深井勢能在膜法海水淡化中的應(yīng)用

趙平月 李紀(jì)龍 劉進(jìn)峰

（山東裕龍石化有限公司，山東 龍口 265700）

0 引言

海水淡化技術(shù)作為淡水開源增量的技術(shù)，在應(yīng)對全球水資源緊缺的過程中起到了不可替代的作用［1-5］。常用的海水淡化技術(shù)有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）、反滲透技術(shù)（RO），以上3種技術(shù)在相關(guān)的工程領(lǐng)域已經(jīng)獲得較好的實(shí)際商業(yè)化效果，技術(shù)相對成熟，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，到2018年不完全統(tǒng)計(jì)，RO、MSF、MED技術(shù)應(yīng)用分別占全球總產(chǎn)能的54%、31%、10%。從20世紀(jì)90年代中期開始，RO海水淡化年新增產(chǎn)能開始超過熱法海水淡化技術(shù)。2013年開始全球累計(jì)已有海水淡化產(chǎn)能中，RO法超過總產(chǎn)能的一半。我國海水淡化技術(shù)中RO和MED占總產(chǎn)能的絕大部分，分別為63.6%和35.94%。未來很長時(shí)間內(nèi)膜法海水淡化依舊是制取淡水的主要技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化手段仍應(yīng)從膜的性能和能量替代方式等方面進(jìn)行開展。

1 海水淡化工藝

1.1 海水淡化方法

1.1.1 多級閃蒸（MSF）。海水依次流過壓力逐漸降低的閃蒸室，由于海水溫度高于對應(yīng)閃蒸室內(nèi)飽和蒸汽溫度，海水由此變?yōu)檫^熱態(tài)，經(jīng)過收集后冷凝成為淡水，充分利用了海水潛熱的性能，是多效蒸餾易結(jié)垢的技術(shù)改革，在熱法海水淡化中技術(shù)最為成熟，一般適用于較大規(guī)模制取淡水的工藝體系，工藝規(guī)模在2萬m3/d～6萬m3/d。但是耗電量較大，一般為3.5～4.4 kW·h［6］。海水通常需要被加熱到90～115℃。MSF裝置每生產(chǎn)8～10 kg淡水，需要l kg低壓蒸汽［7］。

1.1.2 多效蒸餾（MED）。多效蒸餾是利用前一效海水蒸發(fā)出的淡水蒸氣進(jìn)一步蒸發(fā)后一效的海水，通過逐級蒸發(fā)過程降低能耗并提高產(chǎn)量，是熱法海水淡化中較節(jié)能的方法之一，主要是利用水蒸氣的汽化潛熱，其特點(diǎn)是鹽水的蒸發(fā)溫度不超過70℃［8］，減緩了設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢問題，同時(shí)由于使用了廉價(jià)傳熱材料，使得同樣的投資規(guī)?？梢园才鸥嗟膫鳠崦娣e，即使在低溫操作段也可以達(dá)到較高的造水比（可達(dá)到10）。多效蒸餾技術(shù)裝置的規(guī)模一般為5 000～250 000 m3/d，且市場占有率為4%左右。

1.1.3 反滲透（RO）。反滲透法主要利用了膜的選擇透過性和外加推動(dòng)力聯(lián)合作用，使得海水中的水透過反滲透膜，海水中的溶質(zhì)被截留的過程。反滲透技術(shù)使用范圍較為廣泛，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)以壓力為驅(qū)動(dòng)力的膜分離技術(shù)，70年代進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。1 kg的蒸汽可以獲得1～10 kg的淡水。為了得到更好的能源效益，蒸汽壓縮（TVC）和機(jī)械蒸汽壓縮（MVC）引進(jìn)MED系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，通過蒸汽的回收和利用提高造水比。在海水淡化的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域MSF和MED也被聯(lián)合使用，獲得了較好的制水效果［9］。

3種海水淡化技術(shù)的比較情況如表1所示。

表1 3種海水淡化技術(shù)比較［10-11］

1.2 反滲透能耗

能量回收裝置是膜法海水淡化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，目前能量回收裝置分為水力渦輪式和功交換式，水力渦輪式的能量轉(zhuǎn)換方式為“壓力能—機(jī)械能—壓力能”，轉(zhuǎn)換效率為40%～70%；功交換式的能量轉(zhuǎn)換方式為“壓力能—壓力能”，轉(zhuǎn)換效率為90%以上。功轉(zhuǎn)換式的轉(zhuǎn)換效率較高，但是裝置目前依舊是國外壟斷技術(shù)，所需費(fèi)用較高，占膜法海水淡化總投資的10%～15%，國內(nèi)的能量回收裝置ER-CY和ER-DY一般僅應(yīng)用于小規(guī)模的膜法海水淡化系統(tǒng)，目前費(fèi)控的突破點(diǎn)在能量回收裝置的技術(shù)突破和新能源的利用。近些年，深井勢能在采礦等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，深井勢能在海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用將有效控制淡水生產(chǎn)成本，從根本上解決國內(nèi)海水淡化造價(jià)高等難題。

我國海水淡化中的進(jìn)水壓力一般為5.0～6.0 MPa，膜組件中濃水的排放壓力一般為4.6～5.5 MPa，SWRO的回收率一般為40%～45%，濃水中將會有55%～60%的能量可以被重新利用。根據(jù)美國ERI公司生產(chǎn)的PX能量回收中耗電量、膜通量、能量回收率之間的關(guān)系可知（見圖1），膜通量越高耗電量整體越高，在膜通量為15 gfd，當(dāng)能量回收裝置的效率為40%～43%范圍內(nèi)變化時(shí)，耗電量較低為3 kW·h，當(dāng)回收率在區(qū)間外時(shí)耗電量可以達(dá)到3.3 kW·h，所以即使對濃水中的能量進(jìn)行了回收，海水淡化系統(tǒng)依舊投資較高，昂貴的進(jìn)口設(shè)備費(fèi)用和耗電量的投入占據(jù)了海水淡化系統(tǒng)的較大資金份額。我國萬噸級以上海水淡化工程平均產(chǎn)水成本為6.95元/m3，千噸級海水淡化工程平均產(chǎn)水成本為8.15元/m3［12］。應(yīng)用反滲透海水淡化工藝的海水淡化成本約為4.03～6.87元/m3，應(yīng)用MED工藝的海水淡化成本約為5.61～7.36元/m3［13］。

圖1 耗電和回收率的關(guān)系

2 深井勢能的應(yīng)用

深井勢能作為大自然的清潔能源，近些年被廣泛挖掘利用，提供如下兩個(gè)案例作為參考，一是深井勢能驅(qū)動(dòng)礦山鑿巖掘進(jìn)，利用地面與鑿巖掘進(jìn)工作面之間的天然落差勢能而產(chǎn)生的流體壓力能，控制設(shè)備及流量調(diào)節(jié)裝置后去驅(qū)動(dòng)鑿巖機(jī)械等掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備工作，同時(shí)通過廢水回收處理裝置將驅(qū)動(dòng)鑿巖機(jī)械等工作后的深井勢能降低，代替了電能的消耗且安全環(huán)保；二是地表水勢能的深井礦山輔助排水，深井勢能驅(qū)動(dòng)活塞連桿向下運(yùn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)使污水缸中的活塞向上運(yùn)動(dòng)，將污水提升，凈水缸和污水缸均有進(jìn)水和排水兩個(gè)沖程，同一時(shí)間兩個(gè)凈水缸總是分別進(jìn)行進(jìn)水沖程和排水沖程，以及兩個(gè)污水缸中總是分別進(jìn)行進(jìn)水沖程和排水沖程，使得裝置連續(xù)進(jìn)水并提升污水。裝置將深井開采供水系統(tǒng)中來自地表的高勢能水作為井下提升污水的動(dòng)力來源，實(shí)現(xiàn)深井開采節(jié)能、降低成本的目的，且不影響井下用水水質(zhì)。

目前山東省煙臺市已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用案例，通過對海水自身重力的利用，在25 000 m3/d的項(xiàng)目中，由常規(guī)海水淡化耗電量4 kW·h、淡水成本4.6元/t，降至耗電量2.5 kW·h、淡水成本3.6元/t。

2.1 深井勢能在海水淡化中的應(yīng)用

2.1.1 膜法海水淡化的工藝說明。膜法海水淡化工藝包括進(jìn)水預(yù)處理、膜前處理、膜后處理，膜前采用加入混凝劑和絮凝劑使得海水中的膠體、懸浮物被沉降去除，加入次氯酸鈉對海水進(jìn)行殺菌滅藻，濁度一般降至5 NTU以下。反滲透膜主要截留水體中的陰陽離子，當(dāng)水體中的較大膠體、大分子有機(jī)物、藻類、細(xì)菌較多時(shí)會對反滲透膜造成污染和堵塞，所以在反滲透膜之前設(shè)置V型濾池和超濾裝置對其進(jìn)行膜前預(yù)處理，超濾膜的過濾精度一般為0.1 mm，超濾膜出水的污染指數(shù)SDI一般在3以下，減輕后續(xù)反滲透膜的處理負(fù)荷，延長膜的清洗周期。超濾水箱出水進(jìn)入反滲透膜前加入阻垢劑并設(shè)置保安過濾器對水中的懸浮物進(jìn)一步去除，加入還原劑對超濾出水中的余氯進(jìn)行去除并通過氧化還原電位進(jìn)行檢測，加藥處理的水自流進(jìn)入深井系統(tǒng)，通過深井勢能轉(zhuǎn)化為壓力能對反滲透膜進(jìn)行加壓，反滲透進(jìn)水壓力一般為5.0～6.0 MPa，濃水壓力一般為4.6～5.0 MPa，濃水和產(chǎn)水分別通過管道及管道提升泵運(yùn)至井上，濃水和循環(huán)水冷卻水一同排入海洋，產(chǎn)水進(jìn)入陽床、脫碳塔、陰床后的水為一級除鹽水，SiO2濃度在100 μg/L以下，電導(dǎo)率在5 μs/cm以下；經(jīng)過混床處理后的二級除鹽水SiO2濃度在20 μg/L以下，電導(dǎo)率在0.2 μs/cm以下，二級除鹽水用泵打入生產(chǎn)管網(wǎng)，反滲透膜的進(jìn)水二級鹽水在進(jìn)入二級除鹽水箱的水管要放低，防止水的硬度太低，在水降落過程中吸收二氧化碳導(dǎo)致電導(dǎo)率上升腐蝕管道。

2.1.2 過膜后壓力分配。如圖2所示，膜法海水淡化的進(jìn)水壓力較大，一般為4.77～4.78 MPa，濃水側(cè)的殘留壓力一般為4.69～4.7 MPa，產(chǎn)水壓力為0.079～0.080 MPa。由圖2可知，海水經(jīng)過反滲透膜后濃水側(cè)的壓力依舊較大，海水淡化產(chǎn)水只是損耗了少量壓力，該部分壓力的放棄導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，能量裝換器的出現(xiàn)從一定角度實(shí)現(xiàn)了能量的再次利用，但是能量裝換器的成本較高，從整體海水淡化成本考慮，海水淡化制水總價(jià)、單價(jià)都較高。

圖2 反滲透膜的壓力

2.1.3 壓力和高度的關(guān)系。水柱為10.33 m時(shí)，壓力為1 kg，即0.1 MPa，如表2所示，當(dāng)高度為100 m時(shí)，壓力為1 MPa；當(dāng)高度為200 m時(shí)，壓力為2 MPa；當(dāng)高度為600 m時(shí)，壓力為6 MPa。從表2反映的規(guī)律看出，壓力隨著高度的增大而增大，高度越大壓力越大，所以可以根據(jù)高度和壓力的正相關(guān)規(guī)律，利用其高度差對壓力進(jìn)行資源化利用。

表2 高度和壓力的關(guān)系

2.1.4 深度和溫度的關(guān)系。如表3所示，隨著井深度的增加，井下環(huán)境的溫度呈上升的趨勢，當(dāng)井深為600 m時(shí)，環(huán)境溫度為18～37.5℃，當(dāng)井深為1 000 m時(shí)，環(huán)境溫度為100℃，反滲透膜的最低進(jìn)膜溫度為5～8℃，井下作業(yè)可以保證冬季反滲透膜也具有較好的制水效果，實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，不會因?yàn)榫诇囟入S深度的變化對膜過濾性能產(chǎn)生影響。并且膜法海水淡化的最佳膜性能的溫度范圍為20～40℃，地深在1 000 m時(shí)膜溫度正好在25～50℃的溫度區(qū)間內(nèi)。

表3 地深和溫度的關(guān)系

2.1.5 深井勢能用于海水淡化。如圖3所示，系統(tǒng)包括一深井，深井底部設(shè)有反滲透膜裝置，反滲透膜裝置頂部連接一進(jìn)水管道，進(jìn)水管道入水口位于深井口之上，反滲透膜裝置左側(cè)連接有淡水出水管，右側(cè)孔連接有濃水出水管，淡水出水管和濃水出水管出口位于深井之上，淡水出水管上設(shè)有淡水潛水泵，濃水出水管上設(shè)有濃水出水泵，淡水出水管上位于反滲透膜裝置與淡水潛水泵之間，以及濃水出水管上位于反滲透膜裝置與濃水潛水泵之間，分別設(shè)有單向閥，根據(jù)海水通過反滲透膜壓力削減規(guī)律，井深設(shè)計(jì)為800 m，淡水潛水泵距井口位置為500 m，濃水潛水泵距井口位置為100 m。設(shè)計(jì)海水的滲透壓為6 MPa，當(dāng)水柱為10.33 m時(shí)，壓力為1 kg，即為0.1 MPa，所以6 MPa的壓力大概需要619.8 m的水柱，所以深井中反滲透膜進(jìn)水管道長度設(shè)計(jì)為600 m，濃水側(cè)的壓力為5.0 MPa，即500 m，濃水通過低壓泵距離井口100 m進(jìn)行提升方可，濃水管道提升泵距離井口設(shè)置100 m，產(chǎn)水側(cè)的壓力不大于1 MPa，即小于100 m，所以淡水側(cè)低壓泵取水口距離井口的距離至500 m。利用深井勢能，對膜法海水淡化中的高壓泵及能量交換裝置進(jìn)行替代，同時(shí)獲得較大經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

圖3 深井勢能用于海水淡化

2.1.6 濃海水排放。在項(xiàng)目整體部署中濃海水和閉式循環(huán)水等裝置產(chǎn)生的溫海水于裝置紅線外進(jìn)行混合，通過母管進(jìn)行深海排放，在排放過程中嚴(yán)格控制排水含鹽量及排水溫度，根據(jù)海洋生態(tài)系統(tǒng)對鹽分的要求及各地區(qū)的海水溫升的不同合規(guī)排放，保證排水不影響海洋生物的生長繁殖。

3 結(jié)論

①海水淡化技術(shù)多達(dá)20余種，被商業(yè)化應(yīng)用的方法主要有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）、反滲透技術(shù)（RO）等，近些年，海水淡化技術(shù)領(lǐng)域反滲透海水淡化方法市場占有額達(dá)一半以上。海水淡化技術(shù)濃水中55%～60%的能量在濃水側(cè)，目前美國公司的PX能量交換器使用廣泛，但是價(jià)格昂貴，能源耗費(fèi)較大。

②深井勢能是大自然的清潔能源，逐漸被人類在各種領(lǐng)域進(jìn)行開采利用，考慮RO反滲透較大能量耗費(fèi)，提出深井勢能用于海水淡化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)膜前管道長600 m，濃水側(cè)提升泵距離井口100 m，淡水側(cè)提升泵距離井口500 m，淡水出水再經(jīng)過井上部分的陽床、除碳器、陰床、混床成為二級除鹽水。擺脫對進(jìn)口設(shè)備的依賴，并減少了電能的消耗，同時(shí)獲得了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，具有較可觀的市場前景。