CC BY
16TECHNICAL SCIENCES
TECHNOLOGICAL SCHEME OF THERMAL SEA WATER DESALINATION WITH ABSORPTION HEAT PUMP - AS A MEANS OF INCREASING EFFICIENCY
Ahmadova J.A.
Candidate of Technical Sciences, Assistant of Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku, AZ1010, Azadlig avenue, 20
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ТЕРМИЧЕСКОГО ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ С АБСОРБЦИОННЫМ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ - КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
Ахмедова Д.А.
Кандидат технических наук, Асистент Азербайджанского Государственного Университета
Нефти и Промышленности, Баку, AZ1010, проспект Азадлыг, 20
Abstract
Deficiency of fresh water makes desalination of sea water relevant. Existing desalination technologies are highly expensive, especially thermal desalination technology. In the article, on the example of Caspian Sea water, issues of thermal desalination process efficiency increase by integration of LiBr absorption heat pump into the system, as well as organization of distillation process in the field of high temperatures and evaporation multiples are considered. The emerging problem of CaSO4 scale prevention is proposed to be solved by pre-filtration nano-filtration softening.
Аннотация
Дефицит пресной воды делает актуальным опреснение морских вод. Существующие технологии опреснения характеризуются высокими затратами, особенно технология термического опреснения. В статье, на примере воды Каспийского моря, рассматриваются вопросы повышения эффективности процесса термического опреснения путем интегрирования LiBr-ого абсорбционного теплового насоса в систему термического опреснения, 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.
Keywords: thermal desalination; absorption heat pump; integration; nanofiltration softening; efficiency improvement.
Ключевые слова: термическое опреснение; абсорбционный тепловой насос; интегрирование; нано-фильтрационное умягчение; повышение эффективности.
Современный этап развития цивилизации характеризуется нарастающим дефицитом пресной воды, обусловленным экспоненциальным ростом численности населения, ограниченностью пресноводных источников, их истощением, антропогенным загрязнением и прочими причинами [1].
Как показывает мировая практика (Саудовская Аравия, Катар, Израиль и др.) радикальным путем решения данной проблемы является опреснение соленых вод, на долю которых приходится до 75% всех водных запасов планеты. Решение данной проблемы актуально и для ряда регионов прикаспийского и причерноморского побережья: Апшерон (Азербайджан), Крым (Украина), Мангышлак (Казахстан). В 2010 году президентом Азербайджанской республики предложено изучить вопрос о строительстве на Апшероне крупных опреснительных установок по примеру вышеуказанных стран.
Вполне очевидно, что решение проблемы дефицита пресной воды должно носить комплексный
характер: наряду с созданием крупномасштабных опреснительных установок, необходимо обратить внимание на вопросы децентрализованного водоснабжения путем создания локальных опреснительных установок небольшой производительности для нужд отдельных, рассредоточенных потребителей - котельных, тепловых электростанций, фермерских хозяйств и др.
Независимо от применяемого метода, опреснение является весьма энергозатратным и капиталоемким процессом. Несмотря на более широкое распространение технологии обратноосмотического опреснения (60^65%), технология термического опреснения (25^30%), остается востребованной по причине таких достоинств, как независимость технологических показателей от солесодержания исходной воды, а также наличия в ней примесей органического и биологического характера, возможность получения воды с солесодержанием 5^10
мг/дм3, что в несколько раз меньше, чем при обратном осмосе [2,3].
Как известно, термическое опреснение предусматривает фазовое превращение воды и поэтому характеризуется высокими тепловыми затратами -от 2200 кДж/кг на одноступенчатых установках до 100^200 кДж/кг на многоступенчатых [4].
По этой причине в современных исследованиях, направленных на повышение эффективности технологии термического опреснения, наметился ряд прогрессивных трендов, включая использование возобновляемых источников энергии, бросового тепла энергоустановок, интегрирование тепловых насосов в системы термического опреснения и другие [5]. Показано, что за счет использования небольшого количества сторонней энергии тепловые насосы обеспечивают повышение параметров вторичного пара испарителя с последующим использованием его в качестве греющего пара и отводом образующегося дистиллята в качестве опресненной воды. При этом расход первичной энергии снижается более чем в 2 раза, по сравнению с обычным термическим опреснением [6].
Еще один тренд связан со стремлением снизить удельные капитальные затраты путем повышения температуры кипения морской воды и степени извлечения дистиллята (степени упаривания, конверсии) [2]. Такой подход требует решение проблемы сульфатной накипи и в этой связи предлагаются различные методы умягчения морской воды [2,4], синтезируются высокотемпературные анти-накипины.
Известны исследования с интегрированием тепловых насосов в систему термического опреснения, которые обеспечивают компрессию вторичного пара одним из четырех методов: механическим, термическим, абсорбционным и адсорбционным [3]. Наименее изучены системы с интегрированными сорбционными тепловыми насосами. Между тем они характеризуются такими достоинствами, как возможность использования в качестве первичной энергии любого источника тепла с достаточной температурой: отработанный пар, выхлопные газы энергоустановок, солнечную энергию. Они практически бесшумны и не содержат движущихся частей. Согласно исследованиям [3] по такому энергетическому показателю, как коэффициент выхода, характеризующему количество дистиллята на каждый кг движущего пара сорбци-онная компрессия предпочтительней других методов.
На примере океанской воды показано, что при температуре кипения в одноступенчатом испарителе - 750С и кратности упаривания - 1,8 с использованием абсорбционного теплового насоса (АБТН) для компрессии вторичного пара, коэффициент выхода дистиллята повышается до 3-х [3]. Дальнейшее повышение энергетических показателей связывается с необходимостью повышения температуры кипения и кратности упаривания.
В работе [6] приведены результаты сравнительных исследований АБТН с использованием
водных растворов: КНз, ЫС1 и ПБг. Показаны преимущества сорбента ЫБг и предложена технологии опреснения, в котором температура бросового тепла текстильной фабрики повышается посредством АБТН и используется для опреснения воды Средиземного моря. Авторами [7] обосновывается термодинамическая эффективность интегрирования АБТН в схему многоступенчатого опреснения воды Средиземного моря с использованием солнечной энергии.
Важно отметить, что независимо от метода компрессии пара все известные исследования выполнены для области низких температур: 60^90 0С и кратностей упаривания менее 2-х. При этом указанные ограничения обусловлены желанием избежать или минимизировать процесс образования накипи сульфата кальция.
Применительно к воде Каспийского моря возможности абсорбционного опреснения не изучались. Между тем, наличие в регионе значительного количества бросового тепла дизельных энергетических установок в виде отработанных газов и охлаждающих вод, а также высокий уровень солнечной радиации делают актуальным разработку технологии абсорбционного опреснения каспийской воды с целью проектирования соответствующих установок для децентрализованного водоснабжения приморских предприятий. При этом для одноступенчатых опреснительных установок, с учетом компактности, в качестве метода умягчения представляет интерес нанофильтрация, обеспечивающая 95^98%-ое снижение концентраций двухвалентных ионов, что создает предпосылки для решения проблемы сульфатной накипи и организации процесса в области высоких значений температуры кипения и кратностей упаривания.
Целью настоящих исследований является разработка технологических схем и изучение основных количественных закономерностей технологии высокотемпературного одноступенчатого термического опреснения воды Каспийского моря при интегрировании в систему абсорбционного теплового насоса и решении сульфатной проблемы нанофиль-трационным умягчением.
Технологические схемы и их описание
Технологическая схема исследуемой системы (рис.1) включает насос исходной воды (1), модуль нанофильтрационного умягчения (2), охладитель дистиллята и остаточного раствора (3), конденсатор (4), абсорбер (5), промежуточный теплообменник (6), насос водного раствора ЫБг (7), генератор (8) и горизонтально-пленочный испаритель (9).
Функционирование предлагаемой технологической схемы основано на реализации совокупности следующих процессов:
• подача насосом (1) морской воды с расходом - вмв и температурой - Тмв на модуль нано-фильтрационного умягчения с получением умягченного пермеата - ви и сбросного концентрата -вк;
• охлаждение пермеатом отводимых из системы дистиллята и остаточного раствора;
• нагрев пермеата с конденсацией части вторичного пара испарителя и разделением на два потока, один из которых - GПв, используется для питания абсорбера, а другой — Gox, для отвода тепла из системы. При этом дистиллят сконденсированной части вторичного пара отводится в виде части целевого продукта — Gl;
• абсорбция несконденсировавщейся части вторичного пара испарителя — D1ДБ, концентрированным раствором LiBr, поступающим в абсорбер из генератора (десорбера) - Сг:
• выделение тепла при абсорбции пара раствором LiBr из-за экзотермического характера этого процесса, сопровождающееся разбавлением раствора, кипением питательной воды с получением пара — D2ДБ, используемого в качестве части первичного пара испарителя и термодинамически равновесного с ним раствора, используемого для питания испарителя — GAБ;
Рис.1. Технологическая схема системы одноступенчатого термического опреснения с абсорбционным
тепловым насосом и модулем нанофильтрации
• теплообмен между разбавленным и концентрированным растворами LiBr;
• термическое концентрирование разбавленного раствора LiBr в генераторе за счет движущего (стороннего) источника тепла (пара) — Dдп, с выработкой такого же количества водяного пара, которое было абсорбировано ранее: Dг = D1ДБ. Использование этого пара в качестве остальной части первичного пара испарителя — Dпп;
• термическая дистилляция остаточного раствора абсорбера в испарителе с получением вторичного пара — Dвп;
• смешивание дистиллятов первичного и части вторичного паров испарителя с получением искомого продукта — Gд.
В настоящее время может быть утилизировано бросовое тепло 12-ти модулей СДЭС, и за счет этого, в среднем, произведено до 7 тыс.т/сут дешевой опресненной воды, которой будет достаточно
для обеспечения водой крупного населенного пункта с населением более 30 тыс. человек при современной суточной норме 200 литров на человека.
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 тепловой нагрузки. Вполне очевидно, что с учетом региональных особенностей, новое поколение модульных электростанций может быть изначально запроектировано из расчета использования тепла продуктов сгорания для целей опреснения, в том числе при интегрировании с АБТН.
Для утилизации тепла охлаждающей воды предлагается установка модуля мембранной дистилляции на этой линии. Сущность опреснения методом мембранной дистилляции заключается в том, что горячий водный раствор контактирует с
одной стороны с гидрофобной микропористой мембраной, через поры происходит испарение паров воды с последующей конденсацией на противоположной стороне посредством охлажденного перме-ата или другим способом [12]. Движущейся силой процесса является разность давлений по обе стороны мембраны, обусловленная разностью температур. К основным достоинствам метода относятся: осуществление процесса при обычном давлении и температурах (55^950С), высокая степень очистки опресненной воды (пермеата). Основной недостаток, по сравнению с другими мембранными технологиями - высокие энергетические затраты (до 40 кВт-ч/м3). Поэтому она рентабельна при использовании возобновляемых источников энергии или бросового тепла, например, с охлаждающей водой, как предлагается в рассматриваемом случае.
Исследование эффективности гибридной системы опреснения морской воды на основе метода мембранной дистилляции и термической дистилляции с интегрированием АБТН является предметом будущих исследований авторов. Вместе с тем, по
результатам предварительных расчетов можно констатировать, что из отводимой охлаждающей воды конденсатора даже при величине конверсии 10% может быть получено до 0,2 кг/с дополнительного количества дистиллята, т.е. производительность установки повышена на 20%, с соответствующим снижением удельного расхода тепла.
Один из вариантов схемы подключения модуля мембранной дистилляции с пермеатным контактным слоем приведен на рис.2.
Согласно этой схемы охлаждающая воды (2) после конденсатора смешивается с частью перме-ата (3) для обеспечения рабочей температуры <95оС и к ней подключается модуль мембранной дистилляции (4). В результате испарения части воды через мембрану происходит снижение температуры воды до 30^35°С и некоторое повышения его солесодер-жания. Прошедшие через мембрану молекулы воды конденсируются охлажденным в теплообменнике (7) пермеатом. Часть пермеата (9) отводится в качестве целевого продукта, остальная часть рецирку-лируется в модуль мембранной дистилляции.
Рис.2. Схема подключения модуля мембранной дистилляции к линии охлаждающей воды: 1 - конденсатор; 2 - линия охлаждающей воды; 3 - линия смешивания; 4 - модуль мембранной дистилляции; 5 - мембрана; 6 - охлажденная вода; 7 - теплообменник; 8 - циркуляционный насос; 9 - дистиллят (пермеат); 10 - сброс охлаждающей воды; 11 - насос осветленной морской воды.
Разработка математической модели технологической схемы предложенной на рис. 1 является объектом последующих исследований.
References
1. A.H.M. Saadat, Md. Saiful Islam, Parvin Fahmidd, Ayesha Saltan. Desalination Technologies for Devalopment Contries: A Review. Journal of Scientific Research, 2018, 10(1), 77-97.
2. Feyziev G.K. Highly efficient methods of water softening, desalination and demineralization. Ed. 2nd, "Takhsil" CCI, 2009, 442 p. [Published in Russian]
3. Faisal Al-Juwayhel, Hisham El-Dessouky H.T., Ettouney H.M. Analysis of single-effect evaporator desalination systems comdined with vapor compression heat pumps/ Desalination 114(1997)253-275.
4. Younes Ghalavand, Amir Rahimi, Mohammad S. Hatamipour. A review on energy consumption of desalination processes. Desalination and water treatment, (2014),1-16.
5. El-Dessouky H.T., Ettouney H.M. Fundamentals of Salt Water. Desalination ELSEVER, Amsterdam, Tokio, 2002, p.691.
6. Chennan Li. Innovative Desalination Systems. Graduate Theses and Dissertations, University of South Florida, 2012,p.196.
7. Kiyan Parhan, MortazaYari, Ugur Atikol. Alternative absorbtion heat transformer configurations integrated with water desalination system. Desalination 328(2013)74-82.
8. Enrico Drili, Aamer Ali, Francesce Mace-donio. Membrane distillation:Recent developments and perspectives. Desalination 356(2015)56-84. Analysis of single-eff
