Вакуумная переработка промышленных стоков с использованием низкопотенциального тепла

Предпосылки к использованию низкопотенциального тепла для переработки стоков

Исследования по использованию низкопотенциального тепла для нужд производства электроэнергии выявили ряд ограничений экономической эффективности использования низкопотенциального тепла. Эти ограничения лежат в плоскости как техники, так и термодинамики. Техническая часть ограничений связана с тем, что низкопотенциальный энергоноситель направляется на нагрев рабочего тела (РТ) — газа или низкокипящего РТ (НРТ), используемых для производства работы в энергоустановке. Таким или схожим образом работают энергоустановки, реализующие цикл Стирлинга, органический цикл Ренкина (ОЦР) (рис. 1) или цикл Калины. Рабочие тела, зачастую находящиеся под высоким давлением в контуре энергоустановки, от десятков до ста атмосфер и более, требуют применения герметичных теплообменников, выполненных из высоколегированных сталей. Ещё более жёсткие требования к герметичности контура энергоустановки предъявляет применение горючих, агрессивных или ядовитых РТ. Эти особенности негативно сказываются на капитальных расходах (CAPEX) таких энергоустановок и зачастую выводят срок их окупаемости за рамки, определяющие экономическую эффективность низкопотенциальной теплоутилизации.

При этом наличие развитых поверхностей теплообмена накладывает жёсткие ограничения на использование загрязнённых РТ, ещё более сужая сферу низкопотенциальной теплоутилизации.

К термодинамическим ограничениям можно отнести ограничения, связанные с низкой теплоёмкостью РТ, зачастую не позволяющие с максимальным электрическим КПД энергоустановки использовать тепло энергоносителя (тепло стока) с высокой теплоёмкостью, например, воды. Это ограничение наглядно демонстрирует ОЦР-ТЭС (рис. 1), требующая ступенчатого использования тепла энергоносителя в связи со значительным различием теплофизических свойств энергоносителя и РТ.

Ещё одним ограничением является невысокий утилизируемый теплоперепад, составляющий от десятков до ста градусов Цельсия и изредка до более высоких значений. Отвод сбросного тепла во внешнюю среду приводит к тому, что, например, в ОЦР-ТЭС, как и в классических паросиловых ТЭС, работающих по циклу Ренкина, требуется обеспечение гарантированной конденсации отработавшего («мятого») пара. В этой связи ТЭС, как работающие по циклу Ренкина с использованием воды, так и с использованием НРТ, рассчитываются на наиболее жаркий период года и времени суток, когда система охлаждения, работающая в наиболее жёстком режиме, будет обеспечивать достаточное охлаждение «мятого» пара. Негативным результатом этого решения стало то, что в утренние, вечерние и ночные часы, а также весной, осенью и зимой такая ТЭС работает со значительной недовыработкой электроэнергии, так как «мятый» пар имеет в конденсаторе более высокие давление и температуру, чем давление, при котором он мог бы быть сконденсирован. Такое ограничение, наследованное ОЦР-ТЭС от крупных паросиловых ТЭС, ограничивает их экономическую эффективность и энергетическую рентабельность (EROE).

Жидкостно-вакуумный цикл работы ЖВЭУ базируется на вскипании в закрытом объёме при понижении давления, поданного туда жидкого энергоносителя — такого как подлежащие очистке стоки. Это является ключевым отличием данной технологии от классических ТЭС, работающих по циклу Ренкина с использованием воды или НРТ

Вакуумная переработка стоков с параллельной выработкой электроэнергии

Описанные выше ограничения работы технического и термодинамического характера в значительной мере сняты разработанным жидкостно-вакуумным термодинамическим циклом (ЖВ-цикл). Температура кипения воды при атмосферном давлении составляет +100 °C. Понижая давление можно обеспечить кипение воды и при более низких температурах, на чём основана перегонка под вакуумом. ЖВ-цикл работы жидкостно-вакуумной энергетической установки (ЖВЭУ) базируется на вскипании в закрытом объёме при понижении давления, поданного туда жидкого энергоносителя — такого как подлежащие очистке стоки. Это является ключевым отличием данной технологии от классических ТЭС, работающих по циклу Ренкина с использованием воды или НРТ, где вскипание рабочего тела происходит за счёт подвода энергии извне, а не за счёт перераспределения внутренней энергии вещества (в нашем случае — стоков) между охлаждённой фракцией и паром низкого давления.

В процессе вскипания энергоносителя образуется насыщенный пар, полученный из энергоносителя и используемый в качестве РТ в ЖВЭУ Также образуется охлаждённая жидкая фракция с повышенной концентрацией примесей, оставшаяся после окончания кипения энергоносителя. При понижении давления в объёме, в котором находится энергоноситель, энергоноситель превращается в перегретую жидкость, так как его температура начинает превышать температуру кипения всех или как минимум части компонентов, из которых он состоит. В результате в энергоносителе начинают происходить тепломассообменные процессы (в основном кипение), в ходе которых вырабатывается пар низкого давления, состоящий как из вскипевшего энергоносителя, так и, например, из растворенных в нём воздушных газов. Образовавшийся из энергоносителя пар, практически полностью состоящий из насыщенного пара с некоторой примесью газов, подаётся в детандер, где он, расширяясь и частично конденсируясь, совершает работу по приводу электрогенератора.

«Мятый» пар после совершения работы в детандере направляется в конденсатор, где отдаёт тепло потребителю, или посредством градирни тепло сбрасывается во внешнюю среду. Неконденсирующиеся компоненты рабочего тела (такие как воздушные газы) отчасти скапливаются в системе конденсации, затрудняя тепломассообмен и требуя их удаления. Для удаления неконденсирующихся компонентов из вакуумного тракта разработано энергоэффективное решение, не требующее применения систем вакуумной эжекции. Образованный конденсат направляется на повторное использование в технологический цикл предприятия или сбрасывается во внешнюю среду. При необходимости, например, при наличии в стоках углеводородов C₅+, которые могут перегоняться в вакууме и попадать в конденсат, указанные углеводороды могут выделяться из конденсата стандартными методами очистки.

ЖВЭУ (рис. 2) работает следующим образом: энергоноситель 1 поступает в закрытый объём 2, представляющий собой парогенератор, например, постоянно или периодически работающий под вакуумом (вакуумный котёл). После заполнения парогенератора 2 энергоносителем происходит отсечка его подачи, в результате чего энергоноситель начинает вскипать и дегазироваться, вырабатывая рабочее тело, поступающее в детандер 3, приводящий нагрузку 4.

«Мятый» пар из детандера 3 поступает в систему охлаждения 5 (на рисунке показана сухая градирня), где он, отдавая тепло во внешнюю среду, конденсируется с образованием жидкой фракции и некоторого количества воздушных газов, например, воздушных газов, образовавшихся в результате дегазации энергоносителя или поступивших в вакуумный контур ЖВЭУ извне.

Конденсатный насос 6 удаляет 7 сконденсированное РТ вовне. При очистке стоков, не содержащих в больших количествах нефтепродуктов, конденсат будет представлять собой воду с удельной электропроводимостью около 10 мкСм/см. Это позволяет использовать полученный конденсат в качестве оборотной воды или сбрасывать его в водоёмы.

Охлаждённый энергоноситель (обогащённые твёрдой фракцией стоки) из парогенератора 2 насосом 8 удаляется 9 из перерабатывающей установки. При необходимости из охлаждённого энергоносителя (стоков) могут удаляться выпавшие примеси, а сами стоки при последовательной прокачке через ЖВЭУ могут осушаться для их последующего складирования в осушенном виде. В случае использования данной технологии для обезвоживания органоминеральных фильтратов доля выхода содержащейся в них воды может быть доведена до 90 % объёма и более [2].

Данная технология была апробирована на стендовой установке при подаче горячей воды (+80 °C) при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °С между температурой подвода и отвода тепла позволил получить циклически меняющийся перепад давлений до 43 кПа, использованный посредством детандера для привода нагрузки.

Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязнённых вод с попутным производством электроэнергии без необходимости использования органического топлива. Полученные результаты полностью подтвердили работоспособность данной технологии и стали основанием к созданию опытно-промышленной установки, разрабатываемой и изготавливаемой при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

В этой связи рассмотрим расчётные параметры такой установки для переработки стоков (табл. 1). Примем, что стоки полностью состоят из воды, подогреваются низкопотенциальным теплом, например, с использованием солнечных коллекторов или тепла мини-ТЭЦ, а их расход составляет 1 кг/с (3,6 т/ч).

Одним из перспективных применений ЖВЭУ, помимо очистки промышленных стоков, является возможность водоснабжения ближайших потребителей как минимум водой технического качества, чему соответствует вода с удельной электропроводимостью на уровне 10 мкСм/см. Это позволяет создать так называемые «умные сети водоснабжения и канализации» (УСВК)

При увеличении подогрева стоков до температуры +80 °С и выше увеличивается выработка электроэнергии ЖВЭУ/ Для этого оптимально использование солнечных коллекторов или низкопотенциального тепла, а также можно догревать стоки сбросным теплом от технологического оборудования или, например, от ТЭС, оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Это, в зависимости от времени суток и сезона, позволяет только за один проход через установку получать от 11 % воды в виде конденсата и более. Переработка неорганических стоков позволяет обеспечивать более высокую степень их подогрева, например, до +200 °C, что за один проход позволит обеспечить переработку в конденсат на уровне 25-35 °% поданных стоков.

Отличительной особенностью ЖВЭУ является возможность применения простых полимерных тепломассообменных устройств, работающих при отрицательных давлениях, которые не могут быть забиты выпадающим осадком перерабатываемых стоков. Это упрощает обслуживание установки и удешевляет её, позволяя отказаться от использования классических теплообменников из легированных сталей и повысить EROE установки.

Переработка стоков промышленных предприятий

Переработку стоков рассмотрим на примере очистки хвостов горнообогатительного комбината (ГОК) с минерализацией до 50 г/л в объёме 300 т/ч. Хвосты, являющихся отходами V-го класса опасности, непригодны для их слива в природные водоёмы и реки и нуждаются в их предварительной очистки до требований ПДК рыбохозяйственных водоёмов (ПДКрх).

Соотношение конденсата и фильтрата, достаточное для захоронения фильтрата в грунте, для объекта, на примере которого рассматривается очистка, составляет 3:1. Следовательно, в час необходимо вырабатывать не менее 225 т (62,5 кг/с) конденсата, направляемого в объёме 150 т/ч на технологические нужды, а в остальной части — сбрасываемого в реку. Это позволит полностью перерабатывать непрерывно поступающий шлам и парировать рост уровня воды в хвостохранилище, увеличивающийся за счёт среднегодового превалирования объёма поступающих осадков над испарением с поверхности хвостохранилища.

Выработка такого количества конденсата, в соответствии с табл. 1, в зависимости от максимальной температуры подогрева шлама, как следует из табл. 2, потребует практически одинакового подвода тепла вне зависимости от температуры подогрева шлама.

Из табл. 2 следует важный вывод: реализация ЖВ-цикла с использованием низкопотенциального тепла, например, сбросного тепла, отводимого с помощью оборотных систем водоснабжения или с использованием ВИЭ, позволяет перерабатывать заданное количество стоков при широких колебаниях температуры подогрева самого стока. Это позволяет вне зависимости от сезона и времени суток перерабатывать заданное количество стоков. Различия будут заключаться только в количестве побочно вырабатываемой электроэнергии.

Интенсификация переработки стоков

Как мы видим, образование конденсата при переработке шламов может превышать потребности предприятия в оборотной воде. Это особенно актуально при переработке содержимого хвостохранилищ ГОКов и шламохранилищ нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), где избыток конденсата должен сбрасываться в природные водоёмы. Наличие избытка конденсата позволяет использовать испарительные градирни, потребляющие для испарительного охлаждения часть вырабатываемого ЖВЭУ конденсата (рис. 3). Подача 10 (рис. 3) части выработанного ЖВЭУ конденсата на нужды работы испарительной градирни 5 позволяет интенсифицировать охлаждение и увеличить производство электроэнергии.

Использование для переработки стоков солнечных коллекторов 11, позволяющих, в зависимости от сезона, нагревать теплоноситель от +50...+80 °С вплоть до +100 °С и более, позволяет осуществлять переработку по данной технологии отходов, расположенных в местах с отсутствующей подачей сетевой электроэнергии или природного газа, что особенно актуально для предприятий, находящихся в зонах северного завоза.

Возможность использования возобновляемых источников энергии для переработки стоков с использованием ЖВЭУ положительно отличает данную технологию от центрифугирования или электрохимической обработки, а отсутствие необходимости использования коагулянтов и флокулянтов — от переработки стоков путём осаждения взвешенных частиц.

Недостатком технологии в сравнении с осаждением, центрифугированием и электрохимической обработкой являются более высокие капитальные затраты при доступности дешёвых источников электроэнергии для альтернативных технологий переработки. При необходимости сооружения дизельных, газопоршневых или газотурбинных ТЭС или при подводе дополнительных мощностей посредствам линий электропередачи (ЛЭП) в первом приближении величины их CAPEX сравняются с CAPEX ЖВЭУ, оснащённой солнечными коллекторами, а OPEX ЖВЭУ будет ниже, так как побочным продуктом переработки стоков будет являться электроэнергия.

Одним из вариантов применения ЖВЭУ для переработки стоков может являть комбинация ЖВЭУ с энергозатратными способами очистки, такими как центрифугирование или электрохимическая обработка. Это позволит, в случае отсутствия потребности в электроэнергии, максимально интенсифицировать переработку стоков. А производство ЖВЭУ конденсата, превышающего по чистоте требования ПДКрх, позволяет смешивать его со стоками, очищенными с использованием других технологий, для обеспечения соответствия смеси стоков необходимым для сброса требованиям.

Перспективные применения ЖВЭУ: умные сети водоснабжения и канализации, очистка питьевой воды от тяжёлых изотопов

Одним из перспективных применений ЖВЭУ, помимо очистки промышленных стоков, является возможность водоснабжения ближайших потребителей как минимум водой технического качества, чему соответствует вода с удельной электропроводимостью на уровне 10 мкСм/см. Это позволяет создать так называемые «умные сети водоснабжения и канализации» (УСВК), обеспечивающие гарантированное водоснабжение потребителей технической и питьевой водой в случае нарушений в работе инфраструктуры. УСВК, в особенности действующие с использованием ВИЭ, в том числе с использованием низкопотенциального тепла, позволяют решить вопрос гарантированного водоснабжения и гарантированной работы систем канализации. Отметим, что работа канализации, особенно в крупных населённых пунктах, должна осуществляться в бесперебойном режиме, то есть канализация является безальтернативным ресурсом, необходимым для безопасности жизнедеятельности любого современного города [3]. Пример использования ЖВЭУ для обеспечения гарантированного водоснабжения и водоотведения представлен на рис. 4.

Параллельно такая вакуумная переработка позволяет снижать содержание в воде молекул, включающих в свой состав тяжёлые изотопы, такие как изотоп кислорода 16O, а также содержащие в различной комбинации дейтерий, тритий, 17O, 18O. Это позволяет перерабатывая стоки, получать воду, являющуюся стимулятором процессов жизнедеятельности и полезную для использования как в сельскохозяйственном производстве, так и при потреблении человеком.

Выводы

Технология жидкостно-вакуумной переработки сточных вод позволяет, используя низкопотенциальное тепло (в настоящее время, особенно в условиях России, считающееся ресурсом, негодным для экономически-эффективного использования), решать комплекс задач, обеспечивающих синергетический эффект: перерабатывая стоки с использованием таких ресурсов, как ВИЭ (солнечное тепло), сбросное тепло широкого спектра технологического и энергетического оборудования, производить чистую воду, при этом производя очистку получаемой воды от тяжёлых изотопов, получать минеральные концентраты и нефтепродукты (при переработке содержимого шламохранилищ НПЗ), а также попутно вырабатывать электроэнергию и обеспечивать гарантированную работу системы канализации.

Одним из вариантов применения ЖВЭУ для переработки стоков может являть комбинация ЖВЭУ с энергозатратными способами очистки (центрифугирование или электрохимическая обработка). Это позволит, в случае отсутствия потребности в электроэнергии, максимально интенсифицировать переработку стоков

Конструктивная простота данной технологии позволяет обеспечить её внедрение с использованием только отечественных технологий, материалов и комплектующих, обеспечивая рост доли отечественного оборудования в одной из ключевых сфер ресурсной безопасности с параллельным обеспечением самоокупаемости процесса переработки стоков.

Масштабируемость технологии позволяет реализовывать «умные сети», интегрируя в единую систему очистные сооружения близлежащих предприятий, дополняющую существующие системы централизованного водоснабжения.