1. Водные ресурсы и водопотребление

Количество пресной воды планеты, включая реки, озёра, ледники, айсберги, равно 35,8 млн. км³, или 2,5% воды земного шара [1, с.176]. Сюда не входит пресная вода подземных источников, водные ресурсы которых составляют 60 млн. км³, но большая их часть минерализована [2, с. 11]. До 97% объёма пресной воды планеты сосредоточено в ледниках, расположенных в малонаселённых регионах с суровым климатом, и практически не используется человеком. И только менее 3% пресной воды, что составляет 876 тыс. км³, или около 0,06% водных ресурсов Земли, находится в реках, озёрах, и почве [2, с. 11]. Годовой же сток всех рек мира равен 37,3 тыс. км³, а ежегодный расход пресной воды в последней четверти ХХ века равнялся 8 тыс. км³, или 20% мирового стока рек. Общее потребление пресной воды (на бытовые и производственные нужды) в расчёте на одного жителя планеты с населением 6 млрд. человек, составило 1333 м³ в год [4, с. 18]. Согласно прогнозу, запасы пресной воды будут исчерпаны к 2230 году, если не удастся решить проблему восполнения её дефицита, увеличивающегося соответсвенно росту населения и промышленного производства. Положение усугубляется неравномерным распределением на Земле пресной воды, а сооружение водопроводов большой протяжённости от её источников к местам потребления, как правило, нерационально экономически [3, с. 9].

Согласно классификации природных вод по степени минерализации (пресная, слабосолоноватая, среднесолоноватая, слабосолёная, солёная, морская вода, рассол, общее солесодержание которых в г/л соотвественно не превышает 1, находится в пределах 1-3, 3-5, 5-10, 10-15, 15-45 и свыше 45), для питьевых и хозяйственных потребностей, включая коммунальное хозяйство, орошаемое земледелие и пр., кроме пресной воды, без специальной подготовки используется только слабосолоноватая вода. Среднесоловатую, слабосолёную, солёную и морскую воду можно применять вместо природной пресной воды лишь после опреснения [3, с. 11]. Сдерживают потребление опреснённой воды, главным образом, затраты на опреснение. Однако в связи с увеличивающимся ростом водопотребления в последние десятилетия стоимость природной пресной воды возросла и стала сопоставимой с ценой опреснённой воды, что способствует увеличению масштаба потребления последней [3, с. 10-11].

2. Средства сокращения дефицита пресной воды

Особого внимания заслуживают водосберегающие и бессточные технологии, применяемые в народном хозяйстве, например, в химической и металлургической промышленности – крупнейших источниках загрязнений в сточных водах и потребителях пресной воды [5-7], а также опреснение минерализованных вод Мирового океана и подземных источников, ресурсы которых практически неисчепаемы. Наиболее широко распространены термодистилляционное и обратноосмотическое (мебранное) опреснение. В 1990 году производительность всех действующих в мире опреснительных установок равнялась 15 млн. м³ в сутки, или 5475 млн. м³ в год опреснённой воды (менее 0,1% ежегодного расхода пресной воды населением земного шара). Доля морской воды, подвергаемой опреснению, составила 90% от всей минерализованной воды, направленной на опреснение, и примерно 70% её опреснялось термодистилляцией.

Такое положение сохраняется и сейчас, несмотря на то, что мощность обратноосмотических установок увеличивается и становится соизмеримой с единичной производительностью термодистилляционных установок [3, с. 27]. Это обусловлено высокой эффективностью деминерализации, отсутствием сложной аппаратуры, большой единичной мощностью дистилляционных агрегатов. Опреснённая в процессе термодистилляции морская вода практически не требует дополнительной обработки при кондиционировании до питьевого качества, так как содержит значительно меньше вредных для здоровья веществ, например бора и брома, по сравнению с водой, опреснённой другими способами [3, с. 17]. Обладая целым рядом достоинств, термодистилляционное опреснение имеет недостаток, связанный с использованием дорогого энергоносителя – пара, отбираемого из теплофикационной турбины ТЭЦ, в то время, как даже на лучших современных тепловых электростанциях КПД сжигания топлива не превышает 40% [8, с. 251]. И хотя при этом осуществляется двухцелевое использование топлива – для получения электрической и тепловой энергии в одном технологическом процессе – затраты на получение пара всё же остаются достаточно высокими, а большой расход топлива в условиях широкого распространения термодистилляционного опреснения морской воды способствует истощению его запасов.

3. Цель и особенности технологии термодистилляционного опреснения с огневым нагревом

Повысить тепловой КПД процесса термодистилляционного опреснения морской воды можно использованием пара, получаемого в современных паровых котлах большой мощности, например 4000 т/ч с КПД 95% [8, с. 364], либо заменой парового нагрева – огневым. Первый путь требует сооружения крупных котельных, что связано с неоправданно большими капитальными вложениями. Применение же огневого нагрева первой ступени термодистилляционного опреснения морской воды с нагревом вторичным паром всех следующих ступеней опреснения, начиная со второй, позволяет существенно повысить КПД сжигания топлива при условии передачи теплоты, выделяющейся в результате его сгорания, непосредственно в камеру опреснения – без промежуточного теплоносителя.

Нагрев продуктами горения топлива с температурой 1000-120^oС со сравнительно низкими коэффициентами теплоотдачи от них к стенке ограничивают величину общего коэффициента теплопередачи к кипящей воде. Однако высокая температура продуктов горения обусловливает также высокую разность температур между ними и кипящей водой (в несколько раз выше, по сравнению с паровым нагревом). Это компенсирует низкий коэффициент теплопередачи.

Совершенствование же систем огневого нагрева позволяет преодолевать его недостатки, связанные с местным перегревом и подгоранием химических продуктов, возникновением нежелательных побочных процессов, регулированием высоких температур [11-14]. Отопительная система термодистилляционного агрегата первой ступени, подобная отопительной системе печей слоевого коксования угольной шихты позволяет обеспечить равномерность огневого нагрева морской воды и слоя накипи в опреснителе. Это достигается разделением отопительного простенка на отдельные практически автономные камерные топки (вертикалы), рециркуляцией дымовых газов, кантовкой (периодическим автоматическим изменением направления продуктов горения), специальными методами контроля и регулирования температуры в вертикалах.

Тепловой КПД коксовых батарей, разработанных в середине ХХ века равнялся 84,5% (без учёта потерь тепла в окружающую среду через стенки аппаратуры) [9, с. 71-100]. В современных коксовых батареях его величина за счёт повышения эффективности использования тепла дымовых газов и других решений тепловой КПД (без учёта утилизации тепла раскалённого кокса) составляет не менее 90%.

В силу указанных особенностей, коксовая батарея слоевого коксования может рассматриваться как аналог мультимодульного термодистилляционного агрегата первой ступени опреснения морской воды с огневым нагревом. При его проектировании целесообразно использовать компоновочные, конструкторские и технологические решения, применяемые при разработке коксовых батарей, способные обеспечить полную механизацию процесса опреснения, включая удаление накипи, отведение рассола и пр.

В качестве аппаратуры с нагревом вторичным паром на второй и на всех следующих ступенях опреснения целесообразно использовать горизонтально-плёночный агрегат, в котором вода испаряется с поверхности тонкой плёнки в условиях глубокого вакуума. Его преимущества по сравнению с другими способами, применяющими паровой нагрев, заключаются в высокой интенсивности теплообмена, кратковременности контакта воды с греющей поверхностью, что способствует уменьшению отложения накипи, в высоком коэффициенте выработки (количестве пресной воды, получаемой на единицу затраченного теплоносителя), который в 1,5 раза выше, чем в агрегате мгновенного вскипания [3, с. 42].

4. Расчётные параметры процесса опреснения морской воды с огневым нагревом

С целью предварительной оценки первой ступени опреснения с огневым нагревом выполнен ряд приближённых расчётов (без учёта потерь тепла в окружающую среду).

-Расходы теплоты на коксование 1 т шихты и опреснение 1 т морской воды (с получением дистиллята 0,8 т/т) мало отличаются и равны соответственно 600.10^-6Ткал/т и 512.10^-6 Ткал/т (2512.10^-6 ТДж/т и 2144.10^-6 ТДж/т).
- Для коксования угольной шихты достаточно теплоты, выделяющейся при сжигании немногим более половины коксового газа, образующегося в производстве кокса. Оставшегося количества коксового газа (меньше половины) достаточно для опреснения морской воды, масса которой равна массе шихты. Например, при эксплуатации коксовой батареи мощностью 1 млн. т в год угольной шихты, обогреваемой коксовым газом, можно, используя избыток коксового газа, опреснить термодистилляцией 1 млн. т в год морской воды в опреснителе первой ступени. При эксплуатации 4-х батарейного коксового блока избыточного коксового газа достаточно для опреснения на первой ступени 4 млн.т в год морской воды.

В многоступенчатых термодистилляционных опреснительных агрегатах отношение количества теплоты, вносимой в процесс энергоносителем на первой ступени опреснения, к количеству теплоты, выделяющемуся при использовании теплосодержания вторичного пара на всех ступенях опреснения, начиная со второй, равно примерно, 1/9 [3, с. 29]. С учётом теплоты, выделяющейся при конденсации вторичного пара, можно, следовательно, за счёт избыточного газа 4х-батарейного коксового блока опреснить 40 млн. т в год морской воды.

Термодистилляционный агрегат общей мощностью 40 млн. т в год морской воды при толщине её плёнки 1,5 мм, стекающей по вертикальной теплопередающей поверхности опреснительной камеры с линейной скоростью 0,5 м/с, и линейной скорости пара 30 м/с, включает всего 8 опреснительных камер первой ступени с огневым нагревом, каждая из которых имеет размеры 12x0,1x4 м. Если в опреснительную батарею первой ступени с огневым нагревом включить 80 указанных камер опреснения, из которых 72 потребуется нагревать газообразным топливом, поступающим со стороны, например природным газом, то общая единичная мощность опреснительного агрегата составит 400 млн. т в год, или 0,4 млрд. т в год морской воды.

Представленную структурно-технологическую схему термодистилляционного опреснения морской воды (рис. 1) можно использовать как в полном объёме, так и в усечённом виде, если нет природного газа, в качестве автономного опреснительного комплекса либо в составе коксохимического предприятия – в зависимости от потребности в опреснённой воде, мощности коксохимпроизводства, наличия природного газа и т.п.

Рис.1. Схема термодистилляционного опреснения морской и (или) минерализованных вод из других источников 
с огневым нагревом первой ступени в составе, например, коксохимического завода

5. Конструкционные материалы и теплообмен

Общий коэффициент теплопередачи при огневом нагреве (конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью) опреснительной батареи мощностью 1 млн. т в год морской воды, включающей две камеры опреснения первой ступени при перепаде температур теплопередающих поверхностей со стороны топки и опреснительной камеры, равном 1200^oС, должен равняться 268 ккал/ч·м².^oС, или 312 Вт/ м².^oК, что примерно в 5 раз выше, чем при коксовании 1 млн. т в год угольной шихты в стандартной коксовой батарее. Указанные вкличины вычислены на основе усреднённых исходных показателей и определённых допущений. Поэтому их уточнение в результате эксперимента может оказаться существенным. Указанные тепловые нагрузки требуют изготовления аппаратуры из конструкционных материалов повышенной жаропрочности и теплопроводности, одновременно обладающих высокой химической стойкостью к морской воде и выдерживающих большие перпады температур теплопередающих поверхностей по обе стороны стенки, отделяющей топку от опреснителя, равные 1000^oС и более. Очевидно, что требования к конструкционным материалам достаточно жёсткие, и от того, в какой степени предложенные конструкционные материалы будут удовлетворять этим требованиям, зависит отношение реальной и вычисленной теоретически без учёта параметров теплообмена максимальной единичной мощности суперопреснителя первой ступени с огневым нагревом. Вместе с тем повышение эффективности темплообмена ограничивается также предельной нормативной величиной теплового напряжения топочного пространства, при сжигании газообразного топлива, равной 450 кВт/м³ [14], что в десятки раз меньше, чем требуется при разработке термоопреснителя с огневым нагревом первой ступени большой единичной мощности. Но, поскольку норматив темплового напряжения топки обусловлен характеристикой материалов, из которых она сделана, то применение новых конструкционных материалов повышенной жаропрочности позволит его пересмотреть в сторону увеличения. Экспериментальные исследования на пилотной установке, включающей 2-3 модуля (2-3 опреснительных камеры), позволят испытать конструкционные материалы, определив их теплотехнические характеристики и рассчитать реальную максимальную единичную мощность первой ступени опреснения с огневым нагревом.

Известно, что требования к теплотехническим параметрам конструкционных материалов повышались и ранее, и научные учреждения и промышленность решали и продолжают эту задачу решать. Так, ещё в начале 90-х годов указанные материалы были востребованы для сооружения коксовых батарей большой единичной мощности с широкими (600 мм и более) камерами коксования [10]. Опыт коксохимических промышленности и науки может оказаться полезным при разработке термодистилляционного опреснения с огневым нагревом.

6. Краткие выводы

В условиях растущего дефицита пресной воды одним из наиболее перспективных решений, направленных на его сокращение, является термодистилляционное опреснение морской воды и минерализованных вод подземных источников. Несмотря на ряд достоинств термодистилляционного опреснения, этот способ деминерализации воды требует большого расхода топлива. Замена греющего пара на первой ступени опреснения огневым нагревом таким образом, чтобы выделяющаяся при сгорании топлива теплота передавалась в опреснитель непосредственно (без промежуточного теплоносителя), позволяет в 2-2,5 раза повысить тепловой КПД процесса. Анализ конструкторско-технологических решений, применяемых в производстве кокса методом слоевого коксования, показал целесообразность их использования при разработке мультиопреснителя морской воды первой ступени большой единичной мощности с огневым нагревом. Балансовые расчёты различных вариантов расходования теплоты (без учёта её потерь в окружающую среду через стенки аппаратуры) позволили разработать структурно-технологическую схему термодистилляционного опреснения морской воды, включающую указанный опреснитель большой единичной мощности с огневым нагревом.

Такая схема, легко вписываясь в производство кокса, может быть использована и при разработке самостоятельного водоопреснительного комплекса, потребляющего в качестве топлива избыточный коксовый газ (если он не передаётся металлургическому предприятию) и (или) природный газ.

Реализация представленной схемы требует разработки опреснителя первой ступени с огневым нагревом, включающего 2-3 опреснительные камеры, то есть агрегата пилотного или полупромышленного масштаба, для экспериментального исследования и отработки предложенной технологии, а также для расчёта её технико-экономических показателей. С этой целью необходимо сосредоточить усилия на выборе конструкционных материалов повышенных жаропрочности, теплопроводности и химической стойкости к морской воде, а также на увеличении эффективности теплообмена при огневом нагреве. Не исключено, что решение этой задачи потребует некоторого прорыва в разработке новых материалов.

Настоящий доклад, предшествующий экспериментальной проработке предложенной технологии, можно рассматривать также как обоснование постановки поискового исследования (которое, кроме разработки эффективной технологии опреснения воды, позволит расширить область применения и продлить жизнь ряда технических решений, созданных несколькими поколениями коксохимиков).

Литература 

1. Дерпгольц В.Ф. Мир воды, «Недра», Л., 1979, 255 с. с ил. 
2. Павлов Ю.В. Опреснение воды, «Просвещение», М., 1972, 160 с. с ил. 
3. Слесаренко В.Н. Опреснение морской воды, «Энергоатомиздат», М., 1991, 278 с. с ил. 
4. Русанов В.П. Капля чистой воды, изд. «Знание» РСФСР, Л., 1983, 33 с. с ил. 
5. Майский С.В., Кагасов В.М. Проблемы организации бессточного производства на коксохимических предприятиях, Кокс и химия, 1981, №8, с. 53-56. 
6. Евзельман И.Б., Максимов О.В., Косолапова Н.В. и др. Опыт использования общего стока коксохимического производства в оборотном водоснабжении, часть 1, Кокс и химия, 1992, №12, с. 38-41, часть 2, Кокс и химия, 1993, №2, с. 31-35. 
7. Сабирова Т.М. Исследования и разработка однофазовой биотехнологии очистки сточных вод коксохимического производства в режиме нитри-денитрификации. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук, Екатеринбуг, 2001. 
8. Большой энциклопедический политехнический словарь, под редакцией Ишлинского А.Ю. и др., изд. «Большая Российская энциклопедия», М., 1998, 655 с. с ил. 
9. Дмитриев М.М., Обуховский Я.М. Краткий справочник коксохимика, Госуд. научно-техническое изд. по чёрной и цветной металлургии, М., 1960, 253 с. 
10. Сухоруков В.И. Научные основы и совершенствование подготовки и коксования углей, Кокс и химия, 1992, №12, с. 2-5. 
11. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Госхимиздат, Л., 1961, 575 с. с ил., с. 178-179, 185. 
12. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, Госуд. научно-техническое изд. химической литературы, М., 1960, 830 с. с ил., с. 339-340. 
13. Плановский А.Н., Рамм В.Н., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии, Госуд. научно-техническое изд. химической литературы, М., 1962, 847 с. с ил., с. 416-420. 
14. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки, изд. «Химия», М., 1980, 408 с. с ил., с. 123-124, 165-169.

Статья поступила в редакцию
4 июля 2006 года