寒冷地区太阳能减压膜蒸馏RO浓水淡化系统设计与试验

2018-08-21田军仓

农业工程学报 2018年15期

刘娟，田军仓

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用工程研究中心，银川 750021）

0 引言

在众多的苦咸水/海水淡化技术中，反渗透技术是最先进有效、最节能的膜分离技术，然而反渗透（reverse osmosis，RO）浓水的处理却是目前难以解决的一个问题。对于RO浓水处置最普遍的做法是直接排放，这样既造成水资源浪费，又对环境产生严重污染。利用膜蒸馏技术处理RO浓水受到越来越多人的关注。膜蒸馏（membrane distillation，MD）是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型技术，它以疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差作为传质推动力，该过程受热侧溶液浓度的影响很小，因此可用于RO浓水的处理。

国内外众多学者利用膜蒸馏对高浓度盐水进行了浓缩处理试验，结果表明膜蒸馏是一种处理高浓度盐水非常有前景的技术。Li等[1]利用直接接触膜蒸馏（direct contact membrane distillation，DCMD）对高浓度盐水进行处理。Mericq等[2]利用真空膜蒸馏（vacuum membrane distillation，VMD）对300g/L浓盐水进行处理，模拟并优化了操作条件。Adham等[3]在不同的操作条件下，对膜蒸馏脱盐装置中不同MD膜的性能进行了比较。Ji等[4]对RO浓水的膜蒸馏结晶装置进行了研究。陈利等[5]分别采用2种不同材质的膜对RO浓水进行VMD处理。王军等[6]釆用膜蒸馏技术处理RO浓水，考察了各因素对处理结果的影响。刘东等[7]利用新型高通量聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）中空纤维疏水膜，对石化企业废水经反渗透处理产生的浓水进行VMD处理。唐娜等[8]采用PVDF中空纤维膜及聚四氟乙烯（poly tetra fluoro ethylene，PTFE）微孔平板膜组件对RO浓水进行了VMD过程研究。匡琼芝等[9]对VMD淡化高浓度盐水过程中温度、浓度、真空度对膜通量的影响进行了研究。

膜蒸馏的热侧溶液可在较低的温度下产生蒸汽，因此可利用低等级的废热或太阳能为膜蒸馏提供热源。太阳能膜蒸馏苦咸水/海水淡化技术尚处于试验室研究和小型示范阶段，欧盟委员会资助的SMADES项目开发了多个太阳能独立驱动的膜蒸馏海水淡化系统[10]，Banat等[11]介绍了位于埃及的小型试验装置，其6个月的运行结果表明，在全天太阳辐射平均为7.25 kWh/d时，集热器产水量为11.2 L/(d﹒m2)。Banat等[12]还介绍了位于约旦的试验装置，用电导率为55000 μm/cm的红海海水作为进料液，集热器单位面积的产水量为2～11L/d。Banat等[13]提出了一种将太阳能与膜蒸馏相结合的系统，以3.5%的NaCl溶液代替海水，当太阳辐射平均为252 W/m2时，系统工作7.5h的平均产水量为9 L /m2。Koschikowski等[14]在德国搭建了一个集热面积为5.9m2的小型太阳能膜蒸馏试验台，在膜蒸馏冷侧利用进料液回收蒸汽的冷凝热，当最高水温达到90℃时，膜通量为15L/h，在夏天产水量达到120L～160L/d。Qtaishat等[15]对太阳能膜蒸馏系统的性能及成本进行了研究。杨华剑[16]在杭州地区搭建了一个集热面积为8m2的太阳能膜蒸馏试验台，集热器产水量可以达到954 L/(y·m2)。殷文其等[17]在2010年将新型U型管式集热器与膜蒸馏相结合，结果表明当进料液温度和流量分别为88.6 ℃和332 L/h，冷却水温度和流量分别为10℃和440L/h时，膜通量为2.687 L /(m2·h)。曾辉[18]在2013年对太阳能真空膜蒸馏海水淡化系统进行了研究，在进料液温度高于65 ℃和冷侧真空度为0.080MPa时，膜通量可以达到14.4 L/(m2·h)。由此可见，利用太阳能低品位能源驱动膜蒸馏系统淡化苦咸水/海水是一项可行的水处理技术，然而太阳能集热系统与膜蒸馏系统耦合匹配及系统最优设计是需要解决的一个问题[19-20]。

膜蒸馏过程产生的淡水蒸汽需要一定的冷凝设备冷凝后形成淡水，冷凝过程中淡水蒸汽释放的汽化潜热较大，目前有关膜蒸馏过程蒸汽相变热回收的报道极少[21-24]。王丽[25]利用多级和多效减压膜蒸馏过程对膜蒸馏过程的能量进行了回收。刘学晶[26]对减压膜蒸馏系统进行了工艺改进，通过一级、二级、三级热量回收式减压膜蒸馏装置，实现了系统的热量回收再利用。高云霄[27]设计和制备了一种新型的具有内部热回收功能的螺旋卷式气隙膜蒸馏组件，实现对膜蒸馏过程中蒸汽潜热的回收利用。张猛等[28]在VMD过程中设立特殊的多效蒸发区，使膜组件同时具有蒸汽的换热降温与原料液的升温蒸发双重作用，从而实现 VMD 过程蒸发潜热的高效回收利用。通过文献分析可知膜蒸馏过程的热回收多为通过对蒸汽的多级和多效利用，实现了系统的潜热回收，但还是避免不了利用冷却水对膜蒸馏所产蒸汽进行冷凝。为实现蒸汽的冷凝需要大量的冷却水，其耗水量远高于膜蒸馏的产水量，因此难以实现减排的初衷。

针对目前RO浓水的零排放、太阳能集热与膜蒸馏的耦合匹配以及膜蒸馏系统蒸汽冷凝过程的冷却水减排和相变热回收问题，本文设计了一套适用于寒冷地区的太阳能减压膜蒸馏RO浓水淡化系统，并在宁夏银川市贺兰县苦咸水地区的温室大棚里进行试验测试，对系统设计的合理性进行了验证。本研究对解决太阳能集热与膜蒸馏的耦合匹配及膜蒸馏的蒸汽冷凝和相变热回收、降低膜蒸馏系统能耗、实现RO浓水零排放、减少浓水对环境污染具有重要意义。

1 系统组成、原理及设计

1.1 系统组成

寒冷地区太阳能减压膜蒸馏 RO浓水淡化系统主要由RO浓水箱、膜蒸馏组件、太阳能集热器、冷凝装置、循环泵、真空泵、淡水箱等构成，如图 1所示。该系统放置在宁夏银川市贺兰县欣荣村的温室大棚中，系统前端是一套用于温室灌溉的反渗透系统，由于RO浓水无法排放，因此采用减压膜蒸馏进一步淡化。为了降低能耗，膜蒸馏所处理的RO浓水采用太阳能集热器进行加热。膜蒸馏产生的淡水蒸汽利用反渗透淡水池中的换热盘管及温室地热盘管进行冷却，即解决了蒸汽冷凝问题，又实现了相变热回收并可用于温室加热。

图1 太阳能减压膜蒸馏RO浓水淡化系统图Fig.1 System of RO brine desalination for solar vacuum membrane distillation

1.2 系统工作原理

如图 1所示，地下苦咸水通过原水泵输送到磁砂过滤器，由安保过滤器过滤后，经高压泵加压进入反渗透膜组件中，产生的淡水进入到淡水池中，产生的浓盐水进入到浓盐水箱中。浓盐水经过太阳能集热器间接加热后，输送到膜蒸馏组件，当太阳能集热器不能将浓盐水加热到设定的温度时，可通过电加热器进行加热。由膜蒸馏组件产生的淡水蒸汽被真空泵抽到淡水池散热盘管中，经过淡水池蒸汽散热盘管冷凝后，进入淡水箱，同时淡水池中的水被加热，用于灌溉。当不需要加热淡水池中的水时，膜蒸馏组件产生的淡水蒸汽可由真空泵抽到温室的地下散热盘管中，经温室地下蒸汽散热盘管冷凝后，进入淡水箱中，同时加热盘管上部的作物。这两种冷却方式既节约了冷却水，又充分利用了盘管中的热量给灌溉水或作物加热。经膜蒸馏组件不断浓缩的浓盐水最终排放到太阳能蒸发结晶器中。当需要加热的淡水池温度或温室地温未达到所需的温度时，可通过淡水池太阳能集热系统换热盘管或温室地下太阳能集热系统换热盘管加热。

1.3 系统设计

1.3.1 膜蒸馏组件

系统前端RO浓水的产量为1m3/h，根据膜蒸馏厂家提供膜组件的产水量为 4L/m2﹒h，则所需的膜面积为250m2。由于本试验装置为中试系统，因此选用有效膜面积为10 m2的PTFE膜中空纤维膜组件，由浙江东大环境工程有限公司提供，型号为 DDPT-S2312，耐水压0.160MPa，使用温度为-190～250℃。中空纤维膜能够承受的热侧浓水温度为 80℃，压力为-0.090 MPa，膜丝平均内径为1.2 mm，平均外径为2.3 mm，壁厚0.5mm，平均膜孔直径为0.25μm，孔隙率55%。系统设计产水量为40 L/h，热侧浓水温度为 80℃，渗透侧真空压力为-0.090MPa。

1.3.2 太阳能集热器

普通的太阳能平板集热器或真空管集热器很难将浓水加热到 80℃，因此选用山东力诺瑞特新能源有限公司的CPC型太阳能中温集热器。一组CPC型中温集热器外形尺寸为1.640 m×2.082 m，采光面积为3.026m2，最大工作压力为 0.8MPa，静态最高温度为 276℃，载热介质为导热油（冬季防冻，夏季防结垢），容量为 2.23L。选用 1m3的保温水箱作为膜蒸馏组件中的 RO浓水太阳能加热水箱，同时兼做太阳能集热器的缓冲箱。考虑到RO浓水对集热器管道的腐蚀性，系统采用间接连接方式。

浓水水箱的加热设计温度为 80℃，反渗透的浓水出水温度为15℃，则所需的太阳能集热器面积Ac可按式（1）计算[29]。

式中Qw为日均热水量，m3；c为水的定压比热，kJ/(kg·)℃；ρ为水的密度，kg/m3；tend为水箱的加热设计温度，℃；tL水的初始温度，℃；JT为银川地区安装倾角平面年平均日太阳辐照量[30]，MJ/m2；f为太阳能保证率，取60%[30]；ηcd为集热器全日集热效率，根据产品性能取72.7%；ηL为管路及贮水箱热损失率，取20%；经计算得出，系统所需集热面积为15.2 m2，实际选用5组CPC型太阳能中温集热器，安装角度为银川当地纬度。考虑到阴天或冬季无法满足要求时，选用6kW的辅助电加热。

1.3.3 末端冷凝装置

系统共采用两种冷凝装置，一种是浸没在淡水池中的 ø40不锈钢散热盘管，一种是埋在温室地下作物根部的ø25地热盘管，两种冷凝装置均是自制的装置。

1）散热量计算

80℃的淡水蒸汽降为常温淡水（设平均为 20℃）的散热量Q可根据式（2）计算。

式中r为80℃蒸汽所具有的汽化潜热量，kJ/kg[31]； m为每小时产水量，kg；Δt为最高蒸汽温度降为常温淡水的温差，℃；通过计算可知散热盘管散热量为28 442W/s。

2）不锈钢散热盘管长度计算

由于不锈钢散热盘管浸没在淡水池中，因此管内蒸汽向管外的传热分为管内的凝结传热、管内壁向管外壁的导热、管外壁向水的自然对流传热三个过程。

管内凝结传热表面传热系数ih按式（3）计算[31]。

式中各参数均为散热盘管内蒸汽温度 ts与管内壁温度 tn的平均温度tm对应的饱和水参数[31]，ts=80℃，设tn=40℃，则tm=60℃；tw为散热盘管外表面温度； g为重力加速度，m/s2；ρ为 tm对应的水密度，kg/m3；ρv为 80℃水蒸汽的密度，kg/m3；λi为凝结水的热导率，W/(m·K)；μ为凝结水的动力粘度N·s/m2；d为管道直径；r′为修正后的80℃水蒸汽的汽化潜热，计算可得hi=5318.4 W/(m2·K)。

管外自然对流传热系数h0按式（4）计算[31]。

式中各参数均为散热盘管外表面温度 tw与水池水温 tf的平均温度tp所对应的饱和水参数[31]，设tw=35℃，tf=15℃，则tp=25℃；λ0为热导率，W/(m·K)；α为体积膨胀系数，m2/s；Δt=tw-tf；ν为运动黏度，m2/s；Pr为普朗特准则数；C、n为由试验确定的常数；计算可得h0=79.3 W/(m2·K)。

不锈钢散热盘管的综合传热系数K按式（5）计算。

式中b为ø40不锈钢管的厚度，1.5mm；λ为不锈钢管导热系数，16 W/(m·K)[29]，则计算综合传热系数k=72.8W/(m2·K)。

不锈钢盘管长度l按式（6）计算：

经计算可得不锈钢散热盘管长度为 47.85m。设计选用直径为ø40，长度为50m的304不锈钢钢管做成散热盘管放置在反渗透淡水池中。

3）温室地热盘管长度计算

温室中的地热盘管埋设在土壤中，管内蒸汽散热过程为蒸汽在管内的凝结传热、管内壁向管外及其覆土层的导热过程、地面与室内空气的自然对流传热。这与采暖系统中地热盘管的选型计算相似，则地热盘管长度 l按式（7）计算：

式中q为每米地热盘管的散热量，ø25的地热盘管经验值一般为q=20～25W/m[32]，本系统设计取25 W/m，经计算温室地热盘管的长度为1137m。设计选用直径为ø25，长度为1 140 m地热盘管铺设在温室作物根部以下20cm处。

2 试验材料与方法

2.1 RO浓水来源及组成

试验所用 RO浓水为用于温室滴灌的苦咸水反渗透淡化系统，该系统的淡水产量为3m3/h，淡水与浓水的产水比例为3:1，因此浓水产量为1 m3/h。浓水成分组成如表1所示。

表1 RO浓水成分组成Table 1 Composition of RO brine

2.2 试验方案

1）太阳能集热效果试验

通过对当地太阳辐照度、室外温度、太阳能集热器的进出口温度、RO浓水太阳能加热水箱的水温进行连续测试，分析太阳能集热效果。

2）减压膜蒸馏产水效果试验

①保证渗透侧真空压力不变，改变热侧 RO浓水温度，测试热侧膜蒸馏组件进出口处的RO浓水流量、温度和渗透侧淡化蒸汽质量流量及温度，以及浓水和淡水电导率，分析热侧浓水温度、浓度及膜污染对膜通量的影响。

②保证热侧 RO浓水温度不变，改变渗透侧真空压力，测试热侧膜蒸馏组件进出口处的RO浓水流量、温度和渗透侧淡化蒸汽质量流量及温度，以及浓水和淡水电导率，分析渗透侧真空压力、热侧浓水浓度及膜污染对膜通量的影响。

3）冷凝装置冷凝效果试验

通过对淡水池不锈钢散热盘管及温室地下散热盘管冷凝系统的入口处、中间段及出口处的温度进行测试，分析蒸汽在散热盘管中的温度降，从而进一步分析冷凝系统的效果。

4）地热盘管加热效果试验

地热盘管铺设在作物根部以下20cm处，因此对距离盘管上表面10、20cm处土壤的温度进行测试，分析蒸汽散热盘管对作物根部的加热效果。

2.3 测试指标及方法

利用北京世纪建通环境技术有限公司提供的 JTR12太阳辐射观察站和 JTR13B室外气象观察站对当地的太阳总辐照度和室外环境温度进行测试。利用自制的智能监测系统对太阳能集热器的进出口温度、RO浓水太阳能加热水箱温度，及膜蒸馏组件的进出口浓水流量、膜蒸馏组件的浓水进出口温度、淡水蒸汽出口温度、不锈钢蒸汽散热盘管的进出口温度、温室蒸汽地热盘管的进出口温度进行测试，其中流量测量采用的是智能电磁流量计，流量测试范围为 0～5m3/h，温度测量采用的是三通专用DS18B20温度传感器，温度测试范围为-55～125℃。利用西安南控仪表设备有限公司提供的压差补偿型孔板蒸汽流量计对膜组件产生的蒸汽质量流量、温度、真空度进行测试，蒸汽流量测量范围0～310 m3/h，工作压力-0.080 MPa，介质温度-20～+120℃。利用美国奥豪斯的电导率仪测试膜蒸馏浓水在不同浓缩陪数下的电导率和膜蒸馏淡水电导率，测试范围为0.02～200 mS/cm。系统所用的循环泵为不锈钢离心泵，流量为2 m3/h。真空泵为7.5 kW的水环式真空泵，最大吸气量为280 m3/h，极限真空度为-0.097 MPa。

3 结果与分析

3.1 太阳能集热效果分析

2016年对太阳能集热系统进行了全年测试，分别选择冬、春、夏、秋季中典型的一天进行数据分析。图 2为系统在1月25日、3月18日、7月3日及10月15日的变化曲线。

图2 太阳能集热效果分析图Fig.2 Effect analysis of solar collector

由图 2可知，所配的太阳能集热器在春季和秋季可以将RO浓水加热到80℃左右，夏季可加热到90℃左右，而冬季可以加热到 60℃左右。因此在不需要辅助电加热的条件下，春夏秋 3个季节基本可以达到膜蒸馏的用热要求，而冬季可通过辅助电加热来满足膜蒸馏的用热要求。

3.2 减压膜蒸馏效果分析

如图3a所示，在温室温度为14℃以上、RO浓水矿化度为7.1g/L、系统流量为4m3/h的条件下，保持膜蒸馏渗透侧真空压力分别在-0.065、-0.070、-0.075、-0.080MPa时，淡水产水量随着浓水进水温度的升高而升高。在真空压力为-0.080MPa时，70℃的产水量是60℃的1.18倍，而80℃的产水量是60℃的2.08倍。如图3b所示，在相同条件下，保持浓水进水温度分别在 60、65、70、75、80℃时，淡水产水量随渗透侧真空压力的升高而升高。在浓水进水温度为80℃的条件下，真空压力为-0.080MPa的产水量，分别比-0.065、-0.070、-0.075MPa的产水量提高了近2倍、1.5倍、1.2倍。因此随着浓水进水温度和渗透侧真空压力的升高，膜蒸馏淡水产量也逐渐增大，其函数关系可按式[33]（10）表示。

式中J为膜蒸馏淡水产量，kg/h；Bm为膜蒸馏渗透系数，与膜的孔隙率、平均孔径、膜厚度、膜孔内的弯曲度等构造有关；Pmf为热侧膜表面蒸气压，Pa；Pmp为渗透侧膜表面蒸气压，Pa；Pv为真空泵压力，Pa。水蒸气压可由安托万公式[35]按式（11）计算。

式中A，B，C都是常数，对于水A=16.3872，B=3885.70，C=230.70[34]，T为水蒸气温度，℃。

图3 不同因素对减压膜蒸馏产水量的影响Fig.3 Effect of different factors on fresh water yield of vacuum membrane distillation

当达到中空纤维膜所能耐受的最高温度 80℃，及银川地区膜蒸馏系统渗透侧所能达到的最大稳定真空压力-0.080MPa时，膜蒸馏的淡水产水量达到最高值，可达到37.62 L/h。减压膜蒸馏系统渗透侧真空压力设计值为-0.090MPa，由于受地域的限制和真空泵效率的影响，该系统渗透侧所能达到的最大稳定真空压力为-0.080MPa，因此减压膜蒸馏的淡水产量低于设计的40L/h。

如图3c所示，在浓水进水温度为76℃、渗透侧真空压力为-0.077MPa、浓水流量为1.85 m3/h的条件下，系统连续运行4.5h，产水流量从0.474降到了0.33L/min，电导率由6.73增加到了11.82ms/cm，可以看出随着浓水体积的减少，浓水浓度的增加，膜污染增大，导致淡水产量逐渐下降。如图3d所示，在系统运行了近240h以后，采用5%的硫酸溶液对中空纤维膜进行清洗。在浓水进水温度为 80℃、真空压力为-0.080MPa的条件下，清洗后的系统产水量比清洗前提高了近1.5倍。

3.3 冷凝装置冷凝效果分析

如图4a所示，将不锈钢散热盘管的蒸汽入口处作为横坐标的0点，沿不锈钢盘管长度50m处作为不锈钢散热盘管凝结淡水出口，分别测试离不锈钢盘管入口处0、10、30、50m处的管内温度。当不锈钢散热盘管入口处的淡水蒸汽温度分别为60、55、50、45、40℃时，随着蒸汽在管内的流动，到不锈钢散热盘出口处的温度都接近水池中冷却水的温度20℃左右。因此可以说明设计的不锈钢散热盘管长度可以满足蒸汽冷凝的要求。

如图4b所示，将地热盘管的蒸汽入口处作为横坐标的0点，沿地热盘管长度1140m处为地热盘管凝结淡水出口，分别测试离地热盘管入口处0、380、760、1140m处的管内温度。当地热盘管入口处蒸汽温度分别为 60、55、50、45、40℃时，地热盘管出口处的温度均在 20℃左右，接近土壤温度，说明设计的地热盘管长度可以满足蒸汽冷凝的要求。

图4 末端冷凝效果分析图Fig.4 Analysis of condensing effect

3.4 地热盘管加热效果分析

如图5所示，当温室地热盘管中淡水蒸汽温度从40℃上升到 65℃时，地热盘管表面温度上升的幅度较大，但离盘管以上10、20cm处土壤的温度变化幅度较小，在10cm处的土壤温度平均在30℃左右，在20cm处的土壤温度平均在25℃左右，对作物的根部有一定的加热作用。因此在地表以下30～40cm处铺设地热盘管较为适宜。

图5 地热盘管内不同蒸汽温度对不同土壤层的影响Fig.5 Effect of different soil layers on different steam temperatures in geothermal coil

如图5所示，当温室地热盘管中淡水蒸汽温度从40℃上升到65℃时，地热盘管表面温度上升的幅度较大，但离盘管以上10、20cm处土壤的温度变化幅度较小，在10cm处的土壤温度平均在 30℃左右，在 20cm处的土壤温度平均在 25℃左右，对作物的根部有一定的加热作用。因此在地表以下30～40cm处铺设地热盘管较为适宜。