Uzdatnianie wody w energetyce

Zapewnienie wody surowej, relatywnie taniej, jest podstawowym problemem przy lokalizacji obiektu energetycznego. Konieczne jest odchodzenie od wykorzystywania jej pitnych zasobów jako źródła ich zasilania. Poszukuje się zatem technologii umożliwiających użycie do tego celu wód odpadowych, czyli powierzchniowych, oczyszczonych ścieków przemysłowych, komunalnych z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni, odsolin z obiegu chłodzącego itp. Potrzeba ta wynika również ze wzrostu zasolenia wody surowej oraz zapotrzebowania na jej zdemineralizowaną formę. Inne czynniki to rosnące ceny chemikaliów i koszty odprowadzania ścieków poregeneracyjnych^{1, 2}.

Od blisko dziesięciu lat obserwuje się zmianę w podejściu do problemu produkcji wody zdemineralizowanej. Coraz szersze zastosowanie do celów przemysłowych w energetyce znajdują techniki membranowe^1-5. Wprowadzanie nowoczesnych technologii separacji rozwiązuje wiele problemów występujących w tradycyjnym sposobie demineralizacji wód^1-5.

 

 

Woda uzdatniona w wyniku procesów membranowych, zwłaszcza odwróconej osmozy, charakteryzuje się wysokim stopniem czystości. Po odpowiednio przeprowadzonej korekcie antykorozyjnej, polegającej na stabilizacji pH, dozowaniu chemikaliów powodujących pasywację powierzchni stalowych, może być ona wykorzystywana do zasilania kotłów ciepłowniczych, uzupełniania strat w sieci ciepłowniczej lub obiegów chłodzących, a nawet do zasilania wysokoprężnych kotłów energetycznych.

 

Do zasilania energetycznych kotłów parowych stosuje się układy hybrydowe, takie jak odwrócona osmoza (RO)-wymiana jonowa. Za pomocą RO woda pozbawiona jest ok. 99,5% substancji rozpuszczonych⁶. Wprowadzenie odwróconej osmozy do układu technologicznego przygotowania wody zdemineralizowanej w wyraźny sposób poprawia wyniki eksploatacji stacji demineralizacji^{2, 7}. W porównaniu z zastosowaniem samej wymiany jonowej układ hybrydowy odwrócona osmoza-wymiana jonowa jest bardziej ekonomiczny. Na rysunku 1 przedstawiono schemat typowej instalacji z wykorzystaniem odwróconej osmozy². W celu zapewnienia niezawodnej i ciągłej pracy stacji z tą technologią konieczne jest właściwe wstępne przygotowanie wody z zastosowaniem koagulacji, sedymentacji i filtracji, a czasami celowe jej dekarbonizowanie i dodatkowe zmiękczanie. Zestaw czynności ją przygotowujących uzależniony jest od jej charakteru chemicznego w stanie surowym oraz wielkości stacji demineralizacji. System RO-wymiana jonowa stosuje się, zaczynając od stężenia 100-300 mg/l substancji rozpuszczonej. Przy czym im jest ono większe, tym korzystniejszy okazuje się układ z odwróconą osmozą^{2, 3, 8}. Dla wody o niskiej zawartości soli preferowana jest wymiana jonowa, dlatego czyszczenie kondensatu prowadzi się prawie wyłącznie tą metodą. Poza aspektami technicznymi i ekonomicznymi należy również brać pod uwagę czynniki ekologiczne. Najczęściej jednak rozpatruje się kryteria zużycia wody, energii i chemikaliów oraz skład ścieków⁹.

Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne instalacji skojarzonej metody RO-wymiana jonowa wskazują na zalety w postaci^{3, 7} pracy wymieniaczy jonowych, przebiegającej w korzystniejszych warunkach w złożu mieszanym, co daje wodę wysokiej jakości. Zmniejsza się częstość ich regeneracji w porównaniu do układu klasycznego, a ponadto spada zużycie jonitów, czas pracy ich złoża oraz chemikaliów służących do ich regenerowania. Z kolei zwiększa się wydajność instalacji przy równoczesnym zmniejszeniu jej gabarytów.

Przykładem rozwiązania opartego na systemie hybrydowym RO-wymiana jonowa z wykorzystaniem dwujonitu w węźle demineralizacji jest stacja uzdatniania wody (SUW) Elektrociepłowni (EC) Chorzów¹⁰. Działanie jej opiera się na uzdatnianiu wstępnym i demineralizacji. Ten pierwszy proces obejmuje wstępną koagulację i filtrację na filtrach żwirowych w celu usunięcia zawiesin i koloidów, zmiękczanie oraz filtrację na filtrach węglowych i workowych o śr. 5 µm. Węzeł demineralizacji pracuje w układzie odwróconej osmozy oraz jonitowej demineralizacji na złożu mieszanym.

W najnowocześniejszych rozwiązaniach w miejsce klasycznej wymiany jonowej stosuje się elektrodejonizację (EDI)^{2, 3, 4, 9, 11}. Wprowadzenie RO do demineralizacji nie eliminuje jednak całkowicie wad rozwiązań opartych o wymianę jonową. Przede wszystkim chodzi tutaj o konieczność regeneracji złóż chemikaliami. Elektrodejonizacja jest połączeniem elektrodializy z wymianą jonową, w której wykorzystuje się konwencjonalną żywicę. Przyłożone napięcie powoduje wędrówkę jonów do odpowiednich elektrod i tym samym do strumienia zatężonego. Drugim zadaniem stałego napięcia elektrycznego jest dysocjacja wody na jony H⁺ i OH^–, które obsadzają grupy jonowymienne żywicy, doprowadzając do jej regeneracji. Komory wypełnione jonitem są zasilane wodą surową i stąd odprowadzana jest jej forma zdemineralizowana. Te urządzenia oraz komory koncentratu są rozdzielone membranami jonowymiennymi. W ten sposób eliminuje się konieczność chemicznej regeneracji jonitów. Woda zdemineralizowana ma bardzo wysoką jakość i przewodność poniżej 0,2 mS/cm^{1, 3} (S – siemens, jednostka przewodności elektrycznej w układzie SI). W odróżnieniu od złoża mieszanego proces dejonizacji EDI ma charakter ciągły. Na świecie pojawia się coraz więcej firm oferujących technologię RO-EDI. Przykładem takiej instalacji jest rozwiązanie zastosowane w EC Wrotków-Lublin, służące do produkcji wody zasilającej turbiny parowe bloku gazowo-parowego^{2, 9}. Układ stanowi połączenie klasycznego uzdatniania wstępnego z dwustopniową RO oraz elektrodejonizacją.

W niektórych rozwiązaniach w miejsce odwróconej osmozy stosuje się elektrodializę odwracalną (EDR), która służy do wstępnej demineralizacji wody zasilającej kotły energetyczne w układzie hybrydowym z wymianą jonową. W tego rodzaju metodzie liczba regeneracji jonitów zostaje zmniejszona o 80%⁷, a tym samym obniża się zużycie chemikaliów i ilość zrzucanych ścieków. Wzrasta natomiast fizyczna stabilność jonitów i zmniejsza się ich zanieczyszczenie, a ponadto obniżają się koszty procesu. System z EDR jest w mniejszym stopniu wrażliwy na zanieczyszczenia w wodzie niż rozwiązania oparte na odwróconej osmozie i wymianie jonowej. To umożliwia zasilanie wodami powierzchniowymi posiadającymi SDI (test SDI – ang. Slit Density Index jest stosowany do oceny jakości wody kierowanej do produkcji) w granicach od 5 do 6. EDR pozwala też na uzyskanie wysokiego stopnia odzysku wody na poziomie 85-95%. Ograniczeniem tego systemu jest brak usuwania krzemionki koloidalnej⁷.

 

Nowoczesne systemy ciepłownicze, sterowane za pomocą rozbudowanej automatyki, wymagają odpowiedniej jakości wody sieciowej (będącej nośnikiem ciepła) oraz jej form składników w postaci uzupełniającej. Zasadnicze wymagania stawiane są zasadowości, która powinna wynosić poniżej 0,5 mval/l. Praktyczne osiągnięcie tego parametru umożliwiają dekarbonizacja na słabo kwaśnym kationicie regenerowanym kwasem solnym lub demineralizacja z wykorzystaniem instalacji odwróconej osmozy. Pod uwagę można wziąć także metodę nanofiltracji, umożliwiającą korektę zasadowości wody.

W procesie przygotowania wody dla ciepłownictwa bardzo często stosuje się systemy dwustopniowego układu odwróconej osmozy (rys. 2)^{2, 12-15}. Wówczas pomija się etap demineralizacji metodą wymiany jonowej i mimo to uzyskuje się dobre parametry wody zdemineralizowanej.

W pierwszym i drugim stopniu na ogół wykorzystuje się membrany z tego samego lub różnych surowców polimerowych². Zasadniczym ograniczeniem zastosowania RO w tym przypadku jest duża wrażliwość na zanieczyszczenie wody zasilającej. Wskaźnik SDI nie powinien przekraczać wartości 5, a poziom substancji utleniających, takich jak wolny chlor, musi być mniejszy od 0,1 mg/l. Ponadto należy wziąć po uwagę to, że membrany są narażone na skażenie mikrobiologiczne. Osiągnięcie wydajnej i bezawaryjnej pracy instalacji RO wymaga bardzo starannego przygotowania wstępnego wody^{2, 3, 7, 13}. W tabeli 1 zestawiono przykładowo wybrane jej parametry po poszczególnych etapach uzdatniania wg danych laboratorium EC Żerań².

Omawiane rozwiązania są obecne w naszym kraju w postaci instalacji przygotowujących wody ciepłownicze w elektrociepłowniach: Żerań², Grudziądz^{2, 14}, Rydułtowy^1-3 oraz w Okręgowym Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej Gliwice¹². W każdej z nich stosuje się inne źródło wody surowej.

 

Tab. 1. Wybrane parametry wody po poszczególnych etapach uzdatniania w EC Żerań

 

Ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF) w otrzymywaniu wody zdemineralizowanej jest wykorzystywana jako metoda wspomagająca właściwą demineralizację^2-4. Może zatem współpracować zarówno z wymianą jonową/elektrodejonizacją, jak i odwróconą osmozą. Rozwiązanie takie dla celów kotłowych zastosowano w Elektrowni Łagisza^{2, 6} oraz w EC Rzeszów. Zapewnia ono właściwą jakość wody podawanej na membrany do RO⁹. System produkcji jej zdemineralizowanej formy z zastosowaniem MF/UF jako wstępnego przygotowania, w celu usunięcia substancji koloidalnych przed wprowadzeniem na wymianę jonową lub RO przedstawia rysunek 3.

Instalacja w Elektrowni Łagisza to jedno z nielicznych na świecie rozwiązań wykorzystujących odsoliny z obiegu chłodzącego do produkcji wody zdemineralizowanej zasilającejkotły wysokoprężne. Takie skojarzenie obiegów przyczyniło się do zmniejszenia ilości ścieków przemysłowych odprowadzanych do odbiornika powierzchniowego². Kolejne etapy produkcji wody obejmują: mikrofiltrację poprzedzoną filtrami 50 µm, odwróconą osmozę (odsalanie w 99,5-99,6%) oraz wymienniki dwujonitowe (odsalanie do poziomu 0,2 µS/cm). Tabela 2 przedstawia parametry wody po poszczególnych etapach uzdatniania.

 

Tab. 2. Wybrane parametry wody po poszczególnych etapach uzdatniania w Elektrowni Łagisza

Etap uzdatniania		pH	Przewodność [mS/cm]	Twardość [mg/l]	Utlenialność [mg/l]	SiO2 [mg/l]	SDI
I	Woda surowa-odsoliny	8,4	854	375	6,2	10,5	–
II	Permeat po mikrofiltracji	8,4	853	385	6,3	10,2	2,5
III	Permeat po RO	6,0	6,6	–	1,8	0,07	–
IV	Woda zdemineralizowana	6,1	0,06	–	1,8	0,007	–

 

Połączenie klasycznego uzdatniania wstępnego z ultrafiltracją i dwustopniową RO oraz elektrodejonizacją (EDI) zrealizowano w EC Rzeszów^{2, 9}. Wielką zaletą tego systemu jest to, że działa z jednakową skutecznością niezależnie od dużych fluktuacji jakości wody surowej, pobieranej w tym przypadku z rzeki Wisłok. Jej jakość po demineralizacji wykazuje: przewodność poniżej 0,08 µS/cm, SiO₂ jest niższe niż 10 ppb (ang. parts per bilion – część na mld, 1 ppb = 10^-7% (10^-9), jest to sposób wyrażania stężeń), a rozpuszczony węgiel organiczny (jako C) występuje na poziomie niższym niż 200 µg/l.

 

Mikrofiltracja lub ultrafiltracja może być wykorzystana do oczyszczania wody zasilającej obiegi chłodzące w elektrowniach. Duże obiekty energetyczne zlokalizowane zazwyczaj na terenach zurbanizowanych mają trudności z zaopatrzeniem w wodę potrzebną m.in. do chłodzenia. Przykładowo do chłodni wentylatorowych bloku energetycznego 110 MW w EC Katowice wykorzystuje jej formę powstałą po oczyszczaniu biologicznym^{16, 17}. Schemat instalacji o wydajności 250 m³/h przedstawiono na rysunku 4.

W stacji uzdatniania wody w EC Katowice zastosowano proces podciśnieniowej mikrofiltracji, który oparty jest o kapilarne membrany zanurzone. Obieg chłodzący w elektrociepłowni uzupełnia się permeatem po MF. Jakość wód surowych pochodzących z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków w Siemianowicach istotnie wpływa na możliwości wykorzystania jej oczyszczania w obiegu chłodzącym. Na ogół filtrat po MF jest wolny od zawiesiny, bakterii i glonów. Posiada on obniżoną utlenialność, zawartość azotu organicznego i amoniakalnego oraz żelaza w porównaniu ze ściekami pochodzącymi z oczyszczalni (tab. 3). Jednakże zawartość soli ze względu na sposób uzdatniania wody pozostaje na niezmienionym poziomie, gdyż MF nie stanowi dla nich bariery. Pomimo zmieniających się w czasie parametrów fizykochemicznych ścieków surowych, produkowany filtrat spełnia zakładane wielkości jakościowe i ilościowe.

 

Tab. 3. Obciążenie wody surowej i po mikrofiltracji w EC Katowice

 

Lp.	Oznaczenie	Stężenie w wodzie surowej	Stężenie w filtracie
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.	Utlenialność (KMnO4) [mg/l] Żelazo ogólne [mg/l] Azot organiczny [mg/l] Azot amoniakalny [mg/l] Ekstrakt eterowy [mg/l] Zawiesina [mg/l] Bakterie [liczba komórek/l] Bakterie feralne [liczba komórek/l] Glony i wrotki [liczba osobników/l]	42,6 0,163 1,34 0,15 1,65 4,6 11320 typowa dla ścieków komunalnych 1520	30,2 0,048 0,97 0,04 0,89 0,10 0 0 0

Trójmembranowy system demineralizacyjny stosuje się w produkcji wody zdemineralizowanej służącej do zasilania energetycznych kotłów parowych w elektrowniach atomowych oraz w przemyśle elektronicznym^{2, 3}. Jest to układ hybrydowy, w którym wykorzystuje się łącznie trzy procesy membranowe: ultrafiltrację, elektrodializę odwracalną i odwróconą osmozę (rys. 5). Ten pierwszy ma na celu wstępne przygotowanie wody przed właściwą demineralizacją metodami elektrodializy odwracalnej i odwróconej osmozy⁷.

Wykorzystanie nowoczesnych technologii, w tym technik membranowych, stanowi swoisty przełom otwierający szerokie możliwości stosowania zasobów wodnych trudnych do uzdatniania. Ponadto takie rozwiązania mogą służyć recyrkulacji ścieków i wód odpadowych w energetyce oraz do zamykania układów wodnych. To z kolei może się przyczynić do istotnej poprawy stanu zasobów wodnych w środowisku naturalnym.

W innowacyjnych systemach demineralizacji wody uzupełniającej zasilanie kotłów parowych stosuje się układy hybrydowe, takie jak: odwrócona osmoza-wymiana jonowa oraz elektrodializa-wymiana jonowa. Ostatnio w miejsce klasycznej wymiany jonowej wprowadzany jest proces elektrodejonizacji, który eliminuje konieczność chemicznej regeneracji jonitów. Dla wód twardych należy wykorzystać nanofiltrację do zmiękczania wody dla ciepłownictwa.

Istotne jest wstępne przygotowanie wody przed właściwą demineralizacją. Proponuje się zastosowanie ultrafiltracji lub mikrofiltracji zamiast rozbudowanej technologii klasycznej.

Wprowadzenie nowoczesnych technik separacji w przemyśle energetycznym umożliwia wykorzystanie wód odpadowych jako nowego źródła dla układów technologicznych. Inne metody to stosowanie odsolin z chłodni z zastosowaniem odwróconej osmozy i mikrofiltracji jako wody dodatkowej do obiegów wodno-parowych, odsalanie wód nadosadowych ze składowisk odpadów stałych (żużel i popiół), jak również wykorzystanie ścieków oczyszczonych w oczyszczalni biologicznej oraz tych mocno zasolonych, pochodzących z oczyszczania chemicznego bloków energetycznych.

Coraz realniejszy staje się pełny recykling wody i ścieków. Tym samym wodę z odnowy będzie można wykorzystywać do uzupełniania obiegów energetycznych.

 

1.      Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K.: Techniki membranowe w ochronie środowiska. Wyd. Politechniki Śląskiej. Gliwice 1997.

2.      Bodzek M., Konieczny K.: Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO. Bydgoszcz 2005.

3.      Bodzek M., Konieczny K.: Procesy membranowe i ich zastosowanie w uzdatnianiu wody dla energetyki. „Inżynieria i Ochrona Środowiska” 1/1998.

4.      Konieczny K.:Zaawansowane techniki separacji w przygotowaniu wody dla energetyki. Mat. X Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Szczyrk 2004.

5.      Konieczny K.: Zastosowanie techniki separacji jako alternatywa dla tradycyjnych metod przygotowania wody w energetyce. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Seria: „Inżynieria Środowiska” 2003.

6.      Krain F., Sąkol D., Wawrzyńczyk J., Zsirai L.: Z chłodni do kotła. Mat. VII Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Wyd. Ziad. Szczyrk 1998.

7.      Kurowski P.: Nowe tendencje w budowie stacji demineralizacji wody – systemy trójmembranowe. Elektrodializa odwracalna jako wstępna demineralizacja wody zasilającej kotły energetyczne. Mat. V Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Bielsko-Biała 1994.

8.      Wawrzyńczyk J.: Membrany czy jonity. Analiza porównawcza technologii jonitowych z membranowymi. Mat. III Ogóln. Konf. Naukowej „Membrany i techniki membranowe w ochronie środowiska” t. I. Szczyrk 1999.

9.      Raith H.: Technologia membranowa w uzdatnianiu wody kotłowej. Mat. X Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Szczyrk 2004.

10. Szolc A.: Systemy membranowe w uzdatnianiu wód naturalnych. Praca końcowa na studiach podyplomowych pt. „Techniki ochrony środowiska wobec dyrektyw Unii Europejskiej”. Politechnika Śląska. Gliwice 2005.

11. Gerard R., Zienkiewicz J.: Elektrodejonizacja jako alternatywa dla złoża mieszanego. Mat. VIII Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Szczyrk 2000.

12. Buchta P.: Porównanie efektywności pracy stacji uzdatniania wody przed i po modernizacji w energetyce zawodowej. Praca końcowa na studiach podyplomowych pt. „Techniki ochrony środowiska wobec dyrektyw Unii Europejskiej”. Politechnika Śląska. Gliwice 2005.

13. Jönsson A.-S., Trägårdh G.: Ultrafiltration applications. „Desalination”1/2/3/1990.

14. Marjanowski J., Ostrowski J., Ratajczyk C., Zdrojewska Z., Moczyński P.: Doświadczenia techniczno-ekonomiczne. Praktyczne i ekonomiczne przesłanki w zastosowaniu odwróconej osmozy jako źródła wody dla sieci ciepłowniczej i kotłów parowych w OPEC Grudziądz. Mat. II Ogóln. Konf. „Membrany i procesy membranowe w ochronie środowiska”. Ustrzyki-Jaszowiec 1997.

15. Kowalczyk A.: Chemiczne możliwości wstępnej obróbki wody powierzchniowej dla procesu odwróconej osmozy. Mat. VI Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Bielsko Biała 1996.

16. Grygierczyk J.: Projektowanie stacji uzdatniania wody – nowe technologie, alternatywne źródła zasilania. Mat. IX Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Wyd. Pro Novum. Szczyrk 2002.

17. Kańtoch W., Jamrocha T.: Doświadczenia dwuletniej eksploatacji instalacji ZeeWeed w EC Katowice. Mat. IX Konf. Naukowo-Technicznej „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”. Wyd. Pro Novum. Szczyrk 2002.

 

Zdjęcie autora

prof. dr hab. inż. Michał Bodzek,Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska

 

Zdjęcie autora

prof. dr hab. inż. Krystyna Konieczny,Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska