ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДЫ ВРАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НА АВТОМОЙКАХ ПРЕДПРИЯТИЙ АВТОСЕРВИСА
1.1 Использование воды в промышленности
На промышленных предприятиях вода расходуется:
1. на хозяйственно-питьевые нужды рабочих и служащих;
2. на полив зелёных насаждений и территорий промпредприятий;
3. на пожаротушение;
4. на технологические нужды.
На промышленных предприятиях используют воду различного качества:
питьевую, предназначенную для хозяйственных - питьевых целей (может быть использована и на производственные нужды);
техническую свежую, которая забирается из природного источника и подается для производственных целей (очищенная или неочищенная) непосредственно потребителям или на восполнение системы оборотного водоснабжения;
технологическую, приготовленную (из технической и питьевой воды) при помощи специальных технических средств (например, умягченная, обессиленная и т.п.) в зависимости от требований, предъявляемых технологическим процессом производства;
оборотную (циркуляционную), используемую в технологическом процессе и после очистки или охлаждения снова подаваемую для тех же целей;
последовательно используемую, которая используется поочередно в нескольких производственных процессах без промежуточной обработки и охлаждения с последующим выпуском в водоём;
сточную, повторно используемую, которая после использования в технологическом процессе и соответствующей очистки и обработки частично или полностью повторно используется для тех или иных технологических целей, либо идет на пополнение системы оборотного водоснабжения.
На промышленных предприятиях вода используется для следующих технологических целей:
1) для охлаждения оборудования, сырья и продуктов (вода нагревается через стенки теплообменников и практически не загрязняется);
2) в качестве среды, транспортирующей механические или растворенные примеси, попадающие в воду при обогащении и очистке сырья или продукта (вода загрязняется, но обычно не нагревается);
3) для растворения реагентов, используемых в производствах, для получения пара и т. д. (вода в основном входит в технологический продукт, и лишь часть её направляется в сток с отходами производства);
4) для комплексного использования в качестве охладителя продукта, транспортной среды и поглотителя примесей (вода нагревается и загрязняется).
В качестве основных категорий производственного водопотребления могут быть названы: использование воды для охлаждения, для промывки, замочки, увлажнения, для парообразования, для гидротранспорта, в составе производимой продукции и т. д. Использование воды для охлаждения имеет масштабы, значительно превосходящие масштабы всех остальных видов потребления воды, причем удельный вес этой категории в общем объеме производственного водоснабжения продолжает расти. К этой категории относятся расходование воды для конденсации пара, отходящего от паровых турбин электростанций, и использование воды для охлаждения различных печей, машин и аппаратуры (металлургическая, нефтеперерабатывающая, химическая промышленность и др.). Вода для промывки, замочки и т. п. расходуется в больших количествах на нужды бумажной, целлюлозной, шерстеобрабатывающей, текстильной промышленности, промышленности искусственного волокна и др. Расходование воды на гидротранспорт различных материалов имеет место в самых разнообразных отраслях промышленности (в том числе шлако- и золоудаление на теплосиловых станциях, транспортирование шлака в доменных цехах, отходов обогатительных фабрик и т. д.).
Ниже приводится краткая характеристика водоиспользования в этих же отраслях промышленности.
В черной металлургии. Свыше 70% потребляемой воды расходуется при производстве основных видов продукции: чугуна, стали, проката, труб, метизов, для охлаждения металлургических печей, конденсации отработанного пара на ТЭЦ и ПВС, очистки дымовых газов, охлаждения прокатных станов, металла и шлака.
Структура водопотребления характеризуется следующим распределением объема используемой воды между производствами: чугун – 28,0%, прокат – 21,0%, сталь – 16,7%, руда – 12,2%, кокс – 8,7%, агломерации и окатыши – 6,7%, метизы – 1,4%, ферросплавы – 1,3%. На нужды других производств суммарный расход воды не превышает 4%.
К числу основных факторов, сокращающих водопотребление, относятся увеличение единичной мощности и агрегатов, испарительное охлаждение металлургических печей, кристаллизаторов, установок непрерывной разливки стали, сухие методы очистки газов и пневмотранспорт пыли, применение электропривода для турбовоздуходувок и турбокомпрессоров, бескоксовая металлургия. Так, например, бескоксовый метод получения железа прямым восстановлением железорудных концентратов водородов или синтез-газов (Н2+СО2) в 2-3 раза уменьшает расход воды за счет исключения доменного предела и производства кокса и агломерата [1, с.118].
В химической промышленности. Для этой отрасли характерно наличие большого количества различных производств и разнообразие видов и ассортимента выпускаемой продукции. Основными водоемкими технологическими процессами в химической промышленности являются: охлаждение, конденсация, промывка, полимеризация, регенерация, кристаллизация, растворение реагентов, приготовление химически чистой воды и пара, гидротранспорт, адсорбция, экстракция, флотация. В результате сокращения водопотребления, использования замкнутых циклов водоснабжения на отдельных технологических линиях темпы роста потребления свежей воды ниже темпов роста объемов выпускаемой продукции.
В целлюлозно-бумажной промышленности. Здесь вода является средой, в которой протекают основные технологические процессы. В настоящее время, как правило, применяются системы водоснабжения с последовательным использованием воды. На предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности более половины всей потребляемой воды идет на изготовление целлюлозы. Наиболее водоемкие технологические процессы связаны с изготовлением древесной массы, варкой, промывкой, отделкой, сортированием и сушкой целлюлозы. В бумажно-картонном производстве наиболее водоемким процессом является отлив бумажного (картонного) полотна. Технология целлюлозно-бумажного производства, особенно на бумажно-картонных предприятиях, позволяет в дальнейшем ориентироваться на полностью замкнутый цикл использования воды. Внедрение безводных и маловодных процессов и схем связано с новыми методами варки и отбелки целлюлозы, в т.ч. кислородно-содового, кислородно-щелочного, гидротройного и окислительного аммонолиза. Отбелка целлюлозы с помощью хлора, двуокиси хлора и аммиака позволяет сократить сброс сточных вод при отбелке на 10м3 на 1 т целлюлозы (~3%).
В машиностроении и металлообработке. Машиностроение является значительным водопотребителем, на долю которого приходится около 15% промышленного водопотребления. Особенностью отрасли является то, что машиностроительные предприятия различного профиля в отдельности являются сравнительно небольшими потребителями воды, располагаются преимущественно в городах и потребляют воду как правило, из коммунальных водопроводов. Поэтому сокращение водопотребления машиностроительных заводов имеет большое значение для улучшения водоснабжения городов. Около 70% потребляемой воды на предприятиях отрасли расходуется на охлаждение различного оборудования. Основное направление в снижении водопотребления – ввод систем оборотного водоснабжения [1, c.120].
В цветной металлургии. Отрасль является одной из водоемких в промышленности. К 1990 году ожидается значительный ввод в число действующих систем оборотного водоснабжения, что позволит довести коэффициент оборота в отрасли до 0,86. В настоящее время в цветной металлургии перспективы уменьшения потребления свежей воды связаны также с внедрением прогрессивных технологий. Технология плавки, совмещающая основные переделы, то есть обжиг, плавку и конвертирование штейнов, в одном металлургическом агрегате, позволяет добиться практически полного отсутствия сточных вод и почти в 20 раз сократить объем газа.
В теплоэнергетике. На нужды теплоэнергетики забирается около 17% потребляемой народным хозяйством свежей воды. К 2000 году потребность в свежей воде возрастет в 2 раза и составит около 950км/год. Прогнозируемые объемы водопотребления включают потребность в воде тепловых (ГРЭС, КЭС), атомных электростанций (АЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Основным трудоемким процессом в отрасли является охлаждение пара в конденсаторах турбинных установок. Расход охлаждающей воды составляет 90-95% общей потребности теплоэнергетики в воде. Главным направлением0 снижающим удельное потребление свежей воды в отрасли, является развитие оборотных систем водоснабжения. Наиболее распространенными в настоящее время являются оборотные системы с охлаждением воды в охладителях. Однако увеличение площадей, занятых прудами, заставляет проектировать для крупных тепловых электростанций оборотные системы водоснабжения с градирнями.
Крупным промышленным центром страны в настоящее время является Казахстан. Водопотребление промышленности в Республике характеризуется большим объемом воды, используемой в технологических процессах.
Промышленное водоснабжение республики в перспективе должно ориентироваться на максимальное внедрение систем оборотного водоснабжения и последовательное использование воды, снижение удельного водопотребления на единицу продукции при совершенствовании водопользования на предприятиях, изменение технологических процессов с заменой водоемких производств на менее водоемкие или совсем безводные, расширение применения воздуха для охлаждения и т.п. Кроме энергетики, так же и как в масштабе всей страны, наиболее крупными водопотребителями в республике являются химическая, металлургическая, нефтеперерабатывающая и нефтедобывающая, машиностроительная и металлообрабатывающая, угольная отрасли промышленности [1, c.125].
1.2 Требования к качеству и свойствам воды
Качество воды, используемой на производственные цели, устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от назначения воды требований технологического процесса с учетом используемого сырья, применяемого оборудования и готового продукта производства.
Основным при технологическом нормировании качества воды (природной, повторно используемой и оборотной) является условие, чтобы используемая в системах производственного водоснабжения вода не нарушала санитарно-гигиенического состояния рабочих мест и технологического процесса производства.
В соответствии с этим возникают требования к воде:
должна быть безвредной для здоровья обслуживающего персонала;
не должна обладать отрицательными органолептическими свойствами
не должна ухудшать качество продукции;
не должна вызывать коррозии аппаратуры, трубопроводов и сооружений;
не должна давать карбонатных или других солевых отложений и способствовать развитию биологических обрастаний;
качество воды не должно снижать технико-экономических показателей производственного процесса и создавать аварийные режимы.
При нормировании качества воды для использования ее на производственные цели следует учитывать:
Положительные свойства некоторых примесей воды, например, поверхностно-активных веществ, тормозящих процессы карбонатных отложений и коррозии, веществ, являющихся ингибиторами коррозии и т.д.;
Химическую и термическую устойчивость примесей, которые могут разрушаться в процессе охлаждения или нагрева воды. При этом концентрация таких примесей в воде может снижаться до допускаемых пределов, например, окисление сероводорода или фенолов на градирнях в процессе охлаждения резко снижает концентрацию этих примесей в воде. Требования к качеству воды, используемой на производственные цели, различны и определяются в зависимости от характера производства. Соответственно разными будут состав и концентрация загрязнений оборотной воды и воды, сбрасываемой производством в водоемы.
Для выбора метода очистки и обработки воды, выбора доз реагентов, установления водного режима, в особенности систем оборотного водоснабжения, рекомендуется проводить технологические исследования на экспериментальных установках (моделях) с той водой, которая будет использована в производстве [2, с.35].
1.3 Системы производственного водоснабжения
В зависимости от выполняемой функции воды системы ее использования подразделяются на технологические, в которых вода используется в качестве промышленного сырья, растворителя и реакционной среды; экстрагентные, в которых вода используется для извлечения из полупродукта или товарного продукта нежелательных примесей, очистки газообразных выбросов, очистки твердых отходов от водорастворимых компонентов, мойки оборудования; охлаждающие и транспортирующие, в которых вода используется соответственно в качестве охлаждающего и транспортирующего агентов.
Системы производственного водоснабжения по характеру использования воды подразделяются на прямоточные, с повторным использованием воды, с оборотом воды и комбинированные.
Согласно требованиям «Основ водного законодательства Республики Казахстан», система водоснабжения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде системы замкнутых циклов для отдельных цехов или участков. При этом необходимо предусматривать необходимую обработку или охлаждение оборотной воды.
Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения системы оборотного водоснабжения. При прямоточном водоснабжении (рис.1,а) вся забираемая из водоема QИCT, вода после участия в технологическом процессе (в виде отработанной) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве Qпот. Количество отводимых и сбрасываемых в водоем сточных вод Qc6p составляет:
QСБР. = QИСТ. – QПОТ. (1.1)
Сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем должны проходить через очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается на величину потерь воды со шламом QШЛ.
При схеме водоснабжения с последовательным использованием воды (рис.1,б), которое может быть двух-трехкратным, количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с потерями на всех производствах и очистных сооружениях:
QСБР. = QИСТ. – (QПОТ. + QПОТ.2 + QШЛ.) (1.2)
Возможны три основные схемы оборотного водоснабжения соответственно назначению воды в производстве.
Если вода является теплоносителем и в процессе использования нагревается, не загрязняясь, то перед повторным применением для тех же целей ее предварительно охлаждают в охладительных установках (рис. 2,а).
Если вода служит средой, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси, и в процессе использования загрязняется ими, то перед повторным применением сточная вода проходит обработку на очистных сооружениях (рис. 2, б).
При комплексном использовании воды, когда она является транспортирующей средой и одновременно служит теплоносителем, вода в системе оборотного водоснабжения перед повторным применением очищается от загрязнений и охлаждается (рис. 2, в).
При таких системах оборотного водоснабжения для компенсации безвозвратных потерь воды в производстве, на охладительных установках (испарение с поверхности, унос ветром, разбрызгивание), на очистных сооружениях, а также потерь воды, сбрасываемой в канализацию, осуществляется подпитка из водоемов и других источников водоснабжения. Количество подпиточной воды определяется по формуле:
QИСТ. = QПОТ. + QУН. + QШЛ+ QСБР. (1.3)
Подпитка систем оборотного водоснабжения осуществляется постоянно и периодически. Количество добавляемой воды составляет 5-10 % общего количества воды, циркулирующей в системе.
Следует отметить, что приведенные схемы прямоточного и оборотного водоснабжения промышленных предприятий носят общий характер. В практике часто встречаются комбинированные системы водоснабжения и водоотведения с различными схемами в зависимости от специфики производства, местных условий, напряженности водного баланса и др.
Рис.1 - Схема водообеспечения промпредприятий:
1 – вода свежая чистая, ненагретая; 2 – сточная вода, нагретая; 3 – то же, нагретая и загрязненная; 4 – то же, очищенная.
Рис.2 - Схемы оборотного водоснабжения промпредприятий:
1 – вода свежая, чистая, ненагретая; 2 – сточная вода, нагретая; 3 – то же, ненагретая и загрязненная; 4 – то же, очищенная; 5 – сточная вода, загрязненная; 6 – оборотная вода.
В отдельных случаях при основной схеме оборотного водоснабжения выполняют прямоточную систему для питания потребителей, не использующих по тем или иным причинам оборотную воду. Прямоточный водопровод часто объединяют с хозяйственно-питьевым и противопожарным. Нагретая чистая вода из систем отдельных цехов в определенных условиях может быть использована для восполнения потерь в цехах оборотного водоснабжения или для питания установок, на которых допускается применение нагретой воды.
Во всех случаях при оборотном водоснабжении для отдельных производств имеется общий сток предприятия, вода которого (после соответствующей обработки) полностью или частично может быть повторно использована на пополнение систем оборотного водоснабжения, например, по схеме, приведенной на рис.3; при этом в общий сток могут поступать также атмосферные осадки (дождевые или снеговые) и дренажные грунтовые воды.
Рис.3 - Схема оборотного водоснабжения с повторным использованием очищенных сточных вод:
1 – водоочистные сооружения; 2 – охладитель оборотной воды; 3 – кислые стоки; 4 – щелочные стоки; 5 – насосная станция; 6 – бытовые стоки; 7 – сооружения биологической очистки; 8 – пруд-отстойник; 9 – общий сток предприятия; 10 – оборотная вода
Выбор той или иной схемы водоснабжения обусловливается, прежде всего ролью воды в промышленном производстве, характером этого производства и применяемого оборудования, техническими и местными условиями (мощностью источника и качеством воды в нем, расстоянием и высотой расположения предприятия от источника), а также санитарными требованиями к выпуску сточных вод [3, с.37-47].
1.4 Критерии рациональности использования воды
Эффективность использования воды промышленными предприятиями может оцениваться несколькими методами. Однако все они основаны на применении оборота воды, как для всего промышленного предприятия, так и для отдельных производств, цехов и установок.
Техническое совершенство системы водоснабжения оценивается количеством использованной оборотной воды в процентах:
РОБ. =Qоб/( Qоб+Qист+Qсыр)*100 (1.4)
При этом чем РОБ. ближе к 100%, тем совершеннее система. Среднее значение РОБ. по стране около 75%, а на передовых предприятиях – 80-95%.
Рациональность использования воды, забираемой из источника, оценивается коэффициентом использования:
Ки=(Qист+Qсыр+Qсбр)/(Qист+Qсыр)?1 (1.5)
Этот коэффициент должен быть по возможности ближе к ?.
Среднее значение Ки по стране равно 0,27-0,3, на передовых предприятиях – 0,75-0,9.
Безвозвратное потребление и потери воды в системе водоснабжения в процентах от общего ее расхода определяется:
Рпот=(Qист+Qсыр-Qсбр)/(Qист+Qсыр+Qпосл+Qоб)*100 (1.6)
Среднее значение этого показателя для промышленности страны в целом равняется 2,5%, а для отдельных производств – 1,25-30%.
В формулах (1.4-1.6) приняты следующие обозначения:
QОБ и QПОСЛ – количество воды, используемой в обороте и последовательно; QИСТ и QСЫР – количество воды, забираемой из источника и поступающей в систему водоснабжения с сырьем и др; QСБР – количество сточных вод, сбрасываемых в водоем[4, с.11-13].
1.5 Принципы проектирования систем оборотного водоснабжения
Система оборотного водоснабжения может быть в виде отдельных циклов оборота воды для каждого цеха (производства) или ряда цехов (производств), а также общей для всего промышленного предприятия.
Для выбора системы водоснабжения на стадии проектирования следует сначала рассмотреть размещение цехов (производств) на генеральном плане предприятия. Затем сгруппировать потребителей воды, аналогично использующих воду в промышленном производстве (вода – охладитель, поглотитель, транспортирующая среда и т.д.) и предъявляющих к качеству и свойствам этой воды и ее давлению (напору) идентичные требования.
Одновременно следует установить качество отработавшей (сточной) воды по физико-химическим показателям и ее остаточный напор, что определяет необходимость и выбор метода очистки и кондиционирования воды перед ее повторным использованием в производстве.
Вслед за этим необходимо оценить надежность получения воды потребителями в нужном количестве и требуемого давления (напора). По первому (группирование потребителей) и второму (требование надежности) признакам можно наметить расположение блока основных сооружений системы оборотного водоснабжения (насосная станция, градирни, водоочистные сооружения и др.) и начертание линий водоводов и водонапорной сети, определить узлы переключения потоков воды, средства автоматизации оборудования и защиты его и трубопроводов от повреждения.
При определении возможных пунктов расположения блока водопроводных сооружений и начертаний линий водоводов и водопроводной сети необходимо иметь в виду фактор одновременности или разновременности строительства производственных объектов, охватываемых проектируемой системой водоснабжения. Во всех случаях рекомендуется считаться с возможностью интенсификации или реконструкции производства, когда потребление воды может превысить расчетный расход и возникнет необходимость расширения системы водоснабжения.
При проектировании систем оборотного водоснабжения необходимо учитывать, что теплообменные аппараты в некоторых случаях не обеспечивают надлежащего отъема тепла от охлаждаемого продукта, в результате чего температура его на выходе оказывается выше нормативной. Недоохлаждение продукта до нормативной температуры может вызвать нарушение нормативного технологического процесса установок, большие производственные потери продукта, снижение качества его, а иногда невыполнение требований пожарной безопасности.
Загрязнение теплообменных аппаратов и недоохлаждение продуктов или деталей машин происходит по следующим причинам:
из-за наличия большего количества в оборотной воде нерастворенных или растворенных веществ, поступающих с добавочной водой из источника, с воздухом на водоохладителях или через неплотности в теплообменных аппаратах, а также в результате развития биологических обрастаний, образования СаСО3 и Fe(OH)3.
из-за температурных условий в самих теплообменных аппаратах, благоприятных для развития в них биологических обрастаний, образования карбоната кальция или процессов коррозии;
вследствие присутствия в оборотной воде необходимого для бактерий питания (азот, углерод, фосфор, а в отдельных аппаратах сероводород и др.), а также достаточное количество кислорода, которым вода обильно обогащается на градирнях;
из-за малых скоростей движения охлаждающей воды в аппаратах.
Так как ни один из перечисленных факторов полностью устранить не представляется возможным по технологическим условиям, необходимо предусмотреть определенные методы борьбы с загрязнением теплообменных аппаратов, а также другими затруднениями, возникающими в системах оборотного водоснабжения.
После выполнения перечисленных этапов в проектировании системы оборотного водоснабжения, подбора диаметра трубопроводов, марки насосов, типа и размеров сооружений производит сравнение технико-экономических показателей вариантов [5, с.24].
1.6 Принципы создания оборотных систем водного хозяйства
Повышение эффективности работы промышленности, сопровождающееся увеличением объемов производимой продукции и ассортимента, улучшением ее качества, необходимо осуществлять с максимальным использованием природного сырья, энергии и с минимальным воздействием на окружающую природную среду. Решение этой проблемы ведется в различных направлениях, к числу которых относятся: переход на безводные технологические процессы; рациональное использование воды на промышленных предприятиях; повторное применение производственных и городских сточных вод в промышленности; оборотное водоснабжение на предприятиях. Конечной является задача создания оборотных систем водного хозяйства, в которых отсутствует сброс сточных вод в водоемы, а коэффициент использования свежей воды равен единице.
Научно-техническая задача создания оборотных систем водного хозяйства промышленных предприятий состоит в решении комплекса вопросов, начальным этапов которого является совершенствование технологий производства продукта и использования воды, обеспечивающих экономические преимущества замкнутых систем перед существующими.
Решение этой задачи предполагает:
1. комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов;
