能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

劉 輝，王 越*，徐世昌，高建朋，宋代旺

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所，天津300072；2.天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

納濾膜是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種分離膜產(chǎn)品，特殊的孔徑范圍和具有荷電特性的表面特征決定了納濾膜對(duì)海水中易結(jié)垢的2價(jià)離子具有良好的截留率［1-3］?；诖?，納濾膜分離技術(shù)（NF）既可以作為預(yù)處理單元為現(xiàn)有的膜法（如反滲透）或熱法（如多級(jí)閃蒸）海水淡化提供低總固溶物含量（TDS）的優(yōu)質(zhì)進(jìn)水，形成更具經(jīng)濟(jì)性的海水淡化集成技術(shù)［4-6］；又可以作為海水淡化的主體脫鹽工藝，并以較低的能源消耗生產(chǎn)飲用水［7-8］，因而近年來獲得了日益廣泛研究和市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

中國(guó)海洋大學(xué)宋金玲等［7］和 Harrison 等［9］對(duì)采用兩級(jí)納濾替代反滲透海水淡化工藝生產(chǎn)飲用水的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，二級(jí)納濾產(chǎn)水的TDS均降至200～300 mg·L-1，達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［10］。美國(guó)長(zhǎng)灘市［11］采用兩級(jí)海水納濾脫鹽工藝，在一級(jí)和二級(jí)納濾操作壓力分別為3.79 MPa和1.72 MPa條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)水TDS小于500 mg·L-1的淡化目標(biāo)，且產(chǎn)水能耗較一級(jí)反滲透工藝降低了20%～30%。然而已報(bào)道的海水納濾脫鹽工程中，絕大多數(shù)并未采用能量回收裝置（ERD）等節(jié)能措施［12-14］，而是將納濾膜組件產(chǎn)生的富含壓力能并占相當(dāng)比例的濃水直接排放，造成了較大的能量損失。因此，考慮到海水納濾脫鹽系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中的能量消耗，若在海水納濾脫鹽系統(tǒng)中耦合能量回收裝置，將納濾膜組件排放的高壓濃水中的壓力能高效率地傳遞給低壓海水，則有望進(jìn)一步降低納濾脫鹽系統(tǒng)的產(chǎn)水能耗，提升海水納濾脫鹽技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，而相關(guān)耦合工藝的應(yīng)用狀況及節(jié)能分析卻鮮有報(bào)道。

為了探究能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況及節(jié)能效果，本研究根據(jù)實(shí)際工程中海水納濾脫鹽系統(tǒng)的節(jié)能需求，自主設(shè)計(jì)了與系統(tǒng)工藝相匹配的能量回收裝置產(chǎn)品，建立了“納濾+能量回收”耦合工藝流程；并在系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)為海水、運(yùn)行壓力為3.60 MPa的工況下，研究分析了自主能量回收裝置產(chǎn)品與納濾脫鹽系統(tǒng)耦合的運(yùn)行穩(wěn)定性，及能量回收裝置的引入對(duì)系統(tǒng)本體運(yùn)行能耗降低的實(shí)際貢獻(xiàn)率。

1 NF-ERD耦合工藝流程

圖1為本研究工作采用的海水納濾脫鹽系統(tǒng)與能量回收裝置耦合工藝流程。主要包括海水預(yù)處理、納濾膜脫鹽、能量回收系統(tǒng)3部分。

圖1 海水納濾脫鹽系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 The schem atic diagram of seawater nanofiltration desalination system

系統(tǒng)進(jìn)水為人工配制的標(biāo)準(zhǔn)海水，水質(zhì)純凈，因此預(yù)處理部分僅采用了5μm保安過濾器以保障海水原水的進(jìn)水水質(zhì)。經(jīng)預(yù)處理后的海水一部分作為高壓泵的原料給水，另一部分則直接供給能量回收裝置。海水納濾脫鹽部分采用一級(jí)兩段工藝方案，即原海水經(jīng)一段納濾脫鹽后得到的濃水將作為二段納濾的原水進(jìn)行深度脫鹽，一段和二段的產(chǎn)水匯合后共同作為系統(tǒng)的產(chǎn)品水進(jìn)入產(chǎn)水箱。一段和二段納濾膜組器則采用3+2膜殼布置方案，每根膜殼內(nèi)均裝有3支4英寸NF90納濾膜元件。

由二段納濾膜組件排出的高壓濃水全部進(jìn)入能量回收裝置，經(jīng)“壓力能-壓力能”傳遞方式將其中的壓力能直接傳遞給等流量的低壓海水，增壓后的海水再經(jīng)增壓泵（Grundfos，BM3A-6N）提壓至系統(tǒng)運(yùn)行壓力后與高壓泵（Danfoss，APP2.2）加壓后的海水匯合，共同作為納濾膜組件的進(jìn)料給水，而完成壓力能交換的泄壓濃水則直接排出裝置。能量回收中增壓泵的作用為對(duì)增壓海水進(jìn)一步加壓，以彌補(bǔ)高壓濃水流經(jīng)納濾膜組件及進(jìn)行壓力交換過程中的少量壓頭損失。

本實(shí)驗(yàn)工藝采用PLC控制方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)給水泵、高壓泵、能量回收裝置和增壓泵等的自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式的啟停操作控制。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)控制模式，手動(dòng)控制模式僅在系統(tǒng)調(diào)試階段和故障檢修階段使用。此外，為保障海水納濾脫鹽裝置的安全運(yùn)行，PLC控制系統(tǒng)還設(shè)有多項(xiàng)保護(hù)措施，包括高壓泵入口處的低壓保護(hù)、納濾膜組件的高壓保護(hù)及原水箱和產(chǎn)水箱的高低液位保護(hù)等?？紤]到系統(tǒng)監(jiān)控和能耗分析需要，實(shí)驗(yàn)裝置中還設(shè)置了諸如流量計(jì)、壓力表、電導(dǎo)率儀及壓力變送器等儀器儀表。

2 能量回收裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

本課題組自2000年開始開展海水淡化能量回收裝置的研究和國(guó)產(chǎn)化開發(fā)工作。依托國(guó)家和天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目支持，全面掌握了能量回收裝置的整機(jī)設(shè)計(jì)、加工制造和運(yùn)行控制等成套技術(shù)，所研制的能量回收裝置產(chǎn)品在工業(yè)測(cè)試條件下的能量回收效率高達(dá)98%，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平［15-17］。本研究工作中，即采用了自主設(shè)計(jì)的與海水納濾脫鹽工程實(shí)際需要相匹配的能量回收裝置產(chǎn)品（見圖2）。

圖2 能量回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the ERD

圖2中，能量回收裝置主要由切換器、水壓缸和止回閥組3部分組成。切換器的作用是實(shí)現(xiàn)進(jìn)入和排出裝置的高壓濃水和泄壓濃水間規(guī)律性流向切換，是能量回收裝置的核心執(zhí)行部件。水壓缸是高壓濃水和低壓海水實(shí)現(xiàn)壓力能交換的場(chǎng)所，為防止這兩股不同鹽度流體間的混合行為，每個(gè)水壓缸內(nèi)均設(shè)置了可自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)體隔離活塞。止回閥組主要用來引導(dǎo)低壓海水和增壓海水規(guī)律性的輸入和排出裝置，并可根據(jù)閥門兩側(cè)的壓力差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開和關(guān)閉作業(yè)。圖3為能量回收裝置在納濾系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 能量回收裝置在納濾系統(tǒng)中的實(shí)物圖Fig.3 On-Site photograph of ERD in the nanofiltration system

能量回收裝置的工作過程包括增壓沖程和泄壓沖程兩個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)切換器處于前進(jìn)工作位時(shí)（如圖2所示），由納濾膜組件排出的高壓濃水通過切換器高壓濃水進(jìn)口及流通孔1進(jìn)入1#水壓缸，推動(dòng)水壓缸內(nèi)的活塞向右運(yùn)動(dòng)，并對(duì)已充滿水壓缸內(nèi)的低壓海水進(jìn)行增壓做功，完成壓力能的交換。增壓后的海水即增壓海水由止回閥組排出，此為增壓沖程；與此同時(shí)，低壓海水通過止回閥組進(jìn)入2#水壓缸，推動(dòng)水壓缸內(nèi)的活塞向左端運(yùn)動(dòng)并將泄壓濃水經(jīng)切換器出口2排出，此為泄壓沖程。當(dāng)1#、2#水壓缸各自完成增壓沖程和泄壓沖程后，切換器在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下切換至后退工作位，兩支水壓缸內(nèi)的工作沖程實(shí)現(xiàn)交替。能量回收裝置即通過水壓缸內(nèi)增壓沖程和泄壓沖程周期性循環(huán)交替實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓濃水壓力能的連續(xù)回收利用。

3 能量回收裝置工程應(yīng)用分析

3.1 脫鹽系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析

表1為海水納濾脫鹽系統(tǒng)在海水原水溫度為30℃及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況下監(jiān)測(cè)和記錄的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

由表1可知，系統(tǒng)低壓海水的總進(jìn)水量為4.20 m3·h-1。經(jīng)高壓泵加壓的海水壓力為3.60 MPa，此即納濾膜組件的操作壓力。系統(tǒng)總產(chǎn)水為1.80 m3·h-1，因此通過系統(tǒng)總產(chǎn)水與總進(jìn)水間的比值，計(jì)算得到的系統(tǒng)產(chǎn)水收率為42.85%。因此可知，有約57%的系統(tǒng)給水以高壓濃水的形式被能量回收裝置回收利用。

表1 脫鹽系統(tǒng)部分操作參數(shù)列表Table 1 Part of operating parameters of desalination system

3.2 脫鹽系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了更直觀的評(píng)價(jià)分析“納濾脫鹽+能量回收裝置”耦合海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)過程中通過管路上安裝的壓力變送器，采集和保存了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)高壓濃水壓力及增壓海水壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖4和圖5所示。圖4和圖5中高壓濃水為由二段納濾膜組件排放的濃水，增壓海水為能量回收裝置增壓后的海水。

圖4 高壓濃水壓力變化曲線Fig.4 Pressure variation curve of high-pressure brine

圖5 增壓海水壓力變化曲線Fig.5 Pressure variation curve of pressurized seawater

由圖4和圖5壓力變化曲線可知，一方面，高壓濃水的運(yùn)行壓力曲線近似為1條直線，說明能量回收裝置能夠較好滿足系統(tǒng)濃水處理負(fù)荷要求，無濃水處理不及時(shí)引起的憋壓現(xiàn)象發(fā)生，且較好的實(shí)現(xiàn)了與海水納濾脫鹽系統(tǒng)耦合運(yùn)行的穩(wěn)定性。另一方面，由于高壓濃水是驅(qū)動(dòng)增壓海水排出能量回收裝置的唯一動(dòng)力源，因此增壓海水的運(yùn)行壓力曲線與高壓海水的曲線總體上保持一致，顯示出較好的同步變化規(guī)律，說明能量回收裝置自身的運(yùn)行穩(wěn)定性也很好。此外，通過2條壓力曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2條壓力曲線之間的差值僅為0.07 MPa，這說明能量回收裝置壓力交換過程及流通阻力較小，較好的保障了裝置的高效率運(yùn)行。

根據(jù)表1所列的系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和能量回收裝置內(nèi)流量平衡關(guān)系，即高壓濃水的流量等于增壓海水的流量，泄壓濃水的流量等于低壓海水的流量，結(jié)合能量回收效率的計(jì)算公式（1）［17］，可知本研究工作中采用的能量回收裝置與納濾脫鹽系統(tǒng)耦合運(yùn)行后的能量回收效率高達(dá)96.28%，這充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的能量回收裝置產(chǎn)品在納濾系統(tǒng)中運(yùn)行的可行性及高效性。

3.3 能量回收裝置節(jié)能效果分析

為了評(píng)價(jià)和考證能量回收裝置的引入對(duì)海水納濾脫鹽系統(tǒng)能耗降低的實(shí)際貢獻(xiàn)率，對(duì)比分析了耦合能量回收裝置的海水納濾脫鹽系統(tǒng)與無能量回收裝置系統(tǒng)的本體運(yùn)行能耗（見表2），公式（2）［18］為系統(tǒng)中所采用的泵的功耗計(jì)算公式。此外，在計(jì)算系統(tǒng)能耗的過程中，僅考慮了系統(tǒng)的本體能耗，即脫鹽和能量回收兩個(gè)部分的能量消耗，同時(shí)忽略了由于水質(zhì)不同對(duì)高壓泵和增壓泵功耗的影響及能量回收裝置在間歇短暫的水壓驅(qū)動(dòng)切換過程中所消耗的微量高壓濃水。通過分析脫鹽和能量回收兩個(gè)部分中高壓泵和增壓泵的電能消耗即可計(jì)算得出系統(tǒng)的本體能耗。

在保持與耦合能量回收裝置系統(tǒng)相一致的運(yùn)行工況下，即兩系統(tǒng)中進(jìn)入膜組件原水的流量、壓力、水質(zhì)及溫度一致，對(duì)無能量回收裝置系統(tǒng)的本體能耗進(jìn)行了理論計(jì)算。此時(shí)，進(jìn)入膜組件的原水全部由高壓泵供給，根據(jù)其流量?jī)?yōu)選了與此操作工況相匹配的最佳高壓泵型號(hào)（Danfoss，PAHT50），并根據(jù)此高壓泵在最大效率值下運(yùn)行時(shí)的功耗理論推算系統(tǒng)的本體能耗。

表2 海水納濾脫鹽系統(tǒng)的功耗參數(shù)分析Table 2 Technological parameters of nanofiltration desalination system with or without ERD

通過表2所列數(shù)據(jù)，對(duì)比分析兩系統(tǒng)的本體運(yùn)行能耗可知，能量回收裝置的引入使得海水納濾脫鹽系統(tǒng)的本體能耗降低了2.14 kW，降低的比例為44%，由此可說明能量回收裝置在納濾脫鹽系統(tǒng)中的應(yīng)用顯著降低了系統(tǒng)的本體能耗，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

1）建立了能量回收裝置與海水納濾脫鹽系統(tǒng)耦合運(yùn)行工藝，實(shí)現(xiàn)了自主開發(fā)的能量回收裝置產(chǎn)品在海水納濾脫鹽系統(tǒng)工程中的推廣應(yīng)用和穩(wěn)定運(yùn)行。

2）能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統(tǒng)中獲得了高達(dá)96.28%的能量回收效率，對(duì)系統(tǒng)本體運(yùn)行能耗降低的實(shí)際貢獻(xiàn)率可達(dá)44%，節(jié)能效果顯著，具有廣闊的市場(chǎng)推廣前景。

符號(hào)說明：

Pbi---高壓濃水壓力，MPa；

Pbo---泄壓濃水壓力，MPa；

Psi---低壓海水壓力，MPa；

Pso---增壓海水壓力，MPa；

Qbi---高壓濃水流量，m3·h-1；

Qbo---泄壓濃水流量，m3·h-1；

Qsi---低壓海水流量，m3·h-1；

Qso---增壓海水流量，m3·h-1；

η---能量回收效率；

η1---泵效率。

［1］Song Y，Su B，Gao X，et al.The performance of polyamide nanofiltration membrane for long-term operation in an integrated membrane seawater pretreatment system［J］.Desalination，2012，296：30-36

［2］芮玉青，王薇，杜啟云.納濾技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展及存在問題［J］.工業(yè)水處理，2009，（9）：15-18 Rui Yuqing，Wang Wei，Du Qiyun.Application progress and existing problems of nanofiltration technology［J］.Industrial Water Treatment，2009，（9）：15-18（in Chinese）

［3］孫寶紅，馬敬環(huán)，周軍，等.納濾技術(shù)及其在海水淡化中的研究與應(yīng)用［J］.蘇鹽科技，2007，（2）：3-5，33 Sun Baohong，Ma Jinghuan，Zhou Jun，et al.Nanofiltration technology and its research and application in seawater desalination［J］.Jiangsu Salt Science&Technology，2007，（2）：3-5，33（in Chinese）

［4］Hassan A M，Al-SofiM A K，Al-Amoudi A S，et al.A new approach to membrane and thermal seawater desalination processes using nanofiltration membranes（Part1）［J］.Desalination，1998，118（1）：35-51

［5］Hassan A M，F(xiàn)arooque A M，Jamaluddin A TM，et al.A demonstration plant based on the new NF-SWRO process［J］.Desalination，2000，131（1）：157-171

［6］Al-Amoudi A S，F(xiàn)arooque A M.Performance restoration and autopsy of NFmembranes used in seawater pretreatment［J］.Desalination，2005，178（1）：261-271

［7］宋金玲，李哲超，蘇保衛(wèi).二級(jí)納濾海水淡化的試驗(yàn)研究.全國(guó)苦咸水淡化技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)，2013：4-7

［8］宋躍飛，高學(xué)理，蘇保衛(wèi)，等.高回收率反滲透海水淡化工藝的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.水處理技術(shù)，2013，（3）：6-12 Song Yuefei，Gao Xueli，Su Baowei，et al.Progress on investigation and application of high recovery seawater reverse osmosis desalination technology［J］.Technology of Water Treatment，2013，（3）：6-12（in Chinese）

［9］Harrison C J，LeGouellec Y A，Cheng R C，et al.Bench-Scale testing of nanofiltration for seawater desalination ［J］.Journal of Environmental Engineering，2007，133（11）：1004-1014

［10］中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委和衛(wèi)生部聯(lián)合發(fā)布，2006

［11］Long Beach Water Department.Long Beach desalination technology receives patent protection［J］.Membrane Technology，doi：10.1016/S0958-2118（06）70820-5

［12］AlTaee A，Sharif A O.Alternative design to dual stage NF seawater desalination using high rejection brackish water membranes［J］.Desalination，2011，273（2）：391-397

［13］Eriksson P，Kyburz M，Pergande W.NF membrane characteristics and evaluation for sea water processing applications［J］.Desalination，2005，184（1）：281-294

［14］Mei C，Liu Y，Law A W K.Theory of isobaric pressure exchanger for desalination［J］.Desalination and Water Treatment，2012，39（1/3）：112-122

［15］王世昌.海水淡化及其對(duì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的作用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2010，27（2）：95-102 Wang Shichang.Roles of desalination for economy sustainability［J］.Chemical Industry and Engineering，2010，27（2）：95-102（in Chinese）

［16］Wang Z，Wang Y，Zhang Y，et al.Pilot tests of fluidswitcher energy recovery device for seawater reverse osmosis desalination system［J］.Desalination and Water Treatment，2012，48（1/3）：310-314

［17］Song D，Wang Y，Lu N，et al.Development and stand tests of reciprocating-switcher energy recovery device for SWRO desalination system［J］.Desalination and Water Treatment，2015，54（6）：1519-1525

［18］Danfoss.Usermanual：Installation，operation and maintenance manual［Z］.