Энергосберегающие технологии опреснения с применением многофункциональных гидромашинных агрегатов.
Бритвин Л.Н.
Развитие человеческой цивилизации и рост населения уже в настоящее время привел во многих странах к дефициту как пресной питьевой воды, так и воды, используемой для технических нужд промышленностью и сельским хозяйством.
За последние двадцать лет суммарная производительность опреснительных установок увеличилась более чем в 50 раз. Для реализации разнообразных потребностей в питьевой и технической (частично деминерализованной воде) создаются как крупные опреснительные установки с производительностью 500000 м3/сутки и более, так и средние и малые установки для получения пресной воды из морской или соленой воды добываемой из глубинных скважин, имеющей различную минерализацию, химический состав и загрязненность.
Для опреснения преимущественно используются давно и широко известные методы – выпаривания, вымораживания и фильтрации. При этом основной проблемой опреснения является разработка энергетически малозатратных технологий, причем по возможности не требующих больших капитальных вложений. Современные крупные установки многоступенчатой дистилляции с испарением в вакууме обеспечивают получение пресной воды по цене 0,35 долларов США за тонну, что практически в четыре раза превышает ее стоимость в США, получаемой из естественных источников.
Актуальность задачи возрастает в связи с ухудшением общей экологической обстановки, загрязнением водоемов и имеющими место природными процессами, приводящими к наблюдаемому сокращению наземных и глубинных источников пресной воды.
Для понимания серьезности вопроса надо иметь в виду, что и сам процесс искусственного опреснения приводит к загрязнению окружающей среды отходами, имеющими место как при выработке необходимой для него энергии (кроме случаев использования ветровых и солнечных источников), так и отсутствием, как правило, систем утилизации или полезного использования получаемого солевого концентрата.
Из этого следует, что технология опреснения в основном должна эффективно использовать энергию альтернативных ее источников или, по крайней мере, ядерных реакторов при обеспечении их безопасной работы.
Наиболее широка потребность в опреснительных установках малой (5 – 200 л/час) и средней производительности (0,2 – 20 м3/час), которые обычно устанавливаются непосредственно в местах потребления пресной воды и используются для автономных систем жизнеобеспечения, водоснабжения морских судов, коттеджей, жилых поселков, сельскохозяйственных ферм и т.п.
Однако именно в установках указанных выше диапазонов производительностей наиболее технически трудно и, следовательно, экономически затратно использование энергосберегающих технологий процесса опреснения и поэтому стоимость получения пресной воды особенно велика.
Повышение эффективности опреснительных установок дает применение принципов рекуперации и регенерации потоков энергии при использовании ряда относительно простых технических средств.
В установках дистилляционного типа эта задача решается использованием теплообменных процессов с одновременным применением функциональных гидромашинных источников гидропитания, обеспечивающих защиту теплообменных поверхностей от солевых отложений, самонастройку рабочего процесса по давлению и уровням свободных поверхностей жидкости, повышение концентрации сбрасываемого концентрата при разогреве жидкости по всему ее объему за счет возбуждения жидкости при кавитационно-вихревых процессах в жидкой среде (см. например, разработку автора по патентам РФ 2234354 и 2234355).
Многократное повышение энергоэффективности в обратноосмотических опреснителях достигается использованием процессов рекуперации энергии между сбрасываемым из мембранного блока потоком концентрата и потоком исходной жидкости, см., например, авторское свидетельство СССР 1126716 за 1983 год. В настоящее время этот процесс реально реализуется при высоких производительностях по фильтрату, когда гидравлическая (механическая) энергия сбрасываемого потока концентрата посредством, например, турбины Пельтона передается на вал центробежного питательного насоса, снижая тем самым потребляемую от электродвигателя мощность.
При относительно малых расходах по фильтрату реализация процесса рекуперации энергии существенно усложняется. Насос исходной соленой воды должен подавать жидкость при давлении, превышающем осмотическое давление и перепад давления, вызванный гидравлическим сопротивлением межмолекулярных каналов мембраны, обычно выполняемой из ацетата целлюлозы, дифторида поливинилдиена или полисульфона. Поскольку осмотическое давление определяется разностью концентраций солей в исходной жидкости и фильтрате (пресной воде), то с повышением минерализации исходной воды требуемое для реализации процесса фильтрации давление возрастает и, например, для морской воды лежит в диапазоне 60-90 бар.
Популярность использования обратноосмотических опреснителей объясняется достаточной простотой их технической реализации (особенно при относительно малой минерализации исходной воды) и тем, что на мембранах наиболее просто обеспечивается удаление избыточных нитратов, фторидов, гуминовых соединений, растворенного железа, бактерий и вирусов. Повышение качества очистки исходной воды увеличивается с ростом рабочего перепада на мембране (скорость прохождения молекул воды через мембрану определяется свойствами мембраны и перепадом давления, в то время как скорость прохождения через нее соизмеримых с размерами молекул воды ионов от перепада давления на мембране практически не зависит).
Таким образом, при большой минерализации исходной воды и при необходимости обеспечения высококачественной очистки процесс опреснения выполняется при высоких перепадах на мембранном блоке. Из этого следует, что при относительно малых расходах по фильтрату процесс подачи исходной жидкости и процесс регенерации энергии сбрасываемого концентрата может выполняться только с использованием гидромашин объемного принципа действия (имеющих наибольший КПД при высоких давлениях) с одновременной дополнительной затратой энергии, идущей на повышение давления потока исходной жидкости.
Ситуация усугубляется тем, что в процессе работы опреснителя происходит осаждение на поверхность мембраны со стороны исходной воды различных отложений в виде кристаллов солей. Это явление увеличивает гидравлическое сопротивление мембраны и снижает производительность установки по выходу фильтрата.
Для замедления этого нежелательного процесса вдоль поверхности мембраны создают дополнительный промывочный поток жидкости за счет существенного увеличения подачи исходной жидкости под рабочим давлением. Расход этого дополнительного потока зависит от свойств исходной воды и главным образом от ее общей минерализации. Например, при минерализации 1000мг/л оптимальное отношение расхода получаемого фильтрата к расходу исходной воды («гидравлическая эффективность») составляет 50-60%, а для высокоминерализованной воды (например, морской) может составлять 10% и ниже.
Наиболее простое техническое решение обратноосмотическая установка имеет, когда концентрат из мембранного блока сбрасывают через переливной дросселирующий клапан, поддерживающий рабочее давление в мембранном блоке. В этом случае, если принять КПД питательного насосного агрегата равным единице, то при эффективности в 10% затраты энергии на процесс опреснения увеличиваются в 9 раз, а с учетом реального КПД насосного агрегата указанные затраты энергии возрастают до 11 раз по отношению к системе с полной рекуперацией энергии сбрасываемого потока концентрата.
Ясно, что решение задачи повышения энергоэффективности установок рассматриваемого типа наиболее актуально при опреснении морской воды и других высокоминерализированных растворов, например, получаемых из скважин или в результате технологических процессов. Как указывалось выше, при больших производительностях процесс рекуперации энергии может осуществляться с применением турбин, использование которых при средних и малых производительностях приводит к существенным потерям энергии за счет их малого КПД. В этих случаях снижение энергозатрат может достигаться применением объемных гидромашин и гидропреобразователей.
Здесь возможно для целей регенерации энергии использование объемных гидромоторов, в которых механизм преобразования энергии сбрасываемого концентрата в механическую энергию на валу осуществляется через диафрагменный разделитель и промежуточную среду, обладающую высокой смазывающей способностью, см., например, авторское свидетельство СССР № 669078, что обеспечивает высокую работоспособность таких гидромоторов и повышенный КПД.
Возможно также вместо гидромотора использование гидроприводных насосов или гидропреобразователей различных типов, которые используют в качестве приводной жидкости концентрат, выходящий из мембранного блока под рабочим давлением концентрат, что обеспечивают подачу исходной воды в мембранный опреснитель с расходом равным или несколько меньшим (в зависимости от технического решения контура регенерации) расхода сбрасываемого концентрата. При этом расход исходной воды, подаваемой в мембранный блок, питательным насосом практически равен расходу получаемой пресной воды (фильтрата), что снижает энергопотребление опреснителя в соответствии с величиной коэффициента «гидравлической эффективности».
Рассмотренные выше реализации процесса передачи энергии от потока концентрата потоку исходной жидкости пригодны в установках относительно большой производительности порядка 4 м3/час и более по выходу фильтрата, поэтому в установках с производительностью 0,005…3 м3/час как правило средства рекуперации энергии практически не применяются и используют технически относительно простую но энергозатратную технологию опреснения.
Например, обратноосмотические опреснители морской воды ПРО-20, ПРО-50 и ПРО-100 (ЦНИИ Судового Машиностроения) имеют соответственно энергопотребление 15, 32, 58 кВт при производительности, соответственно, 20, 50, и 100 м3/час. Коэффициент «гидравлической эффективности» соответственно – 14%, 25%, 25%..
Таким образом, разработка технически простых систем с устройствами рекуперации на малые производительности и высокую минерализацию исходной воды является несомненно важной технической проблемой, решение которой позволило бы снизить энергопотребление такого типа опреснителей в несколько раз, тем более что потребность в установках на малые производительности особенно велика и разнообразна.
Решение данной задачи возможно путем создания специальных многофункциональных объемных насосных агрегатов ?1?, рабочий процесс которых должен совмещать на общих вытеснительных рабочих органах функции насоса и гидродвигателя и обеспечивать адаптацию рабочего процесса к изменению условий прохождения концентрата через мембранные блоки в процессе их эксплуатации.
Принцип организации таких рабочих циклов и примеры возможных технических решений предложены, например, в авторских свидетельствах СССР № 1126716 и 1126717, а также в насосном агрегате МН10-6 с ручным приводом, разработанном ЗАО «НПО Гидромаш» для спасательных морских плотов. При этом могут быть получены и новые характеристики действия опреснителя - например, автоматическое увеличение давления и выхода фильтрата по мере увеличения гидравлического сопротивления мембранного блока при одновременном относительном увеличении расхода исходной жидкости, идущей на отмывку отложений на поверхности мембраны. В этом случае может быть увеличена наработка мембран и выход объема фильтрата до замены или между периодическими промывками мембран специальными химическими растворами.
При решении задачи рекуперации энергии объемными гидромашинными агрегатами становится энергетически выгодными подсистемы существенного повышения концентрации солей в сбрасываемом растворе, что с одной стороны расширяет возможности утилизации и переработки концентрата, а с другой - позволяет дополнительно расширить возможности реализации технологии энергосбережения за счет процессов преобразования энергии осмотического массопереноса в механическую или электрическую энергию, предложенной Исследовательским Центром им. М.В. Келдыша.
Реализация рекуперативных систем в обратноосмотических опреснителях особенно выгодна при использовании ветровых источников энергии, при которых мощность ветроустановки резко изменяется от скорости (в кубе от скорости) ветрового потока, поступающего на ветродвигатель. Дополнительная эффективность здесь может быть достигнута и путем применения функционального гидромашинного привода питательного насоса исходной воды, обеспечивающего необходимое согласование энергетических характеристик ветродвигателя и самого питательного насоса, а также и выполнение этого насоса с оптимальными для работы опреснительной ветроустановки в целом функциональными свойствами. Применением совокупности методов, изложенных в работе [1], с самонастраивающимся по рабочему режиму гидроприводом, может существенно повысить производительность опреснительных ветроустановок этого типа, и наиболее эффективно для опреснителей морской воды обратноосмотического типа, например, установленных в прибрежной зоне, на островах с интенсивными ветровыми потоками, морских платформах или судах.
1. Бритвин Л.Н. Функциональные объемные насосные агрегаты и новые методы их построения. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1976. - С.91.
Опубликовано - Сб. научных трудов и инженерных разработок РАН, РФФИ, ИМАШ. М.2006 (7-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначениия. Диверсификация ОПК) С.183-186.