Способ стабилизационной обработки воды

Изобретение относится к области очистки природных вод, преимущественно геотермальных, и может быть использовано, например, в теплоэнергетике и теплоснабжении. Способ стабилизационной обработки геотермальной воды заключается в ее дегазации с последующим использованием образовавшихся кристаллов карбоната кальция в качестве затравки. Перед дегазацией парциальное давление углекислого газа в обрабатываемой воде доводят до равновесного значения путем замещения на другой газ - азот. При этом исходное давление в воде перед ее дегазацией сохраняют. Способ обеспечивает повышение эффективности стабилизационной обработки воды за счет более глубокой очистки ее от растворенного в ней карбоната кальция. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области обработки природных вод при их использовании для выработки электроэнергии, теплоснабжения, а также в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Известны способы предотвращения карбонатных отложений с помощью введения в обрабатываемую воду кристаллической затравки с добавлением поверхностно-активных веществ [1].

Недостатками их являются загрязнение водоемов поверхностно-активными веществами, а также необходимость расходования химических реагентов.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ предотвращения карбонатных отложений в геотермальной воде, заключающийся в ее дегазации с последующим использованием образовавшихся кристаллов карбоната кальция в качестве затравки [2].

Недостаток данного изобретения заключается в невысокой эффективности очистки воды от карбоната кальция. Это связано с недостаточной степенью удаления углекислого газа из обрабатываемой воды после дегазации и невысоким значением перепада парциального давления углекислого газа в воде от равновесного до конечного значения.

Техническим решением предлагаемого изобретения является повышение эффективности стабилизационной обработки воды, заключающееся в более глубокой очистке ее от растворенного в ней карбоната кальция.

Техническое решение достигается тем, что в способе стабилизационной обработки геотермальной воды, заключающейся в ее дегазации при снижении исходного давления с последующим возвратом образовавшихся кристаллов карбоната кальция в исходную воду и использованием в качестве затравки, перед дегазацией при сохранении исходного давления в воде парциальное давление углекислого газа в ней доводят до равновесного значения путем замещения части растворенного углекислого газа азотом.

Схема реализации предлагаемого способа стабилизационной обработки воды дается на примере геотермальной воды скважины №3Т г.Кизляра Республики Дагестан. Вода скважины содержит ионы, мг/л: Na⁺ - 2260; Са²⁺ - 160; Mg²⁺ - 40; Cl^- - 3550; HCO₃ ^- - 390; SO₄ ^2- - 150. Газосодержание - 1,2 м³/м³, в процентном отношении - СО₂ - 18%, N₂+СН₄ - 82%. pH 6,55.

На фиг.1 - блок-схема реализации способа, на фиг.2 - кривые, соответствующие реальным (1) и возможным (2) значениям равновесного давления и температуры воды скважины 3Т, при которых вода стабильна.

Геотермальная вода из скважины 1 поступает в конвертор 2 с исходным давлением Р_o; где осуществляется замена части углекислого газа, растворенного в воде, на азот с таким расчетом, что парциальное давление углекислого газа на выходе из конвертора 2 устанавливается на величине, близкой к равновесному, то есть из воды еще не выделяется твердая фаза карбоната кальция. При этом исходное давление Р_o в воде сохраняется. Далее вода с давлением Р_o поступает в кристаллизатор-отстойник 3, где происходит ее дегазация при резком падении давления от исходного Р_o до конечного P_t значения. Нарушается карбонатно-кальциевое равновесие и в толще воды выделяется большое количество твердой фазы карбоната кальция. Образовавшийся осадок из нижней части кристаллизатора-отстойника 3 выводится наружу по линии 4, а часть его по линии 5 подается обратно в кристаллизатор-отстойник 3 в качестве затравки. Выделившиеся при дегазации пар и газ по линии 6 поступают к соответствующему потребителю, а обработанная (стабильная) вода подается по линии 7 для нужд горячего тепловодоснабжения.

Обычно на практике при осуществлении дегазации (фиг.2) перепад давления ΔР от исходного Р_o до конечного P_t значения состоит из двух составляющих:

где ΔР₁=P_o-P_s - перепад давления от исходного Р_o до равновесного P_s значения, при котором еще не выделяется твердая фаза карбоната кальция; ΔР₂=P_s-P_t - перепад давления от равновесного P_s до конечного Р_t значения. При замещении части углекислого газа в воде на азот значение P_s смещается в сторону исходного давления Р_o и перепад давления

,

где .

При этом скорость кристаллизации карбоната кальция в присутствии кристаллической затравки определяется согласно исследованиям [3-5]:

где k - коэффициент пропорциональности; n - константа поверхностной реакции (n=1÷2); S - площадь поверхности кристаллической затравки; С-C_s - пересыщение раствора воды по карбонату кальция. Как видно из (2), чем больше С-C_s, тем больше скорость кристаллизации, а пересыщение раствора С-C_s, в свою очередь, прямо пропорционально второй составляющей ΔР₂ (или ). Поэтому, чем больше ΔР₂ (или ) при дегазации, тем эффективнее идет процесс кристаллизации карбоната кальция на затравке. На фиг.2 показана разница в величинах ΔР₂ и при подаче воды на дегазацию без замещения СО₂ на азот (кривая 1) и с замещением (кривая 2) соответственно.

В работе [6] показано образование твердой фазы карбоната кальция в воде скважины 3Т в виде частиц взвеси сразу после дегазации ее при различных перепадах давления в системе (см. табл.1). При большом перепаде и большой поверхности, образующейся при этом, кристаллической затравки скорость кристаллизации карбоната кальция из раствора возрастает, то есть имеет место так называемое явление массовой кристаллизации. А многократное использование кристаллической затравки для обработки воды приводит к более глубокой очистке воды от растворенного в ней карбоната кальция. Результаты опытов по очистке геотермальной воды скв. №3Т г.Кизляра от растворенного в ней карбоната кальция при замене части углекислого газа на азот и использовании кристаллической затравки для ее обработки показаны в таблице 2. Как видно из таблицы 2, при замене 50% углекислого газа на азот перед дегазацией концентрация ионов Са²⁺ в воде после дегазации и обработки ее кристаллической затравкой снижается до уровня 110 мг/л против 125 мг/л без замены СО₂ на азот, что свидетельствует о более глубокой очистке воды от растворенного в ней карбоната кальция.

Технически замена СО₂ на азот была осуществлена следующим образом. В емкости из нержавеющей стали объемом 1,2 м³ исходное давление Р_o=0,6 МПа. Парциальное давление СО₂ при этом составляло 0,18×0,6 МПа = 0,108 МПа. Снизили Р_o до 0,3 МПа. Это - давление, при котором еще не выделяется твердая фаза карбоната кальция из раствора воды скв. 3Т. Далее с помощью насоса закачали в емкость воздух (в воздухе 78% азота и 21% О₂) до достижения исходного значения Р_o=0,6 МПа. Парциальное давление СО₂ при этом составило 0,09×0,6 МПа = 0,054 МПа.

Таким образом, в способе стабилизационной обработки геотермальной воды, заключающейся в ее дегазации при снижении исходного давления с последующим возвратом образовавшихся кристаллов карбоната кальция в исходную воду и использованием в качестве затравки, замещение части углекислого газа на азот с сохранением исходного давления в воде перед ее дегазацией позволяет повысить эффективность стабилизационной обработки воды, заключающейся в более глубокой очистке ее от растворенного в ней карбоната кальция.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №307070, кл. С02В 5/00, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР №810615, кл. C02F 5/00, 1981.

3. Nivlt J., Karpinski P. Determination of individual rate constans of reaction and diffusion steps from over - oll cristall growth coefficient // Kristall und Technik. 1977. Vol.12. P.1233-1241.

4. Васина Л.Г., Богловский А.Б., Календарев P.H. Изучение кинетики образования карбоната кальция в закрытой системе.// Тр. МЭИ, 1980, Вып.466, С.51-56.

5. Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я. Кинетика кристаллизации карбоната кальция из геотермальных вод в присутствии затравочных кристаллов. // Материалы III-го международного симпозиума по гидротермальным реакциям, Фрунзе, Киргизия. 1989. С.28.

6. Ахмедов Г.Я. Исследование процессов кристаллизации карбоната кальция при использовании геотермальных вод. // Материалы научно-практической конференции «Геоэкологические проблемы освоения и охраны ресурсов подземных вод Восточного Предкавказья», 22-26 сентября 2003 г., Махачкала: РАН, Дагестанский научный центр, 2003, С.162-165.

Способ стабилизационной обработки геотермальной воды, заключающийся в ее дегазации при снижении исходного давления с последующим возвратом образовавшихся кристаллов карбоната кальция в исходную воду и использованием в качестве затравки, отличающийся тем, что перед дегазацией при сохранении исходного давления в воде парциальное давление углекислого газа в ней доводят до равновесного значения путем замещения части растворенного углекислого газа азотом.