Sistema de microfiltración Aria™

Desafíos

Una importante estación de servicios públicos de América del Norte implementa desmineralizadores y ablandadores de cal convencionales para producir agua de alta calidad para la reposición de calderas. La estación de servicios públicos es una gran central eléctrica a carbón que opera tres unidades a carbón. Las unidades tienen alrededor de 600 MW cada una y fueron diseñadas originalmente para manejar carbón bituminoso con alto contenido de azufre. El sistema convencional utiliza coagulante, cal, ácido y cáustico en grandes cantidades para producir agua desmineralizada. Pall Corporation y el personal de la planta trabajaron juntos para desarrollar un sistema integrado basado en membrana para producir agua permeada de alta calidad para maximizar los tiempos de ejecución del intercambio iónico.

Los filtros clarificadores/multimedia convencionales para el tratamiento del agua dulce entrante en las plantas tienen varios inconvenientes. El principal es la incapacidad de estos sistemas para hacer frente a condiciones repentinas alteradas que podrían resultar en aumentos en el total de sólidos suspendidos en el agua de alimentación. Esto también se refleja en un aumento en el índice de densidad de sedimentos (SDI), o en la turbidez (valores NTU) en el agua de alimentación a la unidad, así como en el permeado (filtrado).

El agua superficial sin tratar de un lago contiguo es la fuente de agua dulce para la planta de energía. En el esquema de tratamiento original, alrededor de 1500 gpm de esta agua se trataban con un proceso convencional de clarificación y ablandamiento con cal fría seguido de filtración en lecho de arena/grava. Posteriormente se utilizaron unidades de desmineralización para producir la calidad de agua requerida para las calderas HP. Estas unidades consistían en un lecho catiónico convencional que usaba ácido sulfúrico para la regeneración del lecho de resina, y lechos de aniones básicos débiles y fuertes, así como un desmineralizador de lecho mixto que usaba soda cáustica para la regeneración de la resina. Aguas abajo de las unidades desmineralizadas, el agua de condensación de las calderas se enviaba a tanques de almacenamiento. Se utilizó un sistema de filtración de precapa Graver Powdex^® para pulir el condensado antes de los calentadores de baja presión.

Hubo varias fuerzas impulsoras que llevaron a la estación de servicios públicos a considerar esquemas de tratamiento alternativos en lugar del clarificador/lecho de arena convencional. El primero fue el costo de los productos químicos necesarios para regenerar los lechos desmineralizadores. Estos costos eran extremadamente altos ya que la regeneración de la resina se realizaba una vez al día o incluso con mayor frecuencia. El tiempo de ejecución de intercambio iónico necesitaba mejorarse significativamente.

En segundo lugar, buscaban la simplicidad operativa. La alteración frecuente de los clarificadores daría como resultado una regeneración frecuente. Aunque la planta se diseñó con un desmineralizador de tres lechos seguido de pulidores de lecho mixto para cumplir con la calidad del agua de alimentación de la caldera, la penetración de sílice en el sólido lecho base era frecuente y los lechos se regeneraban con más frecuencia. Y finalmente, el sistema de pulido de condensado tuvo que ser revestido con frecuencia debido a la mala calidad del agua de condensación. Una mejora en la frecuencia de recubrimiento previo de la resina proporcionaría un beneficio indirecto a la planta. Con estos cambios en mente, la estación de servicios reclutó a Pall para ayudar a impulsar los cambios tan necesarios.

Solución

Los expertos en tratamiento de agua de Pall realizaron un análisis detallado de las condiciones de la planta y decidieron recomendar un sistema de membrana integrada (microfiltración/ósmosis inversa) (IMS) para reemplazar los clarificadores de ablandamiento de cal fría y los lechos de filtro de arena/grava. Dado que la planta de energía estaba en línea, un desafío adicional fue instalar los sistemas sin apagar los trenes desmineralizadores o impactar negativamente la cantidad de agua tratada mientras la nueva planta IMS estaba en línea. Pall recomendó instalar el IMS en paralelo con los clarificadores y filtros de arena/grava y reutilizar los tanques de agua filtrada existentes. Un tanque de agua filtrada se usó como un freno de MF/RO (tanque de filtrado) y el otro como un tanque de almacenamiento de agua permeada de ósmosis inversa (RO) (el nuevo tanque de alimentación del tren desmineralizador).

Después de poner en marcha el IMS, el personal de la planta pasó por alto el sistema de clarificador/lecho de arena y alimentó el agua entrante del sistema de alimentación directamente al sistema MF.

El sistema integrado de Pall consistía en un sistema de microfiltración Pall Aria™ por Tratamiento del agua de reposición de plantas  utilizando módulos de microfiltración Microza. El sistema constaba de dos trenes de tratamiento independientes de 42 módulos cada uno. Este sistema es de 2 x 100% de capacidad (770 gpm máximo cada uno) y permite una producción promedio de 1400 gpm (entrada de 1540 gpm con 95% de recuperación) con ambos trenes en servicio. Dado que el sistema IMS se instaló junto con el sistema existente, el espacio disponible para el patín de OI era limitado. Por lo tanto, el patín de ósmosis inversa tuvo que diseñarse a la medida para adaptarse al espacio disponible. Para lograr esto, el sistema de OI constaba de tres etapas (tren único), dispuestas en un 16:8:4 arreglo con cinco elementos de membrana cada uno. El flujo de entrada al sistema de OI fue de 625 gpm. El sistema fue diseñado para una producción total de permeado de 500 gpm, la capacidad promedio de la caldera.

La capacidad del sistema de OI se diseñó para satisfacer una demanda promedio de agua desmineralizada de 500 GPM. Sin embargo, durante la limpieza química de la caldera o las fugas en los tubos, la demanda de agua desmineralizada podría llegar a los 900 GPM. Durante condiciones de alta demanda, el permeado de RO se mezclará con el filtrado de MF. La bomba de alimentación del desmineralizador tiene la capacidad de extraer tanto el filtrado MF como el permeado de OI, mezclando así las dos corrientes antes de alimentar los trenes del desmineralizador.

El filtrado MF promedio requerido para la RO es de 625 GPM y durante la demanda máxima, el filtrado MF requerido sería de 1025 GPM para hacer la alimentación combinada de 900 GPM al sistema desmineralizador. El mantenimiento de flujo (FM) se está realizando para reducir la presión transmembrana (TMP) a través de la membrana MF. Hay tres métodos FM utilizados en este sistema.

El primer método de FM es la filtración inversa/depuración de aire (AS/RF), que implica la inyección de aire a baja presión en el lado de alimentación del módulo aproximadamente cada 20 minutos. El filtrado limpio también se bombea en dirección inversa a través de las fibras huecas para desalojar las incrustaciones y los depósitos. Después del AS/RF, la unidad MF aumentará hasta el flujo máximo instantáneo para compensar la pérdida de agua filtrada, manteniendo así la salida de filtrado promedio constante.

El segundo método de FM es el mantenimiento de flujo mejorado (EFM), que se realiza en función de un aumento en el TMP. Esto fluctúa entre una vez al día y una vez a la semana para eliminar las incrustaciones microbianas, lo que reduce los valores de TMP. Durante EFM, una solución de cloro cáustico caliente o una solución de cloro caliente circula a través del lado de alimentación de la membrana. Durante el EFM, la unidad MF estará fuera de línea durante 30 a 60 minutos.

Normalmente, cuando la TMP se acerca a 25-30 psig, se realiza una limpieza química in situ (CIP), el tercer método de FM. Este es un protocolo de dos pasos, primero usando cáustico/cloro caliente y luego una solución ácida para devolver los módulos a condiciones “casi nuevas”. Esto se lleva a cabo cientos de veces durante la vida útil de los módulos. También se puede realizar un CIP a intervalos periódicos (una vez cada 60 días, por ejemplo) como medida de precaución para proteger la membrana incluso si la TMP no aumenta significativamente durante ese intervalo.

Teniendo en cuenta los requisitos FM para el sistema MF, se seleccionaron dos unidades MF. Dado que la velocidad de alimentación promedio del desmineralizador es de 500 GPM (alimentación de RO de 625 GPM), cada unidad MF se dimensionó para una producción de filtrado promedio de 700 GPM.

Resultados

La planta de energía de servicios públicos despliega un sistema de pulido de condensado Powdex (tres recipientes por unidad) para manejar el condensado. Estos sistemas se instalan para cumplir con los estrictos requisitos de agua de alimentación de calderas, mejorar la confiabilidad de la producción y aumentar la eficiencia de la planta de energía. Antes de la instalación del sistema integrado de Pall, la conductividad del sistema de condensado a las calderas era elevada, posiblemente debido al alto contenido de carbono orgánico total. Estos filtros prerrevestibles se recubrieron con una frecuencia muy alta, una vez al día. Dado que cuesta aproximadamente $850/precapa, la planta estaba gastando $1,100/día en el trabajo de precapa para las dos unidades de pulido durante el tiempo de operación y puesta en marcha.

Desde que comenzó la operación del sistema integrado, la frecuencia del prerrecubrimiento ha disminuido de una vez al día a una vez a la semana. El sistema IMS de doble membrana (MF/RO) fue eficaz para reducir el contenido de carbono orgánico total a niveles muy bajos en el condensado, y esto tuvo un impacto positivo inmediato en el rendimiento del sistema de pulido del condensado. El costo total de la capa previa disminuyó, lo que contribuyó a ahorros sustanciales de aproximadamente $250,000/año. Estos ahorros se sumaron a los $1,2 millones/año ahorrados en costos de productos químicos, como se describió anteriormente.

El costo del Sistema Integrado de Pall fue de aproximadamente $1.2 millones. Ahorros en costos de químicos por la instalación del sistema: $1.2 millones/año. ahorros por rendimiento mejorado del sistema de pulido: $250,000/año. Por lo tanto, ahorros totales para la planta: $1,2 + $0,25 = $1,45 millones/año. El retorno de la inversión se logró en menos de 10 meses de operación.

El sistema integrado de Pall generó ahorros directos considerables en costos de productos químicos y mejoró los tiempos de funcionamiento de la unidad de intercambio iónico. También se lograron considerables ahorros indirectos al reducir la frecuencia de la operación de precapa en el sistema de pulido de condensado. Además, incluido en estos costos estaba la vida útil promedio de los elementos prerrevestibles. El cambio de elementos cada dos años puede extenderse a cinco años. Los desafíos asociados con el taponamiento de los prefiltros de OI en verano se superaron con una solución técnica innovadora.

La asociación con Pall permitió que esta exitosa estación de servicio de América del Norte evitara grandes pérdidas financieras a través de una solución integrada de agua de alta pureza. Si está buscando soluciones de fabricación industrial, comuníquese hoy con su representante de Pall.