Thiết lập các quy trình xử lý để bổ sung nước có độ tinh khiết cao đáng tin cậy trong các lò hơi phát điện và phát kết hợp nhiệt và điện

Đã hơn một thế kỷ trôi qua kể từ khi hơi nước lần đầu tiên được sử dụng để truyền động các tuabin/máy phát điện nhằm sản xuất điện. Khi công nghệ lò hơi phát triển từ những thiết kế ban đầu, chủ sở hữu nhà máy điện, người vận hành và nhân viên kỹ thuật bắt đầu nhận ra rằng áp suất và nhiệt độ ngày càng tăng của lò sinh hơi cần nước bổ sung có độ tinh khiết cao để giảm thiểu sự ăn mòn và hình thành cặn. Điều này dẫn đến sự tiến bộ của công nghệ trao đổi ion (IX) để tạo nước bổ sung cho lò hơi với nồng độ tạp chất thấp cỡ một phần tỷ (ppb).

Trong vài thập kỷ qua, các phương pháp màng, đặc biệt là thẩm thấu ngược (RO), đã trở nên phổ biến đối với quá trình khử khoáng sơ cấp, với việc trao đổi ion hiện đang phục vụ để “đánh bóng” sản phẩm RO nhằm bổ sung cho lò sinh hơi. Trong loạt bài này, chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh khác nhau của các công nghệ hiện tại và các năng lực của các hệ thống hiện đại. Phần 1 thảo luận về các phương pháp xử lý trước, rất quan trọng để giảm tắc nghẽn, đóng cặn và các rối loạn hóa học khác trong màng RO và nhựa IX.

Nước “ngọt” vẫn còn nhiều tạp chất

Mặc dù nguồn cung cấp nước ngọt đang suy giảm (tùy thuộc vào sự biến động trong khu vực), nhiều cơ sở công nghiệp vẫn sử dụng nước bổ sung từ hồ, hồ chứa hoặc sông.

Hình 1. Sơ đồ cơ bản của chu trình thủy văn.

Nước di chuyển trên toàn cầu trong một quá trình được gọi là chu trình thủy văn. Hơi nước có thể được vận chuyển nhiều kilomet trước khi các điều kiện khí quyển gây ngưng tụ và tạo mưa. Trên đường đi, hơi nước có thể hấp thụ các khí từ khí quyển, bao gồm cả các chất ô nhiễm, làm thay đổi tính chất hóa học của nó. Tính chất hóa học của nước cũng bị ảnh hưởng bởi đất, các khoáng chất và các thực vật mà nước chảy qua (hoặc lọc qua để trở thành nước ngầm).

Bảng 1 cung cấp phân tích nhanh từ vài năm trước về các thành phần chính trong một hồ ở vùng Trung Tây nước Mỹ.

Đối với các lò sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG) điện lực và các lò sinh hơi đốt nhiên liệu hóa thạch thông thường, các hướng dẫn xử lý nước thải bổ sung thông thường là:

• Natri: ≤2 ppb
• Silic: ≤10 ppb
• Độ dẫn điện riêng: ≤0,1 μS/cm

Khi so sánh Bảng 1 với các hướng dẫn này, rõ ràng là ngay cả các hệ thống sử dụng nước ngọt làm nguồn nước thô bổ sung cũng có thể cần phải giảm đáng kể nồng độ tạp chất trước khi đưa nước vào lò hơi áp suất cao. Hầu hết các hệ thống năng lượng hiện đại, chẳng hạn như các tổ máy chu trình kết hợp với các HRSG, chủ yếu dựa vào việc đánh bóng (xử lý nước ở cấp độ cao hơn) RO và IX để tạo ra nước có độ tinh khiết cao.

Hình 2. Quy trình cốt lõi điển hình để sản xuất nước bổ sung có độ tinh khiết cao. (1)

Các nhà thầu thường thay các “chai” IX đã sử dụng bằng các bình chứa nhựa tái sinh mới, nhờ đó loại bỏ nhu cầu tái sinh tại chỗ bằng axit và kiềm.

Nghiên cứu các lựa chọn xử lý trước

Đối với cấu hình được thể hiện trong Hình 2, xử lý trước chủ yếu tập trung vào việc giảm tắc nghẽn và tăng trưởng hữu cơ trên màng RO.

Trong bài viết này, chúng tôi nêu bật các lựa chọn xử lý trước dùng cho các vấn đề về nước mặt, bao gồm:

• Cấu hình cuốn các màng RO khiến chúng dễ bị các hạt cặn gây tắc nghẽn. 
• Tầm quan trọng của việc xử lý bằng chất diệt khuẩn trong nước thô để giảm sự phát triển của vi sinh vật (lưu ý rằng các chất diệt khuẩn oxy hóa, đặc biệt là clo, có thể làm hư hại nghiêm trọng màng RO).
• Sự tích tụ các phân tử hữu cơ lớn từ các loài thực vật mục nát được tìm thấy trong nhiều nguồn cung cấp nước ngọt có thể bao phủ màng RO, ức chế dòng chảy, giảm công suất và tăng áp suất xuyên màng.

Trong thế kỷ 20, lọc trong bằng phương pháp lọc đa môi chất là phương pháp phổ biến để loại bỏ các hạt khỏi nước thải từ bể lắng. Bể lắng/bộ lọc được thiết kế và vận hành tốt có thể tạo ra nước có độ đục dưới 1 NTU (đơn vị đo độ đục). Tuy nhiên, các công nghệ màng vi mô và siêu lọc đã trở thành phương pháp thay thế phổ biến để lọc trong, trừ khi cần làm mềm đá vôi để giảm độ cứng và nồng độ kiềm có thể tăng cao ở một số nguồn nước ngầm. Hình 3 bên dưới cho thấy thiết bị vi lọc (MF) 1135 lít/phút được chọn để thay thế cho bể lắng của nhà máy điện đã cũ.

Hình 3. Bàn trượt vi lọc bao gồm 24 mođun cần thiết để tạo ra 1135 lpm nước cấp RO đã lọc. Bên trái là bể chứa nước thô đầu vào, với máy bơm chuyển tiếp và rửa ngược

Thiết bị này đã giảm độ đục của nước bổ sung RO từ phạm vi điển hình là 0,5–1,0 NTU xuống dưới 0,05 NTU. Điều này dẫn đến việc giảm đáng kể tần suất làm sạch lõi lọc kiểu ống và màng lọc RO. Việc điều chỉnh thường xuyên liều lượng chất đông tụ và chất kết tụ trong bể lắng để phù hợp với tốc độ dòng chảy thay đổi không còn cần thiết nữa. Thiết bị MF đặc biệt này tỏ ra cực kỳ đáng tin cậy, miễn là nó được vệ sinh ngoại tuyến kỹ lưỡng hai đến ba tháng một lần. Đối với ứng dụng này (và cũng để làm sạch bộ trao đổi nhiệt phụ trong toàn bộ cơ sở), các công nhân cơ khí của nhà máy đã chế tạo một bình di động có máy trộn, bộ gia nhiệt, ống mềm và bơm tuần hoàn để làm ấm các dung dịch làm sạch đến gần 38^oC.

Hình 4. Xe vệ sinh cho thấy bình chứa và bộ gia nhiệt (Ảnh st)

Thông thường, quy trình làm sạch hai bước bắt đầu bằng việc luân chuyển một dung dịch chất kiềm mạnh tương đối loãng và chất tẩy để loại bỏ các chất hữu cơ và vi khuẩn. Sau khi súc rửa, dòng tuần hoàn chứa axit citric loãng sẽ loại bỏ các hạt oxit sắt.

Quy trình thông thường đối với hoạt động vi lọc (MF) và siêu lọc (UF) bao gồm việc sản xuất nước lọc trong một khoảng thời gian đã định, ví dụ: 20 phút, sau đó là quy trình xả ngược/sục khí trong từ một đến hai phút để loại bỏ các hạt tích tụ trên màng. Các chất rắn thoát ra theo một dòng nước thải nhỏ. Các tổ máy hiện đại cũng bao gồm bước rửa ngược tăng cường định kỳ bằng hóa chất (CEB), trong đó chất kiềm hoặc chất chelant (thường là axit citric) được bổ sung vào nước rửa ngược để giúp làm sạch các màng lọc. Sự lựa chọn hóa chất phụ thuộc vào chất rắn điển hình bám tụ trên màng.

Các tùy chọn thiết kế màng lọc

Có ba thiết kế dành cho các màng MF/UF:

• Sợi rỗng
• Kiểu ống
• Quấn xoắn ốc

Thiết kế sợi rỗng là phổ biến nhất, với các hệ thống dưới áp lực và hút chân không có sẵn cho các nhu cầu ứng dụng khác nhau.

Hình 5. Hình cắt ngang của các màng sợi rỗng giống spaghetti trong các bình MF dưới áp lực được thể hiện trong Hình 3 (Ảnh st)

Các vật liệu màng lọc điển hình bao gồm polyethersulfone (PES), polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylene (PP) và polysulfone (PS), với PES và PVDF là phổ biến nhất. Cả hai đều thấm nước, có nghĩa là bề mặt lumen trở nên ướt hoàn toàn để giúp chống lại sự tắc nghẽn hữu cơ. PES có tính thẩm thấu tốt hơn một chút so với PVDF. Các vật liệu này dễ dàng chịu được nguồn cấp oxy hóa liên tục, một phương pháp phổ biến để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn vi sinh vật. 

PES có khả năng chịu ăn mòn cao hơn để loại bỏ chất hữu cơ trong quá trình làm sạch ngoại tuyến, trong khi PVDF có khả năng chịu clo và độ bền màng cao hơn. Đây là những yếu tố quan trọng khi quyết định vật liệu nào tốt hơn cho các nguồn nước hoặc các yếu tố vận hành cụ thể.

Các thiết kế màng tăng áp hoặc màng ngập nước cũng có sẵn. Các hệ thống tăng áp có thể có đường dẫn dòng chảy từ trong ra ngoài hoặc từ ngoài vào trong, trong khi các thiết kế ngập nước, với các màng lơ lửng trong bể chứa nước cấp, là từ ngoài vào trong, với lực chân không nhẹ kéo nước vào lõi trung tâm của các màng lọc.

Sự chuyển dịch của các vật rắn lơ lửng và tầm quan trọng của dữ liệu chất lượng nước trước đây

Khả năng chuyển dịch mạnh các vật rắn lơ lửng là một cân nhắc quan trọng khi thiết kế các hệ thống màng. Các chuyển dịch này phổ biến nhất ở vùng nước sông sau lượng mưa lớn. Một hình thức trước sàng lọc hoặc lắng đọng hạt nào đó có thể cần thiết ở phía nguồn của MF hoặc UF, mặc dù các màng ngập có thể xử lý nồng độ vật rắn cao hơn nhiều so với các hệ thống tăng áp.

Dữ liệu chất lượng nước trước đây có thể rất có giá trị đối với việc lựa chọn quy trình và thiết bị trong những trường hợp này. Ví dụ, độ đục ở một số con sông có thể tăng từ một con số lên hàng trăm, thậm chí hàng nghìn NTU khi mưa lớn. Nếu không có các phân tích theo mùa để xác nhận những biến động như vậy, các điều kiện cực đoan có thể gây ra sự cố hệ thống xử lý trước.

Tác động của các hợp chất oxy hóa lên các màng RO

Cung cấp chất diệt khuẩn oxy hóa (thường là thuốc tẩy) là một lựa chọn xử lý điển hình để ức chế vi sinh vật gây tắc nghẽn trong mạng lưới nước và thiết bị xử lý nước trong hầu hết các hệ thống bổ sung nước thô. Thật không may, vật liệu chính của hầu hết các màng RO (không phải miếng đệm hoặc vật liệu đỡ) có hóa chất polyamit có chứa nitơ. Clo liên kết với các phân tử nitơ và làm hỏng màng không thể phục hồi. Một nguyên tắc chung để tính tuổi thọ của màng là 1.000ppm.giờ, nghĩa là màng vẫn hoạt động trong khoảng 1.000 giờ ở nồng độ clo 1ppm (hoặc một giờ ở nồng độ clo 1.000ppm). Tuy nhiên, sự có mặt của các kim loại nặng như sắt có thể làm giảm khả năng chống chịu này xuống mức thấp nhất là 200ppm.giờ. Nếu xét rằng tuổi thọ màng bình thường thường dao động từ 3 đến 7 năm, loại bỏ clo trước các màng RO là một bước quan trọng để cải thiện tuổi thọ của màng. Tất nhiên, việc kiểm soát chất rắn lơ lửng gây tắc nghẽn và hình thành cáu cặn cũng vậy.

Hai phương pháp chính để loại bỏ chất diệt khuẩn oxy hóa khỏi nguồn cấp RO/máy khử khoáng là bộ lọc than hoạt tính (AC) và bơm chất khử. Tuy nhiên, các chất diệt khuẩn oxy hóa chỉ tác động trong vài centimet đầu tiên của lòng bộ lọc AC, khiến phần còn lại của lòng bộ lọc trở thành nơi sinh sôi cho các sinh vật sống sót sau quá trình xử lý. Điều này trở nên trầm trọng hơn bởi các chất hữu cơ trong lòng bộ lọc AC sau đó có thể trở thành thức ăn cho các sinh vật này. Do đó, nhiều hệ thống hiện đại được thiết kế với việc bơm chất khử để loại bỏ các chất oxy hóa còn sót lại. Trong một số chất khử có sẵn có hai chất phổ biến nhất là:

• Natri bisulfit (NaHSO₃): Chất khử phổ biến và rẻ tiền nhất, thường được cung cấp dưới dạng dung dịch lỏng 30%.
• Natri metabisulfit (Na₂S₂O₅): Dạng hạt của natri bisulfit.

Các phản ứng của hai hợp chất này với clo được trình bày dưới đây.

 2HOCl + 2NaHSO₃ → 2H₂SO₄ + 2NaCl (1)

 2HOCl + Na₂S₂O₅ + H₂O → 2H₂SO₄ + 2NaCl (2)

Theo dõi liên tục là rất quan trọng ở hạ lưu điểm bơm chất khử. Phép đo chính là clo dư có khả năng oxy hóa-khử (ORP) như một chất bổ sung tiềm năng. Ưu tiên là cung cấp báo động trong trường hợp nguồn cấp tác nhân chất khử gặp trục trặc để bảo vệ màng RO. Tuy nhiên, các hệ thống hiện đại cũng có thể được thiết kế để hiệu chỉnh nguồn cấp chất khử bằng tín hiệu của máy phân tích để giảm thiểu lượng cấp quá mức đồng thời giảm tác động của clo đối với tuổi thọ của màng.

Hình 6. Máy phân tích clo liên tục Hach ULR CL-17sc (Ảnh st)

Nếu có thể, nên đặt điểm bơm tác nhân chất khử sau các bộ lọc RO kiểu ống. Nếu đó không phải là một tùy chọn, thì điểm bơm phải càng gần vỏ bộ lọc kiểu ống càng tốt. Một số sinh vật chuyển sang trạng thái ngủ đông khi tiếp xúc với chất diệt khuẩn oxy hóa và xuất hiện trở lại sau khi chất diệt khuẩn còn lại biến mất. Các vi khuẩn sống sót có thể thiết lập các cụm khuẩn lớn trong các bộ lọc trước và màng lọc RO.

Xử lý các chất hữu cơ gây tắc nghẽn

Nhiều nguồn nước bề mặt chứa nồng độ đáng kể các hợp chất hữu cơ lớn, ví dụ như tanin, lignin và axit humic có thể gây tắc nghẽn bề mặt màng. Các hợp chất này thường được đo bằng tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC). TOC dưới 3ppm trong nguồn cấp RO thường được khuyến cáo. MF và UF được sử dụng chủ yếu để lọc hạt, mặc dù có thể loại bỏ một số chất hữu cơ lớn. Lọc bỏ AC bổ sung có thể cần thiết để loại bỏ các chất hữu cơ khác. Nếu vậy, những lo ngại về khả năng tắc nghẽn vi sinh ở hạ lưu cần được giải quyết trước khi thực hiện lọc AC.

Kết luận

Phần đầu tiên của loạt bài này nghiên cứu một số khía cạnh quan trọng của xử lý trước hệ thống nước bổ sung có độ tinh khiết cao. Thiếu bước xử lý trước RO là nguyên nhân hàng đầu gây hỏng màng RO/thay màng sớm. 

Hãy nhớ rằng mỗi hệ thống đều khác nhau và có nhu cầu xử lý riêng. Như với tất cả các công nghệ khác, cần có sự chuyên cần trong việc xác định tính khả thi của việc sử dụng các phương pháp được thảo luận trong bài viết này. Khó khăn đã phát sinh tại một số khu vực nơi nước đầu vào có tạp chất phản ứng với hóa chất xử lý trước hoặc rửa ngược, tạo ra chất gây tắc nghẽn hoặc đóng cặn. Luôn tham khảo sổ tay và hướng dẫn sử dụng thiết bị của bạn và liên hệ với chuyên gia xử lý nước trước khi thực hiện các thay đổi đối với hoạt động của hệ thống.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “power-eng”, tháng 5/2023