ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕГРИРОВАНИЯ АБСОРБЦИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМУ ТЕРМИЧЕСКОГО ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

TECHNICAL SCIENCES

INVESTIGATION OF EFFICIENCY OF ABSORPTION HEAT PUMP INTEGRATION INTO SEAWATER THERMAL DESALINATION SYSTEM

Agamaliyev M.

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of "Energy Production Technology" of Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku

Ahmadova D. Doctor Philosophy in Engineering, Assistant of the Department of "Energy Production Technology" of Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku.

Mamedbekova R.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of "Energy Production Technology" of

Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕГРИРОВАНИЯ АБСОРБЦИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМУ ТЕРМИЧЕСКОГО ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ

Агамалиев М.М.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии производства энергии» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности, г.Баку.

Aхмедова Д.А. Доктор философии по технике, ассистент кафедры «Технологии производства энергии» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности, г.Баку.

Мамедбекова Р.Г. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии производства энергии» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности, г.Баку.

Abstract

The article deals with issues of increasing efficiency of the process of single-stage thermal desalination of seawater by using an absorption heat pump for compression of secondary steam, as well as organization of the distillation process in the field of high temperatures and evaporation rates. The resulting task of preventing scale formation is CaSO4 proposed to be solved by preliminary nanofiltration softening. Results of computer simulation of mathematical model of investigated system are given. Аннотация

В статье рассматриваются вопросы повышения эффективности процесса одноступенчатого термического опреснения морской воды путем использования абсорбционного теплового насоса для сжатия вторичного пара, а также организации процесса дистилляции в области высоких температур и кратностей упаривания. Возникающую при этом задачу по предотвращению образования накипи CaSO4 предлагается решить предварительным нанофильтрационным умягчением. Приводятся результаты компьютерной симуляции математической модели исследуемой системы.

Keywords: high-temperature desalination, absorption heat pump, nanofiltration, computer simulation. Ключевые слова: высокотемпературное опреснение, абсорбционный тепловой насос, нанофильтра-ция, компьютерная симуляция.

Введение. С ростом населения нашей планеты растет потребность в пресной воде. Мировые водные ресурсы представлены в основном солеными водами: 97,5%. На долю пресных вод приходится лишь 2,5% мировых запасов и только 0,3% из них доступно для людей [1]. Однако и эти скудные запасы пресной воды распределены крайне неравномерно. Из этих обстоятельств и вытекает одна из актуальных проблем современности - восполнение

дефицита пресной воды путем опреснения соленых вод, запасы которых практически неисчерпаемы.

Как известно, под опреснением понимают уменьшение солесодержания воды до уровня менее 1 г/л при исходном солесодержании 35 г/л - стандартная океаническая вода, около 13 г/л - каспийская вода, около 18 г/л - черноморская вода. Современные технологии опреснения подразделяются на две основные группы: термическую и мембранную.

К первой относятся технологии одно- и многоступенчатой термической дистилляции с испарителями кипящего типа, и мгновенного вскипания, ко второй - технологии обратного осмоса и электродиализа [1].

Термическое опреснение предусматривает фазовое превращение воды и поэтому характеризуется высокими тепловыми затратами - от 2200 кДж/кг на одноступенчатых установках до 150^200 кДж/кг на многоступенчатых. Несмотря на это, такие достоинства термического опреснения как возможность получения глубоко обессоленной воды (с удельной электропроводностью до 10 мкСм/см), слабая зависимость технологических показателей от солесодержания исходной воды, а также наличия в ней примесей органического и биологического характера обуславливают достаточно широкое применение этой технологии в настоящее время и делают актуальным повышение ее эффективности. На одноступенчатых опреснительных установках с поверхностными испарителями на долю тепловых затрат приходится около 50%-ов себестоимости опресненной воды. Между тем такие установки представляют большой интерес для децентрализованного водоснабжения отдельных приморских объектов с охватом сегмента низких производи-тельностей: 200^1500 т/сут [2].

Анализ литературных данных показывает, что одним из рациональных путей снижения тепловых затрат на термическое опреснение является компрессия вторичного пара с последующим использованием его в качестве первичного пара и отводом поученного дистиллята в качестве целевого продукта. Такая компрессия достигается посредством тепловых насосов: механического, термического, абсорбционного и адсорбционного. Наиболее значимые исследования в этой области выполнены Hisman El-Dessouky с соавторами [3, с. 110], A.K. El-Feky [4], Ji J.G. c соавторами [5] и другими. Из указанных методов компрессии пара наименее изученным является паровая компрессия с использованием абсорбционных тепловых насосов (АБТН). Между тем отмечаются такие достоинства этого теплового насоса, как отсутствие движущихся частей, возможность использования как отработанных паров, так и продуктов сгорания топлива, солнечной энергии. На примере океанической воды показано, что при температуре кипения в одноступенчатом испарителе - 750С и кратности упаривания - 1,8 с использованием АБТН для компрессии вторичного пара, коэффициент выхода дистиллята повышается до 3-х [4]. Дальнейшее повышение энергетических показателей связывается с необходимостью повышения температуры кипения и кратности упаривания.

Важно отметить, что независимо от метода компрессии все известные исследования выполнены для области низких температур: 60^90°С и кратностей упаривания менее 2-х. При этом указанные ограничения обусловлены желанием избежать или минимизировать процесс образования накипи сульфата кальция. Обычно эта проблема решается путем введения в опресняемую воду специальных

ингибиторов - антискайлянтов. Но в области высоких температур антискайлянты термически неустойчивы.

Цель настоящих исследований - изучение возможности повышения эффективности технологии одноступенчатого термического опреснения минерализованных воды путем использования абсорбционного теплового насоса для компрессии, а также организации процесса в области высоких температур испарения и кратностей упаривания.

Методика проведения исследований. Переход в область высоких температур и кратностей упаривания требует решения задач по предотвращению сульфатного накипеобразования и коррозии метала. Вопрос коррозии для установок небольшой производительности может быть решен методом химической деаэрации - посредством Na2SOз, что практикуется в технике опреснения. Для предотвращения сульфатной накипи представляет интерес нанофильтрационное умягчение, обеспечивающая 95^98%-ое снижение концентраций двухвалентных ионов [6].

Идея использования АБТН в данной системе основана на том, что при абсорбции части вторичного пара испарителя концентрированным раствором LiBr, из-за экзотермического характера процесса, выделяется большое количество тепла. Это способствует получению пара с более высокой температурой по сравнению с абсорбированным паром. Полученный высокотемпературный пар и используется в качестве греющего пара испарителя, а его дистиллят отводится в качестве опресненной воды. Концентрирование разбавленного раствора бромистого лития осуществляется в генераторе (де-сорбере) за счет использования стороннего пара или продуктов сгорания топлива с более высокой температурой, чем греющий пар испарителя. Однако расход этого тепла оказывается значительно меньшим чем в обычной технологии одноступенчатого термического опреснения. Эти обстоятельства и обуславливают снижение тепловых затрат на опреснение.

Согласно предлагаемой технологии опреснения (рис.1) осветленная морская вода (1) подкисляется и подвергается нанофильтрационному умягчению с получением двух потоков: умягченного пер-меата (2) и концентрата (3). Пермеат используется для конденсации части вторичного пара (4) испарителя и после соответствующего нагрева по линии (5) подается в абсорбер. С охлаждающей водой (6) отводится часть тепла из системы. Несконденсиро-вавшаяся часть вторичного пара (7) также подается в абсорбер, где смешивается с концентрированным раствором бромистого лития (8). За счет выделившейся теплоты абсорбции из пермеата, поступающего на абсорбер, вырабатывается часть греющего пара испарителя (9). В качестве питательной воды испарителя используется остаточный раствор абсорбера (10). Разбавленный раствор бромистого лития (11) после теплообменника поступает в генератор где за счет тепла движущего пара (12) вырабатывается пар (13), который также используется в качестве первичного пара испарителя. Конденсат

движущего пара (15) отводится из системы. Дистиллят первичного пара испарителя (16) смешивается с конденсатом вторичного пара (17), поступа-

ющим из конденсатора и в качестве целевого продукта (опресненной воды) отводится из системы. Отвод остаточного раствора осуществляется по линии (18).

Рис.1. Принципиальная схема системы одноступенчатого термического опреснения морской воды с интегрированием АБНТ и нанофильтрационного модуля. НФ - нанофильтрационный модуль, К - конденсатор, А - абсорбер, Т - теплообменник, Г - генератор, И - испаритель, Н1 - насос исходной воды, Н2 - насос раствора LiBr.

Исследования были проведены аналитическим методом в несколько этапов. На первом этапе была выбрана математическая модель предложенной системы. В качестве базы была использована модель, приведенная в [4]. Она основана на уравнениях материальных и тепловых балансов каждого из узлов системы, уравнении теплопередачи, температурной депрессии и ряде других выражений. Эта модель была дополнена моделью стадии нанофильтрации и моделью для оценки степени насыщения упариваемого раствора по сульфату кальция. Для моделирования стадии нанофильтрационного умягчения были использованы возможности специализированной компьютерной программы ROSA (Reverse Osmosis System Analysis) [7].

Влияние таких факторов, как кратность упаривания умягченной морской воды и температура ее кипения в испарителе на образование накипи CaSO4 оценивалось по величине степени насыщения раствора (К, %), рассчитываемой по формуле [8,с.3]:

K =

a2+./so|-SSO

2- m2f2,105

4 ."_

215,13ехр(-0,034Ткип)

(1)

где ЯСа2+ и Л502- - коэффициенты, учитывающие наличие ассоциатов, не участвующих в наки-пеобразовании. Согласно [9,с.71] ^Са2+ = 0,84 и Я502— 0,77; fn - коэффициент активности

двухвалентных ионов, рассчитываемый по формуле Девиса; SCa2+.n и Ss02- п - концентрации соответствующих ионов в пермеате стадии нанофильтрационного умягчения, моль/дм3, рассчитываемые по программе «ROSA»; m - кратность упаривания воды; Tkhh - температура кипения в испарителе, 0С.

На втором этапе исследования математическая модель была использована для компьютерной симуляции и изучения влияния таких факторов, как температура кипения воды в испарителе - Тип (60^140°С), степень ее концентрирования - m (2^10), температурный напор - ДТ (2^100С), массовая доля LiBr в концентрированном растворе - Subí (0,5-0,7) и доля пермеата, получаемого на стадии нанофильтрации - в (0,4^0,8) на основные технологические показатели процесса,

Исследования были выполнены на примере воды Каспийского моря с солесодержанием 12770 мг/дм3:

Sca2+ = 320; SMg2+ = 728; SNa+ = 3177; Scl- = 5034; Ss02- = 3264; SHCO- = 244;pH = 8.

В качестве основных выходных показателей процесса, характеризующих его эффективность были приняты:

- степень насыщения упариваемого раствора

по сульфату кальция, K

CaSO4

S

Ca

- удельный выход дистиллята ^д)относи-тельно используемого движущего пара фдп), кг/кг:

^ = Gд/DдП (2)

- степень конверсии, характеризующий выход дистиллята относительно питательной воды испарителя ^пв), %:

Кк = 100 • Gд / Gпв (3)

- удельный расход энергии движущего пара, кДж/кг:

g = Dдп • Гдп/Gд (4) где Гдп - скрытая теплота образования пара, кДж/кг;

- удельная поверхность теплообмена, м2/(кг/с):

/ = (Fис + Fкон)/Gд (5) где Fис и Fкон - площади поверхностей нагрева испарителя и конденсатора, соответственно, м2;

100 90 ' 80 70 60 50 40 30 20 10 0

- удельные расходы исходной морской воды, охлаждающей воды и пермеата, как частные от деления соответствующих расходов на Gfl- dMB, ¿ох,

¿пер, КГ/КГ.

Обсуждение результатов исследований. Расчеты по программе ROSA показали, что нанофиль-трационная мембрана NF-90 обеспечивает возможность достаточно глубокого умягчения морской воды: содержание ионов кальция и магния снижается от 1040 мг/дм3 в исходной воде до 30^60 мг/дм3. Одновременно достигается, в среднем, 30-кратное снижение концентрации сульфат-ионов. Поэтому даже при высоких значениях температуры кипения и кратности упаривания степень насыщения раствора по сульфату кальция не достигает 100%, что говорит о решении сульфатной проблемы (рис.2). Следствием этого является возможность достижения высоких значений степени конверсии питательной воды испарителя в опресненную воду - до 90% и более (рис.3).

4

/ . 3

^ 2

* 1

50

70

90

110

130

150

Рис.2. Зависимость степени насыщения раствора от температуры кипения при кратности упаривания

т=4(1); 6(2); 8(3); 10(4), в=0,8

Рис.3. Зависимость степени конверсии и солесодержания остаточного раствора от кратности упаривания. 1(в=0,5); 2(в=0,8) При нанофильтрации снижается не только 59^78% в зависимости от доли пермеата. Поэтому жесткость, но в значительной степени и солесодер- даже при высоких значениях кратности упаривания жание морской воды - до 1,8^2,9 г/дм3, т.е. на солесодержание концентрата не превышает 30

г/дм3, что выгодно в плане достижения низких значений температурной депрессии.

Как показано на рис.4а, в исследуемом диапазоне изменения таких факторов, как температура кипения раствора в испарителе и массовая доля ЫБг в концентрированном растворе, повышение каждого из них способствует росту выхода дистиллята на каждый кг движущего пара, подаваемого из стороннего источника в генератор: от 3 до 3,5 кг/кг. Что касается такого важного энергетического пока-3.6

* 3.5

3,4

3.3

3.2

3,1

. 3

2 // 1

зателя, как удельный расход тепла, то здесь прослеживается обратная зависимость: увеличение Ткип и 8ыбг приводит к снижению удельного расхода тепла. Как видно из рис.4б удельный расход тепла изменяется в пределах 520^740 кДж/кг полученного дистиллята. В обоих случаях температура кипения раствора в испарителе оказывает более заметное влияние на выходной показатель, чем концентрация раствора ЫБг, что хорошо согласуется с данными [4].

Ь 800

750

700

650

600

550

500

^N 1

ч 3

50

70

90

110

130

150

50

70

90

110

130

150

а) б)

Рис.4. Влияние температуры кипения на удельный выход дистиллята (а) и удельный расход тепловой

энергии (б) при SLiBr=0,5(1); 0,6(2); 0,7(3)

Как было отмечено выше в обычных одноступенчатых системах опреснения (без теплового насоса) удельный расход тепла при температуре кипения 1000С составляет около 2200 кДж/кг. Таким образом, в рассматриваемом случае основная часть тепла (65^75%) вырабатывается посредством АБТН. При этом чем выше температура кипения, тем ниже энергетические затраты. Поэтому целесообразно организовать процесс термической дистилляции в области температур 130^140°С.

О влиянии температуры кипения на величину теплообменной поверхности можно судить по данным рис. 5. Как следует из графика, с повышением температуры кипения от 60"С до 140"С суммарная

поверхность нагрева испарителя и конденсатора снижается в 2,6^2,8 раза. Причем, влияние температуры кипения увеличивается в области низких значений температурного напора и заметно ослабевает в области Ткип>120°С. Такая закономерность объясняется повышением коэффициента теплопередачи с увеличением температуры кипения согласно результатам расчетов в исследуемом температурном диапазоне - от 2^2,4 до 5,4^5,7 кВт/(м2-°С). Обращает на себя внимание тот факт, что основная часть теплообменной поверхности (77^80%) приходится на долю испарителя (рис. 6).

Рис.5. Зависимость удельной поверхности нагрева от температуры кипения при температурных напорах 20С(1); 40С(2); 60С(3); 80С(4); 100С(5); m=8.

- 400

У

I 350 r'p 300 <~ 250 200 150 100

50

1 1 ч

4 5 ^

50

70

90

110

130

150

Рис.б.Соотношения между удельными поверхностями нагрева испарителя (1) и конденсатора (2),

т=8, ЛТ=6 0С 1 - fисп; 2 -А<он

Оптимальное значение температуры кипения, по совокупности влияния на энергетические показатели и площадь поверхности нагрева, может быть определено на основании оптимизационных расче-

S 8

тов по такому критерию, как себестоимость дистиллята. Но целесообразность высокотемпературного опреснения очевидна.

Одним из важных показателей процесса опреснения является удельный расход исходных вод. Соответствующий график приведен на рис.7.

1 \

•—■ 1

--■■ 2

---А 3

50

70

90

110

130

150

Рис.7. Зависимость удельного расхода морской воды, пермеата и охлаждающей воды от температуры

кипения: m=8, AT=50C; 1-dMe, 2-dnep, 3-do:

Как следует из графика удельный расход каждого из потоков (морской воды, пермеата и охлаждающей воды) снижается более чем в три раза с повышением температуры кипения, соответственно снижаются энергетические затраты на прокачку воды. Это делает более выгодной работу в области температур 120^130°С.

Часть исследований была выполнена исходя из возможности утилизации бросового тепла одного из модулей эксплуатируемой на Апшеронском полуострове Сангачальской дизельной электростанции. Ее работа характеризуется выбросом в атмосферу продуктов сгорания с температурой 500°С в

количестве 4 МВт, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы. Как показали расчеты, посредством утилизации этого тепла может быть обеспечена выработка опресненной воды от 5,5 до 7,8 кг/с (в среднем 575 т/сут) с нулевой тепловой составляющей себестоимости. При этом, существенное влияние на количество получаемого дистиллята оказывает температура кипения воды в испарителе и достаточно слабое влияние - температурный напор и кратность упаривания: с увеличением температуры кипения от 60 до 130 °С выработка утилизационного дистиллята повышается на 30^35% (рис.8).

а) т=8; 1-АГ=2°С; 2(60С); 3(100С) б) АГ=6°С; 1-т=2; 2^10 Рис.8. Зависимость выработки утилизационного дистиллята от температуры кипения в испарителе и температурного напора (а), и кратности упаривания (б)

Следует отметить, что в типовых проектах модульных электростанций предусмотрена утилизация тепла, но, как правило, для целей теплоснабжения. Выброс столь большого количества тепла на эксплуатируемых в республике модульных электростанций обусловлен отсутствием соответствующей тепловой нагрузки. Вполне очевидно, что с учетом региональных особенностей, новое поколение модульных электростанций может быть изначально запроектировано из расчета утилизации бросового тепла для целей опреснения, в том числе при интегрировании с АБХН.

Выводы. 1. Энергетическая эффективность одноступенчатых установок термического опреснения для может быть повышена путем их интегрирования с абсорбционными тепловыми насосами, которые позволяют сжать вторичный пар испарителя до более высоких параметров и повторно использовать в качестве первичного пара. Установлено, что при этом удельный расход движущего (стороннего) тепла составляет лишь 30^35% от расхода тепла, характерного для обычных одноступенчатых испарительных установок.

2. Нанофильтрационное умягчение морской воды позволяет исключить опасность выпадения накипи CaSO4, обеспечить высокие значения степени конверсии дистиллята относительно питательной воды (до 90%) и путем организации процесса термической дистилляции в области более высоких температур (120^130°С), существенно снизить удельный расход тепла и удельную поверхность нагрева, т.е. в совокупности повысить эффективность технологии опреснения.

3. Использование в качестве движущей энергии абсорбционного теплового насоса бросового тепла одного модуля дизельной электростанции в виде продуктов сгорания с температурой 5000С в

количестве 4 МВт может обеспечить выработку 575 т/сутки дешевого дистиллята, одновременно исключить экологический ущерб, наносимый окружающей среде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Peter G. Youssef, Saad M. Mahmoud, Raya K. Al-Dadah. Seawater desalination technologies. International Journal of Innovation Science and Re-search.2015, Vol.4, No8, pp. 402-422.

2. Фейзиев Г.К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоливания воды. Изд. 2-е, «Тахсил» ТПП, Баку, 2009, 442 с.

3. El-Dessouky H.T., Ettouney H.M. Fundamentals of Salt Water. Desalination ELSEVER, Amsterdam, Tokio, 2002, p.691.

4. A.K.El-Feky. Mechanical Vapor Compression Desalination System Optimal Design. Arab Journal of Niclear Science and Applications, 49(3), (1-13), 2016.

5. Ji J.G., Wang R.Z., Li L.X.., Ni H. Simulation and analysis of a single thermal vapor compression system at variable operation conditions. Chemical Engineering & Technology, 2007, 30(12), 1633-1646.

6. Bassel A.Abdelkader, Mohammed A.Antar & Zafarulla Khan. Nanofiltration as a Pretreatment Step in Seawater Desalination: A Review. Arabian. Journal for Science Engineering.43, 4413-4432(2018).

7. ROSA Membrane Projection Software. www.desalitech.com

8. Агамалиев М.М., Ахмедова Д.А. Исследование технологии парокомпрессионного опреснения воды Каспийского моря с предварительным нанофильтрационным умягчением. Энергосбережение и водоподготовка, №5(121), Москва, 2019, с.3-9.

9. Gloede M, Melin T. Physical aspects of membrane scaling. Desalination 224. 2008. p.71-75.