Нетрадиционные и утилизационные источники энергии при опреснении

Многолетний опыт эксплуатации термических опреснительных установок показывает, что независимо от многочисленных исследований, проводимых в целях снижения энергетических затрат, уменьшения стоимости производимой воды, потребление тепловой энергии по-прежнему остается достаточно высоким. Основные источники, от которых забирается теплоноситель, - теплогенерирующие установки, отбор пара низкого давления турбогенераторов, атомные станции – не позволяют значительно повысить эффективность процесса термической дистилляции. Высокая стоимость топлива – одна из основных причин. Многоцелевое использование энерготехнологического комплекса, содержащего в своем составе опреснительную установку, в некоторой степени дает положительные результаты, но не оправдывает конечной цели – существенного снижения расходов энергии на опреснение.

На рис. 39 приведена принципиальная схема открытого цикла термоградиентной станции на перепад температур 23-28⁰С с подачей воды до м³/с на 1 МВт вырабатываемой энергии и низкотемпературная опреснительная установка мгновенного вскипания.

Наименьшими затратами и стоимостью производства воды характеризуется комплексная утилизация теплоты – установок по сжиганию бытовых отбросов и систем охлаждения.

Рис. 39. Термоградиентная энергоопреснительная установка:

1 – погружной насос тепловой воды; 2 – испаритель мгновенного вскипания; 3 – турбогенератор; 4 – поверхностный конденсатор; 5 – насос холодной воды; 6 – деаэратор.

Технология процесса опреснения в настоящее время опирается на два основных типа установок – мгновенного вскипания (рис. 40) и тонкопленочного типа, при этом первые рассчитаны на получение пресной воды в масштабах, покрывающих потребности крупных районов с практически полным отсутствием воды.

Рис. 40. Установка мгновенного вскипания с утилизацией теплоты и сжиганием бытовых отходов:

1 – водоподготовка; 2 – опреснитель; 3 – подогреватель рассола; 4 – конденсатор турбины; 5 – дренажный танк; 6 – деаэратор; 7 – котел; 8 – газовый подогреватель; 9 – бойлер; 10 – конденсатор высокого давления; 11 – турбогенератор.

Это подтверждает опыт стран Ближнего Востока, где введено в эксплуатацию наибольшее количество термических опреснительных установок (до 70%), работающих по такому принципу. Однако экономическая эффективность тепловых схем тонкопленочных испарителей ставит их в ряд более конкурентоспособных.

Если рассмотреть удельные энергетические затраты современных процессов опреснения морской воды, то можно сделать вывод, что одноцелевые установки мгновенного вскипания являются наиболее энергоемкими.

Развитие атомной энергетики предоставляет большие возможности для получения пресной воды при опреснении за счет потребления избытков тепловой энергии. Сочетание ядерной энергетической установки с опреснительной снижает стоимость производимой воды.

При энергоснабжении от атомной электростанции поступление теплоносителя на опреснительную установку может осуществляться различно. Пар после противодавленческой турбины идет в головной подогреватель, где нагревает морскую воду до необходимой температуры. Как уже отмечалось выше, в данном случае выработка воды по отношению к электроэнергии будет более высокой.

Атомная станция как источник тепловой энергии должна отвечать определенным требованиям: непрерывность энергообеспечения, не допускающая инфильтрации воздуха и коррозии оборудования, отсутствие резких колебаний температур греющего пара, вызывающих увеличение накипеобразования, гибкость связи между установками при изменении нагрузок и сезонного потребления воды и электроэнергии. Сложность такого цикла связана с возможным радиоактивным воздействием на опресняемую воду при контакте с греющей средой в головном подогревателе, так как давление пара ниже давления поступающей воды, то это может стать причиной конструкционных разрушений. Особенности работы атомно-опреснительной станции требует всесторонней технической и экономической оценки и, несмотря на свою перспективность, детального анализа при проектировании, строительстве и эксплуатации. Анализ состояния вопроса показывает, что использование атомной энергии приводит к значительной экономии средств при опреснении воды по сравнению с использованием теплоты органического топлива.

Вопросы охраны окружающей среды представляют особые требования к опресненной установке, так как выброс рассола на морскую акваторию несет необратимые процессы, которым сопутствуют гибель растительного и рыбного мира. Это ставит задачу на дальнейшую перспективу при проработке вопросов строительства опреснительных станций большой производительности рассматривать их как источник многоцелевого назначения, когда рассолы высокой концентрации доводят до состояния, при котором возможно извлечение ряда необходимых народному хозяйству химических элементов или их составляющих.

На рис. 41 показана структурная схема, из которой видно, какие элементы могут быть извлечены из рассола при дополнении схемы термической дистилляции электродиализной установкой.

Рис. 41. Принципиальная схема производства сырья и питьевой воды в процессе опреснения:

1 – газовая турбина; 2 – паровая турбина; 3 – водоподготовка; 4 – многоступенчатое осаждение; 5 – дистилляция; 6 – электродиализ; 7 – нейтрализация; 8 – производство кислоты; 9 – кальционирование; 10 – электродиализ; 11 – обжиг; 12 – обогащение воды.

Такое комбинирование установок позволяет получить значительный выигрыш, как в экологическом, так и в экономическом отношении.

В состав установки входят система энергообеспечения, механическая и химическая подготовка поступающей воды, водоподготовка перед опреснением, установка для извлечения Сl₂, H₂, HCl, NaOH, NaOCl и установка по получению Mg, MgO, CaO, Ca(OH)₂.

Фактором, определяющим экономичность, является энергоисточник, от которого на установку поступает пар и электроэнергия. Как отмечалось выше, такими энергообеспечителями могут быть парогазовые установки, агрегаты с противодавленческими турбинами и атомные станции.

Стоимость получаемой воды определяется ценой на топливо и для рассматриваемого комплекса колеблется от 2,5-7 дол/м³.

Рис. 42. Технологические возможности опреснительной установки:

1 – энергообеспечивающая система; 2 – водоподающая установка; 3 – водоподготовка; 4 – дистилляционная опреснительная установка; 5 – установка по производству осаждаемых агентов и субпродуктов; 6 – установка по получению накипеобразующих компонентов.

Исследование и опытно-промышленное решение показали, что в перспективе будут созданы более надежные в эксплуатации технологические схемы, которые станут конкурентоспособными с действующими установками, обеспечив более низкую стоимость опресненной воды.

Установлено, что по техническим (слабая коррозия, отсутствие накипеобразования, исключение предварительной обработки воды), экономическим (малые поверхности нагрева, простота и дешевизна конструктивных элементов) и энергетическим показателям (низкие удельные расходы энергии на собственные нужды, незначительное потребление тепловой энергии) химические методы обладают преимуществами по сравнению с термическими.

Технология опреснения воды этими методами имеет ряд недостатков, устранение которых требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований, а также новых достижений в технике изготовления отдельных элементов. Так, не решены вопросы эффективной промывки и плавления льда, конденсации химических агентов участвующих в процессе опреснения, удаления их остатков, влияния исходной концентрации воды на экономичность. Для доведения результатов до промышленного уровня потребляется длительный срок и большое внимание исследователей.

Стремление подойти к решению проблем опреснения воды другими методами породило ряд новых идей, которые пока не вышли за пределы лабораторных результатов. К ним можно отнести биологические, физические, химические, электрические пути воздействия на минерализованную воду. Так, рассматривается осаждение солей различными химическими агентами, взаимодействие электромагнитного поля и изучения с опресняемой водой, электрохимическая адсорбция и ряд других.