污水处理技术工艺

三种主流的海水淡化工艺

发布日期:2019-06-22 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

海水淡化是解决淡水资源短缺的重要途径。北京工业大学副教授郑小英介绍了最广泛使用的海水淡化工艺:低温多效蒸馏,多级闪蒸,反渗透,工艺原理分析,工艺特点,发展趋势和发展中国海水淡化行业。现状。原文发表于2016年第六期“净水技术”的“经验交流”部分。本文略有删除和修订。

01三效低温多效蒸馏海水淡化工艺原理图

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低温多效蒸馏过程(lt-med)是在压力降低的一系列蒸发室中进行的。蒸发室的数目称为效应数。一般情况下,一个典型的lt-med海水淡化厂的效应数大于7个效应。如图1所示,在每个蒸发室中安装了一系列蒸发束。蒸发束具有优良的传热性能和一定的机械强度。在该系统中,从外部热源引入蒸汽进入第一个有效蒸发器;海水从蒸馏系统的右侧进入,由最后一个效应产生的蒸汽预热,作为蒸馏系统的补充。进入系统的海水从每个作用的顶部喷到内部蒸发管,在重力作用下,它沿蒸发管表面由上往下流动,不断从蒸发管表面吸收热量,部分蒸发产生蒸汽。同时,蒸发管内的蒸汽经过加热和冷凝,产生淡水。系统的一个效应产生的二次蒸汽被雾化器除去,进入下一个蒸发管,直接用作下一个蒸汽管的加热蒸汽。沿蒸汽输送方向,室内压力和温度逐渐降低。通过这种方式,蒸发和冷凝将在每个效应中重复。只有第一效果的浓缩淡水蒸发器才会回到蒸汽发生器,剩下的效果会变成产品水。

技术特点

LT-MED通过控制蒸发室内的压力,实现了海水在较低温度(<70 ℃)条件下的蒸发和冷凝循环, 大大减弱了设备的结垢和腐蚀问题,运行寿命长、维护量少,而且使得应用廉价传热材料的可能性大大增加。由于LT-MED的冷凝过程完全发生在蒸发管内部,系统受海水水质的影响非常小。在较低的温度条件下,海水中的杂质几乎不发生相变,产品水的TDS可达5 mg/L以下。LT-MED主要利用低压蒸汽或者是发电厂的余热,这也使得其能够利用多种低位热能而具备节能的特色。根据系统规模、蒸发室个数以及蒸发管的传热效率的不同,造水比(生产淡水和消耗蒸汽的质量比)为8~15,其运行负荷可以是设计负荷的40%~110%而保持造水比不变,这种操作弹性是一个重要优势,如果因某种原因蒸汽量减少或者增大,对LT-MED的运行影响并不大。但由于LT-MED的操作温度超过 70 ℃,这也成为该工艺技术进一步提高热效率的制约因素。

当前发展趋势

根据这一原理,由于海水在较低温度下的结垢和腐蚀会大大减少,因此IDE于20世纪70年代末在以色列开发了LT-MED。从热能利用和转化的角度来看,LT-MED比MSF更高效,这使得LT-MED的市场优势明显,在新的热处理工艺中得到了广泛的应用。就全球市场而言,虽然与MSF相比,LT-MED脱盐装置的数量相对较少,但LT-MED的发展使多效蒸馏具有许多优势,而且在使用低温余热蒸汽后,与反渗透相比,水的生产成本也具有相当的竞争力。过程中,完成的工厂数量也在增加。今后,低温多效蒸馏技术的研究将集中在新的廉价原料的应用和工厂规模的扩大上,旨在进一步降低设备和操作成本,提高竞争力。

02多级闪光脱盐工艺图

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多级闪蒸工艺(MSF)的原理是在一系列闪蒸室中闪蒸海水,其中压力逐渐降低。闪蒸室的数量称为阶段数,超大型MSF海水淡化厂可达到50个水平。如图2所示,海水首先通过闪蒸室顶部的冷凝管束,通过闪蒸室各阶段产生的逐渐上升的蒸汽在冷凝管束中预热,最后到达盐水加热器。盐水加热器的加热蒸汽来自火力发电厂。将海水加热至加热器中的最高温度(90~115℃)并送至第一级闪蒸室。闪蒸室中的压力低于对应于海水的饱和蒸汽压力,即,海水被送到闪蒸室的温度高于闪蒸室中的压力下的沸腾温度,因此海水沸腾迅速,直到温度下降到沸点。一部分海水被蒸发,产生的蒸汽被除雾器除去以除去溶解的盐,最后在入口冷凝管束的表面冷凝后收集淡水。未蒸发的海水的温度降低,并且继续闪蒸到下一个低压闪蒸室的过程继续,使得重复的蒸发和冷凝过程继续产生脱盐水。

技术特点

MSF技术较为传统、成熟可靠、运行安全稳定,其装置具有规模大、超大型的特点。由于多级闪蒸分离了海水的加热和蒸发,与早期的多效蒸馏工艺相比,MSF设备结垢现象更轻,更容易去除。大型MSF通常设计为一个浓缩水循环系统。循环部分浓水作为补充给水系统,可以减少对蒸汽和海水的需求,也可以减少阻垢剂和消泡剂的使用。MSF的系列化和制水率受多种因素的影响。在垂直冷凝管束MSF系统中,一般情况下,造水率约为该系列的1/2~1/3,而在平行冷凝管束MSF系统中,造水率约为该系列的1/4。脱气处理是循环MSF系统的重要预处理步骤。脱气处理可以去除水中的溶解气体,如氧、氮和二氧化碳。如果不进行脱气处理,这些溶解气体将在闪蒸过程中释放出来。这些气体导热性差,会降低冷凝管束的传热速率,同时二氧化碳和氧气会加速设备的腐蚀。MSF耗电量大,设备运行灵活性小,不适用于产水量变化较大的场合。

当前发展趋势

msf自1960年代起迅速占领中东市场,这也是海水淡化技术大规模应用的开始。目前,它仍是全球市场上第二大的脱盐工艺。其发展和应用主要集中在中东地区。与lt-med相比,该技术能耗高,在中国等新兴海水淡化市场应用较少。近年来,几乎没有大规模的msf新项目。而热过程则是热过程。随着全球海水淡化工业的兴起和新技术的发展与应用,msf未来的市场份额预计将进一步缩小。

03渗透和反渗透示意图

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反渗透是反渗透的过程。渗透是一种自然现象。水分子在稀溶液中会以较快的速度通过半透膜扩散到浓溶液的侧面。如图3所示,淡水侧的液位将持续下降,导致静水压差。当静水压差存在时,水分子在两侧的扩散速度相等,渗透达到平衡。此时,静水压差称为渗透压差(海水与淡水界面的渗透压约为2.4兆帕)。反渗透过程正好相反。在海水反渗透中,在海水一侧施加大于海水渗透压力的压力,会导致海水中的水分子通过膜,从而截留盐。理论上,外部压力越大,海水中水分子的反渗透越快。

反渗透过程的核心成分是合成的反渗透膜,它只能让水分子通过。逆渗透膜的扁平膜需要制成一定的结构,用于水处理工程。目前,海水淡化中,最主要的用途是芳香族聚酰胺卷膜成分。水文隔板夹在两个平膜膜之间,膜层沿膜层的三面胶结,再与进水隔板结合,缠绕在管上多孔中心周围。最后,两端安装有穿孔的端盖,并将其封装,形成卷膜元件。市售的防渗透膜元素有多种规格,海水淡化中最常用的膜元素直径为200毫米,标准长度为1000毫米。在swro系统中,一个或多个线圈膜元件连接并装入圆柱形压力容器。将多个压力容器组合成反渗透单元。一般来说,一个压力容器可以包含6至8个膜组件,一个中型的Swro系统由数千个压力容器组成。

如图4所示,swro由高压泵、压力容器和能量回收装置组成。海水经过预处理后,经高压泵加压进入反渗透装置的压力容器后,海水首先通过第一膜单元,在入口网络通道中被膜单元螺旋缠绕,压力较高。在压力作用下,一些水分子继续穿透膜,通过产生水网状物进入绕组膜元素的中央管道,产生产物水,其余的水流继续沿着水流的方向流向下一个膜元素。这一过程是依次进行的。当进水口通过下一个膜元素时,进水口的浓度增加,而当最后一个膜元素通过时,进水口变成了浓缩水。集中的水流出压力容器后,剩余的压力能量由能量回收装置回收。

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技术特点

与热力法不同,SWRO没有蒸发冷凝的相变过程,其主要能耗是反渗透过程的高压泵送功率,使反渗透产水成本低于热力法。此外,与热法相比,该设备具有模块化结构和较高的工艺灵活性。其本地设施的暂停维护不会影响系统其余部分的运行。然而,海水反渗透需要复杂而精细的预处理工艺。不同的商用膜制造商对聚酰胺反渗透膜的进水SDI、pH、温度和余氯有严格的限制。当预处理不合格时,膜表面的结垢和结垢会加速。在运行中,会影响膜元件的使用寿命、能耗和水质,从而增加产水成本。海水反渗透预处理工艺随进水方式和海水水质的不同而不同。对于开放式取水方式,反渗透前采用溶解气浮+超滤+5微米保安过滤器更为普遍,以保证反渗透水质要求。对于平均取水量tds=3.5万mg/l的海水反渗透系统,进水压力在5.0Mpa以上,运行恢复率(产水量与取水量之比)在40%-60%之间。能量回收装置是另一个关键设备。海水反渗透技术的迅速发展,为反渗透系统中能量回收装置的应用,以及膜材料和元件的连续优化做出了很大贡献。目前,高效PX压力回收装置能从浓水中回收95%以上的能量,对给水进行加压,使反渗透工艺能耗降低近一半。一级反渗透出水的总溶解速度约为300-500 mg/l,满足世界卫生组织对饮用水总溶解速度(500 mg/l)的要求。海水反渗透已广泛应用于缺水地区的饮用水供应。

当前发展趋势

由于省级设备投资、建设周期短、能耗低等优点,80年代开始与传统热过程竞争[12],发展速度较快,现在它已经成为全球海水淡化市场上最重要的技术。目前,我国的市政工业基本采用了一级流程,这也是反渗透过程产能快速增长的原因。未来反渗透技术研究的重点将是开发更节能、更耐用的新型防渗透膜和膜组件,降低运行能耗和维护成本,降低水生产成本。

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