Опреснение воды

Электрические и комбинированные системы

Зарубежный опыт.

Все приведенные в статье стандарты, нормативы, требования и т. д. даны без изменений и могут не иметь аналогов в России.

Электрические системы Vcd (англ. «Vapor Compression Distillation» – «парокомпрессионная перегонка») в принципе сходны с системами Med (англ. «Multi-Effect Distillation» – «дистилляция многоэффектного действия»), о которых мы рассказывали ранее. Их главное отличие в том, что пар, получаемый при перегонке рассола, не конденсируется отдельной системой. При наличии схемы Vcd компрессор низкого давления (практически это вентилятор высокого давления) возвращает пар в тот же испаритель, который изначально обеспечивает процесс.

В таком испарителе пар конденсируется и в результате теплообмена отдает внутреннее тепло, что обеспечивает испарение дополнительного количества рассола, как показано на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Электрическая система Vcd

Вода, подлежащая обработке, доводится до кипения в баке, в котором давление ниже атмосферного. Полученный пар всасывается компрессором, увеличивающим ее температуру насыщения. Этот пар конденсируется в теплообменнике, погруженном в рассол, усиливая кипение последнего.

Системы данного типа очень просты, эффективны и потребление электроэнергии в них сводится практически к одному лишь компрессору.

В этих системах применен принцип теплового насоса, в котором используется внутреннее тепло, отдаваемое в бесконечном процессе испарения/конденсации.

Температурный режим систем на основе цикла Vcd относительно низкий (ниже 70 °С), что существенно снижает образование накипи и коррозию контуров трубопровода. Системы Vcd не требуют охлаждающей воды, что дает значительную экономию энергии не только в части водяных насосных агрегатов, но и в отношении водозабора из моря, поскольку для этого применяются насосы меньших типоразмеров. Выпускаемые опреснительные установки данного типа имеют производительность порядка 3000–4000 м³/день и поэтому они рекомендуются, в частности, для мультимодульных сетей. Расход электричества одного модуля Vcd составляет от 8 до 12 кВт•ч на м³ опресненной воды (не считая подкачку водозабора из моря) при годовом коэффициенте ресурсовооруженности, который, в общем-то, определяется системой компрессии, порядка 95–96 %.

Система хорошо сочетается с устройствами нанофильтрации, которые существенно повышают ее функциональные параметры, при вполне приемлемом уровне дополнительных затрат. Общий объем капиталовложений для таких систем варьируется от $1100 до 2000 на м³/день произведенной пресной воды.

Системы Vcd (парокомпрессионная перегонка) с эжект-компрессией

Данная схема представляет собой развитие системы с механической компрессией пара, описанной в предыдущей публикации.

Разница состоит в процессе сжатия пара (компрессии), поскольку в этом случае вместо устройства механического сжатия применяется схема на основе парового цикла. Установки с эжект-компрессией имеют производительность порядка 2500 м³/день. Они позволяют создавать практически статические системы опреснения, очень простые, имеющие относительно низкий рабочий температурный режим (60–65 °С), что опять-таки положительно сказывается на профилактике снижения производительности системы из-за образования накипи в рабочих контурах. Главный недостаток данной технологической цепочки – низкая производительность паровых модулей, в силу чего энергозатраты составляют порядка 110–120 кВт•ч (тепла) на м³ опресненной воды. Такая система, однако, представляет очевидный интерес при наличии источников остаточной тепловой энергии. Принципиальная схема установки показана на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   Система Vcd с эжект-компрессией

Системы электродиализа (ED) и обратного осмоса (RO)

Эти мембранные системы используют схемы, которые кажутся очень похожими. Однако это совсем не так, что видно из принципиальной схемы, приведенной на рис. 3.

Рисунок 3. Электродиализная система и система обратного осмоса

Таблица 1 Основные технико-экономические параметры процесса опреснения

Системы Msf Med Vcd (электри- ческие) Vcd (тепло- вые) Ro Ed Капиталовложения, $ на м3/день произведенной пресной воды (морская вода) 1000 1900 (морская вода) 900 1500 (1 уровень давления) (морская вода) 1000 1200 (морская вода) 900 1100 (морская вода) 600 1200 (морская вода) 400 700 Потребление электроэнергии (без учета водозабора из моря), кВт•ч/м3 пресной воды 4–6 2,5–4 8–12 1–3 4–8,5 0,7–40 Объем рабочего пара, кг/м3 пресной воды 0,110–0,125 0,07–0,8 – 120–130 – – Полезное давление пара, кг/см2 ВР 1,8–3 ВР 0,8–2 – МР/НР – – Максимальная производительность модуля (или системы), м3/сут до 75000 до 35000 до 75000 до 4000 до 2500 15000

Примечание: В таблице приведены общие ориентировочные данные. Стоимостные значения могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от типа объекта, параметров воды и климатических особенностей.

Электродиализ (ED)

Эта мембранная система используется с конца 1950-х годов. В основе лежит принцип фильтрации растворенных в воде солей через несколько селективных мембран.

Отделение солей осуществляется за счет действия электрического поля, как показано на рис. 4.

Рисунок 4 (подробнее)   Электродиализная система

Принцип электродиализа состоит в перемещении между электродами анионов и катионов растворенных солей через мембраны, проницаемые только для анионов или катионов.

В результате этого процесса в одной камере собирается обогащенный рассольный раствор, а в другой камере вода опресняется и содержание растворенных в ней солей значительно падает.

В процессах данного типа обычно применяются два типа мембран:

– гомогенные мембраны, получаемые в результате химического (или радиохимического) процесса в рамках функциональной системы на инертном носителе (например, тефлон, полиэтилен и т. п.);

– гетерогенные мембраны, получаемые из ионообменных смол в сочетании с совместимым материалом (ПВХ, полиэтилен и т. д.), нанесенных на основу из полиэстера, полиамида и пр.

Общая опреснительная производительность описанных выше процессов составляет от 1000 до 15000 м³/день, однако известны и более мощные установки.

Электродиализные установки имеют довольно узкое распространение, т. к. соленость исходной воды для них не может превышать 2,5–2,7 г/л.

Электродиализная система требует обязательного предварительного фильтрования исходной воды для удаления из нее взвешенных частиц, органических веществ и пр., а также минеральных веществ, вредных для рабочих мембран (таких, например, как железо, марганец, кремний и т. д.).

Обратный осмос (RO)

Данный процесс водоподготовки имеет широкое распространение и является безусловным лидером там, где температура воды для опреснения не превышает 32–33 °С с уровнем солености порядка 35–38 г/л.

Как правило, у морской воды с такими параметрами уже один проход через RO-мембрану снижает соленость до 300–450 мг/л.

Общая схема данного принципа опреснения показана на рис. 5 и 6.

Рисунок 5 (подробнее)   Система обратного осмоса

Рисунок 6 (подробнее)   Система обратного осмоса

Следует сразу отметить, что для получения не просто опресненной, а пресной питьевой воды, требуются несколько видов дополнительной очистки.

Давление исходной воды для опреснения находится в зависимости от уровня ее солености (рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость рабочего давления от солености воды

Единственным возможным источником энергии для систем обратного осмоса, также как и опреснительных циклов Ed и Vcd, является электричество.

Электропитание требуется для рабочих насосов высокого давления.

Коэффициент полезного действия таких многоступенчатых насосов обычно варьируется от 65 до 85 %.

Для рекуперации части израсходованной насосами энергии иногда применяются регенерационные насосы (или турбины), предназначенные для использования остаточного высокого давления, образующегося на выходе из установки.

Регенерация давления позволяет сократить энергозатраты опреснительной установки на 25–28 %.

Количество электроэнергии, требующейся для системы обратного осмоса, оснащенной регенерационным модулем, составляет обычно от 4 до 8,5 кВт•ч/м³ опресненной воды, причем электропотребление определяется, главным образом, рабочим давлением, которое в свою очередь зависит от качества воды, поступающей для опреснения.

Капиталовложения для этого типа оборудования варьируются в пределах от 600 до 1200 $ на м³/день опресненной воды в зависимости от качества исходной соленой воды и общей схемы опреснительной установки.

Преимуществом системы обратного осмоса, так же как и систем Vcd, является возможность создавать установки смешанного типа, позволяющие оптимизировать производительность в случае значительных колебаний суточного или сезонного соотношения между производством воды и электричества, как отмечалось выше.

Что касается типовой производительности, одномодульная система может производить в день порядка 4000–7000 м³ и более пресной воды.

Большая часть мембран этих установок очень чувствительна к наличию в воде различных бактерий, а также хлора, с помощью которого ведется борьба с образованием накипи и отложениями животного и растительного происхождения, без чего не обходится практически ни одна система. Поэтому необходимо обязательно предусмотреть предварительную очистку исходной воды во избежание засорения рабочих мембран.

Рабочее давление, требующееся для систем обратного осмоса, варьируется в зависимости от солености исходной воды. Например, конверсионное отношение может составлять 50 % для воды из открытого и относительно холодного моря (до 26 °С) и падать до 35 % для более соленой морской воды, такой как, скажем, в Персидском заливе, при условии, что температура воды не превышает предельно допустимого для мембран уровня.

Благодаря ускорению потока производительность опреснения растет с ростом температуры воды, однако эффективность рабочих мембран ограничена параметрами солености воды. В условиях очень жаркого климата (от 38 до 44 °С) помещения, где установлены мембранные опреснительные установки, необходимо оборудовать системой кондиционирования, что неизбежно ведет к общему росту энергопотребления.

Мембраны систем обратного осмоса (RO)

Сегодня применяются два вида мембран: с перфорацией и спиральные.

Обычно срок службы мембран (номинальный) составляет от 6 до 12 лет. Фактическая продолжительность определяется естественно специфическими параметрами опресняемой воды, а также используемыми способами фильтрации.

На рис. 8 показан график стоимости замены мембран в зависимости от срока службы установок, оснащаемых мембранами с перфорацией и спиральными. На рис. 9 приведена динамика проницаемости мембран с перфорацией в зависимости от времени (в годах) и температура исходной воды при рабочем давлении 60 кг/см².

Рисунок 8. Срок службы и стоимость м3 опресненной воды для спиральной мембраны (а) и мембраны с перфорацией (б)

Рисунок 9. Расход воды при эксплуатации мембран с перфорацией в зависимости от продолжительности использования в системе с рабочим давлением 60 кг/см2 для исходной воды различной температуры

Состояние воды, ее температура, а также предварительная очистка оказывают существенное влияние на срок службы мембран, тогда как опыт показывает, что значение, указываемое в сопроводительной документации, оказывается намного меньше, что соответственно отражается на эксплуатационных расходах.

Предварительная очистка исходной воды

Для систем обратного осмоса (RO) настоятельно рекомендуется предварительная очистка воды.

Имеющиеся в воде взвешенные частицы, в частности органические вещества, под действием давления обязательно засорят мембрану, что неизбежно скажется на эффективности осуществляемого мембраной процесса сепарации.

Качество предварительной фильтрации, естественно, определяется целиком и полностью эффективностью и особенностями выбранной системы фильтрации.

Гибридные установки

Сочетание опреснительных систем, использующих пар, с электроустановками во многих случаях позволяет повысить энергетическую эффективность установки в годовом исчислении.

Потребление электроэнергии имеет моментальный характер с часовыми и сезонными пиками, тогда как вода, напротив, может производиться в соответствии с ежедневной потребностью.

Сочетая опреснительные системы на основе тепловой энергии с системами, использующими электрические процессы, почти всегда возможно значительно снизить энергетические затраты.

Сложные схемы такого рода требуют довольно глубокого анализа параметров потребления электроэнергии (мгновенного, почасового, сезонного) в сравнении с ежедневным спросом на воду в различные периоды времени.

Варианты сочетаний различных систем, требующих детального расчета оптимального соотношения параметров мощности тепловой и электрической установок, по сути сводятся к следующим комбинациям:

– системы Msf в сочетании с системами обратного осмоса RO;

– системы Msf в сочетании с электрическими системами Vcd;

– системы Med в сочетании с системами обратного осмоса RO;

– системы Med в сочетании с электрическими системами Vcd;

– двухуровневые паровые системы Med (Вр и Мр) в сочетании с теплоэлектрическими системами Vcd.

Последняя комбинация пока в фазе разработке и предусматривает использование модуля Med с двойным питанием паром (Вр 0,8–1 кг/см² и Мр 14–20 кг/см²).

Давление пара ограничено пределами 0,8–1 кг/см² в период наибольшего спроса на электричество, однако повышается по мере снижения энергоразбора.

Что касается схем Vcd, то такие системы работают в условиях наибольшего энергоразбора как тепловая система, питающаяся паром низкого давления.

В периоды сезонного перепроизводства, когда объемы вырабатываемой электроэнергии превосходят фактическую потребность, Vcd двойного действия питается от электрической сети, что повышает энергетическую эффективность системы по сравнению с традиционной тепловой установкой.

 

¹ Piero D. Lessieur. Процессы опреснения: наилучшее технико-экономическое решение // Сантехника. 2007.№1.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала CDA № 11/2006

Перевод С. Н. Булекова

Техническое редактирование В. Н. Исаева