潘玉強(qiáng)1，寧尚海1，吳 奇1，趙光年，陳硯祥

(1.山東?；煞萦邢薰炯儔A廠，山東 濰坊 262737；2.山東?；瘓F(tuán)有限公司，山東 濰坊 262737)

近年來山東?；煞萦邢薰炯儔A廠利用納濾技術(shù)處理地下鹵水，實(shí)現(xiàn)地下鹵水中鈣、鎂、硫酸根與氯化鈉的分離，被納濾膜截留了大部分硫酸根、鈣、鎂離子的精制鹵水代替海水直接用于純堿廠生產(chǎn)化鹽，為企業(yè)降本增效起到了有益的促進(jìn)作用[1]。

在納濾精制鹵水系統(tǒng)中納濾膜的工作壓力為2.5～3.8 MPa，從裝置中排出的濃水壓力高達(dá)2.3～3.6 MPa，這部分濃水如直接排放將會造成較大的能量損失。本文根據(jù)PX能量回收裝置在一期日產(chǎn)10 000 m3精制鹵水工業(yè)化裝置中應(yīng)用實(shí)踐，分析其運(yùn)行情況及對系統(tǒng)能耗降低的效果。

1 PX能量回收裝置介紹[2-4]

PX能量回收裝置是美國ERI公司(Energy Recovery,Inc.)的專利產(chǎn)品，其中PX壓力交換器(以下簡稱“PX”)作為等壓能量回收設(shè)備是當(dāng)今用于膜法海水淡化等技術(shù)的最有效的能耗降低解決方案，在業(yè)內(nèi)已被廣泛用于世界各地的各種大型和小型的海水淡化項目。PX設(shè)備只有一個活動組件，其核心部件轉(zhuǎn)子由高純度的氧化鋁陶瓷制成，極其耐腐蝕，其硬度是不銹鋼的三倍，這種設(shè)計的簡單性和模塊化可以實(shí)現(xiàn)最佳的可擴(kuò)展性。PX能從海水反滲透淡化過程的高壓濃鹽水中獲取液壓能量，并將這種能量傳遞給低壓給水，峰值效率可達(dá)98%以上，由于PX本身不消耗電力，所以海水反滲透過程的整體能量消耗大大降低。

PX通過將高壓濃水水流的壓力傳遞給低壓新鮮水流，這兩股水流在轉(zhuǎn)子的通道中直接接觸，從而完成壓力交換。轉(zhuǎn)子裝在一個間隙尺寸精確的陶瓷套中，該陶瓷套位于2個陶瓷端蓋之間，當(dāng)高壓水注入時，可形成一個幾乎無摩擦的水力軸承，在水力軸承里旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子是PX裝置中唯一的運(yùn)動部件。

在任意時刻，轉(zhuǎn)子內(nèi)通道的一半處于高壓水流中，而另一半則處在低壓水流中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，通道會通過一個將高壓和低壓隔離的密封區(qū)，這些含有高壓水的通道與相鄰的含有低壓水的通道被轉(zhuǎn)子通道間的隔斷和陶瓷端蓋形成的密封區(qū)隔離。

PX使高壓水流與低壓水流直接短暫地接觸，從而使壓力從高壓流傳向低壓流，壓力的傳遞是在多個轉(zhuǎn)子通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。在任一時刻，半數(shù)轉(zhuǎn)子通道暴露給高壓流，半數(shù)轉(zhuǎn)子通道暴露給低壓流。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，各通道通過分開高、低壓的密封區(qū)。PX陶瓷部件示意圖如圖1所示。

以反滲透海水淡化系統(tǒng)為例介紹PX陶瓷部件工作流程。由海水供水泵供應(yīng)的海水流進(jìn)區(qū)左側(cè)的通道，這一流動把濃鹽水從通道的右側(cè)排出。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過密封區(qū)之后，高壓濃鹽水從通道右側(cè)流入，給海水加壓。加壓的海水從左側(cè)流出，并流入循環(huán)泵。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子的每一通道都重復(fù)這一壓力交換過程。這樣，整個轉(zhuǎn)子上的通道在連續(xù)地充水和排水。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1 200 rpm，每1/20 s轉(zhuǎn)一周。

圖1 通過PX裝置的水流路徑圖

2 PX能量回收裝置在納濾精制鹵水中的應(yīng)用

2.1 PX工藝的選擇

在納濾精制鹵水系統(tǒng)的核心納濾工藝中，有、無PX工藝對比如下。

圖2 無PX工藝

為了更好的對比有、無PX工藝的節(jié)能情況，圖2中進(jìn)納濾膜組件的高壓泵為2臺同型號高壓泵。在我車間單套納濾系統(tǒng)中如采用圖2無PX工藝，則納濾高壓系統(tǒng)需要2臺高壓泵(1臺250 kW)，電機(jī)總功率500 kW。如采用圖3有PX工藝，則需要1臺高壓泵(250 kW)、1臺循環(huán)泵(55 kW)，電機(jī)總功率305 kW，僅從電機(jī)功率來看可降低39%。由此分析選擇有PX能量回收工藝，在納濾系統(tǒng)節(jié)能降耗上具有重要意義。

2.2 納濾精制鹵水中PX的運(yùn)行控制流程

我車間單套納濾系統(tǒng)設(shè)置3臺PX-260壓力交換器，單臺處理能力為41～59 m3/h。參照圖3以及圖4詳細(xì)介紹PX在鹵水納濾過程中的運(yùn)行流程。

圖3 有PX工藝

圖4 PX在NF系統(tǒng)的典型水流過程圖

超濾后鹵水經(jīng)給水泵升壓后進(jìn)入保安過濾器后分成兩部分，一部分直接進(jìn)入高壓泵，進(jìn)入納濾膜組件，其納濾膜進(jìn)膜壓力要達(dá)到2.5～3.8 MPa，納濾濃水壓力高達(dá)2.3～3.6 MPa。另一部分超濾后鹵水進(jìn)入PX直接與高壓濃鹽水傳遞壓力，經(jīng)能量回收裝置提升壓力的鹵水，壓力尚低于納濾膜所須的進(jìn)水壓力，再經(jīng)循環(huán)泵升壓后進(jìn)入納濾膜組件。

以圖4表示PX在NF系統(tǒng)流動路徑。鹵水納濾膜排出的濃鹽水(G)流過PX，以90%以上的效率把壓力直接傳遞給流入的原始鹵水的一部分。這一加壓的鹵水流(D)與NF膜排出流體的流量和壓力均接近。當(dāng)這一加壓鹵水流通過循環(huán)泵時，其壓力提高，用以克服PX、納濾膜和相關(guān)管道的摩擦壓降，驅(qū)動高壓流(G和D)流過PX。加壓的鹵水與流經(jīng)高壓泵的鹵水匯合為納濾系統(tǒng)進(jìn)水流。

在圖4所示的系統(tǒng)中，需要循環(huán)泵對來自PX的鹵水加壓，然后，再與納濾膜的高壓給水混合。加壓用于補(bǔ)償納濾膜、PX及相連管路的摩擦壓降。由于循環(huán)泵控制著通過PX的高壓流量，所以，循環(huán)泵的流量和壓力必須通過變頻驅(qū)動控制。

鹵水納濾系統(tǒng)中壓力能量回收器PX的運(yùn)行和控制可以理解為兩個平行的管路：一個是高壓水，另一個是在反方向流動的低壓水。轉(zhuǎn)子以一定體積的濃鹽水交換等體積的鹵水。參看圖4：高壓水在納濾膜、PX、循環(huán)泵，再回到納濾膜(F→G→D→E)的回路中流動，其流量由循環(huán)泵控制。低壓水從鹵水給水泵，流過PX到系統(tǒng)的排水(A→B→H)，其流量由鹵水給水泵和從PX(H)排鹽水的控制閥進(jìn)行控制。由于高壓和低壓流動是彼此獨(dú)立的，所以，NF-PX設(shè)備必須設(shè)計成能監(jiān)測和控制這兩個水流的流量。

對于鹵水供水的流量和壓力控制必須加以考慮。如上所述，在PX排鹽水管路上的控制閥控制流過PX的低壓水流。這一閥門設(shè)定后，供給鹵水壓力改變，則通過PX的低壓水流相應(yīng)改變。只要不超過PX的最大容許給水流量，PX 會自動調(diào)節(jié)適應(yīng)小的壓力和流量變化。但是大的給水壓力變化會造成流量峰值，使PX流量過載而損壞。

2.3 納濾精制鹵水中PX壓力回收效率計算

某典型工況中，原鹵水壓力0.53 MPa，一部分直接利用高壓泵提壓到3.2 MPa進(jìn)入納濾系統(tǒng)，通過使用PX壓力交換式能量回收裝置，使納濾濃水的排放壓力由3.0 MPa降低至0.5 MPa，同時使另一部分原鹵水由0.53 MPa提升到2.94 MPa，該部分原鹵水再利用增壓泵提壓到3.2 MPa進(jìn)入納濾系統(tǒng)。

回收的能量用于原料鹵水的加壓，可以提高相同流量鹵水的壓力，根據(jù)壓力的提高計算能量的回收利用率如下：

由以上計算可知，本系統(tǒng)中采用的PX能量回收裝置與納濾精制鹵水系統(tǒng)耦合運(yùn)行后的能量回收率高達(dá)96.4%，充分驗證了PX能量回收裝置產(chǎn)品在納濾系統(tǒng)中運(yùn)行的可行性及高效性。

2.4 納濾精制鹵水中PX運(yùn)行注意事項

為了確保PX系統(tǒng)安全運(yùn)行和長使用壽命，必須遵守一些基本運(yùn)行規(guī)則和注意事項。

1)首先PX的運(yùn)行不允許超出規(guī)定的流量及壓力限值運(yùn)行，超出流量限制極易造成轉(zhuǎn)子“流體穿透”現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與通道內(nèi)循環(huán)交換不匹配，造成高壓濃水進(jìn)入高壓進(jìn)水端，低壓進(jìn)水進(jìn)入低壓濃水端，輕微事故造成納濾進(jìn)水壓力升高，納濾產(chǎn)水水質(zhì)下降，嚴(yán)重可造成系統(tǒng)停機(jī)。

2)其次，PX最易出現(xiàn)的故障就是PX轉(zhuǎn)子卡住，造成卡住主要原因如下：

①生物污染，生物滋生能引起轉(zhuǎn)子起動時卡死，在 PX 長期停用期間，為防止生物滋生，必須進(jìn)行淡水沖洗；

②給水中或濃水中的顆粒，這就要求供給PX的鹵水必須過濾到5 μm或更小；

③諸如鹽類沉淀物，管路和附件的安裝必須能在清洗納濾膜時，使PX與膜排出水隔離，否則，可能使大于5 μm直徑的顆粒進(jìn)入PX；

④單個轉(zhuǎn)子卡住可造成單個PX的“流體穿透”。

3)其他情況：

PX容器支承(端蓋)包括互鎖限位裝置，必須保持干燥，無腐蝕，否則，會導(dǎo)致PX的機(jī)械故障。

在進(jìn)行管路或其它鹵水納濾系統(tǒng)部件水靜壓試驗時，必須從納濾系統(tǒng)中卸下PX，不得對PX進(jìn)行水靜壓試驗。

PX循環(huán)泵未運(yùn)行時，禁止運(yùn)行高壓泵，否則，會導(dǎo)致PX的機(jī)械故障。

3 結(jié)論及建議

1)通過PX能量回收裝置在納濾精制鹵水中實(shí)踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)PX在與納濾精制鹵水系統(tǒng)耦合運(yùn)行后的能量回收率高達(dá)96.4%，可使納濾高壓系統(tǒng)裝機(jī)功率下降39%，節(jié)能降耗效果顯著，同時充分驗證了PX能量回收裝置在納濾精制鹵水系統(tǒng)中運(yùn)行的可行性及高效性。

2)PX作為能量回收的核心設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行需要嚴(yán)格控制相關(guān)參數(shù)，同時需針對鹵水的復(fù)雜情況，加強(qiáng)對PX裝置的維護(hù)，避免出現(xiàn)“流體穿透”及轉(zhuǎn)子機(jī)械損壞現(xiàn)象。