/
Author: Иванов В.Г.
Tags: строительство инженерия водоснабжение инженерные системы зданий водопотребление водоподготовка
Year: 2003
Text
Иванов, В.Г. Водоснабжение промышленных предприятий.- Санкт-Петербург, 2003.- 537 с.
Гусаковский, В.Б. и др. Водоснабжение промышленных предприятий.- Санкт-Петербург, 2003.- 155
с.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
1.1. Классификация водопроводов по их назначению и зоне обслуживания 9
1.2. Основные категории водопотребления промышленных предприятий и их особенности 12
1.3. Системы общего водоснабжения промышленных предприятий 17
1.4. Системы производственного водоснабжения промышленных предприятий 23
1.4.1. Прямоточная система водоснабжения 24
1.4.2. Последовательная система водоснабжения с повторным использованием воды 25
1.4.3. Оборотная система водоснабжения 27
1.4.4. Замкнутая система производственного водоснабжения 31
1.5. Технико-экономическое обоснование выбора системы производственного водоснабжения
промышленного предприятия 33
1.6. Условия объединения промышленных и городских водопроводов. Регулирование
качества воды и свободных напоров для потребителей в промзоне 35
1.7. Источники производственного водоснабжения 38
2. СИСТЕМЫ И СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ 42
2.1. Теплообменные аппараты и холодильники 43
2.2. Классификация систем охлаждения. Водяное охлаждение холодной и горячей водой 44
2.3. Испарительное охлаждение 47
2.4. Технико-экономические показатели систем охлаждения 51
2.5. Основы расчета охлаждения промышленных агрегатов 53
3. РАСХОДЫ ВОДЫ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 56
3.1. Определение расходов воды на производственные нужды 57
3.2. Определение расходов воды при водяном и испарительном охлаждении 59
3.3. Определение расходов воды на хозяйственно-питьевые и противопожарные нужды 62
3.4. Водный баланс промышленного предприятия 64
4. ОХЛАЖДЕНИЕ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
4.1. Процессы охлаждения воды в охладителях 67
4.2. Основные качественные и количественные характеристики охладителей 70
4.3. Пруды-охладители
4.3.1. Устройство прудов-охладителей 71
4.3.2. Расчет прудов-охладителей 74
4.4. Брызгальные бассейны
4.4.1. Конструкция брызгальных бассейнов 77
4.4.2. Разбрызгивающие сопла 80
4.4.3. Расчет брызгальных бассейнов 82
4.5. Градирни
4.5.1. Классификация градирен 85
4.5.2. Распределители, оросители и водоуловители градирен 87
4.5.3. Конструкция градирен 102
4.5.4. Расчет градирен 117
4.6. Потери воды в охладителях 128
4.7. Выбор типа охладителя 130
4.8. Эксплуатация охладителей оборотной воды 135
5. ОСОБЕННОСТИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
5.1. Водоснабжение тепловых электростанций 138
5.2. Водоснабжение атомных электростанций 143
5.3. Водоснабжение предприятий черной металлургии 156
5.3.1. Рудники и обогатительные фабрики 157
5.3.2. Агломерационные фабрики 158
5.3.3. Металлургические комбинаты 160
5.3.4. Доменные цеха 163
5.3.5. Цеха очистки доменного цеха 169
5.3.6. Сталеплавильные цеха 170
5.3.7. Прокатные цеха 175
5.3.8. Коксохимические заводы 177
5.4. Водоснабжение нефтеперерабатывающих заводов, предприятий нефтехимической и
химической промышленности 181
5.5. Водоснабжение предприятий железнодорожного транспорта 186
5.6. Водоснабжение объектов строительства 196
6. ПРОТИВОПОЖАРНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
6.1. Назначение противопожарного водоснабжения и виды потребителей воды 199
6.2. Классификация и специальное оборудование противопожарных водопроводов 200
6.3. Устройство внутреннего противопожарного водоснабжения зданий 202
6.4. Расходы воды на пожаротушение 208
6.5. Водоснабжение стационарных установок водяного и пенного пожаротушения 212
6.6. Проектирование стационарных установок противопожарного водоснабжения 217
7. ОБРАБОТКА ВОДЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
7.1. Требования к качеству воды производственного назначения 233
7.2. Очистка воды от взвешенных веществ
7.2.1. Очистка воды отстаиванием 239
7.2.2. Очистка воды методом фильтрации 252
7.3. Дегазация воды
7.3.1. Сущность процесса и классификация применяемых методов дегазации 272
7.3.2. Физические методы дегазации воды. Конструкции дегазаторов 274
7.3.3. Химические способы дегазации воды 280
7.3.4. Удаление свободной углекислоты 283
7.3.5. Обескислороживание воды 288
7.3.6. Удаление сероводорода 291
7.3.7. Удаление метана 301
7.4. Умягчение воды 302
7.4.1. Термический метод умягчения воды 303
7.4.2. Реагентный метод умягчения воды 303
7.4.3. Ионообменный метод умягчения воды 308
7.4.4. Оборудование катионитных установок 317
7.4.5. Расчет катионитных умягчительных установок 322
7.4.6. Расчет катионитных установок 325
7.5. Обессоливание и опреснение воды 330
7.5.1. Ионообменный метод обессоливания и опреснения воды 331
7.5.2. Термическое обессоливание воды 336
7.5.3. Обессоливание воды электродиализом 340
7.5.4. Обессоливание воды обратным осмосом 343
7.5.5. Опреснение воды замораживанием 348
7.6. Удаление кремниевой кислоты 349
7.7. Обработка конденсата теплосиловых станций 353
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 360
8.2. Стабилизационная обработка воды для предотвращения коррозии 366
8.3. Стабилизационная обработка воды для предотвращения отложений карбоната кальция 370
9. ОБРАБОТКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ
9.1. Водный и тепловой режим систем оборотного водоснабжения 372
9.2. Причины и виды зарастания труб и охлаждающих аппаратов 374
9.3. Обработка охлаждающей воды для предупреждения биологических обрастаний 380
9.4. Обработка охлаждающей воды для предотвращения карбонатных отложений 384
9.4.1. Освежение оборотной воды 385
9.4.2. Подкисление оборотной воды 388
9.4.3. Фосфатирование оборотной воды 389
9.4.4. Умягчение воды 392
9.4.5. Рекарбонизация воды 395
9.4.6. Магнитная и другие виды специальной обработки воды 398
9.5. Борьба с коррозией и коррозионными отложениями в системах охлаждения 402
10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДООЧИСТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРОМЫШЛЕННОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
10.1. Размещение в промышленном узле, генплан и высотная схема водоочистных
сооружений 406
10.2. Основные принципы компоновки станций осветления, умягчения и обессоливания воды 413
10.3. Применение современных конструкций сооружений водоподготовки и автоматизация их
работы, основные мероприятия по технике безопасности 425
11. МЕТОДЫ И СООРУЖЕНИЯ ПО ОБРАБОТКЕ И УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ
11.1. Классификация осадков, их свойства и способы обработки 431
11.2. Обезвоживание осадков в естественных условиях 435
11.3. Механическое обезвоживание осадков 439
11.4. Обработка осадков станций водоподготовки с одновременной регенерацией коагулянта 441
12. УСЛОВИЯ МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ И
ОЧИЩЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ПРОМЫШЛЕННОМ ВОДОСНАБЖЕНИИ
12.1. Требования к качеству оборотной и добавочной воды для теплообмеыыых,
технологических и энергетических процессов 444
12.2. Использование очищенных бытовых и городских сточных вод для подпитки оборотных
систем производственного водоснабжения
12.2.1. Требования к качеству очищенных сточных вод 452
12.2.2. Схемы и методы доочистки городских сточных вод, используемых для подпитки
оборотных систем водоснабжения 453
12.2.3. Санитарно-гигиеническая надежность использования городских сточных вод в
системах оборотного водоснабжения 463
13. ОЧИСТКА СБРОСНЫХ ВОД В ЗАМКНУТЫХ ОБОРОТНЫХ СИСТЕМАХ
ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
13.1. Характеристика примесей сбросных вод 467
13.2. Формирование солевого состава воды в оборотных системах водоснабжения и
стабилизация ионного состава оборотной воды 470
13.3. Осветление подпиточной воды и стабилизационного расхода 473
13.4. Ионообменная корректировка очищенных сбросных вод и стабилизационного расхода
перед подпиткой замкнутых оборотных систем 476
13.5. Локальные установки и их роль в общей системе водоочистки промышленного
предприятия 482
13.5.1. Коагуляция и флокуляция примесей сбросных вод 483
13.5.2. Экстракционная очистка сбросных вод 487
13.5.3. Адсорбционная очистка сбросных вод 492
13.5.4. Эвапорационная и азеотропная отгонка растворенных загрязнений 501
13.5.5. Термическая обработка сбросных вод 504
13.6. Доочистка очищенных сбросных вод, используемых для подпитки замкнутых оборотных
систем водоснабжения 507
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 519
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 523
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 525
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 529
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3_
Введение .5
Глава 1. Водопотребление на промышленных предприятиях 8
Глава 2. Основные схемы систем производственного водоснабжения 14
Глава 3. Водный баланс в системах оборотного водоснабжения 21
Глава 4. Общие принципы проектирования систем производственного водоснабжения 26
Глава 5. Охлаждающие устройства систем оборотного водоснабжения
5.1. Общие положения 27
5.2. Системы водяного охлаждения 29
5.2.1. Теплообмен в испарительных охладителях 30
5.2.2. Водохранилища- и пруды-охладители 35
5.2.3. Брызгальные бассейны 36
5.2.4. Градирни 42
5.2.5. Эжекционные охладители 55
5.3. Испарительное охлаждение 56
5.4. Воздушное и воздушно-испарительное охлаждение 58
Глава 6. Особенности подготовки воды для целей производственного водоснабжения
6.1. Общие положения 60
6.2. Осветление воды для целей производственного водоснабжения
6.2.1. Сетчатые установки 61
6.2.2. Гидроциклоны 68
6.2.3. Отстойники 73
6.2.4. Напорные зернистые фильтры 76
6.2.5. Автоматические сверхскоростные фильтровальные станции 82
Глава 7. Обработка воды в оборотных системах производственного водоснабжения
7.1. Обработка охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения 95
7.2. Обработка сточных вод при создании оборотных и замкнутых систем водоснабжения 101
Глава 8. Пример разработки проекта производственного водоснабжения промышленного
предприятия 108
8.1. Анализ исходных данных и разработка вариантов систем водоснабжения 111
8.2. Проектирование систем водоснабжения 116
8.3. Разработка графической части проекта 142
Заключение 149
Приложения 151
Рекомендуемая литература 154
Вклейка
Предисловие
Дисциплина "Водоснабжение промышленных предприятий" в соответствии с образовательным
стандартом высшего профессионального образования изучается студентами специальности 290800
-водоснабжение и водоотведение - всех форм обучения. Программа дисциплины включает
изучение водопотребления на промышленных предприятиях, систем и схем производственного
водоснабжения, охлаждающих устройств оборотных систем производственного водоснабжения,
особенностей подготовки воды для целей производственного водоснабжения (умягчение и
обессоливание воды, дегазация и стабилизация воды, корректировка состава сбросных вод и
осадков).
В процессе изучения дисциплины студенты выполняют курсовой проект по водоснабжению
промышленного предприятия. Дисциплина "Водоснабжение промышленных предприятий"
является завершающей в разделе специальных дисциплин, формирующих специалиста в области
водоснабжения и водоотведения. Изучение этой дисциплины базируется на знаниях, полученных
при изучении водоснабжения и водоотведения населенных мест, гидравлики, гидротехнических
сооружений, насосов и насосных станций, химии воды и ряда других дисциплин. Именно поэтому
при написании учебного пособия внимание было обращено на особенности систем
производственного водоснабжения, отличающие их от уже известных студентам систем
водоснабжения и водоотведения населенных мест.
Отсутствие централизованно изданных учебников и учебных пособий по дисциплине
"Водоснабжение промышленных предприятии" затрудняет изучение материала программы,
особенно для студентов безотрывных (заочных) форм обучения.
Настоящее учебное пособие предназначено для оказания помощи в изучении вопросов устройства
и проектирования систем производственного водоснабжения, в том числе и в разработке
курсового проекта по дисциплине.
Учебное пособие состоит из восьми глав.
В первой главе проанализировано водопотребление на промышленных предприятиях.
Вторая глава посвящена рассмотрению наиболее распространенных схем систем
производственного водоснабжения и области их применения.
3
В третьей главе рассмотрены вопросы водного баланса в системах оборотного водоснабжения и
методика его расчета.
В четвертой главе изложены основные принципы и подходы к проектированию систем
производственного водоснабжения, отмечена необходимость вариантной проработки и технико-
экономической оценки вариантов.
Пятая глава посвящена охлаждающим устройствам производственных систем оборотного
водоснабжения. Дана классификация охлаждающих устройств, изложены основные
закономерности охлаждения воды и приведены схемы и конструкции наиболее распространенных
охладителей.
В шестой главе изложены особенности подготовки воды природных источников для целей
производственного водоснабжения, отличающие эту подготовку от уже известной студентам
подготовки воды питьевого качества, подробно рассмотрены методы и сооружения для частичного
осветления воды.
Седьмая глава посвящена рассмотрению вопросов обработки воды в оборотных и замкнутых
системах производственного водоснабжения. Проблема обработки сточных вод для их
использования в оборотных и замкнутых системах водоснабжения настолько сложна и
всеобъемлюща, что в учебном пособии даны только некоторые общие положения и для
наглядности приведен пример создания замкнутой системы водоснабжения.
В восьмой главе на примере показаны основные этапы и порядок проектирования системы
производственного водоснабжения предприятия применительно к выполнению курсового проекта
по дисциплине "Водоснабжение промышленных предприятий".
Учебное пособие написано в соответствии с программой дисциплины и учетом опыта
многолетнего преподавания предмета на кафедре водоснабжения СПбГАСУ (ЛИСИ).
В пособие в силу ограниченного объема не вошли имеющиеся в программе курса вопросы
специальной подготовки природной воды, такие, как умягчение, обессоливание, дегазация и
стабилизация. Эти вопросы достаточно полно изложены в имеющейся учебной и научно-
технической литературе [7,10].
Все главы написаны авторами совместно. При написании гл. 8 были использованы материалы
курсового проекта студентки пятого курса Института инженерно-экологических систем Е.В.
Лукинской.
4
Введение
Промышленные предприятия расходуют на технические нужды огромные количества воды,
нередко превосходящие объемы коммунального недопотребления крупных городов. Так,
например, на охлаждение конденсаторов турбин Ленинградской АЭС в летний период
расходуется до 1 млн м3/ч воды, или 24 млн м3/сут, что в 8 - 10 раз превышает расходы городского
водопровода Санкт-Петербурга.
При потреблении воды в технологических процессах образуется большое количество
загрязненных сточных вод, насыщенных различными примесями, порой очень вредными, в силу
этого сточные воды промышленных предприятий представляют серьезную угрозу окружающей
среде, а проблема охраны водоемов от загрязнения сточными водами промышленных предприятий
является весьма актуальной.
Существенно снизить потребление воды на производственные нужды из источников
водоснабжения и уменьшить сброс сточных вод в водоемы позволяет создание на промышленных
предприятиях оборотных систем водоснабжения и наиболее совершенных замкнутых систем
водного хозяйства, практически исключающих сброс сточных вод в водоемы.
Создание замкнутых систем водного хозяйства возможно только в совокупности с внедрением
новых, более совершенных, маловодных и безводных, технологий и аппаратов основных
технологических процессов, обеспечивающих комплексную переработку сырья и существенно
уменьшающих количество и загрязненность образующихся сточных вод, при использовании
принципиально новых систем водоснабжения, методов и схем регенерации сточных вод с
одновременным извлечением ценных компонентов и доведением их до качества товарного
продукта или вторичного сырья.
Основные принципы создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий
сформулированы Л. А. Алферовой и А.П. Нечаевым [4].
Во-первых, водоснабжение и канализация должны рассматриваться в совокупности, когда на
предприятиях создается единая система водного хозяйства, включающая водоснабжение,
водоотведение и очистку сточных вод как подготовку для их повторного использования.
Во-вторых, для водоснабжения основными должны являться
5
очищенные производственные и городские сточные воды, а также поверхностные стоки. Свежая
вода из водоисточников должна использоваться в производстве только для особых целей и
восполнения потерь воды в системе.
В-третьих, очистка должна сводиться к регенерации отработанных технологических растворов и
воды с целью их повторного использования в производстве. Регенерации должны подвергаться
локальные потоки отработанных технологических растворов и сточных вод, при этом должны
создаваться локальные замкнутые системы технического водоснабжения, которые являются
основным звеном замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий.
В-четвертых, методы, применяемые для регенерации технологических растворов и воды, должны
обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся
отходов до товарного продукта или до вторичного сырья при минимальных материальных и
энергетических затратах.
Проектировать системы использования воды целесообразно одновременно с проектированием
основной технологии с учетом научно обоснованных требований к качеству используемой воды и
правилам ее использования. При этом регенерация отработанных технологических растворов и
воды из сточных вод рассматривается не как вспомогательная, а как завершающая операция
производства товарного продукта.
Создание замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и
районов - задача чрезвычайно сложная, требующая громадных капитальных вложений, новых
технологий и, конечно, времени. Решение этой задачи можно рассматривать как целевую
установку при разработке новых и реконструкции действующих систем производственного
водоснабжения. На сегодня имеются единичные решения по созданию систем замкнутого
водопользования, например система Тобольского нефтехимического комплекса.
В настоящее время уровень водооборота на предприятиях черной и цветной металлургии по
отрасли составляет около 80 %, на предприятиях химической промышленности - около 83 %, на
предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности - около 65 %. В то же время на отдельных
предприятиях черной металлургии водооборот доходит до 97 % (Новолипецкий металлургический
комбинат).
6
Даже при таком уровне повторного использования воды расход свежей воды еще достаточно
велик и составляет в среднем на I т продукции - в черной металлургии 37-40 мЗ, в цветной
металлургии 100-200 м3, в целлюлозно-бумажной промышленности - 150-500 м3.
Пример отдельных предприятий говорит о том, что современный уровень технологии и техники
очистки обеспечивает получение воды любой заданной степени чистоты из любой сточной воды.
В связи с этим создание замкнутых систем тормозится причинами экономического и
организационного характера.
Замкнутые системы водопользования должны иметь экономические и экологические
преимущества перед существующими. Затраты на регенерацию воды из сточных вод и на
доведение извлеченных из воды примесей до товарного продукта или вторичного сырья должны
быть ниже суммарных затрат на забор воды из источника, водоподготовку и очистку сточных вод
до показателей, позволяющих сбрасывать последние в водные объекты.
Однако создание замкнутых систем водного хозяйства только промышленных предприятий не
решает в целом проблему охраны водных источников от истощения и загрязнения. Полное
решение этой проблемы связано с использованием в промышленности очищенных городских
сточных вод и поверхностного стока при условии соблюдения санитарно-гигиенического
состояния рабочих мест и исключения загрязнения окружающей среды.
Совершенно очевидно, что решение проблемы создания замкнутых систем водопользования
промышленных предприятий далеко выходит за рамки программы дисциплины "Водоснабжение
промышленных предприятий". Поэтому в настоящем учебном пособии в соответствии с
программой курса будут рассмотрены только общие вопросы устройства и проектирования систем
водоснабжения промышленных предприятий и большое внимание будет уделено системам
оборотного водоснабжения. Кроме того, на примере выполнения курсового проекта будут
рассмотрены основные этапы и порядок проектирования конкретной системы производственного
водоснабжения промышленного предприятия.
7
Глава 1. ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Вода на промышленных предприятиях расходуется на хозяйственно-питьевые нужды работников
предприятий, поливку территорий, пожаротушение и технические (производственные) нужды.
Чаще всего хозяйственно-питьевое водоснабжение предприятий обеспечивается из водопровода
населенного пункта, где проживают работающие на предприятиях. Определение расходов воды на
хозяйственно-питьевые нужды и проектирование водопровода осуществляются в соответствии с
рекомендациями СНиП 2.04.02-84 [12]. Если городской водопровод обеспечивает подачу
расчетного (секундного) расхода воды, то на предприятии устраивается разводящая
водопроводная сеть, из которой вода подается в цеха и другие здания. Если городской водопровод
не обеспечивает подачу расчетных (секундных) расходов на предприятие, а удовлетворяет только
суточное водопотребление, то на предприятии устанавливаются накопительные емкости, насосная
станция и разводящая водопроводная сеть.
Расходы воды на поливку территорий предприятий определяются исходя из норм расходования
воды [12] и площади поливаемых территорий. На поливку может использоваться вода из
хозяйственно-питьевых водопроводов или из систем производственного водоснабжения,
транспортирующих незагрязненную воду.
Расходы воды для пожаротушения на промышленных предприятиях определяются в зависимости
от категории производства по пожарной опасности, степени огнестойкости и объема зданий [12].
Подача воды на пожаротушение может осуществляться из хозяйственно-питьевых водопроводов,
из систем производственного водоснабжения, транспортирующих незагрязненную воду и
охватывающих всю территорию промышленного предприятия, либо из специально создаваемых
систем противопожарного водоснабжения.
Технологическое (производственное) водопотребление на большинстве промышленных
предприятий является основным как по количеству потребляемой воды, так и по роли воды в
обеспечении основных технологических процессов. Вода используется в производстве для
разнообразных целей, таких, как охлаждение оборудования и продукта, промывка продукции,
получение технологических растворов, газоочистка, гидротранспорт, парообразование и др.
8
В процессе потребления вода может нагреваться и насыщаться разнообразными примесями.
Исходя из отмеченной ранее целесообразности и даже необходимости создания оборотных и
бессточных систем производственного водоснабжения при анализе технологического
водопотребления следует одновременно производить анализ водоотведения.
Все многообразие использования воды на технологические нужды можно систематизировать в ряд
категорий, имеющих общие признаки и общие подходы к разработке систем водоснабжения.
Вода первой категории использования применяется в качестве теплоносителя для охлаждения
оборудования и продукта в тепло-обменных аппаратах (без контакта с продуктом). В процессе
потребления вода нагревается и практически не загрязняется. К этой категории использования
воды относится охлаждение конденсаторов турбин в теплоэнергетике, металлургических печей в
металлургии, компрессоров, холодильных машин и др.
Вода второй категории использования осуществляет поглощение и транспортирование
примесей в производственных процессах без тепловыделения. При потреблении вода насыщается
разнообразными примесями, но не нагревается. К этой категории использования воды относится
промывка продукта и продукции, например, в текстильной промышленности, гальваническом
производстве, электронике и др.
Вода третьей категории использования участвует одновременно в поглощении и
транспортировании примесей и в охлаждении продукта и оборудования. В процессе потребления
вода насыщается примесями и нагревается.
К этой категории использования воды относится мокрая газоочистка, охлаждение прокатных
станов и машин разливки стали и чугуна в металлургии и др.
Вода четвертой категории использования применяется для растворения реагентов в
химической технологии, красителей в текстильной промышленности, электролитов и др. При этом
образуются технологические растворы, которые в сток сливаться не должны.
Вода пятой категории использования входит в состав готовой продукции, например, в пищевой
промышленности (консервы, алкогольные и безалкогольные напитки и др.). Вода этой категории
непосредственно в сток не поступает.
Вода шестой категории использования применяется в качестве
9
теплоносителя в теплоэнергетике и теплоснабжении в виде пара и перегретой воды. Такая вода
после нагрева в теплогенераторах поступает в теплотехнический контур и в сток не сбрасывается.
Наибольшее распространение получили первые три категории использования воды, для которых и
следует создавать оборотные и замкнутые системы водоснабжения.
Системы водоснабжения последних трех категорий прямоточные и включают в свой состав
сооружения для приготовления воды требуемого качества, насосные станции и водопроводные
сети для подачи воды потребителям в соответствии с режимом водопотребления и требуемыми
напорами.
Для разработки систем водоснабжения в качестве исходных параметров, характеризующих
водопотребление, по каждому водопотребителю должны быть приведены следующие сведения:
• требования к качеству воды;
• требуемые количества воды и режим водопотребления;
• потребный напор;
• степень надежности подачи воды.
Соответственно для характеристики водоотведения должны быть известны:
• качество отработанной воды (стока);
• количество отводимой воды и режим водоотведения;
• напорные характеристики на отводе стока.
Требования к качеству воды определяются характером технологического процесса и ролью воды
в его осуществлении. Даже внутри каждой категории водопотребления эти требования могут быть
очень разнообразны.
Для воды первой категории, движущейся по каналам теплообменного оборудования, требования
по количеству и составу примесей воды зависят от размеров каналов, скорости движения воды в
них и температуры стенок охлаждаемого оборудования. Примеси воды не должны отлагаться на
стенках оборудования и засорять каналы. Так, содержание взвешенных веществ крупностью до
0,05 мм при скорости движения воды в каналах не менее 0,5 м/с должно быть не более 50 г/м3, а
при скорости 1,0 м/с может быть 80 г/м3 и даже (кратковременно) - до 200 г/м3 [13]. В то же время
следует учитывать, что в оборотных системах водоснабжения содержание взвешенных веществ
влияет на эффективность работы охлаждающего оборудования. Величина жесткости
охлаждающей воды во
10
избежание образования карбонатных отложений зависит от температуры стенок оборудования.
Так, при температуре стенок до 80 D жесткость воды может быть не более 3,0 г-экв/м3, а при
температуре стенок свыше 400 Пс огневым нагревом - уже не более 1,5 г-экв/м3.
Существенное влияние имеет температура охлаждающей воды. Чем меньше температура воды,
тем меньше ее требуется для отведения одного и того же количества тепла. В то же время следует
учитывать, что в оборотных системах с охлаждением воды атмосферным воздухом даже на самых
совершенных охладителях получить температуру охлажденной воды в жаркие периоды года ниже
30 D очень трудно.
Требования к качеству воды второй категории еще более разнообразны. Так, например,
содержание взвешенных веществ в системах гидротранспорта практически не ограничено. В
промывных водах предприятий текстильной промышленности содержание взвешенных веществ
должно быть не более 5 г/м3, железа - не более 0,05 г/м3, жесткость - не более 0,4 г-экв/м3. В то же
время вода для промывки деталей в электронной промышленности должна быть диэлектриком, т.
е. свободна от нерастворимых и растворимых примесей.
Качество и технологические свойства воды третьей категории должны отвечать требованиям,
указанным для первой и второй категорий.
Требования к качеству воды в оборотных системах в целом сводятся к следующему: вода не
должна оказывать отрицательного влияния на качество получаемого продукта; не должна
вызывать образование солевых отложений, биологических обрастаний и коррозии аппаратуры,
трубопроводов и сооружений; должна обеспечивать требуемое санитарно-гигиеническое
состояние рабочих мест.
Учитывая отмеченное многообразие требований к качеству воды со стороны производственных
водопотребителей, при проектировании систем водоснабжения следует руководствоваться
требованиями, выдвинутыми технологами основного производства.
Требуемые количества воды и режим водопотребления зависят от мощности, характера
технологического процесса и роли воды в его осуществлении. Чаще всего требуемые количества
воды и режим расходования связаны с ходом технологических процессов и могут быть достаточно
точно определены технологами основного производства.
11
В большинстве случаев наблюдается суточная повторяемость потребления воды и для
характеристики водопотребления определяются расходы воды в сутки максимального и
минимального водопотребления. Эти расходы используются в балансовых расчетах систем
водоснабжения.
В режиме работы промышленных предприятий имеется понятие смены. Предприятия могут
работать в одну, две и три смены, что, несомненно, сказывается на режиме водопотребления.
Для расчета сооружений, водоподводящих и отводящих сетей, подбора оборудования необходимо
знать расчетные расходы в час максимального и минимального водопотребления. Эти расходы для
каждого водопотребителя задаются технологами основного производства в виде абсолютных
величин либо с помощью коэффициентов часовой неравномерности.
Потребные напоры зависят от гидравлических характеристик технологического оборудования и
места его расположения в производственных цехах. Величина потребного напора необходима для
подбора насосного оборудования и влияет на схемы централизованных систем водоснабжения.
При существенной разнице потребных напоров у различных водопотребителей может оказаться
экономически целесообразным создание нескольких локальных систем водоснабжения вместо
одной централизованной. Сведения о потребных напорах представляются технологами основного
производства.
Требуемая степень надежности подачи воды определяется оценкой последствий к которым
могут привести нарушения в подаче воды (прекращение подачи, снижение расхода) к
технологическому оборудованию. Самая высокая надежность должна быть в том случае, когда
нарушения в подаче воды могут привести к катастрофическим явлениям и человеческим жертвам
(например, охлаждение ядерных реакторов, доменных печей и др.).
Далее требуемая степень надежности определяется материальным ущербом, к которому может
привести нарушение в подаче воды потребителям. Совершенно очевидно, что повышение
надежности системы водоснабжения ведет к ее удорожанию. Сопоставление стоимости системы
водоснабжения различной степени надежности с вероятным материальным ущербом при
возникновении нарушения в подаче воды позволяет найти оптимальное решение в каждом
конкретном случае.
Качество отработанной воды (стока) зависит от характера
12
технологического процесса, роли воды в его осуществлении и является важнейшей
характеристикой, определяющей состав сооружений оборотной системы водоснабжения. Как
было отмечено ранее, вода в процессе использования может нагреваться, насыщаться различными
примесями, либо могут иметь место и нагрев, и насыщение примесями одновременно. Наиболее
сложной проблемой при создании оборотных систем водоснабжения является извлечение из воды
внесенных в процессе потребления нерастворенных и, особенно, растворенных примесей. Для
решения этой проблемы технологами основного производства должны быть представлены полные
сведения о внесенных примесях и их концентрациях.
Количество отводимой воды и режим водоотведения могут совпадать с водопотреблением,
например, для первой категории использования воды. Для второй и третьей категорий количество
воды и режим водопотребления и водоотведения могут отличаться. Это связано с потерями воды в
технологических процессах, а также с разницей в режиме наполнения и опорожнения емкостных
сооружений. По этой причине в водоотведении должны быть приведены сведения о максимальных
и минимальных суточных расходах, количестве рабочих смен и посменных расходах воды, а
также о величине расчетных расходов в час максимального и минимального водоотведения.
Напорные характеристики на отводе стока должны содержать сведения о наличии и величине
остаточного напора либо о его отсутствии (свободный безнапорный слив). В первом случае
остаточный напор можно использовать для транспортирования отработанной воды на
дальнейшую обработку, что упрощает схему системы водоснабжения. При свободном изливе
отработанной воды необходимо в схеме предусмотреть резервуары и насосные станции для
приема и транспортирования стока на дальнейшую обработку. Обычно сведения (исходные
данные) о водопотреблении и водоотведении систематизируют и сводят в таблицы, одна из форм
которой будет приведена в примере.
13
Глава 2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В практике производственного водоснабжения нашли применение следующие системы:
прямоточные; прямоточные с повторным использованием воды; оборотные: комбинированные;
замкнутые.
Простейшая прямоточная система производственного водоснабжения (рис. 2.1,а) включает в свой
состав водозаборные сооружения 2, водопроводные сети и выпуск 3 отработанной воды в
водоисточник 1. Такая схема может применяться при наличии мощного водоисточника. При этом
качество воды в источнике водоснабжения должно соответствовать требованиям водопотребителя,
а качество отработанной воды должно отвечать требованиям, предъявляемым к сбросу стоков в
водоем. Наиболее часто по такой схеме обеспечиваются водой водопотребители первой категории.
Рис. 2.1. Схемы прямоточных, систем водоснабжения; а - простейшая; б - с очисткой природной и
отработанной воды; 1 - поверхностный источник водоснабжения; 2 - водозабор с насосной
станцией; 3 - выпуск отработанной воды; 4 - сооружения для улучшения качества воды
водоисточника; 5 - сооружения для обработки отработанной воды; П - производственный
водопотребитель
В схеме б (рис. 2.1) в отличие от предыдущей схемы имеются сооружения 4 для улучшения
качества воды водоисточника перед подачей потребителю и сооружения 5 для обработки
отработанной воды перед сбросом в водоем.
Такая схема применяется в случае, когда качество воды водоисточника не соответствует
требованиям водопотребителя, а качество отработанной воды не отвечает требованиям,
предъявляемым к сбросу стоков в водоем. Схема эта может применяться для водопотребителей
второй и третьей категории.
14
Простейшие прямоточные системы имеют обычно небольшую стоимость и практически всегда
дешевле оборотных. При этом ввиду того, что вода в водоисточнике всегда холодней, чем в
оборотных системах, на охлаждение оборудования требуется ее меньшее количество. Схемы с
очисткой природной и отработанной воды часто дороже оборотных и несут опасность загрязнения
водоема при сбоях в работе очистных сооружений. Недостатком прямоточных систем
водоснабжения является забор большого количества воды из водоисточников и сброс того же
количества стоков в них, что при введении платы за использование водоисточников ставит под
сомнение их экономическую целесообразность.
В прямоточных с повторным использованием воды системах водоснабжения (рис. 2.2) после
использования воды первым водопотребителем П1 предусматривается подача ее на повторное
использование вторым водопотребителем П2 и после этого сброс в водоем. В схеме рис. 2.2, а
вода из водоисточника 1 насосной станцией на водозаборе 2 без дополнительной подготовки
подается первому водопотребителю П1 и далее остаточным напором направляется второму
водопотребителю П2. Отработанная вода после второго водопотребителя без всякой обработки
сбрасывается в водоем. Такая схема применяется для водопотребителей первой категории
водопотребления, когда в процессе использования вода только нагревается и не загрязняется.
I 1
Рис. 2.2. Схемы прямоточных с повторным использованием воды систем водоснабжения: а -
простейшая; б - с обработкой природной и отработанной воды; 1 - поверхностный источник
водоснабжения; 2 - водозабор с насосной станцией; 3 выпуск отработанной воды; 4 - сооружения
для улучшения качества воды водоисточника; 5 - сооружения для обработки отработанной воды; 6
- сооружения для обработки отработанной после первого водопотребителя перед подачей второму;
П1 и П2 - производственные водопотребители
15
В схеме системы водоснабжения рис. 2.2,6 предусматривается подготовка воды из источника на
сооружениях 4, переработка отработанной воды после первого водопотребителя на сооружениях 6
и очистка стока после второго водопотребителя перед сбросом в водоем на сооружениях 5. Такая
схема может применяться для водопотребителей второй и третьей категорий водопотребления.
когда качество отработанной воды после первого водопотребителя не соответствует требованиям
второго водопотребителя.
Достоинством схем с повторным использованием воды является уменьшение количества
забираемой воды из водоисточника и величины сброса стока в водоем. По сравнению с
прямоточными эти системы экономически наиболее целесообразны при значительном удалении
водопотребителей от водоисточника.
Схемы и состав сооружений оборотных систем водоснабжения (рис. 2.3) зависят от того, как
изменяются параметры воды в процессе ее использования.
Для водопотребителей первой категории водопотребления применяются схемы а, б (см. рис. 2.3). В
схеме а отработанная нагретая вода собирается в резервуар PL 1 и насосной станцией НС1.1
подается на охладитель Охл. 1.7, где происходит ее охлаждение и обеспечивается баланс по
количеству тепла в системе. Охлажденная вода собирается в резервуар PL 2 и насосной станцией
НС 1.2 подается опять водопотребителю 777. Потери воды в оборотной системе восполняются
подачей подпиточной воды Qnofl в резервуар PL 2, чем обеспечивается баланс в системе по
количеству воды.
Схема б отличается от схемы а тем, что отработанная нагретая вода после водопотребления
имеющимся остаточным напором подается сразу на охладитель, что упрощает схему и уменьшает
количество резервуаров и насосных станций.
Для водопотребителей второй категории водопотребления используется схема в (см. рис. 2.3). В
этой схеме отработанная вода насосной станцией НС3.1 подается на очистные сооружения ОС3.1,
где из воды извлекаются все примеси, внесенные в процессе водопотребления, и обеспечивается
баланс в системе по количеству веществ (примесей) в воде. Очищенная вода насосной станцией
НСЗ. 2 подается опять водопотребителю 773. Потери воды в оборотной системе (Qnn + Q04)
компенсируются подачей подпиточной воды 0ПОД, чем обеспечивается баланс в системе по
количеству воды. При этом возможны варианты подачи подпиточной воды. При подаче
16
Otto
__
Рис. 2.3. Схемы оборотных систем водоснабжения: а, б - для первой категории водопотребления, в
- для второй категории водопотребления; г - для третьей категории водопотребления; 777 и 772 -
производственные водопотребители; Pl.l, P1.2 - резервуары в системе водоснабжения первого
водопотребителя соответственно номер 7 и номер 2; НС 1.1, НС 1.2 - насосные станции в системе
первого водопотребителя соответственно номер 7 и номер 2; Охл. 1.1 - охладитель в системе
водоснабжения первого водопотребителя номер 7; ОС3.1 - очистные сооружения в системе
водоснабжения третьего водопотребителя номер 7; Qnn - производственные потери воды; Qoxn -
потери воды на охладителе; Q04 - потери воды на очистных сооружениях; Qnofl - подача
подпитачной воды; 1В4 - трубопровод оборотной воды подающий в системе потребителя 777; 1В5
- трубопровод оборотной воды обратный в системе потребителя 777
17
подпиточной воды в РЗ. 2 качество ее должно соответствовать требованиям, предъявляемым
водопотребителем. Если качество воды водоисточника не соответствует требованиям
водопотребителя, то подпиточная вода перед подачей в РЗ. 2 должна быть очищена до
соответствующих параметров на специально предусмотренных для этого водопроводных
очистных сооружениях. Этого можно избежать, если подпиточную воду подавать в резервуар РЗ.
1 и очистку подпиточной воды осуществлять совместно с очисткой отработанной воды на
очистных сооружениях оборотной системы ОСЗ. 1. При этом несколько увеличится
производительность очистных сооружений оборотной системы, однако не потребуется
строительства дополнительных сооружений очистки воды из источника.
Для водопотребителей третьей категории водопотребления создаются оборотные системы по
схеме, представленной на рис. 2.3, г. В этой схеме предусматривается сначала очистка воды на
ОСЗ. 1 для обеспечения баланса в системе по количеству веществ (примесей воды). Затем
очищенная вода подается насосной станцией НС4.2 на охладитель Охл. 4.1 для снижения
температуры воды и отвода тепла в атмосферу, чем обеспечивается баланс в системе по
количеству тепла. Очищенная и охлажденная вода насосной станцией НС4.3 подается опять
водопотребителю. Все потери воды в системе (Qnn + Q04 + Qom) компенсируются подачей
подпиточной воды (аналогично схеме рис. 2.3, в) либо в резервуар Р4.3, либо в Р4.1. Этим
обеспечивается баланс по количеству воды в системе.
Обычно на промышленных предприятиях имеется много производственных водопотребителей
различных категорий водопотребления. Для водоснабжения таких предприятий создаются
комбинированные системы водоснабжения, включающие в свой состав несколько различных
систем водоснабжения групп или отдельных водопотребителей с обеспечением их свежей водой
требуемого качества (рис. 2.4).
В этой схеме созданы две системы водоснабжения водопотребителей первой категории (77/, П2,
ПЗ), причем для первых двух водопотребителей создана объединенная система водоснабжения с
подпиткой системы осветленной водой, соответствующей требованиям водопотребителей. Третий
водопотребитель предъявляет более низкие требования к качеству воды, поэтому для него создана
отдельная (локальная) система водоснабжения с подпиткой водой из источника без очистки. Для
обеспечения водой четвертого
18
Рис. 2.4. Схема комбинированной системы водоснабжения промпредприятия: 77/, П2, ...-
производственные водопотребитель; PL 1 - резервуар в системе водоснабжения первого
водопотребителя номер 1; Р12.1 -резервуар в объединенной системе водоснабжения первого и
второго водопотребителя номер 1; НС 1.1, HCI.2 - насосные станции в системе первого
водопотребителя соответственно номер 1 и номер 2; Охл. 12.1 - охладитель в объединенной
системе водоснабжения первого и второго водопотребителя номер /; ОС4.1 - очистные
сооружения в системе четвертого водопотребителя номер 1; Qnn - производственные потери воды;
Qom - потери воды на охладителе; Q04 - потери воды на очистных сооружениях; Qnofl - подача
подпиточной воды; 1В4 - трубопровод оборотной воды подающий в системе П1; 1В5 -
трубопровод оборотной воды обратный в системе П1; В б - водопровод умягченной воды; В7 -
водопровод речной неосветленной воды; В8 - водопровод речной осветленной воды; ВОС1 -
водопроводные очистные сооружения для улучшения качества воды источника водоснабжения;
ВОС2 - установка умягчения воды
19
водопотребителя второй категории и пятого водопотребителя третьей категории созданы
соответствующие локальные системы оборотного водоснабжения с подпиткой водой из источника
без очистки. Шестой водопотребитель (например, котельная) требует для парообразования подачи
умягченной воды (шестая категория водопотребления). Для обеспечения его умягченной водой
предусмотрены соответствующие сооружения ВОС2.
Подача воды потребителям и на подпитку оборотных систем осуществляется из поверхностного
источника водоснабжения, для чего на нем предусматривается водозабор с насосными станциями.
В соответствии с требованиями водопотребителей и принятой схемой проектируются две системы
технического водоснабжения: система неосветленной речной воды В7 и осветленной - В8. Первая
система обеспечивает подпитку оборотных систем водоснабжения третьего, четвертого и пятого
водопотребителей и включает в свой состав насосную станцию и водопроводную сеть. В системе
осветленной речной воды предусматриваются водопроводные очистные сооружения BOCJ, после
которых осветленная вода поступает в водопроводную сеть и далее на подпитку оборотной
системы первого и второго водопотребителей и на установку умягчения воды ВОС2.
Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий (рис. 2.5) предусматривают
комплексную переработку отработанной (сточной) воды, осуществляющую не только извлечение
из воды внесенных примесей, но и их утилизацию в виде товарного продукта или вторичного
сырья. Такие системы не имеют сбросов стоков, экологически наиболее предпочтительны и
перспективны.
На каждом предприятии могут создаваться локальные системы оборотного водоснабжения для
каждого отдельного водопотребителя либо централизованные, обеспечивающие водой нескольких
водопотребителей. Объединение (централизация) систем водоснабжения нескольких
водопотребителей технически возможно только при одинаковых требованиях к качеству воды и
одинаковом воздействии на воду в процессе ее потребления. Кроме того, должна быть
рассмотрена экономическая целесообразность централизации оборотных систем водоснабжения.
20
Тойщшй продукт Шеют tafa
is
Сыры?
1+-
тщеодпво
flffll«OTO№«*?
отшрщш
ОщюВттш kmmmi Ьада
переработка
Strmpmm
—р.
О^ОЬЕ
Рис. 2.5. Схема замкнутой системы водного хозяйства
21
Глава 3. ВОДНЫЙ БАЛАНС В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Нормальное функционирование любой оборотной и тем более замкнутой системы водоснабжения
промышленного предприятия возможно лишь при обеспечении балансов: по количеству воды; по
количеству тепла; по количеству веществ (примесей воды).
Количество воды в системе оборотного водоснабжения должно быть постоянным. Все потери
воды должны компенсироваться добавочной (подпиточной) водой. Потери воды в оборотной
системе включают:
Qnn - безвозвратное потребление воды в производстве;
Qnon - потери воды на полив территории;
QHcn - потери воды на испарение в охладителях;
QyH - потери воды на капельный унос в охладителях;
Q04 - потери воды на очистных сооружениях;
Опрод - организованный сброс воды из системы (продувка), например, для поддержания
допустимого содержания растворенных
21
примесей, то есть
N^nOT N^nn ^ПОЛ N^HCn ^<уН N^04 ^СПрОД •
Безвозвратные потери воды в производстве зависят от характера технологического процесса, роли
воды в его осуществлении и могут быть определены технологическими расчетами.
Потери воды на полив территории определяются исходя из площади и степени благоустройства
поливаемых территорий с учетом нормы расхода воды на поливку.
Потери воды на испарение в охладителях, м3/ч, могут быть определены из выражения
Qjicn = KjAtQ^,
где Ki - коэффициент потерь воды на испарение, который для брызгальных бассейнов и градирен
зависит от температуры охлаждающего воздуха, измеренного сухим термометром, и может быть
принят следующим:
Кг = 0,0012 при 10 Ц, Кг = 0,0014 при 20 Ц
Кг = 0,0015 при 30 Пи Кг = 0,0016 при 40 Ц
At = ti -12 - перепад температур, разность между температурой нагретой ti и охлажденной t2 воды;
Qo6 - количество воды, подаваемой в охладитель, м3/ч.
Потери воды на капельный унос зависят от типа охладителя и могут быть приняты для башенных
градирен, оборудованных водоуловителями, равными 0,1 % от количества подаваемой воды, для
вентиляторных градирен - 0,2 %.
Потери воды на очистных сооружениях зависят от технологической схемы очистки воды, состава
сооружении и могут быть определены технологическим расчетом.
Методику определения продувочного расхода рассмотрим на примере простейшей оборотной
системы водоснабжения с испарительными охладителями для водопотребителей первой категории
водопотребления. В результате испарения в охладителях части воды повышается концентрация
минеральных солей, растворенных в циркулирующей воде оборотной системы водоснабжения.
При повышении их концентрации, особенно солей жесткости, до
22
определенных величин на теплообменных аппаратах начнут образовываться карбонатные
отложения, которые снижают коэффициент теплопередачи и соответственно количество
отводимого тепла. Для предотвращения образования отложений в воде оборотной системы
поддерживают концентрацию солей на требуемом уровне путем сброса части воды с солями
(продувка), восполняя эту потерю подпиточной водой с малым содержанием солей.
Содержание солей в циркулирующей воде оборотной системы стабилизируется, если количество
солей, удаляемых из системы при продувке и в результате капельного уноса из охладителей, будет
равно количеству солей, приносимых с подпиточной водой:
С06(Р2 + Рз) = СП0Д(Р1 + Р2 + Рз),
где Соб и Сдод - концентрации солей соответственно в циркуляционной и добавочной воде, мг/л; pi
потери воды в охладителях на испарение, %; р2 - потери воды в (
%; р3 - потери воды, сбрасываемой из системы для продувки, %.
потери воды в охладителях на испарение, %; р2 - потери воды в охладителях на капельный унос,
Если в приведенное равенство подставить значение допустимой концентрации солей С0б доп в воде
оборотной системы и решить его относительно р3, то можно определить минимально
необходимый расход, м3/ч, продувочной воды:
РЗ = [СПОд(Р1 + Р2 + Рз/Собдоп)] " Р2, Опрод = РзОоб/ЮО.
Продувка системы эффективна лишь в том случае, если концентрация солей в подпиточной воде
значительно ниже допустимой концентрации солей в воде оборотной системы. Иначе потребуются
большие расходы подпиточной воды и соответственно необходимость обработки больших
расходов продувочной воды, что неэкономично. В этом случае может предусматриваться
предварительное обессоливание подпиточной воды либо применяться другие методы борьбы с
отложениями в оборотных системах, что будет рассмотрено в соответствующих разделах книги.
Поступления воды в системы оборотного водоснабжения могут быть:
с исходным сырьем - QCbiP;
со вспомогательными материалами - QBCM
23
с атмосферными осадками - QaTM;
с очищенными сточными водами - QCT;
из источника водоснабжения - QHCT.
Суммарные поступления воды
N^nOCT N^cbip N^BCn *<aTM N^CT N^HCT-
Поступления воды в систему с исходным сырьем и вспомогательными материалами определяются
технологическими расчетами основного производства.
Поступление воды с атмосферными осадками непосредственно в систему оборотного
водоснабжения учитывается лишь в том случае, когда в системе имеются открытые резервуары
большой площади, например пруды-охладители или брызгальные бассейны. В большинстве
случаев поступление атмосферных осадков в оборотные системы осуществляется в виде
очищенных ливневых стоков. При разработке водного баланса следует учитывать, что
поступление воды с атмосферными осадками происходит периодически и на время их отсутствия
должны быть предусмотрены другие источники.
Подача в оборотные системы водоснабжения очищенных сточных вод, в том числе городских,
исключает сброс сточных вод в водоемы и широко используется при создании замкнутых систем
водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов [3]. Это позволяет
существенно сократить количество воды, забираемой на производственные нужды из природных
источников водоснабжения. При подготовке сточных вод к использованию в оборотных системах
водоснабжения должны быть учтены не только требования водопотребителей, но и санитарно-
гигиенические требования.
В итоге для обеспечения постоянного количества воды в оборотной системе необходимо, чтобы
сумма потерь воды равнялась сумме поступлении:
Поступление тепла в оборотную систему водоснабжения в процессе охлаждения водой
оборудования и продукта осуществляется чаще всего за счет собственного нагрева воды на
температуру
24
At. Количество тепла, тыс. к Д ж/ч, поступающего за счет нагрева воды, может быть определено из
выражения
Qt = CQo6At,
где С - удельная теплоемкость воды; С = 4,19 кДж/кг- D: Qo6 - производительность оборотной
системы, м3/ч; At - перепад температур, Q
Для обеспечения баланса по теплу в оборотной системе это количество тепла отводится в
атмосферу за счет охлаждения воды на ту же величину At в специально предусмотренных для
этих целей охлаждающих устройствах (охладителях).
Количество веществ (примесей воды) в оборотной системе должно быть постоянным. Для
обеспечения этого все примеси воды, внесенные в процессе ее использования, должны быть
удалены из воды на специально предусмотренных для этих целей очистных сооружениях.
Обеспечение баланса по веществам является наиболее сложным. Это обусловлено многообразием
примесей, вносимых в воду в производственных процессах, сложностью их удаления из воды. При
создании оборотных, и особенно, замкнутых систем водоснабжения обеспечение баланса по
веществам является важнейшей проблемой, практическое решение которой во многих отраслях
промышленности еще не осуществимо.
Эффективность использования воды промышленными предприятиями оценивается двумя
показателями:
коэффициентом использования свежей воды из источника
Кисп = (Qhct - Qc6P)/Q ИСТ 5
коэффициентом использования оборотной воды
К0б = Qo6/(Qo6 + Qhct),
где QHCT - количество воды, забираемой из источника, м3/сут; Qc6p -количество сточных вод,
сбрасываемых в водоем, м3/сут; Qo6 - количество оборотной воды, м3/сут.
Чем ближе эти коэффициенты к единице, тем совершеннее системы водопользования на
промышленном предприятии.
25
Глава 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
На промышленных предприятиях имеется, как правило, много (десятки, сотни) производственных
водопотребителей, каждый из которых может предъявлять собственные требования к качеству
воды и по-разному воздействовать на воду в процессе ее потребления. Поэтому установить,
сколько и какие системы водоснабжения следует создать на каждом конкретном предприятии -
дело весьма сложное, ответственное и обычно не имеет однозначного решения.
На предприятиях могут создаваться локальные оборотные (замкнутые) системы водоснабжения
для каждого отдельного водопотребителя и централизованные для нескольких водопотребителей с
различной степенью централизации.
Локальные системы создают чаще всего для водопотребителей, вносящих в воду специфические
загрязнения, извлечение из воды и утилизация которых технологически и экономически
целесообразна без смешения с другими стоками.
Создание централизованных систем оборотного водоснабжения технологически возможно только
для водопотребителей, имеющих одинаковые требования к качеству воды и одинаковое качество
отработанной воды. Объединение обычно осуществляется внутри каждой категории
водопотребления, когда для очистки и регенерации стока целесообразно использовать один и тот
же способ.
Кроме технической возможности и целесообразности создания централизованных систем, следует
учитывать экономический фактор, на который оказывает влияние протяженность водопроводящих
и водоотводящих сетей, что связано с размерами генерального плана предприятия и размещением
на нем водопотребителей. Опыт проектирования систем водоснабжения показал, что оптимальный
радиус обслуживания потребителей одной системой составляет 400-450 м. При разработке
централизованных систем оборотного водоснабжения следует также учитывать потребные
напоры, режим работы по сменам и требуемую степень надежности подачи воды всех
водопотребителей, объединенных в систему.
Проектирование систем водоснабжения промпредприятий начинается с систематизации и анализа
исходных данных по водопотреблению и водоотведению.
Первоначально следует сгруппировать производственных
26
водопотребителей по сходным требованиям к качеству воды, а также по сходным качественным
показателям отработанной воды, Затем с учетом требуемой надежности подачи воды, потребных
напоров и размещения водопотребителей на генеральном плане, разрабатывают технически
возможные варианты систем водоснабжения с различной степенью централизации.
По всем рассматриваемым вариантам проектируются технологические схемы подготовки воды,
определяется состав и размеры сооружении, диаметры и протяженность трубопроводов,
подбирается насосное и другое оборудование и производятся расчеты водного баланса.
Выбор варианта осуществляется на основании их экономического сравнения, которое
производится на основе сопоставления приведенных затрат по каждому варианту, определяемых
по формуле
Д = С;+ЕнКЬ
где С; - годовые эксплуатационные расходы по варианту, р./год; Ен - нормативный коэффициент
эффективности капитальных вложений; К; - капитальные вложения по варианту, р.
Вариант с наименьшими приведенными затратами является экономически целесообразным.
27
Глава 5. ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
5.1. Общие положения
Вода благодаря большой теплоемкости нашла широкое применение в промышленности как
хладагент для охлаждения оборудования и продукта. На эти цели расходуются громадные
количества воды, значительно большие, чем на все остальное производственное водопотребление.
В большинстве случаев вода отводит тепло за счет собственного нагрева на величину At. В
оборотных системах водоснабжения для обеспечения теплового баланса вода отдает это тепло
атмосферному воздуху в специальных охлаждающих устройствах. Чаще всего охлаждение воды
происходит при непосредственном контакте воды и охлаждающего воздуха, в
27
результате чего часть воды теряется на испарение и капельный унос с воздухом. При этом
происходит концентрирование солей в воде оборотной системы и ее загрязнение примесями
воздуха. Потери воды в охладителях составляют 1,5-2,0 % от расхода оборотной системы и
достигают больших размеров.
Отсюда очевидны недостатки традиционных систем водяного охлаждения, заключающиеся в
больших расходах воды на подпитку оборотных систем и выбросе громадного количества тепла в
атмосферу, что не только неэкономично, но и приводит к тепловому загрязнению окружающей
среды. Поэтому при рассмотрении охлаждающей системы промышленного предприятия
необходима предварительная технико-экономическая проработка возможности и
целесообразности следующих мероприятий:
рекуперации теплоты технологических жидкостей и растворов, обеспечиваемой теплообменом
между холодным и горячим потоками;
утилизации теплоты от потоков с высокой температурой для получения водяного
(энергетического и технологического) пара с использованием испарительного охлаждения;
утилизации отводимой теплоты газообразным, жидким или твердым сырьем;
передачи избыточной температуры на соседние предприятия;
применения вместо водяного воздушного и воздушно-испарительного охлаждения.
Эти мероприятия позволяют сократить бесполезные потери тепла, уменьшить тепловое
загрязнение атмосферы и сократить расходы воды на охлаждение оборудования и продукта.
Совершенно очевидно, что выполнение этих мероприятий связано с существенными изменениями
технологических схем и конструкций технологического оборудования основного производства и
может осуществляться на новых производствах и при реконструкции действующих.
На сегодня наиболее широкое применение на промышленных предприятиях нашли системы
водяного охлаждения. Кроме того, в металлургии достаточно широко используется испарительное
охлаждение, а. в нефтеперерабатывающей промышленности нашли применение установки
воздушного и воздушно-испарительного охлаждения.
28
5.2. Системы водяного охлаждения
В системах водяного охлаждения отвод тепла от оборудования и продукта осуществляется за счет
собственного нагрева охлаждающей воды. В оборотных системах водоснабжения для обеспечения
теплового баланса нагретая вода подается в охладители, где она отдает тепло атмосферному
воздуху, охлаждается и после этого направляется опять потребителю. Охладители являются
основным элементом оборотной системы, от которого зависит эффективность работы системы
охлаждения технологического оборудования.
По способу передачи тепла атмосферному воздуху охладители подразделяются на испарительные
и поверхностные (радиаторные). В испарительных охладителях передача тепла осуществляется
при непосредственном контакте воды и воздуха. При этом часть воды испаряется, в результате
чего отводится значительное количество тепла и происходит охлаждение воды. Именно поэтому
такие охладители и называются испарительными. К этой группе относится большинство
применяемых охладителей, таких как водохранилища- и пруды-охладители, брызгальные
бассейны, испарительные градирни и эжекционные охладители.
В поверхностных охладителях передача тепла от воды к воздуху осуществляется через
перегородку (поверхность). Вода проходит внутри трубок радиаторов, а охлаждающий воздух
омывает их ребристую поверхность, отводя тепло. К этой группе относятся различные
конструкции радиаторных или "сухих" градирен.
Достоинством поверхностных охладителей по сравнению с испарительными является отсутствие
потерь воды и ее загрязнения. К недостаткам следует отнести меньший эффект охлаждения и
большой расход воздуха.
По сравнению с поверхностными испарительные охладители позволяют произвести более
глубокое охлаждение воды при меньших расходах воздуха. Однако достаточно большие потери
воды на испарение и капельный унос (1,5-2,0 %), загрязнение воды примесями воздуха,
концентрирование солей в воде в результате испарения создают большие проблемы при
использовании их в оборотных системах водоснабжения.
Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха относительно невелики, для охлаждения воды
требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40 до 30 D
при
29
температуре воздуха 25 D на 1 м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю должно быть
подведено около 1000 м3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только
нагревается, но не увлажняется, - около 5000 м3 воздуха.
Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на открытые,
башенные и вентиляторные. К открытым охладителям относятся водохранилища-охладители (или
пруды-охладители), брызгальные бассейны, открытые градирни. В них движение воздуха
относительно поверхности охлаждаемой воды обусловливается ветром и естественной
конвекцией. В башенных охладителях - башенных градирнях - движение воздуха происходит в
результате естественной тяги, создаваемой высокой вытяжной башней. В вентиляторных
охладителях - вентиляторных градирнях -осуществляется принудительная подача воздуха с
помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов. В эжекционных охладителях
движение воздуха обусловлено подсосом (эжекцией) его в расширяющуюся струю быстро
летящих капель охлаждаемой воды.
Радиаторные охладители, которые называют также сухими градирнями, по способу подвода к ним
воздуха могут быть башенными или вентиляторными.
Для охлаждения циркуляционной воды до достаточно низких температур требуется большая
площадь контакта ее с воздухом -около 30-50 м2 на 1 м2/ч охлаждаемой воды. Соответственно
этому принимается площадь зеркала воды водохранилищ-охладителей. В градирнях необходимая
площадь контакта создается с помощью оросительных устройств, по которым она стекает под
действием силы тяжести в виде тонких пленок или капель, разбивающихся при попадании на
рейки на мельчайшие брызги. В брызгальных бассейнах для создания необходимой площади
контакта с воздухом вода разбрызгивается специальными соплами на мельчайшие капли,
суммарная поверхность которых должна быть достаточной для испарительного охлаждения.
30
5.2.1. Теплообмен в испарительных охладителях
При охлаждении воды в испарительных охладителях понижение ее температуры определяется
совместным действием различных по физической природе процессов: теплоотдачи
соприкосновением -переноса теплоты путем теплопроводности и конвекции - и
30
поверхностного испарения воды - превращения части ее в пар и переноса пара путем диффузии и
конвекции.
В результате теплоотдачи соприкосновением вода отдает теплоту, если ее температура выше
температуры воздуха, и получает теплоту, если ее температура ниже температуры воздуха.
Удельное количество теплоты, переданной при теплоотдаче соприкосновением, определяется по
формуле
qc = a(t-0),
где qc - удельное количество теплоты, кДж/(м2 'ч); a - коэффициент теплоотдачи
соприкосновением, кДж/(м2 -ч 'О); t - температура поверхности воды, Ц 9 - температура воздуха, Q
Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давление пара,
содержащегося в воздухе, меньше давления насыщения пара при температуре поверхности
жидкости.
Удельное количество теплоты, теряемой водой в результате испарения, определяется по формуле
qH = P(em - e),
где qH- удельное количество теплоты, кДж/(м2 -ч); Р - коэффициент теплоотдачи испарением, кДж/
(м2 хч • Па); ет - давление насыщения пара при температуре поверхности воды, Па; е -
парциальное давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность воздуха), Па.
Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность в результате
совместного действия теплоотдачи соприкосновением и поверхностного испарения,
q0 = qc + qH = a(t - 0) + P(em - e).
Когда t > 9, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлаждение воды. При t = 9
теплоотдача соприкосновением прекращается и охлаждение воды происходит только благодаря
поверхностному испарению. Вода будет продолжать охлаждаться и при t < 9 до тех пор, пока
количество теплоты, передаваемой воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством
теплоты, теряемой водой в результате испарения, т. е. пока не будет
31
соблюдаться равенство qc + qH = 0. Температура воды в этот момент достигнет того же значения,
которое имеет температура охлаждающего воздуха т, измеренная смоченным термометром. Это
значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом.
Фактически вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например,
температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 5-12 D превышает температуру воздуха
по смоченному термометру, но может оказаться ниже температуры воздуха, измеренной обычным
(сухим) термометром. Именно степенью приближения температуры охлажденной воды к
теоретическому пределу охлаждения оценивается совершенство охладителя.
При невозможности получения требуемой низкой температуры охлажденной воды на
испарительных охладителях следует создавать двухконтурные системы охлаждения.
Особенности теплообмена в водохранилищах-охладителях
При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды, кроме теплоотдачи
соприкосновением и испарением, происходит также теплообмен излучением. Последний процесс
протекает путем проникновения солнечной лучевой энергии (радиации) через открытую
поверхность воды. При этом часть солнечной радиации отражается от поверхности воды. В то же
время происходит излучение теплоты водной поверхностью, как всяким нагретым телом или
средой (эффективное излучение).
Удельное количество теплоты, переданной воде излучением, определяется радиационным
балансом
R=(Q + q)n(l-a)-I
где R - радиационный баланс, МДж/(м2 -сут); Q - прямая солнечная радиация, МДж/(м2 -сут); q -
рассеянная солнечная радиация, МДж/(м2 -сут); п - общая облачность в долях единицы; (Q + q) n
-суммарная солнечная радиация при общей облачности, МДж/(м2 • сут); а - характеристика
отражательной способности воды или альбедо в долях единицы; (Q + q) n (1 - а) - поглощенная
водой суммарная радиация, МДж/(м2 хут); I - эффективное излучение
32
водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от
температуры и влажности воздуха, МДж/(м2 • сут).
Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность открытого воздуха,
qu = qc + qu - R.
Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испарительного охлаждения,
поэтому температура воды, охлаждаемой в открытом водоеме, не может достичь температуры,
измеренной смоченным термометром. Теоретическим пределом охлаждения в этом случае
является естественная температура воды на поверхности водоема при установившихся
метеорологических условиях, удовлетворяющая равенству
qc + qu - R = 0.
Теплообмен в радиаторных охладителях
Теплота от воды к воздуху в радиаторных охладителях передается через стенки трубчатых
радиаторов, в которых циркулирует охлаждаемая вода.
Удельное количество теплоты, переданной через стенку радиатора, определяется по формуле
qp = Op(t - 0),
где qp - удельное количество теплоты, кДж/(м2 -ч); ар - общий коэффициент теплопередачи от воды
к воздуху через стенку радиатора, кДж/(м2/ч -П); t - температура воды, проходящей через радиатор,
Ц 9 - температура воздуха, обтекающего радиатор, Q
Общий коэффициент теплопередачи а зависит от теплопроводности материала, из которого
выполнен радиатор, толщины стенки его трубок, а также от интенсивности теплоотдачи от воды к
внутренней поверхности трубки и от наружной поверхности трубки к воздуху. Он определяется из
формулы
33
1/Ор = 1/ai + sA, + 1/а2,
где (Xi - коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубки радиатора, кДж/(м2 'ч
П); s - толщина стенки радиатора, м; X - теплопроводность материала радиатора, кДж/(м2 -ч 'О); а2
-коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубки радиатора к воздуху, кДж/(м2'ч'П).
Коэффициент а2 имеет весьма низкие значения даже при больших скоростях воздуха,
обтекающего радиаторы. Для компенсации плохой теплоотдачи воздуху необходимо увеличить
поверхность радиаторов, поэтому они выполняются с ребрами на наружной поверхности трубок.
Работа охладителей обычно характеризуется следующими показателями:
гидравлической нагрузкой - количеством воды, подаваемой на 1 м2 рабочей площади охладителя
qx, м7ч -м2;
тепловой нагрузкой - количеством тепла, отдаваемого водой воздуху на 1 м2 рабочей площади
охладителя в плане, тыс. кДжЛг м2
Qt = CAtqx,
где С - удельная теплоемкость воды; С = 4,19 кДж/кгЦ At - перепад температур, Ц qx -
гидравлическая нагрузка, м3Лгм2;
перепадом температур или шириной зоны охлаждения At = ti -t2, D, где ti - температура нагретой
воды, поступающей в охладитель, Ц t2 - температура охлажденной воды, Ц
степенью приближения температуры охлажденной воды t2 к теоретическому пределу охлаждения
т (высотой зоны охлаждения) At1 = t2 - т.
Чем больше значения qK, Qt, At и, наоборот, меньше значение At1, тем совершенней и эффективней
охладитель.
Эффективность работы охладителя повышается с увеличением площади контакта воды и воздуха,
количества и скорости движения воздуха и повышением степени равномерности распределения
воды и воздуха по рабочей площади охладителя.
34
5.2.2. Водохранилища- и пруды-охладители
Водохранилища-охладители (рис. 5.1, а) обычно устраиваются на водотоках, мощность которых
невелика и не позволяет осуществлять охлаждение оборудования по прямоточной системе. В этом
случае на водотоке устраивается плотина, благодаря чему поднимается уровень воды в водотоке и
создается водохранилище с площадью зеркала воды, обеспечивающей охлаждение требуемого
количества воды. Для организации движения циркуляционного потока воды от выпуска до
водозабора и создания требуемой площади активной зоны Fa часто устраиваются
струенаправляющие дамбы. Заполнение водой и последующая подпитка водохранилища
осуществляются водой водотока. Кроме охлаждения воды оборотной системы, водохранилища
могут одновременно использоваться для других целей, таких, как рыбоводство, отдых и др.
Рис. 5.1. Схема водохранилища- и пруда-охладителя: а - водохранилище-охладитель; б - пруд-
охладитель; 1 - водоток; 2 - плотина; 3 - водопропускные отверстия; 4 - струенаправляющая дамба;
5 - водозабор с насосной станцией; 6- производственный водопотребитель; 7 - выпуск
отработанной воды; 8- канал охлажденной воды; 9- подача воды на заполнение и подпитку; Fa -
площадь активной зоны
35
Пруды-охладители (рис. 5.1, б) - обычно полностью искусственные сооружения, создаваемые вне
водотоков. Схема пруда-охладителя отрабатывается на гидравлической модели, и создается
конфигурация, в которой циркуляционный поток воды охватывает всю площадь пруда, т. е. вся
площадь пруда является активной зоной, участвующей в охлаждении воды.
Заполнение пруда и его подпитка осуществляются из внешнего источника водоснабжения.
Проектирование водохранилищ- и прудов-охладителей производят по нормам проектирования
гидротехнических сооружений.
Ориентировочная площадь активной зоны водохранилищ- и прудов-охладителей может быть
определена исходя из расчета 30-50 м2 на каждый 1 м3/ч циркуляционной воды при охлаждении ее
на 8-10 Q Температура охлажденной воды для конкретных климатических условий определяется
тепловым расчетом [ 1 ].
Водохранилища- и пруды-охладители наиболее часто применяются для охлаждения
незагрязненной воды в оборотных системах большой производительности (тепловые
электростанции и др.). Есть примеры использования этих сооружений и для охлаждения
загрязненной воды (металлургическая промышленность). При этом осуществляется одновременно
охлаждение и осветление циркуляционной воды, поэтому в таких сооружениях должна быть
предусмотрена возможность периодической очистки от накопившихся загрязнений.
Водохранилища- и пруды-охладители требуют больших площадей и значительных капитальных
затрат на их сооружение. Однако они просты в эксплуатации и мало энергозатратны, так как не
требуется создания больших напоров на транспортирование воды.
36
5.2.3. Брызгальные бассейны
Брызгальные бассейны (рис. 5.2) представляют собой открытый резервуар из двух или более
секций, оборудованных распределительными трубами и соплами (брызгалами), с помощью
которых охлаждаемая вода разбрызгивается над этим резервуаром. При падении капель вода
охлаждается и частично испаряется.
36
Рис. 5.2. Брызгальные бассейны; 1 - резервуар бассейна; 2 - распределительные трубы; 3 - сопла
(брызгала); 4 - подача воды в резервуар бассейна, минуя сопла (используется в холодное время
года); 5 - подача воды на охлаждение; 6 - отвод охлажденной воды; 7 - грязевая труба; 8 -
переливная труба; 9 - приямок
Разбрызгивающие сопла, применяемые в брызгальных бассейнах можно разделить на два
основных типа: центробежные и щелевые.
В центробежных соплах (рис. 5.3) вода проходит по спирали и разбрызгивание ее происходит под
действием центробежных сил. К таким соплам относятся сопло с винтовым вкладышем
конструкции МОТЭП (рис. 5.3, а), эвольвентные сопла (рис. 5.3, б) и др. Материалом для таких
сопл служат ковкий чугун или пластмассы. Наиболее рациональны сопла без вкладышей,
требующие меньшего напора и в меньшей степени подверженные засорению.
37
Рис. 5.3. Разбрызгивающие сопла: а - сопло с винтовым вкладышем конструкции МОТЭП; б-
эвольвентное; в - щелевое П-16
Щелевые сопла (например, П-16 на рис. 5.3, в) изготовляют из отрезков стальных труб, на конце
которых делают прорези в виде щелей. Образующиеся при этом зубцы отгибают к оси таким
образом, чтобы получился конус, в вершине которого оставляется небольшое отверстие.
Конструкция сопла и величина напора воды перед ним определяют поверхность охлаждения
водяного факела. При повышении напора она увеличивается вследствие удлинения траекторий
полета капель и уменьшения их диаметра. Однако повышение напора связано с увеличением
затрат электроэнергии, расходуемой циркуляционными насосами, а также с увеличением уноса
мелких капель ветром за пределы бассейна.
Сопла располагают на высоте 1,2-1,5 м над уровнем воды по одному или пучком по три-пять.
38
Технические данные сопел некоторых марок указаны в табл. 5.1.
Распределительные линии присоединяют к коллектору, который прокладывают вдоль одного из
бортов бассейна.
Трубопроводы брызгальных устройств изготовляют обычно из стали и прокладывают над или под
уровнем воды. В последнем случае упрощается конструкция опор, устраняется опасность
обледенения труб в зимнее время, но ремонт трубопроводов и надзор за ними усложняется.
Прокладку труб осуществляют на Катковых опорах, которые устанавливают на опорных колоннах
из железобетона.
Таблица 5.1
Параметры
Подача при напоре
6 м, м7ч
Площадь суммар-
ной поверхности
капель, м"
Число сопел в
пучке шт.
Расстояние, м:
между соплами
между пучками
между распреде-
лительными ли-
ниями
МОТЭП диамет-
ром
50/25 мм
20,9
41,25
##
3 3
«иг Шшф
12
Марка сопла
Эвольве-Еггные диаметром» мм
100/50
34,5
1
4
в» 10 |
30/25
9 J
5
1,2-1,5
П-16
46
80
1
"~ 1" » "Я&
9-10
Для предотвращения обледенения сопел в зимнее время предусматривается подача охлаждаемой
воды прямо в резервуар, минуя распределительные трубы.
В целях эффективного продувания ветром брызгальных устройств их распределительные линии
должны размещаться параллельно направлению господствующих ветров, причем расстояние
между крайними соплами, размещенными на распределительной линии не должно превышать 50
м. При размещении брызгальных бассейнов следует учитывать возможность образования тумана и
обледенения соседних сооружений и дорог. Расстояния от
39
брызгальных устройств до зданий и дорог регламентированы СНиП 2.04.02-84.
В бассейне, как правило, должно быть не менее двух секций. Каждая секция должна иметь
переливную трубу для предотвращения переполнения бассейна и выпуск для его опорожнения.
Глубину воды в брызгальном бассейне обычно принимают равной 1,5-2,0 м. Бровка бассейна
должна возвышаться над уровнем воды не менее чем на 0,3 м.
Покрытие откосов и дна бассейнов должно предотвращать фильтрацию через них воды. При
слабоводопроницаемых грунтах применяют облицовку из железобетонных плит или слоя
асфальтобетона. При сильноводопроницаемых грунтах по подготовке из бетона укладывают слой
гидроизоляции из асфальтовой мастики или слой битумных матов. Гидроизоляцию защищают
сверху бетонными или железобетонными плитами. Вокруг бассейна устраивают
асфальтированную площадку шириной 3-5 м с уклоном в сторону бассейна.
Требуемая площадь брызгального бассейна, м2, определяется исходя из расхода охлаждаемой
воды Qo6 и гидравлической нагрузки qx (плотности орошения), которая принимается в пределах от
0,8 до 1,3 м3/ч на 1 м2
F = Qo6/qx.
Ширина одной секции бассейна не должна превышать 40 м, длина - 80 м. Исходя из этого и
требуемой площади бассейна определяют количество секций, которых должно быть не менее
двух.
Количество сопел определяется исходя из подачи принятого сопла Qc (см. табл. 5.1) .
Nc = Qo6/Qc.
Тепловой расчет брызгальных бассейнов приближенно можно производить по номограмме Н.Н.
Терентьева, приведенной на рис. 5.4. По этой номограмме определяют температуру охлажденной
воды в зависимости от величины напора Н у сопел, плотности орошения qx, перепада температур
At и метеорологических условий: температуры воздуха 9, относительной влажности воздуха ф и
скорости ветра со.
40
о f 1 з м s Темтротдра tytfyxa 3 а среё*?м тендера*
Спорость Ветра ,«/с отра staamituma Ша refif "С
Рис. 5.4. Номограмма для теплового расчета брызгальных бассейнов
Номограмма состоит из трех графиков. По графику А находят значение вспомогательного
коэффициента К, по графику Б определяют вспомогательный коэффициент Кю . Затем вычисляют
значение К.
К = Kq Km At.
Для полученного значения К по графику В находят среднюю температуру воды tcp. Температура
охлажденной в брызгальном бассейне воды
t2 = tcp-0,5At.
Если температура охлажденной воды в результате теплового расчета оказалась выше требуемой,
то можно уменьшить плотность орошения и увеличить площадь брызгального бассейна.
Достоинствами брызгальных бассейнов являются сравнительно небольшая стоимость и простота
эксплуатации.
К их недостаткам можно отнести:
невысокий эффект охлаждения, особенно при слабых ветрах (менее 2 м/с);
большие площади территории, занимаемые бассейнами;
большие площади увлажнения окружающей территории в связи с капельным уносом воды.
41
5.2.4. Градирни
Градирни являются наиболее совершенными и эффективными охладителями, применяемыми в
системах оборотного водоснабжения.
По способу подвода охлаждающего воздуха градирни подразделяются на открытые, башенные и
вентиляторные.
В открытых градирнях движение воздуха обусловлено ветром и естественной конвекцией. Это
самые малоэффективные градирни, допускающие гидравлическую нагрузку до 4,0 м3/ч и
тепловую нагрузку до 50 кВт/ч на 1 м2 площади в плане.
В башенных градирнях движение воздуха обусловлено естественной тягой, создаваемой вытяжной
башней. Высота башни рассчитывается таким образом, чтобы в самые жаркие периоды года
обеспечить подачу необходимого количества воздуха для эффективного охлаждения воды.
Башенные градирни допускают гидравлическую нагрузку до 8 м3/ч и тепловую нагрузку до 90
кВт/ч на 1 м2 площади в плане. При этом вода охлаждается до температуры, на 8-12 D
превышающей теоретический предел охлаждения при перепаде температур 8-12 Q
В вентиляторных градирнях движение воздуха обусловлено тягой или напором вентилятора. Это
самые совершенные градирни, допускающие гидравлическую нагрузку до 12 м3/ч и тепловую
нагрузку до 120 кВт/ч на 1 м2 площади в плане. При этом вода охлаждается до температуры, на 4-6
D превышающей теоретический предел охлаждения при перепаде температур до 17 Q
Башенные и вентиляторные градирни применяются в широком диапазоне производительностей и
при равных требованиях к температуре охлажденной воды сопоставимы.
Башенные градирни по капитальным затратам дороже вентиляторных, но дешевле и проще в
эксплуатации.
Вентиляторные градирни дешевле и требуют меньшей площади застройки. Благодаря
регулированию производительности вентиляторы обеспечивают устойчивое управляемое
охлаждение воды. Однако для привода вентиляторов требуется значительный расход
электроэнергии, а сами вентиляторы нуждаются в постоянном обслуживании, что удорожает
эксплуатацию. Выбор этого типа градирни в каждом конкретном случае осуществляется на
основании технико-экономического анализа.
42
Открытые градирни (рис. 5.5) представляют собой резервуар шириной 2-4 м, длиной до 20 м,
над которым с помощью сопел водораспределителя разбрызгивается охлаждаемая вода. Для
снижения капельного уноса по периметру устраивается ограждение в виде жалюзийной решетки.
Открытые градирни могут оборудоваться капельным оросителем, что повышает эффективность
охлаждения воды.
шия 11 он. о.ош
Рис. 5.5. Открытая градирня с капельным оросителем: 1 - водораспределительная система; 2 -
щиты капельного оросителя; 3 - задвижки; 4 - труба грязевая; 5 - труба переливная; 6 - защитная
решетка; 7-труба отводящая
Применяются открытые градирни в оборотных системах водоснабжения небольшой
производительности при невысоких требованиях к температуре охлажденной воды. Широко
используются они для временных систем оборотного водоснабжения, например, на строительных
площадках Метростроя и др.
43
Башенные градирни (рис. 5.6) в плане могут быть квадратными, многогранными и круглыми.
Первые применяются для охлаждения воды в оборотных системах небольшой
производительности. Многогранные градирни могут иметь достаточно большие площади (сотни
квадратных метров) и применяться в системах средней и большой производительности. Круглые
градирни применяются в очень крупных системах оборотного водоснабжения и имеют площадь в
несколько тысяч квадратных метров.
Рис. 5.6. Башенные градирни различной конфигурации в плане: а - квадратные; б - многогранные;
в - круглые гиперболические; 1 - каркас с обшивкой; 2 - водораспределитель; 3 - ороситель; 4 -
резервуар
Квадратные и многогранные градирни конструктивно выполняются каркасно-обшивными. Они
имеют несущий каркас из стального профиля, к которому изнутри крепится обшивка из
деревянных щитов, асбестоцементных листов или листового коррозионно-стойкого металла.
Круглые градирни выполняют в виде железобетонной тонкослойной оболочки гиперболической
формы, опирающейся на наклонные железобетонные колонны, образующие входные окна для
прохождения воздуха.
Вентиляторные градирни нашли широкое применение в оборотных системах производственного
водоснабжения благодаря компактности и высокой эффективности. Отдельно стоящие
одновентиляторные градирни имеют площадь от 400 до 1200 м2 и применяются в достаточно
крупных системах оборотного водоснабжения.
44
Наибольшее применение получили секционные вентиляторные градирни (рис. 5.7), строящиеся по
типовым проектам, которые обеспечивают широкий диапазон площадей от 2 до 400 м2 на одну
секцию. Секционные градирни дешевле отдельно стоящих, возводятся они из унифицированных
конструктивных элементов. Наименьшее число секций принимается 2, оптимальное - от 4 до 8.
Наличие нескольких секций позволяет создавать наилучшие условия охлаждения воды при
изменении количества подаваемой воды в зависимости от климатических условий.
да а
Рис. 5.7. Секционная вентиляторная градирня: 1 - вентилятор; 2 - диффузор; 3 - конфузор; 4 -
водоуловитель; 5 - водораспределитель; 6 - ороситель; 7 - обшивка; 8- воздухораспределитель; 9 -
окна для входа воздуха; 10 - подача воды к водораспределителям; 11 - резервуар; 12 - трубопровод
для отвода охлажденной воды; 13 - переливной трубопровод; 14 - грязевой трубопровод; 15 -
каркас
45
Каждая секция градирни (см. рис. 5.7) оборудуется вытяжным вентилятором 1 с регулируемой
производительностью, что обеспечивает подсос в градирню требуемого количества воздуха в
зависимости от изменяющихся температур воды и воздуха.
Охлаждаемая вода подается в градирню через водораспределитель 5, в задачу которого входит
равномерное распределение воды по площади секции.
Затем вода гравитационно поступает на ороситель б, который является важнейшим и наиболее
дорогим элементом градирни и обеспечивает необходимую площадь контакта воды с
охлаждающим воздухом. Именно в этом элементе и осуществляется охлаждение воды.
Охлажденная вода собирается в резервуаре градирни 77, который оборудуется трубопроводами
для отвода охлажденной воды 72, переливным 13 и грязевым 14 для опорожнения резервуара и
отвода загрязнений при чистке резервуара.
Для снижения потерь воды в виде мелких капель, захватываемых воздухом, над
водораспределителем устанавливается водоуловитель 4.
Несущим элементом градирни является железобетонный или металлический каркас 75, к которому
снаружи крепятся листы обшивки 7, создающей замкнутое пространство внутри градирни. По
боковым сторонам обшивка не доходит до низа, и через эти окна 9 охлаждающий воздух входит
внутрь градирни. Для равномерного распределения воздуха по площади градирни под оросителем
устанавливается воздухораспределитель 8 в виде решетки, выполненной из досок, поставленных
на ребро.
Оросители градирен (рис. 5.8) могут быть капельными, пленочными и комбинированными
капельно-пленочными. Капельные оросители выполняются из деревянных реек прямоугольного
(рис. 5.8, а) или треугольного (рис. 5.8, б) сечения. Капельные оросители самые дешевые, но и
наименее эффективные, применяются в том случае, когда не требуется глубокого охлаждения
воды.
Пленочные оросители наиболее дорогие, но и наиболее эффективные, позволяют производить
глубокое охлаждение воды при больших гидравлических и тепловых нагрузках. Они выполняются
из деревянных досок (рис. 5.8, в, г) асбестоцементных листов (рис. 5.8, д, ё) и пластмассовых
элементов различной конфигурации (рис. 5.8, ж, з).
46
Рис. 5.8. Оросители градирен: а, б - капельные из деревянных реек; в, г - пленочные из деревянных
досок; д,е- пленочные из асбестоцементных листов; ж, з - пленочные из пластмасс; и -
комбинированный
Капельно-пленочные оросители (рис. 5.8, и) занимают среднее положение между капельными и
пленочными оросителями как по эффективности охлаждения, так и по стоимости.
Современные вентиляторные градирни оборудуются, как правило, напорными трубчатыми
водораспределительными системами. Водораспределитель состоит из распределительных труб,
оборудованных соплами различной конструкции (рис. 5.9).
Большое распространение получили сопла центробежные и ударные с отражателями [5]. Сопла
могут выполняться из чугуна, цветных металлов и пластмасс. В последнее время предпочтение
47
отдается соплам из пластмасс. Они дешевле, не подвергаются коррозии, проще в изготовлении и
имеют меньшую шероховатость поверхности, что при прочих равных условиях увеличивает их
пропускную способность.
Cam®J2-tS
i?llt}l!ffffff#lt01tb¥T&ffy#lllfW7
■■фН 1ЦЩИШ ) L.i.^m ц&цщиii"ninmninmiip™ii«i,i,ii ■ 1 ..чп-чид- .щплшдмпд.имищит,11,11,лпяшмиЖ»П111^|Ц|wi^imS|.i». hiiiiii ■ „w vlm# fl- ■■ „щч, ш щц-ц |ГЦ|1И||'И IIIHIHMIHIiriMIIW ]IHI|41 IMil —.-_,, |lf щ. —]aJ№' .i.i.i.;.Jm||rr3Bl.,.iil 1
It SS 70
Q,
JIJO
и
Рис. 5.9. Детали вентиляторной градирни: а - трубчатый водораспределитель; б - бутылочное
сопло; в - водоуловитель
Водоуловители представляют собой решетки из наклонных досок (жалюзи - рис. 5.9),
асбоцементных, металлических или пластмассовых элементов, могут быть одно- и двухрядными,
последние -эффективнее. Водоуловители, кроме снижения капельного уноса, создают
равномерность поля скоростей движения воздуха перед вентилятором, что обеспечивает
надежную работу особенно крупных вентиляторов.
Разработана серия типовых проектов секционных вентиляторных градирен с различными
оросителями в широком диапазоне производительностей. Основные параметры градирен
приведены в прил. 1.
Большой интерес представляют малогабаритные вентиляторные градирни, которые
применяются для создания локальных оборотных систем водоснабжения небольшой
производительности. Эти градирни изготавливаются комплектно на заводах, имеют малую массу
и могут устанавливаться на крышах зданий и сооружений.
Например, НПФ "Тепломаш" Санкт-Петербурга разработаны компактные вентиляторные
градирни серии ГРД (рис. 5.10), обеспечивающие охлаждение воды в широком диапазоне
производительностей от 4 до 1400 м3/ч.
48
ът
Рис. 5.10. Компактная вентиляторная градирня НПФ "Тепломаш" (Санкт-Петербург): 7 - корпус; 2
- нагнетательный вентилятор; 3 - резервуар для сбора охлажденной воды; 4 - ороситель; 5 -
водораспределитель; 6 - водоуловитель
Градирни оборудованы нагнетательными вентиляторами 2, высокоэффективными оросителями 4 и
водоуловителями б из пластика ПХВ и поставляются потребителям в полной заводской
готовности. Градирня ГРД50-у, приведенная на рис. 5.10, имеет номинальную
производительность, равную 50 м3/ч, при перепаде температур At = 5 D Мощность вентилятора
составляет 4,0 кВт, масса градирни -550кг.
Расчет вентиляторных градирен
При проектировании новых градирен и привязке типовых проектов производятся
аэродинамический и тепловой расчеты.
В результате аэродинамического расчета необходимо установить соответствие аэродинамического
сопротивления градирни давлению, развиваемому вентилятором при его номинальной подаче.
Если окажется, что аэродинамическое сопротивление градирни соответствует давлению
вентилятора, то приступают к тепловому расчету. В противном случае необходимо выбрать
другой вентилятор или изменить конструктивные размеры элементов градирни (для новых
градирен). После этого аэродинамический расчет повторяют заново до тех пор, пока не будет
соблюдаться условие
49
где Рв -давление, развиваемое вентилятором, Па; ЕР; сумма потерь давления (сопротивления) во
всех элементах градирни, Па.
Потери давления в элементах градирни определяются по формуле
Р; = £увУ;72&
где ^; - коэффициент сопротивления элементов градирни; ув-удельный вес воздуха, ув = рв g, Н/м3;рв
- плотность воздуха, кг/м3; V; - скорость движения воздуха в элементах градирни, м/с; g
-ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2.
Скорость движения воздуха в элементах градирни, м/с, определяется из выражения
Vi = GB/fc3600,
где GB - номинальная производительность вентилятора, м3/с, соответствующая максимальному
коэффициенту полезного действия; fc - площадь сечения элемента, м2.
При выборе вентилятора и размеров градирни (секции) в плане следует иметь в виду, что скорость
движения воздуха в оросителе должна быть в пределах от 2 до 4 м/с.
Аэродинамический расчет при привязке типовых проектов ведется для предварительно выбранной
конкретной градирни с известными коэффициентами сопротивлений элементов, их размерами и
типом вентилятора.
Градирни относятся к теплообменным аппаратам, в которых теплоноситель - вода - отдает тепло
охлаждающему агенту - воздуху - не через стенку, а путем непосредственного контакта. При этом
протекают сложные процессы тепломассообмена.
Тепловой расчет градирен может осуществляться по формулам теории испарительного
охлаждения либо по эмпирическим формулам и графикам охлаждения с использованием
экспериментальных данных [5].
При привязке типовых проектов градирен к конкретным условиям предпочтение отдают
эмпирическим графикам охлаждения.
50
Эмпирические графики охлаждения обычно устанавливают зависимость между температурой
воды и атмосферного воздуха и гидравлической нагрузкой. Расчет градирни по графикам сводится
к определению плотности орошения qK, м3/(м2ч), по температуре воды на входе в градирню tbD,
температуре воды на выходе из градирни t2, 0, и заданным расчетным параметрам наружного
воздуха - температуре воздуха по сухому термометру 9i D и относительной влажности наружного
воздуха ф,%, или только по температуре воздуха по влажному термометру х, Q Затем по плотности
орошения qx, и заданному расходу охлаждаемой воды Qo6, м3/ч, определяется суммарная площадь
орошения
Г ор ^об'Цж-
По суммарной площади орошения Fop, м2, и площади орошения одной градирни (секции) fop, м2,
определяется число градирен (секций) N.
С помощью графиков охлаждения возможно решать и обратную задачу, т. е. по заданной
плотности орошения qx определять температуру воды на выходе из градирни t2 при прочих
одинаковых условиях.
График охлаждения, предложенный Л. Д. Берманом (рис. 5.11), построен на основании обработки
опытных данных, полученных при испытаниях ряда промышленных капельных секционных
противоточных градирен. При построении графика принято: Xi = 20 D, xi/0i = 0,8; скорость воздуха
в оросителе со от 1,8 до 2 м/с для секционных градирен и от 2,2 до 2,4 м/с для одновентиляторной.
При других Xi (в пределах от 17 до 20 П) и х/9, (меньше 0,8) температура охлажденной воды, П,
может быть определена по формуле
t2* = t2 + (xi - 20) (0,9 - At/100) + 8(0,8 - х/00,
где t2* - температура охлажденной воды при заданных xi и Xi/0i; t2 - температура охлажденной воды
при X! = 20 D, xi/0i = 0,8 -определяется по графику на рис. 5.11.
Поскольку график построен для определенных скоростей воздуха в оросителе, то каждому
значению плотности орошения qx отвечает и определенное значение относительного расхода
воздуха X.
51
Рис. 5.11. График для расчета вентиляторных градирен, предложенный Л.Д. Берманом
Пример. Определить плотность орошения градирни при следующих условиях: ti = 35,8 Ц t2 = 25 Ц
х1 = 18П(ф = 48%).
Решение. По приведенной ранее формуле t2* = 25 + (18 - 20) [0,9 - (35,8 - 25)/100] + 8(0,8 - 18/25) =
24,1 Q
По графику на рис. 5.11 находим при t2* = 24,1 и At = ti -t2 = 10,8Dqx = 4,3м3/(м2-ч).
На рис. 5.12 приведен график охлаждения, разработанный ЛОТЭП для расчета противоточных
вентиляторных градирен с пленочным оросителем. Этот график дает возможность рассчитывать
градирни в диапазоне At от 6 до 20 Q
При условиях предыдущего примера по графику (рис. 5.12,6) при Xi = 18Пи t2 = 25Пполучаем t2' =
19,5 ППри этой температуре и At = 10 D по графику а (рис. 5.12) находим qx = 5,7 м3/(м2 -ч).
Обычно в пояснительной записке к типовым проектам градирен приводятся методика расчета и
необходимые параметры и графики охлаждения, позволяющие осуществить привязку градирни к
конкретным условиям.
52
Рис. 5.12. График для расчета противоточных вентиляторных градирен, предложенный ЛОТЭП: а
- график для определения плотности орошения при t2!; б - график для определения t2l при t2l Q\ и xi
Особое место занимают радиаторные (сухие) градирни(щс. 5.13), в которых вода охлаждается
воздухом без непосредственного контакта, через перегородку. Достоинством этих градирен
является отсутствие потерь воды и ее загрязнения, что имеет место в испарительных охладителях.
К недостаткам радиаторных градирен следует отнести невысокий эффект охлаждения; высокие
температуры охлажденной воды (всегда выше температуры воздуха, измеренной сухим
термометром); большой расход воздуха (в пять раз больше, чем в испарительных градирнях) и
соответственно большие энергозатраты; большую стоимость в связи с использованием
дорогостоящих цветных металлов для изготовления радиаторов. Поэтому радиаторные градирни
применяются, в основном, в маловодных районах с дефицитом и большой стоимостью воды, а
также в случаях, когда система заполняется специально подготовленной дорогостоящей водой
либо когда вода оборотной системы представляет опасность для окружающей среды.
53
Рис. 5.13. Радиаторная (сухая) градирня: 1 - радиаторы; 2 - вентилятор; 3 - диффузор; 4 - подвод
воздуха; 5 - подача воды на охлаждение; 6 - отвод охлажденной воды
Основным элементом сухой градирни (см. рис. 5.13) являются радиаторы, расположенные по ее
боковой поверхности. Радиаторы состоят из алюминиевых трубок с насаженными на них
алюминиевыми ребрами, которые увеличивают площадь контакта с охлаждающим воздухом,
соответственно поверхность теплопередачи и количество отводимого тепла. Охлаждаемая вода по
трубопроводам подается в верхнюю часть градирни и движется по трубкам радиаторов сверху
вниз. Внизу охлажденная вода собирается в коллектор и без разрыва струи по трубам отводится из
градирни.
Охлаждающий воздух омывает поверхность радиаторов,
54
двигаясь в направлении, поперечном направлению движения воды, поэтому такая градирня
называется поперечно-точной.
Охлаждение воды в радиаторных градирнях может быть интенсифицировано путем орошения
водой наружной поверхности радиаторов. При этом за счет расходования тепловой энергии на
испарение этой воды повышается общее количество тепла, отводимого от градирни. С целью
экономии воды орошение радиаторов производится только в наиболее жаркие периоды года.
55
5.2.5. Эжекционные охладители
Эжекционные охладители нашли применение в химической промышленности [4]. Воздух в них
поступает за счет эффекта эжекции, создаваемого потоком капель охлаждаемой воды,
распыленной с помощью специальных форсунок (рис. 5.14).
I »
Рис. 5.14. Эжекционный охладитель воды: 1 - подача охлаждаемой воды; 2 - форсунки; 3 - зона
контакта охлаждающего воздуха с каплями воды; 4 - дробитель; 5 - зона сепарации; 6 - резервуар
охлажденной воды; 7 - отвод охлажденной воды; 8 - вход охлаждающего воздуха; 9 - выход
воздуха из охладителя
Охлаждаемая вода подается в форсунки под давлением 0,2-0,4 МПа и образует, выходя из них,
капельный факел. Поток быстро летящих капель оказывает аэродинамическое воздействие на
окружающий воздух и передает ему часть своего импульса, т. е.
55
по мере движения капель жидкости постепенно уменьшается ее количество движения и капли
затормаживаются, а воздух (газ), наоборот, приобретает количество движения. Так как факел на
начальном участке расширяется, в его полость эжектируется все большее количество воздуха. В
зоне контакта охлаждаемой воды с воздухом 3 происходит передача тепла и охлаждение воды.
Дополнительное дробление капель воды на дробителе 4 повышает эффект охлаждения воды за
счет обновления поверхности контакта воды и воздуха. Из зоны 3 воздух поступает в сепаратор 5,
где отделяется от захваченных мелких капель воды и выходит из охладителя.
Достоинствами эжекционных охладителей являются простота конструкции и эксплуатации, а
также возможность установки непосредственно в производственных цехах.
56
5.3. Испарительное охлаждение
Системы испарительного охлаждения были разработаны СМ. Андоньевым [2] и внедрены на
металлургических заводах для охлаждения нагревательных печей. Сущность испарительного
охлаждения состоит в использовании скрытой теплоты парообразования. Охлаждающая вода
подается к охлаждаемому оборудованию с температурой 30 Q В процессе охлаждения она
нагревается до кипения и отводится в виде пара. При этом каждый килограмм воды за счет
скрытой теплоты парообразования отводит 2160 кДж тепла. Кроме того, за счет нагрева воды от
температуры 30 Пдо температуры кипения еще расходуется 294 кДж/кг. В итоге при
испарительном охлаждении 1 кг воды отводит 2160 + 294 = 2424 кДж тепла. При водяном
охлаждении и перепаде температур At = 10 D 1 кг воды отводит 4,19' 10 = 41,9 кДж тепла.
Следовательно, при испарительном охлаждении для отвода одного и того же количества тепла
потребуется практически в 60 раз меньше воды.
Система испарительного охлаждения предусматривает многократную циркуляцию воды и
использование образовавшегося пара в качестве теплоносителя с возвратом конденсата в
циркуляционную систему. Из-за высокой температуры система испарительного охлаждения
заполняется и подпитывается водой, освобожденной от солей жесткости и лишенной
коррозионных свойств.
Принципиальная схема системы испарительного охлаждения нагревательных печей приведена на
рис. 5.15.
56
а I
КвнВакт Кондюсот
Рис. 5.15. Схемы систем испарительного охлаждения: а - с естественной циркуляцией; б - с
принудительной циркуляцией; 7 - охлаждаемые элементы печи; 2 - бак-сепаратор; 3 - опускная
труба; 4 - подъемная труба; 5 - потребитель пара; б - химводоочистка; 7 - насосная станция; 8 -
подпитка; 9 - циркуляционный насос
Охлаждаемое оборудование соединено трубопроводами с баком-сепаратором, образуя
циркуляционный контур. Из бака-сепаратора вода по опускной трубе гравитационно (рис. 5.15,а)
или с помощью насоса (рис. 5.15,6) подводится к охлаждаемому оборудованию. Образовавшаяся
при отборе тепла пароводяная смесь по подъемной трубе поднимается и поступает в бак-
сепаратор, в котором происходит разделение пара и воды. Полученный пар используется как
теплоноситель на технологические нужды, а конденсат возвращается в циркуляционную систему,
предварительно пройдя подготовку на установке химводоочистки. Потери воды в системе
восполняются химически очищенной подпиточной водой.
Испарительное охлаждение имеет ряд преимуществ перед водяным. В этой системе при
изменении тепловой нагрузки происходит саморегулирование процесса охлаждения вследствие
изменения турбулизации пароводяной смеси, расход воды по сравнению с системой водяного
охлаждения уменьшается в несколько десятков раз, срок службы охлаждаемых элементов
увеличивается, исключается прогар деталей, не требуется применения охладительных устройств
57
(градирен, прудов, брызгальных бассейнов), водоводов больших диаметров и мощных насосных
станций. Тепло, которое отводит охлаждающая вода, можно использовать без усложнения условий
эксплуатации, так как система охлаждения не зависит от режима работы потребителей тепла.
58
5.4. Воздушное и воздушно-испарительное охлаждение
Как было отмечено ранее, на охлаждение оборудования и продукта расходуется громадное
количество воды. При этом приходится создавать сложные и дорогостоящие системы оборотного
водоснабжения, особенно, если в процессе потребления вода еще и загрязняется. Кроме того, для
обеспечения теплового баланса в оборотных системах предусматриваются охлаждающие
устройства, в которых тепло от воды передается окружающему воздуху. Естественно возникает
вопрос, не целесообразнее ли использовать окружающий воздух непосредственно для охлаждения
оборудования и продукта. Это исключает необходимость создания промежуточных систем
водяного охлаждения, позволяет избежать связанных с этим потерь воды и загрязнения
окружающей среды.
Несомненно, замена воды на воздух потребует серьезного изменения конструкции охлаждаемого
оборудования в связи с низкой теплоемкостью воздуха по сравнению с теплоемкостью воды. В то
же время находят все большее применение для охлаждения жидкого продукта аппараты
воздушного охлаждения (взамен водяного) на предприятиях нефтеперерабатывающей и
химической промышленности. Они располагаются непосредственно в пределах технологической
установки. Один из таких аппаратов показан на рис. 5.16.
Охлаждаемый продукт по трубопроводу 1 поступает в секцию холодильника 2, представляющую
собой два ряда оребренных труб, собранных в виде змеевика в дефлекторе 3 (ограждающая
конструкция). Секции холодильника уложены на металлическую конструкцию 4 с опорами 5.
Вентилятором 6 с лопастями, приводимыми в движение электродвигателем 7, через опорный
редуктор 5, по коллектору 9 и диффузору 10 нагнетается атмосферный воздух, омывающий
оребренные трубы, внутри которых протекает охлаждаемый продукт. Продукт уходит из
холодильника по трубе 11, а нагревшийся воздух - в окружающую атмосферу. Эффект охлаждения
продукта в аппарате повышается при увлажнении воздуха водой,
58
распыляемой из трубы 72, Центральная часть вентилятора на входе воздуха защищена
специальным колпаком 13.
Рис. 5.16. Аппарат воздушно-испарительного охлаждения: 1 - подача нагретого продукта; 2 -
трубчатый теплообменник (холодильник); 3 - корпус дефлектора; 4 - металлическая конструкция;
5 - опоры; 6 - вентилятор; 7 - электродвигатель вентилятора; 8 - редуктор; 9 - коллектор; 10 -
диффузор; 11 - отвод охлажденного продукта; 12 - перфорированная труба для увлажнения
воздуха; 13 - колпак для защиты механизмов вентилятора
При увлажнении воздуха капли воды попадают на оребренную поверхность теплообменника и
испаряются, отводя дополнительное количество тепла, поэтому такие аппараты можно отнести к
классу аппаратов воздушно-испарительного охлаждения.
По данным Гипронефтемаша [14], стоимость устройства и эксплуатации воздушного охлаждения
ниже, чем водяного, примерно в 2,3 раза. Кроме того, с применением воздушных конденсаторов
расход воды снижается, например, по нефтеперерабатывающему заводу на 30-70 % от общего ее
расхода на предприятии при водяном охлаждении продукта; к тому же получается экономия
электроэнергии.
59
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
6.1. Общие положения
В настоящей главе рассмотрены некоторые особенности подготовки воды природных источников
водоснабжения для целей производственного водоснабжения, отличные от подготовки воды
питьевого качества, технология получения которой читателям уже известна.
При подготовке воды в хозяйственно-питьевых водопроводах независимо от размеров населенных
пунктов и качества воды источников водоснабжения должна быть получена вода,
соответствующая требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода", В соответствии с
требованиями питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном
отношении, безвредна по химическому составу, иметь благоприятные органолептические
свойства. При подготовке ее из воды источника извлекаются практически все нерастворенные
примеси, нежелательные растворенные и коллоидные примеси, вода обеззараживается.
В отличие от населенных пунктов на промышленных предприятиях имеется всегда много
(десятки, сотни) производственных водопотребителей, каждый из которых может предъявлять
свои требования к качеству воды. Именно многообразие требовании к качеству воды со стороны
производственных водопотребителей приводит к необходимости применения разнообразных
методов и сооружений подготовки воды разного качества, что и является основной особенностью
подготовки воды в производственном водоснабжении.
Обычно на промышленных предприятиях создается несколько систем водоснабжения с
различным качеством воды. Кроме этого, в ряде случаев устраиваются дополнительные установки
подготовки воды со специфическими требованиями для отдельных водопотребителей.
При подготовке воды для производственных целей в зависимости от требований к качеству воды
наиболее часто производятся частичное и более глубокое удаление из воды нерастворенных
примесей (осветление воды), умягчение и обессоливание воды, удаление из воды отдельных
примесей, например железа, марганца,
60
кремния и др., дегазация и стабилизация воды.
В настоящем учебном пособии будут рассмотрены особенности осветления воды только для целей
производственного водоснабжения.
61
6.2. Осветление воды для целей производственного водоснабжения
При подготовке воды для целей производственного водоснабжения очень часто требуется
различная степень извлечения из воды нерастворенных (механических) примесей, определяемых
показателем "мутность". При этом отдельные потребители могут предъявлять требования не
только по общему показателю мутности, но и по размерам частиц.
Для осветления воды природных источников в производственных водопроводах могут
применяться все известные методы и сооружения. В зависимости от качества воды источника
водоснабжения и требований водопотребителей применяются процеживание на сетчатых
фильтрах, удаление примесей в центробежном поле на гидроциклонах, осветление воды
отстаиванием и флотацией, фильтрованием через зернистые материалы на фильтрах, мембранной
технологией и др.
Выбор метода и состава сооружений в каждом конкретном случае осуществляется на основании
анализа требований к качеству воды и показателей качества воды источника в результате технико-
экономической оценки возможных вариантов. При этом предпочтение отдается безреагентным
методам и сооружениям осветления воды, позволяющим создать компактные
высокопроизводительные установки заводского изготовления с простой эксплуатацией.
6.2.1. Сетчатые установки
Сетчатые установки применяются для извлечения из воды механических примесей различной
степени дисперсности. В зависимости от технических характеристик сеток (размеров и форм
ячеек, типа плетения сеток), конструктивных отличий и режимов работы установок исходная вода
может очищаться от крупных механических примесей, мелкодисперсной взвеси, планктона, и ряда
других
61
примесей, содержащихся в воде.
Примеси могут задерживаться на рабочей поверхности сеток или непосредственно, или после
образования на сетке искусственного или естественного фильтрующего слоя. В первом случае на
сетке будут оставаться только частицы, размеры которых больше размеров ячеек сеток. Во втором
случае эффект осветления будет зависеть от структуры слоя, созданного на поверхности сетки.
Достаточно широкий диапазон размеров отверстий сеток позволяет сетчатым установкам играть
роль как самостоятельных, так и вспомогательных устройств в сооружениях подготовки воды.
Самостоятельное назначение сетчатые установки приобрели в системах, водопотребители которых
предъявляют требования только по фракционному составу взвешенных веществ и содержанию
планктона в воде. В этом случае сетки являются единственным сооружением, извлекающим
нежелательные примеси из воды. Обычно это системы охлаждения крупного оборудования в
энергетике и других отраслях промышленности, в воде которых допускается содержание
взвешенных веществ размером менее 30-40 мкм.
Очень часто сетчатые установки используются как вспомогательные сооружения для защиты
оборудования от попадания крупного, особенно, волокнистого мусора (насосное оборудование,
дренажи фильтров и др.), для улучшения технико-экономических показателей работы сооружений
(снижение числа промывок фильтров, уменьшение объема осадка в отстойниках), защиты
сооружений от планктона и др.
Сетчатые установки систематизируются по ряду признаков:
по степени очистки воды - могут быть грубой (сетки водозаборов, фильтров скважин и др. с
размерами ячеек 0,5 мм и более) и тонкой (микрофильтры с размерами ячеек 100-40 мкм) очистки;
по способу создания разности давления до и после сетки - могут быть безнапорные
(гравитационные), напорные и вакуумные;
по периодичности действия - подразделяются на непрерывного (при восстановлении
фильтрующей способности сетки без отключения из работы) и периодического (при
необходимости отключения сетки для восстановления фильтрующей способности) действия;
по способу восстановления фильтрующей способности сеток -могут быть с промывкой сеток
водой, продувкой воздухом, с использованием механических, вибрационных, электроимпульсных,
ультразвуковых и других устройств;
62
по конструкции рабочих элементов - подразделяются на плоские, ленточные, цилиндрические и
конические;
по числу сеток в сетчатом полотне - могут быть однослойные и многослойные;
по способу закрепления - подразделяются на неподвижные и подвижные.
Основным элементом сетчатых установок, определяющим их технологические параметры,
является сеточное полотно. Основные требования к сетчатым материалам, применяемым в
установках систем водоснабжения, сводятся к следующему:
сеточное полотно должно обеспечивать необходимую степень очистки воды при наименьших
значениях потерь напора;
форма отверстий ячеек сетки, характер поверхности, способ соединений нитей должны
обеспечивать возможность очистки сеток от задержанных загрязнений для восстановления
начальной пропускной способности;
материал, из которого изготавливаются сетки, должен обладать механической прочностью и
химической стойкостью.
В сетчатых установках систем водоснабжения наиболее широко применяются сетки
металлические проволочные тканые, которые выпускаются промышленностью в соответствии с
действующими стандартами. В государственных стандартах сетки классифицируются по способу
соединения проволок, размерам отверстий, плотности, роду металла, виду покрытия, форме
поперечного сечения проволок и др. [6].
Конструктивное решение сетчатых установок зависит от их назначения и места установки в
системе водоснабжения.
Практически все водозаборные сооружения оборудуются сороудерживающими сетками, а в
некоторых случаях и рыбозащитными [9]. Сороудерживающие сетки водозаборов малой
производительности выполняются плоскими, съемными. Для очистки от задержанного мусора эти
сетки периодически извлекаются на поверхность и промываются. На крупных водозаборах
устанавливаются ленточные вращающиеся сетки, промывка которых может быть
автоматизирована. Размер ячеек сеток водозаборов обычно колеблется от 0,5x0,5 до 5,0x5,0 мм.
Сетки водозаборов в ряде случаев являются единственным очистным сооружением систем
производственного водоснабжения, например систем охлаждения конденсаторов турбин тепловых
электростанций и др.
63
Широкое применение в коммунальном водоснабжении нашли безнапорные барабанные сетки и
микрофильтры [9]. Барабанные сетки используются для защиты дренажа и фильтрующей загрузки
от засорения мусором, а микрофильтры - для извлечения из воды планктона. Для аналогичных
целей эти аппараты применяются и в промышленном водоснабжении.
Однако в системах производственного водоснабжения предпочтение отдается напорным сетчатым
фильтрам с регенерацией сеточного полотна без выключения сетки из работы. Напорные аппараты
значительно упрощают высотно-технологическую схему водоочистных сооружений и позволяют
создавать высокопроизводительные, компактные установки. Возможность регенерации сетки без
выключения сетчатого фильтра из работы позволяет поддерживать постоянную
производительность сооружений. Рассмотрим некоторые конструкции напорных
само промывающихся сетчатых фильтров.
Конусная водоочистная сетка конструкции ВНИИ ВОДГЕО (рис. 6.1) устанавливается
непосредственно на трубопроводе, по которому движется очищаемая вода.
ffjimtwim* Лфв
Btm*
Рис. 6.1. Конусная водоочистная сетка: 1 - патрубок с фланцами (корпус сетки); 2 - опорное
кольцо сетчатого конуса; 3 - сетчатый конус; 4 - вращающееся промывное устройство; 5 и 7 -
подшипники; 6 - ось вращения промывного устройства; 8 - неподвижная труба; 9 - сопла; 10 -
отвод промывной воды
Корпус сетки 1 выполнен в виде патрубка с присоединительными фланцами. Внутри корпуса
приварено опорное кольцо 2, к
64
которому крепится сетчатый конус 3. Внутри сетчатого конуса в подшипниках 5 и установлено
вращающееся реактивное промывное устройство 4, оборудованное соплами 9. Кроме того,
имеется трубопровод 8 для подвода промывной воды к промывному устройству и патрубок 70 с
задвижкой для отвода смытых загрязнений из корпуса сетки.
Сетчатое полотно конуса может быть с ячейками от 0,25x0,25 до 4x4 мм в зависимости от
характера задерживаемых примесей и требований к качеству очищенной воды.
При работе сетки исходная вода фильтруется через сетчатый конус в направлении снаружи внутрь
и извлеченные примеси задерживаются на наружной поверхности сетки. При подаче воды к
промывному устройству она выходит из сопел с большой скоростью и изнутри смывает с сетки
загрязнения. При этом сопла расположены так, что создается реактивное вращательное движение
промывного устройства и осуществляется равномерная промывка всего сеточного полотна.
Смытые загрязнения отводятся с промывной водой через патрубок 10. Расход промывной воды
составляет около 2 % от количества профильтрованной воды. Потери напора на сетке не должны
превышать 0,25 м. Конусная сетка может устанавливаться на трубопроводе в горизонтальном или
вертикальном положении конусом вверх. В частности, такие сетки могут применяться для очистки
охлаждающей воды от крупных примесей, внесенных с воздухом в охладителях.
Высокопроизводительные напорные сетчатые фильтры (ВСФ) с автоматической промывкой
сетчатого полотна (рис. 6.2) разработаны ВНИИхиммаш (Москва) и выпускаются заводом
Пензхиммаш. Предназначены они для очистки воды от механических примесей, размеры которых
больше размеров ячеек фильтрующего сетчатого полотна, имеют большую производительность
при сравнительно небольших размерах. Так, фильтр ВСФ-2000 при диаметре корпуса 2 м имеет
производительность 1700-2000 м3/ч, скорость фильтрации 600-700 м/ч и задерживает
механические примеси размером 0,05 мм и более.
Фильтр состоит из корпуса 7 (см. рис. 6.2), являющегося отсеком чистой воды, в котором крепятся
два фильтрующих элемента 2. К корпусу приварен выходной штуцер 3. Фильтрующий элемент
состоит из двух перфорированных дисков, между которыми зажат пакет сеток. К корпусу на
фланцах крепятся крышка 4 и днище 5,
65
являющиеся отсеком исходной воды. К крышке фильтра приварены входной штуцер б, люк для
осмотра 7 и устройство для крепления привода. Днище оборудовано входным штуцером 8, люком
для осмотра 9 и устройством для вывода промывной воды 10. К днищу приварены три
цилиндрические опоры 77.
Рис. 6.2. Схема сетчатого фильтра ВСФ-2000: 1 - корпус; 2 - сетчатые фильтрующие элементы; 3 -
выходной штуцер; 4 - крышка; 5 - днище; 6 и 8 - входные штуцера; 7 и 9 - люки; 10 - отвод
промывной воды; 11 - цилиндрические опоры; 12 - полый вал; 13 - короба; 14- электропривод
промывного устройства
Промывное устройство предназначено для очистки фильтрующих элементов и состоит из полого
вала 72, двух коробов 73, соединяющихся с валом коленом. В верхней части вал соединен с
66
приводом, в нижней - со штуцером для отвода промывной воды. Короба плотно прижаты к
поверхности перфорированных дисков фильтрующих элементов специальными пружинами, а при
работе фильтра дополнительно прижимаются к дискам давлением воды. Перемещение коробов во
время промывки осуществляется при помощи водила, имеющего форму рамки, неподвижно
закрепленной на валу.
Привод 14 предназначен для вращения промывного устройства и состоит из мотор-редуктора и
пары зубчатых колес, обеспечивающих частоту вращения вала промывного устройства 2,2 об/мин.
Фильтр комплектуется электрифицированными задвижками на входе, выходе, отводе промывной
воды и запасной (обводной) линии, служащей для предохранения от разрушения фильтрующего
элемента при достижении перепада давления 0,1 МПа (1 кгс/см2), а также оборудованием для
автоматического управления работой фильтра.
Во время работы фильтра исходная вода подается через входные штуцера, проходит через
фильтрующие элементы в средний отсек и отводится к потребителю.
Очистка исходной воды от механических примесей осуществляется непрерывно по всей площади
фильтрующих элементов за исключением участков, закрытых промывочными коробами.
Промывка фильтрующих элементов осуществляется обратным током воды, проходящей из
чистого отсека через сетку в промывочный короб и полый вал за счет разности давлений в чистом
отсеке и полом валу, соединенном на отводе с атмосферой. Промывка всей фильтрующей
поверхности осуществляется перемещением промывочных коробов при вращении вала. Процесс
промывки идет без выключения фильтра из работы.
Автоматическое включение промывного устройства осуществляется в зависимости от величины
перепада давления в отсеках исходной и чистой воды. Величина перепада увеличивается по мере
загрязнения фильтрующей сетки. При достижении заданной величины перепада, обычно 0,05-0,08
МПа (0,5-0,8 кгс/см3), включается привод промывного устройства и открывается задвижка на
отводе промывной воды. Длительность промывки определяется в процессе эксплуатации и
задается на реле времени.
67
6.2.2. Гидроциклоны
Процесс осветления воды в гидроциклоне осуществляется под действием центробежной силы,
возникающей вследствие интенсивного вращения потока воды при тангенциальном впуске ее в
гидроциклон (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Напорный гидроциклон: 1 - сменная насадка; 2 - коническое днище; 3 - корпус; 4 -
входное отверстие; 5 - отвод осветленной воды; 6 - сменные вкладыши; Н - полная высота; D -
диаметр цилиндрической части
Величина этой силы определяется по формуле
Р = 7id3(pT - p,)V76R,
где d - эквивалентный диаметр частиц, см; рт и рж - плотность соответственно твердой и жидкой
фаз, г/см3; V - скорость движения воды в питающем отверстии при входе в гидроциклон, см/с; R
-радиус гидроциклона, см.
Из формулы видно, что центробежная сила тем больше, чем больше скорость входа, размер и
плотность частиц и меньше радиус гидроциклона.
Гидроциклоны могут быть напорными и безнапорными (открытыми), применяются для
предварительного осветления высокомутных вод, выделения крупных частиц из суспензий
(известковое
68
молоко) и в других случаях. Они имеют небольшую стоимость, но достаточно энергозатратны, так
как требуется энергия на создание достаточно высокой входной скорости, а поэтому, напорные
гидроциклоны наиболее целесообразны при периодическом их применении, например, при
предварительном осветлении воды во время паводков.
Напорный гидроциклон (см. рис. 6.3) состоит из цилиндрического корпуса 3 с вытянутым
коническим днищем 2, заканчивающимся сменной насадкой 1 с калиброванным отверстием для
отвода выделенных из воды примесей. Исходная вода подается в гидроцикпон через
тангенциально расположенный патрубок и входное отверстие 4. При вращении воды частицы
взвеси отбрасываются к стенке корпуса и сползают по ней в коническое днище, из которого
отводятся через отверстие насадки 1. Осветленная вода отводится из центра корпуса через
патрубок 5.
Промышленностью выпускаются напорные гидроциклоны с диаметром цилиндрического корпуса
от 50 до 500 мм.
Напорные гидроциклонные установки можно рассчитывать с использованием экспериментальных
кривых осаждения (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Кривые для определения диаметра гидроциклона и потерь напора в нем при разной
гидравлической крупности осаждаемых частиц
По требуемому эффекту осветления определяют расчетную гидравлическую крупность частиц и0 и
по кривым осаждения находят диаметр гидроциклона и потери напора в нем. Очевидно, что эта
задача не имеет однозначного решения, поэтому анализируют несколько подходящих
гидроциклонов и окончательный размер
69
гидроциклона определяют технико-экономическим расчетом.
Производительность гидроциклона, м3/ч, по осветленной воде определяется по формуле
q0CB = 3600a(j,rro\2gAH,
где a - коэффициент, учитывающий потерю части воды с осадком; a = 0,85-0,90; \хт - коэффициент
расхода гидроциклона; со - площадь живого сечения питающего отверстия, м2; ЛН - потери напора
в гидроциклоне, м.
Коэффициент расхода гидроциклона можно определить из выражения
[iT= 0,24d/dn,
где d - диаметр сливного патрубка, см; dn - эквивалентный диаметр питающего отверстия (диаметр
круга, равновеликого площади питающего отверстия), см.
Необходимое число гидроциклонов рассчитывается по формуле
Nr = Q/q0CB
где Q - полезная производительность установки, м3/ч.
Количество воды, подаваемой насосами на установку,
QH = Q/a.
Ввиду малых диаметров напорных гидроциклонов и соответственно малой единичной
производительности для получения требуемой производительности приходится устанавливать
несколько (даже десятки) гидроциклонов в одном блоке. Для уменьшения количества арматуры и
трубной обвязки гидроциклоны малых диаметров объединяют в одном корпусе, образуя так
называемые мультициклоны (рис. 6. 5).
Большой интерес представляют многоярусные низконапорные гидроциклоны, разработанные во
ВНИИ ВОДГЕО В. Г. Пономаревым и И. В. Скирдовым (рис. 6.6).
70
Рис. 6.5. Мультициклон: 1 - корпус; 2 - гидроциклоны; 3 - камера исходной воды; 4 - камера
осветленной воды; 5 - камера шлама (пульпы); 6 - подача исходной воды; 7 - отвод осветленной
воды; 8 - отвод шлама
Рис. 6.6. Многоярусный низконапорный гидроциклон: 1 - водосборный желоб; 2 полупогружная
кольцевая стенка; 3 - аванкамеры; 4 - ярусы; 5 - шламоотбойные козырьки; 6 - водоподающие
трубы; 7 - труба для удаления всплывших веществ; 8 - труба для удаления шлама; 9 - шламо-
сборная труба; 10 - конические диафрагмы; 11 - выпуски; 12 - распределительные лопатки
71
В основе конструирования многоярусных гидроциклонов лежит идея более полного
использования объема сооружения и уменьшения расчетной продолжительности пребывания в
нем очищаемой воды при одной и той же степени ее очистки.
Очищаемая вода подается в три аванкамеры, оборудованные водораспределительными
устройствами, с помощью которых водный поток делится поровну между ярусами гидроциклона.
Это способствует более полному использованию расчетного объема сооружения и тем самым
повышению эффекта его работы.
Вода из аванкамер в циклон подается через общие для всех ярусов щели, расположенные по
окружности через 120°. Войдя в циклон, вода движется по спирали к центру. При этом тяжелые
взвешенные частицы выпадают на нижнюю диафрагму каждого яруса и по ней сползают к центру.
Далее осадок через кольцевую щель, объединяющую все ярусы, направляется в коническую часть
гидроциклона.
Выделяющиеся в ярусах легкие примеси всплывают к верхним диафрагмам ярусов, по
образующей поднимаются под верхнюю диафрагму и по трубам направляются на поверхность.
Накопившиеся на поверхности легкие примеси удаляются из гидроциклона через воронки.
Осветленная вода через три тангенциальных выпуска поступает в центральную часть сооружения,
откуда отводится через кольцевой водослив в водосборный желоб.
Производительность многоярусного гидроциклона, м3/ч, определяется по формуле
Q = 3,6 7in(R2 - r2)u0,
где п - число ярусов; R - радиус вращения, м; г - радиус шламоотбойных козырьков, м; и0 -
гидравлическая крупность частиц, мм/с.
Безнапорные гидроциклоны могут иметь диаметр от 2,0 до 6,0 м и применяться вместо
отстойников для удаления грубо дисперсных примесей как из природной воды, так и из сточной
воды в оборотных системах водоснабжения. Подробнее о многоярусных низконапорных
гидроциклонах можно прочитать в книге
72
И. В. Скирдова, ВТ. Пономарева "Очистка сточных вод в гидроциклонах" (М.: Стройиздат, 1975).
73
6.2.3. Отстойники
Осветление воды отстаиванием широко применяется в системах производственного
водоснабжения. Для этих целей могут использоваться все известные типы отстойников.
В отличие от городских водопроводов, где осуществляется отстаивание коагулированных
примесей воды, в производственном водоснабжении широко используется частичное осветление
воды без коагуляции примесей. Это накладывает свой отпечаток на конструктивные особенности
отстойников, применяемых в производственном водоснабжении.
В отстойниках для осветления воды с коагуляцией примесей предусматриваются встроенные
камеры хлопьеобразования и гидравлическое удаление образовавшегося пластичного (текучего)
осадка. Конструкции таких отстойников уже знакомы читателям по курсу подготовки воды
питьевого качества.
При отстаивании воды без коагуляции примесей образуется плотный, малоподвижный осадок, для
удаления которого требуется его механическое сгребание со дна отстойника либо гидравлический
смыв струями с остановкой и опорожнением отстойника. Последний способ чрезвычайно сложен,
трудоемок и применяется только в старых действующих отстойниках.
Для осветления воды без коагуляции примесей в производственном водоснабжении применяются
вертикальные отстойники (при малой производительности системы водоснабжения), а также
горизонтальные и радиальные отстойники, оборудованные скребковыми механизмами (при
большой производительности).
Наибольшее применение получили радиальные отстойники (рис. 6.7), представляющие собой
круглый бассейн, в котором вода движется горизонтально от центра к периферии (по радиусу).
Исходная вода по трубопроводу 1, уложенному по неподвижной ферме 2, подается в центральную
распределительную трубу 11 Отсюда вода поступает в распределительную решетку 12 и движется
в радиальном направлении к периферийному лотку 5. При этом благодаря увеличивающемуся
сечению потока горизонтальная скорость движения воды уменьшается, что повышает эффект
73
осветления. Осветленная вода собирается в лотке 5, откуда по трубе отводится из отстойника.
Рис. 6.7. Радиальный отстойник: 1 - подающий трубопровод; 2 - неподвижная ферма; 3 -
приводная тележка; 4 - круговой рельс по стенке отстойника; 5 - периферийный лоток для сбора
осветленной воды; б - указатель скорости; 7 - подвижная ферма; 8 - скребки; 9 - проходной
тоннель; 10 - всасывающая труба шламовых насосов; 11 - распределительная труба; 12 - решетка;
13 - центральная опора; 14 - труба для подачи воды на размыв осадка в приямке; 15 -
затвор 16доска для выравнивания кромки лотка
Выпавший на дно отстойника осадок сдвигается к центру скребками 8, закрепленными на
подвижной ферме 7. Ферма вращается вокруг центра с помощью электроприводной тележки 3,
движущейся по рельсу 4, уложенному по борту отстойника. Другой конец вращающейся фермы
опирается на центральную опору 13 с помощью специальной головки. Собранный в центральном
приямке осадок шламовыми насосами по трубе 10 периодически откачивается из отстойника на
дальнейшую обработку. Для обеспечения
74
подвижности уплотнившегося в приямке осадка перед откачкой он разрыхляется водой,
подаваемой по трубе 14.
Приводная тележка 3 движется по рельсу со скоростью 2-3 м/мин. Для контроля за скоростью
движения тележки предусматривается указатель скорости 6.
Важнейшим для обеспечения эффективной работы радиального отстойника является обеспечение
равномерного сбора воды по периметру лотка 5. Для этого используется доска 16, с помощью
которой обеспечивается строгая горизонтальность кромки водослива лотка. Лучшего эффекта
можно добиться, если сбор воды в лоток осуществлять через затопленные отверстия в стенке
лотка.
Радиальные отстойники строятся диаметром от 18 до 60 м. Если расчетом диаметр отстойника
получается меньше 18 м, то применяются вертикальные отстойники с коническим
осадкоуплотнителем. При этом угол между стенками осадкоуплотнителя должен быть не более
70°.
Площадь радиальных отстойников, м2, определяется по формуле
F = O^q/uo)1-07 + f,
где q - расчетный расход, м3/ч; и0 - расчетная гидравлическая крупность частиц, которые нужно
осадить для обеспечения требуемого эффекта осветления, мм/с; f - площадь центральной вихревой
зоны, которая может быть принята в пределах от 20 до 40 м2 на каждый отстойник.
Количество рабочих отстойников должно быть не менее двух.
Глубина воды в отстойнике у водосборного лотка принимается 1,0-1,5 м. Днище отстойника
делается с уклоном 0,1 к центральному приямку.
Эффект осветления воды отстаиванием без коагуляции примесей зависит от их гидравлической
крупности и может колебаться в пределах от 50 до 90 %. При этом содержания взвешенных
веществ в отстоянной воде меньше 20-50 мг/л добиться не удается. В силу этого отстойники как
окончательная ступень осветления воды применяются в том случае, когда содержание взвешенных
веществ в осветленной воде не должно превышать 50 мг/л. При необходимости более глубокого
осветления воды после отстойников устанавливаются зернистые фильтры.
75
6.2.4. Напорные зернистые фильтры
Осветление воды фильтрованием через зернистые материалы широко применяется для подготовки
воды в тех случаях, когда содержание взвешенных веществ в осветленной воде не должно
превышать 10 мг/л. При этом содержание взвешенных веществ в воде поступающей на фильтры
не должно быть более 50 мг/л. В противном случае ввиду ограниченной грязеемкости зернистых
фильтров получаются очень короткие фильтроциклы и требуются большие расходы воды на
промывку фильтров.
В системах производственного водоснабжения предпочтение отдается напорным зернистым
фильтрам.
Напорные фильтры обладают определенными достоинствами перед безнапорными.
Во-первых, они позволяют подавать осветленную воду под остаточным напором непосредственно
водопотребителю. Это исключает необходимость наличия насосных станций второго подъема и
емкостей осветленной воды.
Во-вторых, в них можно создавать большие скорости фильтрования и тем самым получать
компактные, высокопроизводительные установки частичного осветления воды.
В-третьих, напорные фильтры изготавливаются заводами серийно и поставляются на объекты
комплектно. Это позволяет осуществлять монтаж и пуск в работу фильтровальных установок в
очень короткие сроки.
В-четвертых, благодаря отсутствию открытой поверхности воды они не создают дополнительной
влажности в помещении и могут располагаться непосредственно в производственных цехах
основной технологии.
В-пятых, напорные фильтровальные установки могут быть быстро реконструированы либо
демонтированы.
К недостаткам напорных фильтров следует отнести сложность контроля за состоянием
фильтрующей загрузки и малые единичные площади серийных фильтров. Максимальная площадь
выпускаемых напорных фильтров составляет 9,0 м2 при диаметре 3,4 м, поэтому на крупных
фильтровальных станциях требуется установка большого количества напорных фильтров с
соответствующим количеством арматуры.
Отечественной промышленностью выпускаются напорные
76
осветлительные зернистые фильтры вертикальные однокамерные (рис. 6.8,а), вертикальные двух-
и трехкамерные (рис. 6.8,6) и горизонтальные (рис. 6.8,в).
f
I
Рис. 6.8. Напорные осветлительные зернистые фильтры: а - вертикальный однокамерный; б -
вертикальный двухкамерный; в - горизонтальный; 1 - корпус; 2 и 3 - штуцера соответственно для
гидравлической загрузки и выгрузки фильтрующего материала; 4 - люк-лаз; 5 - верхняя
распределительная система; 6 - нижняя распределительная система (дренаж); 7 - подача исходной
воды; 8 - отвод осветленной воды; 9 - отвод первого фильтрата; 10 - подача воды на промывку
фильтра; 11 - отвод промывной воды; 12 - подвод сжатого воздуха; 13 - фильтрующая загрузка
Напорный фильтр состоит из стального сварного корпуса 7, к которому приварены штуцера 2 и 3
для гидравлической загрузки и выгрузки фильтрующего материала, люк 4 в фильтрах малых
диаметров или люк-лаз в фильтрах больших диаметров, фланцы для присоединения
трубопроводной обвязки.
Внутри фильтра монтируется верхняя 5 и нижняя 6 распределительные системы. Верхняя
распределительная система обеспечивает равномерное распределение исходной воды по площади
фильтра и сбор промывной воды. Нижняя распределительная система
77
(дренаж) обеспечивает сбор фильтрованной воды и равномерное распределение промывной воды
по площади фильтра.
Трубопроводная обвязка фильтра заканчивается задвижками, обеспечивающими подачу исходной
воды 7, отвод фильтрованной воды 8 и первого фильтрата 9, подачу 10 и отвод 11 промывной
воды. Кроме того, имеется штуцер с заглушкой 12 для присоединения сжатого воздуха для
водовоздушной промывки фильтров.
Все перечисленное оборудование поставляется заводом-изготовителем комплектно. Кроме того, в
комплект поставки входят пробоотборники, два манометра с трехходовыми кранами, трубопровод
с арматурой для выпуска воздуха и крепеж.
В комплект поставки не входит фильтрующая загрузка, которая подбирается в каждом конкретном
случае в соответствии с условиями фильтрования. В качестве фильтрующей загрузки могут
использоваться кварцевый песок, дробленый кварц, антрацит, горные породы, а также другие
зернистые материалы, соответствующие требованиям, предъявляемым к фильтрующим загрузкам.
Основные технические характеристики напорных осветлительных зернистых фильтров приведены
в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Тип фильтра
Вертикальный
однокамерный
Вертикальный
двухкамерный
Вертикальный
трехкамерный
Горизонтальный
Рабочее
давление,
МПа
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0.6
0,6
0,6
0,6
0,6
Диаметр,
м
ОД
1,4
2,0
2,6
3,0
3,4
3,4
3,4
3,0
3,0
Длина,
м
—
—
—
5,5
10,5
Площадь
фильтрования, м2
0,80
1,54
3,14
5,3
7,0
9,1
18,2
27,3
15,0
30,0
Высота
загрузки, м
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,9x2
0,9x3
1,25
1,25
Конструктивные схемы вертикального однокамерного и горизонтального фильтра приведены
соответственно на рис. 6.9 и рис. 6.10.
78
,,^,:'Z:S,:
;-. шабрил*
In&ff
ff-5
Рис. 6.9. Фильтр осветлительный вертикальный однокамерный ФОБ-1.4-0.6: 7 - подача исходной
воды; 2 - отвод осветленной воды; 3 - подача воды на промывку; 4 - отвод промывной воды; 5 -
отвод первого фильтрата; 6 - подвод сжатого воздуха; 7 - гидровыгрузка фильтрующего материала
79
Рис. 6.10. Фильтр осветлительный горизонтальный: 1 - подача исходной воды; 2 - отвод
осветленной воды; 3 - подача воды на промывку; 4 - отвод промывной воды; 5 - отвод первого
фильтрата; 6 - подвод сжатого воздуха; 7 - гидровыгрузка фильтрующего материала
Обычно при монтаже фильтровальных станций компоновочную схему обвязки фильтров
сохраняют в заводской комплектации и после установки фильтров на место подсоединяют
соответствующие трубопроводы фильтровальной станции к задвижкам фильтров.
Важнейшим элементом напорных фильтров является нижняя распределительная система, или
дренаж. Все напорные фильтры оборудуются щелевым дренажом с размером щелей не более 0,4
мм, что позволяет загружать фильтры расчетной фильтрующей загрузкой без поддерживающих
гравийных слоев.
Дренажи могут выполняться из щелевых колпачков (см. рис. 6.9) или щелевых труб (см. рис. 6.10).
В фильтрах малых диаметров
80
колпачки устанавливают на горизонтальную перегородку (ложное днище) (см. рис. 6.9). В
фильтрах больших диаметров колпачки устанавливают на распределительные трубы дренажа,
прикрепленные к днищу фильтра.
Расчет фильтровальных станций с напорными фильтрами, работающих равномерно в течение
суток, производится аналогично расчету станций с безнапорными фильтрами в соответствии с
рекомендациями СНиП 2.04.02-84 [12, пп. 6.98, 6.99]. Расчетные скорости фильтрования в
напорных фильтрах принимаются от 6 до 12 м/ч, причем меньшие скорости принимаются при
необходимости глубокого осветления воды. После определения площади одного фильтра
обращаются к параметрам серийных фильтров (см. табл. 6.1), подбирают соответствующий
фильтр и корректируют количество фильтров на станции.
Чаще напорные фильтровальные станции работают с подачей осветленной воды остаточным
напором прямо в сеть водопотребителя. В этом случае расчет ведется по расходу в час
максимального водопотребления.
Требуемая площадь фильтров, м2, определяется из выражения
р=0 /V
х N^4 макс' v Н5
где Q4MaKC - расход воды в час максимального водопотребления, м3/ч; VH - расчетная скорость
фильтрования, м/ч.
Количество фильтров на крупных станциях определяется по формуле
N = 0,5Vf.
При этом должно обеспечиваться соотношение
V^U-VhN/CN-Nj-N^,
где Уф - скорость фильтрования при форсированном режиме, м/ч; N - число фильтров на станции;
Ni - число фильтров, находящихся в ремонте; Ni = 1 при N < 20, и Ni = 2 при N > 20; N2 - число
фильтров, находящихся в промывке; N2 = 1 при N>10 и N2 = 2 при N > 10.
При небольшом количестве фильтров на станции исходя из этих
81
расчетов приходится принимать резервные фильтры, которые включаются в периоды ремонта
фильтров, а в некоторых случаях и на период промывки одного из фильтров.
Площадь одного фильтра, м2, определяется из выражения
f=F/N.
Затем по табл. 6.1 подбирается серийный фильтр, определяются его площадь f и окончательное
количество фильтров N = F / f. В зависимости от компоновочной схемы может приниматься целое
четное или нечетное количество фильтров.
При подборе серийных фильтров следует учитывать, что вертикальные многокамерные фильтры
целесообразно принимать при наличии высоких производственных помещений. В этом случае
фильтровальная станция займет минимальную площадь и будет максимально использован объем
здания. И, наоборот, в невысоких производственных помещениях целесообразно применять
горизонтальные фильтры.
82
6.2.5. Автоматические сверхскоростные фильтровальные станции системы Г.Н.
Никифорова
Рассказ о сверхскоростных фильтровальных станциях системы Г.Н. Никифорова начнем с
небольшого экскурса в историю вопроса. В начале 30-х годов XX века, в период
индустриализации, в нашей стране был выдвинут лозунг "Догоним и перегоним". Имелось в виду
намерение догнать и перегнать передовые капиталистические страны по развитию техники. В то
время в области осветления воды фильтрованием работали медленные "английские" фильтры со
скоростями фильтрования 0,1-0,3 м/ч, скорые "американские" фильтры со скоростями 5-10 м/ч и
ультраскорые "немецкие" напорные фильтры со скоростями 15-30 м/ч. Молодой ученый Г.Н.
Никифоров решил их всех перегнать и исследовать работу напорных фильтров в диапазоне
скоростей фильтрования 50-100 м/ч. Первые же опыты осветления воды на применяющихся тогда
мелкозернистых загрузках с такими высокими скоростями фильтрования показали, что
получаются очень короткие фильтроциклы: от 0,5 до 1,5 ч. Эксплуатировать существующие тогда
82
конструкции фильтров с такими частыми промывками было просто физически невозможно. Г.Н.
Никифоров понимал, что требуется принципиально новое решение, и нашел его. Им был создан
многокамерный фильтр с поочередной промывкой камер собственным фильтратом в режиме
простого автоматического управления (рис. 6.11). Промышленный образец такого фильтра был
внедрен в установку подготовки воды энергопоезда ЭП1 в 1933 году.
Напорный сверхскоростной многокамерный фильтр системы Г.Н. Никифорова представляет собой
стальной сварной корпус 7, (см. рис. 6.11), внутри которого расположена цилиндрическая шахта 2.
Сверху между сферической частью корпуса и стенкой шахты установлена коническая перегородка
с трапецеидальными отверстиями 6. Снизу в кольцевом пространстве между корпусом и шахтой
установлено кольцевое дырчатое дно (дренаж) 3, на котором располагаются поддерживающие
гравийные слои и фильтрующая загрузка. Кольцевое пространство между корпусом и шахтой,
ограниченное сверху конической перегородкой, а снизу дренажом, разделено вертикальными
перегородками 15 на восемь фильтровальных камер 16.
Исходная вода поступает через патрубок 4 в камеру исходной воды 5, которая является общей для
всех фильтровальных камер и соединена с ними через отверстия 6. Фильтрованная вода
собирается в кольцевом поддренажном пространстве 77, которое является также общим для всех
фильтровальных камер. Далее фильтрованная вода через отверстия 7 поступает в шахту 2 и из нее
по трубопроводу 8 отводится под напором из фильтра. Сверху шахта отделена от камеры 5 глухой
перегородкой. И, наконец, самое интересное. В камере исходной воды установлено поворотное
промывное устройство 70, представляющее собой полый патрубок, с одной стороны имеющий
башмак с отверстием, которым он плотно прижимается к поверхности конической перегородки и
может перекрывать отверстия 6. С другой стороны патрубок соединен сальником 14 с
трубопроводом 72, обеспечивая гидравлическую связь фильтровальных камер через отверстия 6 с
трубопроводами 72 и 13. Промывное устройство оборудовано электроприводом 9, с помощью
которого в системе автоматики может перемещаться по часовой стрелке, поочередно перекрывая
отверстия б всех камер.
83
Ведттаммт разрез
Рис. 6.11. Напорный сверхскоростной многокамерный фильтр системы Г.Н. Никифорова: 1 -
стальной цилиндрический корпус; 2 - цилиндрическая шахта; 3 - кольцевое дырчатое дно
(дренаж); 4- подача исходной воды; 5 - распределительная камера исходной воды; б -
трапецеидальные отверстая в конической перегородке; 7 - отверстия для поступления воды из
поддренажного пространства в шахту; 8 - отвод фильтрованной воды; 9 - электропривод; 10 -
поворотное промывное устройство; 11- поддренажное пространство; 12 - труба, для отвода воды
от поворотного промывного устройства; 13 - труба с задвижкой для отвода промывной воды из
фильтра; 14 - сальник; 15 - вертикальные перегородки; 16 - камеры фильтра; 17 - люки
84
Принцип работы фильтра. Когда промывное устройство 10 находится в промежуточном между
отверстиями 6 положении, не перекрывая ни одного из них, все восемь фильтровальных камер
фильтруют исходную воду. Вся профильтрованная вода собирается в поддренажное пространство
11 и отводится по трубопроводу 8. При расположении промывного устройства над отверстием
одной из фильтровальных камер, в работе по фильтрованию исходной воды останется семь камер.
Теперь, если открыть задвижку 13 и сообщить трубопровод с атмосферным давлением, то в
результате того, что в поддренажном пространстве 11 давление всегда выше атмосферного, часть
воды из поддренажного пространства начнет поступать в фильтрующую загрузку снизу вверх и
отводиться через отверстие б, промывное устройство 10 и трубопровод 12 из фильтра. То есть
начнет осуществляться промывка загрузки в этой камере. Причем количество воды, поступающей
на промывку, зависит от величины давления в поддреннажном пространстве и степени открытия
задвижки 13.
В этот период оставшиеся в работе по фильтрованию семь камер должны профильтровать
количество воды, необходимой водопотребителю и на промывку камеры собственного фильтра,
поэтому в период промывки одной из камер скорость фильтрования в оставшихся в работе
камерах повышается.
Самый большой из разработанных многокамерных фильтров имеет диаметр 3,0 м, площадь
фильтрования 6,4 м2, полезную производительность 100-150 м3/ч. Эти фильтры удовлетворяют
нужды относительно небольших производственных водопотребителей, в частности, в
металлургической промышленности. При необходимости осветления большого количества воды
требуется установка нескольких многокамерных фильтров, что экономически не всегда
целесообразно, так как стоимость многокамерного фильтра в несколько раз больше стоимости
серийного фильтра равной площади.
В 1948 году Г.Н. Никифоровым была разработана сверхскоростная фильтровальная станция
батарейного типа большой производительности, являющаяся технологической моделью
многокамерного фильтра. Станция (рис. 6.12) представляет собой батарею из 6,8,10 серийных
напорных вертикальных однокамерных фильтров, объединенных общим подающим коллектором
исходной воды и общим коллектором фильтрованной воды.
85
13
Рис. 6.12. Сверхскоростная фильтровальная станция батарейного типа: и - исходная вода; ф
фильтрат; к - канализация; 1-8 - серийные напорные вертикальные однокамерные фильтры; 9 -
задвижка для подачи в фильтр исходной воды; 10 - задвижка для отвода из фильтра
фильтрованной воды и подачи в фильтр воды на промывку; 11 - задвижка для отвода из фильтра
промывной воды; 12 - подача исходной воды к блоку фильтров; 13 - отвод фильтрованной воды в
сеть водопотребителя; 14 - отвод промывной воды от блока фильтров
86
Каждый фильтр оборудуется тремя приводными задвижками: 9 - для подачи исходной воды; 10
-для отвода фильтрованной воды и подачи воды на промывку фильтра; 11 -для отвода промывной
воды.
Сущность работы сверхскоростной фильтровальной станции батарейного типа заключается в
автоматической поочередной промывке фильтров собственным фильтратом. Для этого в системе
автоматики отыскивается очередной фильтр, который по команде выводится на промывку. При
этом закрытием задвижки 9 прекращается подача исходной воды и фильтр выводится из работы
по фильтрованию. Затем открывается задвижка 77 и фильтр сообщается с атмосферным
давлением. В результате того, что в напорном трубопроводе фильтрованной воды давление выше
атмосферного, вода из него через задвижку 10 начинает поступать в фильтр и восходящим
потоком промывать фильтрующую загрузку. После окончания промывки закрывается задвижка
77, открывается задвижка 9 и фильтр пускается в работу по фильтрованию. Затем система
автоматики находит следующий по очереди фильтр и по команде выполняет операции по его
промывке. Благодаря такому режиму промывки при постоянной производительности в блоке
фильтров сохраняется постоянное количество задержанных загрязнений и соответственно
относительно постоянное гидравлическое сопротивление, поэтому только, что промытый фильтр
благодаря малому сопротивлению чистой загрузки будет работать с максимальной скоростью
фильтрования.
По мере задержания загрязнений (заиления) сопротивление фильтрующей загрузки возрастает, что
при относительно постоянных потерях напора в блоке приводит к снижению скорости
фильтрования в каждом фильтре от максимума в начале до минимума в конце фильтроцикла (рис.
6.13).
Время работы каждого фильтра в блоке по фильтрованию до выхода на промывку (длительность
фильтроцикла - Тфц) зависит от времени всех операций по промывке фильтра Тпр, длительности
интервала Тин между промывками, числа фильтров в блоке N и определяется по формуле
Тфц = THHN + Tnp(N - 1).
87
Рис. 6.13. График работы каждого фильтра в блоке: Тин - длительность интервала между
промывками; Тпр - длительность всех операций по промывке фильтра; Тфц - длительность
фильтроцикла; Тфп - длительность фильтропериода
Время всех операций по промывке фильтра состоит из времени открытия и закрытия задвижек и
времени подачи воды на промывку загрузки. Первая составляющая для каждой конкретной
фильтровальной станции является величиной постоянной и составляет 3-4 мин. Время подачи
воды на промывку зависит от параметров фильтрующей загрузки, характера загрязнений и режима
промывки и при промывке только водой обычно составляет 6-10 мин. В силу этого время всех
операций по промывке каждого фильтра колеблется от 10 до 14 мин. Длительность интервала
между промывками может регулироваться (задаваться) в системе автоматики обычно в диапазоне
от 1 до 120 мин. Минимальный интервал устанавливается при максимальном содержании
примесей в исходной воде. При снижении количества примесей в исходной воде Тин
увеличивается, что позволяет уменьшить расход воды на промывку.
Количество фильтров в блоке принимается от 6 до 10. Чем
88
меньше фильтров в блоке, тем больше возрастает скорость фильтрации в оставшихся в работе
фильтрах при промывке очередного фильтра. Это приводит к ухудшению качества фильтрата и
резкому колебанию напорных характеристик. При большом количестве фильтров длительность
фильтроцикла даже при минимальном интервале становится настолько длинной, что фильтры
заиляются быстрее, чем доходит очередь их промывки, и прекращают работу по фильтрованию.
Опыт проектирования и эксплуатации сверхскоростных фильтровальных станций батарейного
типа показал, что оптимальным количеством фильтров в блоке можно считать восемь. При этом
минимальная длительность фильтроцикла
Тфц= 1-8+10 (8-1) = 78 мин.
Теперь, после ознакомления с устройством и принципом действия сверхскоростных
фильтровальных станций (ССФС) системы Г.Н. Никифорова, можно сформулировать основные их
особенности, отличающие эти станции от остальных напорных фильтровальных станций, которые
заключаются в следующем:
станции работают с высокими скоростями фильтрования, средними по блоку от 20 до 30 м/ч;
камеры или фильтры в блоке промываются в строгой очередности собственным фильтратом под
остаточным напором по заданной в системе автоматики программе;
промывка фильтров собственным фильтратом под остаточным напором исключает необходимость
наличия промывных насосов и емкостей промывной воды;
в результате поочередной промывки фильтров в блоке сохраняется относительно постоянное
количество задержанных примесей, соответственно постоянное сопротивление фильтрующей
загрузки и постоянные потери напора при постоянной производительности;
в результате сохранения постоянных потерь напора в блоке фильтры работают со снижающимся
по мере заиления загрузки скоростями фильтрования от максимума в 50-100 м/ч в начале
фильтроцикла (сразу после промывки) до минимума в 10-30 м/ч в конце фильтроцикла перед
выходом на промывку;
именно благодаря снижению скоростей фильтрования по мере заиления загрузки обеспечивается
высокий эффект осветления воды
89
на сверхскоростных фильтровальных станциях при высоких скоростях фильтрования.
Работа всех сверхскоростных фильтровальных станций автоматизирована. Как было уже
отмечено, основной особенностью сверхскоростных фильтровальных станций является строго
поочередная промывка фильтров собственным фильтратом. Отсюда вытекают основные задачи
системы автоматики: поиск очередного фильтра, своевременный вывод его из работы по
фильтрованию, осуществление необходимых операций по промывке и вводу промытого фильтра в
работу.
Поиск очередного фильтра осуществляет блок очередности (БО) (рис. 6.14), представляющий
собой многоцепной автоматический переключатель.
т
РК
т
БП
№
Ф1
№
т
hi
а
Ф2
ж
т
ттт
1
| is nor ётев к Ш
ошш#« фомщшВ
Рис. 6.14. Принципиальная схема автоматизации ССФС: БО - блок очередности; БП - блок
программ; 5У- блок управления; МП - магнитные пускатели; РК - реле команды; РП -
регулирующий прибор; Ф1, Ф2,... - фильтры номер У, номер 2 и т. д.
Получив сигнал об окончании промывки очередного фильтра, блок очередности переключает
командные цепи блока программ (БП) на блок управления (БУ) задвижками следующего по
очереди фильтра. Команду на начало выполнения программы промывки блок программ получает
от реле команды (РК), которое в свое время получает сигнал от регулирующего прибора (РП). В
качестве регулирующего прибора чаще всего используется реле времени, с помощью которого
задается величина Тин. Могут использоваться и
90
датчики, измеряющие потери давления в фильтрах.
Все операции по промывке фильтра, заключающиеся в своевременном закрытии и открытии
соответствующих задвижек с помощью магнитных пускателей (МП), выполняет блок программ
(БП). В простейшем случае программа промывки заключается в закрытии задвижки на подаче
исходной воды, открытии задвижки на отводе промывной воды, выдерживании времени подачи
воды на промывку фильтра, закрытии задвижки на отводе промывной воды и открытии задвижки
на подаче исходной воды в фильтр. При водовоздушной промывке количество операций
увеличивается.
В качестве фильтрующей загрузки сверхскоростных фильтровальных станций могут применяться
любые прочные зернистые материалы с размером зерен от 0,7 до 2,0 мм, высотой от 1000 до 2000
мм. Большое значение придается прочности зернистого материала, так как при больших скоростях
фильтрования и коротких фильтроциклах каждый фильтр в блоке промывается 15-18 раз в сутки.
В работе сверхскоростных фильтровальных станций наблюдаются два характерных периода.
Первый, наиболее сложный, имеет место во время промывки одного из фильтров. В этот период
ССФС работает с производительностью, позволяющей обеспечить подачу требуемого расхода
воды потребителю, а также подать воду на промывку одного из фильтров блока при количестве
работающих фильтров на единицу меньше установленного, то есть производительность станции
*<1 чпотр Vnpi
где Qnarp- количество воды, подаваемое под остаточным напором в сеть водопотребителя; Qnp
расход воды на промывку собственного фильтра, который зависит от площади фильтра и
принятой интенсивности промывки и для каждого конкретного случая -величина вполне
определенная.
После окончания промывки фильтра и ввода его в работу по фильтрованию наступает второй
период - период интервала между промывками, когда производительность ССФС равна расходу
воды, направляемой потребителю, то есть
потр
91
Как правило, на все действующие ССФС исходная вода подается от собственной насосной
станции, а после ССФС под остаточным напором осветленная вода поступает в сеть потребителя.
В силу этого отмеченные ранее особенности работы ССФС будут влиять на работу насосной
станции, а напорно-расходные характеристики будут зависеть от гидравлических характеристик
единой системы насосная станция - ССФС-водопроводная сеть - водопотребителъ.
Пьезометрический анализ системы (рис. 6.15) показывает, что напор в сети водопотребителя в эти
характерные периоды будет изменяться и соответственно будет изменяться количество
подаваемой воды. По этой причине при разработке системы водоснабжения с ССФС требуется
тщательный анализ работы единой системы с целью обеспечения подачи водопотребителю
требуемого количества воды в любой из характерных периодов.
ЩтЛт с дтотшттш тжж
ССФС В cent. бовашищВштм
Рис. 6.15. График пьезометрических линий: Нш, Нш и Нш - напор, развиваемый насосами в период
без промывки, в период промывки без изменения числа рабочих насосов и в период промывки с
дополнительным рабочим насосом; НпЬ Нп2 и Нп3 - напор в сети водопотребителя в те же периоды;
пбл- потери напора в блоке сверхскоростной фильтровальной станции; hHc - потери напора в
насосной станции
92
Из пьезометрического анализа следует, что напор, развиваемый насосами, определяется напором в
сети водопотребителя и суммой потерь напора во всех элементах системы:
Нн = hHC + пбл + Нп.
Расчет сверхскоростных фильтровальных станций батарейного типа. Сначала определяется
требуемая площадь фильтрования, м2, для периода интервала между промывками по формуле
F = QnoTp/VH,
где Qnarp- расход воды, требуемый водопотребителю в час максимального недопотребления, м3/ч;
VH -скорость фильтрования в этот период, принимаемая в диапазоне от 20 до 25 м/ч.
Затем, после назначения количества фильтров в блоке N, равного 6, 8, 10, определяется площадь
одного фильтра, м2,
f=F/N,
и подбирается стандартный фильтр.
После этого проверяется скорость фильтрования в период промывки одного из фильтров Уф.
Уф = Qn0Tp + Qnp/f(N - 1) < 30 м/ч,
где Qnp - расход воды на промывку фильтра; Qnp = if'3,6, м3/ч; i - интенсивность промывки
загрузки, которая для загрузки с размером зерен от 0,7 до 2,0 VIM принимается в диапазоне от 15
до 17 л/с м2; f - площадь принятого стандартного фильтра, м2.
Если скорость фильтрования в период промывки получается более 30 м/ч, то можно увеличить
число фильтров в блоке либо принять стандартные фильтры большего размера.
Для систем большой производительности принимается несколько параллельно работающих
блоков сверхскоростных фильтровальных станций.
Расчет сверхскоростных фильтровальных станций заканчивается подбором насосов насосной
станции, подающей воду на
93
фильтры. При этом насосная станция должна нормально работать как в период промывки одного
из фильтров с производительностью Qi = Qn0Tp + Qnp, так и в период интервала между промывками
с производительностью Q2 = QnoTp- Потери напора в блоке сверхскоростных фильтров в период
промывки одного из фильтров принимаются равными 10 м, в период интервала между
промывками -7м.
Из графика пьезометрических линий (см. рис. 6.15) видно, что при работе с одним и тем же
количеством рабочих насосов в период промывки одного из фильтров напор в сети
водопотребителя снижается, что приводит и к снижению количества воды, подаваемой
потребителю. Это связано с увеличением производительности насосов для подачи воды на
промывку фильтра и снижением развиваемого напора в соответствии с рабочей характеристикой
насосов. Кроме того, в этот период увеличиваются потери напора в блоке сверхскоростных
фильтров.
Если водопотребитель не допускает отмеченных колебаний расходов и напоров, то можно на
период промывки одного из фильтров включать дополнительный рабочий насос либо
поддерживать постоянный напор в сети водопотребителя частотным регулированием работы
насосов.
Изобретатель сверхскоростных фильтровальных станций Г.Н. Никифоров с 1946 по 1972 г.
возглавлял кафедру водоснабжения в Ленинградском инженерно-строительном институте (ныне
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет). Под его
руководством были проведены крупномасштабные исследования по совершенствованию
сверхскоростных фильтров и их широкому использованию в различных отраслях
промышленности. На сегодня автоматические сверхскоростные фильтровальные станции успешно
работают в текстильной, электронной, металлургической и других отраслях промышленности, а
также на доочистке городских сточных вод с целью их последующего использования для
подпитки систем производственного водоснабжения.
94
Глава 7. ОБРАБОТКА ВОДЫ В ОБОРОТНЫХ СИСТЕМАХ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Требования к качеству воды в оборотных системах производственного водоснабжения в целом
сводятся к следующему: вода не должна оказывать отрицательного воздействия на качество
получаемого продукта; не должна вызывать образование солевых отложений, биологических
обрастаний и коррозии аппаратуры, трубопроводов и сооружений; должна обеспечивать
требуемое санитарно-гигиеническое состояние рабочих мест.
Для обеспечения этих требований осуществляется разнообразная обработка воды,
циркулирующей в оборотной системе, и подпиточной воды.
Все многообразие методов обработки воды в оборотных системах водоснабжения по целевому
назначению можно сгруппировать в два направления:
обработка охлаждающей воды в оборотных системах с целью предотвращения образования
солевых отложений, биологических обрастаний и коррозии аппаратуры, трубопроводов и
сооружений;
обработка сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения с целью обеспечения
баланса по веществам.
7.1. Обработка охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения
В процессе обработки охлаждающей воды оборотных систем наиболее часто приходится решать
такие задачи, как удаление из воды нерастворенных примесей (взвешенных веществ);
предотвращение карбонатных и сульфатных отложений; борьба с развитием водорослей и
биологическим обрастанием охлаждающих устройств и оборудования.
Взвешенные вещества в систему оборотного водоснабжения поступают с воздухом в охладителях,
с добавочной водой и образуются в самой системе в виде продуктов коррозии, биологических
обрастаний и др. Наличие в оборотной воде взвешенных веществ больше допустимой величины
может привести к образованию отложении в теплообменных аппаратах, трубопроводах и
снижению коэффициента теплоотдачи.
Для поддержания содержания взвешенных веществ на
95
требуемом уровне могут осуществляться продувка системы, осветление добавочной и оборотной
воды.
Удаление из оборотной системы части взвешенных веществ с продувочной водой целесообразно в
том случае, если эта вода будет направлена на повторное использование в какую-либо систему
производственного водоснабжения загрязненного цикла, имеющую свои очистные сооружения.
Продувка системы целесообразна и в том случае, когда она еще необходима для поддержания в
оборотной системе концентрации растворенных солей на требуемом уровне.
Определить количество продувочной воды для поддержания баланса по взвешенным веществам
можно только в процессе эксплуатации системы водоснабжения, так как это зависит от
конструктивных особенностей каждой системы. Величина этого продувочного расхода должна
быть не меньше величины продувочного расхода, рассчитанного для обеспечения в оборотной
системе баланса по концентрации растворенных солей (см. гл. 3).
Снижение содержания взвешенных веществ в оборотной системе за счет осветления добавочной
воды является наиболее простым и распространенным способом. Однако во многих случаях этого
недостаточно, так как, кроме примесей добавочной воды, в оборотную систему поступают
примеси, продуцирующиеся в самой системе. Для удаления их производится очистка оборотной
воды. В зависимости от мощности системы, количества вносимых примесей и способа очистки на
осветление может подаваться весь поток воды (небольшие системы) либо его часть (мощные
системы). Так как из системы оборотного водоснабжения необходимо выводить грубодисперсные
примеси, то для очистки целесообразно применять сетчатые фильтры (см. гл. 6).
Анализ работы оборотных систем водяного охлаждения показывает, что значительная часть
примесей образуется и накапливается ,в резервуарах градирен являющихся по сути своей
отстойниками. Чистка резервуаров осуществляется, как правило, вручную в период выключения
градирен из работы, что существенно осложняет их эксплуатацию. Для улучшения условий
эксплуатации и повышения эффекта осветления воды рекомендуется применять градирни с
резервуарами-отстойниками [3]. Такие резервуары оборудуются тонкослойными модулями и
приямками, из которых осадок может отводиться без остановки градирен.
Существенное влияние на эффективность охлаждения
96
оборудования оказывают отложения солей в теплообменных аппаратах. В значительной степени
отложения обусловлены выпадением карбоната кальция. В ряде случаев наблюдается осаждение
сульфата кальция и некоторых других солей.
Выпадение карбоната кальция происходит в результате нарушения углекислотного равновесия в
воде. При нагреве воды в теплообменных аппаратах снижается растворимость газов и из воды
удаляется часть двуокиси углерода. Это приводит к распаду гидрокарбонатного иона и
образованию нерастворимого карбоната кальция, который и выпадает в виде кристаллического
осадка в тепло-обменных аппаратах и трубопроводах. Ситуация усугубляется в охладителях, где в
результате контакта с воздухом происходит дегазация воды с потерей еще некоторого количества
двуокиси углерода. Кроме того, в результате испарения части воды в охладителях происходит
повышение концентрации солей в оборотной воде, что также способствует образованию
отложений, в том числе и сульфата кальция.
Оценка термостабильности воды может осуществляться аналитическими расчетами,
экспериментальными исследованиями на модели системы оборотного водоснабжения с учетом
конкретных условий или по опыту эксплуатации аналогичных систем на воде данного источника.
Аналитические методы расчета дают лишь приблизительную оценку уровня термостабильности и
не могут учесть влияния всех факторов. Проведение экспериментальных исследований позволяет
не только более точно оценить уровень термостабильности воды, но и проверить эффективность
стабилизации воды различными методами.
Опыт эксплуатации оборотных систем водоснабжения показывает, что обработку охлаждающей
воды для предотвращения образования отложений следует производить, когда
Ку'Щдоб^З,
здесь Ку - коэффициент концентрирования (упаривания); ЩДОб -щелочность добавочной воды, г-
экв/м3.
Ку = Р! + р2 + р3/р2 + р3,
97
где рь р2, р3 - потери воды из системы на испарение, унос с воздухом и продувку, %, расхода
оборотной воды.
Для предотвращения отложений в системах оборотного водоснабжения применяются
подкисление, рекарбонизация, фосфатирование, комбинированная фосфатно-кислотная обработка
и умягчение подпиточной воды.
Подкисление является наиболее надежным и универсальным способом обработки воды для
предотвращения карбонатных отложений в системе. Способ подкисления применим при любых
значениях карбонатной жесткости (щелочности) добавочной воды и коэффициента упаривания.
Преимуществом способа является небольшая сравнительно с другими методами стоимость и
минимальные значения продувочных расходов либо их отсутствие вообще. Опыт эксплуатации
оборотных систем водоснабжения показывает [3], что подкисление воды дает хороший эффект и
при подпитке систем очищенными сточными водами.
Недостатками способа подкисления является агрессивность применяемых реагентов (серной
H2S04 или соляной HC1 кислот) и возможность коррозии оборудования в случае передозировки
кислоты.
Для приблизительных расчетов при проектировании кислотного хозяйства дозу кислоты, мг/л, в
расчете на добавочную воду следует определять по формуле [12]
Дкис = 100 екис(ЩДОб - Щоб/Ку)/Скис,
где екис - эквивалентный вес кислоты, г/г-экв (для серной кислоты -49, для соляной - 36,5); Щоб -
щелочность оборотной воды, устанавливающаяся при обработке воды кислотой, г-экв/м3;
определяется по рекомендациям прил. 12 [12]; Скис - содержание H2S04 или HC1 в техническом
продукте, %.
Рекарбонизацию (обработку воды оборотной системы газообразной двуокисью углерода)
целесообразно применять при карбонатной жесткости добавочной воды до 3-3,5 г-экв/м3 на
предприятиях, где этот газ является продуктом отхода промышленного производства (например,
дымовые газы котельных). Введение дымовых газов, очищенных от золы в оборотную воду можно
осуществлять с помощью газодувок через барботажные трубы, уложенные
98
по дну резервуара, или с помощью эжекторов (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Рекарбонизация охлаждающей воды дымовыми газами: 1 - теплообменные аппараты
водопотребителей; 2 - градирня; 3 - резервуар охлажденной воды; 4 - насосная станция оборотного
водоснабжения; 5 - насос; 6 - эжектор; 7 - дымоход; 8 - очистка дымовых газов; В4 - трубопровод
оборотной системы подающий; В 5 - трубопровод оборотной системы обратный; Г - газопровод
При использовании эжекторов дымовыми газами насыщается часть оборотной воды, которая
отбирается насосами 5 и подается в эжекторы 6, где осуществляется насыщение воды двуокисью
углерода, находящейся в дымовых газах. Насыщенная газами вода смешивается в резервуаре с
основным потоком оборотной воды. Устройства для растворения в воде двуокиси углерода и
транспортирования этой воды должны выполняться из коррозионно-стойких материалов.
Определение дозы двуокиси углерода и количества воды, направляемой в эжекторы,
осуществляется по рекомендациям прил. 12 [12].
Фосфатирование (обработку воды гексаметафосфатом или триполифосфатом натрия) для
предотвращения карбонатных отложений применяется при щелочности добавочной воды не более
4 г-экв/м3. Концентрация фосфатного реагента в расчете на Р205 в оборотной воде должна
поддерживаться равной 1,5-2 г/м3. При этом в расчете на расход добавочной воды необходимая
доза реагента
99
должна составлять 1,5-2,5 г/м3 по Рг02 или 3-5 г/м3 по товарному продукту. Достоинством способа
фосфатирования является то, что полифосфаты не обладают агрессивными свойствами, а,
наоборот, способствуют замедлению коррозии. В то же время необходимость продувки оборотной
системы ограничивает применение фосфатирования, особенно при создании замкнутых систем
водного хозяйства предприятий.
Комбинированная фосфатно-кислотная обработка обладает достоинством кислотной обработки и
исключает вероятность коррозии трубопроводов и оборудования оборотной системы.
Метод умягчения добавочной воды перед подачей в оборотную систему для предотвращения
образования карбонатных отложений применяется довольно редко ввиду большой его стоимости.
Проблема сульфатных отложений в оборотных системах возникает при повышении концентрации
растворенных солей в оборотной воде и при использовании для подпитки очищенных сточных
вод. Одним из основных способов борьбы с сульфатными отложениями в оборотных системах
охлаждающего водоснабжения является установление водно-химического режима работы
системы, при котором произведение активных концентраций ионов кальция и сульфатов не
превышает произведения растворимости сульфата кальция.
При малой минерализации, жесткости и щелочности подпиточной воды в оборотной системе
может возникнуть опасность коррозии трубопроводов и оборудования. Для борьбы с коррозией
широко используются ингибиторы, в качестве которых могут применяться орто-, пиро-,
триполифосфаты и др.
В охлаждающих системах оборотного водоснабжения при наличии в воде достаточного
количества кислорода, биогенных элементов и органических веществ могут интенсивно
развиваться биологические обрастания. Этот процесс усиливается при подпитке оборотных систем
сточной водой. Развивающиеся на теплообменных аппаратах, в трубопроводах и конструкциях
охладителей обрастания снижают коэффициент теплопередачи и эффективность работы градирен,
увеличивают гидравлическое сопротивление системы.
Для борьбы с развитием биологических обрастаний в оборотных системах охлаждающего
водоснабжения широкое применение нашло хлорирование воды. Дозу хлора определяют в
зависимости
100
от хлоропоглощаемости оборотной воды с таким расчетом, чтобы концентрация остаточного
хлора на выходе из самого удаленного теплообменного аппарата составляла 1-1,5 г/м3.
Продолжительность хлорирования принимается 30-60 мин, периодичность обработки -2-6 раз в
сутки.
Предупреждение биологического обрастания микроорганизмами и водорослями градирен,
брызгальных бассейнов и оросительных теплообменных аппаратов достигается совместной
обработкой оборотной воды хлором и медным купоросом. Доза хлора принимается 7-10 г/м3, доза
медного купороса - 4-6 г/м3, что соответствует 1-1,5 г/м3 иона меди. Продолжительность
обработки принимается равной 1 ч, периодичность обработки - 3-4 раза в месяц в теплое время
года (с апреля по октябрь).
Для борьбы с цветением воды в водохранилищах- и прудах-охладителях, наблюдающемся в
летние месяцы года, применяется обработка воды медным купоросом. Доза реагента по иону меди
составляет 0,1-0,5 г/м3. Количество вводимого реагента для водохранилищ-охладителей
рассчитывается на объем верхнего слоя воды толщиной 1-1,5 м, для прудов-охладителей - на весь
объем. Продолжительность и периодичность обработки воды устанавливается опытным путем.
В водохранилищах- и прудах-охладителях рыбохозяйственного значения обработка воды медным
купоросом не производится.
101
7.2. Обработка сточных вод при создании оборотных и замкнутых систем водоснабжения
Обработка сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения осуществляется с
целью придания им свойств, позволяющих повторное использование очищенной воды на
производственные нужды.
Способы обработки сточных вод, предназначенных для повторного использования, зависят от
характера и концентрации загрязняющих веществ, количества сточных вод и требований
водопотребителей, использующих очищенные сточные воды.
Для обработки сточных вод при создании оборотных и замкнутых систем применяются все
известные методы очистки городских и производственных сточных вод, с которыми студенты
знакомятся при изучении дисциплин, освещающих водоотведение
101
населенных мест и промышленных предприятий.
В силу этого далее будет обращено внимание только на некоторые особенности обработки
сточных вод для повторного использования и на примере будет обозначен круг вопросов, которые
приходится решать при создании замкнутых систем водопользования.
При создании таких систем очищенные производственные и городские сточные воды, а также
поверхностный сток рассматриваются как источник водоснабжения производственных
водопотребителей. Именно это должно быть положено в основу при выборе методов очистки
сточных вод и разработке схем водоснабжения и водоотведения.
Очистка стока должна сводиться к регенерации отработанной воды с целью ее повторного
использования в производстве. При этом целесообразно создавать локальные замкнутые системы
технического водоснабжения, которые являются основным звеном замкнутых систем водного
хозяйства промышленных предприятий. Методы регенерации отработанной воды должны
обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся
отходов до товарного продукта или вторичного сырья при минимальных материальных и
энергетических затратах.
Замкнутая система водного хозяйства промышленного предприятия включает в свой состав
несколько локальных и централизованных замкнутых систем водоснабжения. Централизованные
системы создают для регенерации сточных вод, близких по химическому составу, при обработке
которых целесообразно использовать один и тот же способ. В некоторых случаях необходима
предварительная очистка одного или нескольких локальных потоков перед их объединением с
остальными сточными водами.
Замкнутые системы водного хозяйства промпредприятий обеспечивают оптимальное
использование воды во всех технологических операциях, производствах и цехах.
Значительную сложность при создании замкнутых систем водопользования представляет
корректировка минерального состава очищенных сточных вод. Для поддержания солесодержания
в воде оборотных систем на заданном уровне применяется удаление растворенных примесей
обессоливанием части оборотной воды методами дистилляции, электродиализа, ионного обмена и
гиперфильтрации.
При использовании для подпитки оборотных охлаждающих систем очищенных городских
сточных вод к ним предъявляются
102
требования по технологическим свойствам и санитарной безопасности. Требования к
технологическим свойствам очищенных сточных вод сводятся к предотвращению образования на
поверхности теплообменников каких-либо отложении (солевых, биологических и механических) и
коррозии оборудования. Для выполнения этих требований часто биологически очищенные
сточные воды необходимо освобождать от органических веществ, умягчать или обессоливать.
Санитарно-гигиенические требования заключаются в обеспечении безопасных
эпидемиологических и токсикологических условий для обслуживающего персонала и
окружающей среды. Для этого биологически очищенные городские сточные воды подвергаются
всесторонней гигиенической оценке с целью определения органолептических,
эпидемиологических и токсикологических факторов, чтобы на основании этих данных выбрать
методы их доочистки. Гигиеническую оценку воды проводят на основе комплексного изучения
условий ее использования, методов доочистки и обеззараживания, физико-химического состава и
степени возможной токсичности и опасности для человека.
Значительное место в замкнутых системах водопользования занимают установки для переработки
и утилизации концентрированных отработанных технологических растворов, осадков и др.
Именно эти сооружения позволяют сделать систему водопользования замкнутой.
Наглядное представление о проблемах, которые приходится решать при разработке замкнутых
систем дает система водного хозяйства Тобольского нефтехимического комбината (НХК),
изображенная на рис. 7.2.
В состав комплекса первой очереди строительства входят нефтехимический комбинат В,
включающий газофракционную установку, отдельные производства (дивинила методом
одностадийного дегидрирования изобутана, изопрена из изопентана, изопрена из изобутилена и
формальдегида), строительная база Б, ТЭЦ Г и городе.
Уникальное рыбохозяйственное значение Обь-Иртышского бассейна и всевозрастающие
масштабы использования водных ресурсов Тюменского территориально-производственного
комплекса послужили основанием для принятия решения о создании замкнутой системы водного
хозяйства Тобольского НХК без сброса сточных вод в водоемы.
103
1—р
Рис. 7.2. Схема водного хозяйства Тобольского НХК: А - г. Тобольск; Б - база стройиндустрии; В -
нефтехимический комбинат; Г - ТЭЦ; Д - водозабор из подземного источника; Е - фильтры ВСФ-
2000 для очистки оборотной воды; Ж - узел очистки промывных вод фильтров ВСФ-2000; И -
сооружения очистки городских сточных вод; К - сооружения очистки производственных сточных
вод; Л - станция подготовки речной воды; М- узел очистки поверхностного стока; Н - накопитель
поверхностного стока; 1 - подземные воды; 2 - городские сточные воды; 3 - питьевая вода из
поверхностного источника; 4 - речная фильтрованная вода; 5 - оборотная охлаждающая вода; 6 -
промывные воды фильтров ВСФ-2000; 7 - бытовые стоки; 8 - производственные стоки; 9 - речная
вода; 10 - речная осветленная вода; 11 - поверхностный сток; 12 - очищенные сточные воды на
подпитку оборотных систем
104
Создание замкнутой системы водоснабжения и канализации здесь достигается путем
использования новых технологических процессов, обеспечивающих значительное снижение
количества сточных вод, максимально возможного применения воздушного охлаждения и
внутритехнологических оборотных циклов, повторного использования технологических
жидкостей, удаления из сточных вод биохимически неокисляющихся или трудно окисляющихся
соединений на локальных установках и, наконец, использования производственных, городских
сточных вод и поверхностного стока после соответствующей их очистки в системах
промышленного водоснабжения.
Так, внедрение метода одностадийного дегидрирования бутана в производстве дивинила
обеспечило уменьшение количества сточных вод более чем в 100 раз. Применение аппаратов
воздушного охлаждения дало возможность снизить расход воды на промышленное водоснабжение
примерно в 2 раза. Внедрение локальных методов очистки сточных вод (в основном выпарки
углеводородов, ректификации, нейтрализации и отстаивания) с последующим применением этих
вод в локальных замкнутых системах технического водоснабжения позволило довести степень
использования оборотной воды до 98 % общего расхода на производственные нужды, а
количество воды, сбрасываемой в систему загрязненных сточных вод, -уменьшить в 5,5 раза. В
результате количество загрязнений в сточных водах, поступающих на внеплощадочные очистные
сооружения, по БПК снижается с 790 до 24 т/сут. или в 33 раза по сравнению с аналогичным
показателем для существующих заводов подобного типа.
Основное количество воды на ТЭЦ и комбинате расходуется на охлаждение. Для восполнения
потерь воды в этих системах предусматривается использование очищенных городских и
производственных сточных вод, а также поверхностного стока, которые полностью не покрывают
потребность в воде для этих целей.
Водоснабжение города А осуществляется питьевой речной и подземной водой, промышленных
предприятий (стройиндустрии Б, химии В и ТЭЦ Г) - речной водой питьевой, осветленной и
фильтрованной, а также очищенными поверхностными, бытовыми, городскими и
производственными сточными водами и промывными водами фильтров оборотных охлаждающих
систем. Поверхностный сток и вода от промывки фильтров оборотных систем
105
охлаждающего водоснабжения подвергаются реагентной обработке, отстаиванию и
фильтрованию.
Схема очистки городских и производственных сточных вод, их подготовки и использования в
оборотных охлаждающих системах показана на рис. 7.3.
_ь
А
Б
В
Г
«о
"^^^^^Jaff^^ fTl
» Е
i
Л
ттг
«о е- .
. п
\
\L
л л h
ж
1
J
i
Л
-d~~L
1 I
Рис. 7.3. Схема очистки производственных и городских сточных вод Тобольского НХК и их
использования в оборотных охлаждающих системах: А -тонкослойные отстойники; Б - окситенки;
В - биосорберы; Г- каркасно-засыпные фильтры; Д - контактный резервуар; Е - смеситель; Ж-
градирни; И - насосы оборотной системы; К - производственный водопотребитель; Л - фильтры
ВСФ-2000; М- сооружения для корректировки минерального состава; 1 - производственные
сточные воды; 2 - биогенные элементы; 3 - активированный уголь; 4 - коагулянт, 5 - флокулянт; 6 -
ингибитор; 7 - кислота; 8 - хлор; 9 - городские сточные воды; 10 - потери воды в охладителях
Сточные воды производства изопрена из изобутилена и формальдегида подвергаются локальной
очистке методом гидрокаталитического разложения с использованием образующегося в
производстве пара.
Схема очистки производственных и городских сточных вод, их подготовки и использования в
оборотных охлаждающих системах и технологические параметры процесса как отдельных узлов,
так и всей системы в целом отработаны на опытных моделях и промышленных установках на
реальных сточных водах.
Производственные сточные воды последовательно проходят сооружения (см. рис. 7.3):
механической очистки - тонкослойные
106
отстойники А] полной биологической очистки - окситенки Б на первой ступени и биосорберы В на
второй; доочистки - каркасно-засыпные фильтры Г, после чего поступают в смеситель Е, где
смешиваются с очищенными городскими сточными водами.
Городские сточные воды последовательно проходят сооружения: механической очистки -
тонкослойные отстойники А; полной биологической очистки - окситенки Б; доочистки - каркасно-
засыпные фильтры Г; обеззараживания хлором - контактный резервуар Д, после чего поступают в
смеситель Е.
Продолжительность контакта воды с хлором составляет 30 мин, при этом обеспечивается
остаточная концентрация активного хлора не менее 1 мг/л. Соотношение очищенных и
доочищенных производственных и городских сточных вод в смеси, поступающей в оборотные
охлаждающие системы, составляет 1 : 7. Качество воды характеризуется следующими
показателями: ХПК - до 30 мг/л, БПКП0ЛН - до 10 мг/л, содержание взвешенных веществ - до 10
мг/л.
Для предотвращения карбонатных отложений в системе используется метод подкисления
добавочной воды с доведением ее щелочности до 0,8-1,2 мг-экв/л, для предотвращения
биологических обрастаний - периодическая обработка воды хлором, а коррозии теплообменного
оборудования - обработка цинк-хроматно-фосфатным ингибитором дозой, обеспечивающей
концентрацию шестивалентного хрома в оборотной воде не более 1,7 мг/л и цинка не более 2 мг/л.
Вода, использованная для охлаждения теплообменного оборудования у потребителей К (см. рис.
7.3), нагревается с 25 до 38-40 Q При охлаждении воды на градирнях Ж ее потери составляют на
испарение не более 1,8 %, с капельным уносом не более 0,15 %. Оборотная вода в количестве 5-8
% подвергается очистке от взвешенных веществ в фильтрах Л типа ВСФ-2000.
Для обеспечения беспродувочного режима работы оборотных охлаждающих систем
предусмотрены сооружения корректировки минерального состава оборотной водыМ. Самым
сложным узлом здесь является переработка концентрированных солесодержащих сточных вод,
образовавшихся в результате корректировки минерального состава оборотной воды.
107
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 Ц
жесткость общая Ж0 < 3,2 г-экв/м3;
содержание натрия Na = 7 г/м3.
Параметры охлаждающего воздуха:
температура по сухому термометру 9 = 25 Ц
температура по смоченному термометру т = 18 Ц
влажность ф = 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 номер 7, номер 2 и т. д.;
Pl.l, Р1.2, ... - резервуары в системе водоснабжения первого водопотребителя номер 7, номер 2 и
т. д.;
НС2.1, НС2.2, ... - насосные станции в системе водоснабжения второго водопотребителя номер 7,
номер 2 и т. д.;
ОС 1.1 - очистные сооружения в системе водоснабжения первого водопотребителя номер 7;
Обр. ос. - обработка осадка;
108
Таблица 8.1
1
ю
U
о
I
1
щ
ш
т
П4
ГО
Водопотрсблсние
Требова-
ния к каче-
ству воды
2
М £ 10 г/м3
rS26°C
М £ 10 г/м3
MS 10 г/м3
tS25eC
MS 10 г/м3
tS25eC
Ж0 S 0Д
г-жв/м3
Расходы воды, ш3
в су-
тки
J
30000
16800
24200
9000
1200
в смену
1
4
10000
6000
8100
3000
400
2
j
10000
6000
8100
3000
400
3
б
10000
4800
800
3000
400
в час
макс/
мин.
по-
треб-
ления
7
иоо/
1040
800/
640
1100/
400/
320
50
Г
I
8
25
25
30
43
23
Водоотвсденис
Качество от-
водимой во-
| ___
Мех а и при-
меси
MS320 г/м3
At =8'С
Меасян, при-
меси
MS 40 г/м1
At «8 "С
At = 8 "С
_
Расходы воды, иг*
в су-
тки
10
28500
15000
24200
9000
_
в смену
1
__И_н
9500
5400
3000
_
2
12
9500
5400
8100
3000
_
3
13 1
9500
4200
8000
3000
_
в час
макс.
/
КВЩ.
по-
треб-
ив -
ния
14
1300/
1040
800/
640
1100/
900
400/
320
_
1
с£
2
S»
а
О
15
0
0
0
20
_
109
26
т
■
"го
2?
Рис. 8.1. Генеральный план промышленного предприятия (М 1:2000)
ПО
Охл. 1.1 - охладитель в системе первого водопотребителя номер 7;
Охл. 34.1 - охладитель в объединенной системе водоснабжения третьего и четвертого
zv 1:
водопотребителей номер 7;
очистные сооружения подготовки воды из источника;
ВОС - водопроводные
Ум. - установка умягчения воды;
ССФС2.1 - сверхскоростная фильтровальная станция батарейного типа в системе водоснабжения
второго водопотребителя номер 7;
ССФК- сверхскоростные фильтры камерного типа;
POL 1 - радиальные отстойники в системе первого водопотребителя номер 7;
ГР1.1 - градирня в системе водоснабжения первого водопотребителя номер 7;
БВП- блок вспомогательных помещений;
М77 - монтажная площадка;
РХ - реагентное хозяйство;
Фу - фильтры умягчения;
86 - вода умягченная;
87 - вода речная неосветленная;
В8 - вода речная осветленная;
Впр - вода после промывки фильтров;
184, 2В4, ... - подающие трубопроводы в оборотных системах первого, второго и других
водопотребителей;
185, 2В5, ... - отводящие (обратные) трубопроводы в оборотных системах первого, второго и
других водопотребителей;
pi - 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 П1 требует воду достаточно высокого качества, выше, чем в источнике
водоснабжения. В процессе водопотребления вода насыщается механическими примесями и
нагревается. Следовательно, водопотребитель П1 относится к третьей категории водопотребления.
111
Водопотребитель П2 требует 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 потребителя П1 существенно
различается, и объединять их в общую систему водоснабжения не следует.
Водопотребители ПЗ и П4 имеют 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 П5 требует 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 PL 1 и насосной станцией НС1.1 подается на очистные сооружения ОС1.1.
Очищенная вода собирается в резервуар Р1.2 и насосной станцией НС1.2 направляется на
охладитель. После охлаждения очищенная и охлажденная вода поступает в резервуар PL 3 и
насосной станцией НС 1.3 подается водопотребителю П1. Потери воды в системе компенсируются
подпиточной водой из источника. Подпиточная вода может подаваться в резервуар PL 1 (первый
вариант) или в резервуар PL 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 производительность ВОС.
112
Рис. 8.2. Схема системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов, мЗ/сут (первый
вариант)
113
i—-, мт
Щш т Le-
ssee
«и
24200 , . ЖЖВ
Ш
(да)-*- ю
Щ
НЭ.1
П
S
m
^
ЭШ i HC3.2
24Я»
ОжмЖщ
Ш
нал
<юоа
Лл4.1
2Ж0 I «О I
_J ев М—J
6920
Г
4Ш
ш
У вое г*-*7-]
Рис. 8.3. Схема системы водоснабжения промпредприятия с балансом расходов, мЗ/сут (второй
вариант)
114
Во втором варианте качество подпиточной воды должно соответствовать требованиям
водопотребителя и вода из источника предварительно осветляется на ВОС.
В оборотной системе водопотребителя 772 для баланса по веществам предусматриваются очистные
сооружения ОС2.1, вода на которые подается насосной станцией НС2.1 из резервуара
отработанной воды Р2.1. Очищенная вода собирается в резервуаре Р2.2 и насосной станцией
НС2.2 подается водопотребителю. Подпитка в системе может осуществляться так же, как и в
первой системе, неосветленной речной водой с подачей в резервуар Р2.1 (первый вариант - рис.
8.2) либо осветленной на ВОС водой с подачей в резервуар Р2.2 (второй вариант - рис. 8.3).
При разработке схем объединенной системы оборотного водоснабжения водопотребителей 773 и
П4 следует 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 водопотребителей ПЗ и П4. В первом варианте
отработанная вода ПЗ собирается в резервуар РЗ. 7 и насосной станцией НСЗ. 1 подается на общий
охладитель Охл. 34.1. Отработанная вода П4 под остаточным напором подается прямо на
охладитель. Охлажденная вода собирается в общем резервуаре Р34.7, откуда собственными
насосными станциями НСЗ. 2 иНС4.1 подается 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 на ВОС вода 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 777 и 772 первый 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 производительность ВОС. 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
размеры ВОС при 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 Q4 макс с проверкой работы в час
минимального водопотребления Q4MHH
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 PL 1 и 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 Qn0T =1300 м3/ч. Площадь фильтрования определяется из выражения
р= о /V
где VH - скорость фильтрования в период отсутствия промывки одного из фильтров, которая
принимается в диапазоне от 20 до 25м/ч.
F = QnoT/VH = 1300/20 = 65м2.
117
ДМ»
JIJ0O
/^^\j^
I го ■■.'
Ярде MW
mm m «го
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=9,0M2.
Расход воды, м3/ч, на промывку такого фильтра
QnP=if3,6,
где i - интенсивность промывки, которая может быть принята равной 15л/см2.
Qnp=15-9,0-3,6 = 486M3/4.
Проверяется скорость фильтрования в период промывки одного из фильтров:
Уф = Qn0T + Qnp/f(N-l)<30,
Уф= 1300 + 486 / 9,0 (8-1) = 28,3 м/ч < 30 м/ч.
Проверка показывает, что соблюдается условие Уф < 30 м/ч, поэтому сохраняются принятое число
фильтров и их размер.
Определяется объем воды на промывку одного фильтра при времени промывки tnp = 6 мин, или 0,1
ч, из выражения
Wnp = Qnptnp = 486-0,1= 48,6 м3.
Именно этот объем воды должен быть принят в резервуаре Р1.1 и накоплен в резервуаре /7.2,
откуда он забирается на промывку фильтров насосами насосной станции НС1.2.
Суточный расход воды, необходимый на промывку фильтров ССФС1.1, определяется по формуле
vv пр.сут vv np-L>l X1np i
119
где ппр - число промывок каждого фильтра в сутки, которое может быть принято равным 2.
Wnp,yT = 48,6-8-2 = 778м7сут.
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, резервуар PL 1 должен иметь дополнительный объем для приема
промывной воды от промывки одного фильтра ССФС1.1 Wnp.
Wp= 5Qn0T /60 + Wnp = 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 Р01.1
Расчетная производительность радиальных отстойников определяется исходя из максимального
часового водопотребления и обеспечения очистки промывной воды.
Qot =QnOT +Wnp.cyT/24 =1300 + 778/24 = 1332 м3/ч.
Площадь отстойников, м2, определяется по формуле
120
FOT=0,2(QOT/u0)U07+fb
где Uo - гидравлическая крупность частиц, которые нужно осадить для обеспечения требуемого
эффекта осветления, мм/с; fi - площадь центральной вихревой зоны, которая может быть принята в
пределах от 20 до 40 м2 на каждый отстойник.
Расчетная гидравлическая крупность частиц и0 зависит от характера примесей и требуемого
эффекта осветления. Для расчетов в проекте и0 может 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 и0 принимается равной 0,4 мм/с, тогда
F0T= 0,2 (1332/0,4)107 + 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 = V4-123 5/3,14-3 = 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 Q
Потери воды с осадком в отстойниках могут быть определены из следующих расчетов:
Woc = [QcyT (Мэтр-М^) + Qnofl (Мист-Мтр)]/5,
где Woe - суточный объем осадка, м3; QcyT - количество отработанной
121
воды, м3/сут; Qnofl - количество подпиточной воды из источника, м3/сут; Мотр - мутность
отработанной воды, г/м3; Мист - мутность воды источника водоснабжения, г/м3; Мтр - мутность по
требованиям водопотребления, г/м3; 8 - 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.
Woc= [28500 (320 - 10) + 3450 (42 - 10)] / 150000 = 59,7 м3.
Количество воды, м3/сут, теряемой при гидравлическом удалении этого осадка, определяется из
выражения
О = W К
NCOC v ' ОС х*ф5
где Кр - коэффициент разбавления, который принимается равным 1,5.
Qoc=59,7-l,5 = 90M3/cyT.
Следовательно, при повторном использовании промывных вод фильтров потери воды на очистных
сооружениях составят всего 90 мЗ/сут. Именно эту величину потерь воды с осадком следует
учесть при корректировке водного баланса в системе.
Насосная станция НС1.1
Насосная станция НС 1.1 подает воду из резервуара PL 1 в отстойники POL 1 Расчетная
производительность насосной станции равна количеству воды, подаваемой в отстойники, и
составляет 1332 м3/ч.
Потребный напор, м, определяется из выражения
Ннас = Zj - z2 + hHC + hc + Нтр,
где Zi - отметка, на которую подается вода в отстойники, в соответствии со схемой (см. рис. 8.4); zi
= 31,500 м; z2 - минимальный уровень воды в резервуаре PL 1 ; z2 = 21 ,900 м; hHc - потери напора в
насосной станции; hHc принимаются равными 2,0-2,5 м; hc -потери
122
напора в трубопроводах; hc могут ориентировочно приниматься 5,0 м на 1000 м длины
трубопровода; Н^ - требуемый напор в точке подачи воды, который на излив из трубопровода в
отстойник может быть принят равным 1,0 м.
Ннас= 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)
zCp = (zMaKC+zMHH )/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
Нзагл = 26,5 + 0,2 - 22,5 = 4,2 м.
Резервуар Р1.2
Резервуар PL 2 является всасывающей камерой насосной
123
станции НС 1.2 и, кроме этого, в нем должен храниться объем воды на промывку одного фильтра
ССФС1.1. Объем PL 2 равен объему резервуара PL 1 и соответственно принимается такой же
типовой железобетонный резервуар объемом 250 м3.
Насосная станция НС1.2
Насосная станция НС 1.2 подает воду из резервуара PL 2 на ССФС1.1 и далее остаточным напором
на охладитель Охл. 1.1. Режим работы насосной станции НС1.1 совпадает с режимом работы
ССФС1.1, поэтому производительность ее должна быть Q1 = Qn0T + Qnp в период промывки одного
из фильтров и Q2 = QnoT + Qnp в период отсутствия промывки одного из фильтров.
Qj = 1786 м7ч, Q2 = 1300 м7ч.
Соответственно будут меняться и потребные напоры насосов. В период без промывки фильтра
Ннас - Zj - z2 + hHC + hc + пССФС + H
где Zi - отметка распределительной системы градирни, принимаемая ориентировочно на 5 м выше
планировочной отметки; ъх = 31,500 м; z2 = 21,900 м; hHc = 2,0 м; hc = 1,0 м; пССФС - потери напора в
скоростной фильтровальной станции, которые в период без промывки фильтра могут быть
приняты равными 7,0 м; Нтр - требуемый напор в распределительной системе градирни, который
может быть принят равным 5,0 м.
Hhci = 31,500 - 21,900 + 2,0 + 1,0 + 7,0 + 5,0 = 24,6 м.
Потребный напор насосов НС 1.2 в период промывки одного из фильтров повышается из-за
увеличения производительности системы и уменьшения числа рабочих фильтров ССФС1.1. В этот
период потери напора в насосной станции могут быть приняты равными 2,5 м, а в ССФС1.1 -
равными 10 м.
ННс2 = 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 фильтров ССФС1.1 будет автоматически включаться четвертый рабочий насос.
Охладитель Ох. 1.1
Исходные данные для расчета:
количество охлаждаемой воды Q = 1300 м3/ч
температура нагретой воды ti = 34 0,
температура охлажденной воды t2 = 26 Ц
перепад температур At = 8 Ц
температура охлаждающего воздуха по сухому термометру 0!=25 Ц
температура охлаждающего воздуха по смоченному термометру та = 18 0,
влажность воздуха ф = 48 %.
Для охлаждения воды используются типовые секционные вентиляторные градирни с капельным
оросителем.
Площадь градирни, м2, определяется из выражения
Frp = Q/qx,
где qx - 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 + (tj - 20)(0,9 - Дт/100) + 8(0,8 - тА) = 25 + (18 - 20)(0,9 - 8/100) + 8(0,8 - 18/25) = 26,6П
По графику (см. рис. 5.11) при t2* = 26,6 □ и At = 8 Q, находим qx = 7,7м3Лгм2.
Тогда площадь градирни
F^ = 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 м2 и общую площадь 192 м2.
Резервуар Р1.3
Резервуар PL 3 является всасывающей камерой насосной станции НС 1.3. Объем его определяется
из расчета:
Wp =5QnoT/60 = 5-1300/60= 108,4м3.
К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 250 м3 с размерами в плане
6x12 м, глубиной 3,6 м, такой же, как и резервуары Р1.1 иР1.2.
Насосная станция НС 1.3
Насосная станция НС1.3 подает воду из резервуара PL 3 водопотребителю. Производительность
станции равна максимальному часовому водопотреблению QHc =1300 м3/ч. Потребный напор
насосов составляет
Ннас =zi - z2 + hHC + hc + Нтр=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 (п = 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 (LB4) 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 (LB5) 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 12x18м.
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/м3 до 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 Р2.7, откуда насосной станцией
НС2.1 подается на ССФС2.1 и 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.
гаода
пг
f^; Ж
2§.sm
'£Ют
ЛОТ^Г4
Р11
mm mJEZP
аюо,
, 1 Am
..У L
Ж-
2&Ж
ШШ1
&v
* I Я!
Рис. 8.5. Высотно-технологическая схема системы водоснабжения второго водопотребителя
Можно предположить, что возможно направить промывные воды ССФС2.1 из системы второго
водопотребителя в резервуар PL 1 системы первого водопотребителя, уменьшив соответственно
количество подпиточной воды из источника, подаваемой в этот резервуар.
Сверхскоростная фильтровальная станция ССФС2.1
Расчет ССФС 2.1 ведется аналогично выполненному ранее расчету ССФС 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 = Qn0T/VH = 800/20 = 40м2.
Количество фильтров в блоке принимается равным восьми (N = 8), тогда площадь одного фильтра
f=F/N = 40/8 = 5M2.
К установке принимаются серийные напорные вертикальные однокамерные осветлительные
фильтры диметром 2,6 м с площадью f=5,3M2.
128
Расход воды на промывку такого фильтра
Qnp = i f3,6 = 15 • 5,3 • 3,6 = 286 м7ч.
Проверяется скорость фильтрования в период промывки одного из фильтров:
Уф = Qn0T + Qnp/ f (N - 1) = 800 + 286 / 5,3 (8 - 1) = 29,3 м/ч < 30 м/ч
Проверка показывает, что соблюдается условие Уф < 30 м/ч, поэтому сохраняются принятое число
фильтров и их размер.
Определяется объем воды на промывку одного фильтра при времени промывки tnp = 6 мин, или 0,1
ч, из выражения
Wnp=Qnptnp =286-0,1= 28,6м3.
Именно этот объем воды должен быть принят в резервуаре PL 1 Из расчета резервуара Р1.1 (см.
систему водоснабжения первого водопотребителя) видно, что при расчетном объеме 156,9 м3 к
установке принят резервуар объемом 250 м3, позволяющий принять туда еще 28,6м3.
Суточный расход воды, необходимой на промывку фильтров ССФС2.7, определяется по формуле
Wnp.cyT =WnpN nnp = 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 Р01.1, 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, фильтров ССФС2.1 может быть
определена следующим расчетом:
129
Мпр = QcyT(M0Tp - MTp)/W,
гдеМотр = 40г/м3; Мтр = 10 г/м3; QcyT = 16800 м7сут; WnpcyT = 458 м3/сут.
Мпр = 16800(40 - 10)/458 = 1100 г/м3
При поступлении этой промывной воды в резервуар PL 1 концентрация примесей в смешанном
потоке
-L^J-смеш v-*J-OTpl V^cyT.OTpl ^-*J-np2 ** пр.сут2/'\V^cyT.OTpl ** 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 Р1.1 мутность 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 Р2.1 является всасывающей камерой насосной станции НС2.1 и, кроме того, должен
хранить объем воды на промывку одного фильтра ССФС2.1.
Расчетный объем резервуара определяется из выражения
Wp =5QnoT/60 + Wnp =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
резервуара PL 1 в схеме водопотребителя /77.
Насосная станция НС2.1
Насосная станция НС2.1 подает воду из резервуара Р2.1 на ССФС2.1 и далее остаточным напором
водопотребителю П2. Режим работы насосной станции НС2.1 совпадает с режимом работы
ССФС2.7, поэтому производительность ее должна быть
Qi= Qnox +Qnp = 800+ 286= 1086 м3/ч
в период промывки одного из фильтров ССФС2.1 и Q2 = Qn0T = 800 м3/ч в период отсутствия
промывки.
Соответственно будут меняться и потребные напоры насосов. В период без промывки фильтра
потребный напор
Ннас = zi - z2 + hHC + hc + hccoc + Нтр = 28,00 - 21,90 + 2,00 + 2,0 + 7,00 + 25 + 25 = 45,10 м.
Потребный напор в период промывки одного из фильтров
Ннас = 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 мЗ/ч при напоре 45,1 м.
Определение диаметров трубопроводов
Подающий трубопровод (2В4) выполняется из стальных труб.
131
Q = 800 м7ч = 222 л/с; d = 500 мм; V = 1,06 м/с; 1000i = 2,90.
Отводящий трубопровод (2В5) выполняется самотечным из железобетонных труб.
Q = 800 м7ч = 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 ПЗ и П4 включает 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 ti = 33 Ц
температура охлажденной воды t2 = 25 Ц
перепад температур At = 8 Ц
температура охлаждающего воздуха по сухому термометру 0i = 25 0,
температура охлаждающего воздуха по смоченному термометру xi = 18 "С;
влажность воздуха ф = 48 %.
Площадь градирни, м2, определяется из выражения
Frp = Q/qK
где qx - 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 + (ti - 20)(0,9 - At/100) + 8(0,8 - ц/бО = 25 + (18 - 20)(0,9 - 8/100) + 8(0,8 - 18/25) = 25,6D
По графику (см. рис. 5.11) npnt2* = 25,6 Пи At = 8 □ находим qyK = 6.7 м3Лг м2.
Тогда площадь градирни
F^p =1500/6,7 = 224м2.
К установке принимается типовая четырехсекционная градирня, имеющая размеры секции 8 х 8м,
площадь одной секции 64 м2 и общую площадь 256 м2.
При применении градирни с пленочным оросителем расчет ведется с использованием графиков
(см. рис. 5.12).
По графику (см. рис. 5.12,6) при Ti = 18 D и t2 = 25 □находим Х21 = 21 0, а затем по этой величине и
At = 8 Ппо графику рис. 5Л2,а находим qx = 8,5 м3Лгм2.
Тогда площадь градирни с пленочным оросителем
F^ 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 м2 и общую площадь 192
м .
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 Р3.1 является всасывающей камерой насосной станции НС3.1.
Расчетный объем резервуара определяется из выражения
Wp = 5 QnoT3/60 = 5-1100 / 60 = 91,7 м3.
134
К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 100 м3 с размерами в плане
6x6м, глубиной 3,6 м.
Резервуар Р34.1
Резервуар Р34.1 предназначен для приема охлажденной коды из градирни и является
всасывающей камерой насосных станций НСЗ. 2 и НС4.1.
Расчетный объем резервуара определяется из выражения
Wp=5(QnOT3 + Qn0T4)/ 60 = 5 (1100 + 400) /60= 125м3.
К установке принимается типовой железобетонный резервуар объемом 250 м3 с размерами в плане
6x12 м, глубиной 3,6 м.
Насосная станция НС 3.1
Насосная станция НСЗ. 1 подает воду из резервуара РЗ. 1 на градирню Охл. 34.1.
Производительность насосной станции Q = 1 100 м3/ч.
Потребный напор
Ннас = zj - z2 + hHC + hc + Нтр = 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 (п = 1450 об/мин).
Насосная станция НСЗ.2
Насосная станция НС 3.2 подает воду из резервуара Р34.1 потребителю ПЗ.
Производительность насосной станции Q = 1 100 м3/ч. Потребный напор
Ннас = zj - z2 + hHC + hc + Нтр= 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 (п = 1450 об/мин).
Насосная станция НС4.1
Насосная станция НС4.1 подает воду из резервуара Р34.1 потребителю П4. Производительность
насосной станции Q = 400м3/ч.
Потребный напор
Ннас = zi - z2 + hHC + hc + Нтр = 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 (п = 2950 об/мин).
Определение диаметров трубопроводов
Подающий трубопровод (ЗВ4) выполняется из стальных труб.
Q = 1100 м7ч = 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 м7ч = 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 = 400m7h= 111 л/с; d = 300 мм; V = 1,46 м/с; 1000 i = 10,3.
Система водоснабжения пятого водопотребителя
Система водоснабжения водопотребителя П5 должна обеспечить получение умягченной воды и
подачу ее потребителю равномерно в течение суток. Получение умягченной воды жесткостью не
более 0,1 г-экв/м3 при жесткости исходной воды не более 3,7 г-экв/м3 может 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 НС5.1
подается на Na-катионитовые фильтры Фу, где происходит обмен катионов Са2+ и Mg2+ на 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 соли 1 (см. рис. 8.7), осветлительный фильтр 3 для
очистки раствора соли, баки рабочего регенерационного раствора 4 и воды для взрыхления 5, а
также соответствующие насосы 2.
Расчет Na-катионитовой установки осуществляется в соответствии с рекомендациями прил. 7 [12].
В качестве катионита используется сульфоуголь.
Объем катионита, м3, определяется из выражения
** кат ■^'^'Цум -Я^-исх 'Up J-' раб •>
где qyM - часовая производительность установки; с|уМ =50 м3/ч; Жисх -жесткость исходной воды; Жисх
= 3,2 г-экв/м3; пр - число регенераций в сутки; пр = 2; ENapa6 - рабочая обменная способность
катионита, г-экв/м3.
J-' раб C^NaPNa-l-'полн ~ *-'5-^ ЧУД"^ИСХ'
где aNa - коэффициент эффективности регенерации катионита; при удельном расходе соли 200 г/г-
экв aNa = 0,81; pNa - коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости за счет частичного
задержания катионов натрия; pNa = 0,83 при Na / 23 Жисх = 0,1; Еполн - полная обменная емкость
катионита; для сульфоугля Еполн = 500 г-экв/м3; qw - удельный расход воды на отмывку катионита;
для сульфоугля qw =4 м3/м3.
ENapa6 = 0,81 • 0,83 • 500 - 0,5 • 4 • 3,7 = 328,75 г-экв/м3.
Тогда объем катиона
138
WK = 24 • 50 • 3,2 / 2 • 328,75 = 5,84 м3.
При высоте слоя загрузки Нк = 2 м площадь катионитовых фильтров будет составлять
FK = WK/HK = 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
fK=FK/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 fK = 1,54м2.
Проверяется скорость фильтрования для принятых размеров фильтров, которая при жесткости
воды до 5 г-экв/м3 должна быть не более 25 м/ч:
V = qyM/ 2fK = 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 Р5.1 и Р5.2 принимаются типовыми, объемом 50 м3 с размерами в плане 3x6 м и
глубиной 3,6 м.
Насосная станция НС5.1 подает воду из резервуара Р5.1 на фильтры умягчения и далее в
резервуар Р5.2. Производительность станции составляет 50 м3/ч.
Потребный напор насосов определяется с учетом потерь напора в фильтрах умягчения, равных h^
= 6,0 м, из выражения
139
Ннас = zj - z2 + hHC + hc + h^ + Нтр = 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 (п = 2900 об/мин).
Насосная станция НС5.2 подает умягченную воду из резервуара Р5.2 водопотребителю П5.
Производительность станции составляет 50 м3/ч.
Потребный напор насосов определяется из выражения
Ннас = zi - z2 + hHC + hc+ HTp = 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 (п = 2900 об/мин).
Подающие трубопроводы В8 и Вб выполняются из стальных труб.
Q = 50 м7ч = 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 ВОС в течение суток расчетная производительность
Q= 1820/24 = 76 м7ч.
140
Для осветления воды применяются сверхскоростные многокамерные фильтры (ССФК) системы
Г.Н. Никифорова (рис. 8.8).
}h
В |жщйр|ы РИЛ К.1
В резер§рр Ptl
Вт — >
ж шт
В ршрйуфи Ptl P2I
Вадождор
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 + Qnp)/f (8- 1) = (76 + 15 • 0,8 • 3,6)/0,8 • 7 = 21,3м/ч<30м/ч.
Объем воды на промывку одной камеры
141
Wnp = i f3,6 tnp = 15 • 0,8 • 3,6 • 0.1 = 4,32 м3
Ji^ ^iv
Суточный расход воды, необходимой на промывку фильтров,
Wnp.cyT = Wnp NK nnp = 4,32 • 8 • 2 = 70 м7сут.
Эта вода направляется в резервуар PL 1 для 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 PL 1 и Р2.7, выполняется также из
стальных труб.
Q = 3770/24 = 157 м7ч = 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
1ЙЯ
иом
1
шт
24200
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 LT обычно определяют размеры насосных станций. Исходя из
этого ориентировочная длина этой части здания может быть рассчитана из выражения
LT = LLhc/2,
где £LHc - 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
I __ I
ч-
б й
-ф-
f£
[СФС
-ф-
нг
р
ч
р
р
1 ■ ■ "■
•■ ш • *
р
».
t-
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].
I _-« |
4
-ф-
■ф-
IP
Ж
Ж
р
р
г
Я!
е е
am
5
§
£
X
МП
МП*
ffl
f
р
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
265, #500
Щ #500
щ $вт еодгошшя
Ш, HOQ
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
4x4
4x4
6x4
6x4
8x8
8x8
8x8
12x12
12x12
12x16
12x16
Площадь одной секции,
м2
16
16
24
24
64
64
64
144
144
192
192
Количество
секций
2-6
2-6
2-5
2-5
2-5
2-5
2-5
2,3
2,3
2,3
2,3
Тип
оросителя
Капельный
Пленочный
Капельный
Пленочный
Брызгальный
Капельный
Пленочный
Капельный
Пленочный
Капельный
Пленочный
Приложение 2
Размеры типовых прямоугольных железобетонных резервуаров
Объем, м
50
100
250
500
Размеры в плане, м
3x6
6x6
6x12
12x12
Глубина воды, м
3,6
3,6
3,6
3.6
1000
18x12
4,8
151
Приложение 3
Сводный график полей Q - Н консольных насосов
30 40 SO да & <юют
то т too m ищф
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. Андонъев СМ. 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. Кулъский 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. Полисов В.К, Баранова В.В., Соколова О.А. Эффективность использования водных
ресурсов на машиностроительных заводах. - М.: Машиностроение, 1977.
12. СНиП2.04.02-84. 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 указаниях1 и 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
1 Умягчение 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 ГУЛ "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. м3 воды, 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 км3 свежей 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
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
Поливка
Вода на технические
нужды
Подсоб-
ные
НУЖДЫ
Про-
мывка
Получе-
ние пара
Вода
как
сырье
Изготовле-Ч
«не
изделий
Приготовление
растворов
Охлаждение
Гидротран-
спорт
Охлаждение
для
сохранения
прочности
Металлур-
гические
печи
I
Охлажде-
ние
рубашек
1 двигателей
Охлаждение для
обеспечения
технолог, процесса
Прокатка
стали
Получение
химических
продуктов
Подшипники
\
Закалка
Выработка
электроэнергии
(паром)
Грануляция
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
Отрасль
Теплоэнер-
гетическая
Нефтепере-
рабатываю-
щая
Химичес-
кая и неф-
техимичес-
кая
Черная
метал-
лургия
Цветная
металлур-
гия
Целлюлоз-
но-бумаж-
ная
Предприя-
тия легкой
промыщ-
ленности
Расход воды на
охлаждение, %
96
95
74-95
75
20
7
1
60
94
64-96
93
91
65
Ч
JW и—
д К ■&
ЗГ hmt EC
°- >v S
1С Ж к
° Я =
щ я а
о _ с
■/ j Ч
о rt о
EJ о О,
1000
100
100
зоо'4
5
1
6
Температура
воды, еС
£
9
а г:
о 5
ш х —
£ ч ч
х 2 о*
tr р? о
«3 В 10
X Р О
37-45*'
35-38*2
35-40*3
40-45
40-45
*т\/ **т^Э
35-40*6
35-40
32-35*7
35-36
X
а
о
X
я £
" 3
О Ё*
30-33
30-33
25-30
25-28
*йв»«1*™? %J
30-35
25-28
25-30
25-27
27-28
Вид загрязнений
Условно чистая
Тоже
Нефтепродукты
Механические
примеси,
нефтепродукты
Органические,
минеральные
примеси
Механические
примеси,
нефтепродукты
То же
и
Условно чистая
м
*' Конденсаторы паровых турбин. '1 Воздухоохладители обмоток генераторов. '"'
Маслоохладители. На комбинатах и заводах с полным металлургическим никлом. 5
Холодильники доменных печен и др. ** Воздухоохладители и маслоохладители. "7
Конденсаторное оборудован не.
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
Роб =
W обор
* ' обор * ' ист * ' с
100%; Роб -> 100%,
где W06op, WHCT, Wc - соответственно расход оборотной воды, забираемой из источника
водоснабжения свежей воды, воды, поступающей с сырьем и реагентами.
Среднее значение Роб ~ 60% (для отдельных предприятий от 75 до 95%).
2. Рациональность использования по коэффициенту использования
WHCT - Wc6,
<1;КИ—1,
где Wc6p - расход сбрасываемой в водоем или городскую канализационную сеть.
Среднее значение Ки ~ 0,27, но есть предприятия, имеющие Ки =0,75 - 0,85.
3. Процент безвозвратного потребления и потерь воды в системе водоснабжения от
общего ее расхода
vv ист vv cop
w + w + w fi
V T ИСТ v * ПОСЛ v * OD
100%;PnoT^0,
16
где Wno™ - расход последовательного используемой воды. Среднее значение Рпот ~ 2,5%
(1,25 - 30%).
4. Коэффициент отведения воды
К0 =
wc6p
W
vv ист
100% < 100%; К0 -> 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"
Механосборочный корпус:
Роб = 99,8%;
Ки = 99,8%;
К0 =95,7%.
Вспомогательные цеха:
Роб = 79,6%;
Ки = 93,6%;
К0* =31, 6%.
Крмпрессорная станция:
Роб =Ю0%;
Ки = 0;
Ко = 0.
Предприятие в целом:
Роб = 96,5%;
Ки = 98,5%;
К„ =46,6%.
ГП "Адмиралтейские верфи"
Цеха основного производства:
Роб = 32-96,7%;
Ки= 10-97,4%;
К0 =56,6-99%.
Вспомогательные цеха:
Роб = 0;
Ки = 0;
К0* =100%.
Компрессорная станция:
Роб = 6 1,2%;
Ки = 63%;
К0= 94,8%.
Предприятие в целом:
Роб = 48,5%;
Ки = 50%;
К„ = 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:
Vcp.cyT Z^ Чуда
где Р - количество выпускаемой продукции в сутки; qw - 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°, a
при1=15°-200л.
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 нормы1 расхода 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 Клет и Кзим
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
Расход воды, м3/ч
25
5000
50
12000
100
20000
200
40000
1200
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 Ксут и часовой Кч неравномерности. На
коэффициент суточной неравномерности влияет сезонность производства и качество
воды.
Например, консервные заводы зимой имеют малые расходы, а в осенний период -
наибольшие (Клет=2; Кзим=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 Клет=1,15; Кзим=0,9. Имеют
место колебания расхода по режиму работы аппаратуры, заполнения различных емкостей
и т.п. Обычно значение Ксут=1-2. Сезонные изменения водопотребления учитываются
коэффициентами Клет и Кзим.
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
Кч=3,5-1.
59
1 Укрупненные 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 QB, м3/ч,
необходимый для отведения выделяющегося тепла
59
при температуре выходящей нагретой воды ti и поступающей холодной определяется по
зависимости:
Qa =
А
c-(t!-t2)-103
А
с-Дг-103
Расход воды возрастает с увеличением тепловой нагрузки А и уменьшением
температурного перепада At.
Для увеличения At надо увеличивать ti или уменьшать t2. Значение t 2 зависит от
температуры воды в источнике или на охладителе (бассейн, градирня). Летом условия
охлаждения хуже, значит воды надо больше. Значение ti зависит от конструкции системы
охлаждения и условий технологического процесса. Для систем водяного охлаждения
обычно t!<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 At и QB для различных объектов можно определить экономически
наивыгоднейшие температуры ti и 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>QB =
А
c-(t!-t2)-103
> 1)кр-ю-3600 > p-QB, м7ч
• где ti и t2 - температуры отходящей горячей и поступающей холодной воды, °С;
• с - теплоемкость воды, ккал/град-кг;
• икр - критическая скорость воды, исключающая выпадение взвеси при
• заданном качестве воды и местное кипение, м/с;
со - площадь живого сечения, м2;
Р - коэффициент, учитывающий отклонение распределения расхода воды от
заданного; Р= 1,1-1.3.
*%t \Л ~| %Л
4-ю
ю-
где г)сам0Чищ - 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
1W - скорость, исключающая местное кипение, м/с; d3 - эквивалентный гидравлический
диаметр, м; % - смоченной период, м; q - тепловое напряжение, ккал/м2-ч.
Практически расчетный расход воды определяется величиной Q = P-Qp.
Для предотвращения выпадения накипи температура нагретой воды должна быть не более
предельной ti< t\nvea- Для её определения существуют различные зависимости.
При прямоточном водоснабжении
И пред
где Жк - жесткость карбонатная, мгэкв/л.
Например, 11пред = 15 +
600
2,8- Жк + 4
+
8000
(2,8- Жк)4
,°С
При оборотной системе водоснабжения
11пред = ДЖК,ЖНК, Ов), 80 + 1,67- Ов - 14-Жк
• где Жк - жесткость карбонатная, мгэкв/л;
• Жн.к. - жесткость некарбонатная;
• Ов - окисляемость воды, мг/л.
Например, tlnpefl = 80 + 1,67- Ов - 14-Жк -
112-Ж,
48-Ов
,°С
При испарительном охлаждении расход воды Q, м3/ч, принимается наибольшим из
соотношения
Q>Qn=
А
(ii-i2>103
> г)кр-ю-3600>КП,
где Qn - расход воды, обеспечивающий отведение выделяющегося тепла, м3/ч;
ii -теплосодержание потока жидкости (воды, пароводяной эмульсии) после отбора
тепла, ккал/кг;
i2 - теплосодержание потока жидкости до отбора тепла, ккал/кг;
со - площадь живого сечения, м2;
К - критическая кратность циркуляции;
П - выход пара, т/ч;
икр -критическая скорость воды, м/с. Это скорость при которой исключается
выпадение примесей из воды и расслоение потока на пар и воду; икр > 0,6-1,2 м/с.
• где р - давление, кг/см2;
• q - тепловое напряжение, ккал/м2-ч;
• d3 - 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 Кч=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:
пост
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,
ZQ
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
1. С исходным сырьем и полуфабрикатами QCbip
2. С вспомогательными веществами (топливо,
реагенты и т.п.) QBcn
3. С атмосферными осадками (дождь, таяние
снега) QaTM
4. В виде шахтного или рудничного водоотлива,
почвенная (дренажная), инфильтрационная и пр.
^ПОДЗ
5. Из источника водоснабжения QHcn
6. Сточная вода, повторно используемая после
очистки Q
ст.повт
пост
Убыль воды из системы
1.Унос с продуктами и отходами Q6n
2. На полив полов, проездов, зеленых
насаждений Qnon
3. На испарение в охладителе
оборотной воды QHcn хол
4. Унос воздухом из охладителя
оборотной воды QyH
5. Испарение естественное с водной
поверхности QHcn,ест
6. Транспирация растительностью
водоема Q
трансп
7. Эксфильтрация из системы
водоснабжения в почву Q3KC^
8. Сброс воды в водоем для
освежения оборотной воды
(продувка) Qc6p
9. Сброс собственно сточных вод в
водоем или другие приемники их
*<сбр.ст
ZQy6
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
Cfl-Q = C0-(Q2 + Q3) = C0-(Q-Q1),
65
• где Сд и С0 - концентрация солей или ионов соответственно в добавочной и
оборотной воде, г/м3;
• Qi и 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 = Qi + 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.
КОНДЕИСАГ
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 и двухходовые, 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;
W
G
п = 30-70;
температуры охлаждающей воды.
Пар
Конденсат
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°С, 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, но
прекращение подачи воды недопустимо, 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
- шлако дробилка; 10 - железоуловитель; 11 - багерный насос; 12 - золо провод
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 или комбинированной 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 Клет и Кзим для 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 1 Ос.
Кроме стержневых поглотителей нейтронов для реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000
дополнительно используется жидкий поглотитель - раствор борной кислоты Н3В03,
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
1 Ос 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
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 Н3В03). 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 < 3,7-108 Бк/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°C), общая жесткость 0,5 мкг-экв/л, концентрация, мкг/л, кремниевой кислоты в
пересчете на Si02 - 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; 3 -
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 м3 на 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 м3 на 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; НС-ПН -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 м3 на 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 м3 на 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 имеют 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,
п =
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 п = 60 расход воды в конденсаторах составляет 0,3 м3 на 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 м3 на 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 Жк < 3 мг-экв/л,
температура до 30°С).
2. Кристаллизаторы установок напрерывной разливки стали (содержание взвешенных
веществ до 20 - 50 мг/л, Жк < 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.
— i)y
—- -*• -*< =ф
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 м3 объема 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
§
р_.
Г
i I
'=Т
ё
6
ГТЧЛ~ТТ~П~ТТ ""П7
j i
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 м3 на 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 м3 на 1 т
шлака.
I
з пса
800
а
г———
h-f
I
4
-
J
20 40 60 SO WO 110
<$woo
:&
-S> ^
u S
^ V
M0
Ш>
ts
^
200
a
в
^
z-^
Л*
4 В 8 10 ft ft
Расход воды Q, м*/ч
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 м3 на 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 м3 на 1 т шлака.
Выделяющийся при грануляции пар и газ содержащий сернистые соединения, отводятся в
дымовую трубу.
167
фШ&/#№ля£=фяят*
Сбеяая Soda
на гидрозлеВатор
to
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.
'Br*
II
-у
5 i
л"(?
ц.
.А-
8г"
-80-
дг
гтТП 8 ПТтт^
\
-иА
'Дг"-
1
О
чу
t-ЧШ
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; В0- вода осветленная; Вг - вода грязная; Вс —вода свежая; Иш -
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 м3 газа составляют 5-6 м3, в том числе на
охлаждение газа в скрубберах 4,5 м3, на непрерывную промывку электроосадительных
труб электрофильтров 1,1 м3 и на периодическую промывку электрофильтров 0,4 м3.
Суммарный расход воды при повышенном и высоком давлениях газа под колдошником
составляет около 3,2 - 4,5 м3 на 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 м2 полезной площади. Повышение
удельной нагрузки до 3-4 м3/ч на 1 м2 и 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.
Общий расход воды при водяном охлаждении всех элементов мартеновской печи
составляет 10-15 м3 на 1т 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.
iiitSpce пара
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 м3 на 1000 м3 газа, 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 м3 на 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 м3 на 1000 м3 газа 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 м3 на 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 м3 воды 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.
4
—т
в НроддИхй
7^
гаи viasx
Доёвдотю j
Д?Й7
ст
Погретая напорном ЗФ
нагретая безяшрнйя Soda
—■■—- дшктя ieis —
\ЯЩ Оборотная —/-
'Ш§9Щ Оборотной тврвтм боба
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 м3 на 1 т кокса. Количество сточных вод 0,42 м3 на 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.
Потери, воды
т истрёте
ка дренаж
Технцчесния
бода Нагретая
Вода.
Потери воды
чиа уйлажненш* угт-
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 м3
коксового газа- 17м3.
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 м3
охлаждаемого 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
■l Ъхз
i
~*>z
t=5
канализацию
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 м3 на 1 т.
Недопотребление на химических предприятиях по выпуску: этилена и пропилена,
полипропилена, бутиловых спиртов, синтетических жирных спиртов, циклогексана -
составляет от 550 до 120 м3 на 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 м3 на 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; *-*>4—производственный водопровод
нагретой воды; *"*"* О *""-* производственный водопровод охлажденной воды; ~Д~* подача
реагента; "~Х--*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 м3 на 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 м7т.
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.
ф=± - ^€л21Л^ ■—^Г "!,-^—-Л— T>-_^f^—Н> ^
Рис. 5.29. Схема продольного водопровода: А, Б, В, Г - железнодорожные станции; НС -
насосные станции; ВБ - водонапорные башни; wB, WB, Wr - 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.
источник
тдвсш-
темт
Q8*1Q0%
I)
Охлаждение
оосрудодв-
0У
и
I
1С
Отьта
SoecmSu J
у* деталей
п
■.Цу- "^
нос
адда I
ч
§
■JiuJ м ы
Полуюте
пара
yjg*
—t-
Tlpovue
техни-
ческие
нумды
из?—
iL
Пв/лре-
битсяц
novo
мое
1
a up,
i?afZS%
Запрсб-
и&гогое
а— Очистные
>J—■ сооружения
, J Qc -517»
Рис. 5.30. Примерная балансовая схема водопотребления и водоотведения на
железнодорожных предприятиях:<3в,(3с - общий расход потребляемой воды и
сбрасываемых стоков; Q6 - расход бытовых стоков, передаваемых в городскую
ii
\
ХрЗЯиШ
нчжды
^11
канализацию; qB, q06, qc - расходы водопроводной и оборотной воды и производственных
стоков в отдельных технологических процессах; qn - 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.
а)
Q*f
ё)
&фГ
Qn
JL
rjyjD И ^
I «*
и
И
ОУ
Т
L_*0 И
Ъ„
СУ
Кг
Utf^ff
БУ
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; Qn -
расходы подпиточной (свежей) воды; Qc6p, qCT - сбросной и стабилизационный расходы;
Qo6 -расход оборотной воды
Для обычно применяемых на транспорте компрессоров с расходом охлаждающей воды
Qom = 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.
а)
к* %
Л
тшшшшшж
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 х 1,5 м и высоту 3 м. Такие охладители применяются при
температуре наружного воздуха до 40 - 45°С и обеспечивают ширину охлаждения At = 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 At = 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 ti < 28°С; взвешенные вещества < 30 мг/л; эфирорастворимые < 20 мг/л;
рН 7-8; Жк < 3 мг-экв/л5 Щ0бш < 4 мг-экв/л; сухой остаток < 2000 мг/л; сульфаты до 500
мг/л; хлориды до 350 мг/л; фосфаты (Рг05) 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
1 ™»у™-гт •
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 10-15л 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 м3
на 1 м3 уплотняемого фунта.
Значительное количество воды расходуется при бетонных и других работах на промывку
заполнителей бетона и приготовление растворов из расчета: на 1 м3 щебня или гравия - 0,5
- 1 м3, песка - 1,2 - 1,5 м3, на приготовление 1 м3 бетона - 0,2 - 0,4 м3, для 1 м3 кирпичной
кладки 1-1,2 м3, для штукатурных работ 0,002 - 0,008 м3 на 1 м2 поверхности. 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 м3 и 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 м7сут.
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 (С02), в виде
бикарбонат-ионов С032. 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
С02 + Н20 -><- Н2С03 -><- Н+ + НСОз -><- 2Н+ + С032.
Нарушение этого равновесия существенно изменяет свойства воды для производственных
целей.
В водных растворах углекислых соединений наблюдается динамическое равновесие
2НС03 -><- С032 + С02+ Н20,
где [С02] - 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(НС03)2 -><- Са2+ + 2НС03
Mg(HC03)2 -><- Mg2+ НСОз.
В свою очередь ион НС03" диссоциирует с образованием
2НС03 -><- С02 + Н20 + С032.
При нагревании, а затем охлаждении воды в открытых охладителях углекислый газ
уходит из системы. В результате углекислотное равновесие нарушается, возникает
избыток ионов С032. При наличии в воде ионов кальция Са2+ и магния Mg2+ образуются
нерастворимые соединения, выпадающие в осадок,
Са2+ + С032 = СаСОз |,
Mg2+ + C032 =СаС03|.
237
Как показывает практика, слой накипи в системах охлаждения состоит на 70 - 80% из
СаС03 и на 20 - 30% из MgC03 и Si02. 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 С02,
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 Жк < 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 Жк от 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 Жк > 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
й> s) i)
г)
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).
а) 5)
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 14-18и20-28 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
м
18
24
30
40
50
54
0,
м3/ч
900
1800
3200
7400
12000
15000
мм/с
0,3
0,3
0,3
0,3
U¥Jf
0,3
Число
ярусов
2
2
2
2
3
3
м
Фг J *
"&-J #
#*j *
Xj /
3,6
3,6
м
4
4
7
8,8
13
15
М
3
6
6
9
9
9
1щ
М
2
2
i
2*2
3
3
2ho,
мм
60
60
60
60
60
60
2hK,
мм
105
150
111
121
101
96
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 U0 = 0,3 мм/с, ориентировочно можно считать, что производительность
отстойника следует уменьшить до значения
243
Q = Q
Uo.
и0
• где IT о - гидравлическая крупность частиц, подлежащих задержанию в отстойнике
для получения заданного эффекта;
• U0 - 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
-Г
L
ITTTJ "Ц М
/Ж///Щ
JT/TT
iM*
Lm С0$(&
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.
а) т I)
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
Paipe*
MM
/ ///
m-€&*
flAQH
"5
^v-*..
a\ a
-V
--V
I
1
•I*
"I
**C
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 U0 = 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
tt)
5)
ФИ ФС
нсо
Ш
ЧНгР гТ
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-П -
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 =
VX
<500
где V - средняя скорость жидкости в тонкослойном элементе, см/с; со - площадь
поперечного сечения тонкослойного элемента, см2; % - смоченный периметр, см ; v -
кинематический коэффициент вязкости жидкости, см2/с.
Для полочных и трубчатых отстойников при
Ь_
2
h
> 4, где b - ширина тонкослойного элемента, можно считать
со
X
= h, где h - половина расстояния между соседними полками.
Максимальная допустимая скорость в тонкослойных элементах
Длина тонкослойного элемента (полочного блока) определяется по зависимости
V-2h
U0 cosa
где V - средняя скорость жидкости в живом сечении полочных блоков
V =
Q
3,6Fn
<2-10,мм/с;
• Q - расход обрабатываемой жидкости, м3/ч ;
• Fn - суммарная площадь живого сечения тонкослойных блоков, м ; 2h - расстояние
между полками (глубина тонкослойного элемента), м; рекомендуется 0,025 < 2h <
0,1м;
• U0 - 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
• а - угол наклона тонкослойных элементов (полок) к горизонту, зависит от свойств
взвеси и материала полок. Из условия сползания осадка а = 45 + 60°;
• ф - коэффициент, учитывающий гидродинамические условия осаждения частиц в
тонкослойных элементах.
Значение коэффициента ф определяется по нижеприведенной таблице (табл. 7.2) методом
последовательного приближения. Принимая вначале ф = 1 и определяя Ln, находят
значение
hRe
, затем уточненное значение ф и, вновь определив Ln и
hRe
по таблице находят расчетное значение ф.
Значения коэффициента ф = f(
Ln
hRe
)
Таблица 7.2
hRe
Ф
0,05 0,1
1,78 1,61
ОД
1,48
0,3
J ^Hri*
\J^ *Нг
1,38
0,5
1,35
1 19.
J. ,ZO
1 )£,£.
1,17
Объем осадка woc, м3/ч, выпадающего в отстойнике, определяется по приведенной ниже
зависимости или по аналогичным зависимостям, имеющимся в литературе
Wo
У^исх^
р(100-р1)Ю6
где Q - расход, м3/ч ;
р - плотность осадка, т/м3, р ~ 1 т/м3;
• pi - влажность осадка, т/м3;
• Э - эффект очистки, %.
Эффект очистки воды от взвеси
Э =
С -С
г
^исх
100, %,
где Сисх, Сост - 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 U0 = 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 U0 = 0,25^- 0,3 мм/с.
При использовании отстойников для других условий или изменения базовых параметров,
например, расстояния между полками 2h, длины полок Ln , расхода Q, гидравлической
крупности U0 и 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 U0. 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
U0 - 0,25 мм/с. Выбираем этот отстойник. Площадь живого сечения полочных блоков в
отстойнике Fn = 1,69 м2 (находится по таблице основных размеров).Длина полок Ln = 300
см = 3,0 м, расстояние между полками 2h =50 мм = 0,05 м.
Скорость движения жидкости в блоке
V =
Q
3,6Fn
25
3,6-
1,69
= 4,1 ,мм/с.
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц определяется по зависимости
и0 = ф
V-2h
Ln cosa мм/с .
, мм/с
Находим ф. Число Рейнольдса потока
Re =
Vh
v
0,41 •
2,5
0,01
= 103,
где v - кинематический коэффициент вязкости v =0,01 см2/с при Т = 20°С (значение
вязкости должно быть скорректировано в соответствии с местными условиями).
Значение комплекса
hRe
300
2,5-10
3
= 1,17,
где Ln и h в см.
Откуда по таблице 7.2 находим ф = 1,27.
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц
и0 = ф
V-2h
Ln cosa мм/с .
= 1,27
4,1-0,0
5
3-0,5
= 0,168 мм/с,
где 2h и Ln в 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 U0 найти диаметр
задерживаемых частиц d0, 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 = U0, соответствующее эффекту очистки Э = 70%.
251
Пусть этому эффекту на графике соответствует U0 = 0,18 мм/с. Это меньше, чем базовое
значение U0 = 0,25 мм/с. Значит, принимая любой из отстойников типоразмерного ряда,
получим снижение его производительности по сравнению с базовой приблизительно в
0,2
5
ОД
8
= 1,39 раза. 0,18 'F
Для более точного подсчета необходимо воспользоваться зависимостью
Q =
U0Ln cosa
cp-2h
Поставляя в нее параметры выбранного типоразмера отстойника Ln , 2h, Fn, a, найденные
из таблицы основных размеров базового отстойника, и расчетное значение U0 = 0,18 мм/с
при ф = 1 определяем в первом приближении расход Q, а затем находим по этому
приближенному значению расхода скорость V, число Рейнольдса Re и значение
комплекса
hRe
. После чего уточняем значение ф и уточненный расход отстойника Q, подсчитывая его
по найденному значению ф.
Как правило, одного приближения достаточно для получения требуемой точности
расчетов.
При привязке базовых типоразмеров отстойников могут быть изменены расстояния между
полками 2h, длина Ln и 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 (уф = 5-15 м/ч) и сверхскорые (уф >
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 уф = 10 -
12 м/ч и Уф =13-15 м/ч, Интенсивность промывки водой 6 - 8 л/ см (1 мин в начале и 2
мин в конце) и воздухом 15-25 л/см2 с одновременной подачей воды 3-4 л/см" 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 х 0,25 мм до 4 х 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 2x2 мм, фильтровальных - 0,5 х 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"
\ 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, Аперекрытые 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 Уф = 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 х
0,2 мм достигает 45%, Уменьшение размеров ячеек до 65 х 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
а)
S)
и,
3SZZEZ3T3Z? i
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 уфр = (1,2 - 1,25) уф.
257
о)
I)
к
дОООЬОоо
13
\ гп
о о о о о о о
О Or О *> »* • ■
г-в—tr__-a_tt_qfr
■J^^ * 10 * В Ф ш *
..я
3Z»
9
■и—
■*«*
-*<*-
1Z
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
Тип фильтра.
Материал загрузки
Однослойный.
Загрузка кварцевый
песок и дробленый
керамзит
Двухслойный.
Загрузка кварцевый
песок
Загрузка
дробленый
керамзит или
антрацит
Диаметр зерен, мм
Омин
0,5
0,7
0,8
0,5
0,8
flvwc
1,2
1,6
2,0
1,2
1.8
Унт
0,7-0,8
0,8-1,0
1-1,2
0,7-0,8
0,9-1,1
1*» О
•£ О
V £
S Ч
■е- 2 й
•& й- >»
5 8 я
1,8-2,0
1,6-1,8
1,5-1,7
1,8-2,0
1,0— 1 *■©
Высота
фильтрующего
слоя,м
0,7-0,8
I $3" I j*/
1,8-2,0
0,7-0,8
0,4-0,5
Скорость
фильтрования при
нормальном режиме
Уф , М/Ч
загрузка
песок
5-6
6-8
8-10
загрузка
керамзит
6-7
7-9,5
™у J™* 1 £ш
7-10
258
Расчет фильтров и их коммуникаций производят на нормальный и форсированный
режимы работы.
Суммарная площадь фильтров
F =
Q
Тф-Уф - nnp-qnp-ti - ПдрЧгУф
,м2,
• где Q - количество очищаемой воды, м3/сут;
• Тф - продолжительность работы фильтров в течение суток, ч;
• Уф - скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч;
• ппр • число промывок фильтра в сутки; обычно ппр = 2 - 3;
• qnp - интенсивность промывки; л/с-м2; qnp = 10 - 18 л/с-м2;
• ti - продолжительность промывки фильтра, ч;
• t2 - время простоя фильтра в связи с промывкой, ч; t2 = 0,33 ч, при промывке водой
и t2 = 0,5 ч при промывке водой и воздухом.
Количество фильтров N,}, = 0, 5 Vf.
При этом должно соблюдаться условие
V*,. <
N$-N
, м/ч
где N • число фильтров в ремонте. Для станций производительностью менее 1600 м3/сут
допускается принимать N,},<4.
Площадь одного фильтра
Fi=
F_
щ
<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 d0 = 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
Тип
фильтра
Однослой-
ный
Двухслой-
ный
Эквивалентный
диаметр зерен
загрузки <1>к„мм
0,7 - 0.8
0,8-1,0
1,0-1,2
0,7-0,8
0.9-1,1
Интенсивность
промывки qrtp,
л/с-м2
12-14
14-16
16-18
14-16
Продолжитель-
ность промывки
tup, МИН
5-6
7-6
Величина
относительного
распределения
загрузки £,%
45
30
25
50
Расход промывной воды
Цпр Цпр Г \,
• где qnp - интенсивность промывки, л/с-м ;
• Fj - площадь одного фильтра, м2;
Напор промывного насоса
Н = ъж - zn.p + пд + hn.c + пф.с +£h + 1 ,5, м,
• где ъж - отметка верхней кромки желобов, м;
• zHp - отметка нижнего уровня воды в РЧВ, м;
• пд - потери напора в дренажной системе, м; пд = 0,8 - 1,6 м;
• hnc - потери напора в поддерживающем слое, м, hnc = 0,7 - 1,4 м;
• Пф.с - потери напора в слое фильтрующей загрузки, м; пф.с ~ Нф, где Нф - высота
фильтрующего слоя;
260
• Zn " 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
Нж -
Нф8
100
+ 0,3, м.
J 1^ 1 iTi5
• где Нф - высота фильтрующего слоя, м;
• s - относительное расширение фильтрующей загрузки, %.
Ширина желоба определяется по зависимости
ч
"ж " *^ж5|——— ——• ■
• где q" - расход воды в желобе, м3/с;
• аж - отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, аж=\
-1,5;
• Кж - 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
Н= Т Т1 t ( Якан ... 4- (\ 0 ъл
как *г'Э $1 Т^ г w,if M ,
Ve-BL
• где qKaH - расход воды в канале, м3/с;
• Вкан- ширина канала, м; Вкан > 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/см2 в течении 1-2 мин, затем
водовоздушная промывка при интенсивности подачи воздуха 15-20 л/см2 и воды 3-4
л/см2 в течение 4-5 мин, после чего промывка осуществляется водой с интенсивностью 6-
8 л/см2 в 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 vcp = 5 м/ч. Высота слоя
загрузки Нср = 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 = Ra + RH - G, кг,
• где Ra = Ff Нф-(1 - m) - Архимедова сила выталкивания, кг;
• RH = FfHp - сила выталкивания за счет напора перед загрузкой,
• Нр = 1,5 - 2,5 м; для фильтров ФПЗ-3, ФПЗ-4 и ФПЗ-5 RH = 0;
• G = FfH^-pQ - m) + масса загрузки, кг;
• Нф - 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 одно поточные 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
I
I)
i
6^0 J
О " Ч 5
{"-a_tt. "g ° ^
13
fr
*
1
)
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
i-екн
8
4 4
6 « о в а
О О
■> 7
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/м2 при 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
v 4 s
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 АР = pi - Ра, где Р -давление
в поддренажном (поддонном) пространстве фильтра, а Ра -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 уф н в только что промытой камере, до уф к в камере перед
очередной промывкой, так как по мере загрязнения фильтра сопротивление его загрузки
будет возрастать.
Производительность фильтра определяется по средней расчетной скорости фильтрования
Уф.ср =
Уф.н+Уф.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 (AAA) 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 (AAA); 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" ЛИИЖТа
Диаметр
D, м
800
1000
1200
1400
1600
Высота
Н, мм
3000
3000
3000
3000
3000
Диаметр патрубков для
подачи и отвода воды d
di =d2
100
100
125
150
200
Количество дисковых
распределителей
6
7
7
8
10
Диаметр
монтажных
люков, мм
500
500
500
500
500
Таблица 7.6.
Технические параметры осветлительно-сорбционных фильтров ОНИЛ кафедры
"Водоснабжение и водоотведение" ЛИИЖТа
Тип фильтра.
Материал загрузки
Напорный однослойный
Загрузка алюмосиликатнын
адсорбент (AAA)
Диаметр зерен
загрузки, мм
Л
имии
0,6
Омакс
2
Qjkb
J. j| Ли 1 j<bJ
to»
"У О w
*-- (*■ 4,gf
«i_# «mf k**
; о >,
^j3
о
2 Э 5-
О *"
X
1 j*^ A jU
s
к о
s X J"
«B " _s ^S
jr~ ЙЗ r- *£
S. PL к %
К JS О и
f \ r<* 7Z $Z
^ 5 ~ s*
5-10
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/см2 ,в течение 6-7 мин для удаления задержанной взвеси. После пятой промывки водой
производится активация загрузки с применением регенерационных веществ (MgS04,
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 AAA 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 AAA по взвеси -60 - 70 кг/м3
для подготовки технической воды с остаточным содержанием взвеси до 5 мг/л и 30 - 40
кг/м3 при 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_
Fi
где fi - площадь фильтрации одного фильтра, м2.
Число напорных фильтров на очистной станции обычно принимают N,}, =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 AAA, 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 С02, кислород 02, сероводород H2S и метан СНф
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
применяется биохимический 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 = K06n,-F-ACcp
• где Кобщ - общий коэффициент десорбции; для труднорастворимых газов Кобщ~ Кж
• F - площадь соприкосновения жидкой и газообразной фаз, м2;
• АСср - средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м3.
Для малоконцентрированных растворенных газов:
АР ~ ^ х ~~ Р-вх / V вых. ""^р.вых/
, J - Щ —
С -С
• где Свх и Свых - концентрации удаляемого газа на входе в аппарат и на выходе из
него;
• Ср.вх и Сс 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 (С02), 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
а)
i-
К. Ч V JL
Чк"
«■)
I
Г^5» -А /
V
*db*
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/м3 воды. 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 (С02) и кислорода (02) 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, рраб=1,2 атм.);
• вакуумные (ДВ, рра6=0,075-0,5 атм.);
• повышенного давления (ДП, рраб=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 НС03 начинается
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
m it ш
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 (Na2C03), извести (СаО), мела или мраморной
крошки с содержащимся в ней СаС03. При этом происходят следующие реакции:
. NaOH + C02=NaHC03;
. Na2C03 +C02 + Н20 = 2NaHC03;
. СаО + 2С02 + Н20 = Са(НС03 )2;
. СаС03 + С02 + Н20 = Са(НС03 )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 (Na2S03), тиосульфата
натрия, сернистого газа (S02), гидразина N2H4 в виде гидразин гидрата (N2H4-H20) или
гидразин сульфата (N2H4-H2S04). Процесс обескислороживания происходит по реакциям:
. 4Fe + 302 =2Fe203;
. 2Na2S03 +02 = 2Na2HC03;
. S02+H20 = H2S03;
. 2H2S03+02 = 2H2S04;
• N2H4+02 =N2 t+2H20.
Доза реагента:
Др=1Д-Р-Ск
• где Р - теоретический расход реагента для удаления 1 мг растворенного кислорода,
мг;
• Ск - 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
Др.^З-С^З-С.+ОДЗ-Сз,
где Сь С2, С3 - концентрации соответственно растворенного кислорода., железа и меди в
обрабатываемой воде, мг/л.
Повышение температуры способствует увеличению скорости процесса и повышает его
эффективность.
_* X
I НА,и^4ЦЪАЦК>-0
KMUmMMW
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 Na2S04 и 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 (С12), гипохлорит натрия
(NaCIO), гипохлорит кальция (СаС102), озон (03), перекись водорода (Н202), перманганат
калия (КМп04), кислород (02), двуокись марганца (Мп02), 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 (С12), озона (03) и кислорода (02) процесс
описывается следующими химическими реакциями:
. H2S + C12=2HCI + S;
. H2S + 4 -С12 + 4 -^0 = ^804+8-НС1;
. H2S + 03=S + Н2 + 02;
. 3-H2S + 03 = 3-S + 3-H20;
. 3-H2S + 4-03 = 3-H2S04;
. 2-H2S + 02 = 2-S + 02 = 2-S + H20;
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 = (1,340-0,110.pH)-CH2S,
для гипохлорита кальция S = (0,594-0,052- pH).CH2s,
где CH2s - 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:
Снач= 0,268-(Жк)3,
или более точно по зависимости:
С = 44-Жк+Сисх,
• где Жк - карбонатная жесткость исходной воды, мг-экв/л;
• Сисх - содержание свободной углекислоты в исходной воде, мг/л.
Значение Сисх определяется по данным химического анализа воды или по номофамме (рис.
7.24) с поправками на температуру а и содержание растворенных солей (плотный
растворенный остаток) Р:
где Сн - содержание свободной углекислоты по номофамме для t=25°C и плотного
растворенного остатка 8=20 мг/л.
Таблица 7.7.
Значения коэффициентов а и Р
Температура t, °C
а
Плотный остаток
Р
0
1,65
20
1,0
5
1,44
50
0,97
10
1,29
100
0,94
15
1,16
200
0,90
20
1,06
300
0,88
25
1,00
400
0,86
30
0,95
500
0,84
283
Расчет дегазаторов производят исходя из необходимости удаления свободной
углекислоты до требуемой конечной концентрации.
•6 %
4. Ш '%J
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):
Q
qf
,м
где Q - расход, м3/ч;
qr рекомендуемая плотность орошения или удельная гидравлическая нагрузка, м3/м2 ч;
для дегазаторов с хордовой насадкой qf = 40 м3/м2 ч, для дегазаторов с кольцами Рашига
размерами 25x25x3 qf=60 м3/м2 ч.
Суммарная площадь поверхности насадки
F =
Гч.ж"/л1^Ср
Уу^вх ~ ^вых/
1000-Кж- АС,
где G - количество удаляемой углекислоты, кг/ч
Свх, Свых - концентрация удаляемого газа на входе и на выходе, мг/л;
Кж - коэффициент десорбции, м/ч;
АСср - средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м3
284
Для дегазаторов с деревянной хордовой насадкой и кольцами Рашига значения Кя
принимаются по графикам (рис. 7.25, а, б), а АСср - по графикам рис. 7.26.
а)
I
м
W
——.—..—~ —-j—.—*— f—. .j,—
|_A_£— ^_^
—— —j-^Ь j "f\— "ТГ " "
§L~f. у _ _
_ 1/ ~ „ ^_ fL .
гГ"У
-«и.*™»™—4---^— ft", — —ч»^--^— —., , «
^Л ^ ' -
ГХМ, т
—Ф*Ф J >-- I ' — — — — г- —
,— , ..—£ ,—, „ —,, ~— — .-_
Й
*>°С
Зи —
""■
_
VI
Т
Я? Z 1
t
_ j
7
Ю~ ■/- --
Z^
г--
7
j
Т
~" У
: j ::
--/
-Z
* Г*
_, . ,-..-
_ —
— —
#> oj а* а* ф й.1 d&
^ гб is и
Рис. 7.25. Графики для определения коэффициента Кя
*лг_ в *&&
а - 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
т/д
kOQ
т
w
№
s
Л
V
A
4
№
/
»
Г
,. <
,
4
'
>
r
\
J
4
/
m
!-,
... ., .,,_,,,
T ]
л
,T,
^
.%
Ф
J
V
w
_jf. ^
У
U
L*z
_
LI
\
,
on
fi
1
«?
1
., .1
UJ
/
Рис. 7.26. График для определения АСср в зависимости от Свх и сВыХ
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 Sy, м2/м3, 44,4 - 38,7; 32,7 - 30,9; 28,1 - 27,5 м /м3, а средний
эквивалентный диаметр d3 - 0,078, 0,104 и 0,121 м. Расстояние между рядами досок по
высоте (щитами досок) - 50 мм,
Объем насадки:
WH =
,м3,
где SH - поверхность насадки, м2/м3.
Обычно SH=44,4 - 27,5 м2/м3 с 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 SH=204 м2/м3 при
количестве колец в 1 м3 загрузки 53200 шт. Эквивалентный диаметр такой насадки
cL=0,01452 м2.
Для выпускаемых промышленностью колец Рашига более крупных размеров 3 5x3 5x4 и
50x50x5 мм SH=140 м2/м3 и SH=87,5 м2/м3 соответственно.
Высота загрузки определяется по объему насадки WH и площади поперечного сечения
дегазатора Ffl после чего определяются его основные конструктивные размеры.
Производительность вентилятора назначают по необходимому расходу воздуха и напору.
Требуемый расход воздуха:
WB = Q-Bw,m3/4,
где Вуд - удельный расход воздуха, м3/м3; Вуд=20 м3/м3 для насадки хордовой и 15 м3/м3 для
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-СРе+(Снач+Сопт), МГ/л,
где CFe - общее содержание железа в обезжелезиваемой воде, мг/л;
286
Снач и Com - начальная и оптимальная концентрации свободной углекислоты при данной
щелочности воды (рис. 7.27).
а)
S)
f «С
*,°С
itf
fl?
'
^
Гу)
й
о
!
1
3
4
1 ..
г-
JV -
*Т -
л/
Jfl -
J
'*
- 1
У
/
%-
it
■7"r '
D _r
j/ Vj
....
' fitf
jr
&20
Кш 3 ft/vac
q/s m o,7b азе
Рис. 7.27. График для определения коэффициента Кж для различных насадок:
а - при qf=90 м3/м2-ч; б - при qf=60 и 50 м3/м2-ч; 1 - кольца Рашига 25x25x3 мм; 2 - гравий
dcp=42 мм; 3 - кокс dcp=43 мм; 4 - то же, dcp=41 мм; 5 - то же, dcp=29 mm., qf=60 м3/м2-ч; 6 - то
же, dcp=24 mm, qf=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 Кж по графику (рис. 7.28).
от ом от
Рис. 7.28. График для определения коэффициента Кж при различных насадках для
контактных градирен при плотности орошения qf = 10 м3/м2-ч:
1 - кольца Рашига 25x25x3 мм; 2 - кокс dcp=24 мм; 3 - гравий dcp=42 мм; 4 - кокс, dcp=29 мм;
5 - то же, dcp=41 мм; 6 - то же, dcp=43 мм
287
Таблица 7.8
Характеристика насадок
Гип насадки
Кольца Рашига
Гравий круглый
Гравий кусковой
i
U-
'Го же
«
Г
*"* СИ >_,.
J t! X
^ s! £*
О
^ о *~* «~ ^ .-
J S В Г.. 5- О ^_
■л "* О _ ■ S! У
»** *»* га ' *— * *
П
25x25x3
42
п о и
о fx
53200
14400
43
14000
° и *?
га
»° г2 ^ J>~
гт X й "
о Си о К
tt У я ео
•^ С
204
80,5
77
41
29
24
15250
27700
64800
86
ПО
120
о ^
532
455
585
660
600
« ^ ВС ^
у Н s ■»
£ u U <
С 2 С -г t>
г i ; ; и
Е **™Ч i^« »««
"-^ I"™ »™" -^ J
О О rt
; О. й
о
°- с! о о
х
J30
90
90
90
60
50
Значение АСср при расчете дегазаторов, применяемых для обезжелезивания воды
аэрацией:
/1 /-I
— и* ""or
с"
'с
АР — ~"ЙХ "опт
'ОПТ
где Свх и Com в 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 (С02) и кислорода (02) или только кислорода.
Расчет ведется на требуемую конечную концентрацию 02 в воде при известной исходной
его концентрации.
288
Значение АСср и Кж определяются по эмпирическим графикам (рис. 7.29 и 7.30),
l%*
is
II
к 5
In
,—1
l_
1
; I
{
, [rf
-srA
&
e
* r
4
£.
\ j
и
\Э
jr
ry
1 1
W
—jr—■
,—,
0 #w/ am $m~ йт
J f^ $ шг/та
Рис. 7.29. Зависимость АСср от начальной и конечной концентрации кислорода в воде
J^
^
да
#
/5
0
~-
" •
4
з
А
/
f
к
Г"
/
Г
„
®А
■
0,
Г~ т
5
-""-
*******
L
/
i
%?шт*
г*
С
7
•—
/
V
i
А
г
ш
/
. .
1
-J
^
,
!
6
Г
В
i
\
,
\0
Рис. 7.30. График для определения коэффициента Кж для дегазатора с кольцами Рашига
25x25x3 мм при qf=50 мЗ/м2-ч
Производительность вакуумных устройств для создания необходимого вакуума
подбирают по объему парогазовой смеси W при t=0°C и давлении Р0=1 атм., отсасываемой
из дегазатора:
289
WCM=0,0035-
GK-(273+t)-RK
r
^■'RKTX
1 + 0,0036-t
где Gk - количество удаляемого из воды кислорода, кг/ч;
t - температура воды, °С;
Свых - концентрация кислорода в воде на выходе из дегазатора, г/м3 ;
RK - растворимость 02 в воде при данной температуре и при
парциальном давлении кислорода 1 атм., г/м3 атм.;
Рсм - давление парогазовой смеси в дегазаторе при температуре t°C, атм.
Для WCM при удалении С02 необходимо вводить коэффициент 0,725. Растворимость 02 в
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
Растворимость 02, г/м3
атм.
0
69,5
5
60,7
10
53,7
15
48,0
20
43,4
25
39,3
30
35,9
35
33,2
40
30,8
45
28,6
50
26,
6
Давление парогазовой смеси Рсм в дегазаторе соответствующее точке кипения воды при
данной ее температуре принимается по графику на рис. 7.31.
кипения Шы, б мг/tM *
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 qf, определяется площадь
сечения аппарата Бд и определяется его диаметр D. Затем определяется площадь
поверхности насадки F при заданной начальной и требуемой конечной концентрации 02 в
воде. По площади поверхности насадки F и ее удельной поверхности SH определяется
объем WH и 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.
рН 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 S203 2;
гидросульфидный ион HS; сульфит-ион S03 2;
сульфидный ион S"2; сульфат-ион S04 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+02=2-S+2-H20.
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 С02.
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/м2 ч. 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/м2 ч (до 60), а с
хордовой насадкой -30 м3/м2 ч. расход воздуха 15 м3 на 1 м3 воды.
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 Дк в мг/л для снижения рН до 5,5 рассчитывается по зависимости:
Дк = Щ-е-
10
о
с
• где Щ - щелочность исходной воды в мг-экв/л;
• е - эквивалентный вес кислоты (для H2S04 - 49; для HC1 - 36,5) мг/мг-экв;
• с - содержание H2S04 или HC1 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 АСср находят по графику (рис. 7.32), а значение Кж определяют по
формуле:
R *
• где f - площадь поперечного сечения дегазатора, м2;
• гс - растворимость сероводорода в воде при данной температуре и парциальном
давлении сероводорода 1 атм., кг/м3 атм. (рис. 7.33).
294
К.-760-
'Ж
1
«Н?'V* ¥ Чр
109,9
5
I
■ft'
1 JB
* I?
1 1 .i^
1 ^r
J1^
*4
— ~J ■*£ Г_
J**
_,
i? ! ■
^ :
0ДО
Ш?
$£№ £|$л
am
А Сф ё *m/ms
Рис. 7.32. Значение АСср в зависимости от начального содержания H2S в воде при
конечном содержании его 0,1 мг/л
t
25
W
*5
W
0У»
1
—
, ■
1—
__
*—
1—
1
,—
^™
—и
t—
—14
L_
I-—
™Д
—
1—,
i
^и
■__!
—
>-*—
h—
HW
——
'—■
*—*
.—.
—"1
—
—I
—j—
ли, 1 ,
J
—
—!
_
^_
4^
|
—,
^*,
—
f—
1
,
—
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 02 на 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.
ffjcHoV Jtm$P
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 210-70м7м2сут 2-4 м7м3 воды
до 50 мг/л 70-40 м3/м2 сут 4-7 м3/м3 воды
Площадь одной секции реактора <120 м2 из условия равномерного распределения воды и
воздуха. Количество секций не менее п = 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 Р04. 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 Р04.
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 NH4CI при дозе
0,5 мг/л по азоту, фосфора и калия в виде К2НР04 в 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 м3
площади.
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 Na2C03,
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
взрывоопасное™ 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.
СН<,*С0Я
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 СаС03; 10 - фильтр; 11 -резервуар чистой
воды; 12 - НС-П; 13 - подача дегазированной воды потребителю
При производительности установки более 10 тыс. м3 и 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+С02) 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(Ca(HC03)2, Mg(HC03)2,
СаСОз, MgC03. Некарбонатная - сульфатами и хлоридами (CaS04, MgS04, 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 СаС03 и Mg(OH)2 с 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 С02;
недиссоциированных молекул Н2С03;
бикарбонатных ионов НСО;
карбонатных ионов С032-.
Бикарбонатные и карбонатные ионы образуются при первой и второй ступенях
диссоциации угольной кислоты:
1 ступень Н2С03 -> Н+ + НС03;
2 ступень НСОз -> Н+ + С032.
Диссоциация угольной кислоты характеризуется константами диссоциации ki и К2 первой
и второй ступеней:
fH[H+ifHco3 [НСОз!
[Н2С03]
360
иН+11созГС032-1
Гнсоз [НСОз ] =,
• где fH, Гнсоз, Гсоз - коэффициенты активности соответствующих ионов;
• [Н+], [НСОз], [Н2С03], [СОз2] - 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 С02. 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 НС03" достигает 98% общего количества
соединений угольной кислоты, тогда как на долю остальных компонентов (С02 + С032)
приходится около 2%. При дальнейшем повышении рН содержание ионов НС03" 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
2НС03 -><- С032 +С02+Н20.
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:
Са2+ + С032 -> СаСО j
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 СО2 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 С02 с
карбонатом кальция
СаСОз + С02 + Н20 = Са(НС03)2.
Берут две пробы исходной воды объемом по 500 мл. Первую пробу наливают в колбу с Зг
углекислого кальция СаСОз или измельченного мрамора и выдерживают в течение двух
суток при периодическом
363
перемешивании. Затем производят титрование фильтрата соляной кислотой и определяют
количество кислоты Mi мг-экв/л, пошедшее на титрование, или определяют pHi. Вторую
пробу исходной воды титруют сразу же, определяя количество кислоты М2, или
определяют рН2 исходной воды.
Показатель стабильности воды находят из выражения
С =
м.
£Н2
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-pHsv,
• где рН - действительная величина рН воды, определяемая ее анализом;
• рН sv - ровеличина рН воды, соответствующая равновесному насыщению воды
карбонатом кальция, т.е. такому, при котором вода, содержащая ионы Са2+ и НС03
находится в состоянии углекислотного равновесия.
При рН > рН sv (J > 0) вода склонна к образованию карбонатных отложений; при рН < рН
sv (J < 0) вода агрессивна и вызывает растворение карбонатных отложений и коррозию
металлов; при рН = рН sv (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 рН sv определяется по номограмме (рис. 8.2), исходя из содержания кальция ССа,
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 Щк, мг-экв/л, после обработки
ее коагулянтами
Щ^Щ-Д/е,,
• где Щ - щелочность исходной воды, мг-экв/л;
• Дк - доза коагулянта в расчете на безводный продукт, мг/л;
• ек - эквивалентная масса безводного вещества коагулянта, мг/мг-экв,; принимаемая
для Al2 (S04)2 - 57; FeCl.3-54, P2 (S04)3- 67.
364
•£■ i №**$
0\ \l S\b
r.v
V %s i s w m m m m $
■ ' {iiii»1it..|M t, f i lihlnnl Т.;! Л ii»|, 1,1.1.1
1 $i
"'HI l.«,.t;,l
l
в
s
LLUolll
Ijp*If
Рис.8.2. Номограмма для определения рН насыщения воды карбонатом кальция (pHs)
Пример. Дано: ССа=Ю0 мг/л, Щ=2 мг-экв/л, р=3 г/л, t =40°C. Ответ: pHs =7,47
Количество свободной двуокиси углерода в воде после коагулирования
[С02]св = [С02]исх + 44Дк/ек,
где [С02]исх - концентрация двуокиси углерода в исходной воде, мг/л.
Величина рН воды после обработки коагулянтами определяется по номограмме (рис. 8.3.).
45 S $,$ 7 7,5 8 ВА \»
Т iI I I I < t I 1 ! I I I I, t ' м I 1 ' м ' 1 ■ ■ ' t t
Ю 5 2 f 6,S 5030 0
\шi int.ujJLuju-1u.u, J У|ЩI * *£
if *
ч
i2 s w w m me mmm
t ■ ml t niЛ nil!..i..и,J i 11ill iMM ' ■ *■* * "|*
«e-
*t + If
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°C. Ответ:
[С02]св=9,1 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 (СаС03), полуобоженный доломит -
магномассу (CaC03-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:
Na2C03 + С02 + Н20 -> 2 NaHC03
СаО = 2С02 + Н20 -> Са(НС03)2
Доза извести определяется по формуле
Дн = 28 р^Щ,
• где Дн - доза извести, мг/л, в расчете на СаО;
• Рн - коэффициент, определяемый по номограмме рис. 8.4 в зависимости от рН воды
(до стабилизационной обработки) и индекса насыщения J;
• Kt - коэффициент, зависящий от температуры воды: при t = 20°С -
. Kt=l,npHt = 50°C-K1 = l,3;
• Щ - щелочность воды до стабилизационной обработки, мг-экв/л,
Дозу соды в расчете на Na2C03, мг/л, принимают в 3 - 3,5 раза больше дозы извести в
расчете на СаО, мг/л.
Если по формуле доза извести Дн / 28, мг-экв/л, получается больше величины дщ, мг-экв/л,
определяемой по формуле
дщ=0,7([СО2]/22 + Щ),
то в воду кроме извести в количестве с1щ, мг-экв/л, следует вводить также соду, доза
которой Дс мг/л, определяется по формуле
Дс = (Дн/28-с1щ)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 Рг05) для повышения степени равномерности
распределения защитной карбонатной пленки по длине трубопроводов.
Рис.8.4. Номограмма для определения коэффициента ри при 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 Уф < 10-20 м/ч. Фильтры
промывают водой с интенсивностью 15 л/с-м2 в течение 10-15 мин или применяется
водовоздушная промывка с интенсивностью подачи воздуха 20 - 25 л/с-м2 в течение 5
мин, а затем водой с интенсивностью 3 -4 л/с-м2 в 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/м3 воды. При
заданном остаточном содержании С02 в 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 Жк > 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 Жк < 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 СаС03;
• 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 Р205).
Фосфаты - гексаметофосфат натрия (Na6P60i8) и тринатрий фосфат (Na3P04 -12H20)
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,
Ca(HC03)2 +
H2S04
НС1
CaS04
CaCl2
+ 2C02 + 2H20,
что препятствует образованию карбоната кальция и зарастанию трубопроводов.
Техническая серная кислота содержит от 75 до 93 % H2S04, техническая соляная кислота
содержит более 28 % НС1. Подкисление осуществляется разбавленными растворами
кислот. Оборудование реагентного хозяйства должно быть кислотостойким.
Доза кислоты Дкис, мг/л, (в расчете на товарный продукт)
• где акис - коэффициент, определяемый по номограмме рис.8.6;
• Щ - щелочность воды до стабилизационной обработки, мг-экв/л;
• екис - эквивалентная масса кислоты, мг/мг-экв (для серной кислоты - 49, для
соляной кислоты - 36,5);
• Скис - 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 Р205) принимается для
хозяйственно-питьевых водопроводов - не более 2,5 мг/л (3,5 мг/л в расчете на Р04) 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 акис при 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)
Сооружения
Врызгалъные бассейны
Открытые градирни
Башенные градирни
Вентиляторные секционные
Pac^joHmm ло градирс1£^м
градирни площадью секции, м :
До 10
До 20
До [00
До 200
Колес 200
30
30
30
30
30
Одноиеитиляторные градирни
площадью, м";
300-400
400-800
30
30
0 5D
21
2?
27
Откры-
тых
-
-
30
Башен-
ных
30
20
и
Венти.
Секцион-
ных
30
30
0,5D
1Н ГОрПЫХ
Одновен-
тиляторных
30
20
21-33
9
12
21
27
■Ш&-.3
15-20
15-20
20-25
20-30
21-33
21
27
800- 1200
30 33 33 33
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
Здания и сооружения
Расстояние от градирен, м
Башен- Вентиля- Размещенных
ных торных - на покрытиях
наземных зданий
Здании со стенами из материалов, имеющих
марки по морозостойкости не менее МРз25
Открытые электрические подстанции и линии
электропередачи
Открытые наземные склады (не менее)
Наземные и надземные инженерные еета4
ограждения
Ось железнодорожных путей внешних и
сортировочных
Ось внутренних железнодорожных,
подъездных путей
Край проезжей части автодорог общего
пользования
Край проезжей части подъездных ж
внутре 1 аш>деких автомобильных дорог
30
21
42
42
Лг 1
9
42
12
21
9
24
9
60
1 *£
39
9
IS
9
21
9
9
9
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)
во входных (контактных) камерах
в устройствах ввода реагентов
в гидравлических смесителях
в механических смесителях
в гидравлических камерах хлопьеобразования
в механических камерах хлопьеобразования
в отстойниках
в осветлителях со взвешенным осадком
на скорых фильтрах
в контактных осветителях и префильтрах
в медленных фильтрах
в соединительных коммуникациях
от сетчатых барабанных фильтров или входных камер к смесителям
от смесителей к отстойникам, осветителям со взвешенным осадком и
контактным осветителям
от отстойников, осветителей со взвешенным осадком или префильтров к
фильтрам
0,4-0,6
0,3-0,5
0,1-0,3
0,5-0,6
0,1-0,2
0,4-
0,5
0,1-0,2
0,7-0,8
0,7-0,8
3-3,5
2-2,5
1,5-2
0,2
0,3-0,4
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 -1м; 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 -1м;
• 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
© 2D АО SO <Ш tOO *20 7*0 '1бО 18р ~$1ус..*?/Ь/Г
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 м3 на 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-катионированием. (Обозначения см. рис.
10.2)
420
Рззре$ Ш'Ш
мто
12000
^гфШ
^^Ф^Н^^^^^^^^Ш^^^^
Ра$ре? IV -IV
^2?^ШЭ
Рис. 10.4. Разрезы станции умягчения воды H-Na катионированием. (Обозначения см. рис.
10.2)
421
Л г КГ !7 № J^^XNj^
- ш
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
Разщз по 1-1
Разрез по Д-М
Рис. 10.6. Разрезы станции глубокого обессоливания воды с блоком очистки
производственного конденсата. (Обозначения сооружений станции приведены в тексте)
423
Основные 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=3m (8
шт.); 2 - Н-катионитные фильтры второй ступени D=3m (5 шт.); 3 - анионитные фильтры
первой ступени D=3m (4 шт.); 4
- Н-катионитные фильтры третьей ступени D=3m (3 шт.); 5 - анитонитные фильтры второй
ступени 0=3м (4 шт.); 6 - декарбонизатор первой ступени с баком D=3m (1 шт.); 7 -
декарбонизатор второй ступени с баком D=3m (1 шт.); 8 - резервуар для обессоленной
воды D=6,3m (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=5,3m (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=3m (4 шт.); 30а - Na-катионитные фильтры для доумягчения
конденсата D=3m (2 шт.); 31 -резервуары для сбора производственного конденсата D=3m
(2 шт.) 32 - баки для мокрого хранения поваренной соли (2 шт.); 33 - фильтр для раствора
поваренной соли D=1m (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 х 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 -1м. 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 5т- кран мостовой ручной, а при
высоте подъема груза более 6 м или длине подкранового пути более 18м- 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 U0= 0,3 - 0,5 мм/
с, что позволяет эффективно извлекать их из воды методами отстаивания и фильтрации. В
качестве коагулянтов используют сернокислый алюминий Al2 (S04)3, а также сернокислое
железо FeS04 или хлорное железо FeCl3. Кроме них можно использовать известь СаО,
алюминат натрия NaA102, оксихлорид алюминия Al2 (OH)5 C1, хлорид магния MgCb,
сульфат магния MgS04 . 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.
о
Гнупень1 ' 1 степень
Рис. 13.3. Схема двухступенчатой очистки сточных вод: 0-1, 0-П 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.
tL-i, £
мэ
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
Алюминий
Железо
Исходная концентрация растворенных и эмульгированных
нефтепродуктов Сн, мг/л
150
2-9
25-30
100
2-8
20-50
50
1,5-6
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 Сост = 10-20 мг/л.
Необходимая активная площадь электродов (м2)
S =
1Х>
• где Q - расход сбросных вод, м3/ч;
• кэ - электрохимический эквивалент; для алюминия кэ = 0,336 г/Ач, для
двухвалентного железа кэ= 1,042 г/А • ч;
• о - поверхностная плотность тока; о = 6 - 20 А/м .
Размеры электрокоагулятора принимаются такими, чтобы через него протекал весь расход
обрабатываемых сточных вод. Обычно высота электрокоагулятора назначается Нэ = Н, Вэ
= В, а длина из соотношения
Ьэ =
S
тгНэ
• где т1 • число электродов;
• Нэ - высота электрокоагулятора.
Расстояние между пластинами электродов 1э рекомендуется в пределах 15 -20 мм.
Сила тока в А, необходимая для поддержания требуемой интенсивности растворения
металла,
1 =
DQ
кэ
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 = a
Ш
100
о
где а - коэффициент запаса мощности (а = 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
Кэ = Сэ / С ~ const,
• где Сэ - 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°C для фенола,
экстрагируемого бензолом Кэ = 2,3 - 12,5, бутилацетатом - 51, толуолом - 1,71 - 9,03, а
диизопропиловым эфиром -27,8 - 30. При экстракции салициловой кислоты и
использовании бензола Кэ= 1,69 - 4,5, хлороформа - Кэ = 2,85 - 4,26, а бутилацетата Кэ =
126. При
487
увеличении температуры значение Кэ уменьшается, поэтому при температуре более 40°С
экстракцию проводить не рекомендуется.
Если известны значения температурного градиента коэффициента распределения Р и Кэ
для какой - либо температуры ti то для другой температуры t2
Кэ = KA-pXVtj).
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
c3 = w3cnl,
• где W3 - объем экстрагента в экстракторе, м3;
• Сэ и С - концентрации вещества в экстрагенте и в воде, г/м3;
• ni - 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
а)
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
C0W = CW + C3W3,
• где С0 - начальная концентрация вещества в воде;
• W - объем воды, подвергаемой экстракции;
• С - конечная концентрация вещества в воде;
489
Сэ - концентрация растворенного вещества в экстрагенте;
W3 - общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию.
ев
S.J
V
I
L_
VJ* ЭкгГРАГШТ
jt
I
Ш
f 1Ш * Mil
[s
%'1'1ИШМ1Ш!Ш'ИШ' ШИШ
Рис. 13.7. Многократная экстракция с противотоком: I, II, III - экстракторы; 1, 2, 3
отстойники; 4 - сборник загрязненного экстрагента; 5 -сборник очищенной воды
Так как Кэ = Сэ/С, то СЭ=КЭС;
W, = bW, то b =
W3
W
где b - удельный расход экстрагента, м3/м3 сточной воды,
С учетом этого C0W = CW + Кэ С b W ,
С0 = С + СКЭЬ = С(1+КЭЬ),
С = С0/(1+КэЬ)п, ab =
nW
При непрерывной многократной экстракции с использованием нового экстрагента на
каждой ступени остаточная концентрация его
С = С0/(1+КэЬ)п, ab =
nW
где п • число экстракции.
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 рв > рэ, а экстрагент снизу и наоборот.
Концентрация экстрагируемого вещества в обработанной воде при непрерывной
противоточной экстракции
490
С = С0
К3Ь-1
K3bN1-l
где N — теоретически необходимое число ступеней экстракции;
N =
lg[l+C/C0(K3b - 1)1
lgK3b
-1.
Требуемый удельный расход экстрагента
Ь =
С0-С
к3с
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
AAA, 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
рН0ПТ = рН[Н+]и - 3,
а для адсорбции аминов
рН0ПТ = рН[н+]И + 3,
где рН[Н+]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 и динамическую 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
а =
1+р-с
• где Атах - 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 Amax и Р находятся графически из экспериментальных данных по уравнению
И.Лангмюра
С
а
1
Д
С
Иногда опытные данные процесса адсорбции лучше описываются параболическим
уравнением
а = аС1/пь
493
где а и П] - константы, определяемые графически из логарифмического уравнения
lg a = lga +
]_
П1
IgC.
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
А =
с0-с
m
,m =
С0-С
А
-г*-тпах
• где Со - 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).
3*ГРАЗМ
Загряз н.
Сорбент
ЗАГРЯ»*-
С ОрБ*ЫТ
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
1й
0ч.С6
Сереелг ил j ( t |
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
C0W = m a + С W ,
• где W - количество обрабатываемой воды, м3;
• m - количество сорбента, кг. Откуда необходимо количество сорбента
m =
W(C0 - С)
W(C0 - С)
рс
495
Так как а:
сорбции
PC, где Р = а/С, то остаточная концентрация загрязнений при однократной
С =
wc
W + Pm
Если процесс сорбции применяется многократно, п раз с введением свежего сорбента на
каждой ступени
с = [
W
W + Pmn
Г с0,
где mn - доза сорбента, вводимого на каждой ступени, mn = [
С
■V
с
1]
W
р
Общее количество сорбента m = п ш0.
При противоточном введении сорбента концентрация вещества в обработанной воде
после п ступеней
С =
Р
m
W _i
(Р
m
- 1
Количество сорбента, который вводится только в последнюю ступень, находится из
уравнения
aimn+1 - а2 - а3 = 0 ,
где ai = (
L
w
)n+1;a2 =
wc
; a3 =
Co
С
- 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 L0 постепенно
перемещающегося от начального сечения фильтрующего слоя загрузки к выходному
сечению, при достижении которого качество фильтрата быстро ухудшается. Длина
работающего слоя L0, в которой осуществляется адсорбция при фильтровании потока
через фильтр, заполненный активированным углем, зависит от интенсивности
массопередачи, с увеличением которой значение
496
L0 уменьшается. При длине слоя адсорбента L > L0 время защитного действия загрузки
т = K(L-L0),
где К - коэффициент защитного действия загрузки
К =
£ад_
УфС0
• где а0 д - удельная адсорбция в динамических условиях, рассчитанная на единицу
объема адсорбента;
• Уф - скорость фильтрации; уф = 3 - 6 м/ч (до 20 м/ч).
Для вычислении коэффициента защитного действия адсорбционного фильтра,
необходимо опытным путем определить а0.д при уф и С0, соответствующих условиям
работы локальной адсорбционной установки или определить его ориентировочно по
зависимости
ао.д. '| а0.ст.5
• где г| - эмпирический коэффициент; г| = 0,8 - 0,9 при уф < 5 м/ч; г| = 0,7 при уф = 10 -
15 м/ч; г| = 0,5 - 0,6 при L/ уф= 0,25 - 0,1 ч. аост - статическая активность (емкость)
адсорбента, г/м3;
а-о.ст а0 р ,
• где а0 - статическая активность (емкость) адсорбента в г/кг, определяемая по
изотерме сорбции для заданных условий работы локальной адсорбционной
установки;
• р - 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 -Зм (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 L0. 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.
Реагенты л ля
регенерации
Оч.в
k НО. УТИЛДОЦКЮ
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 (Ндин/Нст=1,5) контакт улучшается, процесс ускоряется.
Уменьшение размеров зерен активного угля с2-4 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 L0. Поэтому слой в колонне секционируют на 3 - 5 зон с
помощью решеток, снабженных коническими переточными трубками. Диаметр верхнего
отверстия трубки D > 15 d4, диаметр нижнего отверстия d = 5d4, где d4 - диаметр частиц
угля. Число переточных труб устройств на решетке
п =
ill
pSN
• 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°С).
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).
И<Х»
у>*Д*у\
i
Щ
Yj^UfehL!
i——j
i
^ 8
*»4
t 71
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 - Зм; 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 = d / С2,
где Сь С2 - концентрации загрязнений в паре и в воде в момент насыщения для аммиака К
= 13; для фенола К = 2.
ев
Г= шо'с
.—'n/wnJ
С^и{^) теплое г*р«<*ж
пар Т*!кГС
E«MTM4jtrof>
титт
0Ч.С6
L - _ - . «*.
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 =
(РК - 1)С0
РКех - 1
X =
£
b
(1-
РК
Г,
• 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
• С0 - начальная концентрация загрязнений сточных вод, г/л;
• р - эмпирический коэффициент, определяемый лабораторным путем, м/ч;
• b - удельная поверхность насадки, м2/м3;
• о - 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 (С02, Н20,
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 м3 по 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/см2 воздуха 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/см2 подаваться 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 СаС03 и CaS04, 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.
г хъ лг
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.);
• БПК2о сточных вод не должно быть очень большим (БПК2о < 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 БПК2о < 500 мг/л, применяют обычные азротенки-вытеснители, а при БПК2о > 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
Биохимический
Анаэробная
денитрификация
Отгонка аммиака
Удаляемые примеси
Органические соединения
Взвешенные вещества
Органические соединения
Аммоний
Эффект очистки, %
(ориентировочный)
90 (по ВПК) 85-90
90 (по ВПК)
80-95 (по азоту)
Ионообмен
Электродиализ
Адсорбция углем
Фильтрация
Обратный осмос
Дистилляция
Азот- и фосфоросодержащие
соединения
Растворенные вещества
Органические соединения
Взвешенные вещества
Растворенные вещества
Тоже
80 - 92 ( по азоту)
10-40
90-98
50-90
65-95
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.
Пр. С&
Рыт, С 8
НО
МО
БО
-DP
УАФ
РК
н
Ф
Ай
[рад
н
]
сд
Ik. CS
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/м3 удаляется 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
РН
Взвешенные вещества, г/м3
ВПК, г02/м3
ХПК, г02/м3
Общее солесодержание, г/м3
Нитраты (по азоту), г/м3
Фосфаты (по РО3 4), г/м3
Бактерии (Coli) в 100 мл
Исходная вода
6,5 - 7,8
15-30
30-80
60-140
700-1300
25-25
61,5-76,5
150-103-200-103
Очищенная вода
6,5 - 7,8
0,9-1,0
1,0-2,0
10-20
700-1300
0,5-1,0
0,18-0,61
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
Оч. С&
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/м3 направляется 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
последовательнымН+ - катионированием и ОН-анионированием воды (рис. 13.20), наН-
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 м3 на 1 м3 обрабатываемой 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
рН
Взвешенные вещества, г/м3
ХПК, г 02/м3
Общее солесодержание, г-экв/м3
Жесткость, г-экв/м3: общая
карбонатная
Содержание катионов и анионов, г/м3:
натрий и калий
хлориды
сульфаты
фосфаты (РО3 4)
аммиак и соли аммония (в пересчете на
аммиак)
Вода, поступающая на
установку
7,8-9,6
18-37
35-50
1300-2300
7,5 - 8,5
4,7-5,8
280-820
420-1250
240-380
6,7-13,5
2,8-8,8
Вода после
очистки
6,8 - 7,5
Следы
4-13
500 - 680
0,6 - 0,9
0,4-0,7
До 350
До 500
10-20
0,2 - 0,5
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.3-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.: ГУПЦГГЛ, 1998.-128 с.
28. СниП 2.04.01-85*.Внутренний водопровод и канализация зданий/Госстрой России.-
М: ГУЛ 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.НЧурбановой.-М.: Стройиздат, 1983.-607 с.
33. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей
промышленности/СЭВ ВНИИ ВОДГЕО-М.: Стройиздат, 1978.-528с.
34. ФрогБ.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебн.пособие для вузов.-М:
Издательство МГУ, 2001.-680 с.
530