מבוא: אתגר האנרגיה בטיפול במים מבוסס מנברן

צמחי קרום בקנה מידה גדול - בין אם לפלנציה, פסולת תעשייתית reuse, או טיהור מים מתקדם - כמויות משמעותיות של אנרגיה, בעיקר בגלל הלחץ ההידראולי הגבוה הנדרש כדי לכפות מים באמצעות חסמים שניתן למזעריים. במערכות אוסמוזה הפוכה (RO) למשל, הלחץ החל חייב להתגבר על הלחץ האומטי של מזון המים, אשר עבור ים יכול להיות יותר מ- 60 מטר של צריכת אנרגיה ישירה, ולכן לא יכול רק כדי לענות על עלויות הפעלה של צריכת אנרגיה.

מאמר זה מציג קבוצה מקיפה, פעולה של אסטרטגיות עבור חיתוך צריכת אנרגיה במפעלים membrane בקנה מידה גדול. אנו נבחן גורמים בסיסיים - אחריות המוח, הונאה ועיצוב מערכת - ולאחר מכן לחקור טקטיקות ספציפיות: אופטימיזציה של תנאי הפעלה, פריסת מכשירים מתקדמים של שיקום אנרגיה, שיפור חומרי קרום ניקוי, שיפור טיפול, ושילוב אנרגיה מתחדשת.

על ידי יישום גישות אלה בשילוב, מפעילי צמחים ומהנדסים יכולים להשיג הפחתה דרמטית בצריכת אנרגיה מסוימת (קלוואט שעות למ"ק של permeate) תוך שמירה על איכות הייצור ואמינות המערכת.הסעיפים הבאים מספקים מפת דרכים מובנת כדי להשיג מטרה זו.

הבנת צריכת האנרגיה של Membrane: נהגים מרכזיים

כדי להפחית את השימוש באנרגיה ביעילות, יש להבין תחילה את הנהגים העיקריים.בכל תהליך של קרום, האנרגיה הנדרשת היא פרופורציונלית ללחץ להאכיל ואת קצב זרימת הדם.לחץ ההזנה, בתורו, מושפע ממספר גורמים קשורים:

  • (FLT:0) מנברן יכולות: 1FreaLT:1) יותר חדות מאפשר לאותה שפעת בלחץ נמוך, להפחית באופן ישיר את האנרגיה למ"ק.
  • (FLT:0) ,Feed water salinity andקומפוזיציה: irph:1) לחץ אוסמוטי גבוה (למשל, מים ים לעומת מים חמים) דורש לחץ גבוה יותר.
  • (FLT:0) עיבוד ומדפי: 1FLT:1 , Accumulation של חלקיקים, חומר אורגני או מינרלים על פני השטח הקרנבלן מגביר את ההתנגדות הידראולית, הדורש לחץ גבוה יותר לשמור על הייצור.
  • (FLT:0System Design and Recovery rate:FLT:1ir) שיעורי התאוששות גבוהים יותר מתרכזים באכילת מים, העלאת לחץ אוסמוטי בצד העדין; זה מגביר את הביקוש לאנרגיה ואת הסיכון של דרוג.
  • (ב) ראטארורה: 1) טמפרטורת המים הגבוהה יותר של מזון מקטין את הרגישות ומגדילה את ההיתר, אך יכולה גם להאיץ את הדימום או להשפיל את הקרמונים לאורך זמן.
  • (FLT:0) יעילות המנוע: FLT:1, צריכת האנרגיה הכוללת כוללת הפסדים של משאבות, מנועים וציוד עזר.

מכיוון שגורמים אלה הם תלות הדדית, אסטרטגיות הפחתת האנרגיה היעילות ביותר מחשיבות את המערכת כולה ולא לקידוד אחד משתנה בבידוד.הסעיפים הבאים מפורטים שיטות מוכחות לטפל בכל נהג.

אסטרטגיה 1: אופטימיזציה של תנאי הפעלה

לפני השקעה בחומרה חדשה, צמחים רבים יכולים להשיג חיסכון מיידי על ידי פרמטרים תפעוליים בסדר גודל.הלכים העיקריים הם לחץ, קצב זרימה, קצב התאוששות, ומדיקה membrane.

אופטימיזציה של לחץ האכלה ו-Flux

הפעלת מערכת קרום בלחץ המינימום שיעמוד במטרות הייצור היא הטקטיקה הפשוטה ביותר של צמצום האנרגיה.עם זאת, צמצום הלחץ גם מקטין את השטף, ולכן מפעילי חייבים לאזן את התפוקה מפני עלויות בקרת תהליכים מתקדמים יכולים באופן אוטומטי לשנות משאבות כדי לשמור על שרירות היעד עם הלחץ הנמוך ביותר האפשרי, באמצעות נתונים בזמן אמת על איכות מים, גיל המעבר וטמפרטורה קיימת, ביצוע משאבות ניתוח והתאמה של 5 נקודות לחץ ללא לחץ סיכון של 5-15%.

התאמת Recovery Rate

קצב התאוששות - אחוז המים המזינים שהופכים לחלחל - יש מערכת יחסים מורכבת עם שימוש באנרגיה. הגדלת ההתאוששות מפחיתה את נפח המים שאיבה ויכולה להוריד אנרגיה למ"ק.אבל התאוששות גבוהה מעלה גם את הלחץ האוסמוטי ואת ריכוז הקיטוב בצד החריף, הדורש לחץ גבוה יותר.קצב ההתאוששות האופטימלי הוא משחק; זה תלוי באכילה, תכונות של המוח 8, ו- 40 ליטר אנרגיה רגיל, עבור מים, הוא התאוששות.

« « רדי וידוי

אלמנטים של Membrane מסודרים בדרך כלל בשלבים מרובים או עובר. על ידי עוקץ בתצורה מרוקנת (אלמנטים של אובדן בשלבים מאוחרים יותר), המערכת יכולה לשמור על התפלגות גלית אחידה ולהפחית את האנרגיה שאבדה ללחץ זוהר.הוספת משאבת מגבר בין שלבים יכול גם להפחית את האנרגיה הכוללת הנדרשת על ידי איזון הירידה בלחץ על פני המערך. צמחים מודרניים רבים להשתמש שני שלבים עם דחיפה בין חומרים להורדת אנרגיה ספציפית על ידי 10-20% לעיצוב יחיד.

אסטרטגיה 2: צמצום מכשירי שיקום אנרגיה גבוהה (ERDs)

הירידה המשמעותית ביותר באנרגיה במפעלי RO בקנה מידה גדול מגיעה מלכידת האנרגיה ההידראולית בזרם המחץ גבוה.ללא ERD, האנרגיה הזו פשוט מתפזרת.עם ERD, ניתן להשתמש בה כדי ללחוץ על המים המזינים הנכנסים, להפחית באופן דרסטי את העבודה הנדרשת מהמשאבה בלחץ גבוה.

סוגים של אנרגיה שחזור מכשירים

ישנן מספר טכנולוגיות ERD מסחריות, כל אחת מהן עם יעילות וטביעה שונה:

  • (FLT:0)TurbochargersversFLT:1 (טורבינות הידרואל): יחידות אלה להמיר לחץ רב לתוך סיבוב מכני שמניע משאבה מוגברת.
  • (ב) [ה] [ה] [ה]] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]], [ה], [ה], [ה]]][ה]]]], [ההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההה
  • טורבינות FLT:0 (Pelton טורבינות: FLT:1hav בשימוש במתקנים ישנים יותר, אלה יש יעילות נמוכה יותר (40–50%) והם מוחלפים כעת בעיקר על ידי ERDs מתקדמים יותר.

חיסכון באנרגיה מ-ERDs

התקנת מחליף לחץ מודרני יכול להפחית את הדרישה הכוללת של תחנת מים ים RO על ידי עד 60%.לדוגמה, 50 MGD קרלסבד desalination בקליפורניה משתמשת להחליף לחץ כדי להשיג צריכת אנרגיה מסוימת של סביב 3.6h / m3 - הרבה פחות מ- 6-7 קילוואט / m3 משותף במפעלים ללא ERDs.

שיטות טובות לשילוב ERD

כדי למקסם את היתרונות ERD, מעצבים צמחיים חייבים להתאים את האיזון בין הזרמים להאכיל וזרמים, להבטיח תחזוקה נאותה של חותמות ונושאות, ולתאם את יכולת ERD לטווח התפעולי של הצמח.במקרה שבו זרימת השונה משתנה באופן משמעותי (למשל, בשל הביקוש עונתי), כונן משתנה ERDs יכול לשמור יעילות גבוהה על טווח רחב יותר.

אסטרטגיה 3: עידוד ביצועים והפחתה

מנברון מרעיש ישירות את הלחץ הטרנס-מברנה הדרוש כדי לשמור על פלוקס, המתורגם לשימוש באנרגיה גבוהה יותר.בנוסף, עבירה מפחיתה את חיי קרום ומגדילה את עלויות ניקוי.שליטה מופרזת היא אפוא בקרת הפחתה כפולה של אנרגיה ואסטרטגיה חיסכון בעלויות.

בחירת אחריות גבוהה, נמוך-Fouling Membranes

ניור דק-סרט מורכב (TFC) membranes עם יכולת מוגברת יכול לפעול עד 30% לחץ נמוך בהשוואה ל membranes סטנדרטי עבור אותו flux.רבים של membranes אלה גם יש כימיה משטח שונה כי להפחית את הדבקות של עגירים. לדוגמה, membranes עם ציפוי ztterionic או הידרופילידי יכול להגדיל באופן משמעותי להפחית את שיעור של צינורות אורגניים כמו LG, כמו גם ירידה, כמו סוכריות, או ירידה, כמו LG.

ניקוי ותחזוקה

מרווחי ניקוי קבועים (CIP) צריכים להיות נחושים על בסיס עלייה בלחץ בפועל או ירידה של פלוקס רגילה, לא לוח זמנים קבוע.דיטינג יעילות ניקוי - על ידי השוואת ביצועי membrane לפני ואחרי CIP - מבטיח כי ניקוי מחזירה את הכדאיות ללא בזבז כימיקלים או מים. מערכות ניטור אוטומטיות מעקב מעקב מעקב מעקב מעקב מעקב אחר לחץ ולוח מלח יכול להזהיר את מפעילי כאשר ניקוי הוא נחוץ, בין מספר חודשים, להפחית את הנקה, בין 3 חודשים, 000 או יותר, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000.

טיפול מתקדם ל-Minimize Fouling

טיפול הוא קו ההגנה הראשון נגד עבירה ויש לו השפעה ישירה על צריכת האנרגיה של membrane. מערכת קדם-טיפול מעוצב היטב מסירת חלקיקים, קולואידאל, חומר אורגני לפני הממברג; זה עשוי לכלול גם doscalant dosing כדי לשלוט מינרלים, למרות מקורות מים על פני השטח, סינון (UF) כמו טיפול דרמטי יכול לעתים קרובות להפחית את צריכת האנרגיה של UF באופן קבוע, למרות לחץ נמוך יותר מצריכת אנרגיה רגיל.

אסטרטגיה 4: יישום בקרת תהליכים חכמים ו ניטור

צמחים מודרניים נעים מעבר לנקודות קבועות לאלגוריתמים של שליטה דינמית שמגיבים לתנאים בזמן אמת.אסטרטגיה זו מפחיתה את השימוש באנרגיה ללא שילוב איכות מים או ייצור.

אופטימיזציה באינטרנט של אנרגיה וחיסכון באנרגיה

על ידי כל הזמן מדידת לחץ, טמפרטורה וזרימה היקפית, מערכת בקרה יכולה לחשב את הכדאיות של קרום המוח בפועל ולהתאים את יעד הלחץ בהתאם.אם אי-יכולת יורדת עקב נפילה או ירידה בטמפרטורה, המערכת לפצות בהדרגה ולא שמירה על לחץ קבוע.שליטה הסתגלותית יכול גם לשנות את קצב ההתאוששות בתגובה להפחתה או לביקוש זרימה.

תחזוקה חיזוי נתונים-Driven

איסוף נתונים היסטוריים על לחץ, זרימה ואיכות מאפשר למנהלי הצמח לחזות מתי יהיה צורך בניקוי, או אפילו כאשר אלמנט קרום מתחיל להיכשל.מודלים של למידת מכונה יכולים לזהות שינויים קטנים במגמה של פחות או יותר אירובית אנרגיה המציינת פיתוח רעוע או קנה מידה, המאפשר התערבות מוקדמת. גישה זו מונעת בזבוז אנרגיה הקשורה לפעולה על מחמת חלקית עבור שבועות שנקבעו לפני ניקוי.

אסטרטגיה 5: שיפור מקורות אנרגיה מתחדשת

בעוד שאנרגיה מתחדשת באתר אינה מפחיתה את העומס החשמלי של תהליך membrane עצמו, זה יכול להוריד את צריכת הרשת נטו של צמח ואת טביעת רגל פחמן טביעת הרגל. עבור צמחים גדולים, קרינת השמש (PV) ו טורבינות רוח הם יותר ויותר עלות תחרותי, במיוחד באזורים עם בידוד גבוה סולמות רוח או רוח חזקה.

דוגמה בולטת היא תחנת הדה-הפלה המופעלת על ידי אל-ח'אג'י בסעודיה, המשתמשת בשדה PV סולארי של 15 מ"ג כדי לכפות את מערכת האנרגיה הספציפית של הצמח (כולל יעילות החווה הסולארית) תחרותית עם צמחים המופעלים ברשת קונבנציונלית כאשר עלויות אנרגיה ארוכות טווח נחשבות.עבור מפעילי באזורי שמש, זוג תחנת RO גדולה עם מערך סולארי ייעודי יכול לבודדים נגד חשמלאיטיל יתרון חשמל וספק אנרגיה חזק עבור ייצור ירוק חזק.

אסטרטגיה 6: טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

מעבר לשיפורים מצטברים במערכות RO קיימות, כמה טכנולוגיות של הדור הבא מבטיחות הפחתה של שינוי בצריכת האנרגיה.אלה עדיין לא נפוצים במפעלים בקנה מידה גדול, אך הם פיילוט או פרוסים ביישומים נישה.

אוסמוזה (FO)

ב-osmosis קדימה, כוח הנהיגה הוא לחץ אוסמוטי ⁇ ולא לחץ הידראולי. a שואב פתרון עם לחץ osmotic מאוד למשוך מים מן הזנה על פני המברה.פתרון המלוטש הוא אז reconcented באמצעות תהליך נפרד, לעתים קרובות חום נמוך או שלב ROD השני יכול להיות פחות אנרגיה מאשר יישומים מסוימים, כגון גירוי יתר לחץ דם גבוה מאוד, עם לחץ דם נמוך מאוד, או מערכת פליטה תעשייתית.

אוסמוזה (Pro)

PRO היא שיטה לייצור אנרגיה מ ⁇ סלמון, אבל זה יכול גם להיות מוגדר כדי להפחית צריכת אנרגיה נטו בתהליך היברידית.הרעיון הוא להשתמש באכילה דלת-האנרגיה (למשל, מים בזבזניים) וצריכת צפיפות גבוהה של אנרגיה מתחדשת (למשל, עלייה של צמחים קטנים), בעוד שעדיין ניתן להחזיר את זרם החשמל (למשל, עלייה מצמח) בצד של גזע מים נמוך, עם זרם נמוך של אנרגיה, עם זרם נמוך של לחץ דם נמוך, או ירידה של שפעת נמוכה, אז, עם זרם חשמלי, רק כדי לקבלה נמוכה של נוזל לחץ דם נמוך, או ירידה של נוזל לחץ דם גבוה, או ירידה של נוזל יחיד, כדי לקבל בחזרה לדלקת שתן, כדי להפחית את זרם חשמלי גבוה של נוזל גבוה, כדי להפחית את זרם חשמלי (למשל, כדי להפחית את זרם חשמלי קטן של נוזל גבוה של נוזל לחץ דם גבוה, או ירידה של נוזל גבוה של נוזל גבוה של נוזל לחץ דם גבוה, כדי להפחית את זרם חשמלי (למשל, כדי להפחית את זרם חשמלי) עם זרם חשמלי גבוה כדי להפחית את זרם חשמלי קטן, כדי להפחית את זרם חשמלי קטן של נוזל גבוה של נוזל לחץ דם גבוה כדי למנוע לחץ דם גבוה, כדי למנוע את זרם חשמלי גבוה של נוזל לחץ דם גבוה של נוזל גבוה, כמו גם כן, כדי להפחית את זרם חשמלי קטן של נוזל לחץ

סגור-Circuit Reverse Osmosis (CCRO)

CCRO הוא תהליך של RO מסוג אצווה המבודד את הרכז בתוך לולאה סגורה תוך מיצוי מתמיד של permeate. על ידי הפעלת לחץ נמוך, קבוע והחלמה מיידית גבוהה, CCRO יכול להפחית את צריכת האנרגיה עד 20-35% בהשוואה ל-Send יחיד-pass RO, במיוחד עבור יישומים גבוהים של אנרגיה משולבת יותר.הטכנולוגיה כבר מסחרית (למשל, Desalitech, עכשיו של פתרונות אנרגיה נמוכה יותר, ו-Afex) עם כמה אנרגיה נמוכה יותר, עם עלויות יעילות יותר.

אסטרטגיה 7: עיצוב של יעילות אנרגיה מהשטח

כאשר בונים צמח membrane חדש, הפחתות האנרגיה המשפיעות ביותר מגיעות מעיצוב משולב הטוען לכל האסטרטגיות לעיל משלב הכדאיות הראשוני.זה כולל בחירת הסוג של membrane הנכון (אנרגיה נמוכה או תאורה גבוהה), פיזור משאבות עם כונן תדר משתנה (VFDs), תכנון עבור מספר ERDs, תכנון מערכת טיפול חזק, שילוב של כל התהליכים שיכולים להתאים את כל התהליכים.

ניתוח עלות מחזור חיים צריך לכלול צריכת אנרגיה במשך 20 שנים, לא רק הוצאות הון. Tenders כי חוזים רק על ההצעה הנמוכה ביותר לעתים קרובות תוצאה של הוצאות תפעול ארוכות טווח גבוה יותר, במקום זאת, הדורש צריכת אנרגיה מסוימת (למשל, פחות מ 3.0 קילוואט / m3 עבור מי הים) כמו קריטריון ביצועים מניע חדשנות ומבטיח כי הצמח יהיה יעיל עבור כל החיים שלה, כגון דיסוואטמה 3, כמודלואט"ל / אסטווראט"א / â â ¢ יכול להוכיח את ייצור מוקדם יותר מאשר עיצוב מוקדם יותר מאשר תוכנית ייצור מוקדם יותר מאשר תוכנית ייצור מוקדם יותר מאשר תוכנית ייצור / 4K / ¢ יכול להשיג ביצועים ספציפיים של ייצור מוקדם יותר ¢ יכול להשיג ביצועים ספציפיים של ייצור / ¢ יכול להשיג ביצועים ספציפיים של ייצור זה יכול להשיג ¢ יכול להשיג ביצועים ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ יכול להשיג חדשנות ¢ יכול להשיג ¢ יכול להשיג â ¢ יכול להשיג â â â ¢ יכול להשיג ייצור מוקדם יותר ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

מחקר: A Large Brackish Water RO's Transformation

כדי להמחיש את ההשפעה המשולבת של אסטרטגיות אלה, לשקול את היפואטי 10 MGD מטבול מים RO אשר בתחילה פעל עם צריכת אנרגיה מסוימת של 1.8 קילוואט / m3, ללא ERD ומדמברנס סטנדרטי.הצמח עבר סדרה של שדרוגים:

  1. (הופנה מהדף LT:0) חשפה החלפת לחץ 1 (95% יעילות), צמצום האנרגיה הנקייה ב-45%.
  2. (FLT:0) החליפו מזכרים עם יכולת גבוהה, אלמנטים בעלי יכולת נמוכה, נמוך-מחדש 1 ושיפור לוח הזמנים CIP, הפחיתו את לחץ ההזנת הדרוש על ידי 10% נוספים.
  3. (ב) ,0) ,Add a VFD על משאבת משאבה בלחץ גבוה 1 ויישם שליטה הסתגלות, החלקת תנודות לחץ ולהימנע מדיכוי יתר (5% יותר חיסכון).
  4. (FLT:0) שיעור ההתאוששות המחודש 1FLT:1אנדרה מ 80% ל-73% על בסיס מודלים, אשר למעשה הגבדילו אנרגיה מסוימת מעט אך הפחיתו את תדירות הפחתת הסקאלה והניקוי, תוך שימת שיפור של 3%.

צריכת האנרגיה הספציפית הסופית ירדה ל-0.5 קילוואט/m3 – ירידה של 53% בעלויות האנרגיה הכוללת ירדה ב-400,000 דולר בשנה, בעוד שתוחלת השדרוג הראשונית של 1.2 מיליון דולר הוחזרה תוך פחות משלוש שנים.

מסקנה: גישה הוליסטית להפחתה של אנרגיה

הפחתת צריכת האנרגיה של membrane במפעלים בקנה מידה גדול אינה תיקון פעולה יחיד, אלא תהליך אסטרטגי ורב-שכבות.התוצאות היעילות ביותר מגיעות משלבת אופטימיזציה תפעולית, אופטימיזציה באנרגיה גבוהה, התאוששות אנרגיה יעילה, מבחר membrane מתקדם, ניהול אגרסיבי, שליטה אינטליגנטית, והיכן אפשרי, שילוב מחודש.

בעוד הטכנולוגיה ממשיכה להתפתח – במיוחד עם חומרי קרום חדשים, תהליכים סגורים-חברתיים, ודור כוח אוסמוטי – הפוטנציאל לצריכת אנרגיה נמוכה אף יותר יתרחב.מנהלי צמחים ומהנדסים שעדיין מודעים להתפתחויות אלה ובאופן יזום ביקורת המערכות שלהם יהיו ממוקמים בצורה הטובה ביותר כדי להפחית את העלויות וההשפעה הסביבתית בו זמנית.

(ב) עיין בסקירה כללית של צריכת האנרגיה של ROIFLT:1, ניתוח מים של מכשירי שחזור אנרגיה (FLT:0) , סקירה כללית של ROGIEERE TERR-1, ההרחבה של ROGIE) של ROGIE TERD (ה-DV) , LT4D) , ו-FLT6 LT.com על מנת לייעל אנרגיה על תהליכים ממקדימים (החומרים)

על ידי אימוץ תוכנית הפחתה באנרגיה שיטתית, צמחי קרום בקנה מידה גדול יכולים להשיג חיסכון בעלויות משמעותי ורווחי קיימות - להפוך את הצורך באנרגיה ברגישות לפעולה יעילה, תחרותית.