Спосіб водопідготовки

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано при создании безотходной технологии обессоливания воды с помощью ионитов для подпитки парогенераторов на ТЭС и АЭС. Цель изобретения - повышение экономичности процесса за счет снижения расхода реагентов, повышения емкости поглощения ионитов и получения продуктов, пригодных для их использования. Н-катионитные фильтры первой и второй ступени срабатывают соответственно до проскока ионов жесткости и ионов натрия, а анионитные фильтры - соответственно до проскока сульфат ионов и ионов хлора, дегазацию воды осуществляют в вакуумном декарбонизаторе, регенерацию анионитно-го фильтра в БО4-форме и на первом этапе катионитного фильтра в Na-форме, производят повторно и-пользуемым, а затем свежим 4-10% раствором бикарбоната аммония, подаваемыми в стехиометриче-ских количествах, дорегенерацию катионит-ных фильтров II и III ступени, а также противоточную регенерацию катионитного фильтра 1 ступени в Са, Мg форме, производят вначале используемым повторно раствором, а затем 10-15% свежим раствором серной кислоты, подаваемыми в стехиометрических количествах, регенерацию анионитного фильтра в СІ-форме производят повторно используемым, затем свежим 2-10% раствором NH4OH отработанные реге-нерационные растворы ионитных фильтров, содержащие сульфат и хлорид аммония нагревают до 80-100°С и смешивают раздельно со стехиометрическим количеством извести, выделяющийся при этом' свободный аммиак поглощают обессоленной водой с получением раствора NH/jOH, часть которого используют снова на регенерацию анионитного фильтра в СІ-форме, а вторую часть - для поглощения углекислоты, удаляемой из декарбонизатора и используемой со стороны в качестве реагента. Отработанный раствор от регенерации катионитного фильтра в Na форме, содержащей NaHCO3 и NH4HCO3, концентрируют в испарителе, а выделяющиеся при этом NH3 и СО2 утилизируют для приготовления регвнерационного раствора NH4HCO3, часть содового раствора, в количестве равном содержанию в исходной воде кальция некарбонатного, подают в осветлитель, а оставшуюся часть раствора соды концентрируют для выделения Nа2СО3, отработанный раствор щелочи ОН - анионитного фильтра, содержащий Na2СО3 и Na2SiO3, смешивают со стехиометрическим количеством извести, а осветленный раствор NaOH перед концентрированием его до рабочей концентрации предварительно пропускают через механический фильтр и Na-катионитный фильтр, загруженный карбоксильным катионом. На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого способа водоподготовки. Схема включает осветлитель 1, бак 2 осветленной воды, механический фильтр 3, Н-кзтионитные фильтры, 4, 5 - первой и второй ступени, загруженные сильнокислотным катионитом, анионитные фильтры 6, 7 первой и второй ступени, загруженные слабоосновными анионитом, вакуумной де-карбонизатор 8, бак 9 декарбонизировэн-ной воды, Н-катионитный фильтр 10 третьей ступени, ОН-анионитный фильтр 11 третьей ступени, загруженный сильноосновным анионитом, отстойник 12 для выделения CaSO4 и Мg(ОН)2 из отработанного раствора Н-катионитного фильтра первой ступени, бака 13, 14 соответственно повторного использования кислоты и бикарбоната аммония, бак 15 раствора бикарбоната натрия, выпарной аппарат 16, концентратор 17 раствора соды, бак 18 сульфата аммония, подогреватель 19, дегазатор 20, бак 21 повторного использования гидроокиси аммония, бак 22-хлористого аммония, дегазатор 23 для выделения NН3, концентратор 24 хлористого кальция, бак 25 свежего раствора NH4OH, бак 25 свежего раствора NH4OH, бак 27 отработанного раствора щелочи от анионитного фильтра третьей ступени, отстойник 28, механический фильтр 29, Na-катионитный фильтр 30, испаритель 31, бак 32 очищенного раствора NaOH. Способ осуществляют следующим образом. Исходную воду направляют в осветлитель для предварительной обработки ее содоизвесткованием, в процессе которой происходит умягчение воды. В осветленной воде содержится только карбонатная жесткость в количестве 0,5-0.7 мг-экв/л независимо от величины жесткости исходной воды. Предварительно умягченную воду направляют на обессоливание ионитами. При этом предусматривается поглощение ионов жесткости в Н-катионитном фильтре I ступени 4, а ионов Na - в Н-катионитном фильтре II ступени 5, т.е. отключение указанных фильтров на регенерацию производят по проскоку соответственно ионов Мg и Na. Анионитный фильтр I ступени 6 срабатывает до проскока ионов SO4, а фильтр 7 -до проскока ионов СІ. В обработанной воде после анионитного фильтра второй ступени содержится свободная углекислота, которая легко десорбируется из воды в вакуумном декарбонизаторе 8. Дегазированная вода подвергается глубокому дообессоливанию в Н-катионитном фильтре 10 и ОН-анионитном фильтре 11, загруженном сильносновным анионитом. При этом катионитный фильтр задерживает остатки катионов Na и NH4, а анионитный фильтр 11 - анионы слабых кислот НСО3 и NH4Оз. Регенерацию катионитного фильтра 4, находящегося в Са, Мg - форме, производят вначале повторно используемым 2-3% раствором, а затем свежим 10-12% раствором H2SO4 со сбором отработанного раствора для повторного использования. Расход указанных растворов кислоты составляет - 1 г-экв/г-экв. Регенерацию катионитного фильтра 5, находящегося в Na-форме, производят последовательно повторно используемым и 4-10% свежим раствором NH4HCO3, а затем раствором серной кислоты аналогично Н-катионитному фильтр у 4. Регенерацию Н-катионитного фильтра 10 производят аналогично Н-катионитному фильтру 5. Отработанный раствор от первой стадии регенерации бикарбонатом аммония, содержащий NaHCO3, собирают в баке 15, а при регенерации кислотой - в баке 18 -сульфата аммония. Регенерацию анионитного фильтра 6 в SO4 - форме производят вначале повторно используемым раствором, подаваемым из бака 14 и сбором отработанного раствора в баке 18, а затем - свежим 4-6% раствором NH4HCO3 из бака 26 со сбором раствора в баке 14. Регенерацию анионитного фильтра 17 в СІ-форме производят также повторно используемым раствором из бака 21, затем свежим 2-10% раствором NH4OH из бака 25 и сбором отработанных раствором соответственно в баках 22 и 21. Регенерацию анионитного фильтра 11, находящегося в НСО3 и NsiО3-форме, производят 4-10% раствором NaOH, а отработанный раствор собирают в баке 26. Раствор сульфата аммония из бака 18 нагревают в подогревателе 19 до 80-100°С и смешивают с известью в стехиометрическом количестве. При этом в осадок выпадает CaSO4, а содержащийся в растворе свободный аммиак выделяется в дегазаторе 20. Аммиак поглощают обессоленной водой с образованием раствора NH4OH в баке 25. Воду из деггзатора 20 после выделения CaSO4 возвращают в осве тлитель 1, Аналогично производят обработку хлорида аммония, подаваемого из бака 22 в дегазатор 23. Раствор NH4OH, образующийся при поглощении выделяющегося аммиака, снова используют для регенерации, а раствор СаСІ2 концентрируют для выделения СаСІ2 - при необходимости полной ликвидации сточных вод или отводят в водоем - при отсутствии указанного требования. Отработанный раствор от первого этапа регенерации катионитного фильтра 5 подают в выпарной аппарат 16 для упаривания и термического разложения NаНСО3. Выделяющуюся при этом углекислоту, а также углекислоту, выделяющуюся в вакуум-декарбонизаторе поглощают раствором NH4OH, который образуется при утилизации аммиака в процессе переработки сульфата и хлорида аммония. "В процессе поглощения углекислоты образуется рабочий регенерационный 4-6% раствор NH4HCO3, используемый снова на регенерацию ионитных фильтров. Отработанный раствор анионитного фильтра 11, содержащий NaгСО3 и Nа2SiO3, смешивают в стехиометрическом количестве с известью и подают в отстойник 28, где в осадок выпадает СаСО3 и СаSiO3. Осветленный 0,5-10% раствор щелочи, дополнительно умягчают в Na-катионитном фильтре 30, загруженном карбоксильным катионитом, а умягченный раствор концентрируют в испарителе 31 до рабочей концентрации -4-10% и направляют в бак 32 очищенного раствора щелочи. Вода, умягченная при содоизвестковании ее в осветлителе, содержит примерно равные количества ионов Са++ и Мg++, В процессе обессоливания воды эти ионы поглощаются в Н-катионитном фильтре I ступени. Противоточная регенерация Н-катионитного фильтра I ступени позволяет исключить загипсование фильтрующего материала, т.к. примерно половина катиона, включая нижние выходные слои, находится в Mgформе. При регенерации этих слоев образуется хорошо растворимая соль MgSO4, а продолжительность контакта регенерационного раствора с катионитом в Са-форме меньше времени образования осадка CaSO4. Перевод катионитов Η-фильтров II и III ступеней в NН4-форму, а затем последовательная регенерация их раствором кислоты нарастающей концентрации 3-5% и 10-15% позволяет увеличить емкость поглощения катионита до 1100-1600 г-экв/м 3, что практически в два раза выше емкости достигаемой при регенерации только раствором кислоты. Регенерация анионита в – SO4 форме повторно используемом 2-4%, а затем свежим 4-10% раствором NH4HCO3 увеличивает емкость поглощения низкоосновного анионита до 2000-2300 г-экв/м 3, что в два раза выше по сравнению с традиционной регенерацией его 4% раствором NaOH. Отработанный раствор от первой стадии регенерации фильтра 4 собирают в отстойнике, где осаждается СаSO4, а также Мg(ОН)2 после добавления к раствору извести в сте хиометрическом количестве относительно ионов Мg. Обезвоженный осадок используют в качестве сырья в стройиндустрии, а осветленную воду направляют в голову процесса, В качестве дегазатора отрабатываемой воды в предлагаемом способе используют вакуумный декарбонизатор, т.е. использование традиционного аппарата, в котором подается противотоком воздух в количестве 40м на Один м 3 воды, приводит к потере аммиака, используемого для поглощения углекислоты. Использование вакуумного декарбонизатора позволяет исключить потери аммиака и снизить концентрацию кислорода в воде, что также снижает скорость старения высокоосновного анионита в фильтре 11. В предлагаемом способе расход кислоты снижен до стехиометрического количества, а едкий натр заменен гидроокисью аммиака, которую рекуперируют с помощью извести. Следовательно в конечном счете едкий натр полностью замещается дешевым реагентом - известью с одновременным получением продуктов – CaSO4 и СаСІ2, которые могут бить использованы в народном хозяйстве. В качестве реагента в предлагаемом способе используют также углекислоту. Необходимое количество углекислоты может быть получено при прокаливании СаСО3, выделяющегося в осветлителе. На ТЭС углекислота может быть получена также из дымовых газов при сжигании органического топлива. При реализации предлагаемого способа водолодготовки также получают в качестве продукта - соду, являющуюся дефицитным реагентом. Использование продуктов, образующихся а процессе водоподготовки, Na2CO3, CaSO4, СаСІ2, позволяет компенсировать значительную часть затрат на водоподготовку и тем самым снизить себестоимость обессоленной воды. Пример. Осветленная вода после содоизвесткования и коагуляции имеет следующий состав, мг-экв/л: Са 0,4; Мg 0,3; Na 5,5; Cl 2,45; SO4 3,0; СО3 0,45; SIO3 0,05; ОН 0,16. Воду указанного качества пропускают последовательно через две колонки диаметром 25 мм, загруженные сильнокислотным катионитом в Η-форме и две колонки 25 мм, загруженные низкоосновным анионитом. При этом в первой колонке анионит находится в НСО3 форме, а во второй - в ОН форме. Дегазацию воды производят в вакуумном декарбонизаторе, в качестве которого используют колонку диаметром 50 мм, в которую загружают фарфоровые шарики диаметром 15 мм. Разрежение в декарбонизаторе создают с помощью водоструйного эжектора. Декарбонизированную воду дополнительно подвергают доочистке в двух колонках диаметром 25 мм, загруженных сильнокислотным катионитом в Η-форме и сильноосновным анионитом в ОН-форме. Высота загрузки катионнта в Η Ι и II ступени Составляла 1,5 м, Η III ступени - 0,3 м анионита в НСО3 форме -1,0 м, низкоосновного анионита в ОН-форме - 1,5, а высокоосновного анионита в ОН-форме - 0,5 м. Результаты приведены в табл. 1. Величина проскока контролируемого иона по ступеням обработки, при которой колонна отключалась на регенерацию составляла 50 мкг-экв/л. Величина разрежения в декарбонизаторе ограничивалась во время опытов лабораторными условиями и составляла 70%. При этом снижение углекислоты в воде происходило с 75 до 0,3 мг/л, а кислорода с 7,5 до 2 мг/л. Скорость фильтрации воды через колонки составляла 12-15 м/ч. Регенерацию отработанных ионитов проводили вначале повторно используемым, затем свежим раствором подаваемыми в сте хиометрическом количестве -1 г-экв/г-зкв. При подаче повторно используемого раствора в количестве меньшем 1 г-экв/г-экв. снижается количество вытесняемых из ионита поглощенных ионов. Следовательно оставшиеся ионы должны быть вытеснены свежим раствором, а это приводит к увеличению концентрации вытесняемых ионов в растворе, который используют повторно при последующей регенерации. При этом эффективность удаления ионов на первой стадии регенерации снижается. Так при подаче раствора на первой стадии регенерации в количестве 0,8 гэкв/г-экв степень вытеснения ионов снижается с 80-85% до 65-70%, а при повышении расхода реагента до 1,2 г-экв/г-экв степень вытеснения ионов повышается незначительно, однако, приводит к потере 20-25% свободного реагента. Регенерация Н-катионитного фильтра 1 ступени в Са, Мg-форме 2-3% повторно используемым раствором H2SO4 позволяет избежать загипсования катионита при скорости пропуска раствора 7-10 м/ч. Завершающая регенерация свежим 10-15% раствором H2SO4 позволяет повысить емкость поглощения катионита, а также с учетом разбавления раствора отмывочной водой получить 2-3% раствор кислоты, используемый повторно для последующи х регенераций. Количество отмывочной воды, используемой на разбавление раствора составляло 0,6-0,8 объема на один объем катионита. Дополнительно на приготовление свежего раствора расходовали 0,5-0,7 объема отмывочных вод. Последующее количество отмывочных вод - 1-2 объема утилизировали путем присоединения их к исходной воде. Аналогично производили отмывку и других ионитов с утилизацией их на нужды разбавления или приготовления раствора, или утилизацией путем присоединения к исходной воде. Концентрация NH4HCO3 применяемого для регенерации низкоосновного анионита в SO4-форме и катионитов II и III ступени в Na-форме, составляла - 2-10%. Используемый повторно раствор имел концентрацию 2-4%, а свежий раствор 4-10%. Исследования показали, что при снижении концентрации регенерационного раствора до 2% повышается емкость поглощения низкоосновного анионита на 10%, однако увеличивается общий объем отработанного раствора и следовательно это вызывает дополнительные затраты на его переработку - упаривание NаНСО3. Повышение концентрации NH4HCO3 более 10% снижают объем перерабатываемых стоков, однако приводит к ухудшению эксплуатационных условий обращения с раствором NН4ОН, который является исходным продуктом для получения раствора NH4HCO3. С повышением концентрации NH4OH летучесть его увеличивается и соответственно возрастают требования по герметизации всего оборудования для хранения и использования этого раствора. По указанной причине концентрация раствора NH4OH, образующегося при переработке растворов (NH4)2SO4 и NH4CI, составляла от 2 до 10%. В процессе исследований, нагрев отработанных растворов сульфа та и хлорида аммония, перед смешиванием их с известью, производили до 80-100°С с одновременным поддерживанием этой температуры в течение 5 минут и разрежения в дегазаторе 0,6-0,7 ата. При этом концентрация аммиака в отработанном растворе при нижнем пределе температуры и разрежении 0,6 ата снижалась с 17-22 г/л до 10-15 мг/л. При верхнем пределе температуры 100°С остаточная концентрация аммиака снижалась до 5 мг/л. Для исключения образования гипсовой накипи на теплообменных поверхностях нагрева целесообразнее производить нагрев растворов NH4CI и (NH4)2SO4 перед смешиванием их с С 3О до 105-115°С, Указанный предварительный "перегрев" раствора позволяет компенсировать снижение температуры его на 9-12°С за счет эндотермической реакции разложения гидроокиси аммония. NH4OH NH4 + Н2О - 486 ккал/кг NH3. Скорость пропуска регенерзционных растворов всех фильтров, кроме упомянутого выше Н-катионитного фильтра I ступени, составляла 4-5 м/ч. Исследования проведены на воде, имеющей качество аналогичное воде р. Кама, которая является исходной для Нижне-Кам-скойТЭЦ-1, где предусматривается реализация предлагаемого способа с использованием существующего фильтровального оборудования, работающего по способу, принятому за прототип. Сравнительный анализ обоих способов водоподготовки представлен в табл. 2.