Применение замкнутых систем водопользования на промывочно-пропарочных станциях сети железных дорог

Применение замкнутых систем водопользования на промывочно-пропарочных станциях сети железных дорог

Курсовой проект

"Ресурсосберегающие технологии"

Исходные данные

Контур охлаждения компрессоров

Оборотный контур щелочного моющего раствора

Оборотный контур обмывки мотор-вагонных секций (вагонов)

Введение

Внедрение технологических систем оборотного водопользования на предприятиях железнодорожного транспорта является основным направлением как при решении вопросов рационального использования водных ресурсов, так и защиты окружающей среды и водоёмов от загрязнения.

Всероссийским институтом железнодорожного транспорта разработаны требования к качеству оборотной воды с учётом особенностей технологических процессов транспортных предприятий:

– сточная вода после промежуточной очистки может быть использована в том же технологическом процессе;

– качество воды в пределах установленного уровня должно обеспечиваться известными методами очистки воды применительно к каждому технологическому процессу.

– качество очищенной воды не должно ухудшать параметры технологического процесса;

– качество очищенной воды должно обеспечивать создание бессточных систем, по возможности без дополнительного применения чистой водопроводной воды, за исключением пополнения естественной убыли и периодической смены воды в системе.

В целом применение замкнутых систем водопользования на промывочно-пропарочных станциях сети железных дорог позволяет экономить 2 млн. м³ воды в год. Стоимость обработки цистерн по замкнутой технологии по сравнению со стоимостью сброса воды на очистные сооружения нефтеперерабатывающего завода снижается до 25%, а по сравнению со стоимостью сброса в открытые водоёмы при учёте предотвращённого ущерба – на 30% и более. На шпалопропиточном заводе внедрение бессточной системы водопользования обеспечивает экономию воды около 50 тыс. м³/год, а внедрение аналогичной системы при обмывке пассажирских вагонов – до 100 тыс. м³/год на один пункт.

1.   Расчёт оборотного контура охлаждения компрессорных установок

Схема оборотного использования охлаждающей воды в компрессорных установках включает водоохладитель с насосом охлаждённой воды, подающий насос и сливной бак (рис. 1).

При работе компрессора нагретая вода из сливного бака насосом подаётся в водоохладитель, откуда после охлаждения другим насосом возвращается в компрессор. Сливной бак является расширительной ёмкостью для обеспечения нормальной работы системы. Насосы подбираются исходя из необходимой производительности и создания напора 25–30 мм вод. ст.

В качестве водоохладителя испарительного типа используются различные типы теплообменников, выбор которых определяется климатическими и производственными условиями. Охладители брызгательный бассейн или малогабаритные градирни (открытые или вентиляционные).

Рис. 1. Схема оборотного использования воды охлаждения компрессоров:

1 – компрессор (струйный); 2 – сливной бак для расширения нагретой воды; 3 – подающий насос; 4 – место установки теплообменника (можно установить для вторичного использования тепла, тогда вода после него должна иметь более низкую температуру, чем t₂, следовательно, уменьшается время охлаждения и величина испарения воды в водоохладителе); 5 – водоохладитель (брызгательный бассейн, тогда величина капельного уноса велика или миниградирня); 6 – насос; 7 – сливной бак (введение подпиточного объема воды); W – объем циркулирующей охлаждающей воды; Р – слив с целью уменьшения концентрации солей; И – объем испаряемой воды в водоохладителе; У – капельный унос; t₁ – температура воды на входе в компрессор; t₂ – температура воды на выходе из компрессора; а – подача газа (воздуха) в компрессор; в-выход сжатого газа (воздуха) из компрессора; с – подача холодной воды в теплообменник; д – выход нагретой воды из теплообменника; е – подпитка.

1.   Определение потери воды от капельного уноса.

,

где W – объём охлаждаемой воды, м³/сут.;

К₁ – коэффициент капельного уноса водоохладителя.

2.   Определение потери воды от испарения.

,

где W – объём охлаждаемой воды, м³/ сут;

К₂ – коэффициент водоохладителя;

t₂ – максимальная температура воды на выходе из компрессора, ^оС;

t₁ – максимальная температура воды на входе в компрессор, ^оС.

3.   Определение количества осадка, образующегося в баках контура, кг/сут.

,

где C₁ – концентрация взвеси в циркулирующей воде контура, г/м³;

C₀₁ – предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в охлаждённой воде, C₀₁ = 30г/м³;

α – доля взвеси в осадке;

1000 – коэффициент перевода в кг.

4.   Определение количества, воды теряемое с осадком, кг/сут.

ОС = Р₁·К₃,

где k₃ – расчётная доля воды в осадке, К₃ = 1 – α.

5.   Определение количества маслонефтепродуктов, всплывших в баках контура, кг/сут.

,

где С₂ – концентрация маслонефтепродуктов в охлаждённой воде контура, г/м³;

C₀₂ – предельно допустимая концентрация маслонефтепродуктов в охлаждённой воде, С₀₂ = 20г/м³;

β – расчётная доля нефтепродуктов во всплывшем слое.

6.   Определение количества воды, теряемое с маслонефтепродуктами, кг/сут.

НП = Р₂·К_4,

где К₄ – доля воды, теряемая с маслонефтепродуктами, К₄ = 1 – β.

7.   Определение солесодержания в оборотном контуре.

Солесодержание в контуре (С_х) определяется на основе водно-солевой баланса.

При этом С_х определяется с учётом добавления питьевой воды с концентрацией солей С_доб, которая может изменяться от 300 до 1000 мг/л, при продувке П = 0 и Q_доп = 0. При этом производится расчёт при трёх значениях с солесодержанием в добавочной воде равном соответственно 300, 500 и 1000 мг/л.

(У+ОС+НП+П)·Сх=(И+У+ОС+НП+П) · C_доб + Q_доп (1)

где У – потери воды от капельного уноса, м³/ сут;

ОС – потери воды с удалённым осадком, м³/ сут;

НП – потери воды с выделенными нефтепродуктами, м³/ сут;

И – потери воды от испарения, м³/ сут;

C_доб – солесодержание в добавочной воде, г/м³, максимальная С_доб=1000 г./м³,

Q_доп - количество поступивших в воду контура солей, г/сут.

С_доб.=300г/м³

С_доб=500 г./м³

С_доб.=1000 г./м³

8.   Определение объема продувки в контуре.

(У+ОС+НП+П) ∙ 2000=(И+У+ОС+НП+П) ∙ C_доб+Q_доп

Так как расчётное количество С_х не превышает 2000 г./м³, то продувка не нужна.

9.   Определение объёма подпитки по формуле:

Q_подп = И+У+ОС+НП (2)

Q_подп = 1,6926+0,1178+0,868+1,684=4,3524 4,4 м³/cут

Затем рассчитывается процент подпитки и продувки в общем объеме контура.

62 = 100%;

4,4 = х%;

х = 7,9%

Общее количество подпиточной воды не должно превышать 5%. Необходимо вычислить, что оказывает большее влияние.

2.      Расчёт оборотного контура обмывки щёлочным моющим раствором деталей и узлов подвижного состава

Для очистки от загрязнений деталей и узлов подвижного состава перед ремонтом (букс, колёсных пар, рессор, тележек, тормозных тяг) используют струйные моечные машины. В зависимости от поступающих загрязнений вода находится в обороте от 1 до 2 месяцев. Струйная моечная машина представляет собой закрытую камеру с наконечниками, которую называют соплом, куда поступают промывочные детали.

Моющий раствор готовят на водопроводной воде путём добавления до 50 г./л щелочного реагента (едкого натрия или кальцинированной соды) и 2–3 г./л жидкого стекла для эмульгирования смываемых нефтепродуктов. При истощении моющего средства его корректируют добавлением щелочи. Моющий раствор из бака, располагающегося под камерой, подается насосом к соплам с напором 30–40 мм водяного столба, а отработанный раствор стекает обратно в бак. После этого происходит домывание объекта (детали), путём ополаскивания чистой водой.

В процессе работы машины образуется слой всплывших нефтепродуктов и образуется осадок, при этом обычно осадок забивает всасывающий патрубок насоса и сопловую систему, а находившиеся нефтепродукты замасливают промываемую поверхность, что приводит к ухудшению качества мойки деталей. Чтобы этого не происходило, машину останавливают на чистку, а моющий раствор очищают.

Отработанные щелочные моющие растворы представляют собой эмульсию разной окраски от желто-белого до темно-коричневого цвета.

Допустимое солесодержание моющего щелочного раствора используемого в обороте соответствует С_Х = 7000 г./м³, а после обмывки в машине с использованием щелочи остается солесодержание С_Х1 = 10–100 г./м³ после роликов и букс (более загрязненные детали) и С_Х2 = 300–2500 г./м³ после колесных пар (менее загрязнены).

Нефтепродукты в воде находятся в виде кусков плавающей смазки, после подшипников и букс, и в виде масел после обмывки тележек, колесных пар и цистерн.

Присутствие щелочи приводит к образованию коллоидного раствора и повышенного пенообразования. Взвешенные вещества состоят из песка, глины, продуктов коррозии и износа промываемых деталей. Концентрация их составляет от 200–3000 мг/л.

Основным способом очистки отработанных растворов является отстаивание, причем за 3–5 мин. отстаивания удаляется 60% взвешенных веществ.

Наиболее перспективным оборудованием по отстаиванию является реактор-отстойник, в котором для ускорения отведения взвешенных веществ и нефтепродуктов по оси аппарата размещено приспособление в виде последовательно расположенных воронок. Реактор – отстойник устанавливают после песколовки. Содержание взвешенных веществ на выходе при очистке вод после мойки вагонов составляет 75 мг/л. Производительность оборудования 5–10 м³/час.

Для более глубокой очистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ используют флотаторы. Максимальная концентрация нефтепродуктов на флотаторе не должна превышать 50 мг/л, после флотации содержание нефтепродуктов уменьшается в 8–10 раз.

Для более глубокой очистки от нефтепродуктов используют фильтры с зернистой загрузкой.

1.   Определение количества образующего осадка, кг/сут.

,

где W₁ – производительность моющего насоса, м³/час;

Т₁ – продолжительность работы моющего насоса, час/сут;

С₁ – концентрация взвешенных веществ поступающих в моечный раствор, г/м³;

α – доля твёрдой фазы в осадке;

10³ – коэффициент перевода в кг.

2.   Определение объёма воды теряемого с осадком, м³/сут.

ОС = Р·(1 – α)·10^-3,

где (1 – α) – доля воды в осадке.

3.   Определение количества смываемых нефтепродуктов поступающих в моечный раствор, г/м³.

,

где С_н – концентрация нефтепродуктов поступающих в моечный раствор, г/м³;

β – доля нефтепродуктов в смываемой смеси;

10³ – коэффициент перевода в кг.

4.   Определение объёма воды в смываемом нефтепродукте, кг/сут (дм³/сут).

НП = Р_н· (1-β)

где 1-β – доля воды в смываемой смеси

5.   Определение объёма воды от испарения (м³/сут) при вентиляционном отсосе паров из моечной машины.

,

где С₂ – содержание водяных паров в вентиляционном отсосе, г/м³;

Т₂ – продолжительность работы вентилятора, час/сут;

W₂ – производительность вентилятора, м³/ч;

10⁶ – коэффициент перевода в м³/сут.

6.   Определение объёма потерь воды от уноса моющего раствора, м³/сут.

,

где К₁ – коэффициент (процента потери раствора от уноса и разбрызгивания).

7.   Определение солесодержания моющего раствора, используемого в обороте без продувки контура (П=0).

Солесодержание в контуре С_Х определяется из уравнения (1). Значение С_х определяется при П = 0 и Q_доп = 10000 г./сут и для С_доб = 300, 500 и 1000 г./м³ (соответствующая солесодержанию питьевой воды).

С_доб.=300 г./м³

С_доб.=500 г./м³

С_доб.=1000 г./м³

8.   Объём продувки контура определяется из расчёта, что допустимое солесодержание моющего щелочного раствора используемого в обороте соответствует 7000 г./м³, а Q_доп – расчетное подкрепление раствора щелочью 10000 г./сут.

Допустимое солесодержание моющего щелочного раствора меньше 7000 г./м³, поэтому продувка не нужна.

9.   Объём подпитки контура определяется по уравнению (2).

Q_подп = 0,28+0,06+0,003+0,96 = 1,3 м³/cут

Затем рассчитывается процент подпитки и продувки в общем объеме контура.

14,4 = 100%;

1,3 = Х%;

Х = 9,02%.

Общее количество подпиточной воды не должно превышать 5%. Необходимо вычислить, что оказывает большее влияние.

При наружной обмывке пассажирских вагонов, вагонов электропоездов, дизельных поездов и кузовов локомотивов образуется сточная вода, загрязнённая минеральной взвесью, эмульгированным маслом и моющими средствами, в состав которых входят поверхностно-активные вещества и кислоты. В сточной воде содержится до 300 мг/л нефтепродуктов, большое количество минеральной и органической взвеси до 250 мг/л.

На предприятиях сети (на железных дорогах) наружную обмывку подвижного состава осуществляют с помощью специальной моечной машины, включающей систему труб с насадками для моющего раствора и обмывочной водой, а также систему вращающихся щёток, количество которых доходит до восьми пар. Моющий раствор готовят на основе технического моющего средства (ТМС), в состав которого входят компоненты: ПАВ – алкиларилсульфонат – 40%; триполифосфат – 20%; сульфат натрия – 25%; силикат натрия ингибитор коррозии -5%; вода -10%.

Машина находится на открытой площадке или в закрытом ангаре. По мере продвижения подвижного состава со скоростью 0,4 – 0,5 км/час, с него смывают грубые загрязнения, наносят моющий раствор, растирают его по поверхности и обмывают подогретой водой щётками. Подогрев обмывочной (оборотной) воды проводят в котельной. Заключительной операцией является обмывка свежей водой. Обмывочная вода стекает с подвижного состава в межрельсовый лоток, проходит очистку и используется повторно (рис. 2).

Рис. 2. Схема оборотного использования воды при промывке грузовых вагонов:

1 – прирельсовый сборный лоток; 2 – колодец – предотстойник; 3 – дозатор коагулянта; 4 – отводящий лоток; 5 – гидроэлеватор; 6 – промежуточный резервуар; 7 – флотатор-отстойник; 8 – рециркуляционный трубопровод; 9 – выпуск нефтепродуктов; 10 – напорный бак; 11 – воздушный эжектор; 12 – рециркуляционный насос; 13 – резервуар для очищенной воды; 14 – насос для подачи воды на промывку; 15 – выпуск в канализацию; 16 – фильтр для доочистки сбрасываемой воды; 17 – водопровод; 18 – хлоратор; 19 – решетка; 20 – промываемые вагоны.

1.   Определение количества образующего осадка (кг/сут.)

,

где V₁ – расход воды на обмывку одного вагона без использования моющего средства: 1,5 м³/вагон;

N – количество обмываемых вагонов в сутки, штук;

С₂ – концентрация взвешенных веществ в отработанной воде;

С₁ – допустимая концентрация взвешенных веществ в оборотной воде, С₁=75 г./м³;

α – доля твёрдой фазы в осадке;

1000 – коэффициент перевода в кг.

2.   Определить количество воды теряемое с осадком, м³/сут.

ОС = Р₁·(1-α)·10 ⁻³,

где (1-α) – доля воды.

3.   Определить количество уловленных нефтепродуктов, кг/сут

,

где N – количество обмываемых вагонов в сутки, штук;

С₄ – концентрация нефтепродуктов в отработанной воде г/м³;

С₃ – допустимая концентрация нефтепродуктов в отработанной воде

С₃ = 20 г./м³;

β – доля нефтепродукта в отводимой смеси;

1000 – коэффициент перевода в кг.

4.   Определить количество воды, теряемое с удаляемыми нефтепродуктами, л/сут.

НП = Р₂ · (1-β),

где (1-β) – для воды в уловленных нефтепродуктах.

5.   Определить объём воды теряемой на унос и разбрызгивание при машинной обмывке подвижного состава, м³/сут.

,

где К₁ – коэффициент потерь воды на унос и разбрызгивание, 2%,

100 – перевод процентов в долю.

6.   Определить потери воды от испарения из моечной машины струйного типа, м³/сут.

,

где К₂ – коэффициент на испарение воды, зависящий от времени года (0,2% для лета);

t₁ – начальная температура обмывочной воды, ^оС;

t₂ – конечная температура обмывочной воды, ^оС,

100 – перевод процентов в долю

7.   Количество солей, поступающее в оборотную воду без применения моющих растворов (смытых с вагонов), г/сут рассчитывается по формуле:

m₁ = C₅ · V₁∙N,

где С₅ – увеличение солесодержания оборотной воды (г/м³ ∙сут), которое равно 10 г./м³ в сутки;

8.   Определить массу солей, поступающую в оборотную воду при использовании моющих средств (для смачивания вагонов), г/сутки.

Избыток моющего раствора стекает в количестве 1/2 от наносимого количества его на вагон (расход моющего средства-раствора составляет примерно 5 л на вагон).

m₂ =1/2 · V₁ · N ∙ С₆ · α₁ + m₁,

где V₁ – расход технического моющего средства-раствора, л/вагон;

N – количество обмываемых вагонов в сутки, штук;

С₆ – концентрация моющего средства-раствора, г/л;

α₁ – доля непрореагировавшего моющего раствора;

m₁ – масса солей, смытых с вагона, г/сутки.

Оставшаяся часть ТМС находится на стенках вагона.

9.   Определить солесодержание оборотной воды «C_х» без продувки контура (П=0) и без применения моющего раствора из солевого баланса из уравнениия (1).

(У+ОС+НП+П) ∙ С_х =(И+У+ОС+НП+П)∙С_доб+Q_доп,

где У – потеря воды от капельного уноса, м³/сут;

ОС – потеря воды с удалённым осадком (нефтешламом), м³/сут;

НП – потеря воды с выделенными нефтепродуктами, м³/сут;

И – потеря воды от испарения, м³/сут;

С_доб – солесодержание добавочной воды, мг/л (г/м³);

С_доб = 300, 500 и 1000 г./м³;

Q_доп = m₁, это количество поступивших в воду контура солей с обмывочной водой, г/сут.

С_доп = 300 мг/л

С_доп = 500 мг/л

С_доп = 1000 мг/л

С_доб=300, 500 и 1000 г./м³; Q_доп = m₂ г/сут.

С_доп = 300 мг/л

С_доп = 500 мг/л

С_доп = 1000 мг/л

Поскольку заключительной стадией является домывка вагонов питьевой водой с температурой 60–80⁰С, то в этом случае солесодержание С_х в оборотном контуре допускается до концентрации 3000–4000 г./м³. Поэтому объем продувки рассчитывается, если С_х > или = 3000 г./м³.

Солесодержание в оборотном контуре С_х > 3000 г./м³, поэтому нужна подпитка.

При m₁ = 1905 г./сут:

При m₂ = 3953 г./cут:

Посчитать процент продувки от объема воды в контуре.

11. Определение объема подпитки проводится по уравнению (2).

Рассчитать процент подпитки от суточного потребления воды.

Q_подп = 12,6+3,8+0,073+3,4 = 19,87 м³/сут

Затем рассчитывается процент подпитки и продувки в общем объеме контура.

Общее количество подпиточной воды не должно превышать 5%. Необходимо вычислить, что оказывает большее влияние.

12. Определить дополнительную потерю воды за сутки, м³/сут.

Эта величина рассчитывается как 6% от суточной подачи воды

V_сут = V₁ · N, м³/сут.

V_сут=1,5 ∙ 127 = 190,5 м³/cут

6% от суточной подачи воды составляет 11,43 м³/сут

Она оценивает необходимое количество воды для компенсации объема ее потерь при транспортировке в системе. При большем расходе воды в систему будет поступать избыток, который приведёт к переливу воды в системе, т.е. неоправданный сброс в канализацию.

Расход потери моющих средств

В процессе мойки вагонов происходит потеря ТМС.

13. Определить расход массы моющего средства (кг/вагон)

,

где С₆ – концентрация необходимого моющего средства-раствора, г/л;

К₃ – коэффициент возврата ТМС;

V₂ – расход моющего средства ТМС, л/вагон;

1000 – пересчет в кг/вагон.

14. Определить суточный расход моющего раствора, м³/сут.

,

где m₃ – расход массы моющего средства, кг/вагон;

N – количество обмываемых вагонов в сутки;

С₆ – концентрация моющего раствора;

15. Рассчитать количество осадка в сборном баке моющего раствора, кг/сут.

,

где V₃ – суточный расход моющего раствора, м³/сут.,

С₇ – концентрация взвешенных веществ в собранном растворе, образовавшемся после очистки, г/м³;

С₁ – 75 г./м³ – норма содержания взвешенных веществ в оборотной воде;

α₂ – доля твёрдой фазы в осадке, а (1-α₂) – доля воды в осадке;

1000 – коэффициент перевода в кг.

16. Рассчитать количество всплывающих нефтепродуктов в сборном баке, после мойки, кг/сут.

,

где V₁ – суточный расход моющего раствора, м³/сут.

С₈ – концентрация нефтепродуктов в собранном моющем растворе, г/м³.

С₃ – 20 г./м³ – норма содержания нефтепродуктов в оборотной воде (в растворе), г/м³;

γ – доля нефтепродукта во всплывшем слое в собранном моющем растворе,

(1-γ) – доля воды.

17. Определить количество моющего раствора, теряемое с удаляемым из бака осадком.

ОС_МР = P₃ ∙ (1-α₂)

18.  

19. Определить количество моющего раствора, теряемое с нефтепродуктами.

НП_МР = P₄ ∙ (1-γ),

20. Определить объём разбрызгивания моющего раствора при нанесении его с помощью сопел моечной машины.

,

где V₃ – расход моющего раствора, м³/сут;

J₁ – потери моющего раствора при разбрызгивании, % (J=3%);

100 – перевод в проценты.

21. Определить объём потери раствора от испарения при машинной обмывке вагонов.

,

где J₂ – коэффициент, зависящий от времени года, J₂ = 0,2;

100 – перевод в проценты.

ПМ_общ = И_МР + У_МР + ОС_МР + НП_МР

ПМ_общ = 0,02+0,009+0,01+0,05 = 0,089 м³/сут

23. Рассчитать процент общих потерь моющего раствора от суточного расхода.

Суточный расход моющего раствора V₃ = 0,3 м³/cут, общие потери моющего раствора ПМ_общ.=0,089 м³/cут:

Выводы

1.   При расчёте оборотного контура охлаждения компрессорных установок концентрация солесодержания не превышает 2000 мг/л, поэтому продувку контура производить не следует.

Количество подпиточной воды превышает 5% и составляет 7,79%.

Исходя из расчётных данных, необходимо дать рекомендации главному механику по восстановлению герметизации, т. к. испарение воды даёт больший вклад.

2.   При расчёте оборотного контура обмывки щелочным моющим раствором деталей и узлов подвижного состава концентрация солесодержания не превышает 7000 мг/л, поэтому продувка не проводится.

Количество подпиточной воды превышает 5% от циркулирующей в системе и составляет 9,02%, из-за загрязнения нефтепродуктами.

Рекомендуется отделу главного механика увеличить количество очистных работ оборотного контура.

3.   При расчёте обмывки вагонов концентрация солесодержания превысила 3000 мг/л, поэтому необходимо провести продувку.

Подпитка превысила 5% и составила 10,4%, поэтому необходимо рекомендовать отделу главного механика проверить работу градирны, т. к. испарение имеет больший вклад.

Суточные потери ТМС составили 30%, поэтому главному инженеру необходимо подобрать помещение и оборудование для оптимального хранения моющих средств.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зубрев Н.И., Байгулова Т.М., Зубрева Н.П. Теория и практика защиты окружающей среды. – М.: Желдориздат, 2004.

2. Зубрев Н.И., Журавлёв М.А. Методические указания. – Москва 2008.