火電廠反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳技術(shù)應(yīng)用研究

火電廠反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳技術(shù)應(yīng)用研究

0反滲透膜技術(shù)的應(yīng)用隨著世界巖能源的巨大消耗，二氧化碳濃度持續(xù)增加，導(dǎo)致了一系列全球環(huán)境和氣候問(wèn)題。反滲透是一種膜法水處理脫鹽工藝，具有占地面積小、操作便利、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)范圍廣、藥劑使用量少等優(yōu)點(diǎn)，在電力、鋼鐵、化工、市政等行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益1能耗及熱耗量反滲透系統(tǒng)運(yùn)行能耗主要為水泵和攪拌機(jī)的電能以及進(jìn)水加熱的熱能。相比反滲透系統(tǒng)其他水泵和攪拌機(jī)的電耗，高壓泵和進(jìn)水泵是反滲透系統(tǒng)的主要電耗，也是反滲透系統(tǒng)降耗減碳工作的重點(diǎn)目標(biāo)。其中高壓泵的能耗與待處理溶液的含鹽量直接相關(guān)：用于處理苦咸水的反滲透膜系統(tǒng)配備的高壓泵壓力達(dá)1.2～1.6MPa,高壓泵功率約占總電功率的60%～65%;用于處理海水的反滲透膜系統(tǒng)配備的高壓泵壓力達(dá)5.0～7.0MPa,高壓泵功率約占總電功率的84%～87%;用于處理廢水和垃圾滲濾液的反滲透系統(tǒng)配備的高壓泵壓力達(dá)6.0～12.0MPa,高壓泵功率約占總電功率的84%～93%。表1展示了某套產(chǎn)水量100t/h典型苦咸水反滲透系統(tǒng)的電氣設(shè)備及功率，總運(yùn)行功率是146.61kW,其中高壓泵功率是90kW,占總功耗的61.4%;進(jìn)水泵功率是44kW,占總功耗的30%。因此高壓泵、進(jìn)水泵是整個(gè)反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳的重點(diǎn)。除電能外，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)消耗熱能，用于加熱進(jìn)水。某100t/h的反滲透系統(tǒng)，設(shè)置有一套板式換熱器，采用低壓飽和蒸汽作為熱源。在冬季進(jìn)水水溫為10～15℃時(shí)，投運(yùn)蒸汽加熱器，將水溫加熱到20～25℃,如溫升10K,系統(tǒng)1小時(shí)要消耗4200MJ的熱能，折合11.67kW/(t·K)(按照換熱效率100%計(jì)算)。在發(fā)電廠中，除鹽水送進(jìn)鍋爐前本身要逐級(jí)加熱到200℃以上，所以反滲透系統(tǒng)進(jìn)水加熱，只是提前增加了鍋爐進(jìn)水的焓值，后續(xù)管路保溫做好的話加熱除鹽水耗費(fèi)蒸汽的熱量并沒(méi)有浪費(fèi)，而是帶進(jìn)了鍋爐中。進(jìn)水溫度與反滲透膜組件產(chǎn)水量正相關(guān)，反滲透運(yùn)行溫度升高是有節(jié)能效益的。如圖1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在15～40℃范圍內(nèi)，進(jìn)水溫度每上升1℃,膜組件產(chǎn)水量平均增幅為3.1%。因此通常設(shè)置進(jìn)水加熱裝置(多為蒸汽加熱裝置),在冬季進(jìn)水水溫偏低時(shí)，將水溫提升至20～25℃,以確保反滲透系統(tǒng)的水處理效率。加熱器會(huì)因?yàn)榻Y(jié)垢、堵塞等原因造成換熱效率降低，每下降1%就會(huì)造成0.1167kW/(t·K)能耗的上升，因此，熱能消耗的控制也是反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳研究的另一大目標(biāo)。根據(jù)付坤等2分析了宣言系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保潛力2.1反滲透系統(tǒng)高壓泵變工況對(duì)于應(yīng)用了工頻高壓泵的反滲透系統(tǒng)，通常存在水泵輸出功率大于膜系統(tǒng)輸入功率的情況，使得運(yùn)行壓力過(guò)高、能耗較大。在反滲透系統(tǒng)運(yùn)行中，對(duì)進(jìn)水泵、高壓泵進(jìn)行變頻改造，保持流量一定的情況下，將高壓泵運(yùn)行頻率由50Hz降至30～45Hz,降低了運(yùn)行壓力，可以起到節(jié)能減碳的作用。某反滲透系統(tǒng)改造前的高壓泵為工頻泵，每次啟動(dòng)運(yùn)行頻率為50Hz,泵實(shí)際功率為36.15kW。變頻改造后高壓泵運(yùn)行頻率為35.3Hz,泵實(shí)際消耗功率為15.6kW。在不影響水處理效果的前提下，高壓泵節(jié)電達(dá)到20.55kW,相應(yīng)減排二氧化碳5281g,節(jié)電率達(dá)到56%,反滲透進(jìn)水泵也進(jìn)行變頻改造后，系統(tǒng)總節(jié)電超過(guò)50%(見(jiàn)圖2)。反滲透系統(tǒng)的按照噸水平均電耗1.8kWh計(jì)算，水泵變頻改造可以節(jié)能50%左右，噸水可減排二氧化碳231g。2.2濃水余壓能量反滲透運(yùn)行中的濃水壓力一般都較高，苦咸水系統(tǒng)一般達(dá)到0.5MPa以上，但是一般直接排掉，能量都浪費(fèi)掉了；海水反滲透的濃水壓力更是達(dá)到4MPa以上，濃水余壓能量很高。一般情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后可對(duì)濃水的余壓進(jìn)行能量回收，可分為海水反滲透能量回收裝置、設(shè)置多段反滲透、濃水增加納濾段等節(jié)能減碳方式。2.2.1功交換式回收裝置海水反滲透系統(tǒng)余壓能量回收裝置根據(jù)余壓的利用方式可分為兩類：水力透平式回收和功交換式回收。水力透平式回收裝置利用高壓濃水驅(qū)動(dòng)透平轉(zhuǎn)動(dòng)，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后再輔助同軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵旋轉(zhuǎn)，從而降低電機(jī)能耗。這種能量回收裝置與高壓泵串聯(lián)安裝，無(wú)需增設(shè)壓力提升泵，能量回收率約為60%～85%。功交換式回收裝置又稱容積式能量回收裝置，按照能量傳遞過(guò)程的實(shí)現(xiàn)形式可分為轉(zhuǎn)子式壓力回收裝置和活塞式壓力回收裝置兩種。采用高壓濃水對(duì)低壓原海水直接增壓，通過(guò)水壓能的直接傳遞，實(shí)現(xiàn)90%以上的能量回收。這種能量回收裝置與高壓泵并聯(lián)安裝，通過(guò)降低高壓泵流量實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具有安全穩(wěn)定、體積小、效率高、能耗低的特點(diǎn)，目前在新建的反滲透海水淡化系統(tǒng)廣泛采用(見(jiàn)圖3)。2.2.2反滲透膜能耗及節(jié)能潛力分析苦咸水反滲透系統(tǒng)相比海水反滲透系統(tǒng)壓力較低，但其濃水仍有較高的能量回收價(jià)值。單段反滲透制水效率非常低，工業(yè)反滲透多采用多段系統(tǒng)以提升產(chǎn)水回收率，降低制水平均能耗。某電廠反滲透系統(tǒng)采用多段式(見(jiàn)圖4):一段反滲透膜組成13×6的排列，進(jìn)水壓力0.91MPa,產(chǎn)水回收率為52.5%,產(chǎn)水氯離子濃度為3mg/L,僅考慮一段反滲透平均能耗為2.27kWh/t;二段反滲透膜組成7×6的陣列，進(jìn)水壓力0.73MPa,產(chǎn)水回收率為47.4%,產(chǎn)水氯離子濃度為7mg/L,僅考慮一段+二段反滲透平均能耗為1.59kW;三段反滲透膜組成3×6的排列，進(jìn)水壓力0.59MPa,產(chǎn)水回收率為36.9%,產(chǎn)水氯離子濃度為18mg/L。整體平均產(chǎn)水回收率達(dá)85%,整體產(chǎn)水氯離子濃度為6mg/L,整體平均能耗為1.40kW。表2顯示采用了二段和三段反滲透后，噸水處理平均二氧化碳排放降低了175g和223g,具有顯著的節(jié)能效果。此外，該系統(tǒng)另設(shè)一套濃水反滲透系統(tǒng)，能夠繼續(xù)深度處理三段反滲透濃水，制得氯離子濃度為29mg/L的產(chǎn)水。三段反滲透+濃水反滲透的整體系統(tǒng)回收率達(dá)92.5%,最大程度減少了能量的損耗。2.2.3反滲透系統(tǒng)工藝應(yīng)用在一些系統(tǒng)中可能存在濃水二段壓力比較低的情況下，可用納濾膜代替反滲透膜，納濾膜有運(yùn)行壓力較反滲透膜更低的特性，可以在部分系統(tǒng)中充分回用濃水能量。某鋼鐵公司自備電廠反滲透系統(tǒng)如圖5所示，原設(shè)置二段反滲透系統(tǒng)，二段濃水壓力達(dá)到0.85MPa,后進(jìn)行優(yōu)化改造增設(shè)三段納濾系統(tǒng)，再回收50%的反滲透濃水，回用到原水系統(tǒng)。該系統(tǒng)總進(jìn)水量118t/h,其中20t/h是增加的三段納濾回收的水，回收到高壓泵進(jìn)口，相應(yīng)減小進(jìn)水泵負(fù)荷20t/h,節(jié)能效率是17%。而且回收的水電導(dǎo)率是967μS/cm,比原水電導(dǎo)率(3990μS/cm)還低，有利于減輕總體進(jìn)水含鹽量。2.3反滲透膜清洗技術(shù)應(yīng)用反滲透膜在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生污堵和破損問(wèn)題，不僅會(huì)影響水處理效果，也會(huì)影響系統(tǒng)的能耗和碳排放。反滲透膜污堵包括結(jié)垢、微生物污堵、膠體污堵，系統(tǒng)運(yùn)行表現(xiàn)為壓差升高，同等產(chǎn)水流量下需要提高高壓泵運(yùn)行壓力，引起能耗增加。發(fā)生污堵后需對(duì)反滲透膜及時(shí)清洗，實(shí)現(xiàn)污染物去除、膜通量恢復(fù)、系統(tǒng)能耗降低的效果。某套反滲透系統(tǒng)發(fā)生微生物污堵后，系統(tǒng)壓差在32小時(shí)內(nèi)由0.051MPa快速上升至0.174MPa(見(jiàn)圖6),噸水處理平均電耗由1.48kWh上升至1.61kWh,碳排放量增加了8%。對(duì)反滲透膜、進(jìn)水管道、進(jìn)水保安過(guò)濾器進(jìn)行殺菌處理后，反滲透膜性能得到恢復(fù)，噸水處理平均電耗降至1.50kWh,噸水二氧化碳減排28g。設(shè)計(jì)研發(fā)表面改性的抗污染反滲透膜材料是反滲透膜性能維護(hù)的另一研究方向。開(kāi)發(fā)吸附型和抑菌型反滲透膜，降低反滲透膜的運(yùn)維能耗和成本，不犧牲膜通量和截留率解決反滲透膜污染問(wèn)題，是未來(lái)反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳的主要研究方向。2.4反滲透系統(tǒng)低負(fù)荷產(chǎn)水量和處理水處理工藝回收率分析反滲透系統(tǒng)通常根據(jù)待處理水質(zhì)設(shè)計(jì)合理的回收率，用于苦咸水處理的反滲透系統(tǒng)回收率設(shè)計(jì)值通常為75%。反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)回收率隨運(yùn)行工況和來(lái)水水質(zhì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)回收率大幅偏離設(shè)計(jì)值時(shí)將出現(xiàn)產(chǎn)水量下降、噸水處理能耗增加的情況。某套反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水50t/h,產(chǎn)水37.5t/h,回收率設(shè)計(jì)值為75%,正常運(yùn)行狀態(tài)下噸水處理電耗約1.45kWh。后受來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)影響，產(chǎn)水出力下降至34.8t/h,回收率下降至69.6%,計(jì)算得到噸水處理電耗為1.56kWh,增大至原來(lái)的107.6%,噸水二氧化碳排放增加28g。因此反滲透系統(tǒng)保持設(shè)定產(chǎn)水回收率，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，也是反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳的手段。2.5反滲透水側(cè)結(jié)垢對(duì)換采用的影響加熱器的投運(yùn)能夠提升反滲透系統(tǒng)進(jìn)水溫度，通過(guò)增大反滲透膜通量提升系統(tǒng)效率。表3為某套反滲透系統(tǒng)加熱器投運(yùn)對(duì)系統(tǒng)電耗的影響。根據(jù)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，反滲透進(jìn)水溫度越高噸水節(jié)約的電耗和實(shí)現(xiàn)的減碳效果越顯著，30℃時(shí)的產(chǎn)水量是15℃時(shí)的1.5倍以上，噸水節(jié)約電耗達(dá)0.43kWh,噸水減碳111g。當(dāng)然反滲透運(yùn)行水溫升高后，其脫鹽率也會(huì)有相應(yīng)的下降，因此綜合考慮一般運(yùn)行溫度設(shè)置在20～25℃為宜。加熱器運(yùn)行過(guò)程中加熱器水側(cè)可能發(fā)生結(jié)垢，對(duì)換熱效率有顯著的影響。當(dāng)加熱器結(jié)垢厚度達(dá)到1mm時(shí)，其換熱效率下降到原來(lái)的92%。從表4計(jì)算可知，加熱器換熱效率每提升1%,噸水單位溫升碳排放減少3g。因此，定期對(duì)加熱器進(jìn)行清洗維護(hù)，防止加熱器結(jié)垢保證其熱交換效率，也是反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳的有效手段。2.6系統(tǒng)整體能耗比較市售反滲透膜具有不同的額定產(chǎn)水量、脫鹽率、膜通量和進(jìn)水壓力要求，反滲透膜的選型對(duì)反滲透系統(tǒng)的整體能耗有較大影響。表5為相同某品牌不同型號(hào)反滲透膜額定膜通量、額定進(jìn)水壓力、噸水處理電耗的關(guān)系。比較1～3號(hào)膜和4～6號(hào)膜，在相同進(jìn)水壓力(1.55MPa和1.05MPa)條件下，膜通量越高噸水處理電耗越低。其中4號(hào)膜具有最高的膜通量50.9L/(m3反滲透膜系統(tǒng)由以上分析可知，反滲透系統(tǒng)的節(jié)能減碳潛力主要有：(1)水泵變頻改造可以節(jié)能50%左右，按照噸水平均電耗1.8kWh計(jì)算，噸水可減排二氧化碳231g。(2)海水反滲透系統(tǒng)高壓泵能量回收可以節(jié)約90%的能量。(3)采用多段反滲透模式，噸水可減排二氧化碳175～223g。(4)定期及時(shí)的化學(xué)清洗可以保持反滲透膜壓差較低，噸水可減排二氧化碳28g。回收率從69.6%上升到75%,噸水可減排二氧化碳28g。運(yùn)行溫度從15℃上升到25℃,則噸水可減排二氧化碳108g。(5)加熱器加熱效率從90%提高到98%,噸水可減排二氧化碳24g。采用新型的超低壓高通量膜，噸水可減排二氧化碳115g?；痣姀S可在設(shè)備選型、設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行方式優(yōu)化、濃水深度處理等多角度開(kāi)展節(jié)能工作，實(shí)現(xiàn)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行的深度減碳。(1)低壓高通量反滲