обрабатываемой воды, м³;

• m - количество сорбента, кг. Откуда необходимо количество сорбента

m =

W(Co- C)

a

  =

W(Co- C)

βC

 

495

Так как а = βC, где β = а/С, то остаточная концентрация загрязнений при однократной сорбции

C =

WCo

W + βm

 .

Если процесс сорбции применяется многократно, п раз с введением свежего сорбента на каждой ступени

C = [

W

W + βmn

 ] ⁿC_o,

где m_n- доза сорбента, вводимого на каждой ступени, m_n= [ⁿ√

Сщ

С

  - 1]

W

β

 .

Общее количество сорбента m = n m_o.

При противоточном введении сорбента концентрация вещества в обработанной воде после п ступеней

C =

β m W   - 1

(β m W  ) n+1- 1

 

Количество сорбента, который вводится только в последнюю ступень, находится из уравнения

α₁m ⁿ⁺¹- α₂- α₃= 0 ,

где α₁= (

β

W

 ) ⁿ⁺¹; α₂=

βCo

WC

 ; α₃=

Co

C

  - 1.

Расход его существенно снижается.

2. Сорбция активированным гранулированным углем. При

больших дозах активированного угля для адсорбционной очистки применяют фильтрование через неподвижный слой гранулированного или дробленого активированного угля с размером зерен 2-4 мм. Процесс осуществляется в динамических условиях. В слое загрузки формируется зона работающего слоя L_oпостепенно перемещающегося от начального сечения фильтрующего слоя загрузки к выходному сечению, при достижении которого качество фильтрата быстро ухудшается. Длина работающего слоя L_o, в которой осуществляется адсорбция при фильтровании потока через фильтр, заполненный активированным углем, зависит от интенсивности массопередачи, с увеличением которой значение

496

L_oуменьшается. При длине слоя адсорбента L ≥ L_oвремя защитного действия загрузки

τ = K(L-L_o),

где К - коэффициент защитного действия загрузки

К =

aо.д.

vфСo

 ,

• где a_o.д- удельная адсорбция в динамических условиях, рассчитанная на единицу объема адсорбента;

• v_ф- скорость фильтрации; v_ф= 3 - 6 м/ч (до 20 м/ч).

Для вычислении коэффициента защитного действия адсорбционного фильтра, необходимо опытным путем определить а_о.дпри v_фи С_o, соответствующих условиям работы локальной адсорбционной установки или определить его ориентировочно по зависимости

a_о.д.= η a_о.ст.,

• где η - эмпирический коэффициент; η = 0,8 - 0,9 при v_ф≤ 5 м/ч; η = 0,7 при v_ф= 10 - 15 м/ч; η = 0,5 - 0,6 при L/ v_ф= 0,25 - 0,1 ч. а_о.ст- статическая активность (емкость) адсорбента, г/м³;

а_о.ст= a_o·ρ ,

• где a_о- статическая активность (емкость) адсорбента в г/кг, определяемая по изотерме сорбции для заданных условий работы локальной адсорбционной установки;

• ρ - насыпная масса адсорбента, кг/м .

Направление фильтрования воды предпочтительно снизу вверх для некоторого расширения фильтрующего слоя, снижения интенсивности его кальматажа воздухом, угольной пылью и взвешенными веществами. Содержание взвешенных веществ в воде весьма нежелательно, поскольку сокращает длительность фильтроцикла из-за роста сопротивления фильтрованию. Так при содержании взвешенных веществ около 10 мг/л, длительность работы сорбционных фильтров сокращается на 25 - 50%. При фильтровании сверху вниз уголь размещают на специальной опорной решетке, снабженной дренажем для периодического взрыхления и промывки адсорбента. Применяются открытые или напорные фильтры обычной конструкции, а также адсорбционные колонны.

Адсорбционные колонны периодического действия имеют высоту Н = 2,5 -3м (до 6м), дренажное колпачковое днище или опорно-распределительную решетку с отверстиями 5-10 мм и слоем гравия и мелкого щебня 300 - 500 мм. Сверху слой адсорбента зажимается решеткой с колпачками, обращенными вниз, либо на слой адсорбента накладывается слой гравия и мелкого щебня, зажатый верхней решеткой.

497

При фильтрации снизу вверх решетка может устанавливаться на 10 - 20 % выше слоя адсорбента. При фильтровании сверху вниз решетки не обязательны. При их установке они располагаются из условия расширения загрузки на 30 - 40%. Фильтрационные колонны соединяются последовательно (рис. 13.10) или параллельно. Последовательное соединение применяется при высоком содержании загрязнений в сточной воде и большой длине работающего слоя L_o. Увеличение числа ступеней адсорбции целесообразно при очень высоком качестве воды для технологических нужд. В этом случае на регенерацию выводится обычно только первая по движению воды колонна, где уголь загрязняется наиболее сильно.

Рис. 13.10. Схема блока последовательно включенных адсорбционных колонн: I, II, III - адсорбционные колонны; 1 - мерник реагента для регулирования рН исходной воды; 2 - дозатор; 3 - резервуар усреднитель сбросных вод; 4 - насос

Адсорбированные вещества при регенерации адсорбента утилизируются или ликвидируются на специальной установке.

Параллельное включение адсорбционных колонн применяют при большом расходе сбросных вод, поступающих на сорбционную очистку, которые невозможно пропустить через одну колонну с оптимальной скоростью.

3. Сорбция в псевдоожиженном слое активированного угля. Для

сохранения нормальной скорости фильтрации 10-15 м/ч размер зерен должен быть 0,5 - 2,5 мм, а для активного антрацита - 0,25-1 мм (средний эффективный диаметр частиц 0,5 мм).

При пропускании воды через слой сорбента с такой скоростью частицы взвешиваются восходящим потоком её и насыщаются загрязнениями. Весь процесс происходит в псевдоожиженном слое с

498

расширением его в 1,5 раза (Н_дин/Н_ст=1,5) контакт улучшается, процесс ускоряется. Уменьшение размеров зерен активного угля с 2 - 4 до 0,5 - 1 мм позволяет в 5 - 10 раз сократить необходимое время контакта с потоком жидкости. Подача адсорбента в такие адсорберы и вывод отработанного адсорбента из них (рис.13.11) производится непрерывно.

Рис. 13.11. Схема адсорбера непрерывного действия с пссвдоожижеиным слоем активированного угля: 1 - опорная решетка; 2 - распределительные решетки; 3 - слой адсорбента; 4 - водо-отборный желоб для очищенной воды; 5 - питающая воронка для сухого дозирования активированного угля; 6 - подача отработанного адсорбента на регенерацию; 7 - эрлифт для выгрузки отработанного адсорбента; 8 - слой гравия

Применяют сухое дозирование (если применяется активированный антрацит) или в виде активированной суспензии. Для подачи и отведения суспензии используются эрлифты.

Перемешивание частиц угля в псевдоожиженном слое нарушает послойный характер его отработки и увеличивает длину L_o. Поэтому слой в колонне секционируют на 3 - 5 зон с помощью решеток, снабженных коническими переточными трубками. Диаметр верхнего отверстия трубки D ≥ 15 d_ч, диаметр нижнего отверстия d = 5d_ч, где d_ч- диаметр частиц угля. Число переточных труб устройств на решетке

n =

m

ρSN

 ,

• где m - количество перетекающего адсорбента, кг/ч;

• S - площадь сечения нижнего отверстия трубки, м²;

• N - допускаемая максимальная загрузка трубки сорбентом, м³/м²·ч, принимаемая по опытным данным.

При локальной очистке сточных вод регенерацию адсорбента осуществляют с утилизацией извлеченных продуктов. Применяют следующие методы:

499

• десорбцию в потоке водяного пара или инертного газа с последующей конденсацией паров и разделением продуктов и водной части конденсата;

• обработку адсорбента растворами щелочей (для десорбции органических кислот и фенолов);

• обработку кислотами (соляную кислоту иногда применяют для десорбции органических оснований);

• обработку органическими растворителями с последующей отгонкой растворителя паром.

Для повышения эффективности регенерации раствора щелочи применяют нагрев до 60 - 80°С. После пропитки щелочью угля, насыщенного фенолами, их производными или кислотами, десорбированные фенолы и соли органических кислот отмывают несколькими объемами горячей воды, затем угольный фильтр промывают слабым раствором кислоты пока рН промывных вод не упадет до 4 - 6 (при адсорбции фенолов) и до 3 - 4 (при адсорбции органических кислот).

Широко применяется прямая отгонка адсорбированных веществ из активного угля и десорбция фенолятов щелочью. Технически целесообразно применять отгонку адсорбированных продуктов водяным паром, если объем его конденсата < 5% объема очищенных сточных вод.

Для регенерации адсорбентов после очистки сточных вод перед подпиткой оборотных систем применяются термические методы: прокаливание при ограниченном доступе воздуха (t = 450 - 650°С) и без доступа воздуха в атмосфере водяного пара (t < 750°C). Потери адсорбента при этом составляют 5 - 10 % за регенерацию.

Уголь выгружается из колонны (адсорбционных фильтров) гидравлически, отделяется от воды на сетках и загружается в печь для прокаливания (рис. 13.12).

Рис. 13.12. Схема адсорбционной очистки в псевдоожиженном слое активированного угля с непрерывной термической его регенерацией: 1 - блок предварительной очистки; 2 - угольные фильтры; 3 - бункер активированного угля на регенерацию; 4 - шнек для транспортирования угля с удалением из него воды; 5 - печь для прокаливания; 6 - промежуточный бункер; 7 - бак для охлаждения угля; 8 - камера обдувки

500

Для обезвоживания применяются также наклонные сита или ленточные вакуум-фильтры (функции угля 0,25 -1,5 мм). Регенераторы представляют собой многополочные шахтные установки, в которых уголь находится в псевдоожиженном слое под напором водяного пара и продуктов горения топлива. Уголь поступает в установку и выгружается из нее непрерывно. Продолжительность регенерации 10 - 20 мин.

Межрегенерационный период работы гранулированного активированного угля может быть резко увеличен, если воду перед фильтрованием через уголь обработать окислителем. В этом случае уголь выступает в качестве катализатора окисления, значительно повышая глубину и скорость этого процесса, а продукты окисления лучше сорбируются на угле. В зависимости от качества обрабатываемой воды, состава и типов локальных очистных сооружений могут использоваться различные технические решения использования сорбционного или окислительно-сорбционного метода очистки. Во всех случаях необходимо обеспечить высокую степень предварительного осветления воды до поступания ее на адсорбционную очистку. Содержание взвешенных веществ должно быть не более 10 мг/л.

501

13.5.4. Эвапорация и азеотропная отгонка растворенных загрязнений

Многие органические вещества, малорастворимые в воде, перегоняются с водяным паром. К ним, прежде всего, относятся углеводороды и их хлор- и нитропроизводные. На практике применяются пароциркуляционный метод и азеотропная ректификация, относящиеся к регенеративным методам очистки сточных вод и позволяющие извлекать и утилизировать загрязняющие компоненты производственных сточных вод.

Пароциркуляционный метод для удаления из сточных вод летучих веществ (фенолов, крезолов, ксиленолов, нафтолов, аммиака и др.) основан на нагревании сточной воды до 100°С и пропускании через нее перегретого насыщенного пара (рис. 13.13), который увлекает из сточных вод примеси (фенол, аммиак). Далее пар попадает в регенерационные колонны.. Его пропускают через нагретый до 100°С поглотитель (раствор щелочи), в который из пара удаляются загрязнения, а очищенный пар вновь направляется на очистку сточных вод. При нейтрализации щелочного раствора загрязнения выделяются из него отстаиванием.

Процесс осуществляется по методу противотока.

501

Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах с насадкой или непрерывно действующих дистилляционных колоннах.

Эвапорационная колонна имеет диаметр d= 0,8 - 3м; высоту Н = 6 - 12м. Плотность орошения до 3 м³/(м²·ч). Расход пара 0,5 - 1,5 кг/кг сточных вод. Процесс эвапорации характеризуется коэффициентом распределения

К = С₁/ С₂,

где C₁, C₂- концентрации загрязнений в паре и в воде в момент насыщения для аммиака К = 13; для фенола К = 2.

Рис. 13.13. Схема эвапорационной очистки сточных вод от фенолов пароциркуляционным методом: ЭК - эвапорационная колонна; РК - регенерационная колонна; В - вентилятор.

В тех случаях, когда органические вещества в смеси с водой образуют нераздельнокипящие (азеотропные) смеси с температурой кипения существенно более низкой, чем температура кипения чистых веществ, это свойство используется для повышения экономичности очистки сточных вод путем отгонки из них азеотропной смеси, богатой органическим компонентом.

Схема азеотропной отгонки органических загрязнений сточных вод показана на рис.13.14.

Из приемного резервуара насосом вода через теплообменник-конденсатор и последовательно с ним включенный второй теплообменник поступает в ректификационную колонну, загруженную кольцами Рашига. В нижнюю часть колонны подается острый пар для отгонки органических компонентов сточных вод. Очищенная вода из нижней части колонны при температуре около 100°С забирается насосом и подается в теплообменник, где отдает исходной сточной воде избыточное тепло, после чего сбрасывается в коллектор очищенных стоков и направляется повторно в производство или на централизованные сооружения очистки

502

общезаводских сбросных вод. В верхней части отпарной колонны смесь паров азеотропа и воды проходит через теплообменники-конденсаторы, в которых охлаждается и конденсируется. Конденсат из теплообменника поступает в сепаратор для разделения органической и водной фаз. Органическая фаза - жидкий азеотроп - поступает на утилизацию, а водная фаза, представляющая собой насыщенный раствор извлекаемого из стоков продукта, отводится в приемный резервуар, где смешивается со сточной водой, поступающей на очистку.

Рис. 13.14. Схема установки для азеотропной отгонки летучих органических веществ из сточных вод: 1 - приемный резервуар; 2 - отстойник-сепаратор; 3 - теплообменники; 4 - отгонная колонна; 5 - насосы; I - исходная вода; II - очищенная вода; III - конденсат отгоняемого вещества

Установка азеотропной отгонки органических веществ из производственных сточных вод может быть частью более сложного комплекса сооружений, включающих адсорбционную очистку для извлечения остаточного количества органического компонента из воды, прошедшей очистку отгонкой паром, или же экстракционную очистку, когда растворимость органического продукта в воде настолько велика, что вода и органический компонент конденсата не разделяются в сепараторе, и для извлечения из конденсата органического вещества необходимо применять экстракцию.

Основные величины, определяющие процесс азеотропной отгонки, выражаются уравнением

С =

(PK - 1)Со

PKeX- 1

 , x =

ρ

b

 (1 -

1

PK

 )^σH,

• где С - концентрация загрязнений в очищенных сточных водах, г/л;

• Р - удельный расход пара на 1 кг сточных вод, кгм³/м²·ч; р=1 - 5, кг·м³/м²·ч;

• К - коэффициент распределения загрязнений между сточными водами и паром, зависящий от вида загрязнений и их концентрации;

503

• С_o- начальная концентрация загрязнений сточных вод, г/л;

• ρ - эмпирический коэффициент, определяемый лабораторным путем, м/ч;

• b - удельная поверхность насадки, м²/м³;

• σ - плотность орошения насадки, м³/м²;

• Н - высота насадки в колонне, м.

Основные размеры ректификационной колонны определяются в зависимости от выбора величин Р и а. При уменьшении удельного расхода пара увеличивается плотность орошения. Азеотропная отгонка применяется для очистки сточных вод, коксохимических и химических заводов, заводов синтетического каучука и др., содержащих хлорэтан, ароматические углеводороды, сложные эфиры, фенол, акрилонтрил, бутилацетат.

504

13.5.5. Термическая обработка сбросных вод

Термическая обработка сбросных вод применяется при ликвидации концентрированных сточных вод, характеризующихся высокими ХПК (> 40 г/л) и при содержании в воде биохимически устойчивых веществ, извлечение которых любым регенеративным способом экономически невыгодно. Препятствием для широкого применения термических методов обезвреживания сточных вод в промышленной практике является значительный расход тепловой энергии. Применяют следующие методы термической обработки сточных вод:

• парофазное окисление (сжигание);

• жидкофазное окисление (мокрое сжигание);

• парофазное каталитическое окисление.

Сжигание примесей сбросных вод, Заключается в том, что во время испарения сточных вод при высокой температуре (900 - 1000°С) все органические примеси полностью окисляются кислородом воздуха до конечных нетоксичных продуктов горения (СO₂, Н₂О, N₂). Эти вещества выбрасываются в атмосферу, а твердые минеральные компоненты получаются в пригодном для дальнейшей переработки виде и могут быть легко утилизированы или ликвидированы. Если содержание органических веществ обеспечивает теплотворную способность, достаточную для поддержания процесса горения (2000 ккал/кг), то сточная вода, распыленная в горячем топочном пространстве, будет гореть самостоятельно. В противном случае процесс горения поддерживается добавлением высококалорийного топлива.

Для реализации этого метода термической обработки применяются циклонные печи. Образующиеся в таких печах дымовые газы поступают в распылительную сушилку для выпарки сточных вод и используются для

504

плавления солей, поступающих в циклон из сушки. При плавлении солей, органические примеси в них выгорают. После охлаждения расплав солей выводят из установки для утилизации. Сточную воду вводят в камеру циклонной печи через тангенциально расположенные форсунки под давлением до 100 кг/см², что обеспечивает ее хорошее диспергирование.

Рис.13,15. Схема обезвреживания промышленных сточных вод с получением товарной соли: 1 - мокрый скруббер; 2 - дымосос; 3 - емкость с мешалкой; 4 - циклон; 5 - форсунка; 6 - распылительная сушилка; 7 - мазутная форсунка; 8 - циклонная печь; 9 - охладитель расплава соли; 10 -- пневмотранспорт; 11 - турбоэксгаустер; 12 - емкость для нейтрализации сточной воды; 13 - насос; 14 - выпарная установка

По схеме обезвреживания стоков (рис. 13.15) их предварительно нейтрализуют и упаривают до насыщения, что экономически более выгодно, т.к. выпарные аппараты имеют более высокий съем влаги с 1 м³по сравнению с сушильными установками. При наличии пара применяют многокорпусные выпарные аппараты, а при использовании мазута или газа другие их конструкции.

После упарки стоки подаются в мокрый скруббер, предназначенный для очистки от пыли газов из сушилки. Затем через распылительные форсунки упаренные стоки подаются в сушилку, где раствор выпаривают до влажности 1 - 4%.

Сухой продукт, содержащий соли и органические вещества пневмотранспортом подают в циклонную печь, где и происходит процесс выжигания органических веществ при температуре 900 - 1000°С. Затем газы направляются в нижнюю часть распылительной сушилки, а прокаленные соли поступают в охладитель и далее на упаковку. Охлаждающиеся до 120 - 140°С газы из сушилки нагнетаются в скруббер,

505

который является окончательной ступенью очистки газов. Пыль из циклонов пневмотранспортом подают в циклонную печь.

Жидкофазное окисление. Заключается в деструктивном окислении растворенных и взвешенных органических примесей сточных вод кислородом растворенного под давлением около 150 кг/см²воздуха при температуре 200 - 350°С. При таком давлении растворимость кислорода достигает 2000 мг/л.

При содержании органических загрязнений более 6% и теплотворной способности их (около 7000 ккал/кг) количество тепла, выделяющегося при окислении органических веществ, достаточно для подержания температуры процесса на заданном уровне. Возможны различные схемы организации процесса. Сточная вода может предварительно нагреваться в теплообменнике до 150°С и под давлением 150 кг/см²подаваться в камеру сжигания, куда из компрессора поступает сжатый воздух с температурой 250°С. Органические вещества окисляются в камере сжигания с образованием парогазовой смеси и золы. В циклоне смесь очищают от золы и подают в паропреобразователь, где первичный пар конденсируется, в результате чего получают вторичный пар более низких параметров. Конденсат отделяют от газа. Далее газ направляют в газовую турбину для получения электроэнергии, а конденсат возвращают в паропреобразователь, где получают вторичный пар, используемый в паровой турбине. Этот метод экономичнее метода сжигания при невысокой стоимости электроэнергии и может применяться для сточных вод с ХПК ≤ 100 г/л. В установках жидкофазного окисления с повышением температуры резко уменьшается растворимость СаСО₃и CaSO₄, поэтому даже при невысокой минерализации воды надо принимать меры для предотвращения отложений этих солей. Продукты окисления имеют кислотные свойства, поэтому необходимо предусматривать защиту материалов установки и оборудования от коррозии.

Каталитическое окисление. Этот метод применяется при очистке сточных вод, загрязненных летучими органическими веществами и заключается в каталитическом окислении органических веществ кислородом воздуха в парогазовой фазе. По этому методу сточная вода подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических веществ, а также газы и воздух подогреваются до 300°С, а затем смесь подается в контактный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь охлаждается и образующийся конденсат используется в производстве. Метод каталитического окисления применяются при небольших расходных высококонцентрированных сточных вод.

Конденсат водяного пара, очищенного этим способом, загрязнен незначительно, что дает возможность использовать его в схеме оборотного водоснабжения.

506

Принципиальная схема обезвреживания сточных вод каталитическим окислением (рис. 13.16) состоит в предварительном упаривании в выпарном аппарате; кубовый остаток при 80°С через форсунку подается на сжигание в печь. Продукты сгорания из печи поступают в котел -утилизатор, после чего выбрасываются в атмосферу. Пар, полученный в котле, используется в выпарном аппарате. Пары воды и летучих органических продуктов, выходя из выпарного аппарата, смешиваются с частью дымовых газов из печи, нагреваются ими до 300 °С и поступают в контактный аппарат, после чего выбрасываются в атмосферу или используются для получения горячей воды в отопительных системах. Степень окисления органических веществ зависит от температуры контактирования и избытка воздуха, необходимого для окисления органических соединений. В качестве окислителя может быть использован технический кислород.

Рис.13.16.Схема обезвреживания сточных вод методом каталитического окисления: 1 - резервуар для сточных вод; 2 - насос; 3 - резервуар кубового остатка; 4 - выпарной аппарат; 5 - контактный аппарат; 6 - печь для сжигания кубового остатка; 7 - котел -утилизатор

507

13.6. Доочистка очищенных сбросных вод, используемых для подпитки замкнутых оборотных систем водоснабжения

В замкнутых системах водоснабжения сточные воды всех производств, за исключением используемых повторно, после локальных очистных установок, а также из отдельных цехов, где локальная очистка сточных вод не производится, поступают на общезаводские сооружения для усреднения состава, нейтрализации и осветления с целью их дальнейшей доочистки и использования для подпитки систем водоснабжения предприятия. Универсальным методом доочистки общезаводских сточных вод от органических загрязнений в смеси с бытовыми сточными водами является биологический метод.

507

Химический состав и свойства общезаводского стока зависят от условий его формирования и специфики производства.

Кислотность (или щелочность) смеси сточных вод нередко достигает 300 - 500 мг-экв/л.

В большинстве случаев стоки имеют кислую реакцию (рН = 1 - 5). Они усредняются и нейтрализуются реагентным методом. Для нейтрализации кислых стоков чаще всего используется известь. Для нейтрализации щелочных стоков используется серная кислота. Нейтрализованные сточные воды осветляются в отстойниках. Для интенсификации процесса отстаивания применяются минеральные или органические флокулянты. Наиболее распространенным флокулянтом является полиакриламид (ПАА). Доза флокулянтов составляет 20 - 50 г на 1 т сухого вещества взвесей сточных вод. Полиакриламид растворяют в горячей воде в растворных баках с мешалками (концентрация примерно 10%), доводят в расходных баках до расчетной концентрации и дозируют в виде 0,01 % раствора. Образующийся в отстойниках шлам поступает на механическое обезвоживание.

После нейтрализации сточная вода, содержащая органические вещества, направляется на биологическую очистку. Характеристикой глубины распада органических соединений при биологической очистке сточных вод является отношение БПК/ХПК. Удовлетворительно окисляются биохимические вещества у которых БПК/ХПК ≥ 0,6.

Почти все органические вещества способны разрушаться бактериями. При помощи биохимических методов очистки происходит наиболее полная очистка производственных сточных вод, содержащих растворенные и коллоидные загрязнения. Чаще всего применяется аэробная очистка в аэротенках различных конструкций и анаэробная очистка в метантенках при большой концентрации органических загрязнений (>30 г/л).

Производственные сточные воды, направляемые на биологическую очистку, должны удовлетворять определенным требованиям:

• в них должны содержаться растворенные и коллоидные органические загрязнения;

• вода должна содержать необходимое количестве биогенных элементов (азот, фосфор, калий и др.);

• БПК₂₀сточных вод не должно быть очень большим (БПК₂₀≤ 1000 мг/л);

• оптимальное рН=7 - 9 (допускается рН=6,5 - 9);

• содержание взвешенных веществ ≤ 150 мг/л;

• температура сточных вод 6 - 30°С (оптимальная 20°С);

508

• сточные воды не должны содержать ядовитых веществ в концентрациях выше допустимых (например, свинец ≤ 5 мг/л: медь ≤ 10 мг/л);

• общее солесодержание воды должно быть < 10 г/л.

В необходимых случаях для соблюдения этих требований стоки подвергаются предварительной специальной обработке механическими, физико-химическими и другими способами для снижения концентрации вредных и ядовитых веществ, ВПК, изменения рН среды, охлаждения.

Для снижения ВПК применяется также разбавление производственных сточных вод. Для повышения эффективности очистки к ним добавляются бытовые сточные воды с площадки промышленного предприятия.

Бытовые стоки содержат все необходимые биогенные вещества и их всегда рекомендуется добавлять к производственным сточным водам для обеспечения нормальной жизнедеятельности бактерий, особенно в пусковой период.

При отсутствии бытовых сточных вод в производственные сточные воды добавляют:

• удобрения в виде порошка или растворов (суперфосфат и др.);

• измельченный бытовой мусор.

В качестве основных сооружений для биохимической очистки производственных сточных вод применяют те же, что и при очистке бытовых сточных вод (аэротенки, высоконагружаемые биофильтры, поля фильтрации, биопруды и т.д.).

Если БПК₂₀< 500 мг/л, применяют обычные азротенки-вытеснители, а при БПК₂₀> 500 мг/л - аэротенки-смесители.

Технологическая схема очистки общезаводского стока сводится к следующим этапам. Прошедшие предочистку нейтрализованные стоки смешиваются с бытовыми сточными водами после их механической очистки и направляются в аэротенки для биохимического окисления растворенных в них органических веществ микроорганизмами активного ила. При расчете аэротенков необходимо учитывать особенности биохимического окисления смеси производственных сточных вод и снижение скорости их окисления по сравнению с бытовыми.

Из аэротенков сточная вода направляется во вторичные отстойники, где активный ил отстаивается, а вода осветляется, обеззараживается и , как правило, направляется на третичную очистку.

Кроме биологической очистки общезаводского стока может осуществляться также физико-химическая очистка этого стока реагентами с применением коагулянтов, флокулянтов и извести.

509

Образующиеся на разных этапах очистки сточных вод осадки обрабатываются известными способами (сбраживание, обезвоживание, сушка, утилизация).

Промышленные сточные воды после биологической очистки, осуществляемой раздельно или совместно с очисткой бытовых стоков, можно использовать на предприятиях повторно в тех же условиях, что и городские биологически очищенные воды. Промышленные сточные воды, содержащие токсичные либо биохимически устойчивые загрязнения, можно очищать непосредственно физико-химическими методами, минуя стадию биологической очистки.

В ряде случаев целесообразна замена биологических методов очистки городских и особенно промышленных сточных вод физико-химическими, преимущественно адсорбционными методами, обеспечивающими более глубокое удаление органических загрязнений из воды.

Этому в значительной мере способствует появление модифицированных активных углей и синтетических адсорбентов, благодаря которым адсорбционная очистка сточных вод оказывается более эффективной не только в техническом, но и в экономическом отношении.

Таблица 13.3.

Эффективность различных методов очистки промышленных сточных вод

Метод очистки	Удаляемые примеси	Эффект очистки, % (ориентировочный)
Биохимический	Органические соединения Взвешенные вещества	90 (по ВПК) 85-90
Анаэробная денитрификация	Органические соединения	90 (по ВПК)
Отгонка аммиака	Аммоний	80 - 95 (по азоту)
Ионообмен	Азот- и фосфоросодержащие соединения	80 - 92 ( по азоту)
Электродиализ	Растворенные вещества	10-40
Адсорбция углем	Органические соединения	90-98
Фильтрация	Взвешенные вещества	50-90
Обратный осмос	Растворенные вещества	65-95
Дистилляция	Тоже	90-98

При использовании промышленных сточных вод после биологической очистки либо биологически очищенной смеси промышленных и бытовых стоков они должны быть безопасны в

510

санитарном отношении, для чего подвергаются хлорированию. В случае физико-химической очистки промышленных сточных вод, в которые бытовые стоки не попадают (раздельная канализация), обеззараживание очищенной воды не требуется и область применения ее определяется минеральным составом, а также характером и остаточной концентрацией растворенных органических веществ.

Качество воды после биологической очистки позволяет использовать ее без дальнейшей обработки лишь для немногих целей (см. п. 12). В большинстве же случаев биологически очищенные сточные воды являются лишь исходным сырьем для подготовки технической воды на установках, в которых используются в различных сочетаниях физико-химические методы удаления из воды органических веществ, корректировки солевого состава и более или менее глубокого обессоливания.

Каждая из категорий технической воды требует различной степени доочистки биологически очищенных сточных вод. Возможности повторного использования их на предприятиях разных отраслей промышленности неодинаковы и в соответствии с этим может существенно различаться необходимая степень сложности дополнительной очистки и подготовки воды для технических нужд.

Наиболее перспективными методами доочистки являются:

• фильтрование;

• реагентная обработка;

• адсорбция на активированных углях;

• ионный обмен.

Одним каким- либо методом невозможно обеспечить требуемое качество очистки сбросной воды для ее повторного использования в замкнутых системах. Для глубокой очистки сточных вод (рис. 13.17) используются комбинации различных способов в зависимости от предъявляемых требований и местных условий. Однако для некоторых технологических процессов отдельные методы доочистки могут оказаться достаточными.

Рис. 13.17. Схема глубокой очистки сточных вод с использованием адсорбционных методов удаления органических загрязнений: МО - механическая очистка; БО - биологическая очистка; ОР - обработка реагентами (известь, коагулянты, флокулянты); УФА - удаление фосфора и азота (отстаивание + аэрация); РК - рекарбонизация; Ф - фильтрация; АД - адсорбция; СД - дезинфекция; РАД - регенерация адсорбента

511

Фильтрование. Фильтрование наиболее часто применяется для доочистки биологически очищенных сточных вод (см. п. 12). При этом происходит удаление взвешенных веществ, также частиц активного ила, выносимого из вторичных отстойников. Однако простым фильтрованием из сточной воды нельзя удалить коллоидные и тем более растворенные загрязнения. В системах технического водоснабжения доочищенные таким способом сточные воды находят ограниченное применение. Для подпитки замкнутых беспродувочных систем оборотного водоснабжения они непригодны.

Реагентная обработка. Реагентная обработка расширяет область возможного использования доочищенной воды. При реагентной обработке биологически очищенных сточных вод осуществляется введение реагентов, отстаивание и фильтрование. При этом наряду со взвесями из воды удаляются органические коллоиды, ПАВ и фосфаты. В качестве коагулянтов используются: сульфат алюминия, хлорид железа, известь, полиэлектролиты. Для интенсификации процесса променяются флокулянты. Вид применяемых реагентов и их дозы зависят от свойств и характера загрязнений. Применяемые технологические схемы и сооружения аналогичны применяемым на водопроводных фильтрованных станциях.

При дозах коагулянтов 50 - 150 г/м³удаляется до 90 % фосфатов, при снижении ВПК до 85 % и ХПК на 40 - 70 %. При значительном присутствии в общем стоке предприятия промышленных сточных вод коагулирование может оказаться неэффективным. Кроме того в бессточных системах водоснабжения предприятий применение коагулянтов связано с необходимостью утилизации образующихся шламов, их ликвидации или регенерации из них коагулянтов, а также приводит к увеличению минерализации очищенной воды.

Адсорбционная доочистка. Адсорбционная доочистка с использованием активированных углей широко применяется в технологии очистки сточных вод, является весьма перспективным методом, позволяющем извлекать из воды многие органические вещества, в том числе биологически жесткие, не удаляемые другими методами. Регенерация отработанного активированного угля не дает вредных отходов, а в ряде случаев обеспечивает возможность для извлечения ценных продуктов, адсорбированных из очищаемой воды. В технологических схемах глубокой очистки биологически очищенных сточных вод адсорбционная доочистка осуществляется на заключительном

512

этапе (см. рис. 13.17), где из воды извлекаются остаточные концентрации растворенных органических загрязнений.

Применяются адсорбционные аппараты с движущимся слоем, неподвижным или псевдоожиженном слоем, а также установки использующие порошкообразный активированный уголь.

Качество воды, прошедшей адсорбионную доочистку (табл. 13.4), обеспечивает возможность использования ее для ряда производственных целей и подпитки систем оборотного водоснабжения.

Однако применяемые сложные схемы глубокой очистки сточных вод с использованием на завершающей стадии адсорбции загрязнений обеспечивают лишь получение воды, свободной от биогенных элементов и растворенных органических загрязнений. Корректировка сложного состава сточных вод ограничивается умягчением известью и, следовательно, позволяет только частично снизить карбонатную и магниевую жесткость. Обессоливание воды при такой схеме очистки не обеспечивается (см. табл. 13.4),

Таблица 13.4.

Эффективность адсорбционной доочистки сточных вод

Показатели качества	Исходная вода	Очищенная вода
РН	6,5 - 7,8	6,5 - 7,8
Взвешенные вещества, г/м3	15-30	0,9-1,0
ВПК, гО2/м3	30-80	1,0-2,0
ХПК, гО2/м3	60-140	10-20
Общее солесодержание, г/м3	700-1300	700-1300
Нитраты (по азоту), г/м3	25-25	0,5-1,0
Фосфаты (по РО3-4), г/м3	61,5-76,5	0,18-0,61
Бактерии (Coli) в 100 мл	150·103-200·103	2-4

В обычных оборотных системах солевой баланс поддерживается продувкой части оборотной воды, что для замкнутых систем оборотного водоснабжения неприемлемо. Устранить продувочный сброс воды из оборотных систем, а также получить техническую воду, пригодную для любых производственных целей, позволяет совместная адсорбционно-ионообменная доочистка сточных вод.

Ионный обмен. Ионный обмен является единственным способом доочистки сточных вод, позволяющим обеспечить корректировку ионного состава и общего солесодержания воды. Предварительно сточная вода проходит сооружения механической, биологической и адсорбционной очистки (рис. 13.18).

513

Рис. 13.18. Схема адсорбционно-ионообменной очистки сточных вод: МО - механическая очистка; БО - биологическая очистка; АД - адсорбционная очистка; Ф-фильтрация; ИО - ионный обмен; СД - дезинфекция; РАД - регенерация адсорбента; ПУ - производство удобрений; РИ - регенерация ионитов

Схема предусматривает на заключительной стадии применение адсорбционной очистки сточных вод (рис. 13.19) с использованием активированного угля в аппаратах с псевдоожиженным слоем сорбента, удалением из очищенной воды пыли активированного угля и других взвешенных веществ отстаиванием и фильтрованием, Н-катионирование адсорбционно очищенной воды для удаления из нее катионов жесткости, отдувку диоксида углерода из Н-катионированной воды в дегазаторах, ОН - анионирование воды для извлечения анионов сульфатов, фосфатов, хлоридов и нейтрализации кислотности Н-катионированной воды.

В случае многократной термической регенерации активированного угля и применения концентрированной азотной кислоты (25%) и аммиака (10 - 12%) вместо разбавленных растворов серной кислоты и едкого натра для регенерации ионообменных фильтров, позволяет обеспечить безотходность процесса и утилизировать отработанные регенерационные растворы в виде жидких или гранулированных азотных удобрений.

Загрязненные сточные воды, представляющие собой смесь биологически очищенных и слабо минерализованных промышленных сточных вод, поступают в приемные резервуары. Из резервуаров сточная вода насосами подается в адсорбционные аппараты снизу, равномерно распределяется по сечению колонны с помощь блока решеток и проходит через слой активного угля, поддерживая его в псевдоожиженном состоянии. В качестве адсорбента на установке используется активированный антрацит с частицами размером 0,2 - 1,0 мм. Скорость движения восходящего потока жидкости, необходимого для взвешивания частиц адсорбента, находится в пределах 13-15 м/ч. Очищенная вода отводится через водосборное устройство в верхней части аппарата.

Активированный антрацит от регенерационных установок по системе пневмовакуумтранспорта подается в бункеры, установленные над каждой адсорбционной колонной, и откуда через питатель дозируется в аппарат сверху. Отработанный активированный антрацит непрерывно выводится эрлифтом из придонной зоны аппарата в виде суспензии 30 -

514

40 % концентрации в количестве, экивалентном поступающему в адсорбер из бункера сверху. Этим обеспечивается непрерывное противоточное движение адсорбента через колонну, которое можно ускорить или замедлить в зависимости от степени загрязнения воды, поступающей в аппарат с тем, чтобы величина ХПК очищенной воды на выходе из колонный была постоянной.

Вода, выходящая из аппарата, выносит с собой пыль активного угля (частицы менее 0,1 мм) в количестве, не превышающем 2 - 3% от дозы вводимого адсорбента. Поэтому после адсорбционных аппаратов вода поступает в отстойник, рассчитанный на осаждение частиц крупнее 50 мкм, а затем фильтруется через скорые многослойные напорные фильтры, загруженные антрацитом (1,0 - 3,0 мм) и кварцевым песком (0,8 - 1,2 мм). Фильтрат с содержанием взвешенных веществ менее 5 - 8 г/м³направляется на установку ионообменного обессоливания, а отработанный активный антрацит отделяется от воды на ленточных вакуум-фильтрах до 20 - 25 %-ной влажности и шнеками подается в печь для термической регенерации.

Рис. 13.19. Схема адсорбционной очистки сточных вод: 1 - приемный резервуар; 2- насос; 3 - адсорбер; 4 - эрлифт; 5 - отстойник; 6 -приемный резервуар осветленной воды; 7 - скорый многослойный фильтр; 8 -резервуар промывной воды; 9 - загрузочный бункер активированного угля; 10 -рукавные фильтры; 11 - ленточный вакуум- транспортер; 12 - реверсивный транспортер; 13 - шнековый питатель; I- подача сточной воды; II - подача осадка на сжигание; III - трубопровод очищенной воды; IV - отвод промывных вод; V -воздухопровод к вакуум-насосу; VI - линия вакуумного транспорта активированного угля; VII - подача угля на регенерацию

Регенерация отработанного угля производится при 800°С в печах с псевдоожиженным слоем (одна рабочая, другая резервная) за счет избытка тепла и пара, поступающего с отходящими газами установки для активизации антрацита, что удешевляет стоимость регенерации активированного угля.

515

В зависимости от марки, дисперсности используемого активного угля, аппаратурного оформления адсорбционной очистки воды и характера извлекаемых из стоков зафязнений технология регенерации отработанного адсорбента может быть различной.

Корректировка солевого состава сточной воды после адсорбционной очистки достигается последовательным H⁺- катионированием и ОН^--анионированием воды (рис. 13.20), на Н-катионитных фильтрах, загруженных сильнокислотным катионитом и ОН-анионитных фильтрах, загруженных слабоосновным анионитом.

При Н⁺-катионировании ионообменные фильтры выводят на регенерацию после повышения концентрации катионов кальция в обрабатываемой воде до 0,5 г-экв/м³. Для удаления свободного диоксида углерода из Н⁺-катионированной воды установлены дегазаторы, загруженные кольцами Рашига и работающие в условиях противотока воды и воздуха, нагнетаемого вентиляторами. Удельный расход воздуха, подаваемого в нижнюю часть дегазатора , составляет 20 -22 м³на 1 м³обрабатываемой воды. При этом дегазатор обеспечивает практически полное удаление диоксида углерода. Фильтрование декатионированной воды через ОН^--анионитный фильтр при одноступенчатой схеме деминерализации воды осуществляется до падения рН обессоленной воды ниже 6,5.

Рис. 13.20. Схема обессоливания доочищенных сточных вод: 1 - Н-катионитный фильтр; 2 - вентилятор: 3 - дегазатор; 4 - ОН-анионитный фильтр; 5 - насос; 6 - сборники регенерационнш растворов аммиака; 7 - сборники регенерационных растворов азотной кислоты; 8 - цех получения минеральных удобрений; I - подача доочищенных сточных вод; II - отвод обессоленной воды

Показатели исходной воды, представляющей собой смесь биологически очищенных и слабо минерализованных промышленных сточных вод, и качество ее доочистки на адсорбционно-ионообменной установке приведены в табл. 13.5.

Санитарные свойства доочищенной таким образом воды позволяют подавать её в систему оборотного водоснабжения без ее дополнительного обеззараживания.

В зависимости от характера и концентрации зафязнений в сточной воде, а также требований к качеству очищенной воды технологическая 516

516

схема адсорбционно-ионообменной доочистки сточных вод может претерпевать определенные дополнения и изменения на отдельных этапах обработки стоков. Это касается применяемых аппаратов, выбора адсорбентов и ионообменных смол, методов их регенерации, а также реагентов, используемых для регенерации ионитов. Так, использование в качестве адсорбента гранулированных активных углей с гранулами размером 1,5-4 мм делает целесообразным применение фильтрации через неподвижный слой активированного угля или через слой движущийся в колонне противотоком к направлению движения очищаемой воды. В такой схеме осветление и фильтрование воды производится до стадии адсорбции. При производительности сооружений > 1000 м /ч целесообразно применение порошкообразных активированных углей с частицами размером около 0,2 мм.

Таблица 13.5.

Эффективность адсорбционно-ионообменной доочистки сточных вод

Показатель качества воды	Вода, поступающая на установку	Вода после очистки
рН	7,8-9,6	6,8 - 7,5
Взвешенные вещества, г/м3	18-37	Следы
ХПК, г О2/м3	35-50	4-13
Общее солесодержание, г-экв/м3	1300-2300	500 - 680
Жесткость, г-экв/м3: общая	7,5 - 8,5	0,6 - 0,9
карбонатная	4,7-5,8	0,4-0,7
Содержание катионов и анионов, г/м3: натрий и калий	280-820	До 350
хлориды	420-1250	До 500
сульфаты	240-380	10-20
фосфаты (РО3-4)	6,7-13,5	0,2 - 0,5
аммиак и соли аммония (в пересчете на аммиак)	2,8 - 8,8	1,3-4,85

Переход к порошкообразным углям позволяет значительно сократить необходимое время контакта воды с адсорбентом и соответственно уменьшить объем адсорбционных сооружений.

Применение активированных порошкообразных углей, требует использования двух - пяти последовательно соединенных блоков,

517

состоящих из смесителя и отстойников, с противоточным перемещением адсорбента. Наиболее насыщенный загрязнениями адсорбент после контакта с исходной водой удаляется из отстойника I ступени по движению воды, обезвоживается на центрифуге и направляется на регенерацию. При использовании порошкообразных адсорбентов воду надо фильтровать для очистки от тонкой пыли, вынесенной из последнего отстойника.

Применение смесителей и отстойников позволяет использовать типовую аппаратуру водоочистных сооружений станций водоподготовки -железобетонные смесители с лопастными, пропеллерными или турбовинтовыми мешалками, вертикальные и радиальные отстойники, что значительно снижает металлоемкость оборудования адсорбционных станций.

В зависимости от требуемой глубины обессоливания может применяться одна или две ступени Н⁺- катионирования воды и одна или две ступени ОН^--анионирования. В последнем случае достигается практически полное выделение катионов жесткости и ионов щелочных металлов, а также анионов сульфатов и хлоридов и обеспечивается снижение солесодержания в очищенной сточной воде до 10 - 15 г/м³.

Выбор реагентов для регенерации ионообменных смол в значительной степени обусловлен возможностью использования отработанных регенерационных растворов.

Регенерация катионитных фильтров 1 ступени, насыщенных катионами кальция и магния, может производится с многократным использованием регенерационных растворов, из которых после каждой операции регенерации катионы жесткости осаждаются смесью соды и гидроксида натрия или карбоната аммония и аммиака. В этой схеме утилизируемыми продуктами являются осажденный карбонат кальция, сульфат натрия и сульфат аммония.

Доочищенные сбросные воды, направленные на повторное использование, должны отвечать требованиям санитарной безопасности и подлежат соответствующему контролю (см. п. 12,2).

518

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов Н.Н., Водоснабжение. 2-е изд.перераб.и доп.- М: Строийиздат, 1984.-480с.

2. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. - М.: Стройиздат, 1984.-272с.

3. Вахлер Л.Б. Водоснабжение и водоотведение на металлургических предприятиях. Справочник. - М.: "Металлургия", 1987.-320 с.

4. 4. Водный Кодекс Российской Федерации. Принят Государственной думой 18.10.1995 г//Российская газета от 23 ноября 1995.

5. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: в 3-х т.-т.1. Системы водоснабжения. Водозаборные сооружения/Под ред. докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г. -Вологда-Москва:ВоГТУ, 2001.-290 с.

6. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: в 3-х т. - т.2. Очистка и кондиционирование природной воды. Под ред. докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г.-Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001.-324 с.

7. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: В 3-х т. - т.З. Системы распределения и подачи воды/Под ред.докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г. -Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001.-188 с.

8. Дикаревский B.C., Караваев И.И. Водоохранные сооружений на железнодорожном транспорте. -М.: Транспорт, 1986.-211 с.

9. Дикаревский B.C., Павлова Н.Н. Водоснабжение, водоотведение и очистка сточных вод дезинфекционно-промывочных станций и пунктов на железных дорогах: учебное пособие.-СПб.:ПГУПС, 1998.-60 с.

10. Дикаревский B.C. и др. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте. Учеб.для ВУЗов ж.-д.трансп./В.С.Дикаревский, П.П.Якубчик, В.Г.Иванов, Е.Г.Петров.-М.:/ Издательская группа "Вариант", 1999.-440 с.

11. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение.-М.: Стройиздат, 1987.-297с.

12. Иванов В.Г., Симонов Ю.М. Расчет и проектирование тонкослойных отстойников для очистки природных вод. -Л.:ЛИИЖТ, 1987.-36 с.

13. Иванов В.Г., Симонов Ю.М. Расчет и проектирование тонкослойных отстойников для очистки сточных вод.-Л.:ЛИИЖТ, 1985.-34 с.

14. Иванов В.Г.Семенов В.П., Симонов Ю.М. Применение тонкослойных отстойников в целлюлозно-бумажной промышленности.-М.: "Лесная промышленность", 1989.-175 с.

15. Кагановский A.M. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении.-М.:Химия, 1983.-288 с.

16. Копылов А.С., Верховский Е.И. Спецводоочистка на атомных электростанциях. Учебн.пособ.для СПТУ.-М.: Высшая школа, 1988.-208 с.

17. Кучеренко Д.И., Гладков В.А. Оборотное водоснабжение:/Системы водяного охлаждения/-М.: Стройиздат, 1980.-168 с.

529

18. Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения// Справочник. Изд.З-е.-Л.: Стройиздат, 1986.-440с.

19. Методические указания по проектированию очистных сооружений и оборотных систем водопользования для предприятий железнодорожного транспорта.-М.: МПС РФ, 1995.-152 с.

20. Методические рекомендации по расчету технико-экономических показателей и эколого-экономической оценке эффективности охлаждающих систем оборотного водоснабжения промпредприятий.-М.: ВНИИ ВО-ДГЕО, 1990.

21. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение/Учеб.для вузов.-М.: Стройиздат, 1995 .-688 с.

22. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод.-М.: Высшая школа, 1987.-479с.

23. Нормы водопотребления и водотведения в технологических процессах отрасли. ОН 016-01124328-2000.МПС РФ.-М.: Транспорт, 2000.-16 с.

24. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.С.Пономаренко.-М.: Энергоатомиздат, 1998.-376 с.

25. Пособие по проектированию градирен (к СниП 2.04.02.-84. Вдоснабже-ние.Наружние сети и сооружения) ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.-М.: ЦИТТ Госстроя СССР, 1989.

26. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения.-М.; Стройиздат, 198.-389с.

27. СниП.2.04.02-84*.Водоснабжение.Наружные сети и сооружения/Госстрой России.-М.: ГУП ЦПП, 1998.-128 с.

28. СниП 2.04.01-85*.Внутренний водопровод и канализация зданий/Госстрой России.-М.: ГУП ЦПП, 2000.

29. СниП.2.04.09.-84. Пожарная автоматика зданий и сооружений/Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.-24 с.

30. СниП 11.89.80 Проектирование генеральных планов промышленных предприятий М.: Стройиздат, 1981.

31. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий/Под ред.И.А.Назарова.-М.: Стройиздат, 1977.-429с.

32. Технические записки по проблемам воды: Пер.с англ, в 2-х т.Под ред.Т.А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой.-М.: Стройиздат, 1983.-607 с.

33. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности/СЭВ ВНИИ ВОДГЕО-М.: Стройиздат, 1978.-528с.

34. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебн.пособие для вузов.-М: Издательство МГУ, 2001.-680 с.

530