熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計與分析

任顯龍，王新鵬，曾慶才

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計與分析

任顯龍，王新鵬，曾慶才

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)比單獨采用熱法海水淡化系統(tǒng)或膜法海水淡化系統(tǒng)，更具有經(jīng)濟優(yōu)勢。依據(jù)熱膜耦合海淡系統(tǒng)的構(gòu)成方式，分析了海淡系統(tǒng)在各種耦合方式下的運行成本，建立了反滲透海水淡化和低溫多效蒸發(fā)海水淡化的計算模型。通過物料平衡和能量平衡的計算，推薦了優(yōu)化后的熱膜耦合方式，為熱膜耦合海淡系統(tǒng)的方案設(shè)計和運行，提供數(shù)值依據(jù)。

海水； 淡化； 系統(tǒng)； 熱膜； 耦合； 計算； 模型； 優(yōu)化

0 概 述

目前，海水淡化已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。我國采用的海水淡化系統(tǒng)，主要以低溫多效蒸發(fā)(MED)和反滲透(RO)海水淡化系統(tǒng)為主。在低溫多效蒸發(fā)(MED)系統(tǒng)中需采用大量的貴金屬，而在反滲透(RO)系統(tǒng)中，需消耗大量電能。如建造同等規(guī)模的海水淡化系統(tǒng)，RO系統(tǒng)在投資成本和運行成本上，均要優(yōu)于MED系統(tǒng)。低溫多效蒸發(fā)(MED)可利用蒸汽余熱，將大幅度降低制水成本。反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量受海水溫度的影響較大，尤其在我國北方，冬季寒冷，海水溫度偏低，提高了造水成本，而且，反滲透系統(tǒng)的出水水質(zhì)沒有多效蒸發(fā)系統(tǒng)出水水質(zhì)好，因此，欲提高水質(zhì)，需增加二級或三級反滲透裝置，增大了投資成本。對于大型海水淡化系統(tǒng)，可采用熱膜耦合技術(shù)，以降低出水成本，且該類系統(tǒng)的運行較為有效。采用熱膜(MED/RO)耦合海水淡化技術(shù)，是解決海水淡化系統(tǒng)高能耗及降低運行成本的重要途徑[1，2]。

根據(jù)反滲透海淡和低溫多效蒸發(fā)海淡的不同耦合方式，建立了數(shù)值模型[3，4]。通過物料平衡和能量平衡計算，在不同耦合方式下，對影響海水淡化系統(tǒng)運行成本的因素進行分析，為熱膜(MED/RO)耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計和實際運行提供了參考依據(jù)[5，6]。

1 熱膜耦合海淡系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 簡單的MED/RO耦合系統(tǒng)

在簡單的MED/RO耦合系統(tǒng)中，MED和RO均為獨立系統(tǒng)。原料海水分成兩路，一路往RO系統(tǒng)，另一路去往MED系統(tǒng)。RO和MED系統(tǒng)的產(chǎn)水最終將匯合，或者根據(jù)用戶的需求摻混。熱膜耦合海淡系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1 熱膜(MED/RO)耦合海淡系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計時，需計算總物料平衡：

MHf=Mcw+MHd+MHb

(1)

式(1)中，MHf是總給水流量；Mcw是MED冷卻水排放量；MHd是總產(chǎn)水量；MHb是總濃水量。

產(chǎn)水流量：

MHd=Md+Fd

(2)

式(2)中，Md是MED系統(tǒng)的產(chǎn)水量；Fd是RO系統(tǒng)的產(chǎn)水量。

假設(shè)MED系統(tǒng)產(chǎn)水的含鹽量為零。

總含鹽量平衡：

XHfMHf=XcwMcw+XHdMHd+XHbMHb

(3)

式(3)中，XHf是給水總含鹽量；Xcw是冷卻排放水含鹽量；XHd是產(chǎn)水總含鹽量；XHb是濃水總含鹽量。

1.2 MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

在該耦合系統(tǒng)中，原料海水全部進入MED系統(tǒng)，MED系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水全部作為RO系統(tǒng)的給水。MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)布置，如圖2所示。

圖2 MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

計算總物料平衡：

Mf=Mcw+MHd+Fb

(4)

式(4)中，Mf是MED系統(tǒng)的給水流量；Fb是RO系統(tǒng)的濃水流量。

總含鹽量平衡：

XfMf=XcwMcw+XHdMHd+XFbFb

(5)

式(5)中，Xf是MED系統(tǒng)給水的含鹽量；XFb是RO系統(tǒng)濃水的含鹽量。

1.3 MED冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

在該耦合系統(tǒng)中，原料海水全部進入MED系統(tǒng)，MED產(chǎn)生的冷卻排放水全部作為RO系統(tǒng)的給水。MED冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)布置，如圖3所示。

圖3 MED冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

計算總物料平衡：

Mf=MHd+MHb

總含鹽量平衡：

XfMf=XHdMHd+XFbFb

1.4 MED濃水和冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

在該耦合系統(tǒng)中，原料海水全部進入MED系統(tǒng)，MED產(chǎn)生的冷卻排放水和濃水全部作為RO系統(tǒng)的給水。MED濃水和冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)布置，如圖4所示。

圖4 MED濃水和冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)

計算總物料平衡：

Mf=MHd+Fb

總含鹽量平衡：

XfMf=XHdMHd+XFbFb

1.5 RO濃水作為MED系統(tǒng)的部分給水

在該系統(tǒng)中，原料海水分成二路，一路原料海水進入RO系統(tǒng)，另一路原料海水與RO系統(tǒng)的濃水匯合后，再進入MED系統(tǒng)，此類海淡系統(tǒng)的布置，如圖5所示。

圖5 RO濃水作為MED系統(tǒng)的部分給水

計算總物料平衡：

MHf=Mcw+MHd+Mb

(6)

式(6)中，Mb是MED濃水流量。

總含鹽量平衡：

XHfMHf=XcwMcw+XHdMHd+XM bMb

(7)

式(7)中，XM b是MED濃水含鹽量。

1.6 RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，原料海水全部進入RO系統(tǒng)，RO濃水為MED系統(tǒng)的給水，此類海淡系統(tǒng)的布置，如圖6所示。

圖6 RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)

計算總物料平衡：

Ff=Mcw+MHd+Mb

總含鹽量平衡：

XFfFf=XcwMcw+XHdMHd+XM bMb

2 計算結(jié)果與討論

2.1 設(shè)計參數(shù)

海淡系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 海淡系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

名稱參數(shù)數(shù)量產(chǎn)水流量/t·h-1MHd1000給水溫度/℃THf25蒸汽溫度/℃Ts67.5給水含鹽量/mg·L-1XHf32000RO進水溫度/℃TRi<45膜通量/LMHQ14MED產(chǎn)水含鹽量/mg·L-1XFd0MED濃水含鹽量/mg·L-1XMb<70000RO濃水含鹽量/mg·L-1XFb<70000

2.2 結(jié)算結(jié)果

根據(jù)熱膜耦合系統(tǒng)的6種組合方式，分別進行了計算。計算結(jié)果，如表2所示。1～6分別代表簡單的MED/RO耦合系統(tǒng)、MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)、MED冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)、MED濃水和冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)、RO濃水作為MED部分給水的耦合系統(tǒng)、RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)。

表2 6種組合方式的熱膜耦合系統(tǒng)計算表

名稱參數(shù)123456進水流量/t·h-1MHf41803745.42548.11872.72346.72350冷卻水排放量/t·h-1Mcw15701915.41303.1957.7822.7824.5產(chǎn)水含鹽量/mg·L-1XHd91.5227.6208.3333.6132.5104.8濃水含鹽量/mg·L-1XHf518207038452466682966989869998濃水流量/t·h-1MHb16108301548.1872.7524525.14MED蒸汽流量/t·h-1Ms5263.4443.1631.7227.327.3運行壓力/MPaP5.36.24.95.75.34.8

2.3 耦合方式的討論

計算結(jié)果表明，采用熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)，可有效降低海水淡化系統(tǒng)的總?cè)∷?，采用MED濃水和冷卻水作為RO給水的耦合系統(tǒng)，取水總量最少，是簡單的MED/RO耦合系統(tǒng)取水量的44.8%。在6種組合方式中，各耦合方式下的進水總流量，如圖7所示。

圖7 各耦合方式下的進水總流量

計算結(jié)果表明，采用熱膜耦合海淡系統(tǒng)，對產(chǎn)水水質(zhì)的影響較大，由于RO海淡系統(tǒng)比重的提高，產(chǎn)水水質(zhì)有所下降，而MED濃水和冷卻水作為RO給水耦合系統(tǒng)所產(chǎn)的水質(zhì)最差，是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的3.6倍。RO濃水作為MED部分給水的耦合系統(tǒng)，以及用RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)略有升高，分別為1.45倍和1.145倍。各耦合方式下產(chǎn)水的含鹽量，如圖8所示。

圖8 各耦合方式下產(chǎn)水的含鹽量

計算結(jié)果表明，采用熱膜耦合的組合方式，對MED蒸汽耗量的影響較大，MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)，其蒸汽量的消耗最多，是簡單熱膜耦合方式的1.17倍，RO濃水作為MED的部分給水和RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)，蒸汽的消耗量最少，僅占簡單MED/RO耦合系統(tǒng)消耗量的52.3%。MED蒸汽流量的變化情況，如圖9所示。

圖9 MED蒸汽流量變化情況

計算結(jié)果表明，熱膜耦合的組合方式，對RO運行壓力的影響較大，MED濃水作為RO給水的耦合系統(tǒng)，其蒸汽的運行壓力最高，是簡單熱膜耦合系統(tǒng)壓力的1.22倍。RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)，其蒸汽的運行壓力最低，是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)壓力的90%。RO系統(tǒng)蒸汽運行壓力的變化情況，如圖10所示。

圖10 RO運行壓力變化情況

3 結(jié) 語

采用RO濃水做為MED給水的耦合系統(tǒng)，是較優(yōu)的熱膜耦合系統(tǒng)，運行壓力最低，是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的90%；蒸汽消耗量最少，是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的52.3%；產(chǎn)水水質(zhì)略有升高，是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的1.145倍；取水量是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的58%。在海水溫度較低地區(qū)，推薦采用MED冷卻水作為RO給水的耦合方案，運行壓力是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的92.5%；蒸汽消耗量是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的83.1%；產(chǎn)水水質(zhì)是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的2.27倍；取水量是簡單MED/RO耦合系統(tǒng)的61%。

[1] O.A.Hamed.Overview of Hybrid Desalintion Systems-Current Status and Future Prospects[J]. Desalination，2005(186):207-214.

[2] Braj M. Misra, Pradip K. Tewari and B. Bhattacharjee. Futuristic Trends in Hybrid System for Desalination. IDA Conference, San Diego [C].1999.

[3] EI-Sayed, E.F., Ebrahim, S., AI-Saffar,A and Jawad, M.A.Pilot Study of MSF/RO Hybrid Systems[J]. Desalination，1998(120):121-128.

[4] A. Almulla, A.Hamad and M.Gadalla. Integrating hybrid systems with thermal desalination plants[J].Desalination，2005(174):171-192.

[5] J.Andrianne and F.Alardin.Thermal and Membrane Process Economics: Optimized Selection for Seawater Desalination[J]. Desalination，2002(153):305-311.

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Design and Analysis of Thermal Membrane Hybrid Desalination System

REN Xian-long, WANG Xin-peng, ZENG Qing-cai

(Harbin Boiler Co., Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang, China)

Thermal membrane hybrid desalination system is considered a good economic alternative to either of these two processes when operated individually. On the basis of the method of the formation of the thermal membrane hybrid desalination system, the operation cost of the desalination system under different hybrid modes is analyzed, the calculation model of seawater reverse osmosis (SWRO) and multi effect distillation (MED) desalination is established. Based on the calculation of material balance and energy balance, the optimized thermal membrane hybrid method is recommended, the data basis is provided for the design and operation of the thermal membrane hybrid desalination system.

seawater; desalination; system; thermal membrane; hybrid; calculation; models; optimize

1672-0210(2017)01-0023-04

2016-09-23

任顯龍(1983-)，男，高級工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)熱能工程專業(yè)，從事海水淡化及電廠水處理技術(shù)的設(shè)計和研發(fā)工作。

P747

A