Реферат: Створення та впровадження параметричного ряду наукоємних технологій електролізерної очистки води реферат

СТВОРЕННЯ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ПАРАМЕТРИЧНОГО РЯДУ НАУКОЄМНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРНОЇ ОЧИСТКИ ВОДИ


РЕФЕРАТ


МАЛЬЦЕВ
Вадим Олександрович
голова правління

корпорації “ПромЕкономСервіс”, (м. Донецьк);

НІКОЛАЄВ
Микола Миколайович
технічний директор

корпорації “ПромЕкономСервіс”, (м. Донецьк);

ФІЛАТОВ

Олександр Валентинович

головний інженер – перший заступник начальника Донецької залізниці, (м. Донецьк);

ПАЩЕНКО
^ Володимир Лазарович
науковий співробітник

корпорації “ПромЕкономСервіс”, (м. Донецьк);

ТИТАР
Сергій Семенович
професор Одеського національного політехнічного університету, (м. Одеса);

ТЮХНІН
^ Володимир Васильович
заступник технічного директора

корпорації “ПромЕкономСервіс”, (м. Донецьк)



Донецьк

2011
^ 1.Мета роботи
Проблеми водопідготовки та водоочищення є одними з найактуальніших у сучасному світі. Вони поглиблюються постійним ростом водоспоживання і підвищенням вимог до якості води. І хоча розроблено велику кількість методів очищення води, в промислових масштабах використовуються тільки деякі з них. Однією з найголовніших проблем забезпечення якості води є вибір технологій для її обробки та приведення у відповідність до вимог стандартів. Не менш серйозним завданням, що ставиться при організації сучасних систем тепло-і водопостачання, є енерго- і ресурсозбереження.

У даній роботі пропонуються сучасні розробки корпорації щодо електрохімічної обробки води, які отримали широке впровадження у промисловості. Автори, не претендуючи на повноту охоплення всіх питань технологій, впевнені, що представлені в роботі нові розробки в цій сфері служитимуть базою для прийняття науково обґрунтованих рішень щодо подальшого розвитку технологій електрохімічної обробки води для потреб житлово-комунального господарства, промисловості, енергетики та інших галузей України.

Корпорація «ПромЕкономСервіс» успішно завершила комплекс робіт зі створення і впровадження параметричного ряду наукомістких технологій електролізерного очищення води і проводить подальше удосконалення за двома основними напрямками:

Заходи, пов'язані із захистом теплообмінного обладнання різних виробництв від накипоутворюючих солей жорсткості.

А) ^ Технологія БАУ – електрохімічна обробка води. Призначена для захисту від накипу і кисневої корозії поверхонь нагріву (охолодження) водогрійних котлів, теплообмінних установок, компресорних і кисневих станцій.

Б) Технологія ЕЛІЗ – електродіаліз водооборотних циклів промислових підприємств. Використовується в схемах оборотного водопостачання з охолодженням і обробкою оборотної води.

Заходи, пов'язані з очищенням вод з відкритих джерел та стічних шахтних вод:

А) Технологія ЕСАРК – активація коагулянту у фільтрувальних водних системах. Електролізерний спосіб активації розчинів коагулянту для очищення і знезараження води на фільтрувальних станціях шляхом обробки розчину коагулятом у спарених електролізерах.

Б) Проведення випробувально-конструкторських досліджень технології очищення стічних шахтних і ґрунтових вод з метою використання їх у технологічному виробництві та в забезпеченні об'єктів ЖКГ (питна вода).

^ 2.Актуальність роботи та основні науково-технічні проблеми,
які були вирішені
2.1 В області захисту технологічного обладнання різних виробництв від мінеральних відкладень.

Однією з найбільших проблем у комунальній і промисловій теплоенергетиці є утворення накипу на поверхнях нагріву водогрійних котлів, теплообмінних установок, у системі повітроохолоджувачів, маслоохолоджувачів компресорних станцій, охолоджуючих елементів обладнання металургійних комбінатів і коксохімічних заводів (доменні печі, прокатні стани, холодильники хімічного виробництва тощо), що є основною причиною зменшення ефективності їх роботи. Не менш гостро стоїть питання забезпечення захисту від кисневої корозії, яка є однією з головних причин прискореного зносу і виходу з ладу обладнання.

Особливого значення питання підготовки води набувають і в організації металургійного виробництва. Основна кількість води (близько 75%) витрачається на металургійному заводі на охолодження конструктивних елементів, агрегатів (доменних, сталеплавильних і нагрівальних печей) і на конденсацію пари на повітродувній та електричній станціях. До 22% води витрачається тут на охолодження безпосередньо обладнання та продукції (газу та металу), а також на транспортування механічних домішок, при цьому вода і нагрівається, і забруднюється.

Так, відкладення солей карбонатної жорсткості на теплообмінному обладнанні є основною причиною зменшення ефективності його роботи як у процесах охолодження, так і нагріву води. Товщина шару накипу всередині теплообмінних трубок, що перевищує 1 мм, призводить до зменшення ефективності використання теплоносія до 30%. При цьому кількість переданого воді, що нагрівається, тепла в три рази менше, ніж кількість тепла, що містилася у минулому, через нагрів теплоносія.

Боротьба із наслідками накипоутворення, як правило, ведеться шляхом періодичної очистки теплообмінної поверхні механічним або хімічним способом (розчинення кислотних відкладень промиванням). Іноді доводиться розсвердлювати монолітні відкладення, які утворилися. При неможливості використання цих методів проводиться повна або часткова заміна труб теплообмінників.

Для зменшення накипоутворення широко використовується хімічна підготовка води. Отримана пом'якшена вода корозіоноагресивна, спосіб економічно невигідний, а витрата води споживачами гарячого водопостачання різко збільшується через труднощі змиву миючих засобів м'якою водою. Для антинакипної обробки систем гарячого водопостачання необхідно використовувати безпечні для людини та ефективні для обладнання методи. До числа таких належать електрохімічні.

Таким чином, розробка нових технологій безреагентної екологобезпечної обробки технічної води є актуальною науково-технічною проблемою сучасного етапу розвитку промисловості в цілому і, зокрема, теплоенергетики.


^ В області очищення води з відкритих джерел та шахтних вод.

Однією з найбільших проблем в Україні є проблема нерівномірного розподілу водних ресурсів країни. Так, найбільш населені і промислово розвинені східний і південний регіони мають дефіцит води. Більшість експлуатованих очисних споруд були побудовані понад 25 років тому, їх ресурс практично вичерпано. Постійно збільшується обсяг забруднень водних ресурсів, що призводить до додаткових навантажень на фільтрувальні станції і знижує якість очищення води. В даний час Україна займає 95 місце з 122 за якістю питних джерел.   

На станціях очищення води застосовують реагентні і безреагентні методи очистки. Більш якісним і одночасно дорогим методом очищення води є метод із застосуванням алюмінійвмістного коагулянту. Однак цей метод має низку недоліків – при його неналежному використанні у воді залишається небажана кількість розчинених солей алюмінію. Одночасно вода закислюється отруйною сірчаною кислотою, що вивільняється при гідролізі сульфату алюмінію. Таким чином, при застосуванні коагулянту необхідний постійний контроль та аналіз якості очищеної води, що робить очищення досить дорогим. Тому для того, щоб зробити фільтрацію більш якісною і дешевою, треба або значно знизити споживання коагулянтів, або винайти абсолютно новий спосіб очищення.

Одним із варіантів вирішення проблем забезпечення населення і промисловості водою є очищення шахтних вод. За своїм складом шахтна вода водовідливних комплексів із підземних водовідливів цілком придатна для технічного водопостачання підприємств, наприклад металургійних, без дорогої водопідготовки. Використання ж шахтної води для питного водопостачання пов'язане з попереднім глибоким очищенням, особливо якщо це вода, відкачувана водовідливними комплексами із зануреними насосами. У такій воді, як правило, перевищені гранично припустимі концентрації заліза, марганцю. Це пов'язано з геохімічними процесами, що відбуваються в підземних водних горизонтах після закриття шахт. У даний час українські вугледобувні підприємства просто скидають шахтну воду, температура якої досягає 22-26 0С, у водойми. А з нею втрачається й величезна кількість низькопотенційної теплоти, яка може і повинна бути утилізована хоча б для покриття власних потреб у тепловій енергії. Затоплені після виведення з експлуатації вугільні шахти також можуть служити додатковим джерелом теплової енергії, адже температура води на глибині шахт в багатьох випадках досягає 25-30 0С.

Таким чином, розробка технологій очистки та заміни природних прісних вод, що витрачаються на технологічні потреби, очищеними стічними шахтними водами і повторне їхнє використання на технічні потреби є актуальною науково-технічною проблемою.

^ 3.Наукова новизна
У залежності від типу води корпорацією «ПромЕкономСервіс» проводяться наукові та інженерні цикли робіт системного характеру щодо встановлення природи, властивостей, закономірностей і термодинамічних параметрів для кожної водної системи, на основі яких ведуться розробки модулів і електролізерних моделей з активними текстурами поверхонь електродів та модулюються технологічні регламенти режимів електросильної генерації зі створення нового цілеспрямованого водного ресурсу. У циклі робіт і досліджень у першу чергу плануються експерименти та створення наукових основ системного знання про об’єкт дослідження, розробляються концепції та методики прикладного характеру для конкретної технології та операційної системи, які обов’язково патентуються і реєструються в авторському праві за національною й міжнародною процедурами як нові наукоємні та конкурентоспроможні досягнення.

Обов’язково плануються роботи спільного впровадження об’єктів науки і техніки за призначенням на конкретне підприємство, де створюється новий водний ресурс. Освоюються та оновлюються шахтні води як новий технологічний водний ресурс теплоенергетичного призначення.

Створення модулів параметричного ряду електролізерної очистки та відновлення природних властивостей води в різних водних системах базується на експериментально встановлених фізичних ефектах гідрогенної, оксидної, гідрооксидної, радикалізаційної та суперіонної елементотропії в актах активації води в різноманітних комірках модулів конкретного призначення. Для всіх цих технологій використані різні модулі очисних комірок електролізерів та різноманітні параметри генерації електросильних токів зміщення та імпульсів електронно-іонного збудження коливального типу за допомогою щілинних електролізерних операторів активації молекул, атомів, іонів, радикалів та їхніх ізотопних аналогів у стан текстурованої протинакипної, очисної або відновлювальної дії у водних системах.

Розрахунок водних режимів очистки кожної водної системи виконується за індивідуальним регламентом модуляції щілинного параметричного електродіалізу активними електродами квазімірної електрогенерації.

У порівнянні з кращими вітчизняними та зарубіжними аналогами параметричний ряд технологій електролізерної очистки води корпорації «ПромЕкономСервіс» не має конкурентів як за своєю ефективністю, так і за технічними показниками.

Так, поміж технологій, які були запатентовані, але не отримали широкого промислового впровадження, технології електролізерної очистки води корпорації «ПромЕкономСервіс» дозволяють краще керувати процесами дегазації, зокрема, по кисню у активній формі, що впливає на антикорозійні властивості; перевищують аналоги за гідрогенними показниками, показниками pH, а також показниками антинакипання, крім того, дають ресурсоформуючий ефект. Поміж вітчизняних і зарубіжних технологій, які отримали промислове впровадження, технології корпорації «ПромЕкономСервіс» мають кращі економічні показники у порівнянні «витрати –результат», характеризуються технологічною універсальністю, простотою і зручністю у використанні, швидкістю окупності впровадження.

^ 4.Технічні результати та впровадження роботи
4.1. В області захисту технологічного обладнання різних виробництв від мінеральних відкладень.

Розроблена корпорацією «ПромЕкономСервіс» система обробки води – це безреагентна, електрохімічна технологія, яка створює стійку суспензію, що осаджується на теплопередавальних поверхнях через малу дисперсність утворюваних частинок.

У результаті електрохімічних реакцій, що відбуваються в обсязі рідини, потенційно небезпечні для теплообмінних поверхонь високодисперсні частки карбонатів кальцію, магнію та сполук заліза осаджуються на катодних поверхнях антинакипного пристрою, також зменшується концентрація кисню, завдяки чому системи працюють без деаератора.

Внаслідок відсутності відкладень накипу на поверхнях теплообміну, водогрійні котли працюють із номінальним к.к.д., близьким до розрахункового, протягом періоду їх експлуатації, немає необхідності проводити механічну або хімічну очистку екранних поверхонь нагріву котлів, трубних систем теплообмінників і контурів охолодження маслоохолоджувачів і повітроохолоджувачів компресорів компресорних станцій.





Монтаж установки БАУ-100 на котельні спортивного комплексу "Локомотив", м.Донецьк

Робота БАУ-25 в системі ГВС на котельні в м.Красноармійськ

До складу безреагентної антинакипної установки (БАУ) входять: модуль реакторів і блок живлення та автоматичного управління. Модуль реакторів представляє собою конструкцію, що складається з 2-х послідовно пов'язаних металевих ємностей циліндричної форми, всередині яких на ізоляторах встановлені циліндричні графітові аноди. Введення і виведення води з метою закручування потоку виконано коаксіально, що сприяє більш інтенсивній електрообробці. Система живлення й автоматичного управління являє собою єдиний блок. БАУ працює в автоматичному режимі. Обслуговування БАУ полягає в періодичному контролі електричних параметрів. Витрата електроенергії – близько 1 Вт / м ³.



Рис. Характер осадження накипу на катодах установки БАУ після 2-3 тижнів роботи.
Вага вийнятого з установки БАУ накипу досягає близько 20-30 кг.

Отримані результати маси відкладень на катодних поверхнях БАУ та їхній хімічний склад дозволяють зробити висновок про високу ефективність БАУ, що виключають відкладення накипоутворюючих солей на внутрішніх стінках екранних труб водогрійних котлів, трубках пароводяних і водоводяних теплообмінників, контурів охолодження маслоохолоджувачів і повітроохолоджувачів компресорів компресорних станцій. Контрольний огляд реакторів БАУ, встановлених у системах теплопостачання перед водогрійними котлами та гарячого водопостачання перед теплообмінниками на об'єктах ВАТ «ММК ім. Ілліча», ДП «Донецька залізниця», ЗАТ «Донецьксталь»– МЗ» тощо (усього понад 80 установок), дозволив визначити:

– за період 10-15 днів при роботі без переполюсовки товщина осаду I ст .– 10-13 мм, II ст. – 15-18 мм, маса 25-30 кг.

Контрольний огляд реакторів БАУ, встановлених на компресорних і кисневих станціях ДП «Донецька залізниця» та ВАТ «Ясинуватський машинобудівний завод», усього близько 15 установок, дозволив визначити:

– за період 45 діб при роботі без переполюсовки товщина шару відкладень на катоді реактора I ст. – 20-25 мм, II ст. – 25-30 мм, маса 41,6 кг.

Вищенаведені дані підтверджують, що в I-му ступені реактора відбувається утворення дрібнодисперсних важкорозчинних сполук – накипоутворювачів, із частковим осадженням їх на катодній поверхні, а в II-му ступені за рахунок мікрокристалів, що утворилися у I-му ступені, проводиться їх коагуляція та більш повне осадження на катоді.

Підтвердженням процесів, що відбуваються в антинакипному електрохімічному реакторі, є дані хімічного аналізу відкладень, які складаються з (% по масі): вологи – 16,5-40,8; Са – 31,5-32,0; Мg – 3,25-4,2; Fе – 0,3-1,75 і незначної кількості Zn і Сu.




Рис. Стан трубок теплообмінника

Таким чином, завершено весь необхідний обсяг робіт:

– від випробувань дослідно-промислової установки електрохімічної антинакипної підготовки води – БАУ, які були проведені протягом 2005 р. на пароводяних теплообмінниках системи гарячого водопостачання ХМФ ВАТ «ММК ім. Ілліча»,

– до промислового виробництва і впровадження установок БАУ як у системах теплопостачання та гарячого водопостачання, так і в схемах оборотного водопостачання з охолодженням і обробкою води. Типовий ряд ректорів має продуктивність: 5, 10, 50, 100 (на малюнку) і 200 м³/год і більше.





Рис. Устаткування БАУ-100 м3

Реактор БАУ-50м3 у розрізі

Закінчується впровадження технології електрохімічної обробки води (ЕЛІЗ) на оборотних циклах компресорів ККЦ і турбогенератора ТЕЦ-ПВС ЗАТ «Донецьксталь» –металургійний завод». На кожному оборотному циклі на підживленні встановлюється одна двоступенева установка БАУ продуктивністю до 100 м3/год та одна електрохімічна пластинчаста система електродів продуктивністю до 5000 м3/год. Електрохімічна стабілізаційна обробка води здійснюється за допомогою системи електродів, занурених у резервуари градирень. Живлення і керування режимами електролізу здійснюється обладнанням, встановленим у шафах управління. Обробка води проводиться стабілізованим постійним струмом із щільністю струму не менше 50 А/м2 поверхні анодних пластин. У процесі електрохімічних процесів на катодних пластинах відбувається осадження солей кальцію, магнію та оксидів заліза. Враховуючи низьку температуру оброблюваної води, осад солей буде мати низьку щільність, що сприятиме спрощенню очищення катодних пластин і, відповідно, зниженню трудовитрат, необхідних на очищення електродів.

Планується здача об'єкта в експлуатацію у квітні-травні 2011 року. Економічний ефект від застосування БАУ полягає в зниженні питомих витрат тепла на вироблення 1 кВт-год електроенергії турбогенератором і 1 м3 повітря турбоповітродувки.





Рис. Проект конструкції Еліз 5000 м3/г на оборотному циклі ТЕЦ-ПВС ЗАТ «Донецьксталь – МЗ»

^ 4.2. В області очищення води з відкритих джерел та шахтних вод.

Технологія «ЕСАРК» здатна значною мірою скоротити вартість очищення води завдяки використанню системи активації розчинів коагулянту. Запропонований винахід стосується підготовки водного розчину коагулянту для очистки водної системи і може бути використаний на фільтрувальних станціях промислового і комунального призначення. Винахід направлений на ресурсне збереження коагулянту та економію води і може бути застосований у технологіях та операційних системах обробки води, а також при очищенні водних систем і стабілізації водних властивостей багаторазового використовування в закритих і відкритих циклах водопостачання.

Використання даної установки для обробки коагулянту заради здешевлення процесу очищення й знезаражування води забезпечується за рахунок активації коагулянту в газорідинний стан, який потім уводять в оброблювану воду та інтенсивно перемішують у змішувачі. Дози регулюють. Витрати коагулянту компенсують подачею в електродіалізну установку свіжого коагулянту. Оброблену воду подають у відстійники, а потім відсвітлюють фільтрами. Вміст коагулянту й залишку контролюють і регулюють. Процес електробезпечний і контролюється електронним інвертором з активною й оперативною базою даних, у тому числі її зберігання. Силу струму електролізерів регулюють.

Випробування технології «ЕСАРК» у двоступеневому реакторі з графітовим анодом завершено на фільтрувальних станціях на Макіївській, Червоноармійській та Волинцевській фільтрувальних станціях КП «Вода Донбасу», які показали зниження рівня споживання коагулянту на 30-50%.

У даний час проводяться випробування технології «ЕСАРК» у двоступінчастому реакторі з ОРТА-анодами при більш високій щільності струму на Краматорській фільтрувальній станції. Активація коагулянту шляхом електрообробки розчину коагулянту у двоступінчастому реакторі й окисно рутенієво-титановими анодами ОРТА проводиться при високій щільності постійного струму 210-250 А/м2 площі анодів. Матеріали анода й катода обрані через високу корозійну активність коагулянту. ОРТА аноди допускають тривалий термін їхньої роботи при щільності струму до 2500 А/м2.

Склад обладнання «ЕСАРК»:

1. Мікропроцесорна система керування та живлення.

2. Двоступінчастий реактор.

3. Витратомір.

4. Датчик температури.

К1 Введення розчину коагулянту.

К2 Виведення газорідинної емульсії активованого коагулянту.


Корпорація «ПромЕкономСервіс» проводить дослідно-промислові випробування з очистки стічних шахтних і ґрунтових вод з метою їх використання у технологічному виробництві і в забезпеченні об’єктів ЖКГ питною водою. Випробовування, які тривають на низці шахтних підприємствах Донбасу, показали задовільні результати.

^ 5.Практична значущість виконаних робіт та досягнутий техніко-економічний ефект
Отримані результати на котельних і теплопунктах ВАТ «ММК ім. Ілліча», ДП «Донецька залізниця», ЗАТ «Донецьксталь» – МЗ», ВАТ «Макіївкагаз», низці міських теплових мереж, від індивідуальних замовників тощо, кисневих і компресорних станціях ДП «Донецька залізниця» та ВАТ «Ясинуватський машинобудівний завод», фільтрувальних станціях КП «Вода Донбасу» (всього на понад 100 об'єктах починаючи з 2006 року), підтвердили високу ефективність, надійність, простоту в експлуатації технологій електролізерної очистки води, що встановлено численними актами, відгуками, обстеженнями, висновками спеціалізованих організацій (більш детально в опису роботи т. 2), у тому числі результатами державної експертизи, проведеної спільно провідними фахівцями МінЖКГ України та Мінпромполітики України і рішенням науково-технічної ради МінЖКГ України.

Результати впровадження технології БАУ

^ Найменування підприємства

Назва об’єкту

Річний економічний ефект (тис. грн.)

ВАТ «ММК ім.Ілліча»

Хіміко-металургійна фабрика, Бойлерне відділення системи ГВП, с.Донське

125,0

^ ДП «Донецька залізниця»

Котельня БМЕС Красний Лиман с/п "Щуровський", с.Щурове

224,8

ДП «Донецька залізниця»

Котельня кварталу № 312, м.Донецьк

121,74

^ ДП «Донецька залізниця»

Котельня лікарні Донецької залізниці, м.Донецьк

175,56

ККП «Донецькміськ-тепломережа»

Теплопункт котельні квартал №11-18, м.Донецьк

220,0

^ КП «Макіївтепломережа»

Котельня №9 Бажанова, м.Макіївка

275,0

ВАТ «Ясинуватський машинобудівний завод»

Кисневий компресор №1, м.Ясинувата

250,0

^ ДП «Донецька залізниця»

Компресорна південної горки ст. Красний Лиман

296,7

ДП «Донецька залізниця»

Компресорна західної горки ст. Ясинувата

494,5

Економічний ефект від впровадження БАУ досягається за рахунок скорочення витрат на пальне (або електроенергію на киснево-компресорних станціях) та на обслуговування і ремонт теплоенергетичного обладнання, відмови від водопідготовки і споживання хімічних реагентів. Досягнутий сукупний економічний ефект на впроваджених об’єктах БАУ складає близько 30 млн. грн. Очікуваний економічний ефект від впровадження БАУ на об’єктах ЖКГ України в цілому становитиме 4 млрд. грн. на рік.

Згідно з попередніми розрахунками економічний ефект від впровадження технології ЕЛІЗ на ЗАТ «Донецьксталь» – МЗ» складе 12,3 млн. грн. на рік. Очікуваний економічний ефект від впровадження технології ЕЛІЗ на промислових підприємствах України (металургійні, хімічні, горно-видобувні тощо) – 3 млрд. грн. на рік. Очікуваний економічний ефект від впровадження технології ЕСАРК на фільтрувальних водних системах України – 50 млн. грн. на рік.

Таким чином, потенційний сумарний народногосподарський економічний ефект від створення та впровадження параметричного ряду наукоємних технологій електролізерної очистки води складе понад 7 млрд. грн. на рік (без урахування ефекту від технології очистки стічних шахтних і ґрунтових вод, яка може дати значний економічний ефект в масштабі України).

^ 6.Кількість публікацій, патентів
Наукові результати роботи відображено в 2 монографіях, більш ніж у 20 статтях, доповідалися на наукових конференціях, семінарах, представлялися на тематичних виставках тощо. Новизну та конкурентоспроможність технічних рішень захищено 6 авторськими свідоцтвами та 4 патентами.

7.Висновок
Вперше у вітчизняній практиці і техніці розроблено, впроваджено та отримано значний економічний ефект від параметричного ряду технологій електролізерної очистки води багатоцільового призначення, які базуються на фундаментальному системному знанні та експерименті використання електросильних токів при очищенні альтернативних природним водним ресурсам та не освоєних раніше резервів водних систем.


^ Автори роботи:


МАЛЬЦЕВ Вадим Олександрович

_______________

НІКОЛАЄВ Микола Миколайович

_______________

ФІЛАТОВ Олександр Валентинович

_______________

ПАЩЕНКО Володимир Лазарович

_______________

ТИТАР Сергій Семенович

_______________

ТЮХНІН Володимир Васильович

_______________