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海水淡化反渗透系统的优化设计1——MarkWilfPh.D.&KennethKlinko美国海德能美国海德能(Hydranautics)公司公司【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70