2016, Vol. 33
2. 天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室, 天津 300072 ;
3. 天津化学化工协同创新中心, 天津 300072
2. Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China ;
3. Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
纳滤膜是20世纪80年代末发展起来的一种分离膜产品，特殊的孔径范围和具有荷电特性的表面特征决定了纳滤膜对海水中易结垢的2价离子具有良好的截留率[1, 2, 3]。基于此，纳滤膜分离技术(NF)既可以作为预处理单元为现有的膜法(如反渗透)或热法(如多级闪蒸)海水淡化提供低总固溶物含量(TDS)的优质进水，形成更具经济性的海水淡化集成技术[4, 5, 6]；又可以作为海水淡化的主体脱盐工艺，并以较低的能源消耗生产饮用水[7, 8]，因而近年来获得了日益广泛研究和市场推广应用。
中国海洋大学宋金玲等[7]和Harrison等[9]对采用两级纳滤替代反渗透海水淡化工艺生产饮用水的可行性进行了试验验证，结果表明，二级纳滤产水的TDS均降至200～300 mg·L-1，达到饮用水水质标准[10]。美国长滩市[11]采用两级海水纳滤脱盐工艺，在一级和二级纳滤操作压力分别为3.79 MPa和1.72 MPa条件下，实现系统产水TDS小于500 mg·L-1的淡化目标，且产水能耗较一级反渗透工艺降低了20%～30%。然而已报道的海水纳滤脱盐工程中，绝大多数并未采用能量回收装置(ERD)等节能措施[12, 13, 14]，而是将纳滤膜组件产生的富含压力能并占相当比例的浓水直接排放，造成了较大的能量损失。因此，考虑到海水纳滤脱盐系统在整个运行过程中的能量消耗，若在海水纳滤脱盐系统中耦合能量回收装置，将纳滤膜组件排放的高压浓水中的压力能高效率地传递给低压海水，则有望进一步降低纳滤脱盐系统的产水能耗，提升海水纳滤脱盐技术的优势，而相关耦合工艺的应用状况及节能分析却鲜有报道。
为了探究能量回收装置在海水纳滤脱盐系统中的应用状况及节能效果，本研究根据实际工程中海水纳滤脱盐系统的节能需求，自主设计了与系统工艺相匹配的能量回收装置产品，建立了“纳滤+能量回收”耦合工艺流程；并在系统进水水质为海水、运行压力为3.60 MPa的工况下，研究分析了自主能量回收装置产品与纳滤脱盐系统耦合的运行稳定性，及能量回收装置的引入对系统本体运行能耗降低的实际贡献率。
1 NF-ERD耦合工艺流程图 1为本研究工作采用的海水纳滤脱盐系统与能量回收装置耦合工艺流程。主要包括海水预处理、纳滤膜脱盐、能量回收系统3部分。
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| 图 1 海水纳滤脱盐系统工艺流程图 Fig. 1 The schematic diagram of seawater nanofiltration desalination system |
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系统进水为人工配制的标准海水，水质纯净，因此预处理部分仅采用了5 μm保安过滤器以保障海水原水的进水水质。经预处理后的海水一部分作为高压泵的原料给水，另一部分则直接供给能量回收装置。海水纳滤脱盐部分采用一级两段工艺方案，即原海水经一段纳滤脱盐后得到的浓水将作为二段纳滤的原水进行深度脱盐，一段和二段的产水汇合后共同作为系统的产品水进入产水箱。一段和二段纳滤膜组器则采用3+2膜壳布置方案，每根膜壳内均装有3支4英寸NF90纳滤膜元件。
由二段纳滤膜组件排出的高压浓水全部进入能量回收装置，经“压力能-压力能”传递方式将其中的压力能直接传递给等流量的低压海水，增压后的海水再经增压泵(Grundfos，BM3A-6N)提压至系统运行压力后与高压泵(Danfoss，APP2.2)加压后的海水汇合，共同作为纳滤膜组件的进料给水，而完成压力能交换的泄压浓水则直接排出装置。能量回收中增压泵的作用为对增压海水进一步加压，以弥补高压浓水流经纳滤膜组件及进行压力交换过程中的少量压头损失。
本实验工艺采用PLC控制方案实现系统内给水泵、高压泵、能量回收装置和增压泵等的自动和手动两种模式的启停操作控制。系统正常运行时采用自动控制模式，手动控制模式仅在系统调试阶段和故障检修阶段使用。此外，为保障海水纳滤脱盐装置的安全运行，PLC控制系统还设有多项保护措施，包括高压泵入口处的低压保护、纳滤膜组件的高压保护及原水箱和产水箱的高低液位保护等。考虑到系统监控和能耗分析需要，实验装置中还设置了诸如流量计、压力表、电导率仪及压力变送器等仪器仪表。
2 能量回收装置结构特点与工作原理本课题组自2000年开始开展海水淡化能量回收装置的研究和国产化开发工作。依托国家和天津市科技计划项目支持，全面掌握了能量回收装置的整机设计、加工制造和运行控制等成套技术，所研制的能量回收装置产品在工业测试条件下的能量回收效率高达98%，达到国外同类产品先进水平[15, 16, 17]。本研究工作中，即采用了自主设计的与海水纳滤脱盐工程实际需要相匹配的能量回收装置产品(见图 2)。
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| 图 2 能量回收装置结构示意图 Fig. 2 Structure diagram of the ERD |
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图 2中，能量回收装置主要由切换器、水压缸和止回阀组3部分组成。切换器的作用是实现进入和排出装置的高压浓水和泄压浓水间规律性流向切换，是能量回收装置的核心执行部件。水压缸是高压浓水和低压海水实现压力能交换的场所，为防止这两股不同盐度流体间的混合行为，每个水压缸内均设置了可自由往复运动的实体隔离活塞。止回阀组主要用来引导低压海水和增压海水规律性的输入和排出装置，并可根据阀门两侧的压力差实现自动打开和关闭作业。图 3为能量回收装置在纳滤系统中的现场照片。
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| 图 3 能量回收装置在纳滤系统中的实物图 Fig. 3 On-Site photograph of ERD in the nanofiltration system |
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能量回收装置的工作过程包括增压冲程和泄压冲程两个环节。当切换器处于前进工作位时(如图 2所示)，由纳滤膜组件排出的高压浓水通过切换器高压浓水进口及流通孔1进入1#水压缸，推动水压缸内的活塞向右运动，并对已充满水压缸内的低压海水进行增压做功，完成压力能的交换。增压后的海水即增压海水由止回阀组排出，此为增压冲程；与此同时，低压海水通过止回阀组进入2#水压缸，推动水压缸内的活塞向左端运动并将泄压浓水经切换器出口2排出，此为泄压冲程。当1#、2#水压缸各自完成增压冲程和泄压冲程后，切换器在液压缸的驱动下切换至后退工作位，两支水压缸内的工作冲程实现交替。能量回收装置即通过水压缸内增压冲程和泄压冲程周期性循环交替实现对高压浓水压力能的连续回收利用。
3 能量回收装置工程应用分析 3.1 脱盐系统参数监测与分析表 1为海水纳滤脱盐系统在海水原水温度为30 ℃及系统稳定运行工况下监测和记录的系统运行数据。
| 项目 | 流量/(m3·h-1) | 压力/MPa |
| 低压总海水 | 4.20 | 0.25 |
| 高压海水 | 1.80 | 3.60 |
| 总产水 | 1.80 | |
| 高压浓水 | 2.40 | 3.51 |
| 增压海水 | 3.44 | |
| 泄压浓水 | 2.40 | 0.18 |
由表 1可知，系统低压海水的总进水量为4.20 m3·h-1。经高压泵加压的海水压力为3.60 MPa，此即纳滤膜组件的操作压力。系统总产水为1.80 m3·h-1，因此通过系统总产水与总进水间的比值，计算得到的系统产水收率为42.85%。因此可知，有约57%的系统给水以高压浓水的形式被能量回收装置回收利用。
3.2 脱盐系统稳定性分析为了更直观的评价分析“纳滤脱盐+能量回收装置”耦合海水淡化系统的运行稳定性，实验过程中通过管路上安装的压力变送器，采集和保存了系统稳定运行时高压浓水压力及增压海水压力随时间的变化曲线，如图 4和图 5所示。图 4和图 5中高压浓水为由二段纳滤膜组件排放的浓水，增压海水为能量回收装置增压后的海水。
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| 图 4 高压浓水压力变化曲线 Fig. 4 Pressure variation curve of high-pressure brine |
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| 图 5 增压海水压力变化曲线 Fig. 5 Pressure variation curve of pressurized seawater |
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由图 4和图 5压力变化曲线可知，一方面，高压浓水的运行压力曲线近似为1条直线，说明能量回收装置能够较好满足系统浓水处理负荷要求，无浓水处理不及时引起的憋压现象发生，且较好的实现了与海水纳滤脱盐系统耦合运行的稳定性。另一方面，由于高压浓水是驱动增压海水排出能量回收装置的唯一动力源，因此增压海水的运行压力曲线与高压海水的曲线总体上保持一致，显示出较好的同步变化规律，说明能量回收装置自身的运行稳定性也很好。此外，通过2条压力曲线对比可以发现，2条压力曲线之间的差值仅为0.07 MPa，这说明能量回收装置压力交换过程及流通阻力较小，较好的保障了装置的高效率运行。
根据表 1所列的系统监控数据和能量回收装置内流量平衡关系，即高压浓水的流量等于增压海水的流量，泄压浓水的流量等于低压海水的流量，结合能量回收效率的计算公式(1)[17]，可知本研究工作中采用的能量回收装置与纳滤脱盐系统耦合运行后的能量回收效率高达96.28%，这充分验证了所设计的能量回收装置产品在纳滤系统中运行的可行性及高效性。
| $$\eta = \frac{{{P_{{\rm{so}}}}{Q_{{\rm{so}}}} + {P_{{\rm{bo}}}}{Q_{{\rm{bo}}}}}}{{{P_{{\rm{ai}}}}{Q_{{\rm{ai}}}} + {P_{{\rm{bi}}}}{Q_{{\rm{bi}}}}}} \times 100\% $$ | (1) |
为了评价和考证能量回收装置的引入对海水纳滤脱盐系统能耗降低的实际贡献率，对比分析了耦合能量回收装置的海水纳滤脱盐系统与无能量回收装置系统的本体运行能耗(见表 2)，公式(2)[18]为系统中所采用的泵的功耗计算公式。此外，在计算系统能耗的过程中，仅考虑了系统的本体能耗，即脱盐和能量回收两个部分的能量消耗，同时忽略了由于水质不同对高压泵和增压泵功耗的影响及能量回收装置在间歇短暂的水压驱动切换过程中所消耗的微量高压浓水。通过分析脱盐和能量回收两个部分中高压泵和增压泵的电能消耗即可计算得出系统的本体能耗。
| $${P_{功率}} = \frac{{PQ}}{{3.6{\eta _1}}}$$ | (2) |
| 项目 | 有ERD的海水纳滤脱盐系统 | 无ERD的海水纳滤脱盐系统 | |
| 高压泵Ⅰ | 增压泵 | 高压泵Ⅱ | |
| 流量/(m3·h-1) | 1.80 | 2.40 | 4.20 |
| 压力/MPa | 3.60 | 0.29 | 3.60 |
| 效率η1/% | 78.0 | 50.8 | 87.0 |
| 功耗/kW | 2.31 | 0.38 | 4.83 |
在保持与耦合能量回收装置系统相一致的运行工况下，即两系统中进入膜组件原水的流量、压力、水质及温度一致，对无能量回收装置系统的本体能耗进行了理论计算。此时，进入膜组件的原水全部由高压泵供给，根据其流量优选了与此操作工况相匹配的最佳高压泵型号(Danfoss，PAHT50)，并根据此高压泵在最大效率值下运行时的功耗理论推算系统的本体能耗。
通过表 2所列数据，对比分析两系统的本体运行能耗可知，能量回收装置的引入使得海水纳滤脱盐系统的本体能耗降低了2.14 kW，降低的比例为44%，由此可说明能量回收装置在纳滤脱盐系统中的应用显著降低了系统的本体能耗，对系统的节能效果明显。
4 结论1)建立了能量回收装置与海水纳滤脱盐系统耦合运行工艺，实现了自主开发的能量回收装置产品在海水纳滤脱盐系统工程中的推广应用和稳定运行。
2)能量回收装置在海水纳滤脱盐系统中获得了高达96.28%的能量回收效率，对系统本体运行能耗降低的实际贡献率可达44%，节能效果显著，具有广阔的市场推广前景。
符号说明：
Pbi——高压浓水压力，MPa；
Pbo——泄压浓水压力，MPa；
Psi——低压海水压力，MPa；
Pso——增压海水压力，MPa；
Qbi——高压浓水流量，m3·h-1；
Qbo——泄压浓水流量，m3·h-1；
Qsi——低压海水流量，m3·h-1；
Qso——增压海水流量，m3·h-1；
η ——能量回收效率；
η1——泵效率。
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