海水淡化反渗透系统的优化设计

第页海水淡化反渗透系统的优化设计1——MarkWilfPh.D.&KennethKlinko美国海德能(Hydranautics)公司【摘要】本文对海水淡化反渗透(RO)系统的设备投资及制水成本的发展趋势进行了评估。评估中采用的成本数据依据于最近公布的实际RO海水淡化装置的最新状态和操作运行信息。以地中海，大西洋及太平洋等三种代表性的实际海水作为给水水源，讨论了对影响过程经济指标的两个主要设计参数——系统水回收率和给水含盐量对系统能量消耗的影响进行了分析。本评估的目的是确定基于主要经济参数进行过程优化后提出的海水淡化RO系统在较高回收率下操作的经济可行性。优化的系统设计将与最近的三个大型海水淡化装置的设计进行比较，即以色列的Eilat-10,000m3/d的装置，塞浦路斯的Larnaca40,000m3/d和正在设计的美国佛罗里达洲Tampa-95,000m3/dRO装置。退出第页海水淡化反渗透系统的优化设计2【前言】近年来，利用反渗透技术进行海水淡化的经济成本已经不断改善，随着一次设备投资和运行能耗的降低，RO的制水成本已大大下降。制水成本下降的实例可举出最近建成或即将建成的三个大型(10,000~95,000m3/d)海水淡化项目：Eilat(以色列)、Larnaca(塞浦路斯)和Tampa(美国佛罗里达州)。在这些项目中，淡化水的产水成本明显的低于1.0美元/m3(3.8美元/千加仑)。产水成本的下降是一次设备投资减少和运行操作费用降低的结果。设备投资的减少是通过更好的系统设计和选择更好的结构材料实现的；动力消耗的降低是由于改善了高压泵和能量回收装置的效率和优化了与所需的RO进水压力直接相关的系统水回收率。在海水RO膜元件价格一定的条件下，RO产水成本主要取退出第页海水淡化反渗透系统的优化设计3【前言】退出决于系统设备造价和系统运行能量消耗。在海水淡化RO系统中，对设备投资和运行能量消耗影响最大的过程参数是系统水回收率。因为回收率与系统给水流量成反比，低回收率会直接造成所有过程设备尺寸变大，造价增加和动力消耗上升。但是在海水淡化RO系统中，水回收率是不能随意增加的。因为提高水回收率会引起系统平均给水含盐量上升，导致系统平均渗透压升高和产水含盐量增加。海水淡化RO系统的水回收率必须根据膜元件的性能和过程经济核算来优化确定。优化设计即选取合理的回收率的目的在于保证产水含盐量达到所定要求的前提下，降低设备造价即会引起操作费用上升这一矛盾中寻求平衡。当回收率增加时，系统给水流量随之减少，设备尺寸及成本下降，而系统动力消耗与回收率第页海水淡化反渗透系统的优化设计4【前言】退出的关系则表现为：随着回收率的增加，动力消耗先是逐渐降低，在某一“最佳”回收率下达到最低点，超过这一点后，则是随着回收率的增加而增加。由于增加回收率会引起系统内给水渗透压的增加，因而要求在高回收率下操作的海水淡化RO膜元件能够在较高压力下操作。随着海水淡化RO膜元件技术的发展，膜元件脱盐率不断提高，可在70巴(1000psi)高压下操作的RO膜元件已经上市，加之可在高压下直接驱动的段间增压泵的使用，这些都提供了优化RO系统操作参数的可行性。第页海水淡化反渗透系统的优化设计5【制水成本】退出在海水淡化RO系统中，制水成本主要由下列费用构成：设备折旧，能量消耗，化学药剂用量，膜元件更换。系统操作及维修费用。在过去的几年间，RO制水的成本随着上述各项费用的下降而下降。设备成本的降低是改善系统设计的结果；如果采用更加高效的预处理设备，简化配置设计，尽可能利用现有的海水供水设备等。例如通常将RO系统设置在正在运行的发电厂或海水蒸馏装置附近，尽量利用共同的取水及排水系统（冷凝器排放口）等。RO系统动力消耗的降低是因为使用了效率更高的高压泵，涡轮机，电机，同时使RO系统水回收率尽量接近动力消耗最低的数值点上。化学药剂（阻垢剂）的用量已经减少，这是由于认为在目前RO操作条件下，海水结垢的可能性是可以不考虑的。较高的水回收第页海水淡化反渗透系统的优化设计6【制水成本】退出率由于降低了浓水流量，因而也可降低化学药剂的投入量。降低膜更换成本与降低膜元件的成本以及订立长期合同减少膜的更换速率有关。系统的操作与维护由于系统控制的高度自动化和性能参数的远程测量而简化。Leitner曾给出过去20年间海水淡化RO系统的设备投资分析(2)(参见表1)。Leitner给出的项目一览表中包括以色列，美国和西班牙的一些大型项目，中东地区的多数项目是建设在以色列以外的其他国家。在Leitner所列项目中的设备成本范围从700美元/M3/天(美国佛州KeyWest)到2500美元/M3/天(沙特Jeddah)，其中大部分是1100美元/M3/天的水平上(以上三个数字分别为2.66，9.46和4.40美元/加仑/天)。Leitner评估了代表性的制水成本，在阿拉伯海表-1第页海水淡化反渗透系统的优化设计7【制水成本】退出湾地区，生产能力为23,000m3/d(6MGD)的系统，制水的成本为1.31美元/m3(4.97美元/千加仑)。1989年的这项水成本估价可以与现行的大型RO海水淡化率系统相比较。列入表1的项目包括最近投入运行的装置(Eilat)的制水成本和最近正在完成的项目(Larnaca和Cyprus)，以及不久将建设的项目(佛罗里达州Tampa)的控制水成本价。Eilat装置是一级系统，它处理混入当地苦咸水的红海海水(混合后的给水含盐量为36,000ppmTDS)，水回收率50%。用混合给水操作的目的是降低制水成本。因为这样可在较高回收率下操作，又可维持较低的给水压力。RO浓缩水的浓缩倍数已达极限。因此，今后在这个地区设置的海水淡化RO装置在全部使用海水(TDS大约为42,000ppm)时，水回收率只能设第页海水淡化反渗透系统的优化设计8【制水成本】退出计在45%。在Larnaca和Tampa设计的装置是二级RO。塞浦路斯Larnaca装置使用的是地中海海水(TDS约40,500ppm)，系统水回收率为50%。第二级RO即对第一级RO的产水进行再脱盐是为了减少水中硼元素的浓度，使之达到1ppm以下。在美国佛州Tampa地区，给水的含盐量是变化的，TDS从18000ppm到31000ppm。在给水含盐量和给水温度超过一定范围时，该系统被设计为部分两级RO，以保证产出水中的氯离子浓度低于100ppm。由于给水含盐量和温度变化范围宽，给高压泵系统的设计带来很多困难。为保证RO膜系统的给水压力可在相对宽的范围内变化，该系统采用了多台泵,电机变速驱动和产出水加背压等方法。第页海水淡化反渗透系统的优化设计9【反渗透过程的操作参数】退出海水淡化RO系统的操作参数大都是随给水含盐度和温度的不同而变化的，例如，对给水TDS约38,000ppm、水温在18~28℃的海水，RO系统的设计回收率为45~50%，平均产水通量7~9gfd(11.9~15.01/m2·hr)。在上述操作条件下，给水压力范围在800~1000psi(50~70巴)之间，产出水TDS在300~500ppm之间。在给定给水含盐量和膜元件脱盐率一定的情况下，产出水含盐量是随给水温度、回收率和产水通量变化的。给水温度提高的结果是盐和水扩散透过膜的速率将以每摄氏度(℃)增加3~5%的速率增加。因为通常RO装置是在给定产水通量下运行的，所以产出水含盐量的变化与给水温度的变化是密切相关的[1]。产出水含盐量与平均产水通量成反比。较高的产水通量会稀释透过膜的盐离子，由此导致产出水含盐第页海水淡化反渗透系统的优化设计10【反渗透过程的操作参数】退出量降低。在海水淡化系统中，在以地表海水为给水时，平均产水通量保持在较低值：7~9gfd(11.9~15.0L/m2·hr)；在以海边井海水为给水时，平均产水通量为：9~11gfd(15.3~17.0L/m2·hr)。两种水源类型之间在设计产水通量方面的差异是由于海边井水的水质较好，它对膜的污染速度较低。海水淡化的产水通量值是比较低的，通常只有苦咸水RO系统中的产水通量值的50%左右。如果在相当高的水通量下操作海水RO系统，常常引起水通量不可逆转的衰减。最近，随着膜元件脱盐率的提高，新的中小型海水RO系统的设计回收率已大为增加，目前在海水淡化RO系统的最大回收率限制主要依存于膜元件的脱盐率或产出水能否满足饮用水的水质要求。图1给出产出水含盐量与水回收率和产水通量的关系。图中计图-1第页海水淡化反渗透系统的优化设计11【反渗透过程的操作参数】退出算是针对地中海的TDS40,500ppm，给水温度20℃，回收率范围40~60%以及产水通量8~11gfd进行的。计算中膜元件脱盐率为99.7%。算出的产出水含盐量是按膜的透盐率增加30%给出的。即假设在膜寿命平均3年期间，每年透盐率增加10%。正如所预料的那样，较高的回收率需要在平均产水通量超过标准值的8gfd以上进行。这样可保持产出水TDS400ppm以下，特别是在进水温度较高的场合。以上的讨论说明，在设计海水淡化RO系统时应根据总产水成本确定最佳水回收率或根据现行的海水RO膜元件的性能和产出水水质要求确定水回收率。另外，在使用地表海水作给水时，有时是可以在高回收率下操作的。第页海水淡化反渗透系统的优化设计12【过程经济学】退出回收率是影响海水淡化RO系统经济性能的主要因素。全系统过程设备的尺寸均取决于给水或浓缩水流量。而给水流量和浓缩水流量均随着回收率的增加而减少。给水流量决定了给水系统的尺寸和给水泵的动力消耗。所有预处理设备，贮罐，增压泵，过滤设备和化学加药系统的大小都是根据给水量决定的。同样的考虑也适用于浓缩水配管和排放设备的选型。设计产水通量影响所用膜元件及压力容器的数量，管线连接和RO基架的尺寸。以下的模拟计算讨论了RO水回收率对设备投资和总制水成本的影响。模拟计算是对一个6MGD(22,700m3/d)规模的系统进行的，并对使用三种有代表性的海水水源进行了考察。参考的传统设计的成本估算数据主要是根据由G.Lcitner[2]、P.Shields和I.Moch[3]的数据。第页海水淡化反渗透系统的优化设计13【反渗透系统性能计算参数】退出评估计算使用了三种代表性的海水：地中海，TDS约40,500ppm；大西洋，TDS约38,500ppm和太平洋，TDS约34,000ppm。膜的性能计算按RO系统回收率40~70%进行。设备费评估均按地表海水给水计算，预处理采用二级重力过滤。设备成本数据采用文献[2,3]其它渠道和数据。第页海水淡化反渗透系统的优化设计14【系统成本】退出表2给出22700M3/天（6MGD）产水规模的海水淡化RO系统，用传统预处理方法时的设备成本计算时所用参数。作为比较用的基准计算所用的水回收率为45%。随着回收率的增加，设备尺寸及成本将随之降低，但成本降低的速率则随着回收率的增加而下降，在高回收率的终点，成本降低的速率降为最小。表-2第页海水淡化反渗透系统的优化设计15【RO所需的给水压力】退出RO所需的给水压力取决于给水的渗透压（给水TDS），给水温度和平均产水通量。图2给出在3种地表海水条件下的浓缩水渗透压与回收率的关系。图3给出在3种地表海水条件下RO所需的给水压力与回收率的关系。图中计算所用的平均产水通量为13.5升/M2.小时(8GFD)。膜配置为一级一段RO。对于二级RO系统，所需压力则更高，因为第二级RO会额外消耗一些压力。图-2图-3第页海水淡化反渗透系统的优化设计16【所需能量和制水成本】退出所需能量直接取决于给水压力和给水流量。较高的回收率需要较高的给水压力以克服增加的平均渗透压。另一方面，给水流量随回收率增加而减少。图4给出所需能量对回收率的关系曲线。能量包括给水泵、预处理系统和高压泵所消耗的电能。所需能量的最小值是在回收率约50~55%时出现并随进水TDS而变化。构成制水成本要素的能量消耗，化学药剂用量和设备投资均受到水回收率的影响。图5给出这三种影响制水成本的三要素的综合因子与回收率的关系曲线。因为化学加