海水淡化少即是多——通過(guò)減少海水淡化工藝的能耗來(lái)提高收益
海水淡化被某些人視為解決全球缺水問(wèn)題的一劑靈丹妙藥。但是該技術(shù)由于能耗過(guò)高而逐漸不被業(yè)界重視。一直以來(lái)，在大型工程中，業(yè)界都習慣采用離心泵。本文討論基于正排量泵的解決方案，泵制造商聲稱(chēng)它們具有卓越的節能性。
雖然地球表面70%都是水，但是其中的可用水量少于1%。研究表明，缺水問(wèn)題影響了世界上近五分之一的人口，并且這一數字有望在20年內逐步攀升到五分之三。
GE公司憑借其創(chuàng )新的IPER系統，已經(jīng)找到了一種能夠攻克大型海水淡化設施技術(shù)難關(guān)的解決方案，該方案使得與泵水相關(guān)的能源需求減少了至少10%。
位于美國明尼蘇達州Minnetonka的GE 公司能源與水利部的全球產(chǎn)品管理系統負責人Erik Hanson稱(chēng)，這一最新的技術(shù)方案提供了一臺集成式泵和能源回收裝置，用于日產(chǎn)水量達1000立方米的SeaPRO海水反滲透系統。
“IPER是一臺專(zhuān)門(mén)用于海水淡化應用的水泵，” Hanson說(shuō)。“其獨特之處在于，如今大部分海水淡化應用的日產(chǎn)水量都超過(guò)了1000立方米，相應地，水泵的日處理水量是該數據的2.5到3倍，但是在這種規�；蛘吒笠幠５暮Ｋ瘧弥�，缺乏合適的正排量(PD)泵。這些系統幾乎一直都使用離心泵。在流量小于1000立方米的海水淡化應用中，有非常合適的正排量泵，它們極為節能，但是不適合更大型的系統，直到IPER的出現才解決了這一難題。”
低流量海水淡化裝置通常已經(jīng)采用PD泵，因為它們效率高，可用性佳。這些小型、高效的泵通過(guò)使用一種固定的幾何結構和旋轉式軸向活塞或者曲柄傳動(dòng)活塞來(lái)對泵腔內的水加壓。
隨著(zhù)腔體尺寸和泵送流量的增大，這些小型PD泵都面臨著(zhù)一些機械難題，而大型PD泵因為具有較大的曲軸或者較高的曲軸轉速，能夠克服這些機械難題，但是這些方案帶來(lái)了嚴重的振動(dòng)和維護問(wèn)題。
差別
不同于那些大型PD泵，IPER是一種基于正排量技術(shù)的高效海水淡化泵，其中的排水液壓缸并非由快速轉動(dòng)的大型曲軸來(lái)驅動(dòng)，而是由高效的液壓泵和液壓缸來(lái)驅動(dòng)，有利于平穩、緩慢地工作，使振動(dòng)和損耗降低到最小程度。
“業(yè)界普遍認為，理論上PD泵的能量傳輸效率比一直旋轉的離心泵更高，” Hanson說(shuō)。“于是，我們采用一種大型PD泵，即IPER。”
能量回收
大功率PD泵實(shí)際上是在水泵中結合了海水淡化系統中所需的能量回收技術(shù)。該液壓傳動(dòng)裝置驅動(dòng)排水設備內的三根雙動(dòng)活塞，與傳統的PD泵相比，它以非常低的循環(huán)速度來(lái)完成該項工作。
“它們搖晃、振動(dòng)，所以這里真正的創(chuàng )新點(diǎn)在于我們徹底拋棄了曲柄，而代之以液壓技術(shù)，” Hanson說(shuō)。“所以我們有三臺內部裝有活塞桿的液壓缸;雙動(dòng)活塞意味著(zhù)在液壓缸的兩端都能產(chǎn)生動(dòng)作。”
活塞由與液壓泵相連的一臺液壓缸來(lái)驅動(dòng)，該液壓缸不是以1500或者3000rpm的轉速來(lái)運轉，而是按照每分鐘12個(gè)周期的頻率來(lái)運動(dòng)。
令人感到吃驚的是，在GE公司向市場(chǎng)推出該產(chǎn)品之前，沒(méi)有任何公司采取類(lèi)似的舉措。Hanson無(wú)法解釋其原因。
“我想告訴你，這樣的改造思路最初源自業(yè)內的一家公司，但是它們無(wú)法繼續執行下去，”他說(shuō)。“于是，我們收購了該公司，得到了最初的設計方案，接著(zhù)在過(guò)去的一年半中，我們對其進(jìn)行了大規模的改造，使其更加完善。我們提出了一些傳統的改造思路，并成功地使其在工作中得以實(shí)施。”
GE深知客戶(hù)們重視可靠性，所以它對自己的設備進(jìn)行為期半年的試驗，并且將與幾家有密切合作關(guān)系的廠(chǎng)商共同進(jìn)行試驗，將泵放置在它們的裝置中運轉，以便獲得數據來(lái)證明IPER的可靠性。
“我們已經(jīng)在工廠(chǎng)內對IPER進(jìn)行了大量的試驗，”他說(shuō)。“我們得到了大量的數據，基于這些數據，我可以肯定地說(shuō)，IPER比市場(chǎng)上現有的最優(yōu)秀的技術(shù)節能10%。”
對于能耗成本為每千瓦小時(shí)20-35美分的應用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，這樣一臺設備節能10%意味著(zhù)它能夠迅速提高投資回報收益率。
“有些用戶(hù)的能耗成本居高不下，我想他們會(huì )最先采用IPER，而有些用戶(hù)的能耗成本很低，他們可能暫時(shí)還不適應IPER，” Hanson補充道，他解釋說(shuō)后者會(huì )在較長(cháng)的一段時(shí)間內堅持使用離心泵。
海水101
全球大部分海水的鹽度在3.5%到4%之間，而在某些地區，如中東，海水鹽度略微偏高一些。
“用于含鹽較少或者含鹽較多海水的反滲透(RO)系統彼此看起來(lái)幾乎一樣;唯一的區別是其工作的壓力不同，” Hanson說(shuō)。“水中所含鹽分越多，水的滲透壓力就越高，你所需的凈化壓力也就越高。”鹽的含量會(huì )影響壓力;因此，它會(huì )影響你采用哪類(lèi)設備來(lái)處理該壓力。
“所以，海水反滲透系統彼此的差別看起來(lái)并不明顯，” Hanson說(shuō)。“唯一的區別是，如果你要去除更多的鹽分，那么泵就需要工作在更高的壓力下。”
IPER系統適用于高含鹽量的所有壓力范圍;無(wú)論含鹽較少或者較多，你都可以使用它，但是海水的鹽度越高，IPER的工作壓力就越高。
如今的大部分海水淡化操作都集中在中東或者東南亞地區，其原因包括當地的水資源短缺，工業(yè)化和人口增長(cháng)。
“在中東，缺乏足夠的水進(jìn)行循環(huán)，” Hanson說(shuō)。“在東南亞地區，雖然有較豐富的降水，但是在像新加坡這樣的地區，人口眾多，工業(yè)發(fā)達，因此當地對水的需求量相當大。”
據Hanson介紹，澳大利亞和印尼也在從事大量的海水淡化工作。
雖然海水淡化應用呈現分割的市場(chǎng)格局，其中涉及到眾多的參與者，但是這給需要水的人們帶來(lái)了好處。
脫鹽
除了泵，GE公司最近還推出了AquaSel水處理系統，Hanson形容它是“一項有趣、創(chuàng )新的發(fā)明。”
“IPER是一種適合于海水淡化應用的泵，AquaSel是集多種技術(shù)于一體的一整套系統，旨在提高產(chǎn)水量，”他說(shuō)。“如今，使用RO的用戶(hù)能從供水中回收75%到80%的凈水，剩余的25%到30%是鹽溶液。”
AquaSel能夠使你的整體水回收率提高到99%以上，并且無(wú)需使水沸騰或者添加沉淀化學(xué)劑，因此提高了水的回收率，而不會(huì )有任何損失。
“通過(guò)這種作法，你能夠減少處理成本，這對于有些用戶(hù)來(lái)說(shuō)是相當高昂的一項成本，除此之外，由于你重用了大量的水，所以實(shí)際上減少了你所需要購買(mǎi)的水量，” Hanson說(shuō)。“這不僅相當節能而且減少了工作成本。”
由于它只是鹽水而非環(huán)境問(wèn)題，所以大多數裝瓶公司和飲料企業(yè)并沒(méi)有真正高效地用水。AquaSel幫助這些公司從浪費的水中回收30%的部分，并將它們集中在一起，使其通過(guò)壓濾機，以去除其中的固體鹽分。然后你只需要簡(jiǎn)單地將這些鹽當作固體廢料處理即可。
除了這兩種產(chǎn)品，GE還研發(fā)出了其最新式的膜生物反應器LEAPmbr，Hanson這樣形容它，“無(wú)論是處理城市生活廢水還是工業(yè)廢水，它都是目前市場(chǎng)上最新穎、最有效的水處理方法。”
“如果你要處理的廢液流中會(huì )發(fā)生生物反應，那么有機物就會(huì )被該生物反應所消耗，”他說(shuō)。“水流過(guò)濾膜，該濾膜將清除那些有機物，于是從濾膜的另一端流出了可用于其它一些用途的水。”最終得到的產(chǎn)物是淡水。
