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海水淡化集成技术的相关研究

北极星环保网来源:环境工程 王世明2018/2/22 9:13:41我要投稿

北极星环保网讯:为了降低海水淡化的成本和能耗,对海水淡化的集成工艺进行相应研究。海水淡化集成技术主要分为两种形式:一是不同海水淡化工艺的集成,二是能源和海水淡化的集成。首先介绍了海水淡化工艺的相关集成技术,包括热法与热法集成、膜法与膜法集成、热法与膜法集成、预处理工艺与海水淡化的集成工艺;其次介绍了各种新能源与海水淡化耦合方式、代表工程及研究现状,最后对海水淡化集成技术的优化提出建议。

海水淡化是解决淡水短缺的有效方式,但其高能耗限制了该工艺的推广与运用。对此,相关人员主要开展了两方面的工作:一方面是不断改进海水淡化工艺,包括淡化技术、设备结构及能量回收装置等;另一方面是采用海水淡化集成技术。

两者相比,后者的改造空间相对较大。海水淡化集成技术有利于充分发挥各工艺的特长从而提高能量的利用率,实现资源的优化配置。海水淡化集成技术主要分为2种形式:一是不同海水淡化工艺的集成,二是能源和海水淡化的集成。海水淡化集成涉及较多因素,需要更多快捷、有效的优化方法。

1海水淡化工艺的集成

海水淡化是利用海水脱盐生产淡水的技术和过程。目前,海水淡化技术超过20余种,主流工艺包括多级闪蒸技术(MSF)、多效蒸馏(MED)、压汽蒸馏(VC)、反渗透技术(RO)、电渗析法(ED)等,根据其原理可以归纳为热法、膜法两大类。海水淡化方法间的集成主要分为4类:一是热法与热法集成,如MSF+MED组合;二是膜法与膜法集成,如RO+ED组合;三是膜法与热法的集成,如RO+MSF、RO+MED等组合;四是预处理技术与海水淡化工艺的集成。

其中研究最多的是热法和膜法集成技术,已经运用于工程实际;近年来,预处理方法与海水淡化的集成技术已引起行业广泛关注,剩余两种集成方案研究较少。

1.1膜法与热法的集成

热法海水淡化工艺具有产水水质好、淡化水温度高、设备易结垢、产水效率低等特点;而膜法海水淡化具有产水水质低、依赖预处理、停启方便、产水效率高等特点,故两者在某种程度可优势互补。膜法和热法的集成[1-2],如RO+MSF组合。

两者相耦合的思路为:根据产品水标准,混合两种工艺的产品水,部分排热段的海水作为RO工艺的进料水,将2种工艺的浓盐水循环相结合。热法和膜法相集成具有以下优点:

一是混合两者的产品水,可以满足不同的水质需求,降低生产费用;二是可以降低膜的更换率和MSF工艺设备的结垢性,降低系统的维修费用;三是两者可共用取水和排放设备,降低投资费用;四是降低前处理和后处理工艺的操作费用和化学药品的投资费用。

沙特阿拉伯的SWCC公司,在相同的操作压力和进料海水下,将NF+SWRO集成技术和SWRO工艺进行试验对比,集成工艺的回收率为70%,远高于传统工艺的30%。世界上最大的多级闪蒸海水淡化厂是沙特的RAZZOUR海水淡化厂,同时也是世界上最大的热膜耦合(MSF+RO)工艺海水淡化厂,日产淡水量为1025000m3,其中MSF系统产水为769000m3。

相比MSF工艺,低温多效蒸馏(LT-MED)在设备投资和能耗方面更具优势,但RO+LT-MED工艺的研究较少。

1.2热法与热法的集成

热法与热法的集成技术,主要为VC+MED工艺耦合,又可分为热力蒸汽压缩多效蒸馏工艺(MED+TVC)和机械压缩多效蒸馏工艺(MED+MVC)。前者是通过蒸汽热压缩器把低品位的蒸汽进行压缩,使之升压升温,然后再作为热源加热海水蒸发,整个过程利用了低压蒸汽,达到节约热源和增加产水的目的;后者靠机械能转变为热能,不需要外部提供加热蒸汽,但压缩机造价高,易腐蚀,故难以大型化。

文献[3]建立了MED+TVC耦合系统的数学模型,并且利用智能穷举搜索法和连续二次编程来确定系统的最大增益比。文献[4]针对LT-MED+VC集成装置,利用抛物面槽式太阳能聚光器驱动该装置,并且与LT-MED+RO集成工艺进行对比,表明LT-MED+VC更具优势。文献[5]对直接利用太阳能驱动MED+TVC和MED+MVC两种集成工艺进行热经济分析对比。文献[6]建立了MED+TVC的能量和经济模型,同时建立了目标函数,确保系统的产水成本最低。

目前,中国也已将MED+VC应用于工程实例,如国华(北京)电力研究院有限公司自主研发出TVC-MED装置;首钢京唐公司采用MED+TVC海水淡化运行模式,实现了热、电、水的联产[7]。

1.3预处理方法与海水淡化的集成

超滤(CF)主要适用于溶液中大分子的分离与浓缩,微滤(UF)主要用于细菌和微粒的去除,纳滤(NF)不仅对有机物有较高的截留率,而且对无机离子进行选择性分离,适合海水的脱盐处理。CF用于海水的预处理,节省占地,减少使用化学药品,延长反渗透膜的运行周期[8-9],主要归纳为三类:

一是NF+RO集成工艺,如沙特SWCC公司建立了该示范工程,在一定运行条件下,相比传统工艺33%的回收率,集成工艺的回收率达到了70%;10年前,美国和日本采用NF膜工艺,水体利用率达80%~90%,采用NF-RO工艺,回收率可达99%;山东长岛140t/d纳滤法制备饮用水示范工程于1997年建成,运行成功。

二是NF+蒸馏法集成工艺,降低进料海水硬度,减少蒸馏法的结垢问题,如SWCC公司对该工艺进行试验研究,产水能力为20m3/d的海水淡化装置,采用NF+MSF组合工艺,无任何防垢干预下,连续运行1200h,无任何结垢现象。

三是NF+膜法+蒸馏法的深度集成工艺,如将NF+RO工艺产生的浓盐水作为MSF的补充水进料。此外,未来的膜工艺趋势,可将CF+NF+RO工艺集成,以形成全膜法预处理工艺。

延伸阅读:

海水淡化技术介绍与比较

海水淡化反渗透膜微生物污染及防控研究进展

全面解析三大的海水淡化工艺

向71%蓝色进发漫谈海水淡化技术

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