bbk 000000

УДК 628.162:662.997

Ахмедов Г. Я.

Повышение эффективности использования геотермальной воды для горячего водоснабжения

Аннотация

Представлены результаты исследований фракционного состава песка, поступающего попутно с геотермальной водой с апшеронского, караганского и чокракского водоносных горизонтов, а также его влияния на кинетику выделения твердой фазы карбоната кальция из растворов геотермальных вод. Приводится проектная схема эффективного использования геотермальных вод для горячего водоснабжения и отопления.

Ключевые слова:

взвешенные вещества , водоснабжение , геотермальная вода , песок , обработка воды , солеотложение , карбонат кальция

Скачать журнальную верстку статьи PDF

Геотермальные месторождения Северного Кавказа с температурой воды от 70 до 180 С находятся на глубине от 300 до 5000 м и хорошо изучены. В течение длительного времени вода этих месторождений используется для отопления и горячего водоснабжения. Так, в Дагестане и Краснодарском крае добывается более 15 млн. м³ воды в год с температурой 50–110 С для населения около 500 тыс. человек.

В России геотермальные воды применяются в основ-ном для горячего водоснабжения, а также для отопления промышленных и гражданских зданий. При этом вода с температурой 70–100  С, как правило, из-за агрессивности и содержания в ней вредных компонентов используется по двухконтурной схеме: проходя через первый контур теплообменников, подогревает во втором контуре либо воду подземных скважин с входной температурой менее 50–60  С и минерализацией менее 5–6 г/л, либо водопроводную воду для подачи непосредственно потребителю.

При эксплуатации большинства скважин в теплообменное оборудование может попадать песок. Установлено, что вынос песка имеет место после резких изменений давления в устье скважины (гидравлический удар, а также знакопеременные изменения давления). Исследования показали, что месторождения южных районов страны характеризуются слабосцементированными пластами. В процессе эксплуатации скважин из-за разрушения призабойной зоны отбор воды сопровождается выносом песка на дневную поверхность [1]. Состав, концентрация и размер частиц песка зависят от дебита и особенностей скважины.

В Дагестане наиболее интенсивно эксплуатируются Махачкалинско-Тернаирское, Кизлярское и Избербашское месторождения термальных вод, представленные скважинами чокракского водоносного горизонта с температурой воды в устье 100–104 С, а также апшеронского и караганского водоносных горизонтов с температурой менее 50–60 С. Вода из этих двух горизонтов идет для хозяйственно-бытовых нужд и отопления, поскольку  наличие гумусовых веществ не позволяет использовать ее в качестве питьевой.

Чокрак-караганские песчаники – слабосцементированные, легко разрушаются при механическом воздействии, породы преимущественно кварцевого состава (размер частиц 0,05–0,4 мм). Количество песка в воде зависит от дебита скважины. После резких перепадов давления в устье концентрация его составляет в среднем 20–200 мг/л. Наблюдения показали, что со временем концентрация песка в воде уменьшается до 1–3 мг/л и менее. Вода апшеронского и караганского водоносных горизонтов содержит песок из разных пород (кварц, слюда, полевой шпат и др.). На рис. 1 представлены образцы песка с апшеронского (скважины 6Т, 9Т, 13Т – г. Кизляр) и чокракского горизонтов (скважины 1Т, 3Т, 5Т – г. Кизляр; 27Т, 38Т – г. Махачкала).

Наличие песка в оборудовании геотермальных систем приводит к эрозии поверхностей и активизации коррозионных процессов. В зонах пониженных скоростей потока воды песок оседает на дне оборудования. С другой стороны, при нарушении карбонатно-кальциевого равновесия в растворе геотермальных вод песок, оседающий в нижней части теплообменного оборудования, скрепляется кристаллизацией выделяющейся из воды твердой фазой карбоната кальция. При этом образуются трудноудаляемые отложения.

Твердая фаза карбоната кальция формируется более интенсивно на внутренней поверхности оборудования геотермальных систем, чем в объеме раствора воды. В связи с этим представляет интерес кинетика кристаллизации карбоната кальция как наиболее распространенного вида отложений в присутствии песка, поступающего из скважин попутно с геотермальной водой, а также возможность умягчения и очистки воды от взвешенных и растворенных веществ с помощью этого песка.

В эксперименте использовали модельный раствор, имитирующий слаботермальную воду с содержанием химических веществ, мг/л: Na⁺ – 870; Ca²⁺ – 23; Cl^– – 1002; HCO₃^– – 618. Раствор исследуемой воды был помещен в колбу емкостью 1 л, которая находилась в термостате UH16. Обычно дебит скважин составляет примерно 10–40 л/с. Перемешивание раствора в колбе со скоростью 400 об/мин обеспечивает гидродинамический режим, подобный движению геотермальной воды в трубах диаметром 150 мм (число Рейнольдса Re = 10⁵). Исследовалась кинетика выделения твердой фазы карбоната кальция из раствора при температуре 40, 50 и 60 С как в отсутствие кварцевого песка, так и при его наличии. Через каждые 10 мин при постоянной температуре отбиралась проба воды из колбы, и после фильтрации проводился анализ на наличие в ней ионов Ca²⁺ (титрованием с помощью микробюретки). Для определения ионов Ca²⁺ использовали раствор трилона Б 0,01Н-концентрации, что обеспечивает точность измерений до 5%.

Аналогичные испытания были проведены непосредственно на скважинах 4Т (г. Кизляр, 1990 г.) и 27Т (г. Махачкала, 2009 г.). Химический состав воды скважины 4Т представлен ионами, мг/л: Na⁺ – 5800; Ca²⁺ – 170; Mg²⁺ – 47; Cl^– – 8870; SO₄^2– – 125; HCO₃^– – 720; минерализация 15,8 г/л; температура воды в устье скважины 101 С; газовый фактор 1,4 м³/м³ (растворенного СО₂ – 21%; СН₄ + N₂ – 79%). Химический состав воды скважины 27Т представлен ионами, мг/л: Na⁺ – 8640; Ca²⁺ – 104; Mg²⁺ – 82; Cl^– – 12 800; SO₄^2– – 143; HCO₃^– – 1450; минерализация 23,3 г/л; температура воды в устье скважины 100 С; газовый фактор 2 м³/м³ (растворенного СО₂ – 10%; СН₄ – 15%; N₂ – 74%).

Для исследований была использована экспериментальная ячейка, схема которой представлена на рис. 2. Методика исследований аналогична лабораторной. Для исключения контакта с окружающим воздухом вода отбиралась из трубопровода, идущего от скважины к теплообменнику, непосредственно в емкость, расположенную в термостате.

Кварцевый песок предварительно был очищен от посторонних примесей (в первую очередь от мелкой фракции твердых образований карбоната кальция). Для этого промытый песок держали в растворе соляной кислоты в течение нескольких суток и регулярно встряхивали. Затем его промывали в дистиллированной воде до тех пор, пока ее водородный показатель достигал значения рН 7. После сушки песок просеивали через ряд металлических сит с размерами ячеек 0,05; 0,063; 0,1; 0,2 и 0,4 мм. Песок с апшеронского водоносного горизонта был очищен отстаиванием в дистиллированной воде. Диаграмма распределения частиц песка по фракциям представлена на рис. 3. Для скважин с апшеронского горизонта основная масса песка имеет размер частиц от 0,1 до 0,3 мм, а с чокракского горизонта – 0,1–0,4 мм (что связано с большим дебитом).

При комнатной температуре карбонат кальция находится в модельном растворе в виде хорошо растворимой соли бикарбоната кальция Ca(HCO₃)₂. При нагревании воды он распадается с выделением из раствора твердой фазы карбоната кальция:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂O + CO₂.              (1)

Образующийся карбонат кальция CaCO₃ проходит стадию роста дисперсного состояния, в результате чего в растворе снижается уровень концентрации ионов Са²⁺ и HCO₃^–. На рис. 4, а представлены данные по кинетике изменения концентрации ионов Са²⁺ в модельном растворе при температуре 40 С (концентрация песка в воде 60 и 120 мг/л). Из рисункавидно, что чем выше концентрация песка в воде, тем интенсивнее идет процесс выделения твердой фазы CaCO₃ из раствора, тем раньше наступает стабилизация воды. Например, в исследуемом растворе при концентрации песка в воде 120 мг/л стабилизация раствора с температурой 40 С наступает за 70 мин, а при концентрации 200 мг/л – за 40 мин. Результаты исследований по кинетике изменения концентрации ионов Са²⁺ в растворе воды скважины 27Т при температуре 99–100 С представлены на рис. 4, б. Как видно из рисунка, искусственное поддержание концентрации песка в воде до 10 г/л резко увеличивает скорость выделения СаСО₃, а время стабилизации при этом уменьшается до 5–6 мин. При концентрации песка 24 г/л время стабилизации доходит до 2–3 мин.

Исследования [2] показали, что кинетика кристаллизации карбоната кальция из пересыщенных растворов на затравочных кристаллах описывается следующим уравнением:

dC/dt = k_pS(C – C_s)ⁿ,         (2)

где C – текущее значение концентрации СаСО₃ в растворе; C_s – равновесное значение концентрации СаСО₃ в растворе; S – площадь поверхности затравочных кристаллов, на которой происходит осаждение твердой фазы СаСО₃; k_р – коэффициент кристаллизации; n – порядок процесса кристаллизации. Причем, стремление n к единице указывает на лимитирующую роль диффузии, а приближение n к 2 – на определяющую роль поверхностной реакции.

Исследование кинетики кристаллизации СаСО₃ на затравочных кристаллах проводилось и в растворе вод скважин 3Т, 4Т, 5Т (г. Кизляр). При этом использовались кристаллы СаСО₃ размерами 50–63, 63–100, 100–200 мкм (концентрация в растворе 5–24 г/л). Исследования показали, что кинетика кристаллизации подчиняется параболическому закону относительно общего пересыщения [3; 4]:

dC/dt = k_pS(C – C_s)².        (3)

Ввод кварцевого песка в количестве 60 мг/л в исследуемый модельный раствор интенсифицирует процесс кристаллизации карбоната кальция на 20–30%. В то же время расчеты показывают, что при такой концентрации песка суммарная площадь поверхности частиц в 1 л воды составляет примерно 0,8·10^–3 м², а внутренняя поверхность емкости (колбы) имеет гораздо большую площадь – 40·10^–3 м². Формула (3) не объясняет такое увеличение скорости кристаллизации карбоната кальция только увеличением площади общей поверхности S, контактирующей с раствором, за счет песка всего на 2%. Дальнейшие исследования, проведенные с раствором при наблюдении под микроскопом, показали наличие большого количества частиц взвеси размером менее 1 мкм. Примерный подсчет частиц размером от 1 до 0,4 мкм на 30-й минуте опыта показал, что количество их в 4–8 раз больше при вводе кварцевого песка, чем в отсутствие песка при тех же условиях. Следует иметь в виду, что в растворе присутствует также большое число коллоидных частиц размером менее 0,4 мкм, не наблюдаемых в оптическом микроскопе. Очевидно, новые зародыши кристаллов, многократно образующиеся на ребрах частиц песка, периодически переходят в раствор, тем самым увеличивая общую поверхность S затравки в растворе.

Исследования, проведенные ранее на термальных скважинах Кизляра и Махачкалы, показали, что наличие большого количества кристаллов СаСО₃ (фракции менее 1 мкм) в пересыщенном растворе при низких значениях числа Рейнольдса (Re  10⁵) – плотных отложений [5]. На практике при использовании геотермальных вод часто имеет место нарушение углекислотного равновесия при резких перепадах давления (в штуцерах, вентилях, задвижках, теплообменниках и т. д.). Именно в этих местах скорость отложения соли выше, чем на прямых участках труб, и поэтому там образуются рыхлые отложения (за счет большого количества частиц взвеси и пересыщения раствора). На прямых участках трубопроводов, где резкие перепады давления отсутствуют, образуются отложения СаСО₃, как правило, плотной структуры.

Таким образом, наличие в термальной воде песка в больших концентрациях существенным образом влияет как на скорость выделения твердой фазы карбоната кальция из растворов, так и на формирование отложений на стенках оборудования. На сегодняшний день термораспределительные станции на скважинах месторождений Махачкала–Тернаир и Кизляр работают по схеме, представленной на рис. 5. Вода из скважины 1 чокракского водоносного горизонта подается в сепаратор 2, где отделяемые попутные горючие газы (по линии 7) сжигаются на факеле. После использования в первом контуре теплообменников 3 и 4 геотермальная вода сбрасывается в канал при температуре 60–70С. Вода из скважин 5 апшеронского (либо караганского) горизонтов, идущая к потребителю, не проходит предварительную очистку, кроме отстаивания в резервуаре 6.

Недостаток воды из скважин апшеронского или караганского водоносных горизонтов восполняется из городского водопровода. При большом дебите (в зимнее время) возможно нарушение углекислотного равновесия в растворе воды чокракского горизонта, что приводит к отложениям карбоната кальция в теплообменном оборудовании.

С учетом исследований и опыта эксплуатации геотермального оборудования предлагается новая схема эффективного использования ресурсов геотермальных вод, аналогичных месторождениям Кизляр и Махачкала–Тернаир (рис. 6). Вода из скважины 1 чокракского горизонта поступает в устройство 2 для комплексной обработки: дегазации, очистки от песка, а также умягчения в случае нарушения углекислотного равновесия [6; 7]. Одновременно песок, циркулирующий в устройстве 2, активизирует процесс дегазации. Наличие теплообменника 5, наряду с теплообменниками 3 и 4, дает возможность дополнительного отбора тепла от геотермальной воды и позволяет снизить температуру сброса до 40–50 С. Обработка воды с апшеронского или караганского горизонтов в устройстве 6 позволяет очистить ее от песка, газа и гумусовых веществ, а также стабилизирует ее в случае нарушения углекислотного равновесия [8]. Газовая смесь (пар, СО₂, N₂, СН₄) из устройства 2 подается либо в устройство 6, либо на синтез через бойлер 7. Туда же поступает и газовая смесь из устройства 6.

Представленное на рис. 7 устройство позволяет с помощью парогазовой смеси подогреть и умягчить апшеронскую (либо караганскую) воду. Одновременно, проходя через слой песка в нижней части устройства, вода очищается от различного рода взвеси, в том числе гумусовых веществ. Для интенсификации процесса коагуляции взвеси используется железный или алюминиевый турбулизатор, на который подается положительный потенциал относительно корпуса устройства. Отработанный шлам периодически выводится. В устройствах 2 и 6 (рис. 6) потеря песка с шламом восполняется за счет вновь поступающего с водой из скважины.

Список цитируемой литературы

1. Аскеров С. Я. К вопросу деформации фильтровой части эксплуатационных колонн в устойчивом и слабосцементированном пласте / Геотермия. Геологические и теплофизичес­кие задачи: Сб. науч. тр. ИПГ ДНЦ РАН. – Махачкала, 1992.
2. Nyvlt J., Karpinski P. Determination of individual rate constants of reaktion and diffusion steps from over – all cristall growth coefficient // Kristall und Technik. 1977. V. 12.
3. Ахмедов Р. Б., Новиков Б. Е., Ахмедов Г. Я. Стабилизационная обработка геотермальной воды путем ввода затравочных частиц // Промышленная энергетика. 1985. № 10.
4. Новиков Б. Е., Ахмедов Г. Я. Кинетика кристаллизации карбоната кальция из геотермальных вод в присутствии затравочных кристаллов: Материалы III Международного симпозиума по гидротермальным реакциям (Фрунзе, Киргизия). – М.: Наука, 1989.
5. Ахмедов Г. Я. Кинетика роста отложений карбоната кальция в геотермальных системах // Теплоэнергетика. 2009. № 11.
6. А. с. 1583135, СССР. МПК В 01 Д 21/24, C 02 F 5/00. Устройство для очистки жидкости / Г. Я. Ахмедов // Открытия. Изобретения. 1990. № 29.
7. Ахмедов Р. Б., Новиков Б. Е., Ахмедов Г. Я. Исследование метода предотвращения отложений солей в геотермальных системах путем рециркуляции затравочных частиц // Промышленная энергетика. 1986. № 11.
8. Пат. 2337886, РФ. МПК C 02
9. F 5/02, C 02 F 1/02. Устройство для умягчения воды / Г. Я.  Ахмедов // Изоб­ретения. Полезные модели. 2008. № 31.