Artiklid

Mine tagasi lehele: Artiklid

Veekäitlus soojuselektrijaamades

Soojuselektrijaama põhiseadmed

Elektrijaama põhiseadmed on auru tootev katel, turbiin, mille tööratta aur pöörlema paneb ning turbiiniga samal võllil olev generaator, mille pöörlemine indutseerib elektrienergiat.

Elektrijaama kõrgrõhukatlad töötavad rasketes tingimustes – temperatuur 500 oC ja rõhk üle 90 baari. Otse loodusest võetav vesi (toorvesi), mis ei ole katla jaoks ette valmistatud, auru tootmiseks ei sobi, sest selles leiduvad soolad sadestuvad katla vee- ja aurutorudest moodustatud küttepindadele, halvendavad soojusvahetust ja ummistavat torusid katlakiviga. Auruga kaasa liikuvad silikaadid jt soolad ladestuvad turbiini labadele. Seepärast on elektrijaamas vaja veetöötlusseadmeid, mille abil katla toitevett ette valmistatakse (nt koaguleerimise, filtrimise, pehmendamise või täieliku soolaärastuse (demineraliseerimise) teel).

Veeringlus soojuselektrijaamas

Demineraliseeritud vett kulub soojuselektrijaama veekao (vee-, auru- ja kondensaadikao) katteks 1–3% toitevee kogusest. Demineraliseeritud vesi läheb kondensaatorisse või deaeraatorisse. Kondensaat, mis moodustab toitevee põhiosa, juhitakse koos demineraliseeritud lisaveega deaeraatorisse, kus eraldatakse lahustunud gaasid (nt hapnik, süsihappegaas). Edasi läbib vesi kõrgrõhu-eelsoojendi ja ökonomaisri, kus ta lahkuvaid suitsugaase jahutades soojeneb. Ökonomaisrist liigub vesi katlasse, kuumeneb katlatorudes ning suundub auru ja vee seguna katlatrumlisse, kus aur eraldub veest. Katlatrumlist liigub aur turbiinilabadele. Äratöötanud aur liigub kondensaatorisse, kus ta kondenseerub. Kondensaat koguneb toiteveemahutisse, kust ta koos lisaveega uuesti ringlusse läheb.

Veetöötlus

Elektrijaama jaoks saadakse vett kas ühisveevärgist või otse loodusest – jõest, järvest, puurkaevust. Ühisveevärgivesi on enamasti juba nii puhas, et seda ei ole elektrijaama jaoks vaja eeltöödelda. Loodusest võetavat vett on aga vaja kõigepealt eelpuhastada: heljum kõrvaldatakse koaguleerimise-flokuleerimise ja selitamise ning järgneva filtrimisega läbi liiv- või antratsiitfiltrite. Kui seejärel rakendatakse membraantehnoloogiat (vt allpool), tuleb vesi kindlasti lasta läbi liiv- või kassettfiltrite, et membraanidele ei pääseks ka kõige peenemad heljumikübemed.

Laialdaselt kasutusel olev veepuhastustehnoloogia on katioonide ja anioonide kõrvaldamine ioonivahetuse teel. Selleks kasutatakse ioonivahetusvaike, mille maatriksis on kas H+– või OH-.-ioonid, mis vahetuvad vees olevate ioonide vastu. Vähestes elektrijaamades on kasutatud ka energiakulukaid veeaurusteid.

Ioonivahetusfiltritesse on vaja suurt kogust ioonivahetusvaiku. Kui tsükliliselt töötava filtri ioonivahetusvõime on ammendunud, filter regenereeritakse ning algab uus veepuhastustsükkel.

Vee demineraliseerimiseks rakendatakse kaheastmelist ioonivahetust:

–      I astme kationiitfiltrid vahetavad veest peamised karedust põhjustavad Ca- ja Mg- katioonid;

–      I astme anioniitfiltrid vahetavad veest anioone – tugevate hapete jääke (Cl, SO4);

–      süsihappegaas kõrvaldatakse dekarbonisaatoris;

–      II astme kationiitfiltrid vahetavad veest jääkkaredus- ja Na-ioone ning

–      II astme anioniitfiltrid nõrkade hapete jääke (nt CO3, SiO2).

Anioniidid toimivad happelises keskkonnas paremini ja H-kationeeritud vesi on happeline, seepärast paigutatakse anioniitfiltrid kationiitfiltrite järele. Tänapäeval on ka selliseid filtreid, milles on ühes filtris koos mõlemad kationiidid (nii nõrgalt kui ka tugevalt happelised) ning teises anioniitide segu (nii nõrgalt kui ka tugevalt aluselised), siis on filtreid vähem,  filtrite mõõtmed väiksemad ning filtrimiskiirus suurem.

Vee põhjalikumaks töötlemiseks rakendatakse kolmeastmelist ioonivahetust, kusjuures kolmandas astmes on nn segufilter (mixed bed, MB), mille ioniit on tugevalt happelise kationiidi ja tugevalt aluselise anioniidi segu.

Filtrites kulgevad järgmised reaktsioonid:

R-H + CaCl2 → R-Ca + HCl (R tähistab ioniidi maatriksit).

Nagu reaktsioonivõrrandist näha, seob Ca2+-ioon end kationiidi maatriksiga, vesinikuioon koos Cl-iooniga moodustab soolhappe ning H-kationiitfiltrist väljuv vesi ongi happeline.

Kationiidi regenereerimisel 1–4% väävelhappe, viimasel ajal ka soolhappega, on reaktsioon vastupidine:

R-Ca + H2SO4 → R-H + CaSO4.

Anioniidi ülesanne on neelata veest anioonid (happejäägid). Filtris kulgevaid protsesse kirjeldab võrrand:

R-OH + HCl → R-Cl + H2O. Anioniidid seovad happejääke, nt Cl, SO42-, CO32-, SiO22- .

Anioniite regenereeritakse NaOH 4%-lise lahusega:

R-Cl + NaOH → R-OH + NaCl.

Karedusioonide eraldamiseks kasutatakse kõige enam Na-kationiitfiltreid, mida regenereeritakse 10%-ise keedusoolalahusega. Kareduskatioonid (Ca ja Mg) vahetuvad naatriumiiooni (Na+) vastu: naatriumisoolad katlakivi ei tekita.

Viimasel kümnendil on veepuhastustehnoloogia oluliselt muutunud. Kasutusele on võetud uued koagulandid ja flokulandid, uued ioniidid, uued membraanid, selitusmeetodid ja UV-kiiritustehnoloogiad. Ajakohaste demineraliseerimisseadmete komplekti kuuluvad kõik protsessi toimimiseks vajalikud seadmed: liiv-, veepehmendus- ja kassettfiltrid, pöördosmoosi- ja elektrodeioniseerimisseadmed (EDI), kõrgrõhupumbad, desinfitseerimis-seadmed ning automaatsed nn on-line-mõõturid: elektrijuhtivuse analüsaatorid, pH-, silikaadi-, naatriumi-, hapniku- jt mõõturid.

Ioonivahetuse asemel on hakatud eelistama membraantehnoloogiat, millel on mitu eelist: lihtsam automatiseerida, väiksem kemikaalikulu, seadmed võtavad vähe ruumi ning vee kvaliteet on ioonivahetusega toodetust parem.

Pöördosmoos ehk hüperfiltrimine

Osmoos on aine difusioon läbi poolläbilaskva membraani, mis eraldab kaht erisuguse ainesisaldusega lahust. Harilikult difundeerub läbi membraani lahusti, sest selle molekulid on väiksemad. Osmoosi tulemusena tekib suurema ainesisaldusega lahuses lisarõhk – osmoosne rõhk.

Pöördosmoosiseadmetes pööratakse protsess vastupidiseks. Selleks avaldatakse suurema soolasisaldusega lahusele osmootsest suuremat rõhku ning vesi sunnitakse liikuma läbi membraani väiksema soolasisaldusega lahuse poole. Sel moel „pigistatakse“ vee molekulid lahusest välja ning lahuses olnud soolad jäävad membraanile pidama. Pöördosmoosiga (PO, ingl reverse osmosis, RO) peetakse kinni kuni 95% vees sisalduvatest sooladest. Saadakse peaaegu täiesti puhas vesi ja soolakontsentraat. Membraanipoorid on nii peened, et isegi mikroorganismid (nt bakterid) läbi ei pääse.

PO-seadmete jõudlust mõjutab vee temperatuur. Tavaliselt suureneb jõudlus umbes 3% iga 1 oC temperatuuri tõusu kohta.

Pöördosmoos on hästi automatiseeritav ja vajab suhteliselt vähe järelevalvet. Muret teeb membraanide ummistumine aja jooksul ning töödeldava vee põhjaliku eelpuhastuse vajadus (heljumisisaldust iseloomustav SDI, silt density index (nn mudaindeks) peab olema alla 3). Selleks tuleb PO-seadmesse sisenev vesi lasta läbi kott- või kassettfiltri. PO- membraanide kaitseks pehmendatakse eelpuhastatud vett Na-kationiitfiltrites, milles vee karedus langeb alla 0,5 mg-ekv/l. Veest on vaja kõrvaldada ka kõik 5 µm-st suurema läbimõõduga osakesed. PO-seadmesse siseneva vee orgaanilise süsiniku sisaldus ei tohi ületada 20 mg/l. On ka selliseid pöördosmoos-veepuhastussüsteeme, kus katlakivi tekkimise vältimiseks doseeritakse vette fosfaate, siis ei ole vaja vett eelnevalt pehmendada.

PO-seadmeid tarnitakse koos vee kvaliteeti kontrollivate automaatmõõteriistadega (elektrijuhtivusmõõtur, TOC-sisalduse mõõtur) ning nende tööd juhitakse juhtpaneeli kaudu. Seadme ees ja taga peab olema kraan veeproovide võtmiseks.

PO-seadme töö ajal eraldub pidevalt soolast vett – kontsentraati – (umbes  25% seadme jõudlusest), mis läheb reoveepaaki ja sealt puhastusse. PO-membraani abil demineraliseeritud vett nimetatakse permeaadiks. Permeaadi tavapärane kvaliteet:

elektrijuhtivus                      ≤ 20 µS/cm;

üldkaredus                           ≤ 0,1 odH   (e 0,03 meq/l);

pH                                          5 – 9;

temperatuur                         ≤ 25 oC.

PO-membraanide kaitseks on vaja puhastatavasse vette doseerida kemikaale, mis ei lase karedust põhjustavatel ioonidel membraanile sadestuda. Sellele vaatamata tekib aja jooksul ikkagi sadet. Kui PO-seadme jõudlus hakkab langema ja vee kvaliteet halvenema, siis tuleb membraani pesta. Puhastus on kaheastmeline – algul leeliseliste ning seejärel happeliste kemikaalidega. Kui PO-seadmeid tahetakse kauemaks kui 2–7 päevaks seisma jätta, tuleb nad konserveerida.

Joonis 1

Joonis 1. Tööstuses (vee) kasutatav pöördosmoosi seade – pikkade torumoodulite sees on on rulli    keeratud membranid. Membraanide vahel liigub puhastatud vesi permeaadi- ning soolasid sisaldav vesi kontsentraadi poolele

Kõrgrõhukateldega elektrijaamad vajavad veelgi puhtamat vett, kui suudavad anda pöördosmoosiseadmed (elektrijuhtivus ja TOC-sisaldus liiga suured). Seepärast järgneb pöördosmoosile elektrodeioniseerimine (EDI).

Elektrodeioniseerimine on membraantehnoloogia ja ioonivahetuse kombinatsioon. Saadakse väga puhas tööstuses kasutatav vesi, kusjuures kemikaalikulu on 95% väiksem kui ioonivahetuse korral. Ka elektrit kulub vähem.

Demineraliseeritud vee kvaliteet pärast EDI-seadmeid:

elektrijuhtivus                                      ≤ 0,2 µS/cm;

räni SiO2 (lahustunud)       ≤ 0,01 mg/l;

Na+K                                                    ≤ 0,02 mg/l;

Cu                                                         ≤ 0,003 mg/l;

Fe (ioonina)                                         ≤ 0,02 mg/l.

Elektrodeioniseerimisel tekkiva kontsentraadi, mille elektrijuhtivus on 150–1250 µS/cm, kvaliteet lubab seda kasutada soojusvõrguvee lisaveena.

EDI-seadme (joonis 2) põhiosa on deioniseerimiskamber, mis on täis katoodi ja anoodi vahele pakitud ioonivahetusvaike (joonisel valge) ning mille seinteks on anioon- ja katioonmembraanid. Kogu membraani- ja ioonivahetusvaigukihtide pakett paikneb rulli keeratuna torus nii, et kihtide vahele tekib palju minikambreid. Kambrid ja membraanid vahelduvad kindlas järjekorras: kontsentraadikamber – anioonmembraan – ioonivahetuskamber – katioonmembraan – kontsentraadikamber – anioonmembraan – ioonivahetuskamber jne. Ühest toru otsast pääseb puhastatav vesi otse ioonivahetuskambritesse. Ioonivahetuskambrist lähevad soolade ioonid läbi katioon- ja anioonmembraanide kontsentraadikambritesse, aga vesi, liikudes torus läbi ioniidi, muutub üha puhtamaks. Soolade ioonid pääsevad kogu teekonnal läbi membraanide. Toru teisest otsast väljub ioonivahetuskambritest puhas vesi ning kontsentraadikambritest kontsentraat.

Nagu ütleb tehnoloogia nimetus: elektrodeioniseerimine, kasutatakse deioniseerimisel ka elektrit. See on omakorda keeruline protsess, mis on välja töötatud selleks, et mitte kasutada kemikaale ioniitide regenereerimiseks, vaid saada selleks vajalikud H+– ja OH– ioonid vee lõhustamisel tugeva elektrilise potentsiaali toimel. Vee elektrijuhtivus muutub väga väikeseks.

Joonis 2

Joonis 2. Elektrodeioniseerimisseadme ehituse põhimõtteskeem

EDI on kasutatav igas tööstusharus, kus soovitakse eraldada vees sisalduvaid sooli ohtlikke kemikaale kasutamata, sh katla lisatoitevee ettevalmistamiseks soojuselektrijaamades. EDI vähendab SiO2-iooni ja TOC-sisaldust ning kõrvaldab täielikult orgaanilised ühendid. Kombineeritult PO-ga ja eelpuhastusega eraldab EDI veest enam kui 99,9% ioonidest.

EDI-seadme tööpõhimõtet selgitab joonis 3: seguioniit (ioonivahetusvaik, joonisel on kationiiditerakesed punased ja anioniiditerakesed kollased) asub katioonmembraani ja anioonmembraani vahel ning iga kahe ioniidikambri järel tuleb vaheldumisi kas katood või anood. Helesiniste sirgete nooltega märgitud toitevesi siseneb ioniidikambritesse, soolade ioonid pääsevad ioniidikambrist läbi katioon- ja anioonmembraanide (joonisel kollased) kontsentraadikambritesse (K – joonisel rohelised). Puhas vesi väljub ioniidikambrist ning kontsentraadikambritest juhitakse ära kontsentraat.

EDI-seadmeid ei saa kasutada, kui lähtevee karedus on üle 1 mg/l CaCO3, sest kaltsiumkarbonaat võib kriimustada membraanide kontsentraadipoolseid pindu. Seetõttu on vaja vett eelnevalt puhastada. CO2 võib pääseda läbi PO-membraanide, dissotsieeruda ja tõsta vee elektrijuhtivust. CO2 kõrvaldamiseks on kaks viisi: kas korrigeerida vee pH-d, et PO-membraanid ise ioonidest puhastuksid, või desorptsioongaasi abil.

EDI-seadmete juhtimiseks peab väga täpselt tundma nende käidu- ja hooldusjuhiseid, sest nad töötavad ohtlikult kõrgel pingel.

Joonis 3

Joonis 3. EDI-seadme tööpõhimõte

 Elektrijaama veehoole ja keemialabor

Elektrijaamade veehoolde all on mõeldud kõigi eespool kirjeldatud vee- ja aururingluse kvaliteedinäitajate hoidmist normide piires. Kõrgrõhuseadmetes liikuvale veele ja aurule on aasta-aastalt hakatud esitama üha kõrgemaid nõudmisi.

Ükski soojuselektrijaam ei saa hakkama ilma keemikuta. Teenust võib muidugi ka sisse osta, ent ettevõte peab andma elektrienergiat (koostootmisjaam ka soojust)  vahetpidamata ning väikeselegi rikkele tuleb otsekohe reageerida. Kui loota sisseostetavale teenusele, tuleb arvestada, et ainuüksi proovide viimine võtab oma aja, vastuse saamisest rääkimata. Ja kui vastus on käes, siis peab ka teadma, mida selle põhjal ette võtta. Elektrijaama keemik teeb analüüsi ja saab kohe otsustada, mida teha – kuidas muuta režiimi, et kvaliteedinäitajad jälle normi läheksid.

Peale veesse puutuvate kvaliteedinäitajate jälgimise on elektrijaama keemikul veel hulk muid kohustusi: ta peab kontrollima on-line-mõõteriistade näitude õigsust, kütuse ning kütte-, turbiini- ja trafoõli kvaliteeti, jälgima katlakivi kogunemist katla küttepindadele ja sadestise ladestumist turbiinilabadele, kontrollima jaama toodavate kemikaalide (nt regenereerimiskemikaalid, veetöötluskemikaalid, koagulandid) kvaliteeti, jälgima õhku heidetavate suitsugaaside on-line-analüsaatorite näitude õigsust, salvestama need andmed ja arvutama õhku heidetavate saateainete koguseid; kontrollima vee demineraliseerimis-seadmete ja reoveepuhasti tööd, reguleerima nende töörežiimi ning korraldama hooldust. Elektrijaama keemik vastutab ka selle eest, et kemikaalide säilitus- ja mõõtepaagid, pumbad ja torustik oleksid kemikaaliseaduse (RT I 1998, 47, 697) ja sotsiaalministri 30. novembri 1999. aasta määruse nr 75 „Ohumärguannete kasutamise nõuded töökohas“ (RTL 2000, 12, 117) kohaselt märgistatud ning et ohutusnõuete täitmine nendega töötamisel oleksid tagatud.

Elektrijaama veehooldega seonduvate analüüside tegemiseks on vaja keemialaborit, mis on sisustatud nii, et kõike eespool kirjeldatut oleks võimalik kontrollida. Keemik peab kontrollima ka automaatmõõteriistu, nn on-line-mõõtureid: nende tööd pidevalt jälgima, neid puhastama, reaktiive lisama ning mõõturinäitude õigsust aeg-ajalt kontrollima.

Soojuselektrijaama suitsugaaside ja tehnoloogilise reovee puhastamine

Elektrijaama korstnatest lenduvate suitsugaaside NOx, SO2-, tuha- ja raskmetallisisalduse norme on karmistatud, seetõttu peab neid gaase puhastama. Selleks on olemas mitu võimalust, sh kuiv- ja märgpuhastus. Tõhusamaks peetakse märgpuhastust skraberis. Skraberi vett on omakorda vaja puhastada, et sellest kõrvaldada raskmetallid. Mida rangemaks normid muutuvad, seda keerulisemaks lähevad ka puhastusseadmed.

Elektrijaama tekib tehnoloogilist reovett:

–      veepuhastusfiltrite regenereerimisel;

–      liivfiltrite pesemisel;

–      suitsugaaside märgpuhastamisel (skraberivesi);

–      põhiseadmete konserveerimislahustest;

–      pöördosmoosiseadmete konserveerimislahustest;

–      reoveesette tahendamisel pressfiltris ja filtrilindi pesemisel.

Kõik need veed juhitakse kogumismahutisse, kus nad segunevad. Õlist reovett võib muu reoveega kokku lasta alles pärast puhastamist õlipüünises. Järgneb töötlemine leeliseliste ja happeliste kemikaalidega (nt NaOH, FeCl3, flokulant), millega sadestatakse ka raskmetallid. Sel moel töödeldud vesi vabastatakse heljumist koaguleerimise ja floteerimise teel, selitatakse ning lastakse siis läbi liivfiltri. Kui seda vett puhastada veel PO-seadmes, saab teda elektrijaamas uuesti kasutada. Setitisse kogunenud sete pumbatakse settemahutisse ja sealt pressfiltrisse (enamasti kasutatakse lintpressfiltrit). Settest eraldatud vesi juhitakse reoveemahutisse ning tahke fraktsioon (tahes) toimetatakse ohtlike jäätmete hoidlasse.

Autor: Ene Johannes, ÅF-Consulting AS

Külgpaneeli navigatsioon