Автор: А.Е. Гинин (АО «Сорбент»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2015
Наличие оборотной системы водоснабжения является одним из важнейших показателей технического уровня промышленных предприятий. Внедрение систем оборотного водоснабжения позволяет резко снизить количество сбрасываемых сточных вод и уменьшить потребность в свежей воде, что дает существенный экономический и экологический эффект.
Оборотные системы водоснаб-жения широко используются в системах водяного охлаждения на предприятиях теплоэнергетического комплекса, химической и нефтехимической промышленности, а также на многих других производствах.
В настоящее время с эксплуатацией оборотных систем водоснабжения связаны четыре проблемы:
- коррозия;
- отложения и накипеобразование;
- загрязнение оборотной воды пылью, продуктами коррозии;
- микробиологическое загрязнение оборотной воды.
Модернизация существующих оборотных систем водоснабжения, включающая мероприятия, направленные на устранение перечисленных проблем, позволяет промышленным предприятиям получать значительный экономический эффект при минимальных затратах на модернизацию.
Если с проблемами коррозии, солеотложения и накипеобразования в настоящее время эффективно справляются путем добавления в оборотную воду различных ингибиторов, то загрязнение пылью и другими загрязняющими веществами, попадающими в оборотную воду через градирни, со свежей подпиточной водой и т.д., отрицательно сказывается на теплообменных аппаратах и прочем технологическом оборудовании, использующем оборотную воду для охлаждения.
Специалистами АО «Сорбент» были проведены обследования систем оборотного водоснабжения трех нефтехимических предприятий, расположенных в различных регионах России, с целью определить степень загрязнения оборотной воды взвешенными веществами, а также выявить их характеристики (общая масса взвешенных веществ в единице объема воды, фракционный состав и др.).
В результате обследования было установлено, что средняя масса взвешенных веществ в оборотной воде обследованных предприятий составила 40…60 мг/дм3.
Если общее количество частиц, содержащихся в оборотной воде, принять за 100%, то частиц, размер которых находится в диапазоне 5…10 мкм, окажется равным ~70%; частиц размером 10…50 мкм будет ~29,5%; ~0,5% придется на долю частиц размером более 50 мкм (рис. 1).
По результатам обследования были сделаны следующие выводы. Для повышения эффективности работы системы оборотного водоснабжения необходимо путем фильтрации воды снижать общее содержание взвешенных веществ до уровня, не превышающего 5 мг/дм3.
Фильтры в системе оборотного водоснабжения должны обладать характеристиками, позволяющими эффективно удалять частицы взвешенных веществ размером 5…10 мкм и при этом иметь максимально возможную производительность с минимальным расходом воды на технологические нужды (промывка фильтрующих материалов).
Ввиду отсутствия на рынке фильтров, полностью удовлетворяющих требованиям, сформированным в ходе обследования систем оборотного водоснабжения, специалистами АО «Сорбент» были проведены технологические изыскания, направленные на достижение требуемого качества фильтрации взвешенных частиц размером 5…10 мкм.
Следует отметить, что фильтрацию оборотной воды изначально производили с помощью однослойных скорых фильтров с параметрами фильтрации, рекомендованными в СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02–84». Однако в связи с тем, что требуемого качества фильтрации достичь не удалось, особенно по частицам взвешенных веществ размером 5…10 мкм, пришлось подбирать фильтрующий материал для увеличения эффективности процесса фильтрации. В результате продолжительной работы соответствующий материал был подобран, для него была определена оптимальная скорость фильтрации, установлены параметры промывки водой. Результаты подбора фильтрующего материала, скорости фильтрования и параметров промывки приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Скорости фильтрования при нормальном и форсированном режиме для выбранного материала загрузки фильтра
| Фильтр | Характеристика фильтрующего слоя | Скорость фильтрования, м/ч | ||||
| Материал загрузки | Эквивалентный диаметр зерен, мм | Коэффициент неоднородности загрузки | Высота слоя, м | При нормальном режиме vн | При форсированном режиме vф | |
| Однослойный скорый фильтр по результатам технологических изысканий | Кварцевый песок | 0,3…0,4 | 1,1…1,3 | 0,5…0,6 | 20 | 21 |
По результатам технологических изысканий специалистами АО «Сорбент» были разработаны системы боковой фильтрации для очистки оборотной воды. Суть боковой фильтрации заключается в том, что из общего потока оборотной воды отводится примерно 10% воды, которая фильтруется системой фильтрации, после чего отфильтрованная вода вновь возвращается в общий поток оборотного водоснабжения. В процессе цикла фильтрации качество оборотной воды в целом улучшается. Затем цикл фильтрации повторяется. С течением времени при условии непрерывной работы системы качество оборотной воды достигает требуемых параметров, а впоследствии поддерживается на необходимом уровне постоянно.
При создании систем боковой фильтрации были приняты следующие технические решения, которые применены на практике. 1. Для эффективной фильтрации взвешенных веществ размером 5…10 мкм был подобран фильтрующий материал. При подборе фильтрующего материала был сделан акцент на коэффициент однородности, эффективный размер и сферичность формы зерен материала, что позволило реализовать режим напорной фильтрации с частично поверхностным и частично с объемным режимом фильтрования через подобранный материал. Учитывая малый эффективный размер зерен материала (0,3… 0,4 мм), высота слоя загрузки была принята равной 500…600 мм, что позволило получить приемлемый уровень падения давления на фильтрующем материале при скорости фильтрации воды 20 м/ч. 2. Проведенные при разработке системы боковой фильтрации расчеты показали, что фильтрация воды через разработанные фильтры возможна за счет энергии воды в магистрали оборотного водоснабжения нефтехимического предприятия. Это позволило отказаться от применения дополнительного насосного оборудования для подачи воды на очистку, возврата воды в оборотную систему, подачи воды для организации промывки фильтров, что, в свою очередь, позволило отказаться также и от емкостного оборудования для накопления очищенной воды для промывки фильтров. Таким образом, выявилась высокая энергетическая эффективность системы боковой фильтрации, что обусловлено низким потреблением энергоресурсов. Для примера: установленная мощность приемников электроэнергии технологического оборудования системы боковой фильтрации производительностью 2 200 м3/ч составляет 5,5 кВт (25 Вт на 1 м3 очищаемой воды). 3. Системы боковой фильтрации рассчитаны на работу в составе достаточно большого числа фильтров, включенных по параллельной схеме. Увеличение числа фильтров позволило снизить их габаритные размеры и применить фильтры из композитных материалов.
В частности, для системы боковой фильтрации производительностью 2 200 м3/ч, потребовалось 52 фильтра с корпусом диаметром 1 600 мм, высотой 2 000 мм и площадью фильтрации 2 м2 (рис. 2), которые были размещены в здании размерами 40×15×9 м. 4. Системы боковой фильтрации имеют высокий уровень автоматизации, позволяющий системе работать в автоматическом режиме. Для этого системы боковой фильтрации оснащены следующим образом:
- каждый фильтр оснащен контроллерным блоком управления, позволяющим переключать фильтр из режима фильтрации в режим промывки и обратно;
- каждый блок управления фильтрами получает команды управления на переключение из режима фильтрации в режим промывки от центрального процессора, который анализирует множество параметров.
1 – контроллерный блок управления; 2 – коллектор подачи оборотной воды на очистку; 3 – диафрагменный клапан подачи оборотной воды на очистку; 4 – диафрагменный клапан сброса промывной воды в дренаж;
5 – дренажный коллектор; 6 – коллектор промывной воды;
7 – диафрагменный клапан подачи промывной воды; 8 – диафрагменный клапан подачи очищенной воды; 9 – коллектор очищенной оборотной воды;
10 – регулятор потока воды
Основным параметром для назначения промывок является перепад давления на каждом фильтре, характеризующий степень загрязненности фильтрующей загрузки. Анализируется перепад давления на каждом фильтре, и по этой информации процессор формирует так называемую очередь промывки. По достижении перепадом давления заданного значения выдается управляющий сигнал на выход того или иного фильтра в режим промывки. Алгоритмы управления построены таким образом, что одновременно в текущий момент может промываться ограниченное число фильтров (например, в системе боковой фильтрации из 52 фильтров может одновременно промывается не более 4 фильтров). 5. При скорости фильтрации 20 м/ч каждый фильтр обеспечивает производительность, в среднем равную 40 м3/ч по очищенной воде (рис. 3). Вода на фильтрацию поступает под давлением из магистрали оборотной воды.
Таблица 2
Параметры промывки водой выбранного материала загрузки фильтра
| Фильтр | Интен- сивность промывки, л/(с×м2) | Продол- жительность промывки, мин | Величина относительного расширения загрузки, % |
| Однослойный скорый фильтр по результатам технологических изысканий | 5 | 5 | 50 |
Для равномерного распределения воды между фильтрами на выходе каждого фильтра устанавливается регулятор потока воды. Промывка фильтров организуется в автоматическом режиме по перепаду давления на фильтрующей загрузке. Все фильтры подключаются к общему коллектору очищенной воды. Для промывки на очередной фильтр подается вода из коллектора очищенной воды под давлением, искусственно поддерживаемым в коллекторе. Цикл фильтрации каждого фильтра системы боковой фильтрации составляет в среднем 4 ч. Продолжительность промывки фильтра составляет 5 мин при интенсивности промывки 5 л/(с⋅м2). Общий расход воды на промывку фильтров не превышает 2,5–2,8% общего объема очищенной воды.
Принятые технические решения позволили получить высокую эффективность очистки оборотной воды, показанную в табл. 3.
Таблица 3
Эффективность очистки оборотной воды системой боковой фильтрации, разработанной для нефтехимических предприятий
| Размер взвешенных частиц по фракциям, мкм | Среднее число взвешенных частиц в 100 см3 оборотной воды за период испытаний | Эффективность очистки оборотной воды, % | |
| На входе системы боковой фильтрации | На выходе системы боковой фильтрации | ||
| 5…10 | 376 874 | 24 314 | 93,55 |
| 10…50 | 156 866 | 16 654 | 89,38 |
| 50…100 | 955 | 97 | 89,84 |
| 100…200 | 100 | 9 | 91,00 |
| Свыше 200 | 13 | 1 | 92,30 |
| Всего | 534 808 | 41 074 | 92,32 |
Эффективность очистки оборотной воды определяют, как отношение отфильтрованного количества взвешенных частиц к количеству взвешенных частиц на входе системы боковой фильтрации. Причем эффективность очистки оборотной воды определяют отдельно по фракциям взвешенных частиц, а также в целом – по общему количеству взвешенных частиц на входе и выходе системы. Количество взвешенных частиц определяют с помощью прибора контроля чистоты жидкости типа ПКЖ-904А.1, предназначенного для измерения количества частиц, содержащихся в контролируемом объеме жидкости, в диапазоне размеров 5…300 мкм. В табл. 3 приведены усредненные значения количества взвешенных частиц на входе и выходе системы боковой фильтрации и средней эффективности очистки оборотной воды за период наблюдения в ходе проведения пуско-наладочных работ. Данные табл. 3 являются объективными, поскольку они получены персоналом предприятия-заказчика выполненных работ по модернизации системы оборотного водоснабжения в лаборатории данного нефтехимического предприятия.
