PX能量回收裝置在納濾精制鹵水中的應用分析

潘玉強1，寧尚海1，吳 奇1，趙光年，陳硯祥

(1.山東海化股份有限公司純堿廠，山東 濰坊 262737；2.山東海化集團有限公司，山東 濰坊 262737)

近年來山東海化股份有限公司純堿廠利用納濾技術處理地下鹵水，實現地下鹵水中鈣、鎂、硫酸根與氯化鈉的分離，被納濾膜截留了大部分硫酸根、鈣、鎂離子的精制鹵水代替海水直接用于純堿廠生產化鹽，為企業降本增效起到了有益的促進作用[1]。

在納濾精制鹵水系統中納濾膜的工作壓力為2.5～3.8 MPa，從裝置中排出的濃水壓力高達2.3～3.6 MPa，這部分濃水如直接排放將會造成較大的能量損失。本文根據PX能量回收裝置在一期日產10 000 m3精制鹵水工業化裝置中應用實踐，分析其運行情況及對系統能耗降低的效果。

1 PX能量回收裝置介紹[2-4]

PX能量回收裝置是美國ERI公司(Energy Recovery,Inc.)的專利產品，其中PX壓力交換器(以下簡稱“PX”)作為等壓能量回收設備是當今用于膜法海水淡化等技術的最有效的能耗降低解決方案，在業內已被廣泛用于世界各地的各種大型和小型的海水淡化項目。PX設備只有一個活動組件，其核心部件轉子由高純度的氧化鋁陶瓷制成，極其耐腐蝕，其硬度是不銹鋼的三倍，這種設計的簡單性和模塊化可以實現最佳的可擴展性。PX能從海水反滲透淡化過程的高壓濃鹽水中獲取液壓能量，并將這種能量傳遞給低壓給水，峰值效率可達98%以上，由于PX本身不消耗電力，所以海水反滲透過程的整體能量消耗大大降低。

PX通過將高壓濃水水流的壓力傳遞給低壓新鮮水流，這兩股水流在轉子的通道中直接接觸，從而完成壓力交換。轉子裝在一個間隙尺寸精確的陶瓷套中，該陶瓷套位于2個陶瓷端蓋之間，當高壓水注入時，可形成一個幾乎無摩擦的水力軸承，在水力軸承里旋轉的轉子是PX裝置中唯一的運動部件。

在任意時刻，轉子內通道的一半處于高壓水流中，而另一半則處在低壓水流中。轉子轉動時，通道會通過一個將高壓和低壓隔離的密封區，這些含有高壓水的通道與相鄰的含有低壓水的通道被轉子通道間的隔斷和陶瓷端蓋形成的密封區隔離。

PX使高壓水流與低壓水流直接短暫地接觸，從而使壓力從高壓流傳向低壓流，壓力的傳遞是在多個轉子通道內實現的。在任一時刻，半數轉子通道暴露給高壓流，半數轉子通道暴露給低壓流。當轉子轉動時，各通道通過分開高、低壓的密封區。PX陶瓷部件示意圖如圖1所示。

以反滲透海水淡化系統為例介紹PX陶瓷部件工作流程。由海水供水泵供應的海水流進區左側的通道，這一流動把濃鹽水從通道的右側排出。當轉子轉過密封區之后，高壓濃鹽水從通道右側流入，給海水加壓。加壓的海水從左側流出，并流入循環泵。轉子每轉一周，轉子的每一通道都重復這一壓力交換過程。這樣，整個轉子上的通道在連續地充水和排水。轉子的轉速為1 200 rpm，每1/20 s轉一周。

圖1 通過PX裝置的水流路徑圖

2 PX能量回收裝置在納濾精制鹵水中的應用

2.1 PX工藝的選擇

在納濾精制鹵水系統的核心納濾工藝中，有、無PX工藝對比如下。

圖2 無PX工藝

為了更好的對比有、無PX工藝的節能情況，圖2中進納濾膜組件的高壓泵為2臺同型號高壓泵。在我車間單套納濾系統中如采用圖2無PX工藝，則納濾高壓系統需要2臺高壓泵(1臺250 kW)，電機總功率500 kW。如采用圖3有PX工藝，則需要1臺高壓泵(250 kW)、1臺循環泵(55 kW)，電機總功率305 kW，僅從電機功率來看可降低39%。由此分析選擇有PX能量回收工藝，在納濾系統節能降耗上具有重要意義。

2.2 納濾精制鹵水中PX的運行控制流程

我車間單套納濾系統設置3臺PX-260壓力交換器，單臺處理能力為41～59 m3/h。參照圖3以及圖4詳細介紹PX在鹵水納濾過程中的運行流程。

圖3 有PX工藝

圖4 PX在NF系統的典型水流過程圖

超濾后鹵水經給水泵升壓后進入保安過濾器后分成兩部分，一部分直接進入高壓泵，進入納濾膜組件，其納濾膜進膜壓力要達到2.5～3.8 MPa，納濾濃水壓力高達2.3～3.6 MPa。另一部分超濾后鹵水進入PX直接與高壓濃鹽水傳遞壓力，經能量回收裝置提升壓力的鹵水，壓力尚低于納濾膜所須的進水壓力，再經循環泵升壓后進入納濾膜組件。

以圖4表示PX在NF系統流動路徑。鹵水納濾膜排出的濃鹽水(G)流過PX，以90%以上的效率把壓力直接傳遞給流入的原始鹵水的一部分。這一加壓的鹵水流(D)與NF膜排出流體的流量和壓力均接近。當這一加壓鹵水流通過循環泵時，其壓力提高，用以克服PX、納濾膜和相關管道的摩擦壓降，驅動高壓流(G和D)流過PX。加壓的鹵水與流經高壓泵的鹵水匯合為納濾系統進水流。

在圖4所示的系統中，需要循環泵對來自PX的鹵水加壓，然后，再與納濾膜的高壓給水混合。加壓用于補償納濾膜、PX及相連管路的摩擦壓降。由于循環泵控制著通過PX的高壓流量，所以，循環泵的流量和壓力必須通過變頻驅動控制。

鹵水納濾系統中壓力能量回收器PX的運行和控制可以理解為兩個平行的管路：一個是高壓水，另一個是在反方向流動的低壓水。轉子以一定體積的濃鹽水交換等體積的鹵水。參看圖4：高壓水在納濾膜、PX、循環泵，再回到納濾膜(F→G→D→E)的回路中流動，其流量由循環泵控制。低壓水從鹵水給水泵，流過PX到系統的排水(A→B→H)，其流量由鹵水給水泵和從PX(H)排鹽水的控制閥進行控制。由于高壓和低壓流動是彼此獨立的，所以，NF-PX設備必須設計成能監測和控制這兩個水流的流量。

對于鹵水供水的流量和壓力控制必須加以考慮。如上所述，在PX排鹽水管路上的控制閥控制流過PX的低壓水流。這一閥門設定后，供給鹵水壓力改變，則通過PX的低壓水流相應改變。只要不超過PX的最大容許給水流量，PX 會自動調節適應小的壓力和流量變化。但是大的給水壓力變化會造成流量峰值，使PX流量過載而損壞。

2.3 納濾精制鹵水中PX壓力回收效率計算

某典型工況中，原鹵水壓力0.53 MPa，一部分直接利用高壓泵提壓到3.2 MPa進入納濾系統，通過使用PX壓力交換式能量回收裝置，使納濾濃水的排放壓力由3.0 MPa降低至0.5 MPa，同時使另一部分原鹵水由0.53 MPa提升到2.94 MPa，該部分原鹵水再利用增壓泵提壓到3.2 MPa進入納濾系統。

回收的能量用于原料鹵水的加壓，可以提高相同流量鹵水的壓力，根據壓力的提高計算能量的回收利用率如下：

由以上計算可知，本系統中采用的PX能量回收裝置與納濾精制鹵水系統耦合運行后的能量回收率高達96.4%，充分驗證了PX能量回收裝置產品在納濾系統中運行的可行性及高效性。

2.4 納濾精制鹵水中PX運行注意事項

為了確保PX系統安全運行和長使用壽命，必須遵守一些基本運行規則和注意事項。

1)首先PX的運行不允許超出規定的流量及壓力限值運行，超出流量限制極易造成轉子“流體穿透”現象，即轉子轉速與通道內循環交換不匹配，造成高壓濃水進入高壓進水端，低壓進水進入低壓濃水端，輕微事故造成納濾進水壓力升高，納濾產水水質下降，嚴重可造成系統停機。

2)其次，PX最易出現的故障就是PX轉子卡住，造成卡住主要原因如下：

①生物污染，生物滋生能引起轉子起動時卡死，在 PX 長期停用期間，為防止生物滋生，必須進行淡水沖洗；

②給水中或濃水中的顆粒，這就要求供給PX的鹵水必須過濾到5 μm或更小；

③諸如鹽類沉淀物，管路和附件的安裝必須能在清洗納濾膜時，使PX與膜排出水隔離，否則，可能使大于5 μm直徑的顆粒進入PX；

④單個轉子卡住可造成單個PX的“流體穿透”。

3)其他情況：

PX容器支承(端蓋)包括互鎖限位裝置，必須保持干燥，無腐蝕，否則，會導致PX的機械故障。

在進行管路或其它鹵水納濾系統部件水靜壓試驗時，必須從納濾系統中卸下PX，不得對PX進行水靜壓試驗。

PX循環泵未運行時，禁止運行高壓泵，否則，會導致PX的機械故障。

3 結論及建議

1)通過PX能量回收裝置在納濾精制鹵水中實踐應用，發現PX在與納濾精制鹵水系統耦合運行后的能量回收率高達96.4%，可使納濾高壓系統裝機功率下降39%，節能降耗效果顯著，同時充分驗證了PX能量回收裝置在納濾精制鹵水系統中運行的可行性及高效性。

2)PX作為能量回收的核心設備，其安全穩定運行需要嚴格控制相關參數，同時需針對鹵水的復雜情況，加強對PX裝置的維護，避免出現“流體穿透”及轉子機械損壞現象。