نوع مقاله: مقاله پژوهشی
نویسنده
کارشناس ارشد مهندسی محیط زیست دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات تهران *(مسئول مکاتبات).
چکیده
کلیدواژهها
فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 20، بهار 91
بازیافت انرژی درآب دریایخلیج فارس و خلیجگرگان به روش اسمزمعکوس
کلثوم نادری[1]*
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.
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)
(7صبحتا7شب( میانباری |
190 |
12ساعت |
(7شب تا11شب( اوجبار |
380 |
4ساعت |
(11شب تا7صبح( کمباری |
95 |
8ساعت |
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)
PX DEVICE ARRAY |
||
PX model |
PX-300 |
|
Number of PX units |
quantity |
23 |
PX unit flow |
m3/hr |
36 |
PX lubrication per array |
m3/hr |
20 |
PX lubrication flow |
% |
2 |
PX efficiency |
% |
94 |
PX mixing at membrane feed |
% |
2 |
Operating capacity |
% |
94 |
PX Power Savings |
kW |
1,922 |
Estimated CO2 Savings |
tons/year |
9,926 |
CIRCULATION / BOOSTER PUMP |
||
Pump efficiency |
% |
85 |
Motor efficiency |
% |
95 |
VFD efficiency |
% |
97 |
Power consumed |
kW |
84 |
INPUT DESCRIPTIONS |
INPUTS |
|
Permeate flow |
m3/day |
20,000 |
RO recovery rate |
% |
40 |
RO feed pressure |
bar |
75 |
Feedwater salinity |
mg/l |
45,000 |
PX SYSTEM POWER RESULTS |
||
Total power consumption |
kW |
2,318 |
Specific power consumption |
kWh/kgal |
6/10 |
Specific power consumption |
kWh/m3 |
63/2 |
HIGH PRESSURE PUMP |
||
Pump efficiency |
% |
85 |
Motor efficiency |
% |
95 |
Power consumed |
kW |
2,105 |
جدول 5- نتایج آنالیز آب خلیج فارس با توربین پلتون ( PX® Device versus Pelton Turbine Power Analysis)
DEVICE EFFICIENCIES |
|
MEMBRANE PARAMETERS |
||||||
Turbine efficiency |
% |
85 |
|
Recovery |
% |
40 |
||
HP Pump efficiency |
% |
88 |
|
Membrane differential |
bar |
2 |
||
HP Pump motor efficiency |
% |
96 |
|
|||||
Net transfer efficiency |
% |
74 |
|
PELTON SYSTEM POWER RESULTS |
||||
|
|
|
Total power consumption |
kW |
2,402 |
|||
POWER CALCULATIONS |
|
Specific power consumption |
kWh/m3 |
08/3 |
||||
Mechanical energy recovered |
kW |
1398 |
|
Specific power consumption |
kWh/kgal |
11 |
||
HP pump shaft power |
kW |
3,733 |
|
|
|
|
||
Motor shaft power |
kW |
2,306 |
|
PX VERSUS PELTON TURBINE SAVINGS |
||||
Motor electrical power |
kW |
2,402 |
|
Power saved with PX |
kWh/m3 |
25/0 |
||
Power saved with PX |
% |
9 |
||||||
|
جدول 6- نتایج آنالیز آب خلیج گرگان با مبدلفشار (PX® Energy Recovery Device System Analysis)
CIRCULATION / BOOSTER PUMP |
||
Pump efficiency |
% |
85 |
Motor efficiency |
% |
95 |
VFD efficiency |
% |
97 |
Power consumed |
kW |
84 |
INPUT DESCRIPTIONS |
INPUTS |
|
Permeate flow |
m3/day |
20,000 |
RO recovery rate |
% |
50 |
RO feed pressure |
bar |
38 |
Feed water salinity |
mg/l |
13000 |
PX SYSTEM POWER RESULTS |
||
Total power consumption |
kW |
1,097 |
Specific power consumption |
kWh/kgal |
5 |
Specific power consumption |
kWh/m3 |
32/1 |
PX DEVICE ARRAY |
||
PX model |
PX-300 |
|
Number of PX units |
quantity |
23 |
PX unit flow |
m3/hr |
36 |
PX lubrication per array |
m3/hr |
10 |
PX lubrication flow |
% |
2 |
PX efficiency |
% |
92 |
PX mixing at membrane feed |
% |
2 |
Operating capacity |
% |
94 |
PX Power Savings |
kW |
903 |
Estimated CO2 Savings |
tons/year |
4,665 |
HIGH PRESSURE PUMP |
||
Pump efficiency |
% |
85 |
Motor efficiency |
% |
95 |
Power consumed |
kW |
1,012 |
جدول 7- نتایج آنالیز آب خلیج گرگان با توربین پلتون ( PX® Device versus Pelton Turbine Power Analysis)
DEVICE EFFICIENCIES |
|
MEMBRANE PARAMETERS |
|||||||
Turbine efficiency |
% |
85 |
|
Recovery |
% |
50 |
|||
HP Pump efficiency |
% |
88 |
|
Membrane differential |
bar |
2.0 |
|||
HP Pump motor efficiency |
% |
96 |
|
|
|
|
|||
Net transfer efficiency |
% |
74 |
|
PELTON SYSTEM POWER RESULTS |
|||||
|
|
|
Total power consumption |
kW |
1,156 |
||||
POWER CALCULATIONS |
|
Specific power consumption |
kWh/m3 |
42/1 |
|||||
Mechanical energy recovered |
kW |
689 |
|
Specific power consumption |
kWh/kgal |
5 |
|||
HP pump shaft power |
kW |
1,798 |
|
|
|
|
|
||
Motor shaft power |
kW |
1,110 |
|
PX VERSUS PELTON TURBINE SAVINGS |
|||||
Motor electrical power |
kW |
1,156 |
|
Power saved with PX |
kWh/m3 |
07/0 |
|||
Power saved with PX |
% |
5 |
|||||||
|
|||||||||
جدول8- هزینه سالیانه مصرف انرژی دردو نمونه آب(میلیارد به ریال)
خلیج فارس
روش بازیافت و طراحی |
رزا |
توربو شارژ |
توربین پلتون |
مبدل فشار |
مبدل فشار |
انرژی مصرفی ویژه kWh/m3 |
1/6 |
38/3 |
08/3 |
63/2 |
71/2 |
هزینه سالیانه مصرفانرژی |
8,773 |
5,124 |
4,671 |
4,046 |
4,108 |
خلیج گرگان
روش بازیافت و طراحی |
رزا |
توربو شارژ |
توربین پلتون |
مبدل فشار |
مبدل فشار |
انرژی مصرفی ویژه kWh/m3 |
38/2 |
74/1 |
42/1 |
32/1 |
44/1 |
هزینه سالیانه مصرفانرژی |
3,616 |
2,739 |
2,256 |
2,111 |
2,269 |
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