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

5

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;

б - 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 - б.

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;

в - расчётная доля нефтепродуктов во всплывшем слое.

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

НП = Р2·К4,

где К4 - доля воды, теряемая с маслонефтепродуктами, К4 = 1 - в.

7. Определение солесодержания в оборотном контуре.

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

При этом Сх определяется с учётом добавления питьевой воды с концентрацией солей Сдоб, которая может изменяться от 300 до 1000 мг/л, при продувке П = 0 и Qдоп = 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) · Cдоб + Qдоп (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;

Cдоб - солесодержание в добавочной воде, г/м3, максимальная Сдоб=1000 г./м3,

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

Сдоб.=300г/м3

Сдоб=500 г./м3

Сдоб.=1000 г./м3

8. Определение объема продувки в контуре.

Солесодержание воды в контуре не должно превышать Сх = 2000 мг/л. Если расчётное количество Сх по заданию не превышает 2000 мг/л, то продувка не нужна. Если Сх > 2000 мг/л, то рассчитывается объём продувки из водно-солевого баланса, при Qдоп = 0.

(У+ОС+НП+П) • 2000=(И+У+ОС+НП+П) • Cдоб+Qдоп

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

9. Определение объёма подпитки по формуле:

Qподп = И+У+ОС+НП (2)

Qподп = 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 СХ = 7000 г./м3, а после обмывки в машине с использованием щелочи остается солесодержание СХ1 = 10-100 г./м3 после роликов и букс (более загрязненные детали) и СХ2 = 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;

б - доля твёрдой фазы в осадке;

103 - коэффициент перевода в кг.

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

ОС = Р·(1 - б)·10-3,

где (1 - б) - доля воды в осадке.

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

,

где Сн - концентрация нефтепродуктов поступающих в моечный раствор, г/м3;

в - доля нефтепродуктов в смываемой смеси;

103 - коэффициент перевода в кг.

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

НП = Рн· (1-в)

где 1-в - 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 СХ определяется из уравнения (1). Значение Сх определяется при П = 0 и Qдоп = 10000 г./сут и для Сдоб = 300, 500 и 1000 г./м3 (соответствующая солесодержанию питьевой воды).

Сдоб.=300 г./м3

Сдоб.=500 г./м3

Сдоб.=1000 г./м3

8. Объём продувки контура определяется из расчёта, что допустимое солесодержание моющего щелочного раствора используемого в обороте соответствует 7000 г./м3, а Qдоп - 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).

Qподп = 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.

3. Расчёт контура обмывки вагонов

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;

б - доля твёрдой фазы в осадке;

1000 - коэффициент перевода в кг.

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

ОС = Р1·(1-б)·10 ?3,

где (1-б) - 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;

в - доля нефтепродукта в отводимой смеси;

1000 - коэффициент перевода в кг.

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

НП = Р2 · (1-в),

где (1-в) - 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 · б1 + m1,

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

N - количество обмываемых вагонов в сутки, штук;

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

б1 - доля непрореагировавшего моющего раствора;

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

Оставшаяся часть ТМС находится на стенках вагона.

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

(У+ОС+НП+П) • Сх =(И+У+ОС+НП+П)•Сдоб+Qдоп,

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;

Сдоб - солесодержание добавочной воды, мг/л (г/м3);

Сдоб = 300, 500 и 1000 г./м3;

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

Сдоп = 300 мг/л

Сдоп = 500 мг/л

Сдоп = 1000 мг/л

10. Определить солесодержание оборотной воды «Cх» без продувки контура (П=0) с применением 3% моющего раствора (из уравнения (1)).

Сдоб=300, 500 и 1000 г./м3; Qдоп = m2 г/сут.

Сдоп = 300 мг/л

Сдоп = 500 мг/л

Сдоп = 1000 мг/л

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

Солесодержание в оборотном контуре Сх > 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.

Qподп = 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

Vсут = V1 · N, м3/сут.

Vсут=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;

б2 - доля твёрдой фазы в осадке, а (1-б2) - 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;

г - доля нефтепродукта во всплывшем слое в собранном моющем растворе,

(1-г) - доля воды.

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

ОСМР = P3 • (1-б2)

18.

19. Определить количество моющего раствора, теряемое с нефтепродуктами.

НПМР = P4 • (1-г),

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.

22. Определение общих потерь моющего раствора, (ПМобщ), м3/сут.

ПМобщ = ИМР + УМР + ОСМР + НПМР

ПМобщ = 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 ПМобщ.=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.