我国海水淡化用能量回收装置研究概况.doc

我国海水淡化用能量回收装置研究概况王越 王世昌* 徐世昌 王宇新天津大学海水淡化与膜技术研究中心,300072(TelE-mail:)摘要：能量回收装置作为反渗透淡化系统的关键设备之一，对大幅降低系统运行能耗及产水成本至关重要。文章在分析国内外能量回收装置发展现状的基础上，对我国正在开展的正位移式阀控能量回收装置的研究开发及工业示范装置运行情况进行了总结，并展望了能量回收装置未来的发展趋势。关键词: 反渗透 海水淡化 能量回收装置 示范应用Abstract: Currently for each seawater RO desalination plant, the energy recovery device (ERD) becomes absolutely necessary due to its great contribution of dramatically reducing the power consumption of the process and thus lowering the product cost. Based on the analysis of the state of art of hydraulic energy recovery technologies and facilities in the world, the presentation summarizes the recent research and developments of the ERD in China and forecasts the future prospects of the technology.Keywords: SWRO Desalination Energy Recovery Device (ERD) Demonstration1前言近年来海水淡化技术的快速发展及其成本的大幅降低，使越来越多的国家和地区开始考虑利用淡化水作为第二水源，以缓解日益严峻的淡水危机。目前可用于工业规模的海水淡化方法主要有三种，即多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MED）和反渗透。三种淡化方法中，当属反渗透技术的发展速度最快，成本的降幅也最大。其原因主要在于膜性能的不断提高和高效能量回收装置的广泛使用。2能量回收装置研究发展概况1能量回收装置作为反渗透海水淡化系统的必备设备之一，对大幅降低淡化系统的运行能耗，进而降低产水成本至关重要。按照工作原理的不同，能量回收装置可分为水力透平式（或离心式）和正位移式两种类型。水力透平式运行时通常需要经过“压力能-轴功-压力能”两步转化过程，能量回收效率相对较低，为50-75%。而正位移式则利用浓盐水直接增压进料海水的方式回收压力能，效率高达90%-96%。此外，正位移式能量回收装置使用过程中还具有根据运行需要灵活调节淡化系统的产水回收率的特点。正因为此，正位移式能量回收装置近年来备受市场青睐，其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势（图1），淡化系统本体吨水电耗也由80年代的8.0 kWh降低到约2.0kWh（图2）。目前市场上可选购的正位移式能量回收装置产品主要包括美国ERI公司的PX型（图3）、瑞士Calder公司的DWEER型（图4）2以及德国KSB公司的SalTec型（图5）3。另外还包括西班牙爱甘霖公司的能量回收塔，但其不作为独立的产品来出售。图1 正位移式能量回收装置市场占有率变化情况图2 1980-2005年SWRO吨水电耗图3 美国ERI公司的PX220型压力交换器图4 新加坡Tuas反渗透海水淡化厂所使用的DWEER型功交换器图5 德国KSB公司研制的SalTec型能量回收装置3阀控能量回收装置的研究开发自1997年我国第一套反渗透海水淡化示范工程在浙江舟山建立，并首次引进HTC型能量回收装置以来，国内至今已有包括山东长岛、大连长海、天津塘沽、山东荣成、浙江玉环等十余套反渗透海水淡化示范工程和工业装置建立并投入运行，淡化水的规模也达数万吨/天。但值得关注的是我国淡化工程所使用的能量回收装置（主要包括HTC和PX两种类型）全部依赖国外（美国）进口，国内市场至今仍完全由国外公司垄断。能量回收装置的国产化开发迫在眉睫。 “十五”期间，在国家科技部的资助下我国自主成功开发了日产百吨级（以产水计）反渗透淡化系统用阀控能量回收装置，该装置采用正位移原理，能量回收效率为89%-91%，达到国际先进水平。目前日产千吨级能量回收装置的工业实用研究正在进行，装置已在天津市1000m3/d SWRO试验平台上安装和试用，并有望成为具有我国海水淡化领域的高新技术产品。3.1流体力学特性研究4图7给出了“十五”攻关期间研制的日产百吨级阀控余压能量回收装置。该装置运行过程中的主要流体力学特性如图8、图9和图10所示。图7 百吨级阀控余压能量回收装置图8 高压盐水和低压海水的流量变化特性图9 水压缸盐水端（Pb1）和海水端（Ps2）的压力变化特性图10 总管路高压盐水（Pbi）、低压海水（Psi）和增压海水（Pso）的压力变化特性3.2盐水混合特性模拟研究5正位移式能量回收装置是通过高压盐水与低压原海水直接接触的方式实现压力传递的。如此，水压缸中具有不同盐度的盐水和海水的混合是不可避免的。混合不但增加了反渗透原料水的渗透压，也降低了反渗透膜的通量及产品水的水质。因此，研究水压缸中盐水和海水混合过程的形成和发展规律，对于控制盐水混合度非常关键。混合过程的流体力学模型包括： （1）连续性方程： （1） （2）雷诺平均方程： （2） （3）输运方程： （3） （4）输运方程： （4）（5）传质方程： （5）(a) d/D=0.8(b) d/D=1.0图11 水压缸中盐水和海水混合段的形成与发展图11给出了水压缸中（无活塞隔离）盐水和海水混合段的形成和发展情况。图中，假设水压缸水平放置，其左端红色为盐水入口，右端蓝色为海水出口，水压缸中介于红色和蓝色的区域为不同盐度剃度的盐水和海水混合段。由图中可以看出，混合段的长度随着盐水与海水接触时间的增加而快速增长，且在较短的时间内（如图中t=0.4s）即占据了水压缸几乎一半的容积，这大大降低了水压缸的容积利用率和装置的水处理负荷。混合问题的研究对指导装置设计、优化系统控制方案具有重要意义。3.3工业示范实用研究在国家“十五”科技攻关成果的基础上，我们目前在天津市科委的资助下正在开展日产千吨级阀控能量回收装置的实用性研究工作。该装置已在天津1000吨/天海水反渗透淡化示范厂安装和试用（图12），相关的研究与考核工作正在顺利进行。已完成的试验结果表明，该装置的浓盐水处理量可达60-80m3/h，能量回收效率约为90-92%，达到国际同类产品的性能水平。图12 日产千吨级阀控能量回收装置4能量回收装置未来发展趋势客观地讲，目前国际市场上包括海水反渗透膜、膜壳及高压泵等产品在内的市场竞争格局已基本形成和确定，唯有能量回收装置工业仍处于起步和完善阶段。因此，近年来包括德国、英国、意大利和中国等在内的越来越多的国家开始加入到能量回收装置新产品的研发行列。根据目前的技术水平和市场现状，我们认为能量回收装置今后的发展将呈现以下四个方面的特点和趋势： （1）随着反渗透海水淡化系统单机规模的不断增大（1-1.5万吨/天），能量回收装置也呈单机容量大型化的发展趋势。对正位移式装置能量回收装置而言，多套并联组合运行与控制也是今后研究的重点。（2）能量回收装置在中低压膜分离过程（如工业反渗透、纳滤软化等）将得到广泛推广应用，并有可能扩展到化工（如合成氨）等工业领域。（3）在市场占有率方面，正位移式能量回收装置的市场份额有望进一步增加，但基本保持在与水力透平式同等的份额水平。（4）在淡化系统设计方面，将高压泵、能量回收装置和增压泵综合考虑的高压给水系统将发挥重要作用。参考文献：1. 王越,徐世昌,王世昌.国外反渗透淡化系统余压能量回收技术研究概况.化工进展,2002,21(11):868-8712. Beat Schneider. Selection, operation and control of a work exchanger energy recovery system based on the Singapore project. Desalination 184 (2005) 1972103. Stephan Bross, Wolfgang Kochanowski, Nabil El Maraghy. SWRO-core-hydraulic-system: first field test experience. Desalination 184 (2005) 2232324. Yue Wang, Shichang Wang, Shichang