فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 20، بهار 91

بازیافت انرژی درآب دریای­خلیج فارس و خلیج­گرگان به روش اسمزمعکوس

کلثوم نادری[1]^*

knaderi29@gmail.com

چکیده

استفاده از فناوری اسمزمعکوس(SWRO) درسامانه­های آب شیرین­کن دردهه­های اخیر به علت کاربرد دستگاه­های بازیافت انرژی ­و تکنولوژی­های ­مدرن ­تولید غشاء از رشد چشمگیری ­برخوردار ­است­. دستگاه­های­ مختلفی­ جهت­ بازیافت انرژی در فناوری SWRO وجود دارندکه هرکدام دارای خصوصیات، مزایا و معایب­خاص­خود می­باشند.

هدف این مقاله بررسی و ارزیابی­کاربرد دستگاه­های بازیافت انرژی دردو حوضه مهم­آبریز کشوردرشمال(خلیج­گرگان) و درجنوب (خلیج فارس) به منظور تهیه آب­شرب­ شهری بعدازتصویب قانون هدفمندکردن یارانه­ها در بخش انرژی می­باشد.

بدین ­منظور ابتدا هر یک ­از دستگاه­های بازیافت ­انرژی معرفی، سپس به کمک نرم افزار رزا پارامترهای مورد نظربرای تولید 20000 متر مکعب درروز آب­شیرین تعیین، و انرژی مصرفی ویژه (SEC) باچهارروش چرخ پلتون، توربو شارژ، مبدل فشار، مبدل­کار به کمک نرم افزارهای مربوطه محاسبه و براساس قیمت انرژی سال90در بخش آب شیرین­کن­ها  هزینه­سالیانه مصرف انرژی (برق کل( درهردو حوضه محاسبه گردیده است.

با تجزیه تحلیل دقیق و مقایسه مصرف انرژی دردو نمونه­آب چرخ پلتون41% و مبدل­های فشار/کار نزدیک50 % مصرف انرژی را کاهش داده­اند با وجو د کارایی بالای مبدل­های فشاردرکاهش انرژی به علت قیمت­گران وهمچنین نرخ برق مصرفی در بخش آب شیرین­کن­ها (مصارف عمومی) برای هردو حوضه آبریز توربین پلتون انتخاب و پیشنهاد می­گردد.

کلمات کلیدی: اسمزمعکوس، انرژی مصرفی ویژه، بازیافت انرژی، توربین پلتون، مبدل فشار.

مقدمه

هدف شیرین­سازی آب دریا تولید آب­شرب با کیفیت قابل قبول با حداقل هزینه است. برای مقرون به صرفه­ نمودن هزینه­های تولیدی، کاهش انرژی مصرفی با توجه به افزایش جهانی قیمت انرژی و قانون هدفمندکردن­ یارانه­ها در کشور از اهمیت ­ویژه­ای برخودار است. صنعت شیرین­سازی آب­ دریا به روش اسمزمعکوس(SWRO) درحال حاضر از رشد چشمگیری در تعداد و ظرفیت برخوردار می باشد. انتظار می­رود به علت تغییرات آب وهوایی، کمبود منابع­آبی موجود، افت­کیفیت­ منابع­موجود، رشد2%جمعیت جهان، نیازآب­ در بخش­های صنایع و کشاورزی، و قیمت انرژی درسال­های­آتی شاهــد رشد این سامانه­ها و ظرفیت آن­ها باشیم. از علل افزایش این رشد بهبود تدریجی تکنولوژی­های تولید غشاء، تولید پمپ­های با راندمان بالاست. اما علت اصلی، کاربرد دستگاه­های­ بازیافت انرژی و کاهش مصرف آن­که بزرگترین جزء از هزینه­های عملیاتی تولید آب شیرین است می­باشد.   

سیستم­های بازیافت انرژی

           هزینه­انرژی نیازبیش از33درصدکل هزینه بهره برداری سیستم­های غشایی راتشکیل می­دهد. بیشترین مقدارانرژی به وسیله موتورالکتریکی به منظور راه اندازی پمپ فشار قوی آب ورودی مصرف می­شود.

            انرژی موردنیاز برای سیستمRO تقریباً متناسب با افزایش میزان عملکــرد سیستم افزایش می­یابد. سیستم­های آب­­ لب شوردارای مصرف ویژه انرژی بین1تا3 کیلووات­ساعت به ازای هرمترمکعب آب تولیدی می­باشند. انرژی مورد نیاز سیستم­های SWRO آب ­دریا در مقایسه باسیستم­های آب­ لب­شور بسیار بالاترند. سیستم­های آب­دریا که به این ابزارهای جدید بازیافت مجهز شده­اند، دارای مصرف انرژی مخصوص بین 5/2 تا 4 کیلو وات ساعت برمتر مکعب می­باشند علت این امر فشار عملکرد بالاتر و نیزمیزان بازیافت آب تولیدشده کمتر، است. بنابراین به منظورکاهش انرژی مورد نیازو برای دستیابی به بهره­وری بیشتر، اغلب سیستم­هایRO آب دریا به ابزار بازیافت انرژی مجهزند، تامقدارانرژی مصرفی­راکاهش داده وبه لحاظ اقتصادی آن را به حدقابل قبول برسانند.پس ازعبورآب ازغشا، فشارآب به حدفشاراتمسفر می­رسد، درحالی که فشارآب غلیظ شده همچنان بالاست.دستگاه بازیافت انرژی پساب غلیظ شده (شوراب)، را بازیافت ومقدارمصرف انرژی کل سیستم را تا 50% بهبود می بخشند.این دستگاه­ها به دو گروه  گریز از مرکز[2] و دستگاه با جابجایی مثبت (مبدل­های­هم فشار)[3]  دسته­بنـدی می­شوند. ابزارهای بازیافت انرژی از نوع توربین، انرژی هیدرولیکی ناشی از پساب غلیظ شده را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده­که این انرژی می­تواند به موتور پمپ فشارقوی کمک نماید. ابزارهای توربینی یا به صورت سانتریفیوژ یا به صورت توربین ضربه­ای طـراحی شده­اند.این ابزارها دارای راندمان بین60 تـــا 85% می­باشند (1). انواع دستگاه­های­گریز ازمرکز عبارتنداز :

 توربین فرانسیس یا پمپ با چرخش معکوس[4]                                                     

         توربین فرانسیس (FT) یاپمپ با چرخش معکوس یکی از مهمترین دستگاه­های بازیافت انرژی((ERDs بین سال­های            1980-1950 توسط صنایعSWRO به طورگسترده­ای به دلیل سادگی و سهولت عمل مورد استفاده قرار گرفت.این توربین یکی از قدیمی­ترین ­دستگاه­های­ بازیافت است­ که با بهره­گیری از انرژی جنبشی پساب غلیظ شده(سیال­جاری) و انتقال این انرژی به موتور پمپ­فشار قوی مصرف انــرژی را کاهش می­دهد. توربین فرانسیس نسبت به پلتون و توربوشارژها از راندمان پایین­تری برخودار بوده، در برابر تغییرات ­دما و فشارسازگاری ­کمی­ داشته وحداکثر بازده آن­حدود%75 می باشد (4،3،2).

 شکل1- پمپ با چرخش معکوس(5)

توربوشارژ[5]

            توربوشارژها به طورخاص ازسال1990 به عنوان نسل دوم دستگاه­های­گریز از مرکز برای سیستم­های  RO طراحی شدند.از یک توربین هیدرولیک و پمپ فشارقوی که به طور سری نسبت به هم قرار گرفته تشکیل شده­اند. این دستگاه انرژی هیدرولیکی را از یک­جریان مایع (پساب غلیظ شده) درفرآیندRO، به جریان سیال دوم، آب دریا انتقال می­یابد. انتقال انرژی دراین دستگاه در فشارو نرخ­های ­مختلف صورت می­­گیرد. بسته به ظرفیت­ سامانه­ها شیرین ­سازی ­کارآیی آن به %70 نیز می­رسد(7،6).

شکل2- یک واحدتوربوشارژ( 3)

چرخ پلتون[6]

           یکی ازدستگاه­های­رایج مورد استفاده درسامانه­های نمک زدایی، چرخ پلتـــون است کـــه ­در ســـال1850 در سان فرانسیسکو توسط لسترپلتون اختراع شد. نازل­های موجود در روی این چرخ باعث می­شود انرژی جنبشی­کل پساب غلیظ شده تحت فشار به انرژی مکانیکی تبدیل شود. این­چرخ براساس اصل­ مشابه توربیــن فرانسیس اما با کارایی بالاتــری عمــل می­کنــد. این­دستگاه قدیمی، بسته به ظرفیت و بازیافت ­آب از راندمان خوبی برخوردار است.در این چرخ انرژی بالای پساب غلیظ شده به موتور پمپ فشار قوی انتقال و باعث کاهش مصرف ­انرژی به علت استفاده از موتور کوچک تر می­شود.این توربین به طور قابل توجهی در سراسر جهان مورد استفاده قرارگرفتــه و تفــــاوت ­عمده­ای ­در راندمان با ­توربین ­­فرانسیس دارد. چرخ ­پلتون­ کارآمدتر و در اکثر فرآیندهای­اسمزمعکوس­ آب­ دریا مورد استفـــاده ­قــرار می­گیرد. نقطه ­ضعف­ تکنولوژی­ پلتـــون شکل­گیـــری­ یک جریان­کف­ آلــود است­که ­بـــا دو بـــار پمپ­کردن ­تخلیه ­می­شود(9،8).

شکل3- چرخ پلتون (3)

دستگاه با جابجایی مثبت(مبدل­های­هم فشار)[7]

            دستگاه­های بازیافت انرژی از نوع"مبدل­کار"[8] یا" مبدل فشار"[9] با استفاده از یک پیستون مستقیماً انرژی هیدرولیکی را ازجریان پساب غلیظ شده به آب دریای ورودی به صورت متناوب یا پریودیک انتقال می­دهند.این­دستگاه­ها می­توانند میزان کارایی بازیافت را به بیش از 96درصد ارتقاء دهند.به­منظورجبران افت فشار ایجاد شده­در این روش، از پمپ­های­کمکی بوستری[10]  استفاده می شود. دستگاه­های بازیافت هم­فشار، به دو گروه مبدل فشار رفت­و برگشتی[11] و مبدل­های گردشی یا روتاری[12] دسته بندی می­شوند(10).

   مبدل­های فشار رفت­ و برگشتی

        در این نوع مبدل­ها انتقال انرﮊی به سیال به صورت پریودیک ­و دوره‌ای صورت می­گیرد. نیروی محرکه این نوع مبـدل­ها نیز غالباً توسط موتورهای الکتریکی تامین می‌گردد. در این نوع دستگاه حرکت چرخشی میل لنگ تبدیل به حرکت رفت و آمدی پیستونی در یک سیلندر می‌شود.با عقب رفتن پیستون در سیلندر ایجاد مکش شده و در نتیجه مایع از طریق یک شیر ورودی داخل سیلندر می‌گردد. با حرکت پیستون به طرف جلو دریچه ورودی بسته و مایع از طریق خروجی به خارج شیر هدایت می‌گردد. شیرهای ورودی و خروجی یک طرفه بوده و طوری ساخته شده اند که در مراحل رفت­و آمد پیستون، از ورود مایع داخل سیلندر به قسمت کم فشار و بالعکس ممانعت شود.کارایی این دستگاه­ها بین 98-95% همچنین هزینه سرمایه­گذاری شده درآن­ها بالاست(11 ).

شکل 4- مبدل­فشار رفت و برگشتی (دوپیستونه(( 12)

 مبدل­های گردشی یا روتاری

           دراین روش­ مبدل­گرگردشی فشار پساب­ غلیظ شده را به طورمستقیم به آب­دریا منتقل می­کند.دراین دستگاه­ها نرخ جریان پمپ  فشار قوی معادل با نرخ جریان غشاء بوده و بستگی به بازیافت انرژی دارد. ضمن اینکه فشار خروجی معادل فشارخوراک جدای از افت ­ارتفاع می­باشد.دراین مبدل­ها به منظور جبران افت­ فشار از پمپ­های­کمکی بوستری یا سیرکولیشن استفاده می­شود. این پمپ­ها می­توانند  افت­فشار تا 4 بار را جبران ­نمایند. سیستم­های­آب­ دریــا که به این ابزارهای ­جدید بازیافت مجهز شده­اند، دارای مصرف انرژی مخصوص بین  5/2 تا 4 کیلووات ساعت برمترمکعب می­باشند.کارایی این دستگاه بالا بین 97- 94٪ می باشد(13).

شکل5- شماتیک جریان یک مبدل فشار(13)

مبدل­فشار SalTec

            سیستم­هــای­جـدید SalTec برای نمک زدایی از آب ­دریا به روش اسمز معکوس طراحی و وارد بازارآب شیرین­کن­ها شده­اند. این مبدل­ها ازکاررایی بالایی برای بازیافت انرژی هیدرولیکی برخوردارند، شبیه­ مبدل­های­ فشار رفت و برگشتی (دوپیستونه) ­­ولی ­راندمان­ مبدل­های ­دوار را دارند. این مبدل­ها از محصولات­شرکت KSB بوده­ و ­چند نوع ­از آن­ در سامانه­های آب­شیرین­کن خاورمیانه ­مورد استفاده ­قرارگرفته­است(14).

  شکل6- مبدل­فشارازنوع SalTec (14)

   انتخاب بهترین روش بازیافت

             انتخاب و کاربرد دستگاه­ها بازیافت بایستی با دقت و با در نظرگرفتن کلیه ملاحظات اقتصادی و زیست محیطی صورت گیرد. برخی از این­دستگاه­ها نیاز به سرمایه­گذاری اولیه بالایی داشته درحالی که هزینه بهره­برداری­و نگه داری آن ها نسبتاً پایین­تر می­باشدو بالعکس برخی­دیگر از این دستگاه­ها علیرغم هزینه­های بهره­برداری کم،  نیاز به سرمایه­گذاری اولیه بالایی دارند. بنابراین درانتخاب بهترین دستگاه بازیافت علاوه بردر نظرگرفتن مسایل فنی مهندسی به مسایل اقتصــادی علی­الخصوص انرژی باید توجه خاص کرد. بررسی­و مقایسه این دستگاه­ها از دیدگاه فنی و مهندسی با توجه به میزان شوری((TDS آب ورودی و قیمت انرژی صورت­می­گیرد. دستگاه­های بازیافت انرژی به طورگسترده­ای متفاوت هستند هرکدام از این دستگاه­ها دارای مزایای خاص خود بـــوده  بهینه­سازی­ بازیافت انرژی­را می­توان معیار انتخاب یک­دستگاه مناسب، کارآمــدو مقـرون به صرفه دانست.جدول 1 روند تکامــل­تاریخی­ این دستگاه­ها و انرژی­ مصرفی­ ویـــژه[13] را نشان ­می­دهد.

           در ادامه به بررسی پتانسیل کاربرد این دستگاه­ها جهت کاهش هزینه­ها خواهیم پرداخت.درابتدا با کمک نرم افزار رزا[14] جهت تولید m³/day20,000 انرژی مصرفی،  نسبت بازیافت و فشار مورد نیاز را برآوردکرده،  سپس انرژی مصرفی ویژه دو نمونه آب را با چهار روش تعیین، و براساس نرخ ­تعرفه­های ­برق ­و شرایط عمومی­آن ها درسال90هزینه­ سالیانه انرژی مصرفی محاسبه و بهترین­ روش بازیافت انتخاب شده­ و پیشنهاداتی در راستای کاربرد این دستگاه­ها ارایه می­گردد.

جدول1- تکامل­تاریخی­مصرف­انرژی­درابزارهای­بازیافت­انرژی(14)

با توجه به­آنالیزهای انجام شده، مقدار انرژی مصرفی وی‍ژه تعیین و بر اساس بخشنامه هدفمندکردن یارانه­ها هزینه سالانه مصرف انرژی محاسبه می­گردد جدول3 قیمت­هرکیلووات­ برق ­مصرفی ­صنعتی ­در یک شبانه ­روز با قدرت بیش­از 30 کیلو وات (ریال) را   نشان ­می­دهد. برای به دست آوردن هزینه­سالیانه ابتدا هزینه برق مصرفی­درزمان­های مختلف در یک شبانه روز محاسبه سپس هزینه­های به دست آمده درزمان­های مختلف باهم جمع تا هزینه سالیانه به دست­آید. (علت این امر، برق صنعتی درکشورما در زمان­های مختلف قیمت متفاوت دارد). کلیه­ی قیمت­ها براساس بخشنامه شماره200/2450/90 مورخه30/1/90 مصوبه­ی وزارت نیرو و ستاد هدفمندکردن یارانه­ها محاسبه گردیده است.

جدول 3- قیمت برق مصرفی دربخش آب شیرین­کن­ها (ریال)

 با معلوم شدن قیمت انرژی، مقدار انرژی مصرفی در هر ساعت و میزان آب تصفیه شده می­توان هزینه­ سالیانه مصرف انرژی را در دونمونه آب محاسبه کرد.

جدول 4- نتایج آنالیز آب خلیج فارس با مبدل فشار  (PX® Energy Recovery Device System Analysis)

جدول 5- نتایج آنالیز آب خلیج فارس با توربین پلتون ( PX® Device versus Pelton Turbine Power Analysis)

جدول 6- نتایج آنالیز آب خلیج گرگان با مبدل­فشار  (PX® Energy Recovery Device System Analysis)

جدول 7- نتایج آنالیز آب خلیج گرگان با توربین پلتون ( PX® Device versus Pelton Turbine Power Analysis)

جدول8- هزینه سالیانه مصرف انرژی دردو نمونه آب(میلیارد به ریال)  

خلیج فارس

خلیج گرگان

بحث و نتیجه گیری

           کاربرد دستگاه­های بازیافت انرژی، از اجزای لازم و ضروری در آب شیرین­کن­هــای اسمــزمعکــوس به دلیل صرفه­جویی بالا انرژی است.دستگاه­هــای مختلفی جهت بازیافت ­انرژی درفناوری اسمزمعکوس (SWRO)به­کار گرفته می­شود که هرکدام دارای خصوصیات، مزایا و معایب خود می­باشند. با مقایسه فنی ­و اقتصادی این دستگاه­ها توربین پلتون و مبدل­های فشار بیشترین کاربرد را داشته و مبدل­هــای ­فشار از نظر ذخیره­سازی انرژی(میزان­بازیافت) راندمان بالاتری دارند. و از کاربرد رو به توسعه­ای نیز برخودارند. باوجود قابلیت­های بالای این مبدل­ها مانند ظرفیت­ بالا، کاهش فشاربالا، کم­کردن مصرف انرژی پمپ فشار قوی وانعطاف پذیری در برابر تغییرات فصلی، غشاء و نسبت بازیافت (ریکاوری) درهرشرایطی با توجه به قیمت بالا نمی­توان به آسانی از آن ها استفاده کرد. طبق محاسبات انجام شده، و با توجه به قیمت انرژی الکتریکی درگروه آب شیرین­کن­ها (مصارف عمومی) توربین پلتون­که تفاوت قابل توجهی با این مبدل­ها نداشته ولی ارزانتر است برای دوحوضه آبریز بررسی شده انتخاب و پیشنهاد می­�