Zaawansowane techniki separacji jako alternatywa dla tradycyjnych metod przygotowania wody w energetyce

ZE SZ Y T Y N A U K O W E P O L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: IN Ż Y N IE R IA ŚR O D O W ISK A z. 48

2003 N r kol. 1591

K rystyn a K O N IE C Z N Y

Instytut Inżynierii Wody i Ścieków P olitechnika Śląska

ul. K on arskiego 18, 44-100 G liw ice e-mail: konkryst@polsl.gliwice.pl

ZAAWANSOWANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA TRADYCYJNYCH METOD PRZYGOTOWANIA WODY W ENERGETYCE

Streszczenie.

kotłowego, ciepłowniczego i chłodzącego. Opisano kilka rozwiązań układów hybrydowych odwróconej osmozy/elektrodializy-wymiany jonowej, kilkustopniowe układy odwróconej osmozy oraz mikrofiltrację i ultrafiltracją ja k o procesy wspomagające demineralizację wody. Przedstawiono kilka przykładów istniejących i pracujących obiektów przemysłowych.

A D V E N C E D S E P A R A T IO N T E C H N IQ U E S A S A N A L T E R N A T IV E F O R T R A D IT IO N A L M E T H O D S O F W A T E R P R E P A R A T IO N FO R P O W E R E N G IN E E R IN G

Summary.

1. Wstęp

C iągły rozw ój infrastruktury technicznej oraz w prow adzanie nowych rozw iązań technicznych w przem yśle, m ających na celu zw iększenie w ydajności i spraw ności instalacji technologicznych, pow oduje w zrost kryteriów jakościow ych w ody technologicznej w ykorzystyw anej w procesach produkcyjnych.

Zastosow anie konw encjonalnych technologii, takich jak: koagulacja, sedym entacja, filtracja, w o parciu o now e konstrukcje układów technologicznych oraz technologii m em branow ych m ikrofiltracji, ultrafiltracji, odw róconej osm ozy itp. dla w ód m ocno zanieczyszczonych i ścieków gw arantuje stabilną ja k o ść w ody ja k o produktu końcow ego

lub półproduktu podlegającego wtórnem u w ykorzystaniu w procesie technologicznym czy do uzupełniania strat w obiegu chłodzącym , ciepłow niczym lub kotłow ym .

Zapew nienie źródła w ody surow ej, relatyw nie taniej, je s t podstaw ow ym problem em przy lokalizacji obiektu energetycznego, które najczęściej um iejscow ione s ą w centrach miast. Poszukuje się zatem technologii um ożliw iających w ykorzystanie do tego celu w ód odpadow ych (m ow a tu o ściekach oczyszczonych z m echaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków kom unalnych, ściekach przem ysłow ych, odsolinach z obiegu chłodzącego oraz w odach pow ierzchniow ych i innych).

W oda dodatkow a dla energetyki m usi spełniać surow e w ym agania dotyczące przede w szystkim przew odności i zaw artości substancji organicznej. E ksploatacja jednostek energetycznych pracujących pod w yższym i ciśnieniam i w ym aga zatem zasilania kotłów parow ych w o d ą o w ysokim stopniu dem ineralizacji [1]. Podobnie w ysokie w ym agania są staw iane w odom przeznaczonym do sieci ciepłow niczej, a w m niejszym stopniu obiegów chłodzących. W tabeli 1 przedstaw iono w ym agania staw iane w odzie przeznaczonej do sieci ciepłow niczych w g przepisów w Danii oraz w odzie uzupełniającej dla kotłów typu O R-32 w g E nergopom iaru, ja k rów nież zam kniętym obiegom chłodzącym [2], Sytuacja taka pow oduje, że stosow ane pow szechnie techniki jonitow e stają się ekonom icznie nieopłacalne, zw łaszcza w przypadku w ód o podw yższonym zasoleniu. W chw ili obecnej do przygotow ania w ody dodatkow ej stosuje się dekarbonizację, koagulację, filtrację oraz jo n ito w ą dem ineralizację [3], Ich stosow anie w ym aga użycia w ielu rodzajów chem ikaliów i przyczynia się do w tórnego zw iększenia zasolenia w ód naturalnych. K lasyczny proces dem ineralizacji prow adzi się przy użyciu w ym ieniaczy jonitow ych, kolejno na złożu kationitow ym , anionitow ym i m ieszanym (rys. 1 )[4],

Rys. 1. K lasyczny proces dem ineralizacji w ody Fig. 1. Classical process o f w ater dem ineralization

Znane są w ady i zalety tej m etody. Do w ad należy niew ątpliw ie zaliczyć szybkie zatruw anie jo n itó w i w ytw arzanie ścieków poregeneracyjnych, co przy zw iększających się w ciąż w ym aganiach zw iązanych z ochroną środow iska w odnego, szczególnie w przypadku instalacji o dużej w ydajności, stanow i pow ażny problem techniczny i ekonom iczny.

W zrastające zasolenie w ód zasilających pow oduje zw iększenie częstotliw ości regeneracji jonitów , a w zrost zaw artości substancji organicznych w w odzie w pływ a na obniżenie jak o ści pracy urządzeń i uniem ożliw ia produkcję w ody o w ym aganej czystości [1,5].

ZAAW ANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA 141

T abela 1 W ym agania staw iane w odzie uzupełniającej sieć ciepłow niczą i kotły parow e oraz ______________________ zam kniętych obiegów chłodzących______________________

W skaźnik obciążenia Z aw artość w w odzie

O bieg ciepłow niczy

O bieg kotłow y

Z am knięty obieg chłodzący

przew odnictw o, pS /cm 1 0 <0,5 -

pH 9-10 8,5-9,5 7,0 - 8,5

tw ardość, m val/dm J 0 0 -

zaw artość tlenu, m g/dm3 0 <0,0 2 -

zaw artość C 0 2, m g/dm3 - <0 ,0 1 -

zaw artość żelaza, m g/dm3 - <0,05 -

zaw artość m iedzi, m g/dm3 - <0 ,0 1 -

zaw artość krzem ionki, m g/dm3 - <0 ,0 2 -

utlenialność, m g/dm3 - <5 -

substancje rozpuszczone, m g/dm3 - - <2500

siarczany, m g/dm3 - - < 1 2 0 0

w apń, m g/dm3 - - >50

[ C a ]x [S 0 4], (m g/dm3C a C 03)2 - - <500000

[C a ]x [S i0 2], (m g/dm3C a C 03)2 “ <35000

O d blisko dziesięciu lat m ożna zaobserw ow ać zm ianę w podejściu do problem u produkcji w ody zdem ineralizow anej. W prow adza się do system ów dem ineralizacji now oczesne techniki separacji, odw róconą osm ozę, ultrafiltrację, m ikrofiltrację i elektrodializę o d w racalną oraz elektrodejonizację, które pozw alają na rozw iązanie wielu problem ów w ystępujących w tradycyjnym sposobie dem ineralizacji w ód [1,4-8].

W ykorzystanie m etod odw róconej osm ozy lub elektrodializy p olega na w stępnej dem ineralizacji w urządzeniach m em branow ych, po czym w oda kierow ana je s t do pełnej dem ineralizacji na żyw icach jonow ym iennych. D la obiegów ciepłow niczych w ystarczy dem ineralizacja m etodą odw róconej osm ozy. Pozostałe techniki, a w ięc m ikrofiltracja i ultrafiltracja są m etodam i w spom agającym i praw idłow ą eksploatację urządzeń odw róconej osm ozy i/lub elektrodializy lub w prow adzane są ja k o filtr końcow y w ody zdem ineralizow anej. E lektrodejonizacja je s t n o w oczesną techniką, k tó rą stosuje się zam iast w ym iany jonow ej.

P otrzeba w stępnej dem ineralizacji, a niekiedy rów nież zm iana układu technologicznego instalacji dem ineralizacji w ody spow odow ana je s t głów nie [1]: w zrostem zasolenia w ody surow ej, w zrostem zapotrzebow ania na w odę zdem ineralizow aną, rosnącym i cenam i chem ikaliów i kosztam i odprow adzania ścieków poregeneracyjnych, koniecznością odchodzenia od w ody pitnej ja k o źródła zasilania obiektów energetycznych.

W tym ostatnim przypadku istnieje m ożliw ość w ykorzystania: ścieków przem ysłow ych - zam ykanie obiegów w odnych, odsolin z układu chłodni kom inow ych, zanieczyszczonych w ód pow ierzchniow ych.

O becnie w stacjach dem ineralizacji w ody dla energetyki stosuje się now oczesne techniki separacji w następujących układach:

— układ hybrydow y: odw rócona osm oza- w ym iana jo n o w a lub elektrodejonizacja

— układ hybrydow y: elektrodializa- w ym iana jonow a

— kilkustopniow a odw rócona osm oza

— w ykorzystanie m ikrofiltracji/ultrafiltracji:

1) układ hybrydow y: m ikrofiltracji/ultrafiltracji - koagulacja

2) układ hybrydow y: m ikrofiltracji/ultrafiltracji - adsorpcja na w ęglu aktyw nym

— trójm em branow y system dem ineralizacyjny.

2. U k ład hybrydow y: odw rócona osm oza -w ym ian a jo n ow a

W prow adzenie odw róconej osm ozy do układu technologicznego przygotow ania w ody zdem ineralizow anej w w yraźny sposób popraw ia w yniki eksploatacji stacji dem ineralizacji [4,5,8]. W porów naniu z zastosow aniem samej w ym iany jonow ej układ hybrydow y odw rócona osm oza - w ym iana jo n o w a je s t ekonom iczniejszy. Stosuje się go poczynając od stężenia 0,1 - 0,3 kg/m3 substancji rozpuszczonej, przy czym im w iększe stężenie, tym korzystniejszy je s t układ z odw róconą osm ozą [6,9]. N a rysunku 2 przedstaw iono schem at typow ej instalacji z w ykorzystaniem odw róconej osm ozy. W celu zapew nienia niezaw odnej i ciągłej pracy stacji odw róconej osm ozy konieczne je s t w łaściw e w stępne przygotow anie w ody z zastosow aniem m etod typow ych, takich jak : koagulacja, sedym entacja i filtracja. Czasam i celow e je s t dekarbonizow anie w ody i dodatkow e zm iękczanie. Z estaw operacji w stępnego przygotow ania w ody uzależniony je s t od charakteru chem icznego w ody surowej oraz w ielkości stacji dem ineralizacji. Dane uzyskane w stacji dem ineralizacji w U SA (Illinois) przy w ykorzystaniu układu odw rócona osm oza-w ym iana jo n o w a przedstaw ia tab. 2 [4].

W oda surow a

Pom pa

G

TMwtóęona osm oza" ~ -

W oda zdem ineralizow ana

“ 1 R e te n ta t

Rys. 2. Schem at typow ej instalacji z w ykorzystaniem odw róconej osm ozy Fig. 2. Schem e o f typical installation for reverse osm osis

N a podstaw ie dotychczasow ych dośw iadczeń eksploatacyjnych instalacji do otrzym yw ania w ody zdem ineralizow anej skojarzoną m etodą o dw rócona osm oza - w ym iana jo n o w a m ożna przedstaw ić następujące jej zalety [4,5,9]:

ZAAW ANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA 143

• w ym ieniacze jo n o w e w złożu m ieszanym p rac u ją w korzystniejszych w arunkach, dając w odę w ysokiej jak o ści i nie w y m a g a ją ta k częstej regeneracji ja k w układzie klasycznym ,

• sterylizacja w ody prom ieniam i UV je s t bardziej skuteczna,

• zm niejsza się zużycie jo n itó w oraz chem ikaliów do ich regeneracji,

• zw iększa się okres pracy złoża jonitow ego,

• zw iększa się w ydajność instalacji przy rów noczesnym zm niejszeniu je j gabarytów .

T abela 2 W skaźniki obciążenia w ody w stacji D E M I - U SA układu: odw rócona osm oza-w ym iana

jonow a W skaźnik

obciążenia

W oda surow a m g/dm3

W oda po odw róconej osm ozie m g/dm3

W oda zdem ineralizow ana m g /d m ’

C a2+ 1 0 0 2 .0 -

M g2+ 123 3.3 -

N a+ 44 1.3 0.04

co32'

S 0 42' 137 1.8 -

CL 70 1.7 -

S i 02 1 - 1 0 0.3 -

W najnow ocześniejszych rozw iązaniach zam iast klasycznej w ym iany jonow ej stosuje się elektrodejonizację. System y uzdatniania pracujące w układzie R O -w ym iana jo n o w a stosują złoża m ieszane regenerow ane chem ikaliam i, co obniża korzyści w ynikające z zastosow ania RO. C iągła konieczność zm niejszania zużycia chem ikaliów utorow ała drogę kolejnej technologii: elektrodejonizacji (rys.3) [10,11].

anoda

W oda zdem ineralizow ana

koncentrat koncentrat

CEM i

l

AEM CEM

O f e k ■ ł f ł Na*

AEM

W oda surowa

- e

katoda

CEM: m em brana kationo w ym ienna AEM: m em brana aniono w ym ienna żyw ica jonow ym ienna

Rys. 3. Z asada procesu elektrodejonizacji Fig. 3. Idea o f electrodeionization process

E lektrodejonizacja je s t połączeniem elektrodializy z w ym ianą jonow ą. T echnika ta w ykorzystuje konw encjonalną żyw icę do w ym iany jon o w ej, je d n ak przyłożone napięcie pow oduje w ędrów kę jo n ó w do odpow iednich elektrod i tym sam ym do strum ienia zatężonego. D rugim zadaniem stałego napięcia elektrycznego je s t dysocjacja w ody na jo n y H+ i O H ', które obsadzają grupy jonow ym ienne żyw icy doprow adzając do jej regeneracji.

K om ory w ypełnione jon item są zasilane w o d ą surow ą i stąd odprow adzana je s t w oda zdem ineralizow ana. K om ory te oraz kom ory koncentratu są rozdzielone m em branam i jonow ym iennym i. W ten sposób elim inuje się konieczność chem icznej regeneracji jonitów . Stosow ane układy są podobne do tych, które używ a się w tradycyjnym rozw iązaniu (rys.3).

W oda zdem ineralizow ana je s t bardzo w ysokiej jakości: ok.15 M om /cm . W odróżnieniu od złoża m ieszanego proces dejonizacji je s t procesem ciągłym .

3. U k ład h yb ryd o w y elek trod ializa od w racaln a - w ym ian a jo n o w a

W spom niany ju ż system elektrodializy odw racalnej (ED R ) je s t w m niejszym stopniu w rażliw y na zanieczyszczenia w w odzie niż rozw iązania oparte na odw róconej osm ozie i w ym ianie jonow ej. M oże w ięc pracow ać zasilany w odam i pow ierzchniow ym i posiadającym i SDI w granicach od 5 do 6. ED R pozw ala na uzyskanie w ysokiego stopnia odzyskania w ody, w granicach 85-95% . O graniczeniem system u je s t to, że nie następuje usuw anie krzem ionki koloidalnej [5].

E lektrodializę odw racalną w ykorzystuje się do w stępnej dem ineralizacji w ody zasilającej kotły energetyczne w układzie hybrydow ym z w ym ianą jonow ą. Produktem ED R je s t w oda zasilająca stację w ym ienników jonow ych. Liczba regeneracji jonitów zostaje zm niejszona o 80% . Inne korzyści z zastosow ania elektrodializy odw racalnej to:

obniżenie zużycia chem ikaliów i ilości zrzucanych ścieków , w zrost fizycznej stabilności jo n itó w i zm niejszenie ich zanieczyszczeń, zm niejszenie kosztów procesu. T abela 3 prezentuje w yniki dem ineralizacji otrzym ane tym sposobem , a rys. 4 schem at z zastosow aniem elektrodializy odw racalnej [5],

T abela 3 A naliza w ody w poszczególnych etapach dem ineralizacji m eto d ą elektrodializy ____________________________ odw racalnej (EDR)____________________________

W skaźnik obciążenia W oda surow a m g/dm3

W oda po EDR m g/dm3

% dem ineralizacji

sód 81,7 15,8 80,6

potas 3,5 0,7 80,0

w apń 36,8 3,5 90,5

m agnez 13,0 1,5 88,5

chlorki 135 23,.8 82,3

w odorow ęglany 9,0 3,2 64,4

azotany 1 0 , 1 2 ,0 81,0

siarczany 117,7 1 2 , 1 89,7

sum a jo n ó w 406,7 62,6 84,6

w ęgiel organiczny 5,3 3,2 39,6

przew odność, pS/cm 740,2 111,5 84,9

‘... P i1 ... 6,4 5,8 -

ZAAW ANSOWANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA 145

K o a g u la n t

W o d a su ro w a

- O

Cl:

JL

C a (O H

)2

D e k a rb o n iz a c ja

P o d g rz e w a n ie

F iltry a n tra c to w e

Z a sila n ie E D R

P ro d u k t E D R

ED R

ED R

~ n

z d e m in e ra liz o w a n a W y m ian a jo n o w a

Rys. 4. Schem at dem ineralizacji w ody z zastosow aniem elektrodializy odw racalnej Fig. 4. Schem e o f w ater dém inéralisation w ith the application o f reversai electrodialysis

Etapy procesu dem ineralizacji są następujące:

podgrzanie w ody surow ej oraz chlorow anie i dodanie koagulantu, dekarbonizacja za p o m o cą w odorotlenku w apnia, filtracja i korekta pH , dem ineralizacja m etodą elektrodializy, dem ineralizacja na jonitach.

4. U k ła d k ilk u sto p n iow ej od w róconej osm ozy

S tosuje się też system y z w ykorzystaniem dw ustopniow ego układu odw róconej osm ozy (ry s.5) [7], W ów czas pom ija się etap dem ineralizacji m etodą w ym iany jonow ej.

F iltr R eten tat

d w u w arstw o w y ^

W o d a su ro w a

C1-.

O d w ró co n a osm ozy I stopień

O d g a z o w an ie |

R eten tat

W o d a z d em in e ra liz o w a n a

Rys. 5. S chem at dem ineralizacji w ody z zastosow aniem dw ustopniow ej odw róconej osm ozy

Fig. 5. Schem e o f w ater dém inéralisation with the application o f tw o stage reverse osm osis

W pierw szym i drugim stopniu m ożna stosow ać m em brany z tego sam ego lub różnych surow ców polim erow ych. T abela 4 przedstaw ia ja k o ść otrzym anej w ody w dw ustopniow ym układzie dem ineralizacyjnym odw róconej osm ozy z w ykorzystaniem m em bran z octanu celulozy i z poliam idu. D obre param etry w ody zdem ineralizow anej uzyskano bez korzystania z procesu w ym iany jonow ej.

T abela 4 Skład chem iczny w ody otrzym anej w dw ustopniow ej instalacji odw róconej osm ozy

W skaźnik obciążenia

W oda surow a m g/dm3

RO-I zasilanie

m g/dm3

RO-I perm eat m g/dm3

RO-II zasilanie

m g/dm3

W oda zdem i- neralizow ana

m g/dm3

w apń 13 1 2 0 .2 0,2 0,05

m agnez 19 19 0,5 0,5 0,05

sód 27 2 2 2,8 3,6 0,3

potas 7 4 0,3 0,3 0

SO„2' 27 71 0,4 1,9 0 ,0 1

chlorki 27 2 2 0,8 1 ,0 0 ,0 1

pH 7,4 5,8 5,1 6,2 5,8

zasadow ość 1 1 1 40 8 8 0,8

C 02 8 79 78 2 ,0 2 ,0

chlor 0 0,4 0 0 0

S i02 31,7 32 _{6 ,1} 6.2 0,035

przew odność, pS/cm 331 335 2 1 23 1,5

RO - reverse osm osis (odw rócona osm oza)

Z asadniczym ograniczeniem zastosow ania odw róconej osm ozy w tym przypadku je st duża w rażliw ość na zanieczyszczenie w ody zasilającej. W skaźnik SDI nie pow inien przekraczać w artości 5, poziom substancji utleniających, takich ja k w olny chlor, w inien być m niejszy od 0 ,1 m g/dm 3, a ponadto m em brany są narażone na skażenie m ikrobiologiczne. O siągnięcie w ydajnej i bezaw aryjnej pracy instalacji odw róconej osm ozy w ym aga, ja k zw ykle, bardzo starannego przygotow ania w stępnego w ody [5,9,12],

P rzykładem zastosow ania tego rodzaju rozw iązania w kraju je s t stacja dem ineralizacji w ody w E lektrociepłow ni Ż erań (rys.6).

W stępne przygotow anie w ody polega na je j podgrzaniu do 30°C, chlorow aniu C 102, dekarbonizacji oraz koagulacji za pom ocą soli Fe i polielektrolitu, a następnie filtracji na filtrach żw irow ych i piaskow o-antracytow ych. Pom iędzy pierw szym i drugim stopniem filtracji w prow adza się do w ody kolejno: podchloryn sodu (środek dezynfekcyjny), siarczan glinu (koagulant) i flokulant organiczny. T ak przygotow ana w oda podaw ana je s t przez filtr 5 pm na dw ustopniow y system odw róconej osm ozy, przy czym retentat z pierw szego stopnia stanow i w odę su ro w ą dla drugiego, a produktem procesu są połączone perm eaty z obydw u stopni odw róconej osmozy.

ZAAW ANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA ... 147

Fe2(S04>3 Ca(OH)2 polielektrolit HCI flokulant

Rys. 6. Schem at dem ineralizacji w ody w E lektrociepłow ni „Żerań”

Fig. 6. Schem e o f w ater dém inéralisation in “Z eran” H eat and Pow er G enerating Plant

Rys. 7. Schem at produkcji wody: 1 - koagulacja, 2 - filtracja, 3 - filtracja dokładna, 4 - pom pa w ysokiego ciśnienia, 5 - instalacja RO, 6 - filtry żw irow e, 7 - areator, 8 - odgazow yw acz term iczny, FOS - preparat kom pleksujący

Fig.7. Schem e o f w ater production: 1 - coagulation, 2 - filtration, 3 - fine filtration, 4 - high pressure pum p, 5 - RO installation, 6 -graveller, 7 - aerator, 8 - therm al degasifier, FOS - com plexing agent

C harakterystyka instalacji, k tó rą uruchom iono w 1995 r., je s t następująca: zasilanie:

surow a w oda z W isły, w ydajność: 600 m 3/h w ody zdem ineralizow anej; stopień odzysku perm eatu 75% , rodzaj m odułów : spiralne zaw ierające poliam idow e m em brany firm y Film tec, o w spółczynniku retencji N aC l w ynoszącym 98-99% , ciśnienie robocze 1,6 MPa.

K olejnym przykładem zastosow ania tego rodzaju rozw iązania w kraju je s t stacja dem ineralizacji w ody w Elektrociepłow ni R ydułtow y. Schem at produkcji w ody realizow anej tą technologią przedstaw ia rys. 7 [13].

W oda surow a pozyskiw ana z kopalni nie spełnia w ym agań, ja k ie staw iane są w odzie zasilającej instalację RO. P ow inna ona posiadać następujące param etry: ciśnienie min.

0,35 M Pa, tem peraturę 288-293 K, w skaźnik SDI m aks. 3, a zaw artość soli rozpuszczonych m aks. 1800 m g/dm 3. N ie pow inna zaw ierać w olnego chloru, żelaza pow yżej 0,2 m g/dm 3, m anganu nie w ięcej niż 0,05 m g/dm 3, a glinu nie więcej niż 0,1 m g/dm 3. Z aw artość takich składników jak : w apń, m agnez, sód, potas, stront, bar, siarczany, fluorki, w odorow ęglany, w ęglany, azotany oraz krzem ionka m usi zostać uw zględniona, by zapobiec w ytrącaniu się kam ienia m em branow ego. D latego w stępne przygotow anie polega na obniżeniu w skaźnika SDI, korekcie odczynu i dozow aniu środków przeciw ko osadzaniu się kam ienia na pow ierzchni m em bran. W instalacji odw róconej osm ozy zastosow ano kom pozytow e m em brany poliam idow e produkcji firm y H ydranautics o sym bolu E SPA 1.

W oda zasilająca obieg ciepłow niczy odpow iada w ym ogom jak o ści w ody do napełnień i uzupełnień obiegu ciepłow niczego. C ena w ody w yprodukow anej w instalacji R O je s t niższa niż cena, ja k ą oferuje rejonow e przedsiębiorstw o w odociągow e i w ynosi

1,63 pln/m 3, w obec czego stanow i atrakcyjną ofertę dla odbiorców [13].

5. Wykorzystanie ultrafiltracji i mikrofiltracji

U ltrafiltracja i m ikrofiltracja w otrzym yw aniu w ody zdem ineralizow anej je st w ykorzystyw ana ja k o m etoda w spom agająca w łaściw ą dem ineralizację. M oże więc w spółpracow ać z w ym ianą jo n o w ą lub odw róconą osm ozą. Ponadto ostatnio UF je st stosow ana do oczyszczania w ód obiegów chłodzących [12], System produkcji w ody zdem ineralizow anej z zastosow aniem M F/U F ja k o w stępnego przygotow ania wody, do usunięcia substancji koloidalnych, przed w prow adzeniem na w ym ianę jo n o w ą lub RO przedstaw iono na rys. 8.

Rys. 8. System y produkcji w ody zdem ineralizow anej z w ykorzystaniem ultrafiltracji/m ikrofiltracji

Fig. 8. System s o f dem ineralised w ater production w ith the application ultrafiltration/m icrofiltration

Przykładem takiego rozw iązania je st instalacja do otrzym yw ania w ody zdem ineralizow anej zainstalow ana w E lektrow ni „Ł agisza” w 1997r. (rys. 9) [3, 14].

ZAAW ANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA 149

Produkuje w odę d odatkow ą dla 7 bloków energetycznych o m ocy 125 M W każdy. Źródłem w ody surow ej są odsoliny z obiegu chłodzącego o zasoleniu 2100-2800 (iS/cm, zaw iesinie 19-87 m g/dm3 i utlenialności 27-49 m g 02/dm 3. U kład technologiczny obejm uje filtr zgrubny 250 pm , trzy linie ciągłego układu M F (każda o w ydajności 90 m3/h) i trzy linie odw róconej osm ozy (każda o w ydajności 50 m3/h). W oda po M F zaw iera poniżej 0,5 m g/dm3 zaw iesiny, a je j m ętność w ynosi poniżej 1 N TU , natom iast przew odnictw o w ody po odw róconej osm ozie <0,2 pS/cm i zaw artości S i02 <0,02 m g/dm 3.

Rys. 9. Instalacja dem ineralizacji w ody w Elektrow ni „Ł agisza”

Fig. 9. Installation o f w ater dém inéralisation in Pow er P lant “ Ł agisza”

K orzyści, ja k ie daje ta instalacja, to: ograniczenie poboru w ody surow ej z rzeki, zm niejszenie zrzutu ścieków i dostosow anie ich jakości do w ym agań w odno -prawnych, popraw a ja k o ści w ody w obiegu chłodzącym i m ożliw ość je j ścisłej kontroli oraz w yelim inow anie znacznych ilości ługu i kw asu stosow anych do regeneracji jonitów . W ykorzystanie m ikrofiltracji je s t w takim rozw iązaniu celow e, bow iem uzyskana w oda charakteryzuje się bardzo w ysokim i param etram i jakościow ym i um ożliw iającym i bezpośrednie kierow anie do urządzenia odw róconej osm ozy. Ponadto korzyści w ynikające z tego rozw iązania to usuw anie krzem ionki koloidalnej z w ód zasilających energetyczne kotły parow e. Pow ażnym problem em w przygotow aniu w ody stosow anej do zasilania energetycznych, w ysokoprężnych kotłów parow ych je s t obecność krzem ionki. K oloidalna form a krzem ionki je s t lotna i w raz z p a rą dostaje się do turbin, gdzie osadzając się na łopatkach m oże spow odow ać ich aw arię. Przygotow anie w ody do zasilania kotłów parow ych pow inno być tak prow adzone, by zaw artość krzem ionki koloidalnej nie przekraczała 0 ,0 2 m g/kg pary [15,16],

D em ineralizacja w ody n a jonitach- pow oduje usunięcie jedynie krzem ionki jonow ej, natom iast krzem ionka koloidalna i zaw iesinow a m o g ą być usuw ane i to częściow o m etodą koagulacji [17]. W oda zdem ineralizow ana m oże zaw ierać w ięc znaczne ilości krzem ionki koloidalnej w zależności od pory roku i źródła zasilania. UF w ody zdem ineralizow anej zaw ierającej krzem ionkę k o lo id a ln ą w ydaje się być skutecznym sposobem ochrony turbin parow ych przed je j niszczącym działaniem [18-19],

M ikrofiltracja m oże być rów nież w ykorzystana do oczyszczania w ody zasilającej obiegi chłodzące w elektrow niach. Duże obiekty energetyczne zlokalizow ane są zazw yczaj na terenach zurbanizow anych. Źródłem w ody m o g ą być ścieki z oczyszczalni biologicznej. N a przykład chłodnie w entylatorow e now ego bloku energetycznego 110 M W w EC „K atow ice”

są zasilane w o d ą z oczyszczalni biologicznej w Siem ianow icach (rys. 10) [14,20].

Isto tą procesu m ikrofiltracji na instalacji firm y ZEN O N je s t filtrow anie w ody z zew nątrz do w ew nątrz kapilarnych m odułów m em branow ych zanurzonych całk o w icie w w odzie filtrow anej. W ielkość p o ró w m em bran Z W w aha się w granicach od 0,085 do 0,200 pm.

G w arantuje to całkow ite usunięcie z w ody filtrowanej cząstek zaw ieszonych o w ym iarze 0,200 pm , w tym rów nież pasożytów Giardia i Cryptosporidium oraz ich form przetrw alnikow ych.

M em brany Z W pracują na niskim podciśnieniu, które w w ew nętrznych przestrzeniach w łókien w ytw arza pom pa procesowa. W oda filtrow ana przepływ a przez ściany w łókien do ich w nętrza, a następnie zasysana je st przez pom pę procesow ą do zbiornika w ody przefiltrow anej.

Do m odułu m em branow ego wprow adzone je st powietrze, którego pęcherzyki unoszą się w zdłuż w łókien w ytw arzając turbulencje i oczyszczając w sposób ciągły pow ierzchnię m em ­ bran, co ułatw ia pracę przy dużym obciążeniu pow ierzchni filtracyjnej. P rzepływ pow ietrza m a także pozytyw ny efekt uboczny, pow odując utlenianie Fe2+, M n2+ i niektórych składników organicznych, co dodatkow o podnosi jak o ść perm eatu [20]. Z W je s t w ięc procesem jednostopniow ym , który w prosty sposób pozw ala na łatw e i precyzyjne sterow anie i autom atyzację. Fakt sw obodnego zanurzenia m em bran w filtrow anym m edium w w arunkach przepływ u burzliw ego w yw ołanego napow ietrzaniem sprawia, że naw et przy bardzo w ysokich zaw artościach zaw iesin także inkrustujących lub trudno opadalnych m em brany nie u legają nieodw racalnem u zanieczyszczeniu. M em brany ZW m a ją w ysoką odporność na w olny chlor i inne czynniki utleniające, co um ożliw ia naw et bardzo głębokie chlorow anie w ody filtrow anej.

Schem at instalacji o w ydajności 250 m3/h opartej na podciśnieniow ej m ikrofiltracji z m em branam i kapilarnym i przedstaw iono na rys. 1 0.

l l I N O S l

Rys. 10. Schem at instalacji w ykorzystującej podciśnieniow ą m ikrofiltrację do oczyszczania ścieków (produkcja w ody dla EC „K atow ice” do celów chłodniczych)

Fig. 10. Schem e o f instalation using vacuum m icrofiltration for w astew ater treatm ent (production o f w ater for EC „K atow ice” in cooling purpoces)

ZAAWANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA 151

6. Trójmembranowy system demineralizacyjny

Trój m em branow y system dem ineralizacyjny stosuje się w produkcji wody zdem ineralizow anej do zasilania energetycznych kotłów parow ych w elektrow niach atom ow ych oraz w przem yśle elektronicznym [5]. Jest to układ hybrydow y, w którym w ykorzystuje się łącznie trzy procesy m em branow e: ultrafiltrację, elektrodializę o dw racalną i o d w ró co n ą osm ozę rys. 1 1.

Rys. 11. Instalacja dem ineralizacji w ody w układzie trój m em branow ym Fig. 11. Instalation o f w ater dém inéralisation in three m em rane system

U ltrafiltracja m a na celu w stępne przygotow anie w ody, przed w łaściw ą dem ineralizacją, m etodam i elektrodializy odw racalnej i odw róconej osm ozy [5].

7. Podsumowanie

• W now oczesnych system ach dem ineralizacyjnych w ody uzupełniającej zasilanie kotłów parow ych stosuje się układy hybrydowe: odw rócona osm oza - w ym iana jo n o w a oraz elektrodializa - w ym iana jonow a. O statnio w m iejsce klasycznej w ym iany jonow ej w prow adzany je s t proces elektrodejonizacji, który elim inuje konieczność chem icznej regeneracji jonitów .

• Isto tn ą sp raw ą je s t w stępne przygotow anie w ody przed w łaściw ą dem ineralizacją.

Proponuje się zastosow anie zam iast rozbudow anej technologii klasycznej ultrafiltracji lub m ikrofiltracji.

• W prow adzenie now oczesnych technik separacji w przem yśle energetycznym um ożliw ia w ykorzystanie w ód odpadow ych ja k o now ego źródła w ody dla układów technologicznych:

— w ykorzystanie odsolin z chłodni z zastosow aniem odw róconej osm ozy i m ikrofiltracji ja k o w ody dodatkow ej do obiegów w odno-parow ych (Elektrow nia

„Ł agisza” ),

— odsalanie w ód nadosadow ych ze składow isk odpadów stałych (żużel i popiół),

— odsalanie w ysoko zasolonych ścieków pochodzących z oczyszczania chem icznego bloków energetycznych,

— w ykorzystanie ścieków oczyszczonych w oczyszczalni biologicznej. D la wód tw ardych należy w ykorzystać nanofiltrację do zm iękczania w ody dla ciepłow nictw a. C oraz realniejszy staje się zatem pełny recykling w ody i ścieków , a tym sam ym w odę z odnow y będzie m ożna w ykorzystyw ać do uzupełniania obiegów energetycznych. Rysunek 12 przedstaw ia realny układ technologiczny przygotow ania w ody dodatkow ej dla obiegów : chłodzącego, ciepłow niczego i kotłow ego z jednej instalacji [2 2].

Rys. 12. P ropozycja schem atu technologicznego przygotow ania w ody dodatkow ej ze ścieków dla potrzeb energetycznych

Fig. 12. Proposal o f technological schem e involving the preparation o f additional w ater from w astew ater for the needs o f pow er production

Bibliografía

1. W arachim M.: T echniki m em branow e w energetyce. Przyszłość czy teraźniejszość?

M at. V K onf. N auk.-T ech. nt. U dział chem ii energetycznej we w zroście efektyw ności urządzeń, Bielsko B iała 1994, 125-131.

2. M arianow ski J., O strow ski J., R atajczyk C., Z drojew ska Z., M oczyński P.:

D ośw iadczenia techniczno-ekonom iczne. Praktyczne i ekonom iczne przesłanki w zastosow aniu oderóconej osm ozy ja k o źródła w ody dla sieci ciepłow niczej i kotłów parow ych w O PE C G rudziądz, M at. II O gólnopol. Konf. nt. M em brany i procesy m em branow e w ochronie środow iska, U stroń-Jaszow iec 23-25 października 1997, 67- 78.

3. K onieczny K.: T echniki m em branow e w przygotow aniu w ody dodatkowej dla obiektów energetycznych, G ospodarka Paliw am i i Energią, 2001,12, 6-12.

ZAAW ANSOW ANE TECHNIKI SEPARACJI JAKO ALTERNATYWA DLA . 153

4. Soit G.: M em branes in P ow er G énération, (w:) The M em brane A lternative: E nergy Im plications for Industry, ed. H ow ell J.A., London - N ew Y ork, E lsevier A pplied Science 1990, 31-37.

5. K urow ski P.: N ow e tendencje w budow ie stacji dem ineralizacji w ody - system y trójm em branow e. E lektrodializa odw racalna ja k o w stępna dem ineralizacja w ody zasialającej kotły energetyczne. M at. V K onf.N auk.-T ech. nt. U d ział chem ii energetycznej we w zroście efektyw ności urządzeń, B ielsko B iała 1994, 85-92.

6. Rice D .B .: C onsider M em brane T reatm ent for R oughing D em ineralization, Pow er 1991, 135, 8, 49-53.

7. C om b.L .F .,F ulford K.: System y dw ustopniow ej odw róconej osm ozy z użyciem m em bran poliam idow ych i trójoctanow o-celulozow ych. M at.V K onf.N auk.-T echn. nt.

U dział chem ii energetycznej we w zroście efektyw ności urządzeń, Bielsko B iała 1994, 149-160.

8. B odzek M ., B ohdziew icz J., K onieczny K.: Techniki m em branow e w ochronie środow iska, G liw ice, W yd.P olitechniki Śląskiej 1997.

9. B odzek M ., K onieczny K.: Procesy m em branow e i ich zastosow anie w uzdatnianiu w ody dla energetyki, Inżynieria i O chrona Środow iska, 1998 , 1 (1), 39-56.

10. L ugan H.: P rocess M ake up W ater and U ltrapure W ater, E.M .S. X V th A nnual Sum m er School, T oulouse, France 6-10 July 1998.

11. G avach C.: E lectrically-driven m em brane processes basie principles and State o f art., referat w ygłoszony na K ursie w ram ach program u „JO IN T EU R O PEN N E T W O R K ” , pt. M em brany i m em branow e techniki rozdziału cz.II, Toruń, w rzesień 1997.

12. Jonsson A .S., T ragardh G.: U ltrafiltration applications, D esalination 1990, 77,135-179.

13. K lim anek K ., K oszorz M.: U zdatnianie w ody kopalnianej do celów pitnych i ciepłow niczych z w ykorzystaniem procesu odw róconej osm ozy, M ateriały k onferencyjne H ydroforum V II 2001, U stroń 2001.

14. W aw rzyńczyk J.: System y uzdatniania w ód dla elektrow ni, elektrociepłow ni i sieci ciepłow niczych, technologie m em branow e, K onferencja N aukow o-T echniczna nt.

W pływ chem ii energetycznej na pracę m ałych i średnich obiektów energetycznych, U stroń 2001, 15-25.

15. H ackiew icz G .,K ow alczyk A.: Stacja odw róconej osm ozy w E lektrociepłow ni

„Ż erań” , Energetyka 1997 , 6, 292-296.

16. Sierakow ski E.: K ontrola chem iczna obiegów w odnych i w odno-parow ych w elektrow niach, W N T, W arszaw a, 1974.

17. Sierakow ski E.: K ontrola w ody i pary w energetyce, W N T, W arszaw a, 1979.

18. B odzek M ., K onieczny K.: U ltrafiltration o f C olloidal Silica Solution, Polish J.Chem . 1 9 9 2 ,6 6 , 1683-1694.

19. K onieczny K., B odzek M.: U ltrafiltration o f D em ineralized W ater C ontaining C olloidal Silica, D esalination 1990, 79, 145-161.

20. Zsirai I., K siążek K., Potrzebka A.: U zdatnianie w ód zanieczyszczonych i odpadow ych dla celów przem ysłow ych przy zastosow aniu m ikrofiltracji podciśnieniow ej na zanurzeniow ych m em branach pustow łóknow ych, IV M iędzynarodow a K onferencja

„Z aopatrzenie w w odę i ja k o ść w ód” K raków 2000, 585-597.

21. G ry g ierczy k J.: P rojektow anie stacji uzdatniania w ody - now e technologie, alternatyw ne źródła zasilania, IX K onferencja N aukow o-T echniczna nt. U dział chem ii energetycznej we w zroście efektyw ności urządzeń, Szczyrk, maj 2002, 35-44.

22. W aw rzyńczyk J.: W ykorzystanie w ód z odnow y do uzupełniania obiegów energetycznych, V III K onferencja N aukow o-T echniczna nt. U dział chem ii energetycznej we w zroście efektyw ności urządzeń, Szczyrk, maj 2000, 168-176.