Voimalaitoksen lisäveden valmistus Susanna Vähäsarja ÅF-Consult

Transkriptio

1 Voimalaitoksen lisäveden valmistus Susanna Vähäsarja ÅFConsult Sisältö Lisäveden puhtausluokittelu Lisäveden valmistus ioninvaihdolla Lisäveden valmistus kalvotekniikalla 2 1

2 Lisävesilaadut Kuvaus Johtokyky Valmistusmenetelmä Pehmennetty vesi Ca ja Mgsuolat korvattu Nasuoloilla ~ Esikäsitellyn veden johtokyky Ioninvaihto (NaClelvytteinen vahva kationinvaihdin) Suolanpoistettu vesi Täyssuolanpoistettu vesi Suuri osa veden suoloista poistettu Ultrapuhdas vesi, suurin osa suoloista poistettu < 20 µs/cm Ioninvaihto, RO < 0,20 µs/cm * Ioninvaihto, RO EDI / MB * Absoluuttisen puhtaan veden johtokyky: 0,055 µs/cm 3 Kattilatyypin ja paineen vaikutus lisäveden laatuun (VGB) Kattilatyyppi Kattilan paineluokka Lisäveden laatu < 40 bar* Pehmennetty vesi Lieriökattila < 60 bar* Suolanpoistettu vesi > 60 bar Täyssuolanpoistettu vesi Läpivirtauskattila Kaikki paineluokat Täyssuolanpoistettu vesi, johtokyky < 0,2 µs/cm * Mikäli ei erityisvaatimuksia höyryn tai lisäveden puhtaudelle (esim. ruiskutusvesi) 4 2

3 Miksi pehmennettyä vettä? Kalsiumin ja magnesiumin suolat yleisimpiä kerrostumien aiheuttajia Lämpötilan kasvaessa Ca ja Mgsuolojen liukoisuus veteen laskee kerrostumia Pehmennyksessä poistetaan pahimmat kerrostumia aiheuttavat suolot 5 Suolanpoistoprosessit Ioninvaihto Käänteisosmoosi (RO) Elektrodeionisaatio (EDI) 6 3

4 Suolanpoistoon tulevan veden laatu Ioninvaihto KMnO 4 kulutus < 10 mg/l (DENÅ) Jäännösraudan pitoisuus < 0,050 mg/l (DENÅ) Jäännösalumiinin pitoisuus < 0,100 mg/l (DENÅ) Klooripitoisuus (Cl 2 ) < 0,1 0,2 mg/l (EPRI) Sameus < 2 5 NTU (EPRI) Öljy: ei havaittavissa Käänteisosmoosi SDI < 5 (DOW) Öljy < 0,1 mg/l (DOW) TOC < 3 mg/l (DOW) Veden kiintoainepitoisuus, suodatustesti 0,45 µm suodattimella Vapaa kloori < 0,1 mg/l (DOW) Rautapitoisuus < 0,05 mg/l (DOW) Alumiinipitoisuus < 0,05 mg/l (DOW) 7 Ioninvaihto Vedessä olevat varaukselliset ionit vaihdetaan ioninvaihtohartsin saman varauksen ioneihin OH Na H 8 4

5 Ioninvaihtohartsi CH=CH 2 Styreeni CH=CH 2 CH=CH 2 Divinyylibentseeni Negatiivisesti varautunut ioninvaihtopaikka, esim. SO 3 Liikkuva positiivisesti varautunut vaihdettava kationi,.na tai H Polystyreeniketju Divinyylibentseeni ristisidonta Hydratoitunut vesi 9 Kationin ja anioninvaihtohartsit SO 3 R 3H OH SO 3 H H OH Ca 2 H SO SO OH R 3H R 3H OH R 3H SO 3 H H R 3H OH Na Cl 10 5

6 Cl HSiO 3 Ca 2 Mg 2 Na 27/01/2016 Ioninvaihtoprosessi Anioninvaihdin Kationinvaihdin 2 HCO 3 OH OH OH H OH H OH OH OH OH H H H H H OH OH OH OH H H H H H H Elvytys OH OH OH Ca 2 Ca 2 Ca 2 Ca 2 Ca 2 Hartsin ioninvaihtokapasiteetin ehtyessä hartsit elvytetään Cl Cl Cl Cl Cl HCO 3 HSiO 3 HCO 3 HCO HCO 3 3 HSiO 3 HSiO 3 HSiO 3 Mg 2 Mg Mg 2 Mg 2 2 Mg 2 Na Na Na Na Na Anioninvaihdin: elvytys lipeällä Kationinvaihdin: elvytys hapolla (tai pehmennin suolalla) 6

7 Ioninvaihdintyypit Anioninvaihdin Heikko anioninvaihdin Poistaa: Cl, 2 ja NO 3 Aktiivinen ryhmä OH Elvytys lipeällä Vahva anioninvaihdin Poistaa: Cl, 2, NO 3 SiO 3, CO 3 Aktiivinen ryhmä OH Elvytys lipeällä Kationinvaihdin Heikko kationinvaihdin Poistaa: HCO 3 ioniin sitoutuneet Ca, Mg ja Na Aktiivinen ryhmä H Elvytys hapolla Vahva kationinvaihdin Poistaa: Kaikki kationit Aktiivinen ryhmä H Elvytys hapolla Pehmennin Poistaa: Ca 2 ja Mg 2 Aktiivinen ryhmä Na Elvytys suolalla Sekaioninvaihdin Kationin ja anioninvaihtohartseja sekaisin Poistaa sekä kationeja että anioneja Jälkisuodatin kationin ja anionvaihtimien jälkeen tai lauhteenpuhdistuksessa Täyssuolanpoistettu vesi, johtokyky <0,2 µs/cm Hartsit erotetaan toisistaan elvytystä varten 13 Pehmennys Na Ca 2 Mg 2 Na Na Na HSiO 3 Na K Cl Cl HCO 3 K SO 2 4 HSiO 3 Na Na Na Na Na 2 HCO 3 Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2, CaCl 2, MgCl 2, Ca, Mg Na Na Na Na Na NaHCO 3, NaCl, Na Kalsium ja magnesiumionit vaihdetaan natriumioneihin Elvytys NaCl:lla 14 7

8 Pehmennetyn veden käytössä huomioitava: natriumbikarbonaatti Kattilassa: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 H 2 O CO 2 2 NaOH CO 2 Lauhteessa: CO 2 H 2 O H HCO 3 Liian suuri NaHCO 3 pitoisuus syöttövedessä johtaa kattilaveden ph:n nousuun ja lauhteen ph:n laskuun 15 Heikko kationinvaihdin kaasunpoisto Ca 2 K HCO 3 HCO 3 Mg 2 HCO 3 K CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 Na HCO 3 HCO 3 SO 2 4 HSiO Cl 3 Na 2 H H CO 2 O Cl HSiO 3 Na K 2 Cl HSiO 3 Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2 H 2 CO 3 H 2 O CO 2 Kaasunpoistin muut suolot muut suolot Dealkalisointi / dekarbonisointi 16 8

9 Ioninvaihtimien kytkentä: Kationinvaihdin anioninvaihdin Mg 2 Cl K Na 2 Ca 2 Anionit & kationit Cl HCO 3 Cl HCO 3 HSiO 3 2 HSiO 3 Anionit & H OH OH OH OH OH OH OH OH OH H H O H H O OH H H 2 O Raakavesi Kationit Anionit HCO 3 Ca 2 Mg 2 Cl NO 3 Na 2 Org. Ioninvaihtimien kytkennät SiO 2 Pehmennin Na Heikko kationinvaihdin H Vahva kationinvaihdin H Heikko anioninvaihdin OH Vahva anioninvaihdin OH HCO 3 CO 2 CO 2 CO 2 Na SiO 2 Cl NO 3 SO 2 4 Org. Ca 2 Mg 2 Cl Ca 2 Mg2 NO 3 SO 2 4 Na Org. SiO 2 H Cl NO 3 SO 2 4 Org. SiO 2 H 2 O SiO 2 H 2 O 18 9

10 Ioninvaihtimien ajojakso Ionienvaihtimien ajo/käyttöjaksoksi kutsutaan elvytysten välistä käyttöaikaa Ajojakson pituuden yksikkö: h tai m 3 Ajojakson pituuteen vaikuttavat: Syöttöveden laatu Ioninvaihtohartsin kapasiteetti ja hartsin määrä Veden lämpötila Elvytystehokkuus Virtausmäärä vaadittava minimiajojakso = ioninvaihtimen suunnitteluperusteet 19 Ioninvaihtimien prosessikytkennät 2 x 100 %, 1 linja ajossa, 1 elvytyksessä 3 x 50 %, 2 linjaa ajossa, 1 elvytyksessä 20 10

11 Ioninvaihtimien selektiivisyys Toiset ionit tarttuvat ioninvaihtohartsiin helpommin kuin toiset Huonoiten hartsiin tarttuvat ionit vuotavat ensimmäisenä läpi ioninvaihtimesta Ca 2 Ca 2 Ca 2 Ca2 Ca 2 Cl Cl Cl Cl Cl Mg 2 Mg 2 Mg 2 Mg 2 Mg 2 HCO 3 HCO 3 HCO3 HCO 3 Na Silikaatti HSiO 3 HSiO 3 HSiO 3 HSiO3 Na Na Na Na Natrium 21 Elvytyskemikaalit Rikkihappo, H 2 Vahva kationinvaihtohartsi elvytetään yleensä kahdessa osassa, ensin 1,5 2 % hapolla, sitten 3 4 % hapolla, heikko kationinvaihtohartsi < 1 % hapolla Riskinä Ca :n (kipsin) syntyminen ioninvaihtohartsissa Suolahappo, HCl Kationinvaihtohartsien elvytys 4 8 % vesihappoliuoksella Voimakas korroosion aiheuttaja, inhottava käsitellä Käytetään erikoiselvytyksissä poistamaan mm. rautaa ja alumiini kationinvaihtohartseista Lipeä, NaOH Anioninvaihtohartsien elvytys lämmitetyllä (35 49 C) 2 4 % vesiliuoksella 22 11

12 Elvytystekniikat Myötävirtaelvytys Vastavirtaelvytys 23 Myötävirtaelvytys Syöttövesi Elvytyshappo Ca 2 Mg 2 Na Ca 2 Ca2 Ca 2 Ca2 Mg 2 Mg2 Mg 2 Mg 2 Na Na Na Na Mg 2 Ca 2 Ca 2 Ca 2 Na Ca Ca 2 2 Mg2 Mg 2 Mg 2 Na Na Ca 2 Na Na Mg 2 Mg 2 Mg 2Ca2 Ca 2 Ca 2 Na Na Na Ajojakso Vastavirtahuuhtelu Elvytys 24 12

13 Vastavirtaelvytys Syöttövesi Ca 2 Ca Ca Ca Ca 2 Mg 2 Ca 2 Ca2 Ca2 Ca2 Mg 2 Mg2 Mg 2 Mg 2 Mg 2 Na Mg 2 Mg 2 Na Na Na Na Na Na Na Elvytyshappo Ajojakso Elvytys 25 Vastavirtaelvytystapoja Syöttövesi Vastapainevesi tai ilma Syöttövesi Inertti hartsi Elvytyskemikaali Huuhteluvesi Elvytyskemikaali Vapaa tila Vapaa tila Elvytyskemikaali Elvytyskemikaali Vastapaineelvytys Pakattu peti 26 13

14 Sekaioninvaihtimen elvytys Raakavesi Kationinvaihtohartsi Anioninvaihtohartsi Ilma NaOH NaOH HCl / H 2 Käsitelty vesi Vastavirtahuuhteluvesi HCl / H 2 Ilma Käyttöjakso Hartsien erotus Anioninvaihtohartsin elvytys Kationinvaihtohartsin elvytys Hartsien sekoitus ilmalla 27 Tyypillisimmät ioninvaihtimien kytkennät Suolanpoisto K A1 A2 K A1/A2 K kaasunpoisto A2 Täyssuolanpoisto K A1 A2 MB K A1 A2 K K A1/A2 MB K kaasunpoisto A1/A2 MB K vahva kationinvaihdin MB sekaioninvaihdin A2 vahva anioninvaihdin A1 heikko anioninvaihdin 28 14

15 29 Käänteisosmoosi Kalvotekniikkaan perustuva suolojen poisto Poistaa % veteen liuenneista suoloista Reverse osmosis, RO 30 15

16 Kalvosuodatuksen erotuskokojen vertailu Ionit Proteiinit Virukset Bakteerit Hiekka 10 Suodatus 1,0 µm 0,1 Mikrosuodatus 0,01 Ultrasuodatus 0,001 Nanosuodatus 0,0001 Käänteisosmoosi 31 Osmoosi periaate Osmoottinen paine H 2 O Puoliläpäisevä kalvo 32 16

17 Käänteisosmoosi periaate Paine H 2 O Puoliläpäisevä kalvo 33 Käänteisosmoosiprosessi Syöttövesi Permeaatti Konsentroitunut suolavesi poistetaan rejektinä Permeaatti = puhdistettu vesi Rejekti / konsentraatti n. 25 % syöttövedestä (makealla vedellä) Permeaatti n % syöttövedestä makealla vedellä, n. 60 % suolaisella vedellä 34 17

18 Käänteisosmoosikalvo Polyamidikalvo DOW Chemical company Polyesteritukiverkko Mikrohuokoinen polysulfonikerros Kalvomateriaaleja: Selluloosaasetaatti Vanhin kalvomateriaali Herkkä korkealle lämpötilalle, liian alhaiselle tai korkealle ph:lle, kloorille Polyamidi Moderni kalvomateriaali Kestävämpi lämpötilan ja ph:n suhteen kuin selluloosaasetaatti Komposiittikalvo: kalvo koostuu useammasta kerroksesta 35 Käänteisosmoosimodulin rakenne spiraalimoduli Komposiittipolymeerikalvoja Permeaatti Syöttöveden / permeaatin erottaja Syöttövesivirtaus Tuotevirtaus kalvon läpäisyn jälkeen Kalvojen välinen kannatinkerros Kalvot 36 18

19 Spiraalimodulin rakenne Poikkileikkaus päätykuva Poikkileikkaus sivukuva Syöttövesi Konsentraatti Kalvoon kohdistuva paine Puhtaan veden virtaus kalvojen läpi kalvon keskiputkeen 37 Käänteisosmoosikoneikon rakenne Useita kalvomoduleja yhdistetään samaan painesäiliöön 38 19

20 Käänteisosmoosikytkentöjä Konsentraatti Konsentraatti Permeaatti Permeaatti Konsentraatti Permeaatti 1. vaiheen konsentraatti 2. vaiheen syöttövetenä Nostaa saantoa vähäsuolaisilla vesillä 1. vaiheen permeaatti 2. vaiheen syöttövetenä Parantaa suolanpoistoa suolaisilla vesillä 39 Käänteisosmoosikalvojen likaantuminen ROmodulissa syöttöveden suolat konsentroituvat rejektipuolella jolloin niiden pitoisuus saattaa ylittää liukoisuustulon suolat saostuvat Saostumisen estäminen: ph:n säätö Antiskalantit Pehmennys (ioninvaihto, kalkkisaostus) Syöttövesi Ca 2 2 Ca 2 2 Rejekti Puhdas vesi H 2 O 40 20

21 Syöttöveden lämpötilan säätö Mitä lämpimämpi syöttövesi, sitä suurempi permeaattivirtaus saadaan Mitä suurempi syöttöpaine, sitä suurempi permeaattivirtaus saadaan Lämmittämällä syöttövesi voidaan säästää pumppauskustannuksissa (optimilämpötila C) Toisaalta lämpötilan nosto lisää suolojen kalvon läpäisyä 41 Käänteisosmoosin prosessikytkennät phsäätö Antiskalantti Permeaatti Pehmennin Patruunasuodatin, 5 µm Korkeapainepumput n bar pintavedet n bar merivedet Rejekti 42 21

22 43 ROpermeaatin käsittely Käänteisosmoosi poistaa n % liukoisista suoloista Loput suolat poistetaan sekaioninvaihtimella tai elektrodeionisaatiolla Esikäsittely RO Sekaionin vaihdin Esikäsittely RO EDI Esikäsittely RO EDI Sekaionin vaihdin 44 22

23 EDI:n toimintaperiaate Syöttövesi Kationiselektiivinen Anioniselektiivinen membraani membraani Sähkövirta saa kationit kulkeutumaan katodille ja anionit anodille Katodi Kationit Anionit Rejekti n. 510 % syöttövedestä Anodi Ioninvaihtohartsit Edesauttavat sähkövirtausta Lisäävät ionien liikkuvuutta Elpyvät jatkuvatoimisesti veden dissosioituessa vedyksi ja hydroksidiioniksi Rejekti Tuote Rejekti 45 EDIlaitteisto 46 23

24 Spiraalirakenteinen EDI

25 49 EDI:n hyviä ja huonoja puolia Vie vähän tilaa Ei tarvitse kemikaaleja Jatkuvatoiminen Edulliset käyttökustannukset Tarkat puhtausvaatimukset syöttöveden suhteen (veden oltava ROpermeaatin puhtaustasoa) Jatkuvatoiminen Enemmän säätöjä ja huoltoa kuin sekaioninvaihtimessa 50 25

26 Ioninvaihto vs. käänteisosmoosi Plussat Miinukset Ioninvaihto Vanha tunnettu tekniikka Yksinkertainen Kapasiteettia helppo säätää kulutuksen mukaan Elvytyskemikaalit Prosessi ei käytössä elvytyksen aikana Vie paljon tilaa Käänteisosmoosi Kemikaalimäärät vähäisiä Pienikokoinen Jatkuvatoiminen prosessi Poistaa silikaattia paremmin kuin ioninvaihto (myös kolloidista) Vaatii paremman esikäsittelyn vedelle: kiintoaineen ja raudan poisto, mahdollisesti pehmennys % raakavedestä menee hukkaan rejektinä (merivedellä enemmän) Pumppauskustannukset Ei säätömahdollisuutta kapasiteetin suhteen 51 Suolanpoistoprosessin valinta: ioninvaihto vs. käänteisosmoosi Ioninvaihtoa suosivat: Vähäsuolainen raakavesi Laitoksella muutakin kemikaalinkulutusta Tarve säätää vesilaitoksen kapasiteettia Tarve isolle kapasiteetille Käänteisosmoosia suosivat: Suolainen raakavesi Raakavedessä kolloidista silikaattia Halu päästä kemikaaleista eroon Pieni tila Halpa raakavesi H H H H H H H H H H H 52 26

27 Kohdemaa, laitoksen koko Suomi, kattila 485 MW, sähkö 209 MW Viro, kaukolämpö 60 MW, sähkö 24 MW Projekteja viime vuosilta Aika Vesilaitoksen kapasiteetti Vesilaitoksen kytkentä Raakavesi 2 x 20 m 3 /h H K A1/A2 MB Kaupunginvesi, C = µs/cm Kovuus = 0,8 1,2 meq/l 2 x 30 m 3 /h pehm. vettä, 5 m 3 /h lisävettä H K1 kaasunpoistin pehmennin RO EDI Kaupunginvesi, C = µs/cm Kovuus = 4,4 5,4 meq/l Liettua, kattila 85 MW, sähkö 20 MW Suomi, kattila 38 MW, sähkö 12,5 MW UK, sähkö 50 MW prosessihöyry x 12 m 3 /h H pehmennin RO EDI 2 x 8 m 3 /h AC pehmennin RO EDI MB Kaupunginvesi, C = µs/cm Kovuus = 4,4 5 meq/l Kaupunginvesi, C = 290 µs/cm Kovuus = 1,56 meq/l 2 x 80 m 3 /h AC K A1/A2 MB Esikäsitelty jokivesi, C = µs/cm Kovuus = 0,5 meq/l H Hiekkasuodatin K vahva kationinvaihdin K1 Heikko kationinvaihdin A1 Heikko anioninvaihdin A2 Vahva anioninvaihdin MB Mixed bed, sekaioninvaihdin AC aktiivihiilisuodatin C Johtokyky 53 27