Пути повышения энергетической эффективности при опреснении морской воды по технологии обратного осмоса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 628.1

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ ОПРЕСНЕНИИ МОРСКОЙ ВОДЫ ПО ТЕХНОЛОГИИ ОБРАТНОГО ОСМОСА

Николенко И.В., Котовская Е.Е., Король И.В.

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), ФГАОУ ВО КФУ им. В.И.Вернадского,

295943, г. Симферополь, ул. Киевская/3, каб. 116, е:таД: energia-09@mail.ru

Аннотация. В данной работе рассматриваются пути повышения энергической эффективности при опреснении морской воды обратным осмосом, которые позволяют решить проблему с нехваткой чистой (питьевой) воды в засушливых регионах. В качестве субъекта исследования выступает проект в городе «Ашкелон» государства Израиль, в котором применены опреснительные установки с конструкцией трех центров давления, производительность которых достигает 100 млн. м3/год.

Ключевые слова: водоснабжение, обратный осмос, мембранная технология, энергическая эффективность, опреснение, обессоливание, конструкция трех центров давления.

ВВЕДЕНИЕ

Вода самое важное вещество на Земле, которое является основой социальных, экономических, биологических, геологических и геофизических процессов на планете. Вода - важнейшее вещество для человека, прежде всего потому, что необходима для поддержания его жизни, для сельскохозяйственного и промышленного производства, для энергетики и для других сфер деятельности. Природные запасы водных ресурсов на Земле и пресной воды непрерывно уменьшаются. Это объясняется рядом причин, вызывающих возникновение дефицита воды. Прежде всего: это рост населения, его концентрация в наиболее благоприятных в климатическом отношении районах, где естественно потребляется повышенное количество воды. Создание новых и развитие производственных процессов, интенсификация сельского хозяйства для увеличения выработки продукции и улучшения ее качества, приводят к закономерному повышению водопотребления. Все это способствует развитию и применению различных технологий получения чистой воды. Опреснение как способ получения чистой воды широко распространено в данный момент и имеет большие перспективы.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Анализ современной зарубежной литературы показывает, что, несмотря на огромные запасы воды во всех видах, человечество испытывает ее дефицит во многих регионах мира. Это обусловлено неравномерным распределением водных ресурсов и населения по регионам, ростом потребления, нерациональным использованием, загрязнением, а также климатическими изменениями.

Общие запасы пресноводных источников составляют всего 2% от всего количества воды на земном шаре. Пути поиска технологий подготовки пресных вод активизируют разнообразие инженерных решений, одно из требований, предъявляемое к разрабатываемым технологиям является их экономичность. Опреснение и обессоливание морской и солоноватых вод при создании высокоэффективных установок могут в большой степени способствовать решению проблемы дефицита пресной воды.

В настоящее время большое применение в промышленности получили две технологии опреснения воды — мембранная и термическая [1]. Среди мембранных технологий распространен метод опреснения воды, основанный на процессе обратного осмоса [2]. При опреснении воды этим методом морскую воду пропускают через полупроницаемые мембраны под воздействием давления, существенно превышающего разницу осмотического давления между пресной и морской водой. При минерализации морской воды 20...35 г/л осмотическое давление составляет 2,5... 5,0 МПа. Сущность процесса обратного осмоса заключается в том, что при подаче морской воды под давлением большим осмотического через микропоры мембран свободно проходят меньшие по размерам молекулы воды, в то время как более крупные ионы солей и других примесей задерживаются мембраной [3, 4].

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

С каждым годом решение проблем с качественными и количественными показателями пресной (питьевой) воды становятся все актуальнее [5-7].

Кроме таких методов получения питьевой воды как: эффективная очистка сточных вод и вод из пресных природных источников, а также их дальнейшее рациональное использование, в настоящее время применяется способ опреснения солёных и солоноватых вод при помощи различных технологий. С разнообразием методов опреснения соленых вод возникает необходимость детального анализа этих способов. Требуется рассмотрение их применения с технической, технологической, экономической и экологической сторон, с учетом местных условий. Выбор конкретного способа опреснения обуславливается экономическими показателями. Во всех технологических процессах опреснения требуется большое количество энергии. Электрическая энергия необходима установкам обратного осмоса для создания необходимого давления, тепловая — для термической дистилляции. Поэтому, в течение последних десятилетий внимание лидирующих компаний «опреснительного рынка», было ориентированно главным образом на энергосбережение, что позволяет существенно снизить

стоимость опреснения, подкрепляя рациональность использование той или иной технологии опреснения соленой воды.

Расход энергии зависит от потерь, которые возникают при создании «движущих сил» процесса: разности температур, разности давления и т.п. Чем меньше их доля, тем совершеннее опреснительная установка [1]. В статье рассматривается наиболее распространенный на сегодня метод опреснения воды в промышленных масштабах - способ обратного осмоса, который обладает существенными преимуществами перед термическими методами опреснения воды. Это относительно меньшие энергетические затраты и потери, простота и компактность установок, автоматическое или полуавтоматическое управление системами опреснения обратным осмосом. Однако данная методика не лишена недостатков, представленных в виде повышенных эксплуатационных расходов из-за потребления сопутствующих реагентов и необходимости замены мембранных элементов. Кроме этого рассматриваются пути повышения энергетической эффективности при опреснении морской воды методом обратного осмоса.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

При всех известных особенностях различных методов опреснения соленых (морских) и солоноватых вод, основываясь на опыте уже существующих опреснительных станций и заводов, к рассмотрению и анализу представлен метод опреснения обратного осмоса, а также приведены пути повышения энергетической эффективности при его использовании. В качестве субъекта исследования представлен существующий проект в городе Ашкелон (Израиль).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

На рисунке 1 представлена диаграмма, отображающая наиболее распространенные методы опреснения морской воды по данным IDA (Institute for Defense Analyses) на конец 2009 года.

я Обратный осмос (RO}

Многоступенчатое мгновенное выпаривание (MSF)

Многоколонная дистиляция (MED)

Электродиализ (ED) .- Гибридные технологии

Электрод ионизация

Рис. 1. Структура производства пресной воды по типу используемых технологий Из анализа рис. 1 можно заключить, что наибольшее применение среди технологий опреснения воды нашли методы обратного осмоса RO (61,5%) и многоступенчатое мгновенное выпаривание MSF (25,9%), после которых следуют многоколонная дистилляция MED (8,4%) и электродиализ ED (3,2%).

В таблице 1 представлено удельное энергопотребления трех основных технологий опреснения воды, по данным МАГАТЕ.

Таблица 1.

Удельное энергопотребление трех основных технологий опреснения

Тип опреснения Удельное потребление тепло-энергии (кВтчас/м3) Удельное потребление электроэнергии (кВтчас/м3)

MSF 100 3,5

MED 50 2,5

RO 0 4,5

Суть метода опреснения обратным осмосом заключается в пропуске морской или высокоминерализованной воды через полунепроницаемые мембраны под воздействием давления, существенно превышающего разницу осмотических давлений пресной и морской воды принцип действия которого изображен на рис. 2. Опреснение называется осмотическим потому, что в процессе наблюдается давление, которое обеспечивает равновесную концентрацию раствора при разности уровней с двух сторон мембраны. Если на концентрированный раствор направить особо высокое давление, своей силой превышающее осмотическое, то молекулы воды направятся к менее концентрированному раствору.

иапсаЕпение пцтекз ещь*

Рис. 2. Принцип действия метода обратного осмоса Производство одного кубометра воды путем обратного осмоса потребляет до 16 кВт-час электроэнергии, при этом современные ЛО-установки, например, в городе Перт (Австралия), расходуют 3,5... 4 кВтчас; следовательно 1 МВт электрической мощности позволяет получать около 6... 6,9 тыс. м3. При этом MSF- и MED-конструкциям требуется источник тепла температурой 50... 130 °C. Удельный расход составляет примерно 38 кВт-час/м3 теплоэнергии, дополнительные 3,5 кВтчас электричества необходимы для MSF и 1,5 кВтчас — для парокомпрессионной дистилляции. Это обуславливает распространение технологии опреснения обратным осмосом. Общий расход энергии на процесс обратного осмоса зависит от гидравлических потерь в модулях, мощности, потребляемой насосной установкой, прокачивающей воду, от затрат энергии на подвод воды и ее предварительную подготовку.

Оценим энергоемкость опреснения обратным осмосом как удельный расход энергии в МДж/м3 по формуле:

Р

(1)

Э = ■

Мп -Пп '

где р -рабочее давление, МПа; Г)п - КПД насосной установки;

Мп - коэффициент извлечения пресной воды.

На рисунке 3 показаны зависимости энергоемкости опреснения обратным осмосом в кВт час/м3 в зависимости от параметров процесса, с учетом того, что 1МДж = 0,28 кВт час.

а) б)

Рис. 3. Зависимость энергоемкости опреснения обратным осмосом (кВтч/м3) в зависимости от параметров процесса: а) при КПД насосного агрегата - 60%; б) КПД насосного агрегата - 80%

Анализ представленных зависимостей показал, что энергоемкость опреснения обратным осмосом находится в диапазоне 5.25 кВт час. Снижение энергоемкости процесса опреснения можно обеспечить уменьшением рабочего давления, а также увеличением КПД насосного агрегата и коэффициента извлечения пресной воды. Следует отметить, что величина рабочего колеса давления имеет нижнюю границу и не может быть снижена меньше чем осмотическое давление, так как процесс опреснения не будет проходить.

Коэффициент извлечения пресной воды в данном выражении зависит от концентрации солей в потоке подходящего к мембране и проходящего через нее. Коэффициент извлечения пресной воды можно выразить следующим образом [1]:

_ 1п (К/ ¿0) 1п ((Л ), (2)

Mn =

где Ь'п, ¿01 - концентрация компонентов в потоке, проходящем через мембрану;

Ъп, Ъ0 - то же в подходящем к мембране потоке.

При прохождении блока опреснения только часть питающей воды, которая проходит через мембраны становится опресненной. Поток концентрата выходит с блока опреснения под рабочим давлением, поэтому сохраняет гидравлическую энергию, которую можно повторно использовать для привода насосного агрегата за счет преобразования гидравлической энергии в механическую. В качестве преобразователей гидравлической энергии могут использоваться различные виды гидродвигателей. Такая рекуперация энергии обеспечивает существенное повышение энергетической эффективности процесса опреснения. Энергоемкость опреснения обратным осмосом с учетом рекуперации энергии определяется по зависимости:

Э =

Ип Лп

■-(Р -А) х(1-Лп )хЛр

(3)

где А - осмотическое давление;

Л - КПД регенерации гидравлической энергии.

Подставленная зависимость позволяет получить расчетное значение энергетической эффективности процесса опреснения обратным осмосом с учетом регенерации гидравлической энергии, а также оценить влияние ее параметров на удельную энергию опреснения.

По оценке, проведенной Х. Людвигом, при опреснении морской воды обратным осмосом при коэффициенте извлечения равным 20...30%, общие затраты энергии на процесс достигали 12... 14 кВтчас/м3, а для схем с рекуперацией энергии на турбинах Пельтона по расчетам Д. Либерта уменьшались до 8 кВтчас/м3 [1]. В данный момент энергоемкость процесса опреснения обратным осмосом достигло значения 4 кВтчас/м3.

Одним из лучших примеров внедрения технологии обратного осмоса при опреснении морской воды, из-за нехватки пресных поверхностных и подземных источников, является государство Израиль. В 2000 году властями Израиля был разработан генеральный план опреснения, включающий крупномасштабные установки для морской воды, размещенные вдоль Средиземного моря, предусматривающие общий объем опреснения примерно 750 млн. м3 воды в год, а параллельно - проект по развитию местных систем опреснения подземных бассейнов солоноватых вод [8]. На рисунке 4 представлен график оценки увеличения опреснения морской воды в Израиле с 2004 года с перспективой на 2020 год. Проанализировав данные на рис.4, можно сделать выводы о тенденции ежегодного увеличения количества опресняемой воды. Первым из предусмотренных масштабных проектов по опреснению морской воды в 100 млн. м3/год является Южно-Израильский завод в городе Ашкелон [9].

Рис. 4. Оценка объемов опресненной морской воды в Израиле Завод расположен в промышленной зоне города Ашкелон, на южном побережье Израиля, в 700 метрах к северу от существующей электростанции. Забор воды осуществляется из Средиземного моря. Насосная станция расположена на берегу моря на расстоянии 400 метров от завода. Электрическая мощность для установки обеспечивается из двух независимых источников: воздушной линии национальной сети и самогенерирующей системы энергоснабжения, установленной на территории завода.

Основная концепция строительства завода мощностью 100 млн. м3 в год состояла в том, чтобы получить две независимых линии мощностью по 50 млн. м3 в год, которые могут работать отдельно и независимо друг от друга. Большинство подсистем являются двойными (по одному на каждые 50 млн. м3 в год), за исключением системы водозабора, последующей обработки и независимой электростанцией. Эти системы унифицированы для всей станции производительностью 100 млн. м3 в год, но разработаны с возможностью обслуживания каждого завода отдельно. На рисунке 5 показан вид на опреснительный завод в г. Ашкелон.

Рис. 5. Опреснительный завод в г. Ашкелон

Из всех существующих методов опреснения морской воды для проекта в г. Ашкелон был выбран наиболее целесообразный с технической и экономической стороны - способ обратного осмоса. Энергетические затраты и эффективность процесса обратного осмоса определяется параметрами насосных агрегатов, которые подают исходную воду на мембраны. Потребление электрической энергии, на процесс опреснения морской воды с внедрением систем регенерации составляет 2,5... 7 кВт час на 1 м3 производимой воды.

Всасывающая насосная станция состоит из вертикальных насосов, что обеспечивает высокую гибкость в рабочем режиме, обеспечивающую быстрый пуск и остановку, а также снижение капитальных и эксплуатационных затрат. В секции предварительной обработке предусмотрено дозирование химических веществ. Для каждой дозирующей станции предусмотрен значительный запас производительности. Каждый насос снабжен устройством, которое регулирует расход насоса в соответствии с потребностями завода в реальном времени. На опреснительном заводе для подготовки морской воды к опреснению установлены скорые двухслойные фильтры, содержащие слои гравия, кварцевого песка и антрацита. Данные фильтры обеспечивают высокую эффективность фильтрации, систему распределения, которая предотвращает засорение, прекращение подачи и излив в канализацию, низкое потребление энергии, автоматическую обратную промывку без прерывания работы станции.

Картриджные микрофильтры, работающие на заводе реализованы в виде батареи фильтров, сгруппированных в две параллельные ветви. Основными особенностями этого подхода являются:

- высокая эффективность фильтрации;

- средняя скорость фильтрации;

- система распределения, которая предотвращает засорение, прекращение подачи и излив в канализацию;

- низкое потребление энергии;

- резервные фильтры в режиме ожидания.

Повышение энергетической эффективности в процессе опреснения морской воды методом обратного осмоса обеспечивается внедрением в проект концепции «трех центров давления» [9, 10, 11]. Концепция нескольких идентичных параллельных блоков обратного осмоса не подходит для крупномасштабных опреснительных установок, поскольку этот подход не способствует увеличению эффективности. В крупных установках обессоливания, где каждый блок обратного осмоса включает насос высокого давления, турбину восстановления энергии и мембраны, увеличение каждого из этих компонентов приводит к снижению эргономичности.

Насос высокого давления отсоединен от устройства для рекуперации энергии. Производительность насоса не должна быть равна мощности блока обратного осмоса, поскольку оптимальный размер насоса не равен оптимальному размеру блока обратного осмоса. Крупномасштабные опреснительные установки расположены в трех центрах: насосном центре, блоках обратного осмоса оптимальных размеров и центре рекуперации -восстановления энергии. Такая компоновка обеспечивает значительную технологическую гибкость, высокую доступность и снижение общих затрат при получении пресной воды.

В этом опреснительном заводе концепция нескольких идентичных блоков обратного осмоса были изменены на концепцию трех центров. Концепция трех центров давления, представленная на рис. 6 - это система, в котором насосы высокого давления, устройства для рекуперации энергии и мембранные блоки работают независимо, гибко и эффективно.

Рис.6. Схема концепции трех центров давления [9]

Данная концепция состоит из насосного центра прокачки, мембранного центра (блоки обратного осмоса) и центра восстановления энергии (центр рекуперации). Насосный центр включает в себя 4 насоса высокого давления мощностью 5,5 МВт каждый. Мембранный центр состоит из 16 блоков обратного осмоса включающих по 105 сосудов, работающих под давлением.

Центр рекуперации энергии представляет собой 40 насосов, которые герметично перекачивают рассол из всех 16 блоков обратного осмоса назад в море, а давление передают в общий подающий контур. На рисунке 7 изображен общий вид конструкции трех центров давления.

Рис. 7. Общий вид конструкции трех центров давления

Концепция трех центров является гибкой и эффективной в эксплуатации, 16 блоков обратного осмоса могут работать с одним, двумя, тремя или четырьмя насосами высокого давления и демонстрировать широкий диапазон производительности. В каждом режиме работы насосы демонстрируют высокий КПД. Все блоки обратного осмоса равны по производительности, восстановлению и распределению исходных потоков. При такой конструкции возможно уменьшение количества насосов, работающих со всеми блоками обратного осмоса в режиме онлайн, это позволяет значительно снизить удельное энергопотребление, что важно в зимний период, когда водопотребление потребителями уменьшается. Остановка одного блока обратного осмоса осуществляется достаточно быстро и легко и не приводит к сокращению производства воды, поскольку другие блоки могут компенсировать производство с большей производительностью.

Каждый блок обратного осмоса можно отсоединить индивидуально, сбросить давление, промыть, очистить, осушить, заполнить, нагреть и подключить. На рисунке 8 приведена принципиальная схема конструкции трех центров.

Рис. 8. Принципиальная концепция трех центров давления [11]

Для высокой эффективности системы рекуперации, существует необходимость осуществлять предварительную обработку воды, вследствие чего режим рекуперации будет работать на полную мощность, независимо от фактической производительности. Концепция трех центров обеспечивает большую гибкость системы, способность изменять производственные мощности в короткие сроки, а также возможность понижать удельное энергопотребление на 1 м3 продукции при частичной производительности всех действующих блоках обратного осмоса имеет большое значение. Это способствует уменьшению затрат на электроэнергию производя больше воды в ночное время суток при наименьшем тарифе, а не в часы пикового потребления при наивысшей тарифной стоимости.

ВЫВОДЫ

Опреснение морской воды является современным способом решения проблемы дефицита пресной воды. На основании анализа различных способов опреснения установлено, что наиболее эффективным мембранным способом опреснения является обратный осмос. Одним из путей повышения энергетической эффективности этого способа опреснения является внедрение систем рекуперации гидравлической энергии. Представлены зависимости, которые позволяют оценить энергоэффективность опреснения обратным осмосом, в том числе с учетом рекуперации гидравлической энергии.

Концепция трех центров давления является одним из способов рекуперации гидравлической энергии в системах опреснения обратным осмосом, позволило снизить потребление электрической энергии, на процесс опреснения морской воды до 2,5... 7 кВт час на 1 м3 производимой воды.

Основными преимуществами этого способа регенерации являются простота и надежность, высокая энергетическая эффективность, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с установкой насосов высокого давления меньшей мощности, что отражается на стоимости вспомогательного оборудования: средства управления, арматуры, трубопроводные соединения и т. д., повышение эффективности насосов и гидродвигателей, высокая гибкость в рабочем режиме, позволяющая быстро и легко запустить или остановить процессы опреснения в зависимости от условий эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Слесаренко, В.Н. Опреснение морской воды [Текст] / В.Н. Слесаренко. - М.: Энергоиздат, 1991. - 278 с.

2. Первов, А.Г. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды / А.Г. Первов, Р.И. Макаров, А.П. Андрианов, Р.В. Ефремов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 10. - С. 2629.

3. Дытнерский, Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация [Текст] / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1978. - 352 с.

4. Карелин, Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом [Текст] / Ф.Н. Карелин. - М. Стройиздат, 1988. -208 с.

5. Achilli, А. Pressure Retarded Osmosis: From the vision of Sidney Loeb to the first experimental installations / Andrea Achilli, Amy E. Childress // Desalination (2010) doi:10.1016.

6. Global Challenges in Energy and Water Supply: The Promise of Engineered Osmosis / [L. Robert, McGinnis, Elimelech Menachem.] // Science Direct Journal of Membrane Science. Environmental Science & Technology - 2008. -Vol. 42. - No. 23. - P. 126.

7. The Promise of Engineered Osmosis / [T.Y. Cath, A. Childress, Elimelech Menachem.] // Science Direct Journal of Membrane Science. - 2006. -Vol. 281. - P. 70-87.

8.Tenne, А. Sea Water Desalination in Israel: Planning, coping with difficulties, and economic aspects of long-term risks / A. Tenne // State of Israel Desalination Division. - 2013. - 13 р.

9. Lokiec, F. South Israel 100 million m3/year seawater Desalination Facility Build, Operate and Transfer (BOT) project / F. Lokiec [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ide-tech.com/wp content/uploads/2013/09/South-Israel-100-million-m3year-Seawater-Desalination-Facility.pdf.

10. Liberman, B. Three pressure retailed osmosis (PRO) processes / B. Liberman, G. Greenberg, V. Levitin, Tal Oz-Ari, U. Tirosh // The International Desalination Association (IDA) World Congress on Desalination and Water Reuse 2013: Tianjin, China/ REF: IDAWC/TIAN13-422, 2013. - P. 10.

11. Liberman, B. Three Center Design Implemented in Ashkelon SWRO Plant / B. Liberman, M. Figon, D. Hefer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ide-tech.com/wp-content/uploads/2013/09/Three-Center-Design-Implemented-in-Ashkelon-SWRO-Plant.pdf/.

WAYS TO INCREASE ENERGY EFFICIENCY IN SEAWATER DESALINATION BY

REVERSE OSMOSIS TECHNOLOGY

Nikolenko I.V., Kotovskaya E.E. Korol I.V.

V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea

Annotation. This paper discusses ways of enhancing energy efficiency in seawater desalination by reverse osmosis, which allows to solve the problem with the lack of clean (drinking) water in arid regions. The subject of the study is the project in the city of Ashkelon of the state of Israel, which uses desalination plants with the construction of three pressure centers, the capacity of which reaches 100 million m3 / year.

Keywords: water supply, reverse osmosis, membrane technology, energy efficiency, desalination, desalination, construction of three pressure centers.