Особливості використання води у промисловості

                                                  Вступ

Якщо система водопостачання промислового підприємства призначена для забезпечення підтримки необхідного режиму виробництва, то система водовідведення призначена для забезпечення відведення та очистки відпрацьованої води, яка в результаті контакту із продуктами виробництва, перетворюється у стічну воду. Після очистки стічних вод, вони можуть бути скинуті на міські очисні споруди для сумісної очистки і подальшого скиду у водойми або повторного використання у виробництві.

Для забезпечення водою промислово-господарського комплексу необхідно мати цілий ряд споруд для забору води, її підйому, очистки, накопичування, транспортування і розподілу. Набір цих споруд залежить від наявності і якісних показників водних джерел, вимог споживачів до води та кількості споживачів, складу самих споживачів, наявності обладнання, матеріалів тощо. В усіх країнах світу споживання води галузями народного господарства збільшується з року в рік, а це веде до зростання навантаження на природні водні джерела і на системи водопостачання та водовідведення. 
                      1. Особливості використання води у промисловості

           Промислові підприємства є практично в кожному населеному пункті. Це можуть бути невеличкі заводи місцевої промисловості (цегельні, залізобетонних конструкцій тощо), переробки сільськогосподарської продукції або заводи-велетні (металургійні, хімічної промисловості тощо). Вони можуть працювати в одну, у дві чи три зміни. Воду найчастіше витрачають протягом робочої зміни. Деякі з підприємств не працюють в окремі період року.

           Потреби підприємств у воді складаються з технологічних і господарсько-питних. Режим споживання води на технологічні потреби залежить від устаткування, технології виробництва та інших факторів і встановлюється технологами. Промислові підприємства витрачають велику кількість води, а деякі підприємства вимагають навіть безперервної подачі води. Із збільшенням потужності підприємств, використанням складних технологічних процесів потреби у воді збільшуються. Витрати води, які споживає промисловість, у десятки разів перевищують кількість води, що споживає населення. Наприклад, кількість води, що використовується тільки на охолодження металургійними підприємствами, складає більше 5 млрд. м3 на рік, що у два рази перевищує водоспоживання населення.

На підприємствах в залежності від прийнятих технологій, виготовленої продукції, потужності, займаних площ може існувати декілька систем водопостачання.

 В цілому системи  водопостачання промислових підприємств  можна поділити на такі:

1. Господарсько-питні
2. Протипожежні
3. Виробничі.

Господарсько-питна система подає воду для питних та інших потреб робітників і службовців протягом зміни, а також для прийняття душів протягом 45 хв. після закінчення зміни. Залежно від виду виробництва (холодні або гарячі цехи) в розрахунках встановлюють графік витрачання води протягом зміни. Воду забирають питними фонтанчиками, раковинами, мийками, різними санітарними приладами. Для розрахунків вважають, що воду споживають усі працюючі, а душами користується якась частина їх. Кількість працюючих, які приймають душ, встановлюють залежно від типу виробництва. Якість води повинна відповідати вимогам “Вода питна”.

Протипожежна система має подавати воду тільки під час пожежі із зовнішньої та внутрішньої мереж. Витрати води на пожежегасіння можуть бути великими, але це спостерігається дуже рідко. Використовувати можна воду як питної, так і іншої якості.

 Виробнична система забезпечує водою тільки виробничі процеси. При цьому в залежності від типу виробництва на підприємстві можуть бути споживачі з різними вимогами до якості води.

Для підприємств, які є великими споживачами неочищеної води, звичайно будують самостійний виробничний водопровід. Великі підприємства, які розташовані за межами населеного пункту, мають роздільні системи господарсько-питного та виробничного водопроводів. Протипожежний водопровід здебільшого об’єднують з господарсько-питним. Невеличкі підприємства здебільшого підключають до водопроводу населеного пункту. У разі потреби в якісній воді (кращій ніж питна) для якогось цеху або приладу можна робити локальні установки поліпшення якості води. Кількість і якість води для виробничих потреб залежать від характеру виробництва, схеми технологічних процесів, використовуваного обладнання, можливих джерел водопостачання. Звичайно, ці параметри задають технологи і вони можуть коливатися в дуже широких межах. Різноманітні вимоги до якості води потребують навіть різних виробничих систем. Вимоги до якості води дуже часто визначають можливі схеми водопостачання. В деяких випадках якість води може визначати питоме водоспоживання. Так, при охолодженні мартенівських пічок на Донбасі жорсткою водою на одну піч використовується 250-500 м3/год, а на Уралі при більш якісній воді – всього 150-300 м3/год.

           2. Типи водоспоживання у виробництві

Вода у промисловості витрачається на самі різноманітні цілі. У цілому водоспоживання у виробництві можна класифікувати так: охолодження, промивання, пароутворення, гідротранспорт, у складі продукції.

В залежності від ролі, що виконує вода у системах виробничного водопостачання, її можна поділити на чотири категорії:

1. Вода І категорії використовується для охолодження обладнання і продукту в теплообмінних апаратах (без контакту з продуктом). Вода тільки нагрівається і практично не забруднюється.
2. Вода ІІ категорії використовується як середа, що поглинає та транспортує домішки, без нагрівання (збагачення корисних копалин, гідротранспортування). Вода забруднюється механічним та розчинними домішками, але не нагрівається.
3. Вода ІІІ категорії використовується також як середа, що поглинає та транспортує механічні та розчинні домішки, з нагріванням (уловлювання та очистка газів, гасіння коксу та інше).
4. Вода ІV категорії використовується в якості розчинника реагентів, наприклад при флотаційному збагаченні копалин тощо. Воду на охолодження використовують для конденсації пари, охолодження печей, машин, агрегатів. Звичайно, питома вага цих втрат значно перевищує інші витрати води і безперервно зростає. Так, в чорній і кольоровій металургії, в нафтопереробній промисловості на водяне охолодження використовується 95% води і тільки 5% на підсобні потреби, в хімічній та коксохімічній відповідно 90% і 10%.

Промивання водою сировини або продукції здійснюється, наприклад, на таких підприємствах, як шкіряні, консервні, овочесушильні, цукрові тощо. Водою змивають різне сміття, жир, мул. Вода використовується для промивки, замочування, та зволоження у целюлозно-паперовій, текстильній та вовнапереробній промисловостях. Пару, яку одержують на різноманітному за потужністю та конструкцією паросиловому обладнанні, використовують практично на всіх підприємствах для обігріву приміщень, підігріву різних матеріалів, прогріву продукції – скажемо залізобетонних плит на заводі будівельної індустрії тощо. Гідротранспорт передбачає транспортування потоком води лотками або жолобами шлаку, золи, сировини тощо. Його можна використовувати, наприклад, на теплосилових станціях для транспортування шлаку і золи, в доменному виробництві для транспортування шлаку, на збагачувальних фабриках для транспортування різних відходів, на цукрових заводах для транспортування цукрових буряків тощо.

Вода у складі продукції - прикладом можуть бути харчова промисловість, будівельна індустрія. Це стосується виготовлення консервів і продукції на овочесушильних виробництвах, молочних заводах, виготовлення цегли на цегляних заводах тощо. Наприклад, на теплових електростанціях 85% загальної витрати води використовується на охолодження, 12% - на транспортування золи (на станціях, де вугіль використовують як пальне), 3% - на приготування пари. В цілому, по всім видам промисловості 70-75% води витрачається на охолодження механізмів та апаратів різних технологічних процесів.

                 Основні 4 випадки використання води у промисловості

1. Вода не підлягає термічному діянню.

 В таких процесах, як  гідротранспорт, мийка деталей або  обладнання, сольовий склад води  практично не змінюється, і тому  не чинить шкідливого діяння  на об’єкт, з яким контактує. В  процесі використання така вода  придбає тільки механічні забруднення. Для повторного використання  цієї води достатньо її освітлення  за допомогою відстоювання. Чим  більший розмір отворів розподільчих  та розбрискувальних пристроїв, тим менші вимоги до степені освітлення води, що використовується в оборотній системі.

2. Вода підлягає термічному діянню

В оборотних системах охолодження теплообмінної апаратури вода багаторазово нагрівається та охолоджується у інтервалі 20-40°C. При цьому у зв’язку з випаровуванням частини води на градирні зростає кількість солей, у тому числі погано розчинних солей карбонатної жорсткості, які здібні утворювати накипі. В основному утворюються відкладення карбонату кальцію внаслідок порушення вуглекислотної рівноваги, що інтенсифікується з підвищенням температури. Ca(HCO3)2 CaCO3+ H2O + CO2. (1.1) Для запобігання цьому технічну воду підкислюють сірчаною кислотою, в результаті чого солі карбонатної жорсткості перетворюються у краще розчинні сульфати, тобто карбонатна жорсткість переходить у некарбонатну. Ca(HCO3)2 + H2SO4CaSO4 + 2H2O + 2CO2. (1.2)

3. Вода нагрівається до 140°C.

Це діється при підготовці гарячої води для систем гарячого водопостачання міста. Повне знесолення води у цьому випадку не потрібно, тому достатньо забезпечити запобігання корозії в опалювальних приладах міста та утворення накипі. З цією метою з води спочатку видаляються корозійно-активні гази (O2, CO2), а потім на натрій-катіонітних фільтрах катіони кальцію та магнію, що утворюють накипі, замінюються на катіони натрію, солі якого добре розчинні.     4) Вода повністю випаровується.

При отриманні технологічної пари вода повністю переходить з рідкого стану у пароутворення. Тому солі, що містяться у воді можуть кристалізуватись на теплообмінній поверхні труб парових котлів. Підготовка води для отримання пари полягає у повному видаленні усіх розчинних у воді компонентів на спорудах хімводоочистки. Технологічний ланцюжок цієї очистки включає послідовне видалення усіх компонентів в залежності від простоти вилучення цих компонентів. Спочатку з води видаляються корозійно-активні гази. У зв’язку з поганою розчинністю газу у гарячій воді для цього воду достатньо нагріти. Після цього з води собційним засобом вилучаються органічні речовини (нафтопродукти, гумінові солі). Розчинні неорганічні солі, що залишились у воді вилучають послідовно на катіонообмінних і аніонообмінних фільтрах. На катіонообмінних фільтрах усі металеві катіони заміняються на катіони водоводу. Для вилучення аніонів використовують виключно аніоніти, в яких усі аніони (кислотні залишки) заміняються на гідроксид-аніони. Таким чином вода повністю знесолюється.

                    3 Утворення промислових стічних  вод.

Призначення систем водовідведення промпідприємств

         Безперервне зростання промисловості обумовлює збільшення об’ємів споживання води на різні виробничні операції, процеси (для допоміжних цілей або для запровадження до складу продукції). Після використання у виробничних цілях вода, забруднюється або нагрівається, змінює свої первинні властивості, і стає непридатною для подальшого використання, тобто вона перетворюється у виробничні стічні води (промислові стоки). Для своєчасного та організованого відведення промислових стоків, очистки та знешкоджування їх до необхідної степені з метою послідуючого використання або випуску у водойми (міську каналізацію), а також для обробки та утилізації осадків на промислових підприємствах влаштовуються системи водовідведення.

        Системи водовідведення промислових підприємств складаються з водоприймальних ємностей, мереж водовідведення, насосів або спеціальних насосних станцій, очисних споруд, випусків. Системи промислового водовідведення забезпечують нормальне та високоефективне функціонування промпідприємства; здійснюють очистку стічних вод до необхідного стану з метою їх послідуючого використання, що в решті решт охороняє водойми від забруднень і сприяє раціональному використанню води. Обробка і утилізація осадів та інших забруднень, що видаляються при очищенні стічних вод, створюють умови для безвідходних виробництв або окремих технологій, служать охороні природи і раціональному використанню сировини, підвищують економіку та культуру виробництва.

На промислових підприємствах (заводах, фабриках, рудниках і т.п.) утворюються три категорії стічних вод:

1. Побутові, що утворюються у побутових приміщеннях (від санітарних вузлів, душових кабін) промпідприємств; атмосферні, що утворюються в результаті випадіння опадів та розтавання снігу;
2. виробничні (промислові), що утворюються при використанні води у різних технологічних процесах виробництва або при добуванні корисних копалин (вугілля, нафти, руди). Промислові стоки відрізняються виключно великою різноманітністю в залежності від умов утворення, кількості і особливо видів окремих забруднень, їх сполучень та концентрацій. Промислові стічні води утворюються при гідродобуванні корисних копалин, їх збагаченні; гідротранспортуванні; промивці газів, що відходять; мокрого пиловловлювання в шахтах та рудниках, мийці посуду, робочих ємностей, приміщень, агрегатів; промивні води установок гальванічного покриття: лужні, кислі, забруднені важкими металами; нагріті промислові стоки після використання води для охолодження.

       4. Норми водоспоживання та кількість промислових стічних вод

Витрата води на промислові потреби промпідприємств залежить від характеру та обсягу виробництва та застосованих технологічних процесів. Норма водоспоживання для виробництва однакової продукції залежить від ряду факторів:

- виду та якості сировини; технологічної схем виробництва;

- застосування обладнання; місцевих умов;

- якості використаної води.

Нормою водоспоживання вважається доцільна кількість води, що необхідна для виробничного процесу і встановлена на основі передового опиту або науково обґрунтованого розрахунку. Нормою водовідведення є встановлена середня кількість стічних вод, що відводяться від виробництва у водойми при доцільній нормі водоспоживання. Орієнтовно норми водоспоживання на промислові потреби можуть прийматись по справнику «Укрупненные нормы расхода воды и отвода сточных вод на единицу продукции для различных отраслей промышленности». Укрупнені норми водоспоживання та водовідведення виражаються у м3 води на одиницю готової продукції або сировини. 
 
5. Споживання води та умови утворення стічних вод 
Коксохімічне виробництво відноситься до одних з найбільш небезпечних з точки зору впливу на навколишнє середовище. 
Сучасні коксохімічні заводи складаються з ряду цехів, основними з яких є: вуглепідготовчий, коксовий, уловлювання хімічних продуктів коксування й очищення коксового газу від сірководню.  
На вуглезбагачувальних фабриках вода використовується на мийку вугілля, приготування розчинів флотаційних реагентів, для гідротранспорту шламу, охолодження підшипників. Система водопостачання оборотна з прояснення води у відстійниках. На 1т збагаченого вугілля витрачається 4.5-5 м3 води, в тому числі 3,5-4% свіжої. 
В коксовому цеху вода гасить розпалений кокс. Потрібно 1м3 води на 1т коксу, при цьому половина випаровується, а друга половина після відстоювання повертається. В хімічних цехах та відділення вода використовується на охолодження, при цьому частина води не входить в контакт із продуктом і не забруднюється, а частина входить у контакт із продукцією і забруднюється.  
У цьому на 1т коксу витрачається до 23 м3 води, із них 6-7% свіжої. Охолоджена вода повинна мати температуру не вище 25-28°С, завислих речовин – 20-40 мг/дм3, карбонатну жорсткість – не більше 2,5 мг-екв/дм3. 
Склад, концентрація і кількість стічних вод на коксохімічних заводах коливається в широких межах. Основні забруднення стічних вод: феноли, аміак і смоли.  
Види стічних вод: фенольні, умовно чисті та поверхнево-зливові. 

6.Виробництво коксу. 
Кокс вилучають з кам'яного вугілля в коксових батареях без доступу кисню, тобто вугіль підлягає термічній обробці з таким розрахунком, щоб зберегти повністю вуглевод, з якого в основному і складається вугілля. Температура в коксових батареях при цьому досягається 1000°С. При цій температурі усі летучі речовини, що містяться у вугіллі, переходять у газову фазу і відводяться з коксових батарей. До летючих речовин відносяться феноли, аміак, сірчані сполучення (SO2, SO3, H2S), смолисті речовини, тощо. 
В коксовому цеху вода застосовується для тушіння розпаленого коксу. Сумарна витрата води на тушіння 1 т коксу складає 1м3, при цьому безповоротно втрачається на випаровування та виноситься коксом близько 0,5 м3 води. Вода, що залишилася, разом із дрібними шматочками коксу та хімічно розчиненими речовинами стікає у приймальний резервуар – відстійник. Після прояснювання ця вода під тиском 25 м подається знову на тушіння коксу. 
Отриманий розпалений кокс вивантажується з коксових батарей у спеціальні гасильні вагони та відводиться під гасильні башти, де на кокс подається вода щоб попередити згорання вуглеводу. При цьому утворюються фенольні стічні води, які містять цілий ряд хімічних забруднень; завислі речовини з концентрацією до 1000 мг/л, феноли (С6Н5ОН) концентрацією до 500мг/л, ціаніди з концентрацією до 1000мг/л. Кількість фенольних стічних вод складає 200-250 м3/год. При попаданні води на поверхню розпаленого коксу, утворюється велика кількість пари, яка містить значні концентрації летучих хімічних речовин, які скидаються у атмосферу і розсіюються по території підприємства, а також далеко за його межі.  
Мається також більш прогресивний засіб тушіння коксу по так званому сухому методу. При цьому кокс завантажується у герметичну камеру через яку пропускають інертний газ, наприклад азот. Газ циркулює і відводить тепло від коксу, охолоджується і знову цей газ повертається в камеру сухого тушіння коксу. Цей метод дозволяє виключити застосування води, покращити стан атмосфери в районі заводу та навколишньої території й отримати більш високу якість коксу. Висока якість коксу у даному випадку визначається меншим відсотком згорілого вуглецю та меншою забрудненістю коксу токсичними речовинами, що містяться в охолоджуваній воді. Наприклад, при мокрому тушінні коксу у його складі виявляються феноли і ціаніди, які потім з'являються у газах, що відходять з доменних печей, які використовують кокс. Це змушує займатися очисткою стічних вод газоочисток доменних печей від фенолів та ціанідів.  
 
Установки сухого тушіння знаходяться в експлуатації тільки на одиночних підприємствах, що пов'язано з їх високою вартістю. При сухому тушінні коксу на коксохімічних підприємствах утворюються збиткові стічні води у кількості до 200 м3/год, які при мокрому тушінні звітрюються в атмосферу у вигляді пари.  
Специфіка коксохімічного виробництва заключається у тому, що на них утворюються власні стічні води за рахунок вологи сировини (вугілля). 

7. Виробництво хімічних речовин 
Усі хімічні речовини, які виготовляють на цих заводах , отримують з газової фази , що видаляється з коксових батарей. Ця газ містить певну кількість вологи, яка конденсується у вигляді води. Ця вода містить високі концентрації хімічних компонентів. У хімічному виробництві цих підприємств здійснюють поступове вилучення цих компонентів з конденсату газів, що відходять. Першим етапом є отримання аміаку або аміачної води (NH4OH) за допомогою метода евапорації, при якому аміак відганяється за допомогою пари.  
Другий етап – екстракція, тобто вилучення одних речовин за допомогою розчинення в інших. Цим методом видаляться феноли за допомогою обробки їдким натром NaOH. 
У результаті отримують фенолят натрію (C6H5ONa) - необхідна речовина для фармацевтичної галузі тощо. Послідуюча розгонка конденсату дає можливість вилучити цілий ряд хімічних речовин: толуол, ксилол, перидинову основу, сірчану кислоту тощо. Усі вказані речовини отримують на спеціальному обладнанні і на кожній стадії утворюють свої стічні води. Таким чином, на коксохімічних підприємствах утворюється приблизно 200 м3/ год. забруднених стічних вод. 
На цих підприємствах маються також системи водяного охолодження технологічних агрегатів, які в процесі використання тільки нагріваються (умовно чисті стічні води). 
 
На коксохімічних заводах мається декілька видів систем водовідведення:

1. фенольна каналізація;
2. промислово-зливова;
3. господарчо-побутова;
4. система оборотного водопостачання умовно чистих вод від охолодження технологічного обладнання.

Усі системи забруднені хімічними речовини, навіть в господарчо-побутовій каналізації стічні води містять до 100 мг/л фенолів. 
Фенольні стічні води очищують у декілька стадій: 
1) очистка від завислих та смолистих речовин (механічне очищення у первинних відстійниках для видалення важких смол та грубо дисперсних домішок); 
2) флотація для доочищення стічних вод і більш глибокого видалення смол і олій. Для цього застосовують масловіддільники, які працюють за принципом імпелерної флотації. Залишкова концентрація смол і масел в очищеній воді – 60-70 мг/л; 
3)біологічна очистка стічних вод від фенолів, ціанідів та радоні дів. Кінцевий вміст фенолів в очищеній воді складає 0,1-0,3 мг/л, радонідів – 5-20 мг/л. 
Поверхнево-зливові стічні води, через забруднення шкідливими речовинами, необхідно направляти на спеціальне очищення з фенольними стічними водами.