反渗透海水淡化中能量回收的应用

反渗透海水淡化中能量回收的应用

海洋净化技术的一个重要目标是降低运营成本，这是能耗的主要原因，降低能源消耗是降低海水净化成本最有效的途径。反渗透海水淡化(SWRO)是目前海水淡化的主流技术之一,反渗透海水淡化过程需消耗大量电能提升进水压力以克服水的渗透压,反渗透膜排出的浓水余压高达5.5~6.5MPa,按照40%的回收率计算,排放的浓盐水中还蕴含约60%的进料水压力能量,将这一部分能量回收变成进水能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗,而这一目标的实现有赖于能量回收技术的利用。通过能量回收装置的应用大幅降低了淡化水的生产成本,促进了反渗透淡化技术的推广和应用,并使之成为最具竞争力和发展速度最快的海水淡化技术。因此,能量回收与反渗透膜和高压泵并列成为反渗透海水淡化系统中的三大关键技术。1海水/苦咸水淡化回收系统20世纪70年代,随着反渗透技术开始用于海水/苦咸水的淡化,各种形式的能量回收装置也相继出现。能量回收装置总体上分为两类,即水力透平式和功交换式。1.1高压泵与透平机增压泵的联用最早的能量回收装置是水力透平式,瑞士Calder.AG公司的PeltonWheel透平机和PumpGinard公司的Francis透平机,效率一般为50%~70%。其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动,通过轴与泵和电机相连,将能量输送至进料原海水,过程需要经过“水压能→机械能→水压能”两步转换。水力透平机与高压给水泵电机同轴连接,一般是高压给水泵双出轴两侧分置电机和透平机,也可以是电机双出轴两侧分置水泵和透平机。透平机作电机的第二驱动助推电机,通过减小电机转矩,降低电机动力消耗。在上述基础上经过改进出现了一些独特的设计,其中最具代表性的有丹麦Grundfos公司生产的BMET透平直驱泵和美国PEI公司生产的HydraulicTurbocharger。两者均是透平机与泵一体化设计,一根转轴连接两个叶轮,全部封装在一个壳体中,浓盐水流过叶轮时通过冲击叶片而推动叶轮转动,从而驱动透平轴旋转。透平轴直接带动增压泵工作输出机械功,浓水能量转换成原海水能量的转换效率可提高至65%~80%。高压泵与透平机增压泵两级串联完成原海水的压力提升,通过透平增压降低高压泵所需扬程,减少电机动力消耗。所不同的是BMET的透平增压泵与高压泵是一个整机,其中透平增压泵位于高压泵的进口(见图1);而Turbocharger是一个单独的装置,安装在高压泵的出口(见图2)。1.2功交换器的应用20世纪80年代出现了一种新的能量回收技术,其工作原理是“功交换”,通过界面或隔离物,直接把高压浓盐水的压力传递给进料海水,过程得到简化,只需要经过“水压能→水压能”的一步能量转换,能量回收效率得以提高。1975年功交换器第一次应用在SWRO上,由于压力和流量的瞬变,致使阀寿命很短,使用不久就停止了服务。20世纪80年代中期大型功交换器商业化开发停止,其主要原因是当时SWRO装置规模相对较小,功交换器造价高,可靠性差。1985年,在加勒比海地区开始出现“建造-拥有-运行”(BOO)式的SWRO合同,由于加勒比海地区能源成本高,越来越多的反渗透海水淡化装置开始使用功交换器。该地区1990年—2000年建造的9个淡化装置中共安装了17个大容量功交换器,每个装置的流量都超过1000m3/d。目前反渗透海水淡化工程中应用的功交换式能量回收装置主要为转子式压力交换器和活塞式阀控压力交换器两类,能量回收效率高达90%~97%。1.2.1ro系统原理以美国ERI公司的PX转子式压力交换能量回收装置(见图3)为代表,原理是高压浓盐水推动圆周开有多个纵向沟槽(类似于多个微型液缸)的无轴陶瓷转子旋转,使多个微型沟槽分别在两侧静止的配流盘高压区和低压区交替转换切入,进入高压区的微型液缸进行能量回收传递向外排液,进入低压区的微型液缸进行原海水补液,PX需配增压泵以使初步升压的原海水进入RO系统。高压浓盐水与低压原海水直接传递压力,水在多个微型液缸中的停留时间很短,两种液体由一段封闭的“液体活塞”分开,能量回收效率较高,浓水能量至原海水液体能量的转换效率>92%。1.2.2压力交换系统活塞式阀控压力交换器以瑞士Calder.AG公司的DWEER双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTecDT压力交换器、德国SiemagTransplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX动力压力交换器为代表。原理是采用两个大直径液缸,其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液,另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水,两液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水,实现了浓水能量转换成原海水能量的回收过程。活塞式阀控压力交换器需配备增压泵以使初步升压的原海水进入RO系统,由活塞隔离浓水和原海水,能量回收效率一般高于92%。DWEER能量回收装置见图4。2装置的运行稳定性国内对能量回收装置的研究起步较晚,进行反渗透用能量回收装置研究的主要有中科院广州能源所、天津大学、杭州水处理中心和天津海水淡化研究所等4家单位,研发方向均为双液压缸功交换式能量回收装置。广州能源所研发的试验样机为带活塞杆的双液压缸功交换式能量回收装置(专利号:200510035328.8),使用电磁阀进行高、低压水的切换,并用蓄能器稳定压力。试验表明,稳定压力的效果不错。天津大学的双液压缸功交换式能量回收装置使用多个气动阀进行高、低压水的切换,由PLC控制阀门的动作,在1000m3/d的反渗透海水淡化试验平台上进行了试验,取得了一定效果,并申请了专利(专利号:200510014295.9)。杭州水处理中心设计的能量回收装置主要由双液压缸、止回阀和四通功能阀组成,两台液压缸通过活塞杆定位,并固定在一条直线上。装置设计申请了发明专利(专利号:200510050117.1)。天津海水淡化研究所自主研发了一台具备升压功能的差动式反渗透能量回收装置,流量可达18m3/h。在反渗透海水淡化试验平台上进行了系统试验,通过168h的连续不间断运转测试表明:装置运行稳定,有效能量回收率>90%,压力波动<0.2MPa。已申请发明专利1项、实用新型专利2项(专利号分别为201010122952.2、201020129553.4、201020129553.4)。上述几家单位的研究成果虽然还没有在海水淡化工程中得到推广应用,但工业化发展及应用前景良好。3增压泵及自动阀门几种国外能量回收装置的性能对比见表1。表1中前两种为水力透平式,用于与高压泵串联安装,通过降低高压泵所需的扬程达到节能的目的,不需要增压泵和自动阀门,但效率较低,特别是低流量时效率更低;后三种为功交换式,用于与高压泵并联安装,通过减小高压泵所需的流量达到节能的目的,需要配置增压泵,在很宽的流量范围内均能达到较高的效率。功交换式能量回收装置由于具有较高的能量回收效率,能更有效地降低反渗透海水淡化系统能耗的优势,已成为国内外研究和开发的热点,其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势。4水力透平式能量回收装置国外能量回收装置在我国海水淡化工程中的应用情况见表2。表2中除PX为功交换式能量回收装置外,其他均为水力透平式能量回收装置。从发展趋势来看,前几年水力透平式应用较多,但近几年功交换式能量回收装置特别是PX在建成的海水淡化工程中已被普遍采用。5功交换式能量回收装置SWRO能量回收装置主要有水力透平式和功交换式两大类。水力透平式用于与高压泵串联安装,通过降低高压泵所需扬程达到节能的目的,不需要增压泵和自动阀门,单机流量大,但效率较低,特别是低流量时效率更低;功交换式用于与高压泵并联安装,通过减小高压泵所需流量达到节能的目的,一般需要配置增压泵,单机流量较小,可并联使用,在很宽的流量范围内均能达到较高的效率。功交换式能量回收装置由于具有较高的能量回收效率,已经逐渐成为海水淡化行业中研究和开发的热点,其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势,近