Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БЕССТОЧНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОГО КОМПЛЕКСА

Заявляемый объект относится к области водоподготовки и водоснабжения и может быть использован при создании бессточных систем оборотного водоснабжения в энергетике, металлургической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранный в качестве прототипа способ бессточного водоснабжения, включающий забор исходной воды, ее очистку в блоке подготовки подпиточной воды и подачу подпиточной воды в, по меньшей мере, один оборотный цикл водоснабжения литейно-прокатного комплекса (Кривоносов А.И., Базюченко С.П., Цуканов В.Ф., Носаль М.А. АСУ ТП водоподготовки и водоснабжения комплекса МНЛЗ и сортового прокатного стана // Экология и промышленность. - 2011. - 4. - С 47-53, рис. 1, 2).

У заявляемого объекта и прототипа совпадают такие существенные признаки. Оба способа включают забор исходной воды, ее очистку в блоке подготовки подпиточной воды и подачу подпиточной воды в, по меньшей мере, один оборотный цикл водоснабжения литейно-прокатного комплекса.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. Использование способа по прототипу характеризуется значительным возрастанием коэффициента концентрирования, которое обуславливается ростом концентраций солей в воде оборотного цикла, а это, в свою очередь, приводит к возникновению коррозии либо плотных солевых отложений в оборудовании оборотного цикла и в оборудовании литейно-прокатного комплекса, которое использует оборотную воду. Кроме того, способ по прототипу не позволяет обеспечить достижение такой степени обессоливания, чтобы при значительной величине коэффициента концентрирования обеспечить солесодержание в воде оборотного цикла ниже допустимого. В воде оборотных циклов литейно-прокатных комплексов могут присутствовать такие ионы, обуславливающие солесодержание, как сульфат-ионы, хлорид-ионы, бикарбонат-ионы, карбонат-ионы, кальций, магний и др.

В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такой способ бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса, в котором усовершенствования путем введения новой последовательности действий и режимов их осуществления позволят при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса при поддержании необходимой концентрации солей в, по меньшей мере, одном оборотном цикле и снижении капитальных и эксплуатационных затрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса, включающем забор исходной воды, ее очистку в блоке подготовки подпиточной воды и подачу подпиточной воды в, по меньшей мере, один оборотный цикл водоснабжения литейно-прокатного комплекса, согласно заявляемому техническому решению при очистке в блоке подготовки подпиточной воды дополнительно проводят обратноосмотическое обессоливание воды перед ее подачей в, по меньшей мере, один оборотный цикл водоснабжения, при этом в каждом из оборотных циклов постоянно или периодически проводят контроль содержания в воде ионов, обуславливающих солесодержание, и в случае превышения их содержания проводят отбор части воды из, по меньшей мере, одного оборотного цикла водоснабжения и ее возврат на очистку и обратноосмотическое обессоливание в блок подготовки подпиточной воды, причем расход отбираемой воды определяют из системы n уравнений:

где n - количество оборотных циклов, получающих подпиточную воду;

C_обi - максимально допустимая концентрация иона, обуславливающего солесодержание в i-ом оборотном цикле, мг/дм³;

С₀ - концентрация иона, обуславливающего солесодержание в воде, поступающей на обратноосмотическое обессоливание, мг/дм³;

Q₀ - расход воды, поступающей на обратноосмотическое обессоливание, м³/ч;

Q_иi - расход воды в i-ом оборотном цикле на испарение, м³/ч;

Q_кi - расход воды в i-ом оборотном цикле на каплеунос, м³/ч;

Q_отi - расход воды, отбираемой из i-го оборотного цикла, м³/ч;

R - селективность обратноосмотического обессоливания по иону, обуславливающему солесодержание.

В отдельных случаях реализации заявляемый способ может характеризоваться тем, что:

- при подаче подпиточной воды в один оборотный цикл водоснабжения расход отбираемой воды определяют по формуле:

где

- при очистке в блоке подготовки подпиточной воды перед обратноосмотическим обессоливанием последовательно проводят осветление и/или умягчение, предварительное фильтрование и ультрафильтрацию исходной воды;

- отбираемую воду из, по меньшей мере, одного оборотного цикла водоснабжения направляют на очистку в блок подготовки подпиточной воды на осветление и/или умягчение;

- отбираемую воду из, по меньшей мере, одного оборотного цикла водоснабжения направляют на очистку в блок подготовки подпиточной воды на предварительное фильтрование;

- отбираемую воду из, по меньшей мере, одного оборотного цикла водоснабжения направляют на очистку в блок подготовки подпиточной воды на ультрафильтрацию.

При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в обеспечении бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса при поддержании необходимой концентрации солей в, по меньшей мере, одном оборотном цикле и снижении капитальных и эксплуатационных затрат.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.

Дополнительное проведение обратноосмотического обессоливания в блоке подготовки подпиточной воды после ее предварительной очистки и перед ее подачей в, по меньшей мере, один оборотный цикл водоснабжения, а также осуществление в каждом из оборотных циклов постоянного или периодического контроля за содержанием в воде ионов, обуславливающих солесодержание, и в случае превышения их содержания осуществление отбора и возврата части воды из, по меньшей мере, одного оборотного цикла водоснабжения на очистку и обратноосмотическое обессоливание в блок подготовки подпиточной воды, расход которой определяют из заявляемой системы n уравнений (1), позволяет обеспечить бессточное водоснабжение литейно-прокатного комплекса и наиболее эффективное поддержание необходимой концентрации солей в оборотной воде. Обессоливание предварительно очищенной смеси исходной воды (с присущим ей солесодержанием) и части воды, отбираемой из, по меньшей мере, одного оборотного цикла (с присущим ей солесодержанием), позволяет без применения глубокой предварительной ее очистки достигнуть такой степени обессоливания, чтобы при значительной величине коэффициента концентрирования обеспечивалось солесодержание в, по меньшей мере, одном оборотном цикле ниже допустимого, без использование еще одного дополнительного средства обессоливания и, следовательно, без дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат. Отбор части воды способствует уменьшению коэффициента концентрирования и снижению концентрации солей в, по меньшей мере, одном оборотном цикле, а соли, содержащиеся в отбираемой воде, попадают на очистку и дальнейшее обратноосмотическое обессоливание, где выводятся в концентрат.

Определение расхода отбираемой воды путем решения системы n уравнений (1) позволяет заранее определять расход воды, который необходимо отбирать из, по меньшей мере, одного оборотного цикла для поддержания в нем необходимой концентрации солей, и тем самым обоснованно выбирать оборудование требуемой производительности для реализации заявляемого способа при очистке и обратноосмотическом обессоливании смеси исходной воды и отобранной воды в блоке подготовки подпиточной воды без использования дополнительного оборудования. Заявляемый подход к определению расхода отбираемой воды разработан на основе теоретических и экспериментальных исследований при учете общего количества оборотных циклов, максимально допустимой концентрации ионов, обуславливающих солесодержание в воде каждого из этих оборотных циклов, концентрации ионов, обуславливающих солесодержание, в воде, поступающей на обратноосмотическое обессоливание, расхода воды, поступающей на обратноосмотическое обессоливание, расхода воды на испарение и на каплеунос, расхода воды, отбираемой из каждого оборотного цикла, а также при учете баланса солей для каждого оборотного цикла и селективности обратноосмотического обессоливания.

Кроме того, использование заявляемого способа за счет незначительного увеличения производительности блока подготовки подпиточной воды позволяет не использовать еще одно дополнительное средство обессоливания подпиточной воды перед ее подачей в, по меньшей мере, один оборотный цикл, не использовать дополнительное средство обессоливания воды в составе, по меньшей мере, одного оборотного цикла и не использовать отдельное средство для обессоливания воды, отбираемой из, по меньшей мере, одного оборотного цикла.

Использование формулы (2) при реализации заявляемого способа позволяет наиболее эффективно и просто определять расход воды, отводимой на блок подготовки подпиточной воды, при водоснабжении только одного оборотного цикла водоснабжения.

Осуществление в блоке подготовки подпиточной воды перед дополнительным обратноосмотическим обессоливанием последовательно осветления и/или умягчения (в осветлителе), предварительного фильтрования (в устройстве фильтрования) и ультрафильтрации (в устройстве ультрафильтрации) исходной воды, а также направление отбираемой воды из, по меньшей мере, одного оборотного цикла на очистку в блок подготовки подпиточной воды в зависимости от химического состава воды и технологических особенностей на осветление и/или умягчение, или на предварительное фильтрование, или на ультрафильтрацию позволяет обеспечить предварительную обработку воды с целью ее осветления и удаления механических примесей для предотвращения засорения мембран при осуществлении обратноосмотического обессоливания, что, в свою очередь, способствует наиболее эффективному протеканию процессов подготовки подпиточной воды и обеспечивает бессточное водоснабжение литейно-прокатного комплекса при поддержании необходимой концентрации солей в оборотном цикле и снижении капитальных и эксплуатационных затрат.

Сущность заявляемого объекта поясняется графическим материалом, на котором представлена схема блока подготовки подпиточной воды и двух оборотных циклов водоснабжения литейно-прокатного комплекса.

На представленных чертежах использованы следующие обозначения:

1 - осветлитель;

2 - сетчатый фильтр;

3 - установка ультрафильтрации;

4 - установка обратного осмоса;

5 - первая ступень установки обратного осмоса;

6 - вторая ступень установки обратного осмоса;

7 - оборотный цикл водоснабжения производительностью 20000 м³/ч;

8 - оборотный цикл водоснабжения производительностью 10000 м³/ч;

9 - сгуститель;

10 - фильтр-пресс.

Бессточное водоснабжение литейно-прокатного комплекса с использованием заявляемого способа осуществляют так. Исходную воду забирают из реки и направляют на очистку в блок подготовки подпиточной воды, в котором последовательно осуществляют предварительное осветление воды в осветлителе 1, предварительное фильтрование осветленной воды в сетчатом фильтре 2, окончательное фильтрование предварительно отфильтрованной воды в установке ультрафильтрации 3 и дальнейшее обратноосмотическое обессоливание исходной воды в установке обратного осмоса 4, например, сначала в первой ее ступени 5, а затем во второй ее ступени 6. В зависимости от химического состава воды и конкретных технических условий в осветлителе 1 могут проводить осветление и умягчение (или же только осветление, или же только умягчение), при этом обратноосмотическое обессоливание могут проводить только в одной из ступеней установки обратного осмоса 4 или в двух ступенях последовательно. Далее из установки обратного осмоса 4 подпиточную воду подают в зависимости от заданного расхода в оборотный цикл водоснабжения 7 и оборотный цикл водоснабжения 8 литейно-прокатного комплекса. Шлам из осветлителя 1 отводят на сгуститель 9, осадок из которого направляют на фильтр-пресс 10, после которого кек с некоторым количеством влаги выводят, а слив сгустителя 9 и фильтрат после фильтр-пресса 10 возвращают в осветлитель 1. При этом в каждом из оборотных циклов 7 и 8 постоянно или периодически проводят контроль солесодержания в оборотной воде. В случае обнаружения превышения солесодержания проводят отбор части воды и ее возврат в осветлитель 1 на осветление и последующее фильтрование, ультрафильтрацию и обратноосмотическое обессоливание вместе с исходной водой из реки.

В конкретном примере для обеспечения бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса с использованием заявляемого способа осуществляли определение расхода исходной воды из реки и расхода воды, которую необходимо отобрать и вернуть на очистку в блок подготовки подпиточной воды для поддержания предельных максимальных концентраций хлорид-ионов и сульфат-ионов.

При реализации заявляемого способа принимали, что потери воды в оборотных циклах 7 и 8 при известных традиционных технических решениях обусловлены только испарением (1÷2% от расхода оборотной воды) и каплеуносом (не более 0,01% от расхода оборотной воды) на градирнях (на чертеже не показаны). Так как потери воды в оборотных циклах 7 и 8 должны постоянно восполняться, то расход подпиточной воды, поступающей от блока подготовки подпиточной воды, должен составлять 302+121=423 м³/ч. При этом принимали, что выход пермеата из установки обратного осмоса 4 составляет 95%, следовательно, на установку обратного осмоса 4 необходимо подавать Q₀=423:0,95=445 м³/ч воды, а на блок подготовки подпиточной воды в целом необходимо подавать исходную воду из реки с расходом 447 м³/ч, учитывая то, что с обезвоженным шламом в осветлителе 1 будет потеряно 2 м³/ч воды. В таблице 1 приведены исходные данные для оборотных циклов 7 и 8.

Значения расходов воды, отбираемых из оборотных циклов 7 (Q_от1) и 8 (Q_от2) и необходимых для поддержания предельных максимальных концентраций хлорид-ионов и сульфат-ионов, определяли из системы n=2 уравнений (1).

Система уравнений для определения Q_от1с и Q_от2c исходя из условия поддержания в оборотной воде предельной концентрации сульфат-ионов имела вид:

Система уравнений для определения Q_от1х и Q_от1х исходя из условия поддержания в оборотной воде предельной концентрации хлорид-ионов имела вид:

В результате решения первой системы уравнений при контролировании концентрации сульфат-ионов были получены такие значения: Q_от1с≈11 м³/ч, Q_от2с≈2 м³/ч.

В результате решения второй системы уравнений при контролировании концентрации хлорид-ионов были получены такие значения: Q_от1х≈13 м³/ч, Q_от2х≈5 м³/ч.

Из полученных результатов при наличии двух оборотных циклов 7 и 8 и контролировании солесодержания в оборотной воды по двум ионам, обуславливающим солесодержание, для осуществления отбора воды были выбраны большие значения Q_от1 и Q_от2, т.е. Q_от1=13 м³/ч, Q_от2=5 м³/ч; а общий расход воды, отбираемой из двух оборотных циклов, составил Q_от1+Q_от2=18 м³/ч.

Таким образом, за счет осуществления отбора воды из оборотного цикла 7 с расходом 13 м³/ч и из оборотного цикла 8 с расходом 5 м³/ч с последующей ее подачей с суммарным расходом 18 м³/ч в осветлитель 1 обеспечивалась возможность поддержания требуемой концентрации хлорид-ионов и сульфат-ионов (основных солеобразующих ионов) в воде оборотных циклов 7 и 8 на уровнях, которые бы не превышали их максимально допустимых концентраций. Кроме того, проведенные расчеты при реализации заявляемого способа позволили предусмотреть увеличение производительности осветлителя 1, сетчатого фильтра 2, установки ультрафильтрации 4 и установки обратного осмоса 4 на 18 м³/ч.

Благодаря отбору воды из оборотных циклов 7 и 8 обеспечивалось уменьшение коэффициента концентрирования (коэффициента упаривания) и снижалась концентрация сульфат-ионов и хлорид-ионов в воде оборотных циклов, а соли, содержащиеся в отбираемой из оборотных циклов воде, направлялись вместе с исходной водой из реки в блок подготовки подпиточной воды, где после обратноосмотического обессоливания выводились в концентрат.

Кроме того, дополнительно проводилось исследование мероприятий по обеспечению бессточного водоснабжения литейно-прокатного комплекса при поддержания предельных максимальных концентраций хлорид-ионов и сульфат-ионов в оборотных циклах 7 и 8 без отвода части воды из них и с использованием установки обратного осмоса 4. В этом случае принимали, что в исходной воде содержание сульфат-ионов составляло 650 мг/дм³, хлорид-ионов - 185 мг/дм³, а селективность установки обратного осмоса 4 по сульфат-ионам ~ 98% и хлорид-ионам ~ 96% (из табл. 1). Содержание сульфат-ионов в подпиточной воде, подаваемой в оборотные циклы 7 и 8, составляло 26 мг/дм³, при том, что максимальные концентрации сульфат-ионов в подпиточной воде (С_об/К_у), при которых не будет происходить превышение их допустимых концентраций в оборотной воде, должны быть на уровне до 2,0 мг/дм³ и до 4,13 мг/дм³, соответственно, для оборотных циклов 7 и 8. При этом содержание хлорид-ионов в подпиточной воде, подаваемой в оборотные циклы 7 и 8, составляло 3,7 мг/дм³, при том, что максимальные концентрации хлорид-ионов в подпиточной воде (С_об/К_у), при которых не будет происходить превышение их допустимых концентраций в оборотной воде, должны быть на уровне до 1,0 мг/дм³ и до 1,25 мг/дм³, соответственно, для оборотных циклов 7 и 8. Отсюда видно, что одна установка обратного осмоса 4 не обеспечивала бы необходимой степени обессоливания воды. Для получения требуемой степени обессоливания необходимо использовать дополнительное средство глубокого обессоливания на расход 423 м³/ч, например, установку деионизации или дополнительную установку обратного осмоса (на чертеже не показано).

Таким образом было установлено, что при использовании заявляемого способа нужно увеличить производительность блока подготовки подпиточной воды на 18 м³/ч, а при использовании способа только с обратноосмотическим обессоливанием нужно предусмотреть дополнительное средство обессоливания воды на расход 423 м³/ч, что обусловит существенное увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, а в стесненных условиях действующих производств не позволит разместить это дополнительное оборудование.