Водопользование в промышленности и теплоэнергетике

Водообеспеченность России возобновляемыми ресурсами вод в целом достаточно высока – 31 тыс. м3 на одного человека в год при среднемировом показателе водообеспеченности около 7 и санитарном минимуме – 1,7 тыс. м3 на человека в год, соответственно. Она уступает аналогичным показателям лишь некоторых стран мира, в частности Канады – 95 и Бразилии – 48, но значительно превосходит водообеспеченность стран СНГ, в частности Казахстана – 6,8, Беларуси – 5,7, Украины – 2,8, Узбекистана – 2,0, а также многих развитых и развивающихся стран мира, в том числе Германии – 1,13, Египта – 0,86, Израиля – 0,28, Кувейта –0,01 тыс. м3 на одного человека в год, соответственно.

Для удовлетворения питьевых и хозяйственных потребностей населения и отраслей экономики России из поверхностных и подземных водных объектов ежегодно отбирается до 2–3 % возобновляемых ресурсов вод (около 85 км3/год). Объем используемой воды составляет свыше 67 км3/год, в том числе пресной – около 60 км3/год, треть которой – питьевого качества, остальная относится к категории технической.

В поверхностные водные объекты РФ отводится около 60 км3/год использованных вод. В табл. 7 приведены данные по структуре отведения сточных вод в поверхностные источники водных объектов.

Например, потребление воды природных источников в 1997 г. промышленностью составило 70,2 км и 38,4 км3 – энергетикой. В то же время в водные источники было сброшено 59,3 км3 сточных вод, в том числе загрязненных 23 км3, из них предприятиями жилищно-коммунального хозяйства 52 % и промышленностью 32 %.

В современных условиях необходимо уделять серьезное внимание вопросам рационального и комплексного водопользования промышленностью, в особенности очистке и повторному, оборотному использованию сточных вод в производстве. Эти вопросы следует рассматривать неотрывно от основных технологических процессов промышленного производства с учетом требований ВХК. Сложность систем водообеспечения промышленных предприятий определяется не только многофакторностью, взаимозависимостью их, но и особенностями многократного использования воды в технологических процессах, разнообразием схем водоотведения и регенерации сточных вод, извлечения ценных компонентов из очищаемых вод, значительными затратами на строительство систем водоснабжения и водоотведения.

Таблица 7

Структура отведения сточных вод в поверхностные водные объекты, %

Объем воды, используемый в системах оборотного и повторно-последовательного водоснабжения, в 2003 г. несколько вырос и составил 134 км3.

Суммарные мощности очистных сооружений в целом по России на 2003 г. составляют 32 км3/ год, что на 9 км3 превышает объем сточных вод, требующих очистки. Однако в целом до нормативного уровня очищаются лишь около 10 % отводимых вод, нуждающихся в очистке.

Водопользование в промышленности. Вода в промышленности используется как сырье при получении различных продуктов, таких как кислоты, спирты и т. д.; в качестве разбавителя и растворителя используется при выщелачивании и кристаллизации. Вода является теплоносителем или охладителем в различных технологических процессах; служит рабочей средой в гидравлических устройствах; является моющим средством при промывке сырья, тары, готовых изделий. На каждом предприятии вода используется также в непромышленных целях: для удовлетворения потребностей персонала, противопожарной безопасности, обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий и т. д. Расход воды для промышленного предприятия определяют в зависимости от удельного расходования воды (на единицу промышленной продукции) и мощности предприятия. Удельное водопотребление в значительной мере зависит от технологической схемы производства, системы промышленного водоснабжения, климатических условий и ряда других факторов.

Удельное водопотребление (м3/т продукции)

в отдельных отраслях промышленности

Чугун                                                            160–200

Сталь                                                            150

Никель                                                          4000

Медь                                                             500

Синтетический каучук                               2000–3500

Синтетическое волокно                              2500–5000

Нефть-сырец (переработка)                                    30–40

Азотные удобрения                                     600

Бумага                                                          400–800

Для составления схем комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейнов рек, отдельных районов используют укрупненные нормы водопотребления и водоотведения на единицу продукции.

Системы производственного водоснабжения. Для крупных промышленных объектов требуемое большое количество воды и водных ресурсов часто оказывается недостаточным. Место расположения предприятий диктуется источниками сырья или месторождением полезных ископаемых, используемых непосредственно в производстве. При выборе места строительства нового предприятия всегда необходимо произвести технико-экономический расчет в сравнении с другими вариантами выбора наиболее дешевого транспортирования сырья либо водных ресурсов.

При выборе площадки под строительство промышленного объекта следует учитывать его возможное влияние на природные водоемы. Без такого предварительного анализа может возникнуть сложная ситуация, подобная ситуации с построенным целлюлозно-бумажным комбинатом (ЦБК) на берегу озера Байкал. Сточные воды комбината после очистки сбрасывались в озеро и ухудшали качество воды, изменяя флору и фауну уникального водного объекта. Поэтому специалисты должны были решать альтернативные, значительно удорожающие варианты: либо транспортировка сточных вод на дальние расстояния, либо перепрофилирование производства этого завода.

Дефицит водных ресурсов и необходимость резкого уменьшения стоков обусловливают необходимость широкого применения в производстве оборотного водоснабжения и повторного использования воды. Рационализацию использования природной воды в производстве может в ряде случаев обеспечить создание полностью замкнутых циклов водооборота.

Рис 6. Схемы использования воды в промышленности:

а – прямоточная; б – оборотная; в – повторная; г – комбинированная; Qa – полное водопотребление; Qпод – подпитка; Q6в – безвозвратное водопотребление; Qоб – оборотные воды; Qсб – отводимые воды в водоем; Ис – источник воды; П, П1, П2 – потребители воды; Оч – сооружения но очистке воды.

Рис. 7. Системы промышленного водоснабжения:

а – прямоточная; б – прямоточная с последовательным использованием воды; в – охлаждающая система оборотного водоснабжения; г – технологическая система оборотного водоснабжения; д – смешанная охлаждающая и технологическая система оборотного водоснабжения; П, П1, П2 – производство; НС – насосная станция; ВС – сооружения по очистке воды из источника и сточной воды; О – охладитель; Q – полный расход воды; Qп.п – расход воды, теряемый с промышленной продукцией (безвозвратное водопотребление); Qисп – расход при испарении воды; Qyн – расход при уносе воды; Qсб – расход сбросных вод; Qдоб – расход добавляемый (свежей) воды; Qoc – расход воды на собственные нужды очистных сооружений.

Важное значение имеет обеспечение достаточной надежности систем производственного водоснабжения. Ряд производств не допускает не только перерыва в подаче воды, но и всякого ее снижения. Нарушение установленного режима подачи воды может привести к серьезным аварийным ситуациям, которые влияют на производство и качество выпускаемой продукции.

В промышленном водоснабжении используются прямоточные, оборотные, последовательные и смешанные схемы использования воды (рис. 6). В большинстве производств создают системы оборотного водоснабжения (рис. 7).

Поскольку часть воды (не более 2...5 %) безвозвратно теряется, ее количество периодически пополняют «свежей» водой. Применение оборотного водоснабжения в промышленности дает существенную экономию природной воды. Такие системы успешно функционируют в маловодных областях Урала. Объем водооборота на промышленном предприятии определяется в результате анализа технико-экономических и экологических показателей.

Экономия «свежей» воды достигается также при использовании эффективных схем промышленного водоснабжения с повторным использованием воды. Повторное использование воды представляет собой забор возвратных вод (в том числе без дополнительной очистки или обработки) для технологических целей, орошения, обводнения, водоснабжения и других нужд.

Системы водоснабжения рекомендуется создавать с оборотом воды или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов. На промышленном предприятии следует предусматривать строительство локальных очистных сооружений для очистки стоков, охлаждения оборотной воды, обработки и повторного использования сточных вод. Последовательное и прямоточное использование воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения ее в системе оборотного водоснабжения.

Эффективность использования водных ресурсов как при создании территориально-производственного комплекса, так и при развитии народного хозяйства характеризуют следующие критерии: удельная норма потребления воды для создания единицы продукции; потребление свежей воды; количество воды, находящейся в обороте; количество сточных вод, поступающих в водные объекты; условное количество загрязнений в сбрасываемых стоках; возврат сточных вод в производство; воздействие водохозяйственного комплекса на окружающую природную среду; рекреационный потенциал водного объекта; продуктивность рыбохозяйственного комплекса; уровень перевозок водным транспортом; защита объектов от антропогенной деятельности; технологическая, социологическая и экономическая эффективность и др.

Эффективность использования воды на промышленных предприятиях оценивается тремя показателями:

– техническое совершенство системы водообеспечения оценивается количеством использования оборотной воды Роб, %:

,

где Qоб, Qист, Qс – количество воды, используемой соответственно в обороте, забираемой из источника и поступающей в систему водообеспечения с сырьем;

– рациональность использования воды, забираемой из источника, оценивается коэффициентом использования Кис:

– потери воды, %, определяют по формуле:

,

где Qпосл – количество воды, используемой в производстве последовательно.

Дефицит пресной воды требует кардинального изменения технологических схем производства, широкого внедрения маловодных и безводных схем, а также создания замкнутых безотходных производственных циклов.

В основе рационального использования водных ресурсов лежит технико-экономическое обоснование территориально-промышленного комплекса, которое проводится в направлении создания эффективной структуры производства основных видов продукции, охраны окружающей среды, комплексного использования водных ресурсов.

Рациональное использование водных ресурсов на промышленном предприятии характеризуют следующие факторы:

– объем применения безводных технологий производства;

–    размещение производств, обеспечивающее последовательное многократное использование воды в технологических процессах;

–    уровень совершенства локальной очистки сточных вод;

–    разделение водохозяйственной системы на группы локальных замкнутых систем технического водоснабжения, позволяющих осуществлять очистку сточных вод в соответствии с требованиями оборотного водоснабжения, включая санитарно-гигиенические и технологические показатели;

–    оптимизация процессов водообеспечения и водоочистки (подача и распределение воды для технологических операций производства, регенерация отработанных растворов, извлечение из сточных вод и утилизация ценных продуктов из отходов производства, создание локальных систем оборотного водоснабжения, обработка оборотной воды, обезвреживание осадков и их утилизация и др.);

–    полнота использования водных ресурсов промышленного узла, включающего применение сточных вод города и промышленных предприятий на земледельческих полях орошения и других объектах.

Промышленный узел – группа взаимосвязанных промышленных предприятий на определенной территории. Использует трудовые, сырьевые и другие ресурсы, транспортные сооружения, инженерные коммуникации, строительную базу данной территории. Он может быть ограничен одним городом либо представляет систему городов вместе с окружающими их рабочими поселками. Узел представляет собой часть территориально-производственного комплекса.

Система промышленного водоснабжения помимо непосредственно производственных целей обеспечивает санитарно-гигиенические потребности работающего персонала.

Согласно современным требованиям, водообеспечение промышленных предприятий должно предусматривать оборотное и повторное использование вод в производстве, что необходимо учитывать при составлении балансовых схем предприятий, в которых должен быть указан расход воды, подаваемый каждому потребителю: цеху, корпусу (оборотная и последовательно используемая вода, свежая вода из источника); сбрасываемый каждым потребителем (сточная вода), теряемый безвозвратно на очистных сооружениях, на охладительных установках и т. д. (безвозвратные потери); необходимо рассчитать расход воды, идущий на хозяйственно-питьевые нужды предприятия. Кроме того, следует указать: направление движения воды, виды водоотводящих и водо-подводящих коммуникаций или категории транспортируемой по коммуникациям воды, расположение потребителей воды, сооружений по ее охлаждению, очистке и т. д. Балансовую схему можно представить либо в абсолютных количествах циркулирующих вод за единицу времени (м3/сут, м3/ч), либо в удельных расходах воды на единицу продукции или потребляемого сырья (м3/т).

Водосберегающие мероприятия. Многообразие промышленных производств обусловливает разнообразие водосберегающих мероприятий, позволяющих сократить удельный расход воды (на единицу выпускаемой продукции) и расход свежей воды.

Первоначальным этапом разработки рациональных систем водообеспечения промышленных предприятий является совершенствование маловодных технологий производств. Вода на предприятии используется на различные цели. Из всего многообразия функций использования водных ресурсов в промышленных технологиях наибольшее количество воды используется в качестве хладагента (70 %), экстрагента (15...20 %), транспортирующего агента (10...15 %). Водосберегающие мероприятия разрабатывают в зависимости от функционального использования воды. Замена водяного охлаждения воздушным, применение систем и сооружений сухой очистки газов и воздуха аспирационных систем от пыли, испарительного и форсуночного охлаждения, противоточно-каскадных систем промывки, пневмо-гидравлических систем транспортирования и другие технические решения позволяют сократить удельное потребление воды в среднем на 20...30 %. Большое значение для этого имеет развитие систем автоматического контроля и управления процесса водопотребления, укрупнения единичных мощностей и агрегатов, борьба с потерями и утечками, за счет которых может быть на 10...15 % сокращено потребление воды.

Потребление воды из природных источников можно сократить в результате многократного ее использования в промышленности и привлечения очищенных или частично очищенных сточных вод. При применении сточных вод требования к качеству используемой воды по существу определяют необходимую степень очистки и, следовательно, обусловливают затраты на их подготовку.

Наличие химического и микробиологического загрязнения в сточных водах определяет необходимость обоснования санитарно-гигиенических требований, исключающих неблагоприятное влияние этих факторов на состояние окружающей среды и здоровье человека.

При решении проблемы целесообразности создания систем водообеспечения промышленных предприятий с многократным использованием воды в технологических процессах важнейшее значение имеет установление закономерностей формирования ее состава и свойств. Возможность прогнозирования состава позволит определить условия использования воды, обеспечивающие технологические и санитарно-гигиенические требования к ее свойствам, и разработать комплекс управления системой многократного использования воды в технологических процессах.

Одним из эффективных водосберегающих мероприятий в промышленности является внедрение оборотных систем водоснабжения, которые позволяют существенно снизить забор свежей воды и сократить сброс отработанных вод в водоемы. При создании этих систем необходимо учитывать не только техническую и экономическую стороны проблемы, но и экологическую.

Водопользование в теплоэнергетике. Крупным потребителем воды в РФ является энергетика. Свыше 80 % электроэнергии в России вырабатывают тепловые и атомные электростанции. Теплоэнергетика потребляет 170 млн. м3 в сутки воды на выработку пара и для охлаждения агрегатов и их отдельных узлов. Почти 50 % воды, забираемой промышленностью из природных водоисточников, потребляет теплоэнергетика.

Основным потребителем воды на тепловой электростанции является конденсатор паровой турбины. Помимо этого имеются мелкие теплообменные аппараты, к которым подводится охлаждающая вода: воздухоохладители или газоохладители генераторов, воздухоохладители питательных электронасосов и возбудителей генераторов, маслоохладители систем смазки механизмов.

Обмотки электрогенераторов охлаждаются воздухом или газом (водородом), который циркулирует в замкнутом цикле системы вентиляции и охлаждается водой в воздухо- или газоохладителях. Вода, подаваемая в воздухо- или газоохладители, должна иметь температуру не выше 30...33 °С. Поэтому в системах оборотного водоснабжения тепловых электростанций предусматривается подача на воздухо- или газоохладители свежей воды, которая в летнее время имеет более низкую температуру, чем циркуляционная вода. Расход воды, подаваемой на воздухо- или газоохладители генераторов, составляет 1...2 % общего расхода охлаждающей воды на электростанции.

На атомных электростанциях устанавливаются защитные устройства, предназначенные для расхолаживания атомных реакторов при прекращении нормального отвода теплоты от реактора к турбине и затем к конденсатору. Подвод охлаждающей воды к этим устройствам, которые называют ответственными потребителями, должен быть обеспечен при любых возможных ситуациях.

В соответствии с принятой в мировой практике концентрацией радиационной безопасности атомных электростанций предусматривается тройное дублирование защитных устройств и три автономные системы подачи охлаждающей воды к ним. Каждая система должна состоять из минимально необходимого числа элементов: насосов, арматуры, сороудерживающих решеток, устанавливаемых в изолированном помещении.

Системы водоснабжения ответственных потребителей могут проектироваться оборотными. В этом случае в качестве охладителей применяют брызгательные бассейны, водохранилища-охладители, градирни и др.

Электростанции, работающие на твердом топливе, оборудуют установками для улавливания золы из дымовых газов. В некоторых случаях в качестве золоулавливателей применяют мокрые скрубберы.

Удаление шлака из-под котлов и золы из золоулавливателей на большинстве электростанций производится гидравлическим способом. Расход воды для этой цели зависит от вида топлива, способа его сжигания, механических свойств золы и шлака. Для нужд гидроудаления используют воду, прошедшую через конденсаторы, а также воду, сбрасываемую после охлаждения подшипников и т. д. На смыв 1 т шлака требуется 20...40 м воды, на смыв 1 т золы – 12 м3 воды. Шлак и зола смешиваются с водой, транспортируются самотеком или с помощью побудительных сопел к багерным насосам, которые перекачивают пульпу по стальным трубам на золоотвалы. При раздельном удалении золы и шлаков золовая пульпа перекачивается шламовыми насосами. Если золоотвалы расположены значительно ниже котельной, возможно транспортирование пульпы к ним самотеком.

Золо- и шлакоотвалы проектируют как пруды-отстойники непрерывного действия. Их организуют большей частью на используемых участках земли вблизи электростанций, например в оврагах. Пруд образуется путем перегораживания оврага земляной дамбой или обвалования равнинного участка. В этот пруд сбрасывают золовую пульпу. Зола и шлак осаждаются в пруде, а осветленная вода возвращается в котельную электростанции с целью повторного использования для гидротранспорта золошлаков.

Воду для питания паровых котлов предварительно очищают от грубодисперсных и коллоидных примесей, накипеобразующих солей. Восполнение потерь питательной воды котлов на электростанциях производят химически обессоленной водой или дистиллятом.

Количество воды, требующееся для подпитки котлов на конденсатньгх электростанциях, составляет 1...2% расхода пара.

На ТЭС ввиду отборов пара на нужды промышленных предприятий требуется значительно большее количество воды для подпитки котлов. Кроме того, на ТЭС производится умягчение воды, подаваемой на горячее водоснабжение городов. Суммарный расход воды на тепловой станции зависит от ее мощности, типа установленного оборудования, кратности охлаждения пара и температуры охлаждающей воды. Для современной мощной ТЭС, оборудованной, например, восьмью энергоблоками по 300 тыс. кВт каждый, общий расход воды составляет приблизительно 300 тыс. м3 /ч в летнее время, а для атомной электростанции, оборудованной четырьмя энергоблоками по 1000 МВт каждый, – около 700 м3/ч.

Удельный расход охлаждающей воды на 1 кВт установленной мощности тем меньше, чем выше начальные параметры пара, подаваемого из котла в турбину, и чем больше единичная мощность турбин.

Несмотря на снижение удельных расходов воды при повышении единичной мощности турбин, суммарные расходы воды для мощных электростанций достигают 200 м3/с и более. Для обеспечения электростанций требуемым расходом воды необходимы достаточно крупные сооружения, поэтому для строительства электростанций выбирают место вблизи водных источников, а значит, приходится соглашаться с удалением электростанций от потребителей электроэнергии и источников топлива.

Система водоснабжения тепловой электростанции может быть прямоточной, оборотной или смешанной.

При прямоточной системе  отработанная теплая вода сбрасывается в водоем на таком расстоянии от водозаборного сооружения, чтобы исключить возможность попадания в него теплой воды. При применении системы прямоточного водоснабжения не требуется больших капитальных вложений на строительство и обеспечивается низкая и стабильная температура охлаждающей воды. Однако при этой системе требуются значительные расходы воды, забираемой из источника водоснабжения, поэтому для подобных решений необходимо использование больших многоводных рек, на которых размещение тепловых электростанций по совокупности технико-экономических показателей оправдывается в редких случаях, и развитие крупной теплоэнергетики в будущем пойдет по пути создания оборотных систем водоснабжения.

Наиболее целесообразной системой оборотного водоснабжения для конденсационной электростанции (КЭС) является система с водохранилищем-охладителем. Однако возрастающая ценность земельных участков и их стоимость все чаще приводят к необходимости использовать для охлаждения вод КЭС градирни.

На ТЭС, располагаемых обычно вблизи потребителей теплоты в крупных городах, широко применяют системы оборотного водоснабжения с испарительными градирнями.

Существуют системы смешанного водоснабжения электростанций, когда параллельно с прямотоком в маловодные периоды включаются в работу охладители, либо параллельно с водохранилищем – градирни или брызгательные установки. Подача воды на электростанцию из водоема осуществляется блочными или центральными насосными станциями, либо самотеком.