Экологическая оценка котельной установки

Экологическая оценка котельной установки

Часть 2: нормативы Предельно допустимых

Сбросов в водоемы.

Методические указания для студентов специальностей

290700 “Теплогазоснабжение и вентиляция”

330100 “Безопасность жизнедеятельности”

550100 «Экология и природопользование»

 

 

Нижний Новгород

2003 г.

 

 

УДК 621.53

 

 

Лебедева Е.А., Гордеев А.В. Экологическая оценка котельной установки. Часть 2: Нормативы предельно допустимых сбросов в водоемы.

 

 

Методические указания для студентов специальностей

290700 “Теплогазоснабжение и вентиляция”

330100 “Безопасность жизнедеятельности”

550100 «Экология и природопользование»

 

В методической разработке приведены указания по экологической оценке котельной установки с позиции воздействия на водный бассейн, включая характеристику источников загрязнения, расчет сбросов загрязняющих веществ и определение нормативов ПДС котельной.

Библиограф. назв. 12, рис. 7, табл. 12

 

ÓНижегородский Государственный архитектурно- строительный

университет, 2003

Содержание

Введение 4

1 Техногенное воздействие на водоемы 4

2 Котельные установки. Водопотребление и водоотведение 6

2.1 Расчет водопотребления котельной 8

2.2 Водоотведение.Характеристика сточных вод 10

3 Сточные воды от химводоочистки 11

3.1 Выбор схемы и подбор оборудования химводоочистки 12

3.2 Расчет расхода сточных вод 27

3.3 Расчет массы загрязняющих веществ 29

4 Сточные воды от продувки котлов 34

5 Расчет предельно допустимых сбросов котельной 36

5.1 Нормирование качества водоемов 36

5.2 Расчет предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ 38

Приложения 40

Список использованных источников 44

 

 

Введение.

С конца XIX века резко возросло влияние человеческого общества на биосферу. Индустриализация вовлекает в хозяйственный оборот все новые и новые природные ресурсы, вносит глубокие негативные изменения в природную среду.

Рост жилищного строительства, промышленного и сельскохозяйственного производства вызвал значительное увеличение водопотребления и водоотведения. Возросло антропогенное загрязнение водного бассейна. Недостаточная обеспеченность очистными сооружениями, низкий технологический уровень очистки сточных вод и эксплуатации очистных сооружений приводит к поступлению в водоемы промышленно развитых городов огромного количества загрязняющих веществ.

Например, предприятиями Н.Новгорода только в 2001 г. сброшено около 25 млн. м³ загрязненных вод.

Разнообразен и состав загрязнений.

По данным экологических служб Н.Новгорода ежегодный сброс в открытые водоемы составляет:

сульфатов – свыше 25 тыс. т/ год

хлоридов – свыше 18 тыс. т/ год

нефтепродуктов – свыше 10 тыс. т/ год.

Основным поставщиком этих веществ в водоемы являются энергетические предприятия – ТЭЦ и котельные. При этом, если на ТЭЦ имеются очистные сооружения, то промышленные и отопительные котельные их практически не имеют.

В данной методической разработке приведена методика расчета сброса загрязняющих веществ в водоемы и способы установления предельно допустимых сбросов котельными установками малой и средней производительности.

Выбор схемы и подбор оборудования химводоочистки.

Расчет и подбор основного оборудования химводоочистки.

Натрий-катионирование.

Исходными данными для расчета натрий-катионитных фильтров яв­ляются:

- производительность установки G_хво, м³/ч (т/ч);

- общая жесткость воды, поступающей на фильтры Ж_о, г-экв/м³(cм. прил. А);

- остаточная жесткость воды после фильтров Ж_ост, г-экв/м³.

Основные данные для расчета натрий-катионитных фильтров при­ведены табл. 3.3.

Натрий-катионитный фильтр подбирают по площади фильтрования (живое сечение фильтра), которая определяется по формуле:

(3.21)

где w_н - нор­мальная скорость фильтрования, м/ч; принимаются в зависимости от жесткости умяг­чаемой воды по табл. 3.3;

а - количество рабо­тающих фильтров, принимается не менее двух, сверх того, один резерв­ный, который в расчете не учиты­вается.

Площадь фильтрования стандартного фильтра принимается по табл.3.4.

Таблица 3.4 – Площадь фильтрования стандартных фильтров

Диаметр фильтра Dу, мм
Площадь фильтрования f, м2	0,39	0,76	1,72	3,1	5,2	6,95	9,1

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования

нормальная скорость

(3.22)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.23)

где - площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

Рассчитанные по формулам (3.22) и (3.23) скорости не должны превышать значений, указанных в табл. 3.3.

Таблица 3.3 - Технологические данные для расчета натрий-катионитных фильтров.

Показатель	Фильтр первой ступени	Фильтр второй ступени
Высота слоя катионита, м	2 – 2,5	1,5
Крупность зерен катионита, мм	0,5 – 1,1	0,5 - 1,1
Скорость фильтрования1, м/ч, нормальная, в скобках максимальная (при регенерации одного из фильтров), при жесткости, мг-экв/л: до 5 до 10	25 (35) 15 (25)	40 (50)
Взрыхляющая промывка катионита: Интенсивность, кг/(м2 × с), при крупности зерен катионита, мм 0,5 – 1,1 0,8 – 1,2 продолжительность2, мин	30 (15)	30 (15)
Удельный расход поваренной соли на регенерацию сульфоугля, г/г-экв, при двухступенчатом натрий-катионировании и жесткости обрабатываемой воды, мг-экв/л: до 5 до 10	100 – 120 120 –200	300 - 400
Концентрация регенерационного раствора, %	5 - 8	8 - 12
Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч	3 - 4	3 - 5
Отмывка катионита от продуктов регенерации: скорость пропуска отмывочной воды через катионит, м/ч удельный расход отмывочной воды, м3/м3, при загрузке фильтра: сульфоуглем катионитом КУ-2	6 – 8	6 – 8

Примечания: 1 Скорость фильтрования менее 5 м/ч не рекомендуется из-за возможного снижения обменной емкости катионита.

2 В скобках - при загрузке мелкого катионита с крупностью зерен 0,3 - 0,8 мм.

Размеры и количество фильтров первой ступени выбираются таким образом, чтобы чис­ло регенераций каждого фильтра в сутки было не более трех.

Количество солей жесткости, удаляемое на натрий-ка­тионитных фильтрах, определяется по формуле:

A =24 × Ж_о × G_хво, г-экв/сут (3.24)

где Ж_о - общая жесткость воды поступающей на натрий-катионитный фильтр, г-экв/м³.

На натрий-катионитные фильтры первой ступени обычно поступает вода с жесткостью, равной жесткости исходной воды.

Число регенераций каждого фильтра в сутки определяется по формуле:

(3.25)

где Н_сл – высота слоя катионита, м. Принимается по табл. 3.3;

а – число работающих фильтров;

Е_р^Na – рабочая обменная способность катионита при Na-катионировании, г-экв/м³. При использовании в качестве катионита сульфоугля принимается 250 - 300 г-экв/м³.

Расход 100%-ной поваренной со­ли на одну регенерацию фильтра определяется из уравнения:

(3.26)

где g_с - удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв обменной спо­собности катионита. Принимается по табл 3.3.

Расчет Na-катионитных фильтров второй ступени аналогичен расчету фильтров первой ступени, технологические данные приведены в табл. 3.3. При расчете Na-катионитных фильтров второй ступени жесткость обрабатываемой воды принимают 0,1 мг-экв/кг, а жесткость обработанной воды 0,01 – 0,02 мг-экв/кг.

 

Водород-катионирование

Расчет водород-катионитных фильтров производится на основании следующих исходных данных:

- производительность водород-катионитных фильтров;

- требований, предъявляемых к водород-катионированной воде;

- качественного состава воды, поступающей на фильтры (см. прил. А).

Технологические данные для расчета Н-катионитных фильтров приведены в табл. 3.5.

 

 

Таблица 3.5 - Технологические данные для расчета водород-катионитных фильтров.

Показатель	Нормативные данные
Высота слоя катионита, м:	до 2,5
Допустимая скорость фильтрования, м/ч	4-30
Рекомендуемая нормальная скорость фильтрования, м/ч, в скобках максимальная (при регенерации одного из фильтров), при жесткости обрабатываемой воды, мг-экв/кг: до 5 до 10 до 15	20(30) 15(25) 10(20)
Взрыхление катионита: интенсивность, кг/(с×м2) продолжительность, мин	по рис. 3.4 15 - 30
Отмывка катионита: скорость отмывки, м/ч расход воды на отмывку катионита, м3/м3: при одноступенчатом водород-катионировании при двухступенчатом водород-катионировании	6 - 8

 

Рис.3.4 – График для определения необходимой интенсивности взрыхления катионита i в зависимости от диаметра зерен катионита d.

1 – при t = 5⁰С; 2 - при t = 20⁰С

 

Расчет Н-катионитного фильтра начинают с определения площади фильтрования (живое сечение фильтра), которая определяется по формуле:

(3.27)

где w_н - нор­мальная скорость фильтрования, м/ч; принимаются в зависимости от жесткости умяг­чаемой воды по табл. 3.5;

а - количество рабо­тающих фильтров, принимается не менее двух, сверх того, один резерв­ный, который в расчете не учиты­вается.

Площадь фильтрования стандартного фильтра принимается по табл. 3.4.

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования

нормальная скорость

(3.28)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.29)

где – производительность водород-катионитных фильтров, м³/ч;

- площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

В схемах с “голодной” регенерацией фильтров, совместного и последовательного Н-катионирования = G_хво.

При обработке воды по схеме параллельного Н-катионирования

= у × G_хво, м³/ч (3.30)

где у – доля воды, обрабатываемой на Н-катионитных фильтрах.

(3.31)

где Щ_и.в – щелочность исходной воды, мг-экв/л;

Щ_ост – остаточная щелочность воды после обработки по схеме параллельного Н-катионирования, Щ_ост = 0,3 мг-экв/кг;

Ж_о – общая жесткость исходной воды, мг-экв/кг.

Количество солей жесткости, удаляемое на Н-катионитных фильтрах: в схемах последовательного, параллельного и совместного н-катионирования

А = 24 × × (Ж_о – Ж_ост), г-экв/сут (3.32)

где Ж_ост – остаточная жесткость обработанной воды, г-экв/м³;

Ж_ост = 0,01 г-экв/м³ – при последовательном Н-катионировании;

Ж_ост = 0,1 г-экв/м³ – параллельном и совместном Н-катионировании.

в схеме с «голодной» регенерацией фильтров

А = 24 × × (Ж_к – ), г-экв/сут (3.33)

где Ж_к – карбонатная жесткость исходной воды, г-экв/м³;

= 0,7 – 1,5 г-экв/м³- остаточная карбонатная жесткость.

 

 

Число регенераций Н-катионитного фильтра определяется

(3.34)

где Н_сл – высота слоя катионита, м. Принимается по табл. 3.5.

– рабочая обменная способность катионита. Для сульфоугля принимается = 250 – 300 г-экв/м³.

Расход 100%-ной серной кислоты на одну регенерацию Н-катионитного фильтра

(3.35)

где g_к – удельный расход серной кислоты на регенерацию, г/г-экв. В схемах с «голодной» регенерацией катионита g_к = 35 – 50 г/г-экв. В схемах последовательного, параллельного и совместного Н –катионирования принимается по рис. 3.5.

Рис. 3.5 – Удельный расход серной кислоты g_к в зависимости от требуемой жесткости фильтрата Ж_ф и солесодержания исходной воды.

Солесодержание исходной воды, мг-экв/л:

1 – 5; 2 – 7; 3 – 10; 4 – 15; 5 – 20.

 

Натрий – хлор-ионирование.

Для расчета натрий-хлор-ионитных фильтров необходимо иметь следующие данные:

- производительность натрий-хлор-ионитных фильтров G_хво, м³/ч;

- требуемое снижение бикарбонатов или остаточную щелочность обрабатываемой воды (решается при выборе схемы обработки воды), Щ_ост, мг-экв/л.

- качественный состав исходной воды (см. прил.А).

Необходимые технологические данные для расчета хлор-ионитных фильтров приведены в табл. 3.6.

Расчет натрий-хлор-ионитного фильтра начинают с подбора диаметра по скорости фильтрования:

(3.36)

где w_Сl – cкорость фильтрования, принимается 15 – 20 м/ч;

G_хво– производительность фильтров, м³/ч;

а – количество фильтров.

Стандартные диаметры фильтров приведены в табл. 3.4.

Выбранный типоразмер фильтра проверяется на скорость фильтрования по формулам:

нормальная скорость

(3.37)

максимальная скорость (при регенерации одного из фильтров)

(3.38)

где - площадь фильтрования стандартного фильтра, м².

Таблица 3.6 - Технологические данные для расчета хлор-ионитных фильтров.

Показатель	Смешанный Na-Cl-ионитный фильтр
Высота слоя, м: анионита катионита	2,0 0,5 – 2,0
Крупность зерен анионита, мм	0,35 – 1,2
Скорость фильтрования, м/ч: допустимая рекомендуемая	4-30 15 - 20
Взрыхляющая промывка анионита: интенсивность, л/(с×м2) продолжительность, мин
Отмывка анионита: скорость отмывки, м/ч расход воды на отмывку анионита, м3/м3	6 - 8

Количество удаляемых на хлор-ионитных фильтрах ионов НСО₃ определяется из уравнения:

А_Cl = 24 ×G_хво × (Щ_и.в - Щ_ост), г-экв/сут (3.39)

где Щ_и.в – бикарбонатная щелочность исходной воды, г-экв/м³;

Щ_ост – остаточная щелочность после хлор-ионирования, г-экв/м³.

Для паровых котлов принимается меньшее значение Щ_ост, определенное по формулам:

(3.40)

или

(3.41)

где S_х = S_о.в – допускаемое солесодержание котловой воды (см. прил.Б);

a_о.в – доля химически обработанной воды в питательной (см. разд.3.1.2).

Число регенераций хлор-ионитного фильтра в сутки

(3.42)

где - высота слоя анионита, м;

- рабочая обменная способность анионита АВ – 17 по иону НСО₃, г-экв/м3. В расчетах принимают ориентировочно равной 300 г-экв/м³

Число регенераций хлор-ионитного фильтра принимается не более 3 раз в сутки.

Расход соли на одну регенерацию хлор-ионитного фильтра определяют по формуле:

= g_c × × , кг (3.43)

где g_c = 65 – удельный расход соли на 1 м³ анионита, кг.

 

Расчет расхода сточных вод.

Натрий - катионирование

Расход воды на одну регенера­цию натрий-катионитного фильтра складывается из расходов воды на взрыхляющую промывку, приготовление регенерационного раствора и отмывку катионита от продуктов регенерации.

Расход воды на одну взрыхляющую промывку фильтра определяется по формуле:

(3.44)

где i - интенсивность взрыхляющей промывки фильтров, л/(с×м²), при­нимается по табл. 3.3;

t_взр - про­должительность взрыхляющей про­мывки, мин, принимается по табл. 3.3;

Расход водына приготовле­ние регенерационного растворасо­ли определяется из уравнения:

(3.45)

где b - концентрация регенерацион­ного раствора, %, принимается по табл. 3.3;

r_р.р - плотность регенера­ционного раствора, т/м³, принимает­ся по табл.3.7.

 

Таблица 3.7 – Плотность водного раствора NaCl

Cодержание NaCl в процентах массы (г/100 г раствора)
Плотность при 200С, г/см3	1,013	1,027	1,041	1,056	1,071	1,086	1,101

Расход воды на отмывку катионита от продуктов регенера­ции определяется из уравнения:

G_от = g_от × × H_cл, м³ (3.46)

где g_от – удельный расход воды на отмывку катионита, м³/м³ катионита, при­нимается по табл. 3.3.

Расход воды на одну регенера­цию натрий-катионитного фильтра составляет:

G_с.н = G_взр + G_р.р + G_от, м³ (3.47)

Расход воды на собственные нужды натрий-катионитных фильтров определяет­ся по формуле:

(3.48)

Водород-катионирование

Расход воды на одну регенера­цию водород-катионитного фильтра складывается из расходов воды на взрыхляющую промывку, приготовление регенерационного раствора и отмывку катионита от продуктов регенерации.

Расход воды на взрыхляющую промывку фильтра и отмывку катионита от продуктов регенерации определяется как и для натрий-катионитных фильтров по формулам (3.44) и (3.46). При этом расчетные данные принимаются по табл. 3.5.

Расход воды на приготовление регенерационного раствора определяется по формуле:

(3.49)

где G_к – расход 100-ной серной кислоты на одну регенерацию фильтра (см.

раздел 3.1);

b – концентрация регенерационного раствора. При использовании сульфоугля b = 1,5 – 2 %.

r_р.р – плотность регенерационного раствора серной кислоты, т/м³. Принимается в зависимости от концентрации серной кислоты. При 1,5 – 2 % r_р.р = 1,009 – 1,013 т/м³.

Расход воды на собственные нужды водород-катионитных фильтров определяется по формуле 3.48.

Натрий-хлор-ионирование

Расход воды на собственные нужды натрий-хлор-ионитных фильтров определяется также как и для натрий-катионитных фильтров по формулам (3.44 – 3.48). При этом расчетные данные принимаются по табл. 3.6.

 

Натрий-катионирование

В процессе регенерации натрий-катионитных фильтров в дренаж сбрасываются: избыток поваренной соли NaCl; продукты ре­генерации катионита CaCl₂ и MgCl₂ (см. раздел 3.1); возможно присутствие измельченно­го катионита.

Масса сбрасываемых ве­ществ подсчитывается в целом за одну регенерацию фильтра (включая взрыхление и промывку).

Сбрасываемый избыток соли за одну регенерацию подсчитывается по формуле:

(3.50)

где g_c - удельный расход соли на реге­нерацию катионита, принимается из

расчета водоподготовительной уста­новки, г/г-экв;

V_кат - объем катионита, загружен­ного в фильтр, принимается по расчету водоподготовки, м³;

Е_р^Na - ра­бочая обменная способность катионита, принимается 250 - 300 г-экв/м³;

Э_NaCl – эквивалентная масса NaCl (теоретиче­ски необходимая), расходуемая на регенерацию 1 г-экв солей жесткости.

Масса соли, сбрасываемой от натрий-катионитных фильтров в час, определяется по формуле:

(3.51)

где n - общее количество регенера­ций натрий-катионитных фильтров в сутки, раз/сут.

Масса солей жесткости, сбра­сываемых в дренаж за одну регенерацию фильтра определяется по формуле:

(3.52)

Масса CaCI₂, сбрасываемого за одну регенерацию фильтра, определяется по формуле:

= Ж_с × a_Са, кг-экв (3.53)

где a_Са - доля солей кальция в об­щем количестве сбрасываемых солей жесткости.

Масса MgCl₂, сбрасываемого за одну регенерацию фильтра, определяется по формуле:

= Ж_с × a_Mg, кг-экв (3.54)

где a_Mg - доля солей магния в об­щем количестве сбрасываемых солей

жесткости.

a_Са и a_Mg принимаются аналогично соотношению солей кальция и магния в жесткости исходной воды.

Масса CaCl₂ и MgCl₂, сбра­сываемых от водоподготовительной установки в час, определяются по формулам:

кг/ч (3.55)

кг/ч (3.56)

где и – соответственно эквивалентные массы СаСl₂ и MgCl₂

Сброс продуктов регенерации от фильтров второй ступени в течение суток, на которые ведется расчет, незначителен (фильтры второй сту­пени регенерируются обычно 1 раз в 10—15 суток), поэтому все улав­ливаемые соли жесткости учиты­ваются в первой ступени катионирования.

Годовой сброс измельченного катионита, подсчитывается по фор­муле:

И_к = g_к × V_кат × а × b × 0,01, т/год (3.57)

где g_к - насыпная масса катионита, т/м³. Для сульфоугля принимается

g_к = 0,67 – 0,79 т/м³;

а - количе­ство установленных фильтров;

b - механический износ катионита, %, принимается 10 – 20% в

зависимости от срока эксплуатации фильтров.

Водород-катионирование

Качественный и количественный характер загрязнений стоков зави­сит как от схемы, в которой рабо­тают водород-катионитные фильтры («голодная» регенерация, парал­лельное водород-натрий-катиониро-вание, частичное или полное хими­ческое обессоливание), так и от ка­чества исходной воды.

При водород-катионировании с голодной регенерацией фильтров и парал­лельном водород-натрий-катионировании удаляются на фильтрах и сбрасываются в дренаж только катионы жесткости в виде CaSO₄ и MgSO₄, количество которых определяется по формуле:

Ж_с^н = V_кат × Е_р^н, г-экв (3.58)

Е_р^н – рабочая обменная способность катионита, г-экв/м³. Принимается из расчета водоподготовительной установки в зависимости от качества исходной воды и схемы ее обработки.

Натрий-хлор-ионирование

Расчет сброса стоков от первой ста­дии обработки — натрий-катионировании производится в соответствии с указаниями, приведенными выше.

При регенерации натрий-хлор-ионитных в дренаж сбрасываются: избыток поваренной соли NaCI; продукты регенерации анионита Na₂SO₄, NaHCO₃.

Сбрасываемый избыток соли за одну регенерацию хлор-ионитного или натрий-хлор-ионитного фильтра определяется по формуле:

(3.73)

где V_ан – объем анионита, загруженного в фильтр, м³;

Е_р^Cl - рабочая обменная способ­ность анионита при хлор-ионировании по НСО_з^-, г-экв/м³ (Е_р^Cl =300 г-экв/м³);

g_c - удельный расход соли на регенерацию анионита, г/г-экв

g_c = 217 г/г-экв;

Э_NaCl – эквивалентная масса NaCl (теоретиче­ски необходимая), расходуемая на регенерацию 1 г-экв солей жесткости, г/г-экв;

G_хво - производитель­ность всех хлор-ионитных фильтров, м³/ч;

- содержание сульфат-иона в исходной воде, г-экв/м³.

n - количество регенераций хлор-ионитного фильтра в сутки.

Избыток соли, сбрасываемый от регенерации натрий-хлор-ионитных фильтров в час, определяется по формуле:

кг/ч (3.74)

Количество сбрасываемого в час при регенерации сульфата натрия определяется по формуле:

кг/ч (3.75)

где - эквивалентная масса Na₂SO₄.

Количество сульфата натрия, сбрасываемого за одну регенерацию определяется по формуле:

= (3.76)

Количество NaHCO₃, сбрасывае­мого за одну регенерацию, оп­ределяется по формуле:

= V_ан × Е_р^Cl, г-экв (3.77)

Количество NaHCO₃, сбрасывае­мого от натрий-хлор-ионитных филь­тров в час определяется по фор­муле:

кг/ч (3.78)

где - эквивалентная масса NaHCO₃.

Водный бассейн.

Предельно допустимым сбросом (ПДС) вещества называется масса вещества в сточных водах максимально допустимая к отведению в водный бассейн в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе.

Исходными данными для расчета ПДС котельной установки являются:

- максимальный расход сточных вод от установки ХВО (см. разд. 3.2);

- максимальный расход продувочных вод (см. разд. 2.1);

- количество загрязняющих веществ в сточных водах ХВО (см. разд. 3.3);

- количество загрязняющих веществ в продувочных водах (см разд. 4);

Экологическая оценка котельной установки