（化学工程专业论文）反渗透海水淡化系统阀控余压能量回收装置的研究.pdf

摘要 反渗透海水( 和高浓度苦咸水) 淡化系统中，高压浓盐水的余压能量 回收装置按工作原理可分为离心式和正位移式两种类型。离心式又称为水 力透平式，其能量回收效率相对较低( 3 0 5 0 ) 。正位移式能量回收效 率高达9 0 以上，目前在淡化市场上被较多采用，也成为研究的重点和热 点。 本文工作中设计和研究的阀控余压能量回收装置( v c e r d ) 即采用 正位移式原理，利用阀和水压缸来实现能量交换。论文首次提出了研究 v c e r d 的工艺流程，并建立了相应的实验装置、阀门控制系统和计算机 数据采集系统等。实验流程包括两个水平放置的由有机玻璃制作的水压缸， 长度为1 米，内径为5 0 r a m ，最高工作压力1 0 m p a 。另外，实验流程中还 包括一个高压离心泵、一个低压离心泵和两个贮罐，以及安装在水压缸端 部的阀门和系统管件等。采用p l c 和光电开关相结合的方式来实现阀门的 程序控制。开发了与手动操作、单缸操作、双缸操作和两个单缸耦台操作 过程相对应的阀门控制方案。 首次对不同控制方案下v c e r d 的动态特性进行了测试和分析。结果 表明，过程等待时间为0 秒时，无论单缸操作或双缸操作都存在部分高压 盐水与泄压盐水之问的串水( 或称短路) 问题。对本实验装置而言，当等 待时间为1 5 秒时，串水问题可得到解决。此时对单缸操作而言，高压盐 水、低压海水的流量和压力均呈矩形波的变化规律；增压海水的流量变化 与高压盐水的流量变化相似，但其压力始终保持不变。对双缸操作而言， 高压盐水、低压海水和增压海水的流量均呈周期性向下波动的变化；高压 盐水、低压海水的压力呈周期性向上波动的变化，而增压海水的压力则保 持在一个稳定的水平上。与双缸操作相比，两个单缸耦合操作时流量和压 力的变化频率降低约一半左右。水压缸端部压力在上述三种控制方案下都 呈矩形波的变化。 在实验工况下对装置能量传递效率的研究结果表明：阀控余压能量回 收装置的容积效率可近似为1 0 0 ；压力效率与盐水压力呈正比的变化关 系，与海水压力呈反比的变化关系；当盐水压力约为0 ，9 m p a 时，压力效 率为9 0 。研究结果还表明该类型能量回收装置用于海水或苦成水淡化时， 能量传递效率达将在9 0 以上。论文同时也对活塞惯性距离、过程循环频 率及装置在工作过程中的阻力分布等问题进行了研究和讨论。 论文首次建立了水压缸运行中高压浓盐水和原料海水混合的模拟方 法。通过流体力学模拟计算，对水压缸中浓盐水与原料海水的混合段长度 及其影响因素系统研究的结果表明：增加盐水入口管直径与水压缸直径之 比或增大盐水入口流速均能增加混合长度：形成的混合长度随着累积时间 的增加而增大，降低了水压缸的容积利用率；提高海水排出浓度或降低系 统的回收率均会提高容积利用率；增加水压缸长度有利于大幅度提高容积 利用率。 论文首次提出了v c e r d 的设计步骤，并完成天津市1 0 0 0 吨天反渗 透海水淡化示范工程用v c e r d 的技术方案设计。 关键词：反渗透 效率 海水淡化 动态特性 能量回收装置控制方案 混合长度 一i i - a b s t r a c t h y d r a u l i ce n e r g yr e c o v e r yd e v i c ef o ra p p l i c a t i o ni nt h er e v e r s eo s m o s i s d e s a l i n a t i o n s y s t e m c a nb ec l a s i f i e di n t ot w o c a t e g o r i e sb yt h e i rw o r k i n g p r i n c i p l e ，t h ec e n t r i f u g a lt y p e a n dt h e p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt y p e t h e c e n t r i f u g a lt y p e ，a l s on a m e dh y d r a u l i ct u r b i n et y p eh a sa ne f f i c i e n c yb e t w e e n 3 0 a n d5 0 t h ee f f i c i e n c yo ft h ep o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt y p ew h i c hi sm o r e u s e di nd e s a l i n a t i o np l a n t sn o wi sa s h i g ha s9 0 o ra b o v e i th a sb e c o m ea r e s e a r c hf o c n so ft h i sf i e l d t h ev a l v e c o n t r o l l e d e n e r g yr e c o v e r yd e v i c e ( v c e r d ) d e s i g n e di n o u r r e s e a r c h p r o j e c t i so ft h e p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt y p e i t u s e sv a l v e sa n d c y l i n d e r st oa c c o m p l i s ht h ee n e r g ye x c h a n g ep r o c e s s t h ef l o wd i a g r a mt ot e s t t h ev c e r dw a s g i v e n f o rt h ef i r s t t i m e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l a p p a r a t u sw i t hv a l v ec o n t r o l l i n gs y s t e ma n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a ss e t u p t w oc y e l i n d e r sm a d eo fo r g a n i cg l a s sw i t hal e n g t ho f10 0 0 m m ，i n t e r n a l d i a m e t e ro f5 0 m mw e r ei n c l u d e di nt h ee x p e r i m e n t a ld i a g r a m ah i g hp r e s s u r e c e n t r i f u g a lp u m pa n dai o wp r e s s u r ec e n t r i f u g a lp u m pw e r eu s e dt os u p p l y w a t e rf r o mt w oc o r r e s p o n d i n gt a n k s t 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 ) c o m b i n i n gt h ep h o t o e l e c t r i cs w i t c h e sw a su s e dt o c o n t r o lt h em o v e m e n t so f t h ev a l v e ss e q u e n t i a l l y t h ec o n t r o l l i n gs c h e m e so ft h em a n u a lo p e r a t i o n ，t h e s i n g l e c y l i n d e ro p e r a t i o n ，t h ed o u b l e c y l i n d e ro p e r a t i o n ， a n d t w o s i n g l e c y l i n d e rc o u p l i n go p e r a t i o n w e r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y 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 g s c h e m e s w e r em e a s u r e da n da n a l y z e df o rt h ef i r s tt i m e t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e r ea l w a y se x i s t sc o l l u d i n gp r o b l e mb e t w e e nt h eh i g hp r e s s u r e f h p ) c o n c e n t r a t e a n dt h e d e p r e s s e d c o n c e n t r a t e ，w h e t h e r i ti su n d e r s i n g l e c y l i n d e ro rd o u b l e - c y l i n d e ro p e r a t i o n w i t ht h es t a n d i n gt i m er e m a i n i n g z e r os e c o n d s i no u re x p e r i m e n t s ，t h ec o l l u d i n gp r o b l e mc a nb ed e a l tw i t h s u c c e s s f u l l yw h e ns t a n d i n gt i m eo f t h ep r o c e s si s1 5s e c o n d s a tt h i st i m e ， f o rt h es i n g l e - c y l i n d e ro p e r a t i o n ，t h ef l o wa n dt h ep r e s s u r ec u r v e so ft h eh p c o n c e n t r a t ea n dt h el o w p r e s s u r e ( l p ) s e a w a t e rv a r yl i k ear e c t a n g u l a rw a v e t h ef l o wr a t ev a r i a t i o no ft h ep r e s s u r i z e ds e a w a t e ri ss i m i l a rt ot h a to ft h eh p c o n c e n t r a t e ，w h i l ei t sp r e s s u r ek e e p sc o n s t a n tm o s t l y f o rt h ed o u b l e c y l i n d e r o p e r a t i o n ，t h e f l o wc u r v e so ft h eh pc o n c e n t r a t e ，t h el ps e a w a t e ra n dt h e p r e s s u r i z e ds e a w a t e rp r e s e n t ad o w n w a r dv a r i a t i o np e r i o d i c a l l y ，w h i l et h e i r 1 1 1 p r e s s u r ec u r v e ss h o w a nu p w a r dv a r i a t i o np e r i o d i c a l l yf o rt h ef o r m e rt w oa n d ah o r i z o n t a ll i n e a rv a r i a t i o nf o rt h el a t e r c o m p a r i n gt ot h ed o u b l e c y l i n d e r o p e r a t i o n ，t h ec h a n g i n gf r e q u e n c i e so f t h ef l o wa n dt h ep r e s s u r ec u r v e so ft h e h pc o n c e n t r a t e ，t h el ps e a w a t e ra n dt h ep r e s s u r i z e ds e a w a t e rr e d u c et oa b o u t ah a l fu n d e rt h et w o s i n g l e c y l i n d e rc o u p l i n go p e r a t i o n p r e s s u r ec u r v e so f t h e c y l i n d e re n ds h o war e c t a n g u l a rw a v ev a r i a t i o nu n d e rt h et h r e ec o n t r o l l i n g s c h e m e sm e n t i o n e da b o v e s t u d i e so nt h ee n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h eu n i tu n d e rt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n si n d i c a t et h a tt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ev c e r dk e e p s10 0 m o s t l y ，t h ep r e s s u r eo ft h e c o n c e n t r a t eh a sap o s i t i v ee f f e c ta n dt h a to ft h e s e a w a t e ra n e g a t i v e e f f e c to nt h e h y d r a u l i ce f f i c i e n c y t h eh y d r a u l i c e f f i c i e n c yw i l l b e9 0 w h e nt h ec o n c e n t r a t ep r e s s u r eg e t st oo 9m p a i ti s b e l i e v e dt h a tt h ee n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c yi ss u r et ob eo v e r9 0 w h e nt h e v c 。e r di su s e di ns e a w a t e ro rb r a c k i s hw a t e rr e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o n p r o c e s s e s o t h e ra s p e c t ss u c ha s t h e s l i p d i s t a n c eo ft h ep i s t o n ，t h ec y c l i c f r e q u e n c y a n dt h e p r e s s u r e d i f f e r e n t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h e p r o c e s s w e r e s t u d i e da n dd i s c u s s e da tt h es a m et i m e t h em e t h o dt os i m u l a t et h em i x i n gp r o c e s s e si nt h ec y l i n d e rb e t w e e nt h e h i g hp r e s s u r ec o n c e n t r a t ea n dt h es e a w a t e rf e e dw a se s t a b l i s h e df o rt h ef i r s t t i m e t h em i x i n gl e n g t hi nt h ec y l i n d e rw h i c h i st h eb a s i cd a t af o rt h ed e s i g n o ft h ef l u i dp i s t o n ，a n di t s i n f l u e n c i n g f a c t o r sw e r es t u d i e da n da n a l y z e d t h r o u g ht h e f l u i d d y n a m i sa n a l o g c a l c u l a t i o n i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e m i x i n gl e n g t hc a nb ea d d e db yi n c r e a s i n gt h ed i a m e t e r r a t i oo rt h ec o n c e n t r a t e i n l e tv e l o c i t y a l s o ，t h em i x i n gl e n g t hf o r m e da d d s a st h ec u m u l a t et i m e i n c r e a s e s ，r e s u l t i n g t h er e d u c t i o no ft h ec y l i n d e r v o l u m e u t i l i z a t i o n b y i n c r e a s i n gt h es a l i n i t yo f t h es e a w a t e ro u t f l o wo rb yd e c r e a s i n gt h er e c o v e r y r a t eo ft h er od e s a l i n a t i o ns y s t e m ，t h ev o l u m eu t i l i z a t i o no ft h ec y l i n d e rc a n b ee n h a n c e d ，a n da l s oi tw i l lb ea s c e n d e dag r e a td e a lw h e nl e n g t ho ft h e c y l i n d e ri sa d d e d t h ed e s i g ns t e p so ft h ev c e r dw e r eg i v e nf o rt h ef i r s tt i m e ad e s i g no f v c e r dd e v i c eu s e di n t i a n j i n 1 0 0 0m ds e a w a t e r r e v e r s eo s m o s i s d e s a l i n a t i o np i l o tp l a n th a sb e e na c c o m p l i s h e d k e y w o r d s ：r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) ， c o n t r o l l i n gs c h e m e ，e f f i c i e n c y ， 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 ， d y n a m i cp r o p e r t y t h e m i x i n gl e n g t h n ， 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，也不包含为获得墨壅盘堂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：立芦连签字日期：加。3 年，月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘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： 签字日期：知- 0 3 年 导师签名 签字日期：沙? 年月扩日 刖吾 随着世界人口的迅速增长和世界经济的快速发展，全球性的淡水短缺 问题日益严峻。联合国日前公布的一份报告指出，到本世纪中叶，全球6 0 多个国家的7 0 亿人口将陷入水资源供应严重匮乏的困境。其中4 8 个国家 的2 0 亿人口还面临人口持续增长、国内政治动荡的威胁。 中国的淡水资源情况也不容乐观。根据2 0 0 0 年中国水资源公报，全国 6 1 0 个中等以上城市，不同程度缺水的就达到4 0 0 多个，其中3 2 个百万以 上人口的大城市中，有3 0 个长期受缺水的困饶。环渤海经济圈，包括津、 沈等城市及辽东半岛和山东半岛，人口高度集中、经济高速增长，缺水问 题已经成了这些城市经济增长与持续发展的制约因素，对个别城市甚至是 持续生存的关键。 解决淡水短缺问题除了传统的节约用水、废水回用、远途调水等方法 外，利用现代技术大规模开辟新的水源则首推海水淡化。事实上这已确定 无疑成了全世界的必然趋势。 现代海水淡化技术已有半个世纪的发展历史，在包括中东地区以及美 国、意大利、日本、西班牙等国家已经得到广泛的应用和证实。到2 0 0 2 年全球已建立的淡化装置共有1 5 2 2 3 套，总容量达3 2 4 百万吨天，而且 还在以1 0 3 0 的年增长率攀升，海水淡化技术在解决世界范围内的淡水 资源短缺问题上发挥着越来越重要的作用。 已实用的淡化技术有蒸发法( 包括多级闪蒸m s f ，多效蒸发m e d 和 压汽蒸馏v c 等) 和膜法( 主要包括反渗透r o 和电渗析e d ) 。与蒸发相 比，膜法淡化( 主要指r o ) 有投资省、能耗低、占地少、建设周期短、 操作方便、易于自动控制、启动运行快等特点。因此，r o 淡化技术自1 9 6 9 年进入海水淡化市场以来，其发展多呈上升趋势，发展速度最高，淡化水 成本也降得最快。但与传统的市政供水的价格相比仍比较高，因此降低过 程能耗，进而降低产品水成本仍是今后努力的目标。 通常反渗透海水淡化过程的操作压力介于5 8 - 8 0 m p a 之间，而从膜组 件中排放出来的盐水的压力也高达5 0 6 5 m p a 。如果带有大量压力能的高 压盐水通过减压阀而直接被排放，按照4 0 的系统回收率计算，将有大约 6 0 余压能被白白浪费掉，因此高效利用盐水的余压能对降低反渗透淡化 过程能耗和降低淡化水成本意义重大。 余压能量回收装置是专用来回收反渗透海水或苦咸水淡化系统排放出 的高压盐水余压能的装置。国外关于这方面的研究起步较早，主要经历了 三个发展阶段。从2 0 世纪8 0 年代开始最早被应用于反渗透能量回收的主 要有反转泵型透平和佩尔顿型透平。9 0 年代开始出现的h t c 和h p b 水力 透平型能量回收器较第一代更可靠，需要的维护量更少。第三代能量回收 器始于9 0 年代初期，其工作原理与透平式能量回收器有所不同，采用正位 移式原理，能量回收效率高达9 0 以上。这种类型的能量回收装置近年来 在反渗透淡化市场上的应用呈强劲的增长势头，大有取代水力透平式能量 回收装置市场主导地位的趋势，被普遍认为是反渗透淡化技术近十年来最 具革命性的变化，也成为国内外广大科研工作者研究的重点和热点。 我国反渗透海水淡化技术的研究始于1 9 6 5 年，至今已有近4 0 年的发 展历史。我国在反渗透膜、组件、海水预处理和后处理等方面有的已基本 实现国产化，有的正在实现国产化。但与淡化装置配套的余压能量回收装 置仍为进口，且价格昂贵。由于能量回收装置是反渗透海水淡化系统的关 键设备，因此从水安全及降低淡化装置成本的角度，能量回收装置的国产 化都是很迫切的。 正位移式能量回收装置能量回收效率高达9 0 以上，近年来刚刚进入 国内市场。而国内至今尚未见到有研究机构和企业从事专用于反渗透淡化 系统的余压能量回收装置的研究或生产。国外余压能量回收装置己商业化 应用多年，而且也正在开发和推广正位移式。但有关该型式的余压能量回 收装置的基本运行规律、流体力学特性、过程控制以及装置的设计加工等 更详细的资料却少有公开报道。因此，开展反渗透淡化系统余压能量回收 装置的研究工作，开发具有我国自主知识产权的余压能量回收技术和装置， 对于我国海水淡化产业的发展以及未来参与国际竞争都具有非常重要的意 义。本论文的研究工作就是在上述背景下开展的。 从技术角度来说，正位移式余压能量回收装置的复杂性主要体现在以 下几个方面，包括水压缸及压力传递系统的设计、具有特殊功能的高压阀 门的开发、装置整体结构布置以及过程控制方案的制定等。这几个方面是 紧密联系的，相互制约的。上述工作的开展都必须建立在充分掌握余压能 量回收装置的动态特性、特性参数( 包括能量传递效率、活塞的惯性距离、 活塞的循环频率和系统的压差分布等方面) 分析的基础上，因此丌展这些 基础性的研究工作是开发这一装置的先决条件。 本文的研究工作包括： 1 )建立能够真实反映阀控余压能量回收装置主要特征和工作特性的 实验装置； 2 ) 在满足低压海水能够被连续增压，同时泄压盐水能够被连续排放 的前提下，开发具有不同控制功能的阀门控制方案； 3 ) 对不同控制方案下能量回收装置的动态特性，包括高压盐水、低 压海水和增压海水的流量和压力变化特性以及水压缸端部的压力 变化特性进行测试和分析； 4 ) 对水压缸中浓盐水和原料海水之间的混合机理以及液柱活塞的原 - 理进行研究和分析； 5 ) 完成天津市1 0 0 0 吨天反渗透海水淡化示范工程用阀控余压能量 回收装置样机的技术方案设计，为正式样机的加工制造和实际工 业示范应用，并为产业化奠定基础。 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 反渗透技术在2 0 世纪5 0 年代初被证实可用于海水脱盐过程，当时里 德( r e i d ) 在美国内务部的资助下发现醋酸纤维素膜能够截留海水中9 8 的盐份，但其低的水通量不能满足工业应用的需求。1 9 6 0 年，洛布( l e o b ) 和索里拉金( s o u r i r a j a n ) 研制出同时具有高脱盐率和高透水量的非对称醋 酸纤维素( c a ) 反渗透膜，使反渗透技术迅速从实验室走向工业化。6 0 年代至7 0 年代初期，随着膜材料和技术的发展，出现了人工聚合物膜( 即 聚酰胺膜) ，使得海水通过一级脱盐过程即能生产所需的淡化水成为可能 1 - 2 】。 1 1 反渗透海水淡化技术的发展 从2 0 世纪7 0 年代至今3 0 多年来，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、海水预处理和余压能量回收等方面都取得了 长足的发展，过程操作成本得到不断降低，这也使得反渗透海水淡化技术 成为发展速度最快且最具竞争力的脱盐技术之一 3 】。据统计：1 9 9 5 年世界 淡水总产量中多级闪蒸( m s f ) 占6 9 ，反渗透( r o ) 占2 3 ，多效蒸发 ( m e d ) 占8 ；1 9 9 7 年的统计资料表明世界淡水总产量中m s f 占5 4 ， r o 占3 6 ，m e d 占l o 。从1 9 9 5 1 9 9 7 年，反渗透淡化技术的市场份额 增加了约1 3 ，年增长率达3 0 左右i “。 1 1 1 新型反渗透膜的研究 目前世界上反渗透海水淡化用膜组件主要是美国d up o n t 公司的 “p e r m s e pb 1 0 ”芳香族聚酰胺中空纤维组件，同本东洋纺的“h o l l o s e p h m 9 2 5 5 ”c t a 中空纤维组件，以及f i l m t e c 、f l u i ds y s t e m 、h y d r a n a u t i c s 、 t o r a y 和d e s a l 等公司的海水淡化卷式元件等1 2 j 。 海水反渗透膜及其组件是反渗透海水淡化技术的核心。目前反渗透膜 的研究从工作压力角度来说主要有两个发展趋势：低压反渗透膜的研究和 高压反渗透膜的研究 5 - 6 o 高压反渗透膜在海水淡化过程中的应用相对要多 一些，而低压反渗透膜则主要用于苦咸水淡化过程。 在高压膜的研究方面，日本t o y o b o 公司研发的高性能中空纤维膜， 采用高浓度聚合物中空纤维纺丝技术和微孔技术制造，并用高温作热处理， 膜的水通量较大。由该中空纤维经过交错分层排布组成的膜器，耐高压 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 ( 8 4 m p a ) 、抗污染。实际应用中采用该膜器单段运行即可实现大的回收 率( 约6 0 ) ，且化学品的消耗低。使用该膜器可使过程产水总成本降低 约2 0 i 7 叭。另外，日本东丽( t o r a y ) 公司开发了耐高压、可高浓度操作 的u t c 8 0 b c m 膜，并成功用于b c s ( b r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m ) 系统 9 1 。 f i l m t e c 公司开发的f i l m t e cs w 一3 0 h r 3 2 0 海水淡化反渗透膜元件，采 用特殊的结构设计，在不增加膜器外部尺寸的同时能够增加膜的有效面积 和进料水的湍动性能，因而特别适合高污染海水水源，而且可使过程能耗 节约2 5 ，膜器的化学清洗费用降低4 t 5 t 0 - 1 5 。 在低压反渗透膜研究方面，日本t o r a y 公司作了一些有益的探索，其 生产的t m 7 1 0 、t m 7 2 0 4 0 0 、t m 7 2 0 4 3 0 就属于低压膜系列。另外该公司 生产的t m g l 0 、t m g 2 0 4 0 0 和t m g 2 0 4 3 0 节能型超低压反渗透膜系列， 当n a c i 测试液浓度为5 0 0 m g l ，操作压力为0 7 5 m p a 时即可达到9 9 5 的 脱盐率。 1 1 2新型反渗透海水淡化工艺的研究 反渗透海水淡化过程操作参数中，系统回收率( 产品水量与进料量的 比率) 对于系统投资和运行费用的影响最大( 1 。通常海水反渗透淡化系统 的回收率为4 0 4 5 ，而日本t o r a y 公司研发的b c s 系统采用海水反渗透 ( s w r o ) 第一级浓缩水作为第二级反渗透组件的迸料，在极端操作条件 下( 操作压力8 0 1 0 0 m p a ，进料浓度5 8 8 7 ) 生产淡化水，使整个系 统的回收率达到6 0 t 1 7 也2 1 。这一目标的实现主要是因为在第二级反渗透系 统中采用新型耐高压抗污染膜s u 8 2 0 b c m 以及级间新型高效能量回收器 的应用。1 9 9 9 年3 月b c s 系统首先在西班牙m a s p a l o m a s4 5 0 0 吨天的装 置上实现商业化应用。现在世界范围内运行的b c s 系统共有1 2 套【9 】。其 系统流程图如图l - l 所示。 图1 1 给出的b c s 系统工艺流程中的级间增压泵( b o o s t i n gp u m p ) 可 以使用能够满足进水高压力要求的增压泵( 离心泵) ，也可以采用水力透平 式能量回收器( 如h t c 或h p b 等) 。通常情况下采用水力透平式能量回收 器回收系统中第二级膜器排放的浓盐水的余压来增压第一级膜器排放出的 浓盐水并作为第二级膜器的进料，提高了系统的回收率，使系统更经济。 b c s 系统与传统系统( 4 0 回收率) 相比有如下优点一j ： 1 ) 产品水成本降低2 0 ； 2 ) 设备安装空间降低到原来的2 3 ； 3 ) 在传统工艺上增加第二级b c s 系统，可使系统产量增加1 5 倍； 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 4 ) 排放浓盐水减少到原来的2 3 ，环境效应较好。 图1 1b c s 系统工艺流程 f i g 1 - 1d i a g r a mo f t h eb r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m ( b c s ) 图i - 2 采用h t c 增压的b c s 系统 f i g 1 2t u r b o c h a r g e rb o o s t i n gs y s t e m 图l _ 3 采用h t c 增压与脉冲透平回收能量的b c s 系统 f i g 1 - 3t u r b o c h a r g e rb o o s t i n ga n di m p u l s et u r b i n es y s t e m 一6 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 图卜4 采用脉冲透平增压与回收能量的b c s 系统 f i g 1 4i m p u l s et u r b i n eb o o s t i n ga n dr e c o v e r y s y s t e m 图1 2 、图1 3 和图1 4 给出了b c s 系统的典型流程 ”】。其中图1 2 采用h t c ( t u r b o c h a r g e r ) 来增压b c s 系统第二级的进料。而图l 一3 中则 采用h t c 来增压b c s 系统的进料，同时还采用脉冲透平( i m p u l s e t u r b i n e ) 回收剩余盐水的压力能以带动同轴的高压泵电机。图1 ，4 中的脉冲透平既 用来增压b c s 系统第二级膜器的进料，同时还回收剩余盐水的压力能来带 动同轴的高压泵电机。 1 1 3 环境友好预处理过程的开发 海水淡化操作中，由于海水本身的特性：硬度和总固溶物含量( t d s ) 值都很高，而浊度和细菌含量不稳定，常常给过程操作带来诸如结垢、膜 污染及高能耗等问题，因而良好的预处理对于反渗透海水淡化过程的稳定 运行至关重要。 传统的海水预处理方法主要包括无阀滤池、杀菌、絮凝沉降、多介质 过滤( 国内多采用沙滤) 、加阻垢剂和还原剂等工序。这种预处理方法不但 过程复杂，而且成本较高，尤其是过程中添加的多种化学品最终都将随系 统浓盐水一起被排放，对排放地环境造成较大的不良影响。在这种情况下， 采用膜法预处理代替传统的化学品预处理成为一种必然的趋势，也是符合 2 1 世纪可持续发展战略的总体要求的。 常用膜法预处理方法主要包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 和纳滤( n f ) 三种。m f 在去除悬浮固体方面效果明显，并可在一定程度上降低淤泥密 度指数( s d i ) ，费用较海井( b e a c h w e l l ) 要少，是传统方法费用的一半。 而u f 不但可截留悬浮固体和大的细菌，还可截留大分子、胶体和小细菌。 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量网收 n f 是介于u f 和r o 之间的膜过程，其对于一价和二价离子的选择透过性 在防止海水淡化过程结垢和减少进料总固溶物含量( t d s ) 方面有特殊的 作用。 近年来m f 、u f 和n f 技术都得到了长足的发展，但相比之下u f 和 n f 的发展的速度更快些。新的u f 预处理基于大直径毛细管膜，直径为 0 7 0 9 m m 。这种组件有两大优点：能够频繁短周期自动冲洗毛细管膜， 渗透水通量稳定；可低流速错流或死端操作。u f 与传统预处理方法相比， 不用连续加入化学品，需人力较少，毛细管膜技术作为反渗透海水淡化系 统的预处理使淡化过程有高的产水率，可使系统水成本降低约1 0 【1 6 , 2 3 - 2 6 。 n f 作为预处理则与m f 、u f 有所区别，n f 预处理不但与预处理产品 水质有关，而且与s w r o 淡化过程本身有联系。最初将n f 用于预处理并 进行这方面研究的是s w c c ( s a l i n ew a t e rc o n v e r s i o nc o r p o r a t i o n ) ，其研 究结果表明：采用n f 作为s w r o 预处理，1 ) 可去除浊度和细菌，防止 海水反渗透膜污染；2 ) 去除s 0 4 2 - 达9 8 ，总硬度去除达9 3 ，防止淡化 过程结垢；3 ) 降低进料水的t d s 约3 0 6 0 ，使过程操作压力降低。n f 作为s w r o 预处理由于具有以上三方面的优势，从而可使系统回收率由 3 5 提高到5 0 7 0 ，增加s w r o 产量达5 0 1 0 0 ，同时使s w r o 造水成 本降低约3 0 1 2 7 0 ”。 目前较受欢迎的全膜法预处理较好的结合了m f 、u f 和n f 三种预处 理方法的优点，在有效减少化学品添加量的同时，也可减少s w r o 淡化过 程用膜组件的清洗次数，使操作过程更加环境友好，过程操作成本也得到 显著降低。 1 1 4 余压能量回收器的应用 一般认为，当反渗透系统排放盐水的压力在2 0 7 m p a 以上及系统回收 率在8 0 以下，应该考虑设置能量回收装置。能量回收器类型的选择要考 虑所节省的费用和能量回收设备费用之间的经济平衡p “”j 。 反渗透海水淡化系统中，高压泵的电耗占系统运行费用约3 5 ，是影 响产品水成本的主要因素之一。直接或间接地降低系统高压泵的电耗是减 小产品水成本的关键。余压能量回收装置的研究和开发正是在这种背景下 提出的。目前能量回收装置从工作原理上主要分为离心式和正位移式两种， 前者常与高压泵串联使用，利用回收的余压能将通过高压泵的进料海水进 一步增压到工艺压力，与无能量回收器的系统相比，对高压泵出口压力要 求降低，系统的能耗更低；后者常与高压泵并联使用，利用盐水余压能直 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 接增压部分进料海水，降低了通过高压泵增压的进料海水的流量，提高了 系统的经济性。余压能量回收装置的快速发展和在反渗透淡化系统中的广 泛应用被认为是近十年来反渗透淡化技术最大的进步 3 4 1 ，尤其是正位移式 余压能量回收器，由于其高的能量回收效率，近年来得到了快速的发展， 己引起越来越多人的关注，也成为广大科研工作者研究的重点 3 5 - 3 7 。 1 2 余压能量回收技术的研究、发展与现状 1 2 1 余压能量回收问题的提出 反渗透技术属于压力驱动的膜分离技术，其过程操作中采用的半渗透 膜有机地将盐水和淡水隔离开。在膜的两侧因浓度差别存在有渗透压( 对 于标准海水而言，其渗透压约为2 5 m p a ) ，只有进料海水的操作压力大于 海水的渗透压时才能使海水中的淡水通过半透膜而被分离 3 8 - 3 9 。操作的压 力越大则分离的效率越高。通常反渗透海水淡化过程的操作压力介于 5 8 8 0 m p a 之间，而从膜组件中排放出来的盐水的压力也高达 5 0 6 5 m p a ”】。如果带有大量压力能的高压盐水通过减压阀而直接被排 放，按照4 0 的系统回收率计算，将有大约6 0 余压能被白白浪费掉，因 此高效利用盐水的余压能对降低反渗透海水淡化系统能耗，进而降低产品 水成本至关重要。 1 2 2余压能量回收器的发展历程【4 4 3 j 从2 0 世纪7 0 年代初期反渗透技术开始用于商业化的海水和苦咸水淡 化过程，最初人们没有太多考虑过程的能耗问题，当时过程的比能耗高达 1 2 k w h m 3 。为了与热蒸馏法海水淡化技术进行竞争，很明显就必须降低反 渗透过程的操作成本。为了改善这种状况就必须使用余压能量回收装置。 在2 0 世纪8 0 年代初首先在反渗透淡化装置上使用余压能量回收装置 的淡化厂包括k e yw e s t ，f l o r i d a ( 采用简化的反转泵，r e v e r s er u n n i n g p u m p ) ：p a r a d i s ei s l a n d ，b a h a m a s ( 采用早期的佩尔顿叶轮，p e l t o n w h e e l 或称为i m p u l s et u r b i n e ) 和在m a l t a 采用的更复杂的反转泵。法兰西斯透平 ( f r a n c i st u r b i n e ) 。当时的能量回收率已达到反渗透输入能量的2 5 。随 着这些能量回收装置在淡化厂的成功使用，余压能量回收装置做为一个崭 新的行业形成了。 反渗透海水淡化系统余压能量回收装置的发展主要经历了三个阶段。 从2 0 世纪8 0 年代开始，第一代能量回收装置即开始应用于反渗透淡化过 第一章反渗透海水淡化技术与余压能量回收 程，这种能量回收装置采用当时已有的技术，如反转泵型透平( 或称为 f r a n c i s