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 می­گردد. تجارب استفاده از این دستگاه­ها در کشورهای مختلف نشان می­دهد کاربرد این تکنولوژی ها نمک زدایی را بسیارمقرون به صرفه نموده،  و نسبت به­روش­های متداول­ تهیه ­آب مانند انتقال آب از نواحی دوردست، تجارت الکترونیکی بسیار قابل رقابت بوده است.

           پیشنهاد می­شود یک ارزیابی چند معیاره بین این دستگاه­ها و روش­های ترکیبی به منظور بهینه­سازی مصرف انرژی با توجه به قیمت انرژی درکشورجهت احداث سامانه­های آب شیرین­کن­ها­انجام حالات بهینه برای کاربرداین دستگاه­ها و یک تحلیل فاصله موجود ایران با پیشروان این فنآوری ها جهت دستیابی به جایگاه مطلوب فنآوری اسمز معکوس در تهیه آب شرب شهری  صورت گیرد.

منابع

1. پانکراتز، تام، تونر، جان. (نویسندگان) محمدی، کورش، گل محمدی، گلمر.(مترجم). «مبانی شیرین سازی آب شور». شماره انتشار1، تهران: نشر دانشگاه تربیت مدرس، پزوهشکده مهندسی آب 1387.
2. Al-Hawaj, O.M., The work exchanger for reverse osmosis plants.  Desalination, 2003. 157: p. 23-27.
3. A.M. Farooque, A.T.M.J., Ali R. Al-Reweli, Comparative Study of Various Energy Recovery Devices used in SWRO process. Saline Water Desalination Research Institute.
4. Stover, R., Seawater reverse osmosis with isobaric energy recovery devices. Desalination, 2007. 203(1-3(: p. 168-175.
5. From the English Wikipedia. Taken By 13:14, 28 Mär 2004 Stahlkocher.
6. Peñate, B. and L. García-Rodríguez, Energy  optimisation of existing SWRO(seawater reverse osmosis( plants with ERT (energy recovery turbines(: Technical and thermoeconomic assessment. Energy, 2011. 36(1(: p. 613-6267.
7. Eli Oklejas, I.M., and Kent Nielsen, Low cost incremental seawater plant capacity increase by coupling advanced pumping and RO technologies. Desalination,1995. 102: p. 189-197.
8. Pique, G.G., RO: New Device Shatters Seawater Conversion Conceptual Barriers. Features, 2000. 42(7(.
9. M. Hajeeh, a.A.A.-O., On performance measures of reverse osmosis plants. Desalination, 2002.
10. Aqualyng Low Energy Consumption Reverse Osmosis Seawater Desalination Plants Recuperator Energy Pressure Recovery. IDS Water.
11. ویکی پدیا فارسی
12. Schneider, B., Selection, operation and control of a work exchanger energy recovery system based on the Singapore project. Desalination, 2005. 184(1-3(: p. 197-210.
13. ERI, Doosan - ERI Technical Presentation. 2011.
14. Sanz, Miguel Angel WISA Membrane Technology Conference 2011.11- 14 September, 2011 –Umhlanga, South Africa.