Способ и устройство пуска горизонтального интенсифицированного осветлителя с рециркуляцией шлама Российский патент 2024 года по МПК C02F1/52 B01D21/00 C02F9/00 

В процессах предварительной очистки воды в энергетике и в различных отраслях промышленности распространены способы коагуляционной очистки питающей воды, которые позволяют удалить взвешенные и органические вещества, а также близкие к ним процессы умягчения и декарбонизации воды известкованием, которые позволяют снизить жесткость питающей воды, удалить углекислоту, взвешенные и органические загрязнения. Процесс и аппараты для этих процессов очень схожи, так известкование включает подогрев исходной воды, смешивание ее с раствором известкового молока, введение коагулянта – сернокислого или хлористого железа, введение флокулянта, созревание осадки и его отделение от очищенной воды. При коагуляции отсутствует операция введение известкового молока.

В отечественно практике широко применяются вертикальные осветлители воды типа ВТИ в книге: Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. – М.: МЭИ, 2003 с. 289) и типа ЦНИИ (там же с. 293) и более современно их развитие типа ОРАШ описанные в книге: Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. - М.: ДеЛи плюс. 2013, с. 294.

Осветлитель выполняется из металла и состоит из ряда цилиндрических камер, по которым вода последовательно проходит в процессе своей обработки. В начале исходная вода поступает в воздухоотделитель, где освобождается от пузырьков воздуха, мешающих осаждению взвеси. Далее по опускному трубопроводу она попадает в нижнюю коническую часть (смеситель). Патрубок ввода воды в смеситель располагается тангенциально, в результате чего создается вращательной движение воды. В начало, по ходу движения воды, подаются известковое молоко и раствор коагулянта, а в верхнюю часть смесителя – раствор флокулянта. Площадь смесителя по высоте увеличивается. Переменная скорость и вращательное движения воды способствуют интенсивному перемешиванию ее с реагентами и полному протеканию химических реакций. Высокая скорость движения воды в нижней части конуса смесителя препятствует осаждению и накапливанию осадка.

Далее поток воды проходит через перфорированные вертикальные и горизонтальные перегородки, предназначенные для стабилизации направления движения.

При выходе из перегородок сечение осветлителя увеличивается, скорость воды соответственно падает и образуется слой взвешенного осадка. При этом каждая частица взвеси хаотически перемещается, весь же слой в целом находится в фиксированном взвешенном состоянии. Поток обрабатываемой воды движется снизу – вверх через слой взвешенного осадка. Контакт воды и реагентов с частицами твердой фазы способствует полноте и скорости химических реакций, происходит т.н. контактная коагуляция.

Мелкодисперсные частицы взвеси, образующиеся в результате химических реакций и коагуляции, прилипают к ранее образовавшимся частицам, находящимся в слое. Интенсивность очистки воды зависит, главным образом от высоты и концентрации слоя осадка.

Перемешивание всех потоков растворов происходит за счет энергии очищаемой воды, без дополнительных перемешивающих устройств. Что обуславливает его низкую эффективность.

Недостатком приведенного типа осветлителей является необходимость подогрева воды до 30-35^оС и поддержания ее в пределах ± 0,5 ^оС, требование стабильного расхода воды и низкая скорость восходящего потока = удельной производительности – для осветлителей с известкованием и коагуляцией проектная удельная производительность 4,2 – 4,5 м/ч (м³/м²ч), но обычно не превышает 2-3 м/ч. Дополнительным недостатком является длительное время выхода на стационарный режим, которое требует несколько часов.

Значительно эффективнее и производительнее современные горизонтальные аппараты, снабженные перемешивающими устройствами на всех стадиях процесса.

На западе распространены горизонтальные осветлители и осветлители-известкователи с рециркуляцией шлама производства компаний SUEZ-Degrémon (Densadeg, DensadegXRC) (WATER REUSE TECHNOLOGY DEMONSTRATION PROJECT0), и Krüger-Veolia (Actiflo, Multiflo, Actiflo Softening), например описанные в брошюре: High rate softening solution for industry доступен на сайте: https://www.veoliawatertech.com/asia/sites/g/files/dvc3516/files/document/2019/04/2630%2CSoftening2012.pdf c. 2.

Они обладают в 5-10 раз большей удельной производительностью, соответственно требуют существенно меньше площадей и капитальных затрат и благодаря меньшему времени пребывания воды в осветлителе, выходят на стационарный режим существенно быстрее.

Такой скоростной горизонтальный осветлитель для коагуляционной очистки питающей воды и осветлитель-известкователь для умягчения и декарбонизации природной воды представляют из себя горизонтальный аппарат составленные из ряда прямоугольных и/или цилиндрических емкостей с мешалками с организованными самотечными перетоками раствора между ними, и прямоугольным или цилиндрическим отстойником с тонкослойным блоком осветления воды, при больших размерах со скребковым механизмом для удаления образовавшегося осадка.

Основной эффект достигается за счет возврата части готового осадка в камеру созревания, что существенно ускорят процесс образования нового осадка, его укрупнения и повышает скорость осаждения.

За счет оптимизации размеров и интенсивности перемешивания в разных камерах резко улучшаются условия осуществления протекающих процессов. В результате скорость воды/производительность такого аппарата достигает 25-30 м/ч = м³/ч². Кроме того, появилась возможность существенно снизить температуру исходной воды. Благодаря резкому снижению габаритов появляется возможность производить аппараты полной заводской готовности и монтировать готовыми, а не изготавливать их на месте.

Такие аппараты разработаны применительно к европейским условиям. Как оказалось, при эксплуатации в Российском климате с резким изменением температуры поступающей воды, колеблющейся от 4 до 20^оС, которая должно нагреваться до 20-25^оС, при этом происходит бурное выделение растворенного воздуха с нарушением режима работы аппарата.

Отечественным аппаратом, имеющим аналогичные или лучшие характеристики и, главное, приспособленным к нашим условиям эксплуатации является «Скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды», патент на ПМ № 215253 от 08.09.2022 г., данный патент можно принять за ближайший аналог.

Осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама представляет из себя горизонтальный аппарат, составленный из ряда прямоугольных и цилиндрических емкостей с мешалками с организованными самотечными перетоками раствора между ними, и прямоугольным или цилиндрическим отстойником с тонкослойным блоком осветления воды и с конусным или со скребковым механизмом для удаления образовавшегося осадка.

Как показала эксплуатация таких (и такого вида) аппаратов они практически мгновенно включаются в работы при кратковременных остановках без изменения параметров работы, но при длительных остановках, когда полностью оседает шлам в отстойнике и может превратиться в сплошной осадок, не способной к транспортировке. Поэтому производится полное его откачка из отстойника. При следующем запуске аппарат требует некоторое время на выход на стабильный режим путем наработки шлама и включении его рецикла (возврата) в голову процесса.

Заявленное решение позволяет решить указанные выше недостатки.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении быстрого запуска аппарата и его выход на стабильный режим.

Технический результат достигался тем, что способ быстрого пуска горизонтального интенсифицированного осветлителя с рециркуляцией шлама заключается в подачи воды в камеру отделения воздуха, где она деаэрируется, и далее осуществляется последовательное смешение воды с известковым молоком, смешение воды с коагулянтом, смешения с флокулянтом, и разделение воды на осветленную воду и шлам. При этом после задержки подачи воды в камеру отделения воздуха на 5-15 мин, в камеру смешения воды с известковым молоком и/или в камеру коагуляции вводится в течении 20-30 мин заданное количество мелкодисперсного песка, фракции 0,1-0,3 мм.

Это позволяет существенно сократить время выхода на стабильный режим. Количество песка фракции 0,2-0,4 мм подбирается в зависимости от производительности аппарата, состава обрабатываемой воды и определятся при пуско-наладочных работах.

Предлагаемый способ реализуется устройством - скоростным горизонтальным осветлителем-известкователем с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды. Данное устройство выполнено в виде горизонтального аппарата, с организованными самотечными перетоками раствора между камерами, состоящего из:

- камеры для отделения воздуха с деаэрационным устройством вакуумно-эжекционного типа,

- камеры смешения воды с известковым молоком со встроенной мешалкой,

- камеры смешения воды с коагулянтом со встроенной мешалкой,

- камеры смешения с флокулянтом и хлопьеобразования со встроенной мешалкой,

- отстойника с тонкослойным блоком осветления воды,

- расходомера,

- насосов-дозаторов,

- шламовых насосов,

- сотоблока,

- приборов контроля - рН-метров, мутномера.

При этом устройство включает систему хранения и подачи мелкодисперсной загрузки, содержащую бункер для сухого песка фракции 0,1-0,3 мм., водяной эжектор и систему управления, выполненную с возможностью подачи мелкодисперсной загрузки посредством трубопровода в камеру смешения воды с коагулянтом и в камеру смешения воды с известковым молоком.

Предлагаемое решение поясняется фигурой где приведена схема предлагаемого способа и устройства, которое реализует способ.

На фигуре позициями обозначены следующие элементы:

1 – камера смешения воды с известковым молоком,

2 – камера смешения с коагулянтом,

3 – камера смешения с флокулянтом и хлопьеобразования,

4 – отстойник с блоком осветления воды,

5 – камера для отделения воздуха,

6 – деаэрационное устройство вакуумно-эжекционного типа,

7 – расходомер исходной воды,

8, 23, 24 – приборы контроля - рН-метры, мутномер,

9 – расходомер известкового молока,

10,11 – шламовый насос,

12 – насос-дозатор коагулянта,

13 – насос-дозатор флокулянта,

14 – мешалка с известковым молоком,

15 – мешалка с коагулянтом,

16 – мешалка флокулянтом,

17 – зубчатый перелив,

18 – пластины блока осветления воды, установленные под углом 60°,

19 – тара с сухим песком,

20 – бункер для сухого песка,

21 – водяной эжектор,

22 – клапан подачи воды

23 – рН-метр,

24 – мутномер,

25 – трубопровод подачи песчаной пульпы.

Интегрированная система управления всей установкой, на схеме не показана.

Пример осуществления.

Осветлитель-известкователь производительностью 150-200 м³/ч, изготовленный в соответствии со схемой, показанной на фигуре имеет размеры 9600х3300х3300 мм. Он снабжен тремя электрическими мешалками с частотным регулированием оборотов.

Речная вода через расходомер 7 подается в камеру для отделения воздуха 5, через деаэрационное устройство вакуумно-эжекционного типа 6. После чего вода самотеком перетекает в камеру смешения воды с известковым молоком 1, куда, в зависимости от количества поступившей воды, измеренной расходометром 7 и ее рН, измеряемый рН-метром 8 через расходомер 9, вводится известковое молоко. В камере 1 известковое молоко перемешивается с исходной водой мешалкой 14. Время контакта в камере 1 должно обеспечить окончательное растворение известковых частиц и начало их химического взаимодействия с солями в растворе. Туда же, шламовым насосом 10, вводится часть шлама из отстойника 4, что добавляет готовые сформированные частицы осадка. Смесь интенсивно перемешивается мешалкой 14, после чего перетекает в камеру смешения с коагулянтом 2. В камеру 2, насосом-дозатором 12 вводится коагулянт – сульфат железа (или иной аналогичный), и перемешивается мешалкой 15, что резко ускоряет реакцию и образование хлопьев. Далее раствор перетекает в камеру смешения с флокулянтом и хлопьеобразования 3. Камера 3 предназначена для окончательного формирования хлопьев осадка. Для этого в нее, дозатором 13, вводится флокулянт, например, Праестол 650 и организовано перемешивание низкой интенсивности мешалкой 16. Время пребывания в ней 10-15 мин. Полученная пульпа перетекает в отстойник 4, снабженным тонкослойным блоком высотой 500 мм с пластинами, установленными под углом 60°, где происходит ее интенсивное разделение на осевший шлам и чистую воду. Осветленная вода 17 поднимается вверх через наклонные пластины сотоблока, где она окончательно освобождается от взвесей и выводится из установки. Оставшаяся часть шлама из отстойника 4 шламовым насосом 11 выводится в утилизацию.

Очищенная вода выводится самотеком из отстойника 4 через зубчатый водосборник 17 и контролируется по величинам рН - 23 и мутности – 24. Система управления регулирует количества вводимых реагентов по величине расхода исходной воды, ее рН и по качеству выходящей воды.

Рядом с установкой устанавливается система хранения и подачи мелкодисперсного песка, представляющая собой бункер для сухого песка 20 и водяной эжектор 21.

При запуске установи после длительного останова система управления включает работу установки в стационарном режиме, после задержки на 5-15 мин, открывается клапан 22 и речная вода под давлением поступает в водяной эжектор 21. В эжекторе она засасывает сухой песок фракции 0,1-0,3 мм. из бункера 20 и транспортирует его по трубопроводу 25 в камеры 1 или 2, выбираемым в соответствии с конкретным составом воды. После чего взвесь мелкодисперсного песка поступает в камеры 1 или 2 в течении 20-30 мин, благодаря чему создаются условия для интенсивного контактирования воды и реагентов с частицами твердой фазы в данных камерах, что способствует скорости и полноте химических реакций. После этого времени готовый новый шлам из отстойника 4 насосом 10 полностью замещает дополнительный песок, и система управления, закрывая клапан 22, отключает его подачу в аппарат.

Все известные интенсифицированные осветлители производительностью 150-200 м³/ч, имели время полного выхода на стационарный режим при повторном запуске после длительного останова порядка 1,5-2,0 часа. Использование предложенного способа и устройства, состоящего из бункера для хранения мелкодисперсной загрузки, например, песка фракции 0,1-0,3 мм объемом 0,5 м³ и водо-водяным эжектором производительностью 1 м³/ч работавшего в течении 20-30 мин позволило неоднократно сократить время выхода на стационарный режим до 30-45 мин. За это время загружалось от 150 до 500 кг мелкодисперсного песка.

Группа изобретений относится к устройству скоростного горизонтального осветлителя с рециркуляцией шлама и способу его пуска. Способ заключается в подаче воды в камеру отделения воздуха, где она деаэрируется. Далее осуществляют последовательное смешение воды с известковым молоком, смешение воды с коагулянтом, смешение с флокулянтом и разделение воды на осветленную воду и шлам в отстойнике с тонкослойным блоком. При этом после подачи воды в камеру отделения воздуха, в камеру смешения воды с известковым молоком или в камеру коагуляции, после задержки на 5-15 мин, в камеру смешения воды с известковым молоком или в камеру коагуляции вводится в течение 20-30 мин песок фракции 0,1-0,3 мм. Технический результат: обеспечение быстрого запуска аппарата и его выход на стабильный режим. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скоростной горизонтальный осветлитель-известкователь с рециркуляцией шлама для умягчения и декарбонизации природной воды, выполненный в виде горизонтального аппарата с организованными самотечными перетоками раствора между камерами, состоящего из:

- камеры для отделения воздуха с деаэрационным устройством вакуумно-эжекционного типа,

- камеры смешения воды с известковым молоком со встроенной мешалкой,

- камеры смешения воды с коагулянтом со встроенной мешалкой,

- камеры смешения с флокулянтом и хлопьеобразования со встроенной мешалкой,

- отстойника с тонкослойным блоком осветления воды,

- расходомера,

- насосов-дозаторов,

- шламовых насосов,

- сотоблока,

- рН-метра,

- мутномера,

отличающийся тем, что устройство включает систему хранения и подачи мелкодисперсной загрузки, содержащую бункер для сухого песка фракции 0,1-0,3 мм, водяной эжектор и систему управления, выполненную с возможностью подачи мелкодисперсной загрузки посредством трубопровода в камеру смешения воды с коагулянтом или в камеру смешения воды с известковым молоком.

2. Способ пуска скоростного горизонтального осветлителя-изветкователя с рециркуляцией шлама по п. 1, заключающийся в подаче воды в камеру отделения воздуха, где она деаэрируется, и далее осуществляют последовательное смешение воды с известковым молоком, смешение воды с коагулянтом, смешение с флокулянтом и разделение воды на осветленную воду и шлам, после подачи воды в камеру отделения воздуха, в камеру смешения воды с известковым молоком или в камеру коагуляции, после задержки на 5-15 мин, в камеру смешения воды с известковым молоком или в камеру коагуляции вводится в течение 20-30 мин песок фракции 0,1-0,3 мм.