海水淡化反滲透系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)ppt課件

1、Mark Wilf Ph. D. & Kenneth Klinko海德能(dranautics)公司美后一頁本文對(duì)海水淡化反滲透(RO)系統(tǒng)的設(shè)備投資及制水成本的發(fā)展趨 勢(shì)進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估中采用的成本數(shù)據(jù)依據(jù)于最近公布的實(shí)際RO海水 淡化裝置的最新狀態(tài)和操作運(yùn)行信息。以地中海，大西洋及太平洋等 三種代表性的實(shí)際海水作為給水水源，討論了對(duì)影響過程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的 兩個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)系統(tǒng)水回收率和給水含鹽量對(duì)系統(tǒng)能量消耗的 影響進(jìn)行了分析。本評(píng)估的目的是確定基于主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行過程優(yōu) 化后提出的海水淡化RO系統(tǒng)在較高回收率下操作的經(jīng)濟(jì)可行性。優(yōu)化 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將與最近的三個(gè)大型海水淡化裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行

2、比較，即以 色列的Eilat-10,000m3/d的裝置，塞浦路斯的Larnaca40,000m3/d和正在 設(shè)計(jì)的美國(guó)佛羅里達(dá)洲Tampa-95,000m3/d RO裝置?！厩把浴侩疽豁摵笠豁摻陙?，利用反滲透技術(shù)進(jìn)行海水淡化的經(jīng)濟(jì)成本已經(jīng)不斷改善， 隨著一次設(shè)備投資和運(yùn)行能耗的降低，RO的制水成本已大大下降。制 水成本下降的實(shí)例可舉出最近建成或即將建成的三個(gè)大型 （10,000-95,000m3/d）海水淡化項(xiàng)冃：Eibt（以色列）、Larnaca（塞浦路斯） 和Tnmpa（美國(guó)佛羅里達(dá)州）。在這些項(xiàng)目中，淡化水的產(chǎn)水成本明顯的 低于1.0美元/n?（38美元/千加侖）。產(chǎn)水成本的下降是一

3、次設(shè)備投資減 少和運(yùn)行操作費(fèi)用降低的結(jié)果。設(shè)備投資的減少是通過更好的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)和選擇更好的結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)的；動(dòng)力消耗的降低是由于改善了高壓 泵和能量回收裝置的效率和優(yōu)化了與所需的RO進(jìn)水壓力直接相關(guān)的系 統(tǒng)水回收率。在海水RO膜元件價(jià)格一定的條件下，RO產(chǎn)水成本主要取【前言】決于系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行能量消耗。在海水淡化R0系統(tǒng)中，對(duì)設(shè)備 投資和運(yùn)行能量消耗影響最大的過程參數(shù)是系統(tǒng)水回收率。因?yàn)榛厥章?與系統(tǒng)給水流量成反比，低回收率會(huì)直接造成所有過程設(shè)備尺寸變大， 造價(jià)增加和動(dòng)力消耗上升。但是在海水淡化R0系統(tǒng)中，水回收率是不能 隨意增加的。因?yàn)樘岣咚厥章蕰?huì)引起系統(tǒng)平均給水含鹽量上升，導(dǎo)致刖一

4、頁系統(tǒng)平均滲透壓升高和產(chǎn)水含鹽量增加。海水淡化R0系統(tǒng)的水回收率必 須根據(jù)膜元件的性能和過程經(jīng)濟(jì)核算來優(yōu)化確定。優(yōu)化設(shè)計(jì)即選取合理 的回收率的目的在于保證產(chǎn)水含鹽量達(dá)到所定要求的前提下，降低設(shè)備 造價(jià)即會(huì)引起操作費(fèi)用上升這一矛盾中尋求平衡。當(dāng)回收率增加時(shí)，系 統(tǒng)給水流量隨之減少，設(shè)備尺寸及成本下降，而系統(tǒng)動(dòng)力消耗與回收率【前言】刖一頁的關(guān)系則表現(xiàn)為：隨著回收率的增加，動(dòng)力消耗先是逐漸降低，在某一 “最佳”回收率下達(dá)到最低點(diǎn)，超過這一點(diǎn)后，則是隨著回收率的增加 而增加。由于增加回收率會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)給水滲透壓的增加，因而要求在 高回收率下操作的海水淡化R0膜元件能夠在較高壓力下操作。隨著海水 淡化R

5、0膜元件技術(shù)的發(fā)展，膜元件脫鹽率不斷提高，可在70巴(lOOOpsi) 高壓下操作的R0膜元件已經(jīng)上市，加之可在高壓下直接驅(qū)動(dòng)的段間增壓 泵的使用，這些都提供了優(yōu)化R0系統(tǒng)操作參數(shù)的可行性?！局扑杀尽吭诤Ｋ疪O系統(tǒng)中，制水成本主要由下列費(fèi)用構(gòu)成：設(shè)備折舊， 能量消耗，化學(xué)藥劑用量，膜元件更換。系統(tǒng)操作及維修費(fèi)用。在過去 的幾年間，R0制水的成本隨著上述各項(xiàng)費(fèi)用的下降而下降。設(shè)備成本的 降低是改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果；如果采用更加高效的預(yù)處理設(shè)備，簡(jiǎn)化配 置設(shè)計(jì)，盡可能利用現(xiàn)有的海水供水設(shè)備等。例如通常將R0系統(tǒng)設(shè)置在刖一頁正在運(yùn)行的發(fā)電廠或海水蒸徭裝置附近，盡量利用共同的取水及排水系 統(tǒng)（冷凝

6、器排放口）等。R0系統(tǒng)動(dòng)力消耗的降低是因?yàn)槭褂昧诵矢吆笠豁摰母邏罕?，渦輪機(jī)，電機(jī)，同時(shí)使R0系統(tǒng)水回收率盡量接近動(dòng)力消耗最 低的數(shù)值點(diǎn)上。化學(xué)藥劑（阻垢劑）的用量已經(jīng)減少，這是由于認(rèn)為在 冃前R0操作條件下，海水結(jié)垢的可能性是可以不考慮的。較高的水回收【制水成本】刖一頁后一頁率由于降低了濃水流量，因而也可降低化學(xué)藥劑的投入量。降低膜 更換成本與降低膜元件的成本以及訂立長(zhǎng)期合同減少膜的更換速率 有關(guān)。系統(tǒng)的操作與維護(hù)由于系統(tǒng)控制的高度自動(dòng)化和性能參數(shù)的 遠(yuǎn)程測(cè)量而簡(jiǎn)化。Leitner曾給出過去20年間海水淡化RO系統(tǒng)的設(shè)備 投資分析（2）（參見表1）。Leitner給出的項(xiàng)目一覽表中包括以色

7、列，美 國(guó)和西班牙的一些大型項(xiàng)目，中東地區(qū)的多數(shù)項(xiàng)目是建設(shè)在以色列 以外的其他國(guó)家。在Leitner所列項(xiàng)目中的設(shè)備成本范圍從700美元 皿3/天（美國(guó)佛州Key West）到2500美元/M?/天（沙特Jeddah）,其中大 部分是1100美元加羅天的水平上（以上三個(gè)數(shù)字分別為2. 66, 9. 46和 4.40美元/加侖/天）。Leitner評(píng)估了代表性的制水成本，在阿拉伯?！局扑杀尽繛车貐^(qū)，生產(chǎn)能力為23, 000m3/d（6MGD）的系統(tǒng)，制水的成本為131美元/曲（4. 97美元/千加侖）o 1989年的這項(xiàng)水成本估價(jià)可以與現(xiàn)行的大型R0海水淡化率系統(tǒng)相比較。列入表1的項(xiàng)目包括最近

8、投入運(yùn)行的裝置 （Eilat）的制水成本和最近正在完成的項(xiàng)目（Larnaca和Cyprus）,以及 不久將建設(shè)的項(xiàng)目（佛羅里達(dá)州Tampa）的控制水成本價(jià)。E訂at裝置是刖一頁一級(jí)系統(tǒng)，它處理混入當(dāng)?shù)乜嘞趟募t海海水（混合后的給水含鹽量為36, OOOppm TDS）,水回收率50%。用混合給水操作的目的是降低制水成后一頁本。因?yàn)檫@樣可在較高回收率下操作，又可維持較低的給水壓力。R0 濃縮水的濃縮倍數(shù)已達(dá)極限。因此，今后在這個(gè)地區(qū)設(shè)置的海水淡化 R0裝置在全部使用海水（TDS大約為42, OOOppm）時(shí)，水回收率只能設(shè)【制水成本】計(jì)在45%。在Larnaca和Tampa設(shè)計(jì)的裝置是二級(jí)RO。

9、塞浦路斯Larnaca裝 置使用的是地中海海水(TDS約40, 500ppm),系統(tǒng)水回收率為50%。第二級(jí) R0即對(duì)第一級(jí)R0的產(chǎn)水進(jìn)行再脫鹽是為了減少水中硼元素的濃度，使之刖一頁后一頁達(dá)到lppm以下。在美國(guó)佛州Tampa地區(qū)，給水的含鹽量是變化的，TDS從 18000ppm到31000ppm。在給水含鹽量和給水溫度超過一定范圍時(shí)，該系 統(tǒng)被設(shè)計(jì)為部分兩級(jí)R0,以保證產(chǎn)出水中的氯離子濃度低于lOOppmo由 于給水含鹽量和溫度變化范圍寬，給高壓泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很多困難。 為保證R0膜系統(tǒng)的給水壓力可在相對(duì)寬的范圍內(nèi)變化，該系統(tǒng)采用了多 臺(tái)泵，電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)和產(chǎn)出水加背壓等方法?！痉礉B透過程的

10、操作參數(shù)】海水淡化RO系統(tǒng)的操作參數(shù)大都是隨給水含鹽度和溫度的不同而變化的，例如，對(duì)給水TDS約38,000ppm、水溫在18-28°C的海水，RO系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)回收率為4550%,平均產(chǎn)水通量79gfd(11.915.01/m2hQ。在上 述操作條件下，給水壓力范圍在8001000psi(5070巴)之間，產(chǎn)出水TDS 在300500ppm之間。在給定給水含鹽量和膜元件脫鹽率一定的情況下，刖一頁后一頁產(chǎn)出水含鹽量是隨給水溫度、回收率和產(chǎn)水通量變化的。給水溫度提高 的結(jié)果是鹽和水?dāng)U散透過膜的速率將以每攝氏度(°C)增加35%的速率增加。因?yàn)橥ǔO裝置是在給定產(chǎn)水通量下運(yùn)行的

11、，所以產(chǎn)出水含鹽量的 變化與給水溫度的變化是密切相關(guān)的。產(chǎn)出水含鹽量與平均產(chǎn)水通量 成反比。較高的產(chǎn)水通量會(huì)稀釋透過膜的鹽離子，由此導(dǎo)致產(chǎn)出水含鹽【反滲透過程的操作參數(shù)】-刖一頁量降低。在海水淡化系統(tǒng)中，在以地表海水為給水時(shí)，平均產(chǎn)水通量保 持在較低值:79gfd(ll915.0L/m2h"；在以海邊井海水為給水時(shí)，平 均產(chǎn)水通量為：9llgfd(15317.0L/m2hr)。兩種水源類型之間在設(shè)計(jì) 產(chǎn)水通量方面的差異是由于海邊井水的水質(zhì)較好，它對(duì)膜的污染速度較 低。海水淡化的產(chǎn)水通量值是比較低的，通常只有苦咸水R0系統(tǒng)中的產(chǎn) 水通量值的50%左右。如果在相當(dāng)高的水通量下操作海水RO

12、系統(tǒng)，常常 引起水通量不可逆轉(zhuǎn)的衰減。最近，隨著膜元件脫鹽率的提高，新的中 小型海水RO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)回收率已大為增加，目前在海水淡化RO系統(tǒng)的 最大回收率限制主要依存于膜元件的脫鹽率或產(chǎn)出水能否滿足飲用水的 水質(zhì)要求。圖1給出產(chǎn)出水含鹽量與水回收率和產(chǎn)水通量的關(guān)系。圖中計(jì)【反滲透過程的操作參數(shù)】算是針對(duì)地中海的TDS 40,500ppm ,給水溫度20°C,回收率范圍4060% 以及產(chǎn)水通量8llgfd進(jìn)行的。計(jì)算中膜元件脫鹽率為99.7%O算出的產(chǎn) 出水含鹽量是按膜的透鹽率增加30%給出的。即假設(shè)在膜壽命平均3年期 間，每年透鹽率增加10%o正如所預(yù)料的那樣，較高的回收率需要在平均產(chǎn)

13、水通量超過標(biāo)準(zhǔn)值的8gfd以上進(jìn)行。這樣可保持產(chǎn)出水TDS 400ppm以刖一頁后一頁下，特別是在進(jìn)水溫度較高的場(chǎng)合。以上的討論說明，在設(shè)計(jì)海水淡化RO系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)總產(chǎn)水成本確定最佳水回收率或根據(jù)現(xiàn)行的海水RO膜元件的性能和產(chǎn)出水水質(zhì)要求確定水回收率。另外，在使用地表海水作 給水時(shí)，有時(shí)是可以在高回收率下操作的?！具^程經(jīng)濟(jì)學(xué)】回收率是影響海水淡化R0系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的主要因素。全系統(tǒng)過程設(shè) 備的尺寸均取決于給水或濃縮水流量。而給水流量和濃縮水流量均隨著 回收率的增加而減少。給水流量決定了給水系統(tǒng)的尺寸和給水泵的動(dòng)力 消耗。所有預(yù)處理設(shè)備，貯罐，增壓泵，過濾設(shè)備和化學(xué)加藥系統(tǒng)的大 小都是根據(jù)給水量決

14、定的。同樣的考慮也適用于濃縮水配管和排放設(shè)備刖一頁后一頁的選型。設(shè)計(jì)產(chǎn)水通量影響所用膜元件及壓力容器的數(shù)量，管線連接和RO基架的尺寸。以下的模擬計(jì)算討論了RO水回收率對(duì)設(shè)備投資和總制水成本的影響。模擬計(jì)算是對(duì)一個(gè)6MGD (22,700m3/d)規(guī)模的系統(tǒng)進(jìn)行 的，并對(duì)使用三種有代表性的海水水源進(jìn)行了考察。參考的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的 成本估算數(shù)據(jù)主要是根據(jù)由G.Lcitner|2|> P.Shields和I.Moch的數(shù)據(jù)。第19頁反滲透系統(tǒng)性能計(jì)算參數(shù)評(píng)估計(jì)算使用了三種代表性的海水：地中海，TDS約40,500ppm； 大西洋，TDS約38,500ppm和太平洋，TDS約34,000ppm。膜的

15、性能 計(jì)算按R0系統(tǒng)回收率4070%進(jìn)行。設(shè)備費(fèi)評(píng)估均按地表海水給水計(jì) 算，預(yù)處理采用二級(jí)重力過濾。設(shè)備成本數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)23】其它渠道 和數(shù)據(jù)。刖一頁后一頁【系統(tǒng)成本】表2給出22700M3/天（6MGD）產(chǎn)水規(guī)模的海水淡化RO系統(tǒng)，用傳 統(tǒng)預(yù)處理方法時(shí)的設(shè)備成本計(jì)算時(shí)所用參數(shù)。作為比較用的基準(zhǔn)計(jì)算所 用的水回收率為45%o隨著回收率的增加，設(shè)備尺寸及成本將隨之降低, 但成本降低的速率則隨著回收率的增加而下降，在高回收率的終點(diǎn)，成 本降低的速率降為最小。刖一頁【RO所需的給水壓力】RO所需的給水壓力取決于給水的滲透壓(給水TDS),給水溫度和平均產(chǎn)水通量。圖2給出在3種地表海水條件下的濃縮水滲

16、透壓與回收率 的關(guān)系。圖3給出在3種地表海水條件下RO所需的給水壓力與回收率的關(guān) 系。圖中計(jì)算所用的平均產(chǎn)水通量為13.5升/M2.小時(shí)(8GFD)。膜配置為 一級(jí)一段RO。對(duì)于二級(jí)RO系統(tǒng)，所需壓力則更高，因?yàn)榈诙?jí)RO會(huì)額后一頁九退出第#頁后一頁九退出第#頁刖一頁外消耗一些壓力。后一頁九退出后一頁九退出后一頁九退出后一頁九退出所需能量直接取決于給水壓力和給水流量。較高的回收率需要較高的給水壓力以克服增加的平均滲透壓。另一方面，給水流量隨回收率增加而減少。圖4給出所需能量對(duì)回收率的關(guān)系曲線。能量包括給水泵、后一頁九退出后一頁九退出預(yù)處理系統(tǒng)和高壓泵所消耗的電能。所需能量的最小值是在回收率約5

17、055%時(shí)出現(xiàn)并隨進(jìn)水TDS而變化。構(gòu)成制水成本要素的能量消耗,刖一頁化學(xué)藥劑用量和設(shè)備投資均受到水回收率的影響。圖5給出這三種影響 制水成本的三要素的綜合因子與回收率的關(guān)系曲線。因?yàn)榛瘜W(xué)加藥量后一頁和設(shè)備投資費(fèi)均隨回收率增加而減少，所以制水成本的最小值對(duì)應(yīng)的回 收率與能量對(duì)回收率的關(guān)系曲線（參見圖4）相比移向較高的回收率。后一頁九退出第17頁【制水總成本】后一頁九退出后一頁九退出制水總成本除了包括像能耗、化學(xué)加藥量和設(shè)備投資費(fèi)這樣一些對(duì) 回收率敏感的部分外，還包括系統(tǒng)操作和維護(hù)費(fèi)以及膜元件的更換費(fèi)， 這些不受回收率的直接影響。圖6給出制水的總成本對(duì)回收率的關(guān)系曲 線。制水總成本的最小值大約出

18、現(xiàn)在回收率5565%之間，在較低給水 含鹽量（如太平洋）時(shí)，制水總成本的最小值移向略高的回收率值。刖一頁【電力價(jià)格的影響】制水成本與回收率的關(guān)系示于圖5和6,這是按每度電0.6美分進(jìn)行計(jì) 算的。圖7給出按電價(jià)每度3美分和12美分給水TDS適中（大西洋）條件 下的制水成本與回收率的關(guān)系。正如所預(yù)料的那樣，在電價(jià)較高的場(chǎng)合 下，制水成本的最低值移向較低的回收率。在電價(jià)很低（3美分/kwhr）時(shí)， 回收率對(duì)制水成本幾乎沒有影響。刖一頁后一頁后一頁九退出【結(jié)論】從制水成本的角度考慮，在海水R0系統(tǒng)中，最佳回收率的范圍在5060%之間。與制水成本最低值相對(duì)應(yīng)的回收率數(shù)取決于給水含鹽量和電力 價(jià)格。以上這

19、些計(jì)算是假設(shè)可在高壓下操作的RO膜元件與常規(guī)壓力下操作的膜元件的成本，性能和壽命都是相同的，但在高回收率和給水壓力明顯超刖一頁后一頁過70巴下操作的RO系統(tǒng)，其高壓系統(tǒng)的設(shè)備投資是會(huì)增加的，而且一般 也會(huì)增加膜的更換費(fèi)用，這都將導(dǎo)致制水成本的最低值移向較低的回收率。本文的結(jié)論是，設(shè)計(jì)海水淡化RO系統(tǒng)時(shí)，只有在給水含鹽量和電價(jià)均低的場(chǎng)合下，設(shè)定55%以上的回收率才會(huì)在制水成本方面獲益，海水取【結(jié)論】水和濃海水排放設(shè)備成本較高時(shí)，制水總成本的最低點(diǎn)將移向高回 收率值。還有一個(gè)必須考慮的設(shè)計(jì)因素是產(chǎn)品水的含鹽量。一般情況下，高 回收率將導(dǎo)致產(chǎn)品水的含鹽量增加，為達(dá)到產(chǎn)水水值要求，則有可能要 將一級(jí)R

20、0變?yōu)槎?jí)RO,這樣也很容易增加R0的制水成本。刖一頁后一頁九退出第21頁【參考文獻(xiàn)】M Wilf and K. Klinko, performance of commericial seawater membranes , desalination , 96 (1994) pp 456-478.G. Leitner , Cost of seawater desalination in real terms, 1979 through 1989, and projections for 1999, Desalination 76 (189) 201-213.刖一頁P(yáng). Shields and

21、I. Moch, Evaluation of global sea water reverse osmosis capital and operating cost, Proceedings of the ADA Conference, Monterey, California , August 1996, vol., 44-60.九退出【表1世界部分反滲透海水淡化工程概況】九返位置產(chǎn)水能力m3/d（MGD）現(xiàn)狀水回收率 （配置）產(chǎn)水總成本美元/nP （美元/千加侖）Eilat以色列20,000(2.6)第一期自1997年開始運(yùn)行 （10,000m3/d）50% （一級(jí)）0.72(2.72)Eilat以色列20,000(2.6)正在設(shè)計(jì)45%（一級(jí)）0.81(3.06)Larnaca 塞浦路斯40,000(10.6)2001年3月調(diào)試50% （部分二級(jí)）0.83(3.14)Tampa美國(guó)佛羅里達(dá)州94,60