热膜耦合海水淡化系统的设计与分析

任显龙，王新鹏，曾庆才

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

热膜耦合海水淡化系统的设计与分析

任显龙，王新鹏，曾庆才

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

热膜耦合海水淡化系统比单独采用热法海水淡化系统或膜法海水淡化系统，更具有经济优势。依据热膜耦合海淡系统的构成方式，分析了海淡系统在各种耦合方式下的运行成本，建立了反渗透海水淡化和低温多效蒸发海水淡化的计算模型。通过物料平衡和能量平衡的计算，推荐了优化后的热膜耦合方式，为热膜耦合海淡系统的方案设计和运行，提供数值依据。

海水； 淡化； 系统； 热膜； 耦合； 计算； 模型； 优化

0 概 述

目前，海水淡化已被广泛应用于各行各业。我国采用的海水淡化系统，主要以低温多效蒸发(MED)和反渗透(RO)海水淡化系统为主。在低温多效蒸发(MED)系统中需采用大量的贵金属，而在反渗透(RO)系统中，需消耗大量电能。如建造同等规模的海水淡化系统，RO系统在投资成本和运行成本上，均要优于MED系统。低温多效蒸发(MED)可利用蒸汽余热，将大幅度降低制水成本。反渗透系统的产水量受海水温度的影响较大，尤其在我国北方，冬季寒冷，海水温度偏低，提高了造水成本，而且，反渗透系统的出水水质没有多效蒸发系统出水水质好，因此，欲提高水质，需增加二级或三级反渗透装置，增大了投资成本。对于大型海水淡化系统，可采用热膜耦合技术，以降低出水成本，且该类系统的运行较为有效。采用热膜(MED/RO)耦合海水淡化技术，是解决海水淡化系统高能耗及降低运行成本的重要途径[1，2]。

根据反渗透海淡和低温多效蒸发海淡的不同耦合方式，建立了数值模型[3，4]。通过物料平衡和能量平衡计算，在不同耦合方式下，对影响海水淡化系统运行成本的因素进行分析，为热膜(MED/RO)耦合海水淡化系统的设计和实际运行提供了参考依据[5，6]。

1 热膜耦合海淡系统的设计

1.1 简单的MED/RO耦合系统

在简单的MED/RO耦合系统中，MED和RO均为独立系统。原料海水分成两路，一路往RO系统，另一路去往MED系统。RO和MED系统的产水最终将汇合，或者根据用户的需求掺混。热膜耦合海淡系统的布置，如图1所示。

图1 热膜(MED/RO)耦合海淡系统

系统设计时，需计算总物料平衡：

MHf=Mcw+MHd+MHb

(1)

式(1)中，MHf是总给水流量；Mcw是MED冷却水排放量；MHd是总产水量；MHb是总浓水量。

产水流量：

MHd=Md+Fd

(2)

式(2)中，Md是MED系统的产水量；Fd是RO系统的产水量。

假设MED系统产水的含盐量为零。

总含盐量平衡：

XHfMHf=XcwMcw+XHdMHd+XHbMHb

(3)

式(3)中，XHf是给水总含盐量；Xcw是冷却排放水含盐量；XHd是产水总含盐量；XHb是浓水总含盐量。

1.2 MED浓水作为RO给水的耦合系统

在该耦合系统中，原料海水全部进入MED系统，MED系统产生的浓水全部作为RO系统的给水。MED浓水作为RO给水的耦合系统布置，如图2所示。

图2 MED浓水作为RO给水的耦合系统

计算总物料平衡：

Mf=Mcw+MHd+Fb

(4)

式(4)中，Mf是MED系统的给水流量；Fb是RO系统的浓水流量。

总含盐量平衡：

XfMf=XcwMcw+XHdMHd+XFbFb

(5)

式(5)中，Xf是MED系统给水的含盐量；XFb是RO系统浓水的含盐量。

1.3 MED冷却水作为RO给水的耦合系统

在该耦合系统中，原料海水全部进入MED系统，MED产生的冷却排放水全部作为RO系统的给水。MED冷却水作为RO给水的耦合系统布置，如图3所示。

图3 MED冷却水作为RO给水的耦合系统

计算总物料平衡：

Mf=MHd+MHb

总含盐量平衡：

XfMf=XHdMHd+XFbFb

1.4 MED浓水和冷却水作为RO给水的耦合系统

在该耦合系统中，原料海水全部进入MED系统，MED产生的冷却排放水和浓水全部作为RO系统的给水。MED浓水和冷却水作为RO给水的耦合系统布置，如图4所示。

图4 MED浓水和冷却水作为RO给水的耦合系统

计算总物料平衡：

Mf=MHd+Fb

总含盐量平衡：

XfMf=XHdMHd+XFbFb

1.5 RO浓水作为MED系统的部分给水

在该系统中，原料海水分成二路，一路原料海水进入RO系统，另一路原料海水与RO系统的浓水汇合后，再进入MED系统，此类海淡系统的布置，如图5所示。

图5 RO浓水作为MED系统的部分给水

计算总物料平衡：

MHf=Mcw+MHd+Mb

(6)

式(6)中，Mb是MED浓水流量。

总含盐量平衡：

XHfMHf=XcwMcw+XHdMHd+XM bMb

(7)

式(7)中，XM b是MED浓水含盐量。

1.6 RO浓水做为MED给水的耦合系统

在该系统中，原料海水全部进入RO系统，RO浓水为MED系统的给水，此类海淡系统的布置，如图6所示。

图6 RO浓水做为MED给水的耦合系统

计算总物料平衡：

Ff=Mcw+MHd+Mb

总含盐量平衡：

XFfFf=XcwMcw+XHdMHd+XM bMb

2 计算结果与讨论

2.1 设计参数

海淡系统的设计参数，如表1所示。

表1 海淡系统的设计参数

名称参数数量产水流量/t·h-1MHd1000给水温度/℃THf25蒸汽温度/℃Ts67.5给水含盐量/mg·L-1XHf32000RO进水温度/℃TRi<45膜通量/LMHQ14MED产水含盐量/mg·L-1XFd0MED浓水含盐量/mg·L-1XMb<70000RO浓水含盐量/mg·L-1XFb<70000

2.2 结算结果

根据热膜耦合系统的6种组合方式，分别进行了计算。计算结果，如表2所示。1～6分别代表简单的MED/RO耦合系统、MED浓水作为RO给水的耦合系统、MED冷却水作为RO给水的耦合系统、MED浓水和冷却水作为RO给水的耦合系统、RO浓水作为MED部分给水的耦合系统、RO浓水做为MED给水的耦合系统。

表2 6种组合方式的热膜耦合系统计算表

名称参数123456进水流量/t·h-1MHf41803745.42548.11872.72346.72350冷却水排放量/t·h-1Mcw15701915.41303.1957.7822.7824.5产水含盐量/mg·L-1XHd91.5227.6208.3333.6132.5104.8浓水含盐量/mg·L-1XHf518207038452466682966989869998浓水流量/t·h-1MHb16108301548.1872.7524525.14MED蒸汽流量/t·h-1Ms5263.4443.1631.7227.327.3运行压力/MPaP5.36.24.95.75.34.8

2.3 耦合方式的讨论

计算结果表明，采用热膜耦合海水淡化系统，可有效降低海水淡化系统的总取水量，采用MED浓水和冷却水作为RO给水的耦合系统，取水总量最少，是简单的MED/RO耦合系统取水量的44.8%。在6种组合方式中，各耦合方式下的进水总流量，如图7所示。

图7 各耦合方式下的进水总流量

计算结果表明，采用热膜耦合海淡系统，对产水水质的影响较大，由于RO海淡系统比重的提高，产水水质有所下降，而MED浓水和冷却水作为RO给水耦合系统所产的水质最差，是简单MED/RO耦合系统的3.6倍。RO浓水作为MED部分给水的耦合系统，以及用RO浓水做为MED给水的耦合系统的产水水质略有升高，分别为1.45倍和1.145倍。各耦合方式下产水的含盐量，如图8所示。

图8 各耦合方式下产水的含盐量

计算结果表明，采用热膜耦合的组合方式，对MED蒸汽耗量的影响较大，MED浓水作为RO给水的耦合系统，其蒸汽量的消耗最多，是简单热膜耦合方式的1.17倍，RO浓水作为MED的部分给水和RO浓水做为MED给水的耦合系统，蒸汽的消耗量最少，仅占简单MED/RO耦合系统消耗量的52.3%。MED蒸汽流量的变化情况，如图9所示。

图9 MED蒸汽流量变化情况

计算结果表明，热膜耦合的组合方式，对RO运行压力的影响较大，MED浓水作为RO给水的耦合系统，其蒸汽的运行压力最高，是简单热膜耦合系统压力的1.22倍。RO浓水做为MED给水的耦合系统，其蒸汽的运行压力最低，是简单MED/RO耦合系统压力的90%。RO系统蒸汽运行压力的变化情况，如图10所示。

图10 RO运行压力变化情况

3 结 语

采用RO浓水做为MED给水的耦合系统，是较优的热膜耦合系统，运行压力最低，是简单MED/RO耦合系统的90%；蒸汽消耗量最少，是简单MED/RO耦合系统的52.3%；产水水质略有升高，是简单MED/RO耦合系统的1.145倍；取水量是简单MED/RO耦合系统的58%。在海水温度较低地区，推荐采用MED冷却水作为RO给水的耦合方案，运行压力是简单MED/RO耦合系统的92.5%；蒸汽消耗量是简单MED/RO耦合系统的83.1%；产水水质是简单MED/RO耦合系统的2.27倍；取水量是简单MED/RO耦合系统的61%。

[1] O.A.Hamed.Overview of Hybrid Desalintion Systems-Current Status and Future Prospects[J]. Desalination，2005(186):207-214.

[2] Braj M. Misra, Pradip K. Tewari and B. Bhattacharjee. Futuristic Trends in Hybrid System for Desalination. IDA Conference, San Diego [C].1999.

[3] EI-Sayed, E.F., Ebrahim, S., AI-Saffar,A and Jawad, M.A.Pilot Study of MSF/RO Hybrid Systems[J]. Desalination，1998(120):121-128.

[4] A. Almulla, A.Hamad and M.Gadalla. Integrating hybrid systems with thermal desalination plants[J].Desalination，2005(174):171-192.

[5] J.Andrianne and F.Alardin.Thermal and Membrane Process Economics: Optimized Selection for Seawater Desalination[J]. Desalination，2002(153):305-311.

[6] I.S.AI-Mutaz, M.A. Soliman ,and A.M. Dahthem, Optimum Design for a Hybrid Desalting Plant[J].Desalination，1989(76):177-189.

Design and Analysis of Thermal Membrane Hybrid Desalination System

REN Xian-long, WANG Xin-peng, ZENG Qing-cai

(Harbin Boiler Co., Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang, China)

Thermal membrane hybrid desalination system is considered a good economic alternative to either of these two processes when operated individually. On the basis of the method of the formation of the thermal membrane hybrid desalination system, the operation cost of the desalination system under different hybrid modes is analyzed, the calculation model of seawater reverse osmosis (SWRO) and multi effect distillation (MED) desalination is established. Based on the calculation of material balance and energy balance, the optimized thermal membrane hybrid method is recommended, the data basis is provided for the design and operation of the thermal membrane hybrid desalination system.

seawater; desalination; system; thermal membrane; hybrid; calculation; models; optimize

1672-0210(2017)01-0023-04

2016-09-23

任显龙(1983-)，男，高级工程师，毕业于大连理工大学热能工程专业，从事海水淡化及电厂水处理技术的设计和研发工作。

P747

A