Использование шлейфов градирен для получения очищенной воды

Новая технология, удивительно простая в принципе, обещает значительно снизить потребление воды в системах испарительных градирен за счет улавливания воды из шлейфов градирен.

Градирни на электростанциях по существу представляют собой системы отвода тепла, которые используют значительные количества воды для рассеивания тепла из оборотной воды. В мокрых градирнях процесс включает испарение части циркулирующей воды, обеспечивая передачу тепла как за счет явного тепла воздуха, так и скрытого тепла испарения.

Давнюю проблему в энергетике вызывает объем потерь воды из градирен. Вода в основном теряется за счет испарения, которое включает рассеивание паров в окружающий воздух в процессе отвода тепла. Но это также происходит во время продувки, когда воду необходимо удалить из башни и заменить, чтобы предотвратить засорение и образование накипи. Некоторое количество воды также теряется из-за дрейфа, который происходит, когда крошечные капли увлекаются выходящим потоком воздуха или пара, хотя потери из-за дрейфа обычно минимальны и составляют менее 1% потребления.

Потери воды могут быть значительными. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предполагает, что независимо от эффективности работы градирни, на каждую тонну-час охлаждения испаряется около 1,8 галлона воды. «Традиционные электростанции с мокрым охлаждением теряют от 60% до 90% поступающей воды из-за испарения или дрейфа в градирне», - отметил Дэн Сэмпсон, главный технический консультант HDR.

Помимо дороговизны, эти потери имеют и другие побочные эффекты. Поскольку испарение воды требует постоянной подпитки из источника воды, текущие и будущие проблемы нехватки воды могут напрямую повлиять на надежность и жизнеспособность электростанции. В 2017 году два докторанта Массачусетского технологического института (MIT) Махер Дамак и Карим Халил, а также профессор машиностроения Массачусетского технологического института Крипа Варанаси приступили к решению этой актуальной проблемы, сосредоточив внимание на шлейфах электростанций.

Когда пар покидает градирню, он может при определенных условиях окружающей среды (обычно, когда окружающий воздух холодный или влажный) конденсироваться и образовывать шлейф тумана, заметили исследователи. Исследователи отмечают, что шлейфы уже давно представляют собой еще одну проблему для энергетической отрасли. Они могут быть неприятными и даже опасными.

«Нормативные требования, касающиеся безопасности (дрейфующие шлейфы могут снизить видимость на дорогах и в аэропортах) и эстетики, вынуждают оборудовать некоторые градирни системами удаления шлейфа, которые обычно нагревают выходящий пар и уменьшают его влажность либо с помощью теплообменников, либо с помощью продувание горячего сухого воздуха и смешивание его с выходящим паром, тем самым предотвращая образование капель тумана на выходе из башни", - рассказали они.

Хотя эти системы снижения выбросов могут устранить появление шлейфа, электростанция, использующая их, все равно может потреблять такое же количество воды и иметь пониженную общую чистую энергоэффективность из-за дополнительных потребностей в тепле, перенаправленном на выпускные отверстия градирни. И хотя некоторые устройства были разработаны для сбора пара, выходящего из градирен, для повторного использования в цикле, большинство методов основаны на жидкой или твердой сорбции, требующей значительных затрат энергии или дорогостоящего оборудования.

1. Схема, демонстрирующая расположение и использование модернизируемого решения Infinite Cooling. С разрешения: Бесконечное охлаждение / Национальная лаборатория энергетических технологий (NETL)

В рамках проекта, поддерживаемого исследовательской группой Массачусетского технологического института в Варанаси, исследователи разработали «Водную панель» (рис. 1). Когда воздух, богатый туманом, пронзается лучом ионов, капли воды в тумане становятся электрически заряженными. Эти капли затем можно притянуть к сетке из проводов (например, к оконной сетке), захватить и слить в поддон для сбора. Электростанция может затем повторно использовать эту «собранную» воду или направлять ее в городскую систему водоснабжения.

По сути, система представляет собой процесс дистилляции, который может позволить электростанции мощностью 600 МВт улавливать до 150 миллионов галлонов воды в год, что составляет от 20% до 30% воды, теряемой в градирнях, сообщает Infinite Cooling. Результаты исследований и разработок показывают, что вода, уловленная системой, обычно имеет плотность ниже 50 микросименсов на сантиметр — показатель электропроводности, который измеряет загрязнение воды. Это сопоставимо с 3000 микросименсами на сантиметр, которые обычно измеряются водой, используемой в системах охлаждения электростанций.