Стратегии сокращения потребления энергии мембраны на крупных заводах

Поскольку эти факторы взаимозависимы, наиболее эффективными стратегиями снижения энергопотребления являются рассмотрение всей системы, а не оптимизация одной переменной в изоляции. В следующих разделах подробно описаны проверенные методы для решения проблемы каждого водителя.

Стратегия 1: Оптимизация условий эксплуатации

Перед инвестированием в новое оборудование многие заводы могут добиться немедленной экономии за счет точной настройки эксплуатационных параметров.Ключевыми рычагами являются давление, скорость потока, скорость восстановления и постановка мембран.

Оптимизация давления и потока корма

Запуск мембранной системы при минимальном давлении, которое будет соответствовать производственным целям, является самой простой тактикой снижения давления. Однако снижение давления также снижает поток, поэтому операторы должны сбалансировать выходную мощность с затратами на энергию. Передовые системы управления технологическими процессами могут автоматически модулировать насосы для поддержания целевого потока с наименьшим возможным давлением, используя данные в реальном времени о качестве исходной воды, возрасте мембран и температуре. Для существующих установок проведение анализа кривой насоса и корректировка заданных значений давления могут обеспечить экономию 5-15% без каких-либо капитальных затрат.

Корректировка коэффициента восстановления

Скорость восстановления - процент пропитанной воды, которая становится пронизанной - имеет сложную связь с использованием энергии. Увеличение восстановления уменьшает объем прокачиваемой воды и может снизить энергию на кубический метр. Но более высокое восстановление также повышает осмотическое давление и поляризацию концентрации на рассоле, что требует более высокого давления. Оптимальная скорость восстановления - компромисс; это зависит от солености корма, свойств мембран и затрат энергии. Для морской воды RO типичное восстановление составляет 40-50%; для солоноватой воды это может быть 70-80%. Использование программного обеспечения моделирования процессов для моделирования различных сценариев восстановления может определить энергетическое сладкое пятно для любого данного растения.

Конфигурация сцены и массива

Мембранные элементы обычно располагаются в нескольких стадиях или проходах. Путем постановки в конической конфигурации (меньше элементов на более поздних стадиях) система может поддерживать равномерное распределение потока и минимизировать энергию, потерянную при рассоливом давлении. Добавление бустерного насоса между ступенями также может уменьшить общую энергию, необходимую для балансировки падения давления по всей матрице. Многие современные установки используют двухступенчатый RO с межступенчатыми бустерами для снижения удельного потребления энергии на 10-20% по сравнению с одноступенчатой конструкцией.

Стратегия 2: Развертывание высокоэффективных устройств для рекуперации энергии (ERD)

Наиболее значительное снижение энергии в крупномасштабных установках RO происходит от захвата гидравлической энергии в рассоле высокого давления. Без ERD эта энергия просто рассеивается. С ERD ее можно повторно использовать для давления поступающей подпиточной воды, резко снижая работу, необходимую от насоса высокого давления.

Типы устройств для рекуперации энергии

Существует несколько коммерческих технологий ERD, каждая из которых отличается эффективностью и охватом:

• Турбокомпрессоры (гидравлические турбины): Эти агрегаты преобразуют давление рассола в механическое вращение, которое приводит в действие бустерный насос. Эффективность колеблется от 60 до 70 %. Идеально подходит для средних установок.
• Обменники давления (например, ERI Pressure Exchanger^®): Эти устройства передают давление непосредственно из рассола в корм через вращающийся керамический диск или поршневой механизм. Эффективность может превышать 95%. Они являются предпочтительным выбором для крупных заводов морской воды RO из-за их очень низкого энергопотребления.
• Пельтонные турбины: Используемые в старых установках, они имеют более низкую эффективность (40-50%) и в настоящее время в значительной степени заменены более совершенными ERD.

Энергосбережение от ERD

Установка современного датчика давления может снизить общую потребность в энергии завода по производству морской воды до 60%. Например, установка по опреснению воды 50 MGD Carlsbad в Калифорнии использует датчики давления для достижения определенного потребления энергии около 3,6 кВтч / м3 - намного ниже, чем 6-7 кВтч / м3, распространенные на заводах без ERD. Период окупаемости инвестиций ERD обычно составляет от одного до трех лет, в зависимости от затрат на электроэнергию и размера завода.

Лучшие практики для интеграции ERD

Для максимизации преимуществ ERD проектировщики установок должны оптимизировать баланс потока между потоками кормов и рассолов, обеспечить надлежащее обслуживание уплотнений и подшипников и соответствовать мощности ERD рабочему диапазону завода. В случаях, когда расход рассола значительно варьируется (например, из-за сезонного спроса), приводы с переменной скоростью ERD могут поддерживать высокую эффективность в более широком диапазоне. Модернизация старых систем путем модернизации современного обменника давления часто является единственным наиболее экономически эффективным улучшением энергии.

Стратегия 3: Повышение производительности мембраны и снижение загрязнения

Мембранное загрязнение непосредственно увеличивает трансмембранное давление, необходимое для поддержания потока, что приводит к более высокому использованию энергии. Кроме того, загрязнение снижает срок службы мембран и увеличивает затраты на очистку. Поэтому агрессивный контроль загрязнения является двойной стратегией снижения энергии и экономии затрат.

Выбор высокопроницаемых, низкоопорных мембран

Новые тонкопленочные композитные (ТФК) мембраны с повышенной проницаемостью могут работать при более низком давлении до 30% по сравнению со стандартными мембранами для того же потока. Многие из этих мембран также имеют модифицированную химию поверхности, которая уменьшает адгезию фолантов. Например, мембраны с цвиттерионным покрытием или повышенной гидрофильностью могут значительно снизить скорость органического и биообрастания. При замене мембран учитывают продукты с более низкими показателями удельного энергопотребления (SED), такие как продукты от таких производителей, как DuPont, Hydranautics, Toray или LG Chem.

Оптимизированная уборка и обслуживание

Регулярные интервалы очистки на месте (CIP) должны определяться на основе фактического увеличения давления или нормализованного снижения потока, а не фиксированного графика. Эффективность очистки путем сравнения производительности мембран до и после CIP гарантирует, что очистка восстанавливает проницаемость без потери химических веществ или воды. Автоматизированные системы мониторинга, которые отслеживают дифференциальное давление и прохождение соли, могут предупреждать операторов, когда требуется очистка. Во многих растениях сокращение времени между очистками от 6 месяцев до 3 месяцев или принятие более эффективного рецепта очистки может снизить среднее рабочее давление на 10-15%.

Продвинутая предварительная обработка для минимизации фоулинга

Предварительная обработка является первой линией защиты от загрязнения и оказывает непосредственное влияние на потребление энергии мембран. Хорошо спроектированная система предварительной обработки удаляет твердые частицы, коллоидные и органические вещества перед мембраной; она также может включать в себя дозирование антискаланта для контроля масштабирования минералов. Для поверхностных источников воды ультрафильтрация (UF) в качестве предварительной обработки может значительно снизить скорость загрязнения, часто позволяя системе RO работать при более низком давлении и с более длинными интервалами между очистками. Хотя UF добавляет собственное потребление энергии, чистый энергетический баланс обычно положителен, потому что потребность в давлении системы RO уменьшается. Например, переход установки от обычной фильтрации среды к предварительной обработке UF показал снижение общего удельного потребления энергии на 12%.

Стратегия 4: Внедрение интеллектуального управления процессами и мониторинга

Современные заводы выходят за рамки фиксированных заданных точек, чтобы динамические алгоритмы управления, которые реагируют на условия в реальном времени. Эта стратегия сокращает потребление энергии без ущерба для качества воды или производства.

Онлайн-проницаемость и оптимизация энергопотребления

Постоянно измеряя давление подачи, температуру и поток проницаемости, система управления может рассчитать фактическую проницаемость мембраны и соответствующим образом отрегулировать цель давления. Если проницаемость снижается из-за загрязнения или перепада температуры, система компенсирует постепенно, а не поддерживает постоянное давление. Адаптивный контроль также может изменять скорость восстановления в ответ на изменение солености корма или спроса на поток. Такие системы, как было показано, снижают общее потребление энергии на 5-8% при продлении срока службы мембраны.

Прогнозируемое обслуживание на основе данных

Сбор исторических данных о давлении, потоке и качестве позволяет руководителям предприятий прогнозировать, когда потребуется очистка, или даже когда мембранный элемент начинает выходить из строя. Модели машинного обучения могут обнаруживать небольшие изменения в тренде «энергия на кубический метр», которые указывают на развитие фоулирования или масштабирования, что позволяет осуществлять раннее вмешательство. Этот упреждающий подход предотвращает энергетические отходы, связанные с работой на частично загрязненной мембране в течение нескольких недель до следующей плановой очистки.

Стратегия 5: Интеграция возобновляемых источников энергии

Хотя возобновляемая энергия на месте не снижает электрическую нагрузку самого мембранного процесса, она может снизить потребление чистой сети станции и углеродный след. Для крупных установок солнечные фотоэлектрические (PV) массивы и ветряные турбины все более конкурентоспособны по стоимости, особенно в регионах с высокой солнечной инсоляцией или сильными ветрами. Интеграция может быть разработана с аккумулятором или подключением к сети для обработки прерывистости. Некоторые заводы также используют поток высокого давления рассола для привода микрогидроэнергетической турбины (с использованием колеса Пелтона или турбины Фрэнсиса) и генерировать дополнительное электричество, хотя это чаще встречается во внутренних солоноватых водохозяйственных установках, где разряд рассола находится на высоком уровне относительно окружающей среды.

Заметным примером является опреснительная установка Al Khafji на солнечной энергии в Саудовской Аравии, которая использует солнечное фотоэлектрическое поле мощностью 15 МВт для питания своей системы RO. Удельное потребление энергии на станции (включая эффективность солнечной фермы) является конкурентоспособным с обычными электростанциями, когда рассматриваются долгосрочные затраты на электроэнергию. Для операторов в солнечных регионах соединение большой RO-станции с выделенной солнечной батареей может защитить от волатильности цен на электроэнергию и обеспечить сильное маркетинговое преимущество для производства зеленой воды.

Стратегия 6: Новые технологии и будущие направления

Помимо постепенного совершенствования существующих систем RO, несколько мембранных технологий следующего поколения обещают постепенное сокращение потребления энергии. Они еще не получили широкого распространения на крупных заводах, но пилотируются или развертываются в нишевых приложениях.

Форвардный осмос (FO)

При прямом осмосе движущей силой является градиент осмотического давления, а не гидравлическое давление. Раствор для рисования с очень высоким осмотическим давлением вытягивает воду из корма через мембрану. Разбавленный раствор для рисования затем повторно концентрируется с использованием отдельного процесса, часто низкосортного тепла или второй стадии RO. FO может быть значительно менее энергоемким, чем RO для определенных применений, таких как обработка соленостей с очень высокой соленостью или лишата свалки. Однако общая сложность системы и необходимость регенерации раствора для рисования ограничили его принятие. Недавние разработки в термолитических растворителях для рисования (например, бикарбонат аммония) и мембранных материалах могут вскоре привести FO к коммерческому масштабу для снижения энергии при повторном использовании промышленной воды.

Замедленный осмос (PRO)

PRO — это метод получения энергии из градиента солености, но он также может быть сконфигурирован для снижения чистого потребления энергии в гибридном процессе. Идея состоит в том, чтобы использовать корм с низкой соленостью (например, очищенные сточные воды) и корм с высокой соленостью (например, рассол из установки RO) на противоположных сторонах мембраны. Вода естественным образом перемещается со стороны с низкой соленостью на сторону с высокой соленостью, давя на последнюю. Этот поток под давлением может затем вращать турбину или возвращаться в насос высокого давления RO для компенсации потребления энергии. В то время как PRO все еще находится на стадии исследования и пилотного этапа (с несколькими небольшими демонстрациями), он обещает большие заводы, которые имеют как источник пресной воды, так и рассол. Например, пилот Niagara Falls PRO показал возможность генерации чистой положительной энергии из градиента солености. Если мембранные затраты снижаются и плотность мощности улучшается, PRO может стать жизнеспособным дополнением к снижению энергии для прибрежного опреснения.

Закрытый обратный осмос (CCRO)

CCRO - это процесс RO пакетного типа, который рециркулирует концентрат в замкнутом цикле при непрерывном извлечении промежуточного материала. Работая при низком постоянном давлении и высоком мгновенном восстановлении, CCRO может снизить потребление энергии на 20-35% по сравнению с обычным однопроходным RO, особенно для приложений с высокой соленостью. Технология уже является коммерческой (например, от Desalitech, теперь входящей в Apex Water Solutions) и была установлена в нескольких промышленных и муниципальных системах. Снижение спроса на энергию в сочетании с более высоким восстановлением и более простым контролем масштабирования делает CCRO привлекательным вариантом для заводов, стремящихся снизить эксплуатационные расходы.

Стратегия 7: Проектирование энергоэффективности с нуля

При строительстве новой мембранной установки наиболее эффективные сокращения энергии происходят от интегрированной конструкции, которая учитывает все стратегии выше с начальной стадии осуществимости. Это включает в себя выбор правильного типа мембраны (низкоэнергетический или высокий отказ), калибровочные насосы с переменными частотными приводами (VFD), планирование нескольких ERD, проектирование надежной системы предварительной обработки и включение системы управления, которая может оптимизировать все процессы.

Анализ затрат жизненного цикла должен включать потребление энергии в течение 20 лет, а не только капитальные расходы. Тендеры, которые заключают контракты исключительно по самой низкой цене, часто приводят к более высоким долгосрочным эксплуатационным расходам. Вместо этого, требуя конкретного потребления энергии (например, менее 3,0 кВтч / м3 для морской воды) в качестве критерия производительности стимулирует инновации и гарантирует, что установка будет эффективной в течение всего срока службы. Несколько международных проектов опреснения, таких как Опреснительный завод Аделаиды в Австралии, продемонстрировали, что тщательная конструкция может достичь конкретных энергопотреблений значительно ниже 4 кВтч / м3.

Пример: Трансформация крупного завода по производству солоноватой воды

Для иллюстрации комбинированного эффекта этих стратегий рассмотрим гипотетическую установку MGD солоноватой воды RO 10, которая первоначально работала с удельным энергопотреблением 1,8 кВтч/м3 без использования ERD и стандартных мембран. Завод прошел ряд модернизаций:

1. Установил обменник давления (FLT: 1) (эффективность 95%), уменьшив чистую энергию на 45%.
2. Заменили мембраны с высокой проницаемостью, низкообрабатывающими элементами и улучшили график CIP, уменьшив необходимое давление подачи на дополнительные 10%.
3. Добавлена VFD на насос высокого давления и реализован адаптивный контроль, сглаживание колебаний давления и избегание избыточного давления (на 5% больше экономии).
4. Оптимизированная скорость восстановления от 80% до 73% на основе моделирования, которое фактически немного увеличило удельную энергию, но снизило частоту масштабирования и очистки, что в целом улучшило на 3%.

Окончательное удельное потребление энергии упало примерно до 0,85 кВтч/м3 - на 53%. Общие затраты на энергию снизились более чем на 400 000 долларов в год, в то время как срок службы мембран увеличился на 20%. Первоначальные инвестиции в модернизацию в размере 1,2 миллиона долларов были окуплены менее чем за три года.

Вывод: целостный подход к сокращению энергопотребления

Снижение потребления энергии мембранами на крупных заводах - это не фиксация одного действия, а стратегический многослойный процесс. Наиболее эффективные результаты приходят от сочетания операционной оптимизации, высокоэффективного рекуперации энергии, расширенного выбора мембран, агрессивного управления загрязнением, интеллектуального контроля и, где это возможно, интеграции возобновляемых источников. Уникальное качество кормовой воды каждой станции, местные затраты на энергию и нормативная среда будут диктовать наилучшее сочетание тактики.

По мере развития технологий, особенно с новыми мембранными материалами, процессами замкнутого цикла и осмотической выработкой энергии, потенциал для еще более низкого потребления энергии будет расширяться. Руководители и инженеры заводов, которые остаются в курсе этих разработок и активно проверяют свои системы, будут лучше всего позиционироваться для одновременного снижения затрат и воздействия на окружающую среду.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к ScienceDirect обзор потребления энергии RO , WaterWorld анализ устройств рекуперации энергии , MDPI Water журнал статьи о мембранном загрязнении и энергии , и Desalination.com функция по оптимизации энергии . Те, кто заинтересован в передовой осмос должен рассмотреть Природа статья на осмотически управляемых процессов .

Приняв программу систематического снижения энергопотребления, крупномасштабные мембранные установки могут достичь значительной экономии затрат и устойчивого роста, превращая энергоемкую необходимость в эффективную, конкурентоспособную работу.