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，導致了一系列全球環(huán)境和氣候問題。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、自動化程度高、適應(yīng)范圍廣、藥劑使用量少等優(yōu)點，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)境效益和社會效益1能耗及熱耗量反滲透系統(tǒng)運行能耗主要為水泵和攪拌機的電能以及進水加熱的熱能。相比反滲透系統(tǒng)其他水泵和攪拌機的電耗，高壓泵和進水泵是反滲透系統(tǒng)的主要電耗，也是反滲透系統(tǒng)降耗減碳工作的重點目標。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，總運行功率是146.61kW,其中高壓泵功率是90kW,占總功耗的61.4%;進水泵功率是44kW,占總功耗的30%。因此高壓泵、進水泵是整個反滲透系統(tǒng)節(jié)能減碳的重點。除電能外，反滲透系統(tǒng)運行過程中也會消耗熱能，用于加熱進水。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。在冬季進水水溫為10～15℃時，投運蒸汽加熱器，將水溫加熱到20～25℃,如溫升10K,系統(tǒng)1小時要消耗4200MJ的熱能，折合11.67kW/(t·K)(按照換熱效率100%計算)。在發(fā)電廠中，除鹽水送進鍋爐前本身要逐級加熱到200℃以上，所以反滲透系統(tǒng)進水加熱，只是提前增加了鍋爐進水的焓值，后續(xù)管路保溫做好的話加熱除鹽水耗費蒸汽的熱量并沒有浪費，而是帶進了鍋爐中。進水溫度與反滲透膜組件產(chǎn)水量正相關(guān)，反滲透運行溫度升高是有節(jié)能效益的。如圖1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在15～40℃范圍內(nèi)，進水溫度每上升1℃,膜組件產(chǎn)水量平均增幅為3.1%。因此通常設(shè)置進水加熱裝置(多為蒸汽加熱裝置),在冬季進水水溫偏低時，將水溫提升至20～25℃,以確保反滲透系統(tǒng)的水處理效率。加熱器會因為結(jié)垢、堵塞等原因造成換熱效率降低，每下降1%就會造成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。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，使得運行壓力過高、能耗較大。在反滲透系統(tǒng)運行中，對進水泵、高壓泵進行變頻改造，保持流量一定的情況下，將高壓泵運行頻率由50Hz降至30～45Hz,降低了運行壓力，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，每次啟動運行頻率為50Hz,泵實際功率為36.15kW。變頻改造后高壓泵運行頻率為35.3Hz,泵實際消耗功率為15.6kW。在不影響水處理效果的前提下，高壓泵節(jié)電達到20.55kW,相應(yīng)減排二氧化碳5281g,節(jié)電率達到56%,反滲透進水泵也進行變頻改造后，系統(tǒng)總節(jié)電超過50%(見圖2)。反滲透系統(tǒng)的按照噸水平均電耗1.8kWh計算，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行中的濃水壓力一般都較高，苦咸水系統(tǒng)一般達到0.5MPa以上，但是一般直接排掉，能量都浪費掉了；海水反滲透的濃水壓力更是達到4MPa以上，濃水余壓能量很高。一般情況下，對系統(tǒng)進行優(yōu)化后可對濃水的余壓進行能量回收，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)動透平轉(zhuǎn)動，將壓力能轉(zhuǎn)化為機械能后再輔助同軸的電機驅(qū)動高壓泵旋轉(zhuǎn)，從而降低電機能耗。這種能量回收裝置與高壓泵串聯(lián)安裝，無需增設(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，按照能量傳遞過程的實現(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。采用高壓濃水對低壓原海水直接增壓，通過水壓能的直接傳遞，實現(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，通過降低高壓泵流量實現(xiàn)節(jié)能，具有安全穩(wěn)定、體積小、效率高、能耗低的特點，目前在新建的反滲透海水淡化系統(tǒng)廣泛采用(見圖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(見圖4):一段反滲透膜組成13×6的排列，進水壓力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)，二段濃水壓力達到0.85MPa,后進行優(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，回收到高壓泵進口，相應(yīng)減小進水泵負荷20t/h,節(jié)能效率是17%。而且回收的水電導率是967μS/cm,比原水電導率(3990μS/cm)還低，有利于減輕總體進水含鹽量。2.3反滲透膜清洗技術(shù)應(yīng)用反滲透膜在運行過程中易發(fā)生污堵和破損問題，不僅會影響水處理效果，也會影響系統(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行壓力，引起能耗增加。發(fā)生污堵后需對反滲透膜及時清洗，實現(xiàn)污染物去除、膜通量恢復、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小時內(nèi)由0.051MPa快速上升至0.174MPa(見圖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%。對反滲透膜、進水管道、進水保安過濾器進行殺菌處理后，反滲透膜性能得到恢復，噸水處理平均電耗降至1.50kWh,噸水二氧化碳減排28g。設(shè)計研發(fā)表面改性的抗污染反滲透膜材料是反滲透膜性能維護的另一研究方向。開發(fā)吸附型和抑菌型反滲透膜，降低反滲透膜的運維能耗和成本，不犧牲膜通量和截留率解決反滲透膜污染問題，是未來反滲透系統(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)計值通常為75%。反滲透系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)回收率隨運行工況和來水水質(zhì)發(fā)生動態(tài)變化，當回收率大幅偏離設(shè)計值時將出現(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)計進水50t/h,產(chǎn)水37.5t/h,回收率設(shè)計值為75%,正常運行狀態(tài)下噸水處理電耗約1.45kWh。后受來水水質(zhì)波動影響，產(chǎn)水出力下降至34.8t/h,回收率下降至69.6%,計算得到噸水處理電耗為1.56kWh,增大至原來的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)垢對換采用的影響加熱器的投運能夠提升反滲透系統(tǒng)進水溫度，通過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)加熱器投運對系統(tǒng)電耗的影響。根據(jù)性能測試數(shù)據(jù)，反滲透進水溫度越高噸水節(jié)約的電耗和實現(xiàn)的減碳效果越顯著，30℃時的產(chǎn)水量是15℃時的1.5倍以上，噸水節(jié)約電耗達0.43kWh,噸水減碳111g。當然反滲透運行水溫升高后，其脫鹽率也會有相應(yīng)的下降，因此綜合考慮一般運行溫度設(shè)置在20～25℃為宜。加熱器運行過程中加熱器水側(cè)可能發(fā)生結(jié)垢，對換熱效率有顯著的影響。當加熱器結(jié)垢厚度達到1mm時，其換熱效率下降到原來的92%。從表4計算可知，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，定期對加熱器進行清洗維護，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、膜通量和進水壓力要求，反滲透膜的選型對反滲透系統(tǒng)的整體能耗有較大影響。表5為相同某品牌不同型號反滲透膜額定膜通量、額定進水壓力、噸水處理電耗的關(guān)系。比較1～3號膜和4～6號膜，在相同進水壓力(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)定期及時的化學清洗可以保持反滲透膜壓差較低，噸水可減排二氧化碳28g?；厥章蕪?9.6%上升到75%,噸水可減排二氧化碳28g。運行溫度從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、運行方式優(yōu)化、濃水深度處理等多角度開展節(jié)能工作，實現(xiàn)反滲透系統(tǒng)運行的深度減碳。(1)低壓高通量反滲