（化学工程专业论文）反渗透海水淡化系统余压能量回收装置过程特性的研究.pdf

摘要 反渗透海水淡化过程的比能耗是决定淡化水成本高低的主要因素之一。现有 淡化技术的比能耗是理论计算值的4 5 倍，降低过程比能耗进而降低产品水成 本是广泛推广海水淡化技术的有效方法之一。本文所研究的阀控余压能量回收装 置通过回收高压浓盐水余压能来有效降低系统比能耗。能量回收装置按照工作原 理可分为透平式和j 下位移式两种类型，早期兴建的反渗透系统大多采用透平式能 量回收装置，但其能量回收效率较低。而正位移式能量回收装置近年来应用较多， 已成为广大科研工作者研究的热点问题。 本文所研究的阀控余压能量回收装置采用正位移原理，利用高压盐水直接增 压进料海水，采用两个水压缸( 功交换器) 交替工作来减小盐水和海水的流量 压力波动。本文开发了多种阀门控制方案，自行编制了p l c 控制软件，对各控制 条件下能量回收装置的动态性能进行了测试和分析。 本论文采用时间控制、流量积算仪控制两种方案来实现阀门的有规律开闭。 前者通过设定合理的增压及泄压时间来控制相应电磁阀开闭，后者通过仪表设定 合理的流量累积体积来控制相应电磁阀开闭。每种控制方案都能实现盐水不连续 进料与连续进料两种操作过程。时间控制方案投资及运行成本较低但对系统流 量稳定性要求较高，如果赫水或海水流量增大，则有可能出现活塞堵撞水压缸端 部的现象。而流量积算仪控制方案在各流量下操作稳定，不易发生活塞卡壳危险， 控制精确，但装置投资费用较高。 盐水不连续进料操作过程中，高压盐水和低压海水流量均成周期性向下波动 趋势；高压盐水和低压海水压力均成周期性向上波动趋势，而增压海水压力基本 保持平稳。增大水压缸长度或容积有利于降低流量、压力波动。盐水连续进料操 作过程中，高压盐水流量基本保持稳定，低压海水流量成周期性向下波动趋势； 高压盐水压力保持平稳，低压海水压力成周期性向上波动趋势。 论文提出了一种阀控余压能量回收装置专用多功能阀门的设计方案，用特殊 设计的阀门代替原有的水压缸端四个电磁阀，有效简化了系统。 关键词：反渗透海水淡化能量回收装置过程特性多功能阀门 a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rs e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ( s w r o ) i so n eo ft h e m a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o s to fd e s a l i n a t i o np r o d u c t n o w a d a y st h ea c t u a ls p e c i f i c e n e r g yr e q u i r e m e n t sf o rs w r oa r ea r o u n df o u rt of i v et i m e sa sl a r g ea st h e t h e r m o d y n a m i c a l l yc a l c u l a t e dv a l u e ，o f f e r i n gc o n s i d e r a b l ea r e af o ri m p r o v e m e n ta n d c o s tr e d u c t i o n t h ev a l v e - c o n t r o l l e de n e r g yr e c o v e r yd e v i c e ( e r d ) d e s i g n e di nt h e e x p e r i m e n tc a l lr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o ne f f i c i e n t l yb yr e c o v e r i n gt h er e m a i n i n g e n e r g yi nt h eb r i n es t e a m t h ee r dc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e sb yt h e i r o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h ec e n t r i f u g a lt y p eo rp o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt y p e m o s to f t h er o s y s t e m si n s t a l l e dw o r l d w i d er e l yo nc e n t r i f u g a ld e v i c e sw i t hl o we f f i c i e n c y , r e c e n t l y p o s i t i v ed i s p l a c e m e n td e v i c e sa r em o r eu s e db e c a u s eo f t h e i rh i g he f f i c i e n c ya n dh a v e b e c o m ear e s e a r c hf o c u so f t h i sf i e l d t h ee r dd e s i g n e di no n rr e s e a r c h p r o g r a mi so ft h ep o s i t i v ed i s p l a c e m e n t p r i n c i p l e ，u s i n gt h eh i g hp r e s s u r eb r i n et op r e s s u r i z et h ef e e dw a t e rd i r e c t l y t w o c y l i n d e r sa r eu s e d t or e c o v e r ye n e r g ya l t e m a t e l yt om i u l s h f l o wa n d p r e s s u r ef l u c t u a t e o ft h eb r i n ea n df e e dw a t e r a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a ss e tu pa n ds e v e r a lv a l v e c o n t r o l l i n gs c h e m e sw e r ed e v e l o p e d s o f f w a r e so ft h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) w e r ep r o g r a m m e d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eu n i tu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l l i n gs c h e m e sw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d t i m ec o n t r o l l i n gs y s t e ma n df l u xa u t oc o n t r o ld e v i c ew e r eu s e dt oo p e r a t et h e s o l e n o i dv a l v e sr e g u l a r l y t h ef o r m e rs c h e m ec o n t r o l st h ec o r r e s p o n d i n gv a l v eb y f i x e dp r e s s u r i z i n ga n dd e p r e s s u r i z i n gt i m ea n dt h el a t t e rb ys e t t l e df l u xc u m u l a t i o n v o l u m e e i t h e ro ft h et w os c h e m e sc o u l dr e c o v e r yt h e e n e r g yf r o m t h eb r i n e d i s c o n t i n u o u s l ya n dc o n t i n u o u s l y , r e s p e c t i v e l y t h ei n v e s t i n ga n do p e r a t i n gc o s to f t i m ec o n t r o l l i n gm e a n si sl o w b u ti tr e q u i r e st h ea c c u r a c yo ft i m ev a l u e s i ft h ef l o w r a t eo fb r i n eo rf e e dw a t e ri n c r e a s e s ，t h ep i s t o nm a yb eg o ts t u c ko nt h ec y l i n d e r p o r t f l u xa u t oc o n t r o ld e v i c ec a nb eo p e r a t e ds t a b l yu n d e rd i f f e r e n tf l o wr a t e b u ti t s i n v e s t i n gc o s ti sh i 曲c o m p a r i n gw i 也t h ef o r m e rc o n t r o ls c h e m e i nt h ep r o c e s so fb r i n ed i s c o n t i n u o u sf e e d i n g ，t h ef l o wc a l v e so ft h eh i g hp r e s s u r e ( h p ) b r i n ea n dt h el o wp r e s s u r e ( l p ) f e e dw a t e rp r e s e n tad o w n w a r dv a r i a t i o n p e r i o d i c a l l y , w h i l et h e i rp r e s s u r ec u r v e ss h o wa nu p w a r dv a r i a t i o np e r i o d i c a l l y t h e p r e s s u r ec b r v e so ft h ep r e s s u r i z e ds e a w a t e rp r e s e n tah o r i z o n t a ll i n e rv a r i a t i o n i ft h e l e n g t ho rv o l u m eo ft h ec y l i n d e ri se n h a n c e d ，t h ef l u c t u a t i n go ff l o wa n dp r e s s u r e n i sm i n i s h e d i nt h ep r o c e s so fb r i n ec o n t i n u o u sf e e d i n g ，t h ef l o wa n dp r e s s u r ec l l r v e s o ft h eh pb r i n ea r es t a b l eo nt h ew h o l e 1 1 1 ef l o wc u r v e so ft h el pf e e ds h o wa d o w n w a r dv a r i a t i o nw h i l ei t sp r e s s u r ec i , l r v e sp r e s e n ta nu p w a r dl r e n dp e r i o d i c a l l y a d e s i g no fm u l t i f u n c t i o n a lv a l v ef o rt h ee r dw a sp u tf o r w a r d ，u s i n gas p e c i a l l y d e s i g n e dv a l v et or e p l a c et h ef o u rv a l v e ss i t u a t e do nt h ec y l i n d e re n d t h eu n i tw a s g r e a t l ys i m p l i f i e d k e yw o r d s ：r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) ，d e s a l i n a t i o n ， e n e r g yr e c o v e r yd e v i c e ， p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，m u l t i f u n c t i o n a lv a l v e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基童盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 鑫麟霞 签字日期：炒，年，月2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 衾街霞导师签名：土嘭乡 一 签字日期：舻f 月2 日 签字日期：二p ，r 年月二日 刖吾 随着全球经济的快速发展，人们对水的需求量与日俱增，但是供水量却有减 无增。虽然地球7 0 的面积被海水所包围，但淡水的比例只有2 5 ，而实际能 够用来饮用的不足全球淡水总量的1 ，同时水体污染也较严重，因此缺水己成 为一个世界性的普遍现象。据统计，全世界有1 0 0 多个国家存在着不同程度的缺 水问题，在一些淡水资源严重缺少的国家和地区，缺水甚至影响到人们的基本生 存。 我国是2 1 个严重缺水国家之一，淡水资源总量虽多但人均偏低，只有世界 人均量的1 4 。到2 1 世纪中叶我国将建成一个中等的发达国家，预计在节约用水 的前体下，需水总量约为7 7 7 0 1 0 9 m 3 。全国目前的总供水能力约为5 2 5 5 1 0 9 m 3 ，也就是说今后3 0 多年还需增加供水能力2 5 1 5 1 0 9 m 3 。解决缺水问题有 多种方法，如继续找水、远途调水、废水回用和利用现代技术开辟新的水源等。 其中，海水淡化是解决缺水问题的有效方法之一。大力发展海水淡化技术产业， 对缓解当前水资源短缺、供需矛盾日趋突出等系列重大问题都具有深远的战略 意义。 近半个世纪以来，海水淡化技术在中东、美国、西班牙等地得到了广泛的应 用，全球的淡化水产量以1 0 瞻一3 0 的年增长率攀升。国际脱盐协会( i d a ) 的 最新统计数字表明，到2 0 0 4 年初全球脱盐装置的总容量已达到5 0 8 2 万吨天， 海水淡化技术在解决全球性淡水资源短缺问题方面发挥着越来越重要的作用。海 水淡化主要有多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸馏( m e d ) 、压汽蒸馏( v c ) 、反渗透( r 0 ) 、 电渗析法( e d ) 等几种方法。现代科技的进步为海水淡化技术的发展提供了良 好的技术条件，现代工业对低能高效生产技术的需求也成为促进海水淡化技术发 展的强大推动力。 反渗透技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一项膜分离技术，是近年来发展速 度最高、产品水成本下降最快的海水淡化技术，具有物料无相变、能耗低、设备 简单、可在常温下操作等特点。经过近半个世纪的研究开发，反渗透已经发展成 为一种成熟的膜分离技术。从膜、组件到工艺己只趋成熟，已广泛的应用于海水 或苦咸水淡化、电子、石油化工、食品、环境工程等各个领域。 我国于1 9 6 5 年开始反渗透分离技术的研究，与国外起步时间相距不远。现 在反渗透技术已在我国电厂锅炉补给水预脱盐、超纯水制造、海水和苦咸水淡化 等方面大规模推广应用。浙江舟山、大连长海、河北沧州、山东长岛等地已相继 建成了多个反渗透海水及苦咸水淡化厂。 随着海水淡化技术的发展，反渗透已成为所有海水淡化方法中最具有竞争力 的脱盐技术之一，但其产品水成本与传统的市政供水相比仍较高。反渗透系统中 的能耗约占淡化厂总运行费用的7 5 ，而且随着社会的发展能量成本还在增加， 减少系统能耗已成为降低反渗透淡化运行成本的有效方法之一。在淡化系统中， 从反渗透膜组件排出的浓盐水仍有5 5 百0 m p a 的压力，若能有效回收这部分能 量来增压进料海水，则系统总能耗将大幅度降低。 为了降低系统能耗，余压能量回收装置己成为淡化系统中必不可少的关键设 备。从2 0 世纪8 0 年代开始，能量回收装置经历了三个发展阶段，现在已经有多 种产品商业化。第一代和第二代能量回收装置主要采用透平式原理，可使淡化系 统能耗降至4 0 k w b m 3 以下，但总的能量回收效率较低，约为5 0 一8 0 。第 三代能量回收装置采用正位移原理，将盐水能量直接传递给海水，可使淡化系统 能耗降至2 0 2 8k w m 一。 目前，我国现有的淡化厂大都采用国外进口的余压能量回收装置，如离心式 能量回收器( h t c ) 和正位移式能量回收器( p x ) ，国内还没有见到有科研机构 或企业从事专用于反渗透淡化系统的余压能量回收装黉的研究或生产。因此，开 发具有我国自主知识产权的余压能量回收装置对于我国海水淡化技术的发展具 有重要意义。本论文的研究工作就是在这种背景下展开的。 本文在高压栽水不连续进料、连续进料的条件下，开发了多种阀门控制方案， 研究了各操作条件下的过程特性，分析了能量回收装置的动态性能、特性参数等。 同时完成了阀控余压能量回收装置专用多功能阀门的设计方案。 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 反渗透又称高滤，是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种膜分离技术。经过几十 年的研究应用，反渗透技术从膜、组件及装置研制到过程开发都有了较大进展， 已成为一项较成熟的膜分离过程，广泛地用于海水( 苦咸水) 淡化、电子、化工、 食品、环境保护等各个领域。在海水及苦咸水淡化领域，反渗透法近年来的市场 占有率呈上升趋势，同时淡化成本也降得很快“1 。 1 1 反渗透海水淡化技术研究概况 人类发现渗透现象已有2 0 0 多年的历史，1 9 5 3 年美国首先开始反渗透技术 的研究，从1 9 6 0 年s l o e b 和s s o u r i r 面a n 研制成功世界上第一张同时具有高脱 盐率和高通量的反渗透膜，到1 9 8 0 年f i l mt e e 公司推出性能优异的、用于海水 淡化的f t - 3 0 复合反渗透膜，再到1 9 9 0 年超低压高脱盐率全芳香族聚酰胺复合 膜进入市场，反渗透海水淡化技术在新型膜材料的开发、过程工艺的改进等方面 都取得了长足的发展”1 。 1 1 1 反渗透基本原理 反渗透是一种高效节能的膜技术，以压力为驱动力将进料水中的水( 溶剂) 和离子( 或小分子) 分离，从而达到纯化和浓缩的目的。反渗透基本原理如图 1 1 所示。用半透膜分隔浓度不同的两个水溶液，稀溶液侧的水会自发的通过半 透膜流入浓溶液侧，这种现象称为渗透。若在膜的浓溶液侧施加压力ap ，则水 的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流 量等于零，出现了渗透平衡，浓盐水侧所加压力称为渗透压。渗透压的大小 取决于溶液的种类、浓度和温度，而与膜本身无关。若在浓溶液侧加大于渗透压 的外压p ，就能使水分子通过半透膜向稀溶液侧扩散渗透，上述现象是反渗透 的基本原理。在实际操作中，为了提高透过水量，所加的外压一般都达到渗透压 差的若干倍“1 。 ( a ) 渗透 a p = a 兀 * 遗平暂 ( b ) 渗透平衡 图i 一1 反渗透原理示意图 3 ( c ) 反渗透 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 反渗透的分离机理较多，不同的膜、不同的分离体系，其分离机理各不相同。 目前最有影响力的分离机理主要有两种，即优先吸附一毛细孔流理论和溶解一扩 散理论。两种理论各自不同程度的解释了一部分膜的透过现象，是争论最激烈持 久的两种反渗透分离机理。争论的主要焦点是膜表面有无毛细小孔问题。优先吸 附一毛细孔流理论认为溶质是正吸附，水是优先吸附，反渗透膜表面有一层极薄 的纯水层，膜表面还存在着毛细小孔。可以根据纯水层厚度、毛细孔直径等因素 研制性能优异的反渗透膜。研究者还根据上述理论提出了传质公式，公式推导中 有一些假设，在一定条件下适用。而溶解一扩散理论认为膜表面无孔，水和溶质 通过膜分两步进行。该理论可定量的描述水和盐透过膜的传递但推导中的一些 假设并不符合真实情况，另外传递过程中水、盐和膜之间的相互作用也没考虑“1 。 目前一般认为，溶解一扩散理论较好地说明了膜透过现象，但优先吸附一毛细孔 流理论也能够对反渗透膜的透过机理进行解释。总之，反渗透膜分离机理还在发 展和继续完善中。 1 ，12 反渗透膜和组件 膜是反渗透过程的核心部分，在一定意义上说，反渗透系统质量的优劣关键 在于反渗透膜性能的好坏，膜性能的每一重大改进都能使其应用范围扩大、经济 效益提高o ，。不同的分离体系对膜各方面的性能要求是不同的，其中膜材料的选 用是影响膜性能的重要因素。对膜材料的总要求是所制成的膜要有高脱盐率和高 通量；要有足够的机械强度，以保证在承受的压力下正常工作；还应有良好的化 学稳定性、耐热性、耐污染性等”1 。为适应水处理应用的需要，反渗透膜必须具 有应用上的可靠性和形成规模的经济性，使用寿命要长，成本要低。到目前为止， 所有的反渗透膜材料都是亲水性的有机高分子主要有两大类：醋酸纤维素膜， 以及芳香族聚酰胺膜。醋酸纤维素类膜的优点是制作较容易，价廉，不易结垢及 耐污染，缺点是应用p h 值范围窄，易水解，操作压力要求偏高。芳香族聚酰胺 类复合膜的优点是脱盐率高，通量大，应用p h 值范围宽，耐生物降解，操作压 力要求低，缺点是不耐氧化，抗结垢和污染能力差等。 反渗透膜的形态结构与分离性能之间存在着密切的关系。现在反渗透膜的主 力是复合型膜，由致密皮层和疏松支撑层组成，化学稳定性、生物稳定性较好， 在运行过程中不易被压实，产水量、脱盐率基本不随使用时间而改变，使用寿命 较长，缺点是抗氧化性较差。膜的形态结构又取决于它的制造工艺，最基本的两 种制造方法是浸沉凝胶相转化法( l s ) 和复合反渗透膜的制造方法。要制成有 实际使用价值的性能优异的反渗透膜，制膜工艺和膜材料的选用同样重要，因此 反渗透膜的制备新工艺一直是研究、开发的热点。 反渗透膜的制各新工艺一直是研究、开发的热点。 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 反渗透组件是将膜组装成能付诸于实际应用的最小单元，是反渗透装置的主 要部件，组件可呈不同构型。近年来新近开发出回转平膜、浸渍平膜式等新构型 的膜组件，操作压力也扩展到高压( 海水淡化) 膜、中压( 醋酸纤维素) 膜，低 压( 复合) 膜和超低压( 复合) 膜。目前反渗透海水淡化的大型装置都采用卷式 和中空纤维组件，典型的有美国d u p o n t 公司生产的芳香族聚酰胺中空纤维膜组 件，日本东洋纺生产的c t a 中空纤维膜组件，以及日本t o r a y 公司的c a 卷式 膜组件，h y d r a n a u t i e s 、f l u i ds y s t e m s 和d e s a l i n a t i o n 公司生产的c a c t a 卷式 膜组件等“。 中空纤维式膜组件与卷式相比有以下特点： ( 1 ) 膜组件单位体积内的膜表面积大，单位体积产水量较高； ( 2 ) 以完整的组件出厂和运输，设计安装都比较简单； ( 3 ) 膜易受污染并且不易清洗，因此对进水水质和s d i ( 淤泥密度指数) 要求较严，价格较高。 卷式膜组件具有结构紧凑、制作工艺简单等特点，在通道抗污染能力、设备 空间要求、投资和运行费用等方面提供了最佳的组合。缺点是较适合在低流速、 低压力下操作，高压操作难度较大。近十几年来，卷式反渗透组件在膜的性能以 及膜元件、压力容器等方面不断改进，越来越多的应用在海水或苦咸水淡化系统 中。 1 1 ，3 反渗透过程的工艺设计及运行 反渗透淡化技术经过几十年的研究与开发，在工艺流程和实际运行方面已有 一套比较完整的理论和经验。进行系统设计时要考虑进水水质、产水水质和产水 量以及回收率等因素，根据设计要求选择合适的膜组件以及工艺流程，以实现长 期安全、经济的运行。反渗透装置在实际应用中的基本流程有多种多样，膜组件 的排列组合合理与否，对膜组件的使用寿命有至关重要的影响。选择工艺流程时 需要考虑的参数有：膜的种类和构型、系统渗透水流量、运行压力、最小浓度与 渗透水流量之比、水温等。反渗透法的基本流程主要有图1 2 所示四种”3 。 一级流程原水一次通过反渗透装置就能达到要求的回收率，操作简单，能耗 最小；一级多段流程中膜组件的浓水流入下一膜组件中处理，有效提高了系统的 回收率；二级流程是指把一级流程得到的产品水，送入下一反渗透组件处理，当 一级流程达不到浓缩和淡化的要求时，即可采用这种流程方式；多级流程中产品 水经过多次处理，可达到很高的分离程度，但能耗较大。在工业应用中，可根据 不同的处理对象、要求以及所处条件来决定所用的工艺流程。 第章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 浓盐水 l 浓盐水浓盐水葑 净化产品 原液 浓缩般 3 4 1 - - 一级一段；2 - - 一级二段；3 二级一段；4 一多级多段 图1 - 2 反渗透基本工艺流程图 日本t o r a y 公司研发的b c s ( b r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m ) 系统采用海水反渗 透第一级浓缩水作为第二级反渗透组件的迸料，这种新型的淡化工艺有效提高了 系统的回收率，使系统更经济“1 1 。 为了确保反渗透系统的正常进行，必须对进水进行预处理，以减小膜污染， 延长膜元件寿命。预处理主要包括消毒、絮凝、过滤、添加防垢剂等。常规预处 理系统设备投资较高，占总投资费用4 0 以上，而且过程复杂。新的膜法预处理 方法采用微滤( m f ) 、超滤( u f ) 和纳滤( n f ) 作为反渗透的给水预处理，有 效降低了预处理成本，同时对环境污染也少，是一种简单、安全的预处理方法。1 “。 美国加州o r a n g ew f 2 1 厂和w e s tb a s i n 厂将m f - r o 与常规预处理一r o 进行 了比较性运行，结果表明m f 能有效去除悬浮固体，使给水s d i 稳定在2 以下。 而u f 能脱除海水中一些溶解性有机物和更小的胶体微粒，但水通量比m f 小。 有关n f - r o 的研究工作，沙特的s w c c 和r d c 做了较多工作，研究结果表明 采用n f 作为预处理后，系统回收率可提高到5 0 9 铲1 0 ，据估算能耗可减少2 5 - - 3 0 ，总成本减少3 0 左右“1 。 膜的水通量和脱盐率是反渗透过程的关键运行参数，这两个参数将受到压 力、温度、回收率、给水含盐量、给水p h 值等因素的影响。在反渗透膜分离中， 还需要考虑浓差极化的影响。水分子在通过膜组件后，膜界面中含盐量增大，形 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 成较高的浓水层，此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，膜表面处的浓度 高于主体溶液浓度，这种现象即为浓差极化。浓差极化会对反渗透运行产生有害 的影响，如渗透压升高、水通量降低、产品水盐透过量增大及膜污染程度加重等。 反渗透过程的浓差极化只能降低不能消除，降低途径如下：合理设计和精心制作 反渗透膜组件，使之流体分布均匀，湍流促进；适当控制操作流速，改善流动状 态；适当提高温度，以降低流体粘度和提高溶质的扩散系数；严格按照生产厂家 的设计原则指导系统运行，控制膜的水通量、回收率；同时在运行中必须保持盐 水侧呈紊流状态以减轻浓差极化的程度“3 1 ”。 反渗透技术经济性在很大程度上受膜污染的影响。在长期运行中，反渗透膜 的表面会逐渐形成膜污染，造成系统性能下降，操作费用增加，所以防止膜污染 是反渗透运行中最重要的方面之一。反渗透过程膜污染的影响因素包括操作条 件、膜性质、供料性能和预处理等方面。而膜的定期清洗和消毒是防治膜污染的 主要措施之一。若产水量变化l o 一1 5 ，组件压降增加1 0 1 5 ，或产品水 含盐量明显增加，则需要对膜组件进行清洗，不同的膜材料和膜污染物需要不同 的清洗药剂，要根据受污染膜上沉淀物的特性选择最经济和最有效的清洗剂及清 洗方法。 1 1 4 反渗透技术的应用“7 1 反渗透技术已广泛得应用于海水和苦咸水淡化、超纯水制备、工业废水处理、 食品加工业的浓缩分离和净化过程等，涉及到电力、化工、石油、饮料、制药、 电子等众多的工业部门。反渗透水处理技术的成功应用在很大程度上是由其操作 的简单性和运行的经济性决定的。本文主要介绍反渗透海水淡化( s w r o ) 和苦 咸水淡化( b w r o ) 的应用情况，是目前盐水淡化中常用的有效方法之一。 海水淡化作为解决缺水问题的有效方法之一，主要包括多级闪蒸( m s f ) 、多 效蒸馏( m e d ) 、压汽蒸馏( v c ) 、反渗透( r 0 ) 、电渗析法( e d ) 等技术。反渗透 技术是5 0 年代为海水淡化而提出来的，现在已经是海水淡化中最经济的方法。 反渗透过程无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低。由热力学计算得常 温下用反渗透法淡化海水的最低能耗为o 7k w h m 3 ，从理论上讲是最节能的海 水淡化方法，近年来发展速度较快，海水淡化成本也降得最快。图1 3 是一家 s w r o 厂的工艺流程图，日产淡水万吨以上，所用膜组件为东洋纺的t o y o b o h o l l o s e p 中空纤维，材料为醋酸纤维素。 7 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 水地职腿薯曩 触嚣高压鬟r o 疆件广术诎 图1 3 反渗透海水淡化系统工艺流程图 反渗透海水淡化的成本主要取决于设备的投资费用和能源费用。近年来反渗 透海水淡化膜组件价格下降，而且随着膜性能的改善，水的回收率相应提高，能 耗明显降低。此外，许多新建的大、中型反渗透淡化系统均配有能量回收装置， 可有效回收能源，使反渗透海水淡化技术成为经济可行的淡水资源开发途径，许 多海水及苦咸水淡化工厂应用而生。目前世界上最大的反渗透海水淡化厂在沙特 阿拉伯的y a n b u - m e d i n a ，日产淡水1 2 8 万吨。反渗透海水淡化工厂大多建在高 温、干旱的中东地区，但随着淡水供应的紧张，反渗透海水淡化日益受到沿海地 区人们的重视，近年来日本、印度、韩国、新加坡等地区先后兴建了海水淡化厂。 我国于1 9 6 5 年开始反渗透分离技术的研究，经过近四十年的发展，反渗透 技术已在我国锅炉补给水预脱盐、超纯水制造、海水和苦咸水淡化等方面广泛应 用。s w r 0 技术设备投资少、能耗低、效益高、工艺成熟，已有3 0 多年的经验 积累，在众多海水淡化方法中竞争力最强，市场潜力大。1 9 9 7 年我国第一套日 产5 0 0 吨淡水的反渗透海水淡化示范工程在浙江舟山嵊山岛建成，它的淡化水达 到了饮用水的标准，造水成本为7 7 8 元吨。最近几年，大连长海、河北沧州、 山东长岛等地相继建成了多个反渗透海水及苦咸水淡化厂，系统能耗及造水成本 进一步降低。随着缺水问题的严重，我国沿海各城市建立反渗透海水淡化厂的热 潮正在兴起。目前我国反渗透海水淡化工程的膜和组件技术有了较大进展，组件 脱盐率可达9 9 5 ，能耗约3 - - 4 k w h 矗，在工艺流程的设计、预处理、膜的 再生与清洗的研究和开发等方面也取得了较大进展。但目前海水淡化的国际市场 主要由美、日等国占领，中国的海水淡化技术迫切需要进入国际市场。 1 2 余压能量回收技术的发展与应用 反渗透技术用于海水淡化时，高压泵的电耗占系统运行费用的3 5 左右， 是影响淡化水成本的主要因素之一，因此十分有必要探求合理的技术来降低高压 泵的能耗从而降低产水成本。在反渗透海水淡化中，通常的操作压力在5 8 8 o m p af b j ，压力越大则分离的效率越高。从膜组件中排出的盐水的压力也高达 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 5 5 6 0 m p a ，浓盐水若通过泄压阀直接排放掉，则它的压力能得不到充分利用， 损失的能量大小与回收率有关，通常约有6 0 一7 0 的能量没有得到利用。所以 能量回收从节能和经济性等方面看是十分重要的。 余压能量回收技术就是有效降低高压泵能耗的方法之一，它的研究应用是 s w r o 工业近二十年来最重要的突破之一。该技术利用浓盐水的余压能来增压进 料海水，系统总能耗大幅度降低，海水反渗透淡化系统的比能耗( 生产单位淡水 所消耗的电能，千瓦时吨淡水) 相应降低，进而降低产品水的成本。 1 2 1 余压能量回收装置的发展及分类“”圳 第一代能量回收装置的应用开始于2 0 世纪8 0 年代，一些泵的生产厂家采用 当时已有的技术如反转型透平( r e v e r s er u n n i n gt u r b i n e ) 、佩尔顿装置( p e l t o n w h e e ld e v i c e ) 等来回收反渗透海水淡化厂中盐水的能量。透平装置与泵或电机 同轴，从膜组件中排出的高压盐水经过透平装置后余压能转化为轴功，驱动同轴 的泵工作，使得高压泵的能量消耗减小。第一代能量回收装置的旋转部件由金属 制造，在耐腐蚀、密封、维护等方面存在问题，但它有效降低了淡化系统的能耗， 与低压膜技术的结合使海水淡化的能量消耗低于4 o k w h m 3 成为可能。 1 9 9 0 年第二代能量回收装置进入市场。该类装置将泵和透平两部分通过同 一根轴有机地结合成整体，在耐腐蚀、维护、可靠性等方面较第一代有了较大改 进。这两代能量回收装置都采用透平式原理，该类装置只能有效利用反渗透海水 淡化系统中高压浓盐水能量的5 0 - - 8 0 ，这是由能量二次转换的特点决定的。 近二十年来，人们一直致力于高效能量回收装置的研究开发，9 0 年代后期， 几种回收效率较高的能量回收装置实现商业化( 如p r e s s u r ee x c h a n g e r 、d u a lw o r k e x c h a n g e re n e r g yr e c o v e r y 等) ，这是第三代能量回收装置。该类装置采用正位 移原理，利用高压浓盐水直接增压低压进料海水，能量回收效率高达9 0 以上， 许多新建的海水淡化厂采用该类装置。 1 2 2 透平式能量回收装置 透平式能量回收装置于2 0 世纪8 0 年代开始用于海水淡化系统中高压盐水能 量的回收，早期兴建的淡化厂普遍都采用该类装置来降低反渗透淡化系统的总能 耗。该装置将高压盐水的压力能通过透平部分转化为轴功，带动同轴泵旋转，低 压进料海水在泵中得到增压，轴功转化为海水的压力能。第一代透平式能量回收 装置直接和高压泵或电机同轴，作为附件驱动高压泵工作，代表产品包括：f r a n c i s t u r b i n e 、p e l t o n w h e e l d e v i c e 。图1 4 是该类透平式能量回收装置的工作原理示 意图。第二代透平式能量回收装置将透平和泵做成一个整体，而后和高压泵串联 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 工作，通过降低高压泵的出口压力来减少能量消耗，该类代表产品包括h y d r a u l i c t u r b o e h a r g e 、h y d r a u l i cp r e s s u r eb o o s t e r 等。图1 5 是该类能量回收装置的工作 原理示意图。透平式能量回收装置能量要经过“压力能一轴功一压力能”的二次 转化，装置的能量损失较大，总的能量传递效率为5 0 - - 8 0 。 图1 - 6 和1 7 分别是第一代和第二代能量回收装置在反渗透海水淡化系统中 的应用工艺。由此可看出通过高压泵增压的是全部进料海水，即反渗透单元出口 产水流量和浓水流量的总和( 0 p + q b ) ，因此若要扩大现有反渗透系统的处理能力， 则需更换大流量泵。 低瞳晦水泄压盐水 图1 _ 4 第一代透平式能量回收装置工作原理示意图 低压海水 泄压盐水 图1 5 第二代透平式能量回收装置工作原理示意图 蓬早一 图1 - 6 第一代透平式能量回收装置在反渗透淡化系统中的应用 o 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 坠 图1 7 第二代透平式能量回收装置在反渗透淡化系统中的应用 透平式能量回收装置可有效降低反渗透海水淡化系统的能耗，同时对高压泵 扬程及电机容量要求也相应降低，设备投资费用较低。此外，该类装置能保证增 压海水流量及压力波动较小，这是反渗透海水淡化系统稳定运行的重要条件之 一。透平式能量回收装置的能量回收效率与装置的规模和系统的水回收率密切相 关，降低回收率使高压盐水排放量增加，经过泵和透平部分的海水及盐水流量增 加，能量损失加大，总能耗增加。图1 8 给出了典型的采用该类能量回收装置的 反渗透海水淡化系统的产水能耗和水回收率的关系曲线。”。由图可看出，随着水 回收率的提高，系统能耗明显降低，因此采用透平式能量回收装置的反渗透海水 淡化系统适合在高回收率下运行。但提高系统回收率会带来膜表面结垢、产品水 水质下降等问题，因此需根据能量成本、系统处理量及产水水质要求等因素选择 合理的系统回收率，一般不超过5 0 。 5 5 5 o i 5 t o 3 5 3 o ,to鼬 圄收奉o i ) 图1 8 采用透平式能量回收装置的s w r o 比能耗和水回收率的关系曲线 1 2 2 1f r a n c ist u r b i n o 2 6 1 f r a n c i s t u r b i n e 是最早的能量回收装置，该装置将透平部分通过轴与高压泵或 电机相连，盐水通过透平将压力能转化为轴功，带动同轴的泵或电机工作，达到 节能降耗目的。f r a n c i st u r b i n e 装置结构简单，成本低廉，透平部分是反转泵， 水力流动性能较差，能量传递效率较低。这类能量回收装置对工况的要求较严格， 筵日暑蜒拦 第章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 目前在淡化厂中使用较少。 1 2 ，2 ，2p e i t o nw h e e i1 ) e v i c o 【”“ p e i t o nw h e e l 是一种脉冲透平( 如图1 - 9 所示) ，也通过直接与高压泵或电机 同轴的方式来回收利用盐水余压能，通过透平部分的喷嘴将高压盐水引入水轮， 带动电机或高压泵工作。喷嘴相当于盐水的控制阀，叶轮是唯一旋转的部件，具 有良好的流体力学性能，但机械加工难度较大。该装置总的能量回收效率和喷嘴、 叶轮以及同轴泵的效率有关，典型p e l i o nw h e e l 装置的能量传递效率是4 0 一 6 0 ，属于效率较高的透平式能量回收装置之一。 图1 - 9p e l t o nw h e e l 透平设计 1 2 2 3h t g 和h p r ” h t c ( h y d r a u l i ct u r b o e h a r g e ) 由美国p u m pe n g i n e e r i n gi n e 设计制造，该类装 置由透平和泵两部分组成，两者在同一壳体中工作，透平水轮和泵叶片安装在同 一轴上。高压盐水由入口喷嘴进入透平部分，装置上有一个旁路来调节和控制盐 水的流量和压力，低压海水由入口进入泵部分，高压盐水冲击水轮转动同时带动 同轴的泵旋转，盐水压力能经过“压力能一轴功一压力能”二次转化传递给海水。 盐水由透平部分出口以较低压力排出，增压海水由泵部分出口排出，以较高压力 进入膜组件。这种能量回收装置是和高压泵串联运行的，通过降低高压泵的出口 压力来减少系统能量消耗。这种回收装置的能量传递效率独立于高压泵的效率， 并且透平装置转子的速度完全独立于高压泵或电机，所以透平和泵部分都可设计 成高速旋转的部件，以达到较高效率的能量回收。 美国f e d c o 公司生产的h p b ( h y d r a u l i cp r e s s u r eb o o s t e r ) 是与h t c 相似 的第二代能量回收装置，也通过降低高压泵的出口压力来减少能量消耗，只是将 盐水控制阀与能量回收装置做成一个整体而不需要通过旁路调节，装置成本较 低，操作方便，与同类产品相比效率较高。 2 第一章反渗透海水淡化及余压能量回收技术 h t c 和h p b 这两种能量回收装置由高压盐水驱动而无需外加能量，装拆容 易，检修方便，可以独立的工作而不必与高压泵轴或电机轴相连。这种装置适合 在大流量下工作，规模效应明显，但能量要经过二次转化，一般能量传递效率是 5 0 一7 5 。 在反渗透淡化系统中，h t c 和 玎) b 与高压泵串联使用，海水经预处理后由 高压泵增压到一定压力，在h t c 和h p b 中利用回收的盐水余压能将海水进一步 增压到进膜压力，h t c 和h p b 在工艺中相当于增压泵的作用，可用于单级、两 级反渗透系统进料增压。在实际操作中，还可以