Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность
кафедра естественных наук
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
На тему: "Совершенствование технологии химической водоочистки на Балаковской АЭС с использованием полимерных ионообменных материалов"
2009
Введение
Потребление энергии обеспечивает удовлетворение самых разнообразных потребностей человека: от насущных, связанных с получением и приготовлением пищи, обогрева жилищ, до духовных запросов (телевидение, радио, кино и т.п.). Однако большая часть энергии, вырабатываемой из природных энергоресурсов, используется в настоящее время в промышленности и на транспорте (около 65%). Следовательно, повышение энергообеспеченности общества является необходимым условием его ускоренного развития.
В настоящее время вода широко используется в различных отраслях промышленности в качестве теплоносителя, в том числе и в атомной энергетике. Но она не может применяться в теплоэнергетических установках без предварительной обработки, поскольку современные атомные электростанции (АЭС) в энергетическом цикле используют воду высокого качества. Оборудование современных АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течении рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанции, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей АЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.
При эксплуатации теплосилового оборудования могут произойти нежелательные различные явления, связанные с качеством воды и пара. Первое явление приводит к выделению из воды твердых веществ (отложений), оседающих большей частью на поверхности металла котла, турбины, подогревателей. Второе явление приводит к выделению взвешенных частиц (шлама), которые с течением времени могут образовывать отложения на поверхности раздела. Вода и пар при взаимодействии с элементами конструкций могут частично растворять их, а затем осаждать продукты коррозии. Кроме того, существуют химические соединения и газы, содержащиеся в воде в микро концентрациях и поступающие в контур АЭС с водой первичного заполнения, а также в результате внутриконтурных процессов коррозии. Наиболее распространенными из них являются растворенные в воде хлориды натрия и калия, сульфаты и карбонаты кальция, магния, кремниевая кислота, ионы железа, кислород, масла, нефтепродукты и др.
Таким образом, качество обработки воды на АЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью ядерных энергетических установок.
Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды. Эта вода является, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей обработки используется в качестве исходного сырья на водоподготовительной установке, а также для других целей на АЭС. Добавочная вода, полученная на водоподготовительной установке после обработке с применением физико-химических методов очистки, направляется в контур для восполнения потерь пара и конденсата.
При эксплуатации современного энергетического оборудования АЭС используются разнообразные методы обработки воды. Так, приготовление добавочной воды для различных теплоиспользующих контуров осуществляется обычно в две основные стадии. На первой из них из природной воды удаляются главным образом взвешенные примеси, на второй вода подвергается очистки химическим методом (умягчение, обессоливание). Не эффективная очистка добавочной воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, называемого предочисткой.
Предочистка осуществляется на основе методов, в результате реализации которых при дозировке специальных реагентов некоторых примесей выделяются в виде хлопьев. Основными технологическими процессами предварительной очистки воды являются коагуляция (укрупнение) коллоидных примесей и известкование, которые обычно совмещаются в одном аппарате – осветлителе – в целях улучшения суммарного технологического эффекта и снижения денежных затрат. Дополнительная очистка воды после осветлителя от грубодисперсных примесей производится фильтрационными методами, которые также относятся к предочистке воды.
Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей в значительной степени освобождена от коллоидных. Однако основная часть примесей в истинно – растворенном состоянии остается в этой воде и должна быть удалена из нее. Для этого применяют ионный обмен (обессоливание).
Цель работы в данном проекте это совершенствование технологии химической водоочистки на Балаковской АЭС с использованием полимерных ионообменных материалов.
1. Технологический раздел
1.1 Информационный анализ с обоснованием выбора технического решения
1.1.1 Способы подготовки воды
Наличие различных примесей в природной воде является причиной приготовления воды для подпитки и заполнения контуров АЭС на водоподготовительной установке в несколько стадий. Сначала из воды удаляют грубодисперсные и коллоидные частицы, а затем – ионизированные примеси.
Природная вода, разделяемая условно на атмосферную, поверхностную, подземную и морскую, всегда содержит различные примеси. Характер и количество, имеющихся в воде примесей, определяют качество воды, т.е. характеризует возможность использования ее для различных целей в промышленности и быту. Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей среды.
Количественный и качественный составы примесей, содержащихся в реках и водоемах, зависит от метеорологических условий и подвержены сезонным колебаниям. Так, весенний паводковый период, после вскрытия льда, воды содержат минимальное количество растворимых солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его солесодержания достигает максимума. В летнее время состав речной воды определяется соотношением в питании долей поверхностного и подземного стоков. Природные воды классифицируют солесодержанию. Различают пресную воду (солесодержание до 1 г/кг), солоноватую (солесодержание 1–10 г./кг) и соленую (солесодержание более 10 г./кг). Солесодержание определяется суммарной концентрацией всех катионов и анионов в воде. Важнейшим показателем, определяющим путь использования воды в теплоэнергетики, является жесткость воды. По значению общей жесткости природные воды классифицируются так: воды с малой жесткостью; воды со средней жесткостью; воды с повышенной жесткостью; воды с высокой жесткостью и воды с очень высокой жесткостью.
Существуют следующие виды очистки. Механические методы очистки включают в основном отстаивание, осветление и фильтрацию. Эти наиболее доступные приемы очистки от крупнодисперсных взвесей применяются как первая стадия в общей схеме очистке вод.
Физико-химические методы применяют для очистки от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных веществ. Это флотация, коагуляция и флокуляция, экстракция растворителями, дистилляция и ректификация, адсорбция, обратный осмос и др. Принцип флотационной очистки заключается в образовании комплексов частица – пузырек воздуха, всплывании пузырьков и удалении образовавшегося слоя насыщенной примесями пены с поверхности воды.
Для очистки от растворенных примесей применяют обратный осмос, ультрафильтрацию, электродиализ, ионный обмен, абсорбцию, экстракцию, радиационно-химический метод.
Обратным осмосом или гиперфильтрацией называют процесс разделения истинных растворов продавливанием их через полунепроницаемые мембраны, которые пропускают воду, но задерживают гидратированные ионы солей и молекулы органических соединений. Ультрафильтрация – разделение растворов, содержащих высокомолекулярные соединения, мембранами, поры которых имеют диаметр 5–200 нм. Гиперфильтрацию производят с помощью полимерных мембран – ацетат целлюлозных, полиамидных и др.
Электродиализ заключается в направленном движении ионов под действием постоянного электрического тока. Для разделения и удаления ионов в установке имеются специальные катионитные и анионитные мембраны, изготовленные из ионообменных смол, которые пропускают ионы только одного знака заряда.
Для технического водоснабжения не требуется вода высокой чистоты, получаемая дионизацией. Здесь достаточно снижение обратным осмосом ее солесодержание в 15–20 раз по Na+, K+,SO-4, Cl- и в первую очередь удаление солей жесткости в 25–50 раз по Ca2+, Mg2+, что дает значительный эффект. Для водоочистки в этом случае наиболее оправданы безреагентные методы, при использовании которых не образуются токсичные отходы. Наиболее широко известный безреагентный метод упаривания, используемый при переработке жидких отходов, в водоподготовке для технического водоснабжения не применяется из-за больших энергетических затрат. Исключение составлявляла АЭС, где с помощью дистилляционной установки опресняли морскую воду. Более перспективными в этом случае являются мембранные методы, в частности, обратный осмос, получающий в последние годы все более широкое распространение для опреснения воды в тепловой и очистки от радионуклидов в ядерной энергетике. В последнем случае обратный осмос значительно превосходит по эффективности другой мембранный метод-электродиализ.