火电厂反渗透系统节能减碳技术应用研究

火电厂反渗透系统节能减碳技术应用研究

0反渗透膜技术的应用随着世界岩能源的巨大消耗，二氧化碳浓度持续增加，导致了一系列全球环境和气候问题。反渗透是一种膜法水处理脱盐工艺，具有占地面积小、操作便利、自动化程度高、适应范围广、药剂使用量少等优点，在电力、钢铁、化工、市政等行业大规模应用，产生了显著的环境效益和社会效益1能耗及热耗量反渗透系统运行能耗主要为水泵和搅拌机的电能以及进水加热的热能。相比反渗透系统其他水泵和搅拌机的电耗，高压泵和进水泵是反渗透系统的主要电耗，也是反渗透系统降耗减碳工作的重点目标。其中高压泵的能耗与待处理溶液的含盐量直接相关：用于处理苦咸水的反渗透膜系统配备的高压泵压力达1.2～1.6MPa,高压泵功率约占总电功率的60%～65%;用于处理海水的反渗透膜系统配备的高压泵压力达5.0～7.0MPa,高压泵功率约占总电功率的84%～87%;用于处理废水和垃圾渗滤液的反渗透系统配备的高压泵压力达6.0～12.0MPa,高压泵功率约占总电功率的84%～93%。表1展示了某套产水量100t/h典型苦咸水反渗透系统的电气设备及功率，总运行功率是146.61kW,其中高压泵功率是90kW,占总功耗的61.4%;进水泵功率是44kW,占总功耗的30%。因此高压泵、进水泵是整个反渗透系统节能减碳的重点。除电能外，反渗透系统运行过程中也会消耗热能，用于加热进水。某100t/h的反渗透系统，设置有一套板式换热器，采用低压饱和蒸汽作为热源。在冬季进水水温为10～15℃时，投运蒸汽加热器，将水温加热到20～25℃,如温升10K,系统1小时要消耗4200MJ的热能，折合11.67kW/(t·K)(按照换热效率100%计算)。在发电厂中，除盐水送进锅炉前本身要逐级加热到200℃以上，所以反渗透系统进水加热，只是提前增加了锅炉进水的焓值，后续管路保温做好的话加热除盐水耗费蒸汽的热量并没有浪费，而是带进了锅炉中。进水温度与反渗透膜组件产水量正相关，反渗透运行温度升高是有节能效益的。如图1的统计数据显示，在15～40℃范围内，进水温度每上升1℃,膜组件产水量平均增幅为3.1%。因此通常设置进水加热装置(多为蒸汽加热装置),在冬季进水水温偏低时，将水温提升至20～25℃,以确保反渗透系统的水处理效率。加热器会因为结垢、堵塞等原因造成换热效率降低，每下降1%就会造成0.1167kW/(t·K)能耗的上升，因此，热能消耗的控制也是反渗透系统节能减碳研究的另一大目标。根据付坤等2分析了宣言系统的节能环保潜力2.1反渗透系统高压泵变工况对于应用了工频高压泵的反渗透系统，通常存在水泵输出功率大于膜系统输入功率的情况，使得运行压力过高、能耗较大。在反渗透系统运行中，对进水泵、高压泵进行变频改造，保持流量一定的情况下，将高压泵运行频率由50Hz降至30～45Hz,降低了运行压力，可以起到节能减碳的作用。某反渗透系统改造前的高压泵为工频泵，每次启动运行频率为50Hz,泵实际功率为36.15kW。变频改造后高压泵运行频率为35.3Hz,泵实际消耗功率为15.6kW。在不影响水处理效果的前提下，高压泵节电达到20.55kW,相应减排二氧化碳5281g,节电率达到56%,反渗透进水泵也进行变频改造后，系统总节电超过50%(见图2)。反渗透系统的按照吨水平均电耗1.8kWh计算，水泵变频改造可以节能50%左右，吨水可减排二氧化碳231g。2.2浓水余压能量反渗透运行中的浓水压力一般都较高，苦咸水系统一般达到0.5MPa以上，但是一般直接排掉，能量都浪费掉了；海水反渗透的浓水压力更是达到4MPa以上，浓水余压能量很高。一般情况下，对系统进行优化后可对浓水的余压进行能量回收，可分为海水反渗透能量回收装置、设置多段反渗透、浓水增加纳滤段等节能减碳方式。2.2.1功交换式回收装置海水反渗透系统余压能量回收装置根据余压的利用方式可分为两类：水力透平式回收和功交换式回收。水力透平式回收装置利用高压浓水驱动透平转动，将压力能转化为机械能后再辅助同轴的电机驱动高压泵旋转，从而降低电机能耗。这种能量回收装置与高压泵串联安装，无需增设压力提升泵，能量回收率约为60%～85%。功交换式回收装置又称容积式能量回收装置，按照能量传递过程的实现形式可分为转子式压力回收装置和活塞式压力回收装置两种。采用高压浓水对低压原海水直接增压，通过水压能的直接传递，实现90%以上的能量回收。这种能量回收装置与高压泵并联安装，通过降低高压泵流量实现节能，具有安全稳定、体积小、效率高、能耗低的特点，目前在新建的反渗透海水淡化系统广泛采用(见图3)。2.2.2反渗透膜能耗及节能潜力分析苦咸水反渗透系统相比海水反渗透系统压力较低，但其浓水仍有较高的能量回收价值。单段反渗透制水效率非常低，工业反渗透多采用多段系统以提升产水回收率，降低制水平均能耗。某电厂反渗透系统采用多段式(见图4):一段反渗透膜组成13×6的排列，进水压力0.91MPa,产水回收率为52.5%,产水氯离子浓度为3mg/L,仅考虑一段反渗透平均能耗为2.27kWh/t;二段反渗透膜组成7×6的阵列，进水压力0.73MPa,产水回收率为47.4%,产水氯离子浓度为7mg/L,仅考虑一段+二段反渗透平均能耗为1.59kW;三段反渗透膜组成3×6的排列，进水压力0.59MPa,产水回收率为36.9%,产水氯离子浓度为18mg/L。整体平均产水回收率达85%,整体产水氯离子浓度为6mg/L,整体平均能耗为1.40kW。表2显示采用了二段和三段反渗透后，吨水处理平均二氧化碳排放降低了175g和223g,具有显著的节能效果。此外，该系统另设一套浓水反渗透系统，能够继续深度处理三段反渗透浓水，制得氯离子浓度为29mg/L的产水。三段反渗透+浓水反渗透的整体系统回收率达92.5%,最大程度减少了能量的损耗。2.2.3反渗透系统工艺应用在一些系统中可能存在浓水二段压力比较低的情况下，可用纳滤膜代替反渗透膜，纳滤膜有运行压力较反渗透膜更低的特性，可以在部分系统中充分回用浓水能量。某钢铁公司自备电厂反渗透系统如图5所示，原设置二段反渗透系统，二段浓水压力达到0.85MPa,后进行优化改造增设三段纳滤系统，再回收50%的反渗透浓水，回用到原水系统。该系统总进水量118t/h,其中20t/h是增加的三段纳滤回收的水，回收到高压泵进口，相应减小进水泵负荷20t/h,节能效率是17%。而且回收的水电导率是967μS/cm,比原水电导率(3990μS/cm)还低，有利于减轻总体进水含盐量。2.3反渗透膜清洗技术应用反渗透膜在运行过程中易发生污堵和破损问题，不仅会影响水处理效果，也会影响系统的能耗和碳排放。反渗透膜污堵包括结垢、微生物污堵、胶体污堵，系统运行表现为压差升高，同等产水流量下需要提高高压泵运行压力，引起能耗增加。发生污堵后需对反渗透膜及时清洗，实现污染物去除、膜通量恢复、系统能耗降低的效果。某套反渗透系统发生微生物污堵后，系统压差在32小时内由0.051MPa快速上升至0.174MPa(见图6),吨水处理平均电耗由1.48kWh上升至1.61kWh,碳排放量增加了8%。对反渗透膜、进水管道、进水保安过滤器进行杀菌处理后，反渗透膜性能得到恢复，吨水处理平均电耗降至1.50kWh,吨水二氧化碳减排28g。设计研发表面改性的抗污染反渗透膜材料是反渗透膜性能维护的另一研究方向。开发吸附型和抑菌型反渗透膜，降低反渗透膜的运维能耗和成本，不牺牲膜通量和截留率解决反渗透膜污染问题，是未来反渗透系统节能减碳的主要研究方向。2.4反渗透系统低负荷产水量和处理水处理工艺回收率分析反渗透系统通常根据待处理水质设计合理的回收率，用于苦咸水处理的反渗透系统回收率设计值通常为75%。反渗透系统运行过程中，系统回收率随运行工况和来水水质发生动态变化，当回收率大幅偏离设计值时将出现产水量下降、吨水处理能耗增加的情况。某套反渗透系统设计进水50t/h,产水37.5t/h,回收率设计值为75%,正常运行状态下吨水处理电耗约1.45kWh。后受来水水质波动影响，产水出力下降至34.8t/h,回收率下降至69.6%,计算得到吨水处理电耗为1.56kWh,增大至原来的107.6%,吨水二氧化碳排放增加28g。因此反渗透系统保持设定产水回收率，有效提高系统运行效率，也是反渗透系统节能减碳的手段。2.5反渗透水侧结垢对换采用的影响加热器的投运能够提升反渗透系统进水温度，通过增大反渗透膜通量提升系统效率。表3为某套反渗透系统加热器投运对系统电耗的影响。根据性能测试数据，反渗透进水温度越高吨水节约的电耗和实现的减碳效果越显著，30℃时的产水量是15℃时的1.5倍以上，吨水节约电耗达0.43kWh,吨水减碳111g。当然反渗透运行水温升高后，其脱盐率也会有相应的下降，因此综合考虑一般运行温度设置在20～25℃为宜。加热器运行过程中加热器水侧可能发生结垢，对换热效率有显著的影响。当加热器结垢厚度达到1mm时，其换热效率下降到原来的92%。从表4计算可知，加热器换热效率每提升1%,吨水单位温升碳排放减少3g。因此，定期对加热器进行清洗维护，防止加热器结垢保证其热交换效率，也是反渗透系统节能减碳的有效手段。2.6系统整体能耗比较市售反渗透膜具有不同的额定产水量、脱盐率、膜通量和进水压力要求，反渗透膜的选型对反渗透系统的整体能耗有较大影响。表5为相同某品牌不同型号反渗透膜额定膜通量、额定进水压力、吨水处理电耗的关系。比较1～3号膜和4～6号膜，在相同进水压力(1.55MPa和1.05MPa)条件下，膜通量越高吨水处理电耗越低。其中4号膜具有最高的膜通量50.9L/(m3反渗透膜系统由以上分析可知，反渗透系统的节能减碳潜力主要有：(1)水泵变频改造可以节能50%左右，按照吨水平均电耗1.8kWh计算，吨水可减排二氧化碳231g。(2)海水反渗透系统高压泵能量回收可以节约90%的能量。(3)采用多段反渗透模式，吨水可减排二氧化碳175～223g。(4)定期及时的化学清洗可以保持反渗透膜压差较低，吨水可减排二氧化碳28g。回收率从69.6%上升到75%,吨水可减排二氧化碳28g。运行温度从15℃上升到25℃,则吨水可减排二氧化碳108g。(5)加热器加热效率从90%提高到98%,吨水可减排二氧化碳24g。采用新型的超低压高通量膜，吨水可减排二氧化碳115g。火电厂可在设备选型、设备维护、运行方式优化、浓水深度处理等多角度开展节能工作，实现反渗透系统运行的深度减碳。(1)低压高通量反渗