反渗透海水淡化技术在电厂中的应用

反渗透海水淡化技术在电厂中的应用

0海水淡化技术随着淡水资源的匮乏，大型节水处理厂逐渐寻求不同的替代品水源。例如，许多内陆造船厂开始重新排列中水和疏干水，而沿海发电厂利用天然海水资源并采用海水淡化技术获取淡水。目前主流的海水淡化技术分为热法和膜法两大类，虽然热法海水淡化技术最早被采用，但是膜法中反渗透海水淡化技术的发展却更快，目前全球反渗透海水淡化厂在总海水淡化厂中的占比达65%，并呈逐年上升的趋势1反渗透海水淡化系统设计反渗透海水淡化采用的原海水需要经过预处理去除海水中的泥砂颗粒、悬浮物、胶体、藻类、微生物等杂质，经预处理后的海水水质应达到反渗透膜的进水水质要求，确保脱盐装置的安全稳定运行。近年来，由于污废水的排放、海洋资源的开发利用等，使得近海海域的污染十分严重，为应对逐渐恶化的海水水质，保证反渗透海水淡化系统的安全运行，预处理系统一般采用两级处理单元，一级预处理的主要作用是除去海水中的悬浮泥砂、胶体、有机物等杂质，采用的处理装置包括混凝反应沉淀、气浮、重力滤池等，其产水储存至清水池，通过泵输送至二级预处理单元，进一步去除海水中的杂质。二级预处理单元是反渗透进水水质的最后一道保障，其处理工艺分为传统过滤和膜法过滤两种技术，典型处理装置为传统过滤的细砂过滤器和膜法过滤的超滤。1.1细砂过滤器和反洗水泵细砂过滤器也叫精密过滤器，本体由设计压力0.6MPa左右的钢制圆柱体罐制成，内部结构与普通压力式过滤器相同，但滤料采用的是0.3～0.5mm粒径的细砂，相当于5～10μm的过滤精度，可保证产水浊度<0.5NTU,SDI由图1可知，细砂过滤器需要配套反洗水泵和反洗风机，根据运行情况进行定期反洗，反洗水源可采用二级过滤产水也可采用一级预处理的产水。如果一级预处理有重力滤池，则两个过滤装置可考虑共用反洗水泵和反洗风机。为保证细砂过滤器的配水均匀，单个过滤器的面积不宜大于15m1.2反渗透海水淡化系统超滤是一种膜分离技术，其膜为多孔性不对称结构。超滤过滤过程是以膜两侧压差为驱动力，以机械筛分原理为基础的一种溶液分离过程，使用压力通常为0.03～0.6MPa，筛分孔径从0.002～0.1μm，截留相对分子质量为1000～100000Da左右。一般采用中空纤维超滤膜作为反渗透海水淡化系统的二级预处理，其按进水流道分为内压式和外压式两种，按照过滤模式分为全流过滤和错流过滤两种。超滤膜的过滤精度高，产水水质相比细砂过滤器更好也更稳定，其产水保证值为：浊度<0.2NTU,SDI<31.3砂砂分离与超滤的比较1.3.1砂砂法与超滤的性能比较细砂过滤器属于传统的过滤方式，超滤属于新型膜法过滤，二者目前都有一定的应用市场，其综合性能对比见表1。1.3.2细砂过滤器和超滤成本对比一般2台百万机组或4台六十万机组电厂的海水淡化需水量的设计规模基本在12000m通过表2对比不难发现采用细砂过滤器作为二级预处理投资成本比超滤低33%，运行电耗不到超滤运行电耗的一半且没有化学药品的消耗，笔者认为这应该是目前细砂过滤器仍然占据一定市场的原因。当然如果考虑保安过滤器滤芯更换和反渗透膜的清洗频率，这二者的运行费用基本持平。1.3.3细砂过滤器滤芯更换。在一般联合气滤芯上进行改造细砂过滤器作为二级预处理总体投资成本及运行能耗均低于超滤，但超滤的出水水质较好，对后续反渗透单元更友好。另外，对于部分海水，其含有一些不明原生生物等，细砂过滤器对其无法去除，曾有案例项目，这种生物穿透细砂过滤器附着在后续反渗透保安过滤器5μm的滤芯上，导致保安过滤器严重污堵，基本每天需要更换一次滤芯，之后进行相应改造，用超滤代替细砂过滤器，效果明显，滤芯基本1月更换一次。由此可见，预处理选择的前提是获得准确完整的原海水水质分析，必要情况下应通过试验进行方案选择确定。2能量回收装置的设计成本能量回收装置是降低反渗透海水淡化系统能耗的核心设备，其按工作原理主要分为透平式（水力涡轮式）和正位移式（功交换式）两类。2.1次高压转化法透平式能量回收装置由同轴的泵端和透平端组成，两端均带叶轮，原海水进入泵端，反渗透的高压浓盐水进入透平端，冲击透平叶轮转动的同时带动同轴泵的叶轮旋转，高压浓盐水携带的能量经过压力能—轴功—压力能的二次转化之后传递给原海水，传递能量之后的浓盐水由透平出口以常压排出，增压后的海水由泵端高压出口排出，进入膜元件。根据其工作原理，透平式能量回收与高压泵串行连接，如图3所示，原海水通过高压泵增加一部分压力，然后再由能量回收装置进一步传递增压达到反渗透进水压力要求。按某工程水质水量（单套海水反渗透产水量170m在市场上占主导地位的透平式能量回收装置主要是美国Fedico品牌的HPB系列产品和美国ERI品牌的AT系列产品，其回收效率一般在50%～70%之间，单台最大流量可达2800m2.2海水能量回收系统正位移等压型能量回收装置的工作原理与透平式能量回收装置完全不同，它是将反渗透高压浓盐水的压力通过能量回收装置直接传递给原料海水，能量经过压力能—压力能直接转化，减少了中间环节的能量损失，回收效率高，最高可达98%正位移式能量回收装置的典型产品是ERI公司生产的PX系列，其市场占有率90%以上，图4上的参数即是根据PX能量回收装置按照2.1节的水质水量进行模拟计算的结果。PX能量回收装置单支处理量最大68m2.3能量恢复装置的比较2.3.1回波装置的性能比较两种能量回收装置各有优缺点，具体的性能对比见表3。2.3.2单套成本核算成本对比按2.1和2.2章节所列工程实例计算单套成本，包括投资成本和运行成本，具体核算结果如表4所示。从表3中可知，透平式能量回收装置电耗比PX能量回收装置产水高0.7kW·h/m2.3.3透平式回收装置特点综上对比可以看出，PX能量回收装置主要胜在其回收效率高，可极大节省运行能耗，降低制水成本。相比PX能量回收装置，透平式回收装置也有其特定优势，主要体现在以下几个方面：(1)投资价格低，水量越大，其价格优势越明显；(2)占地面积小，管路简单；(3)操作方便，可靠性高，一般无需定期维护。因此，两种能量回收装置的选择还需根据实际工程项目特点综合考虑，包括工程项目用途、规模、电价等比选出最适合项目的方案。3能量回收装置的选择海水反渗透系统的二级预处理单元是保护反渗透膜组的重要屏障，应该慎重选择所用的处理装置。如果水源水质较好，可以选用细沙过滤器作为处理装置，其具有成本低、结实耐用及操作简单的优势，但占地面积较大，且如果水质恶化，这种传统的过滤技术将会面临较大的挑战。超滤作为二级预处理单元，最近几年应用更多些，其与反渗透联合称为双膜法海水淡化技术，虽然投资成本高、运行维护较复杂，但是出水水质好且稳定，特别对于较差的水源水质，采用超滤装置作为二级预处理是相对较好的选择。能量回收装置的选取则主要根据项目的具体特点进行。目前PX能量回收装置市场占比最大，主要因其效率高，电耗低的优势，但是对于电价因素影响不高的项目，透平式能量回收装置却是更好的选择，毕竟其成本低，占地小