泵怎樣才能使反滲透技術(shù)（通常需要許多能量）更加節(jié)省能源？Bryan Orchard回顧了泵業(yè)市場(chǎng)的一些最新進(jìn)展，這些進(jìn)展可以使反滲透技術(shù)用于大規(guī)模的飲用水生產(chǎn)。
水質(zhì)和成本的平衡
影響著水處理行業(yè)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素使該行業(yè)內(nèi)的公司受到越來越大的壓力。“由于環(huán)境問題和環(huán)境法規(guī)的驅(qū)動(dòng)，提高水質(zhì)的需要和對(duì)有限水資源競(jìng)爭(zhēng)日益增加之間的平衡，以及降低成本的壓力，成為水處理行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。”Koch Membrane Systems歐洲公司副總裁和總經(jīng)理Ian Elson說，“水資源的再利用顯然成為解決水資源缺乏問題的一種方法，使用一種經(jīng)濟(jì)可行的工藝生產(chǎn)出適于再利用的水越來越重要。”
不久之前，海水淡化使用最多的還是多級(jí)閃蒸和多效蒸餾工藝，但是現(xiàn)在，全球的反滲透（RO）淡化產(chǎn)能已經(jīng)超過蒸餾產(chǎn)能。在世界許多地方，海水反滲透（SWRO）工藝的成本最高可以降低4倍。對(duì)于水體積較小、空間有限的應(yīng)用，該技術(shù)也很適合，例如船舶之上、海上平臺(tái)和旅館建筑內(nèi)部。
鼓勵(lì)工程師、科學(xué)家和設(shè)備制造商開發(fā)新的工藝生產(chǎn)淡水有著潛在的好處。在美國(guó)，海水淡化行業(yè)的一些領(lǐng)先的公司和代理商已經(jīng)建立起“經(jīng)濟(jì)可行的海水淡化合作組織（ADC：Affordable Desalination Collaboration）”，貢獻(xiàn)出他們的資源并分享他們的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行的海水淡化。ADC董事總經(jīng)理John MacHarg說，通過技術(shù)聯(lián)合，該組織已經(jīng)證明，海水反滲透（SWRO）工藝與其它工藝相比，能夠以較低的成本和能源效率生產(chǎn)出淡水。
2006年7月，在美國(guó)膜技術(shù)協(xié)會(huì)（American Membrane Technology Association）兩年一度的研討會(huì)上，ADC報(bào)告說：“海水淡化顯然是有市場(chǎng)的，但一直以來的高成本限制了它的發(fā)展。高成本是由于資金和運(yùn)行成本高造成的。但是，過去15年，海水淡化的資金成本已經(jīng)大大下降。”既然反滲透膜的價(jià)格已大大下跌，現(xiàn)在的目標(biāo)就是尋找降低運(yùn)行成本、特別是節(jié)約能源的工藝。
能效需求
“影響反滲透轉(zhuǎn)化最佳條件的因素很多，但沒有一個(gè)比能耗更重要。”MacHarg說，“能源成本可能占到一個(gè)海水反滲透工廠整體運(yùn)行成本的75%。”過去，海水到淡水的轉(zhuǎn)化率對(duì)反滲透工廠的能耗有著直接的重大影響。這是因?yàn)槟芰康幕厥蘸退褂玫谋盟驮O(shè)備（例如Pelton水輪機(jī)、渦輪機(jī)和泵）有著內(nèi)在的缺陷（表1）。
過去幾年，幾家主要的國(guó)際泵業(yè)制造商已經(jīng)積極加入海水反滲透行業(yè)中來。由于不斷強(qiáng)調(diào)的能效和能量回收問題，泵和膜制造商一直合作來優(yōu)化他們產(chǎn)品的效率，并降低資金和運(yùn)行成本。然而，關(guān)于什么才是能量回收的最有效方法，還是存在許多爭(zhēng)論。
新舊對(duì)比
能量回收設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)之爭(zhēng)，使功交換器和渦輪增壓器以及使用多年的渦輪機(jī)被置于對(duì)立位置。Calder公司的Pelton水輪機(jī)效率高，可以使用低成本的電機(jī)，驅(qū)動(dòng)高壓給水泵，并節(jié)約大量的能量和成本。Calder公司說，能量回收渦輪機(jī)完全不過時(shí)，可以與直接與等壓室技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)。除了2005/2006年的幾個(gè)小工程，Calder已經(jīng)為三個(gè)大型工程提供渦輪機(jī)——Cartagena II ：流量65,000 m3/d、Palmachim：85,000 m3/d和Rabigh：200,000 m3/d。
Calder不僅生產(chǎn)能量回收渦輪機(jī)，還生產(chǎn)DWEER功交換器。分別位于以色列和新加坡的兩個(gè)世界上最大的SWRO工廠現(xiàn)在使用的就是Calder公司的DWEER設(shè)備。
在DWEER系統(tǒng)中，高壓泵流速等于水（產(chǎn)品）的流速加上系統(tǒng)損失的流速。高壓鹽水被引入一個(gè)裝滿海水的功交換器容器，交換器將海水加壓到鹽水壓力。
海水被小型循環(huán)泵增壓到高壓泵壓力，然后匯入高壓泵水流之中。循環(huán)結(jié)束時(shí)，一個(gè)專利的LinX閥門使高壓鹽水轉(zhuǎn)向，流到對(duì)面的功交換器容器中。然后低壓海水充滿空的交換器容器，鹽水被排出，重新開始完整的循環(huán)。
功交換器能量回收系統(tǒng)首次出現(xiàn)于1960年，但那時(shí)它們的發(fā)展落后于膜技術(shù)。過去幾十年反滲透膜技術(shù)的進(jìn)展促進(jìn)了功交換器的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的公司開始提供這種設(shè)備。
等壓室技術(shù)
能量回收系統(tǒng)吸收海水的部分能量，將其返還到脫鹽過程中。現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是用更有效的能量回收方式取代傳統(tǒng)系統(tǒng)，例如Pelton渦輪機(jī)和反向旋轉(zhuǎn)泵。
能量回收公司（ERI：Energy Recovery Inc）說，目前最先進(jìn)的能量回收設(shè)備是PX壓力交換器（PX），由該公司于1997年推出。利用正排量和等壓室原理，這種功交換器可以使RO工廠高壓廢水流（鹽水）到低壓進(jìn)水流（海水）的能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)到98%（圖2）。Energy Recovery公司的PX壓力交換器包括一個(gè)帶有細(xì)長(zhǎng)排泄管的柱形轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在帶有進(jìn)出口的兩個(gè)端蓋間的套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，壓力能量直接從高壓濃縮（排出）水流轉(zhuǎn)移到低壓進(jìn)水（海水）水流。自調(diào)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子保持著轉(zhuǎn)子中水流的界面，防止了混合。轉(zhuǎn)子的低壓側(cè)充滿海水，同時(shí)高壓側(cè)排出海水。
2006年7月，ERI在位于加利福尼亞州Port Hueneme的美國(guó)海軍海水淡化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，證明了這種技術(shù)的效率。研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的能耗比開始預(yù)期的數(shù)據(jù)低40%。ERI報(bào)導(dǎo)說，該實(shí)驗(yàn)采用集合了商業(yè)化低能耗滲透膜和高效率泵的PX技術(shù)，是有記錄以來最低成本的海水反滲透淡化工藝。該工藝以每1000加侖水消耗6 kW的能耗率由海水生產(chǎn)純凈水。
功交換器或等壓室技術(shù)也是KSB泵公司繼SalTec DT系統(tǒng)之后開發(fā)的另一項(xiàng)技術(shù)。這一新型SalTec DT系統(tǒng)利用水力能量傳輸來降低能源成本。據(jù)KSB公司說，他們是第一家整套提供這種系統(tǒng)的供應(yīng)商。這種能量回收系統(tǒng)結(jié)合了高壓泵和功轉(zhuǎn)換器，將鹽水的能量直接傳輸?shù)竭M(jìn)入的海水中。這避免了液壓能轉(zhuǎn)換成渦輪增壓器和渦輪機(jī)內(nèi)部機(jī)械能時(shí)的損失。
“SalTec DT的核心是一個(gè)帶有電控回轉(zhuǎn)閥的壓力轉(zhuǎn)換器。”KSB的Stefan Schafer解釋說，“這一控制設(shè)備可以根據(jù)膜尺寸和污染情況導(dǎo)致的不同狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。一個(gè)分離機(jī)構(gòu)防止鹽水和海水在壓力容器中混合，保證了系統(tǒng)連續(xù)的高效率。”KSB的這一系統(tǒng)集成了一個(gè)目標(biāo)控制系統(tǒng)，最小化了能耗，保證了所有部件平滑的相互作用。它可以加速和減速功交換器容器中的水柱，以消除回轉(zhuǎn)閥開關(guān)之間的脈動(dòng)。開放式的界面可以使其集成到工廠的工藝過程和更高水平的控制系統(tǒng)中用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
KSB已經(jīng)將其HGM-RO高壓泵和渦殼式RPH-RO增壓泵結(jié)合到SalTec系統(tǒng)中。兩臺(tái)泵專門為RO應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高能效、低維修特點(diǎn)，適合長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。“既然RO系統(tǒng)中的泵必須將侵蝕性的鹽水沿著滲透膜（壓力最高達(dá)100 bar）加速到1800 m3/h，整個(gè)結(jié)構(gòu)必須堅(jiān)固耐用，由高質(zhì)量的不銹鋼制成。”Schafer說。
替代技術(shù)
PX技術(shù)的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者是由美國(guó)FEDCO公司提供的TurboBooster（液壓增壓器的通稱）和MSS給水泵系列。FEDCO公司總裁Eli Oklejas說，TurboBooster是SWRO市場(chǎng)主要的能量回收設(shè)備，目前的產(chǎn)能已經(jīng)超過220000 m3。FEDCO還非常關(guān)注中小型SWRO工廠，是其給水泵和能量回收設(shè)備最主要的供應(yīng)商。
“液壓增壓器（HPB）是一個(gè)完全獨(dú)立的海水和含鹽水系統(tǒng)用鹽水能量回收設(shè)備。”FEDCO公司總裁Eli Oklejas說，“HPB為給水系統(tǒng)增加的壓力可占到膜所需壓力的20%-40%。該設(shè)備完全由鹽水水流提供能量，鹽水和供給水用于所有的潤(rùn)滑和冷卻。”在運(yùn)行過程中，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子將液壓能從渦輪增壓器中的鹽水水流轉(zhuǎn)移到給水水流。兩個(gè)水流是分開的，可以具有不同的流速和壓力。TurboBooster泵與MSS高壓泵一起供水，降低了高壓泵的出水壓力，因此也降低了能耗。
Oklejas相信，“效率”很可能是一個(gè)誤導(dǎo)參數(shù)，應(yīng)該問一問，在工廠的整個(gè)生命期內(nèi)，哪個(gè)設(shè)備具有最低的運(yùn)行成本，而不該去問哪個(gè)設(shè)備是最有效的。“生命周期成本是選擇泵和ERD時(shí)的主要參數(shù)。”他主張，“每一天結(jié)束時(shí)，所耗費(fèi)的成本才是最重要的。”
接下來的幾個(gè)月，F(xiàn)EDCO將推出幾個(gè)新的產(chǎn)品線，包括主要用于鹽水能量回收、鹽水壓力流量和壓力控制、給水壓力流量和壓力控制的液壓能管理系統(tǒng)（Hydraulic Energy Management System）。這一產(chǎn)品不需要在高壓給水泵上使用節(jié)流控制閥、變頻器，以及壓力控制閥和旁路管線。
在適用于海水和含鹽水系統(tǒng)的型號(hào)中，該設(shè)備將使用一臺(tái)新型單級(jí)離心泵來獲得高的效率。泵的性能歸功于一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的非常簡(jiǎn)單的流動(dòng)途徑，潤(rùn)滑的軸承減少了密封和軸承的阻礙。這套商標(biāo)為HEMI的集成設(shè)備給水流量最高可達(dá)2,000 m3/h。
小型系統(tǒng)
在回顧RO淡化系統(tǒng)用能量回收設(shè)備和泵解決方案時(shí)，一定不要忘記還有一些中小量淡水生產(chǎn)商也需要RO系統(tǒng)。這種需要可能來小型船舶、海上采油平臺(tái)、旅館和小型島嶼。對(duì)于其中某些應(yīng)用來說，能量回收設(shè)備不是問題，確保泵經(jīng)濟(jì)實(shí)用、抵抗海水腐蝕和低維護(hù)成本才是主要的考慮因素。
“假如你處于任何一種船舶上，不論是采油平臺(tái)還是海軍艦艇，驅(qū)動(dòng)給水泵需要的能量只占所需總能量很小的一部分。”Cat Pumps公司的Brian Hubbard說，“在另一種情況下，例如島嶼或小的休閑設(shè)備，由于當(dāng)?shù)氐碾娔馨嘿F，能量就成為一個(gè)問題。”Hubbard還指出，難以找到一個(gè)已經(jīng)具備許多小型RO設(shè)備的地方，而在飲用水需求改變時(shí)，這種小型設(shè)備可以投入生產(chǎn)或停止使用。
“在RO市場(chǎng)的低端，幾乎不可能找到接近正排量泵效率水平的多級(jí)離心泵。”他繼續(xù)到，“使用正排量泵，效率是相當(dāng)穩(wěn)定的。為最小化淡化工藝的生命周期成本，Cat泵通常以最大轉(zhuǎn)速的一半運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@種應(yīng)用本質(zhì)上是連續(xù)的，而且被泵送的流體也是高度腐蝕性的。但是，即使以這樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，泵的總體效率也只有80-85%。”
Cat出售到該市場(chǎng)的最小型泵是3Frame泵，該泵的每種結(jié)構(gòu)尺寸具有不同的泵頭。對(duì)于淡化系統(tǒng)，使用帶有最大柱塞的泵頭是最經(jīng)濟(jì)的，可以達(dá)到該結(jié)構(gòu)尺寸的最大流量。關(guān)于壓力，即使最低壓力的泵也能達(dá)到70 bar，這對(duì)于RO應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。
偏遠(yuǎn)地區(qū)的能量回收
運(yùn)行效率和投資成本是丹佛斯（Danfoss）開發(fā)新型液壓軸向活塞電機(jī)（APM）的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力。該電機(jī)可使偏遠(yuǎn)地區(qū)分散著的工廠實(shí)現(xiàn)能量回收，這些工廠的產(chǎn)量低至2 m3/d。這種能量回收系統(tǒng)以軸向活塞泵（APP）為基礎(chǔ)，APM直接連接到電機(jī)上以獲得最高的效率和簡(jiǎn)單性。APP安裝在雙軸電機(jī)的一端，APM安裝在另一端，而不使用任何齒輪箱或皮帶傳動(dòng)設(shè)備。當(dāng)隔膜中的高壓鹽水進(jìn)入APM時(shí)，高壓鹽水中的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能供電機(jī)再利用，從而實(shí)現(xiàn)能量回收。
APP總是泵送著100%的隔膜所需要的水，APM的尺寸只定義了隔膜中的能量回收率。如果APM以60%的額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)，那么能量回收率就是40%，鹽水中的所有能量可以實(shí)現(xiàn)再利用。APP和APM都是正排量設(shè)備，壓力、溫度或鹽度都不會(huì)影響回收率。過去兩年所記錄的飲用水實(shí)驗(yàn)?zāi)芎囊呀?jīng)降低到了4-5 kWh/m3左右，然而小型SWRO工廠的能耗通常是9-12kWh/m3。
以90%的效率運(yùn)轉(zhuǎn)，APP泵具有更類似于離心泵的維修情況和平穩(wěn)流量。他們使用水力技術(shù)，將水而不是油用作潤(rùn)滑介質(zhì)，從而消除了很多傳統(tǒng)柱塞泵或活塞泵造成的人工維修問題。據(jù)說，APP在高運(yùn)轉(zhuǎn)效率下具有平穩(wěn)的流量，可以提高使用低效離心泵的大型系統(tǒng)的效率。
由于RO適用于中小型的本地化生產(chǎn)，可以看出大型工廠的需求將會(huì)持續(xù)增加（因此需要泵類制造商在能源效率上投入更多的資源）對(duì)于小型設(shè)備的需求也會(huì)增加。對(duì)于較小的淡化工廠，能效當(dāng)然不是主要的考慮因素。減少腐蝕、改善維修狀況等基于增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)材料的生命周期成本很可能會(huì)成為焦點(diǎn)。膜制造商也有望保持他們的開發(fā)動(dòng)力。
KMS公司的Ian Elson指出，RO市場(chǎng)是非常活躍的，發(fā)展過程也會(huì)很長(zhǎng)。以更有效率和有效的方式再利用水資源的能力正如人口和工業(yè)增長(zhǎng)一樣至關(guān)重要。
膜和泵制造商更緊密的合作也將帶來更多好處。泵業(yè)制造商渴望與膜制造商更好的交流。KSB Pumps的Stefan Schafer說，“因?yàn)榧偃缒ぶ圃焐棠荛_發(fā)出更低壓或低流速的膜，那么泵業(yè)制造商就可以開發(fā)出適合的壓力交換器。”
聯(lián)系方式
Bryan Orchard
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The Cottage, Gosport Road
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Hampshire
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Email: orchard@primex.co.uk
圖片說明：圖1. Calder的DWEER能量回收設(shè)備安裝在以色列的Ashkelon。
圖2. 位于塞浦路斯Dhekalia的Caramondoni海水淡化工廠正在用ERI的壓力交換器更新其4臺(tái)10,000 m3/d的設(shè)備。 | 
