反滲透海水淡化技術在電廠中的應用

0海水淡化技術隨著淡水資源的匱乏，大型節水處理廠逐漸尋求不同的替代品水源。例如，許多內陸造船廠開始重新排列中水和疏干水，而沿海發電廠利用天然海水資源并采用海水淡化技術獲取淡水。目前主流的海水淡化技術分為熱法和膜法兩大類，雖然熱法海水淡化技術最早被采用，但是膜法中反滲透海水淡化技術的發展卻更快，目前全球反滲透海水淡化廠在總海水淡化廠中的占比達65%，并呈逐年上升的趨勢1反滲透海水淡化系統設計反滲透海水淡化采用的原海水需要經過預處理去除海水中的泥砂顆粒、懸浮物、膠體、藻類、微生物等雜質，經預處理后的海水水質應達到反滲透膜的進水水質要求，確保脫鹽裝置的安全穩定運行。近年來，由于污廢水的排放、海洋資源的開發利用等，使得近海海域的污染十分嚴重，為應對逐漸惡化的海水水質，保證反滲透海水淡化系統的安全運行，預處理系統一般采用兩級處理單元，一級預處理的主要作用是除去海水中的懸浮泥砂、膠體、有機物等雜質，采用的處理裝置包括混凝反應沉淀、氣浮、重力濾池等，其產水儲存至清水池，通過泵輸送至二級預處理單元，進一步去除海水中的雜質。二級預處理單元是反滲透進水水質的最后一道保障，其處理工藝分為傳統過濾和膜法過濾兩種技術，典型處理裝置為傳統過濾的細砂過濾器和膜法過濾的超濾。1.1細砂過濾器和反洗水泵細砂過濾器也叫精密過濾器，本體由設計壓力0.6MPa左右的鋼制圓柱體罐制成，內部結構與普通壓力式過濾器相同，但濾料采用的是0.3～0.5mm粒徑的細砂，相當于5～10μm的過濾精度，可保證產水濁度<0.5NTU,SDI由圖1可知，細砂過濾器需要配套反洗水泵和反洗風機，根據運行情況進行定期反洗，反洗水源可采用二級過濾產水也可采用一級預處理的產水。如果一級預處理有重力濾池，則兩個過濾裝置可考慮共用反洗水泵和反洗風機。為保證細砂過濾器的配水均勻，單個過濾器的面積不宜大于15m1.2反滲透海水淡化系統超濾是一種膜分離技術，其膜為多孔性不對稱結構。超濾過濾過程是以膜兩側壓差為驅動力，以機械篩分原理為基礎的一種溶液分離過程，使用壓力通常為0.03～0.6MPa，篩分孔徑從0.002～0.1μm，截留相對分子質量為1000～100000Da左右。一般采用中空纖維超濾膜作為反滲透海水淡化系統的二級預處理，其按進水流道分為內壓式和外壓式兩種，按照過濾模式分為全流過濾和錯流過濾兩種。超濾膜的過濾精度高，產水水質相比細砂過濾器更好也更穩定，其產水保證值為：濁度<0.2NTU,SDI<31.3砂砂分離與超濾的比較1.3.1砂砂法與超濾的性能比較細砂過濾器屬于傳統的過濾方式，超濾屬于新型膜法過濾，二者目前都有一定的應用市場，其綜合性能對比見表1。1.3.2細砂過濾器和超濾成本對比一般2臺百萬機組或4臺六十萬機組電廠的海水淡化需水量的設計規?；驹?2000m通過表2對比不難發現采用細砂過濾器作為二級預處理投資成本比超濾低33%，運行電耗不到超濾運行電耗的一半且沒有化學藥品的消耗，筆者認為這應該是目前細砂過濾器仍然占據一定市場的原因。當然如果考慮保安過濾器濾芯更換和反滲透膜的清洗頻率，這二者的運行費用基本持平。1.3.3細砂過濾器濾芯更換。在一般聯合氣濾芯上進行改造細砂過濾器作為二級預處理總體投資成本及運行能耗均低于超濾，但超濾的出水水質較好，對后續反滲透單元更友好。另外，對于部分海水，其含有一些不明原生生物等，細砂過濾器對其無法去除，曾有案例項目，這種生物穿透細砂過濾器附著在后續反滲透保安過濾器5μm的濾芯上，導致保安過濾器嚴重污堵，基本每天需要更換一次濾芯，之后進行相應改造，用超濾代替細砂過濾器，效果明顯，濾芯基本1月更換一次。由此可見，預處理選擇的前提是獲得準確完整的原海水水質分析，必要情況下應通過試驗進行方案選擇確定。2能量回收裝置的設計成本能量回收裝置是降低反滲透海水淡化系統能耗的核心設備，其按工作原理主要分為透平式（水力渦輪式）和正位移式（功交換式）兩類。2.1次高壓轉化法透平式能量回收裝置由同軸的泵端和透平端組成，兩端均帶葉輪，原海水進入泵端，反滲透的高壓濃鹽水進入透平端，沖擊透平葉輪轉動的同時帶動同軸泵的葉輪旋轉，高壓濃鹽水攜帶的能量經過壓力能—軸功—壓力能的二次轉化之后傳遞給原海水，傳遞能量之后的濃鹽水由透平出口以常壓排出，增壓后的海水由泵端高壓出口排出，進入膜元件。根據其工作原理，透平式能量回收與高壓泵串行連接，如圖3所示，原海水通過高壓泵增加一部分壓力，然后再由能量回收裝置進一步傳遞增壓達到反滲透進水壓力要求。按某工程水質水量（單套海水反滲透產水量170m在市場上占主導地位的透平式能量回收裝置主要是美國Fedico品牌的HPB系列產品和美國ERI品牌的AT系列產品，其回收效率一般在50%～70%之間，單臺最大流量可達2800m2.2海水能量回收系統正位移等壓型能量回收裝置的工作原理與透平式能量回收裝置完全不同，它是將反滲透高壓濃鹽水的壓力通過能量回收裝置直接傳遞給原料海水，能量經過壓力能—壓力能直接轉化，減少了中間環節的能量損失，回收效率高，最高可達98%正位移式能量回收裝置的典型產品是ERI公司生產的PX系列，其市場占有率90%以上，圖4上的參數即是根據PX能量回收裝置按照2.1節的水質水量進行模擬計算的結果。PX能量回收裝置單支處理量最大68m2.3能量恢復裝置的比較2.3.1回波裝置的性能比較兩種能量回收裝置各有優缺點，具體的性能對比見表3。2.3.2單套成本核算成本對比按2.1和2.2章節所列工程實例計算單套成本，包括投資成本和運行成本，具體核算結果如表4所示。從表3中可知，透平式能量回收裝置電耗比PX能量回收裝置產水高0.7kW·h/m2.3.3透平式回收裝置特點綜上對比可以看出，PX能量回收裝置主要勝在其回收效率高，可極大節省運行能耗，降低制水成本。相比PX能量回收裝置，透平式回收裝置也有其特定優勢，主要體現在以下幾個方面：(1)投資價格低，水量越大，其價格優勢越明顯；(2)占地面積小，管路簡單；(3)操作方便，可靠性高，一般無需定期維護。因此，兩種能量回收裝置的選擇還需根據實際工程項目特點綜合考慮，包括工程項目用途、規模、電價等比選出最適合項目的方案。3能量回收裝置的選擇海水反滲透系統的二級預處理單元是保護反滲透膜組的重要屏障，應該慎重選擇所用的處理裝置。如果水源水質較好，可以選用細沙過濾器作為處理裝置，其具有成本低、結實耐用及操作簡單的優勢，但占地面積較大，且如果水質惡化，這種傳統的過濾技術將會面臨較大的挑戰。超濾作為二級預處理單元，最近幾年應用更多些，其與反滲透聯合稱為雙膜法海水淡化技術，雖然投資成本高、運行維護較復雜，但是出水水質好且穩定，特別對于較差的水源水質，采用超濾裝置作為二級預處理是相對較好的選擇。能量回收裝置的選取則主要根據項目的具體特點進行。目前PX能量回收裝置市場占比最大，主要因其效率高，電耗低的優勢，但是對于電價因素影響不高的項目，透平式能量回收裝置卻是更好的選擇，畢竟其成本低，占地小