熱膜耦合海水淡化節(jié)能分析

0 背景及研究現(xiàn)狀

海水淡化是解決全球淡水危機(jī)的重要途徑。熱法的多級(jí)閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（LT-MED）和膜法的反滲透（RO）作為主流技術(shù)已經(jīng)較為成熟。但是，能耗高仍是制約我國(guó)海水淡化應(yīng)用率進(jìn)一步提高的重要影響因素。因此，通過系統(tǒng)的規(guī)?；岸嗉夹g(shù)融合，提高能源利用效率將成為該領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的必要解決方案。

在世界紡織總體發(fā)展進(jìn)步、新技術(shù)層出不窮的大背景下，南通鵬越紡織有限公司要想在異常激烈的競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，就必須結(jié)合公司發(fā)展實(shí)際，緊跟紡織新科技和新材料，創(chuàng)新技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品。

近年來，熱膜耦合海水淡化成為海水淡化領(lǐng)域新的技術(shù)趨勢(shì)。阿聯(lián)酋和沙特的熱膜耦合海水淡化工程，MSF 和SWRO（反滲透海水淡化）共用取水和排水設(shè)施，產(chǎn)水混合，比單純MSF 減少了40%的能耗，每年節(jié)省成本6 000 萬(wàn)美元

。伍聯(lián)營(yíng)

以年經(jīng)濟(jì)效益為最大目標(biāo)，采用改進(jìn)的遺傳算法，建立了熱膜耦合水電聯(lián)產(chǎn)海水淡化集成系統(tǒng)的優(yōu)化模型，分析了反滲透和MSF 產(chǎn)水量比值對(duì)系統(tǒng)的影響，并根據(jù)不同時(shí)段水、電力需求，求解了調(diào)度模型，MSF 保持運(yùn)行，RO 僅在冬夏季部分時(shí)段運(yùn)行，全年總費(fèi)用可降低17.14%。只健強(qiáng)等

建立了LT-MED/RO 熱膜耦合法海水淡化系統(tǒng)，以膜法與熱法的產(chǎn)水分配比為優(yōu)化參數(shù)對(duì)該耦合系統(tǒng)進(jìn)行了產(chǎn)水特性及經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化。由此可見，熱膜耦合海水淡化技術(shù)可以進(jìn)一步提高海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，極具研究?jī)r(jià)值。

本文以10 萬(wàn)t/d 熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)海水溫度的變化，建立系統(tǒng)主要用能設(shè)備及耦合方式的熱力學(xué)模型，通過對(duì)熱膜耦合后節(jié)能效果明顯的膜法過程進(jìn)行深入的性能分析，并對(duì)比實(shí)際工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)熱膜耦合海水淡化工藝的節(jié)能性應(yīng)用加以驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)分析

示范工程10 萬(wàn)t/d 熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)由2.5 萬(wàn)t/d熱法系統(tǒng)和7.5 萬(wàn)t/d膜法系統(tǒng)組成。淡水成本的30%~50%與系統(tǒng)的能耗有關(guān)

，其中熱法海水淡化成本主要為蒸汽費(fèi)用和取水泵的電耗，因?qū)嶋H熱源供應(yīng)來自工廠的廢水余熱，故蒸汽費(fèi)用不計(jì)入。而膜法海水淡化主要消耗電能，尤其是高壓泵的運(yùn)行

。熱膜耦合模式由熱法蒸餾系統(tǒng)為膜法系統(tǒng)補(bǔ)水或補(bǔ)熱，下游的膜法系統(tǒng)并不影響熱法系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本文將重點(diǎn)考察膜法系統(tǒng)在熱膜耦合與非耦合模式下的用能特征，并進(jìn)行節(jié)能分析，熱法系統(tǒng)的用能在比較時(shí)不作考慮。

核桃植株高大、枝繁葉茂、根系發(fā)達(dá)。自關(guān)中東部核桃豐產(chǎn)栽培技術(shù)示范項(xiàng)目實(shí)施后，將大幅度增加坡塬地經(jīng)濟(jì)林建園面積和項(xiàng)目區(qū)林木覆蓋率，并具有良好的涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固土作用。

1.1 熱法LT-MED系統(tǒng)

方式二：在冬季海水溫度較低的情況下（

T

≤15 ℃），采用進(jìn)料海水與MED 濃鹽水經(jīng)過熱膜耦合換熱器換熱的形式，使RO 進(jìn)料海水的溫度提升10 ℃左右。

1.2 膜法RO系統(tǒng)

7.5 萬(wàn)t/d 的膜法RO 系統(tǒng)采用兩級(jí)反滲透技術(shù)，如圖1（a）所示，海水經(jīng)取水泵依次進(jìn)入混凝沉淀池、V 型濾池、超濾系統(tǒng)，目的是去除水中的懸浮物、膠體、細(xì)菌和病毒等物質(zhì)，以滿足反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求，為RO 系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。預(yù)處理后的海水依次進(jìn)入一級(jí)（SWRO）和二級(jí)（BWRO）海水淡化反滲透系統(tǒng)，脫鹽后得到的淡水流入成品水箱。圖1（b）為簡(jiǎn)化后工藝流程圖。

公信力的減弱一方面限制了社會(huì)組織的動(dòng)員能力，迫使其進(jìn)一步地向體制靠攏；另一方面公眾也失去了一個(gè)在現(xiàn)實(shí)生活中積聚社會(huì)資本的組織載體，從而消解了自我積累的能力。而此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為人們擴(kuò)大社會(huì)資本提供了極大的便利。與過去基于工業(yè)化時(shí)代的社會(huì)生產(chǎn)和科層制的組織管理體制相適應(yīng)的以“業(yè)緣”為紐帶的社會(huì)資本積累方式相比，這種以“信緣”為中介的積累方式，使得人們實(shí)現(xiàn)了跨地域、跨階層、跨行業(yè)乃至跨文化的人際交往活動(dòng)。

如圖2 所示，一級(jí)反滲透（SWRO）海水淡化單元主要由反滲透高壓泵、反滲透膜組件、能量回收裝置、能量回收增壓泵組成。二級(jí)反滲透（BWRO）則主要由反滲透高壓泵、反滲透膜組件組成。

本文根據(jù)熱法和膜法兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)，以進(jìn)料海水溫度的變化為基準(zhǔn)，設(shè)定MED 和RO 之間不同的耦合方式，如圖4 所示，目的都是將MED 的余熱傳遞給RO 進(jìn)水，以提高RO 進(jìn)水的溫度，減少RO 高壓泵的功率，增大膜通量，從而獲取較高的造水比。圖4a 為MED 的部分冷卻水與沒有經(jīng)過預(yù)熱的海水混合后，作為原料水進(jìn)入反滲透RO 系統(tǒng)，圖4b 所示為海水經(jīng)MED排放的濃鹽水預(yù)熱后，作為原料水進(jìn)入反滲透RO 系統(tǒng)。

這是因?yàn)檫M(jìn)水溫度升高，水分子黏度下降擴(kuò)散性能增強(qiáng)，膜通量變大，不需要很高的壓力即可達(dá)到額定的產(chǎn)水量，能耗也得以降低。

基于兩級(jí)反滲透膜組件單元分析模型，本文應(yīng)用LG Chem 公司開發(fā)的免費(fèi)軟件Q+，設(shè)定海水鹽度經(jīng)過預(yù)處理后不變，進(jìn)水流量為1 365 t/h且保持產(chǎn)水穩(wěn)定，分析進(jìn)料海水溫度變化對(duì)反滲透系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果見圖3。由圖3 可見，隨著進(jìn)料海水溫度的升高，反滲透系統(tǒng)所需的壓力逐漸下降，系統(tǒng)的能耗比也隨之減小。

1.3 熱膜耦合系統(tǒng)的工作機(jī)理

為提高系統(tǒng)安全等級(jí)，所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面設(shè)有安全窗口、公共窗口和操作窗口.其中，公共窗口僅提供日期、時(shí)間、系統(tǒng)工作狀態(tài)等查詢服務(wù)，安全窗口則負(fù)責(zé)對(duì)其它界面窗口進(jìn)行安全管理，用戶只有輸入預(yù)設(shè)的密碼才能進(jìn)入控制窗口進(jìn)行參數(shù)電壓設(shè)定和監(jiān)控策略選擇.

結(jié)合熱法和膜法各系統(tǒng)的用能特性，以節(jié)能降耗為目的，提出兩種與進(jìn)料海水溫度相匹配的耦合方式。

方式一：在夏季海水溫度較高的情況下（

T

＞15 ℃），采用MED 帶有余溫的冷卻水與進(jìn)料海水混合的方式，使RO 進(jìn)料海水的溫度始終保持在30 ℃。

若

T

＞

T

,采用冷卻水與原水混合，根據(jù)式(3)、(4) 可計(jì)算需要補(bǔ)充的海水流量；若

T

≤

T

，則通過熱膜耦合器加熱原水，如圖4b所示，計(jì)算參照式(5)～(6)。

式（1）~（6）為熱法與膜法系統(tǒng)之間耦合的熱質(zhì)平衡方程。

2 熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)工程應(yīng)用的節(jié)能性分析

如圖4a 所示，當(dāng)反滲透系統(tǒng)的原料水

M

，由部分冷卻水

M

與未經(jīng)預(yù)熱后的海水混合時(shí)，保持反滲透進(jìn)料海水溫度為

T

=30 ℃,則：

以

T

、

T

的大小關(guān)系作為耦合方式選用的判斷方法：

2.5 萬(wàn)t/d 的 熱 法LT-MED 系 統(tǒng) 由 兩 套12 500 t/d 低溫多效海水淡化裝置組成，采用效間溫差為4 ℃左右的六效“分段平流”LT-MED 系統(tǒng)

。在產(chǎn)水量不變的情況下，根據(jù)系統(tǒng)熱質(zhì)平衡計(jì)算得出，當(dāng)海水溫度在-1.9~29.9 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的冷卻水排放量

M

變化為0～2 636.48 t/h

,冬季冷卻水不排放，隨著溫度的升高，排放量逐漸增加。

漂流木在開闊的海上漂浮，開始了它們漫長(zhǎng)的旅程，時(shí)間長(zhǎng)短取決于不同的樹種，最長(zhǎng)可歷時(shí)17個(gè)月。在這段漂泊海上的時(shí)間里，這些無根的死木變成了漂浮的珊瑚礁，為多種多樣的海洋生物提供了漂浮水面上的棲息地，其中包括將它們的卵產(chǎn)在浮木上的無翅水黽，水黽是唯一一種生活在開闊海域里的昆蟲。

同時(shí)，為了驗(yàn)證微懸臂偏轉(zhuǎn)角度對(duì)干涉光強(qiáng)的影響，根據(jù)球面鏡的曲率半徑L和直徑D計(jì)算其偏轉(zhuǎn)角度的范圍為±23.58°.調(diào)整角位移臺(tái)使得微懸臂偏移角分別為-10°、-5°、5°、10°時(shí)，曲線如圖12所示.可以看出四條曲線能夠較好擬合在一起，說明在允許范圍內(nèi)，微懸臂的偏轉(zhuǎn)角不會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度.

2.1 熱法/膜法獨(dú)立運(yùn)行模式與熱膜耦合海水淡化模式下的取水量對(duì)比

在夏季工況下，RO 的部分進(jìn)料海水來自MED 系統(tǒng)的冷卻水，因此，熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)相較于獨(dú)立運(yùn)行的RO/MED 系統(tǒng)的總?cè)∷繒?huì)有所下降，而在冬季工況下，兩種運(yùn)行方式的取水量則相同。以示范工程為例，現(xiàn)將獨(dú)立運(yùn)行的521 t/h RO 系 統(tǒng)+520 t/h MED 系 統(tǒng) 與1 041 t/h熱膜耦合系統(tǒng)作比較，按圖5 所示的2019 年渤海灣海水平均溫度變化

，計(jì)算得出獨(dú)立運(yùn)行的RO/MED 的全年取水量為3 330.35 萬(wàn)t,而熱膜耦合海水淡化全年取水量為3 126.88 萬(wàn)t，采用熱膜耦合海水淡化技術(shù)，年取水量可減少203.47 萬(wàn)t。熱法/膜法獨(dú)立運(yùn)行模式與熱膜耦合海水淡化模式下的取水量對(duì)比見圖6。

2.2 熱法/膜法獨(dú)立運(yùn)行模式與熱膜耦合海水淡化模式下的用電量對(duì)比

MED 主要采用的能源形式是熱能，電能作為輔助能源為輸送泵的運(yùn)行提供能量，獨(dú)立運(yùn)行的MED/RO 系統(tǒng)與熱膜耦合系統(tǒng)中的MED 部分的耗電量基本相等。RO 主要采用的能源形式是電能，其中高壓泵是電能消耗的主要部件，而高壓泵的耗電量隨著膜通量的增大而減小，膜通量則因進(jìn)水溫度的提升而增大。在冬季工況下，由于海水溫度較低，采用熱膜耦合技術(shù)對(duì)電能消耗的降低有著顯著的效果，如圖7 所示。

經(jīng)計(jì)算，獨(dú)立運(yùn)行的RO/MED 的高壓泵全年耗電量為1 514.1 萬(wàn)kWh,而熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)高壓泵的全年耗電量為1 374.7 萬(wàn)kWh，采用熱膜耦合海水淡化技術(shù)，高壓泵年耗電量可減少139 萬(wàn)kWh。取水泵能耗比按0.067 2 kWh/m

計(jì)算，根據(jù)上述計(jì)算，采用熱膜耦合海水淡化年取水量可減少203 萬(wàn)t，則取水泵的年耗電量可節(jié)省13萬(wàn)kWh。綜上所述，在渤海灣產(chǎn)水量為1 041 t/h的熱膜耦合海水淡化技術(shù)，高壓泵和取水泵的耗電量全年可節(jié)省153 萬(wàn)kWh,電價(jià)以不計(jì)時(shí)價(jià)格0.785 3 元/kWh 計(jì)，則 全 年 可 節(jié) 省 電 費(fèi)116.50 萬(wàn)元。

3 結(jié)論

本文提出與渤海灣海水溫度變化相匹配的兩種熱膜耦合海水淡化工藝，夏季工況采用MED 帶有余溫的冷卻水與海水原水混合的方式,冬季工況采用MED 濃鹽水經(jīng)熱膜耦合換熱器為原料海水加熱的方式。結(jié)果表明，對(duì)于給定的產(chǎn)水量，較獨(dú)立運(yùn)行的RO/MED，該熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)可節(jié)省電費(fèi)116.5 萬(wàn)元/年，具有節(jié)能性。隨著我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，通過熱膜耦合的海水淡化新工藝在系統(tǒng)節(jié)能降耗方面存在可行性。

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