Wytwarzanie wody zdemineralizowanej do uzupełniania obiegu wodno-parowego metodami elektromembranowymi
Nazwa programu – EDRIM
Nazwa programu i projektu – Projekt realizowany w ramach Programu Badań Stosowanych pt.: „Wytwarzanie wody zdemineralizowanej do uzupełniania obiegu wodno-parowego metodami elektromembranowymi”
Nazwa beneficjenta – Politechnika Śląska, Tauron Wytwarzanie S.A.
Wartość projektu – 2 314 998,00 zł
Wartość dofinansowania -1 990 000,00 zł
Okres realizacji – 2015-07-01 – 2018-12-31
Dofinansowanie – współfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych.
Kierownik projektu –prof. dr hab inż. Marian Turek
Cel projektu:
Przemysł energetyczny zużywa duże ilości wody zdemineralizowanej do uzupełniania obiegu wodno parowego elektrowni i elektrociepłowni. Woda zdemineralizowana na potrzeby energetyki musi spełniać wysokie wymagania co do zasolenia (konieczna jest głęboka demineralizacja), zawartości krzemionki i węgla organicznego, w przeciwnym wypadku może dochodzić do obniżającego sprawność instalacji zarastania powierzchni urządzeń grzewczych kamieniem kotłowym. W zakładach należących do koncernu TAURON Wytwarzanie SA, największego producenta energii elektrycznej w południowej Polsce, jedynie Elektrownia „Łagisza” ma w miarę nowoczesny system demineralizacji wody, ale i tu konieczne jest podjecie badań, choćby w celu zastąpienia odsolin, ze „starych” bloków, innym strumieniem zasilającym, ze względu na planowane sukcesywne wyłączanie bloków 120 MW z ruchu. Stosowany w Elektrowni „Łagisza” system zintegrowany składa sie, w części dotyczącej demineralizacji, z mikrofiltracji (MF), odwróconej osmozy (RO; demineralizacja do poziomu ok. 10 μS/cm), desorpcji CO2 i wymiany jonowej. W EC Bielsko-Biała uruchomiono stacje elektrodejonizacji, wyposażonej w nowoczesne moduły spiralnie zwijane, ale skala jest tu niewielka (2 x 4 m3/h). W elektrowni Stalowa Wola stosowany jest system zintegrowany: elektrodializa odwracalna (EDR) – wymiana jonowa. W stopniu EDR usuwane jest 75-85% zasolenia (demineralizacja do poziomu kilkadziesiąt μS/cm). W pozostałych zakładach koncernu TAURON Wytwarzanie SA woda, o przewodnictwie wynoszącym 200-600 μS/cm, demineralizowana jest w układzie: wymienniki kationitowe słaby i silny, wymiennik anionitowy słaby, desorpcja CO2, wymiennik anionitowy silny, wymiennik dwujonitowy (złoże mieszane). Podane przewodnictwo wody wejściowej jest bardzo duże, co oznacza konieczność częstej regeneracji kolumn jonitów, bardzo duże zużycie chemikaliów i konieczność zagospodarowania dużej ilości uciążliwych ścieków.
Celem badań prowadzonych w ramach projektu EDRIM, realizowanego przez konsorcjum Politechnika Śląska – TAURON Wytwarzanie S.A., było opracowanie nowoczesnej i nowatorskiej technologii produkcji wody zdemineralizowanej na potrzeby energetyki. Projekt zakładał opracowanie zintegrowanego systemu uzdatniania wody, opartego na technikach elektromembranowych, który pozwoliłby na znaczne zmniejszenie kosztów produkcji wody zdemineralizowanej na potrzeby energetyki, zmniejszenie zużycia chemikaliów i radykalne zmniejszenie ilości ścieków odprowadzanych do środowiska naturalnego przy jednoczesnym zapewnieniu wysokich parametrów jakościowych produkowanej wody.
Jednym z założeń projektu była możliwość skierowania wody oczyszczanej w węźle elektrodializy odwracalnej (EDR) bezpośrednio do procesu elektrodejonizacji (EDI), a więc skrócenie ciągu technologicznego stacji demineralizacji wody do minimum.
Metoda EDI ma liczne zalety w stosunku do wymiany jonowej. Stosowane w EDI żywice jonowymienne regenerowane są „in situ” przy pomocy jonów oksoniowych i wodorotlenkowych, powstających w reakcji elektrochemicznego rozszczepienia wody. Nie zachodzi zatem konieczność stosowania dodatkowo silnych kwasów i zasad, dzięki czemu objętość uciążliwych ścieków oraz wynikające z ich zastosowania zasolenie ścieków są wielokrotnie zmniejszone. Dodatkowo elektrodejonizacja usuwa praktycznie całkowicie CO2, amoniak i bor.
W ramach projektu zrealizowano następujące zadania:
- Przygotowanie stanowisk badawczych w oparciu o wyniki wstępnej analizy próbek wody.
- Badania demineralizacji wody metodą EDR.
- Badania demineralizacji produktu EDR metodą EDI oraz wymiany jonowej (IE).
- Badania demonstracyjne efektywności demineralizacji w układzie ultra-/mikrofiltracja (UF/MF)-EDR-EDI/IE z alternatywnym zastosowaniem odwróconej osmozy po EDR.
- Zaproponowanie sposobu zintegrowania rozwiązań będących wynikiem projektu z gospodarką wodno-ściekową elektrowni.
W oparciu o wyniki uzyskane w czasie prac przeprowadzonych na Politechnice Śląskiej w ramach zadań 1–3 zaprojektowano demonstracyjną instalację złożoną z jednostki do uzdatniania wstępnego wody, następnie UF/MF, EDR lub odwróconej osmozy (RO) oraz EDI z możliwością alternatywnego zastosowania wymiennika dwujonitowego IE. Instalację zlokalizowano na terenie pompowni wody surowej w TAURON Wytwarzanie S.A. Oddział Elektrownia Łagisza. Instalacja badawcza została podłączona do rzeczywistego źródła wody surowej, pochodzącej z powierzchniowego źródła zasilania elektrowni (rzeka Przemsza). Instalacja ta umożliwiała przeprowadzenie testów w różnych konfiguracjach, co przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat instalacji badawczej do wytwarzania wody zdemineralizowanej do uzupełniania obiegu wodnoparowego metodami elektromembranowymi, WP – przygotowanie wstępne, UF – ultrafiltracja, EDR – elektrodializa odwracalna, EDI – elektrodejonizacja, RO – odwrócona osmoza, IE – wymiana jonowa
Istotą projektu było zastosowanie nowatorskich pod względem konstrukcyjnym rozwiązań EDR i EDI w ciągu technologicznym instalacji.
Na zlecenie TAURON Wytwarzanie S.A. Pracownia Wodno-Chemiczna Ekonomia Sp. z o.o. opracowała studium wykonalności instalacji przemysłowej w oparciu o wyniki uzyskane w ramach projektu „Wytwarzanie wody zdemineralizowanej do uzupełniania obiegu wodnoparowego metodami elektromembranowymi”.
Z uwagi na problemy związane z usuwaniem substancji organicznych i krzemionki z wody, zaproponowany pełny ciąg technologiczny przedstawia się następująco:
- wariant I: uzdatnianie wstępne (R) + UF + EDR1 + sorbent + EDI,
- wariant II: uzdatnianie wstępne (R) + UF + EDR2 + RO + EDI.
W ramach studium wykonalności do dalszych testów zarekomendowana została instalacja wg wariantu II.
Rekomendowana instalacja będzie spełniać z wyprzedzeniem cele środowiskowe. Możliwe w tym przypadku ewentualne wykorzystanie ścieków i wód odpadowych do produkcji wody uzdatnionej jest szczególnie istotne w perspektywie osiągnięcia do roku 2027 celów środowiskowych wskazanych w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 21 lipca 2016 r.
Istotnym potwierdzeniem skuteczności rekomendowanych rozwiązań jest ich niska wrażliwość na zmiany jakości wody surowej. Przyjmując alternatywnie dwa źródła zasilania instalacji proponowanej wg wariantu II, tj. rzekę Przemszę o zasoleniu wody na poziomie ok. 500 µS/cm oraz ścieki z Oczyszczalni Ścieków Przemysłowych Elektrowni Łagisza o zasoleniu na poziomie ok.1300 µS/cm – przy zamianie źródeł zasilania z rzeki na strumień ścieków oczyszczonych powodujemy 2,6-krotny wzrost zasolenia. Zamiana źródła zasilania nie wymaga jednak żadnych zmian konfiguracyjnych w układzie procesowym wariantu II, a zmianie ulegnie jedynie natężenie prądu w węźle EDR, proporcjonalnie do wzrostu zasolenia wody zasilającej. Uzdatnianie ścieków w instalacji opartej na wariancie II przełoży się na wzrost zużycia energii elektrycznej w jednostce EDR 2,62 razy, ale całkowite zużycie energii wzrośnie jedynie o 11%, a całkowite koszty jednostkowe o 7%. Ponadto na niezmiennym poziomie pozostanie zużycie chemikaliów. Taka zamiana źródła zasilania w obecnie eksploatowanych instalacjach jonitowych jest procesowo niemożliwa do przeprowadzenia.
W przetestowanym w Projekcie rozwiązaniu elektrodializy odwracalnej (EDR), w stosunku do referencyjnego rozwiązania firmy Suez (wcześniej GE Water/Ionics), stosowanej w Elektrowni Stalowa Wola, stwierdzono zbliżoną wartość zużycia energii lecz znacznie mniejsze koszty inwestycyjne. Uzyskuje się dzięki temu ok. 2-krotne zmniejszenie jednostkowych kosztów odsalania. Ponadto, dzięki uniknięciu recyrkulacji koncentratu, instalacja jest mniej narażona na ryzyko wystąpienia tzw. skalingu, czyli blokowania membran substancjami nieorganicznymi. Rozwiązanie to jest też mało wrażliwe na zmiany jakości wody surowej.
Rezultaty realizacji Projektu
Prototyp: Moduł elektrodejonizacji z jonitem w formie włóknistej
Prototyp: Moduł elektrodejonizacji z jonitem w formie ziarnistej i włóknistej
Nowa technologia: Sposób prowadzenia procesu elektrodializy
Projekt wynalazczy P.435245: Moduł elektrodejonizacji z jonitem w formie włóknistej
Projekt wynalazczy P.435246: Moduł elektrodejonizacji z jonitem w formie ziarnistej i włóknistej
Projekt wynalazczy P.434657: Sposób prowadzenia procesu elektrodializy
Publikacje
Mitko Krzysztof and Turek Marian, Innovations in electromembrane processes, Copernican Letters vol. 6 (2015) 34-40
Turek Marian, Gierzkiewicz Daniel, Laskowska Ewa, Słowik Marek, Mitko Krzysztof, Dydo Piotr, Sąkol-Sikora Dorota, Stawiarz Tomasz, Krzyżak Wioletta, The required membrane length in electrodialytic desalination of river water, “Desalination and Water Treatment”, 2018, 128, 272–277
Wystąpienia konferencyjne
- Słowik Marek, Laskowska Ewa, Babilas Dorota, Mitko Krzysztof, Jakóbik-Kolon Agata, Dydo Piotr, Turek Marian, Zastosowanie żywicy jonowymiennej w formie włókniny w procesie elektrodejonizacji, 59 Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego, Poznań, 19-23.09.2016 r.
- Turek Marian, Laskowska Ewa, Mitko Krzysztof, Słowik Marek, Gierzkiewicz Daniel, Dydo Piotr, Jakóbik-Kolon Agata, Selection of the diluate spacer for electrodialysis reversal river water desalination system, 3rd International Conference on Desalination using Membrane Technology, Hiszpania, 2-5.04.2017
- Turek Marian, Laskowska Ewa, Mitko Krzysztof, Słowik Marek, Dydo Piotr, Jakóbik-Kolon Agata, Effect of spacer geometry on limiting current density and pressure drop in electrodialysis, Desalination for Clean Water and Energy: Cooperation around the World, Tel Aviv 9-12.05.2017, Izrael
- Turek Marian, Sąkol-Sikora Dorota, Stawiarz Tomasz, Krzyżak Wioletta, Mitko Krzysztof, Laskowska Ewa, Dydo Piotr, Pilot-Scale Testing of River Water Electrodialysis, 5th International Conference on Methods and Materials for Separation Processes “SEPARATION SCIENCE – THEORY AND PRACTICE 2018” Kudowa Zdrój, POLAND, 26-30.08.2018
- Turek, E. Laskowska, K. Mitko, A. Jakóbik-Kolon, D. Leśnik, Małoodpadowa i mało energochłonna utylizacja zasolonych wód kopalnianych, International Mining Forum 2019, Bezpieczeństwo i efektywność eksploatacji wobec wyzwań przemysłu 4.0, Katowice 11-12.04.2019 r.
- Turek, K. Mitko, P. Dydo, E. Laskowska, D. Sąkol-Sikora, T. Stawiarz, W. Krzyżak, Autorskie rozwiązania EDR i EDI do produkcji wody zdemineralizowanej, XII Forum Dyskusyjne DIAGNOSTYKA I CHEMIA DLA ENERGETYKI, ISBN: 978-83-950422-4-9, 121-135, 22–24 maja 2019 r., Szczyrk
- Turek, K. Mitko, E. Laskowska, A. Jakóbik-Kolon, Techniki membranowe do obróbki wód w energetyce, Kongres Gospodarki Wodno-Ściekowej, XIII Woda i Ścieki w Przemyśle, Sopot 02-03.10.2019 r.
- Turek, Racjonalne gospodarowanie wodą z zastosowaniem metod membranowych, TECHCO Forum, Polska Izba Przemysłu Chemicznego, Warszawa, 02-03.12.2020
