基于CFD模擬的某煤礦礦井水膜濃縮單元工藝優(yōu)化與分析

毛維東，孫 邃，馬 賽，鄒 湘，郭中權(quán)，呂順之，肖 艷

(1.中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201；2.江蘇新宜中澳環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 宜興 214205)

0 引 言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭資源分布“西多東少、北富南貧”，與水資源“東多西少、南富北貧”的分布特點(diǎn)相反。西部煤炭資源豐富，占據(jù)全國煤炭資源總量的70%，但西部地區(qū)處于干旱—半干旱帶，水資源匱乏，地表植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱[1-2]。

高礦化度礦井水是指含鹽量大于1 000 mg/L的礦井水[3]。西北地區(qū)的礦井水以高礦化度礦井水為主，占比達(dá)50%以上[4]。隨著煤炭生產(chǎn)開發(fā)布局的優(yōu)化，國家能源供應(yīng)戰(zhàn)略西移[5]，高礦化度礦井水在全國煤礦礦井水的占比大幅度增加，成為制約西北煤礦發(fā)展最為突出的問題。

現(xiàn)有高礦化度礦井水除鹽工藝主要包括化學(xué)藥劑法、離子交換法、蒸餾法、電滲析法和反滲透法等[3, 6]，其中反滲透法在高礦化度礦井水處理中的應(yīng)用越來越廣[7-8]。但各大膜廠家提供的工藝設(shè)計(jì)軟件，包括ROSA、WAVE、WINFLOWS等，均是針對(duì)單級(jí)反滲透系統(tǒng)的苦咸水、海水處理需求，缺少針對(duì)多級(jí)膜系統(tǒng)的過程設(shè)計(jì)方法。在面對(duì)礦井水水質(zhì)的多變性以及無機(jī)鹽成分的復(fù)雜性時(shí)，現(xiàn)有反滲透系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，雖然出水水質(zhì)基本可以得到保證，但膜元件易堵塞、易結(jié)垢，更換頻繁，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高[9]。

為降低工程投入和運(yùn)行費(fèi)用，提高礦井水回收率，本文以某煤礦高礦化度礦井水零排放工程的多級(jí)反滲透系統(tǒng)為例，結(jié)合CFD模擬技術(shù)，對(duì)原有多級(jí)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行了工藝優(yōu)化。

1 工程概況

鄂爾多斯某煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，屬于缺水地區(qū)，水資源的缺乏直接影響了煤礦的正常經(jīng)營。根據(jù)環(huán)保部門要求，礦井水需全部回用于生產(chǎn)生活，實(shí)現(xiàn)零排放。該煤礦高礦化度礦井水零排放工程，設(shè)計(jì)處理能力為600 m3/h，工藝流程分為凈化處理、深度處理、濃縮處理和蒸發(fā)結(jié)晶4個(gè)單元。其中深度處理和濃縮處理單元采用了多級(jí)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行除鹽處理，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為600 m3/h，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 礦井水凈化處理、深度處理、濃縮處理工藝流程[8]Fig.1 The process flow of purification, advanced and concentration treatment for coal mine water[8]

整套脫鹽系統(tǒng)中包含的三個(gè)反滲透系統(tǒng)在圖1中以灰色框表示：其中一級(jí)膜濃縮的設(shè)計(jì)水回收率為75%；二級(jí)膜濃縮的設(shè)計(jì)水回收率為65%；三級(jí)膜濃縮的設(shè)計(jì)水回收率為60%。這其中一級(jí)、二級(jí)膜濃縮的膜組件均為海德能PROC10卷式膜元件。三級(jí)膜濃縮則采用德國ROCHEM水處理公司的DTRO膜片。

實(shí)際運(yùn)行過程中，多級(jí)反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)了進(jìn)水指標(biāo)超出原設(shè)計(jì)范圍的問題，如進(jìn)水濁度、鈣、鎂、TOC含量等，造成膜污染與結(jié)垢，影響系統(tǒng)運(yùn)行效果和膜原件壽命[10-11]。

2 CFD模擬礦井水多級(jí)反滲透處理系統(tǒng)

2.1 卷式RO膜元件模擬

反滲透膜過濾脫鹽過程的流體力學(xué)模擬涉及到溶質(zhì)(無機(jī)鹽)和溶劑(水)分別在進(jìn)水流道和產(chǎn)水流道的物料傳質(zhì)模擬。水流流動(dòng)的控制方程為不可壓縮流體的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程(納維—斯托克斯方程)。

無機(jī)鹽在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)通過物料守恒方程表示：

其中，Cj表示對(duì)應(yīng)無機(jī)鹽j的濃度，ui和xi分別代表沿著第i個(gè)坐標(biāo)方向的流速和距離，D為對(duì)應(yīng)無機(jī)鹽的擴(kuò)散系數(shù)，Ssj為溶質(zhì)的質(zhì)量源匯項(xiàng)。

卷式RO膜元件采用陶氏BW30-400，由10片長(zhǎng)2.05 m、寬0.9 m的膜頁卷制而成。濃水通道厚度為濃水網(wǎng)厚度，產(chǎn)水通道厚度由膜袋之間的清水網(wǎng)厚度決定[12]。運(yùn)行中，進(jìn)水從一側(cè)濃水通道進(jìn)入，濃水從另一側(cè)濃水通道出口排出，而產(chǎn)水從中心集水管中排出[13]。

單個(gè)膜袋與相鄰膜袋可以認(rèn)為是并聯(lián)運(yùn)行，有一定相互作用(共享同一濃水通道)，但獨(dú)立性更顯著，所以在模擬過程中采用幾何建模軟件ANSYS DesignModeler對(duì)單膜片、單濃水通道進(jìn)行建模，如圖2所示，采用ANSYS CFX 19.1自配的Meshing模塊對(duì)模擬幾何結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，其中，邊界層網(wǎng)格設(shè)置5層與膜片平行的六面體網(wǎng)格，第一層厚度設(shè)置為0.02 mm，逐層增長(zhǎng)率為1.5倍，來精確模擬邊界層無機(jī)鹽成分的濃差極化現(xiàn)象。其余區(qū)域采用平均網(wǎng)格尺寸為0.05 mm的四面體網(wǎng)格建模，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試后，總網(wǎng)格數(shù)近1 300萬。

圖2 卷式反滲透單進(jìn)水流道模型Fig.2 The single inlet model for a spiral woundRO element

膜元件設(shè)計(jì)進(jìn)水8.6 t/h，對(duì)應(yīng)進(jìn)水流道內(nèi)平均雷諾數(shù)Re為2 600，水流處于層流紊流過渡區(qū)，適用不完全紊流的k-ω紊流模型模擬。濃水網(wǎng)表面設(shè)置為無滑移邊界條件。采用高精度中心差分法解穩(wěn)態(tài)水流控制方程，所有模擬流速、壓強(qiáng)收斂于10-4，無機(jī)鹽濃度收斂于10-6，其他采用默認(rèn)值。

卷式RO元件內(nèi)復(fù)合無機(jī)鹽濃度沿軸向分布如圖3所示，在卷式RO膜元件運(yùn)行過程中，復(fù)合無機(jī)鹽濃度沿軸向逐漸增高，在濃水通道靠近膜面附近，出現(xiàn)明顯的濃差極化現(xiàn)象。

2.2 DTRO膜元件模擬

對(duì)DTRO的導(dǎo)流盤進(jìn)行3D掃描，得到導(dǎo)流盤的尺寸及突起結(jié)構(gòu)的排列分布位置，導(dǎo)流盤半徑為96 mm，突起形狀為1.5 mm的半球體，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流盤結(jié)構(gòu)組成及剖面圖顯示Fig.4 Composition of DTRO and display of cutaway view

DTRO導(dǎo)流盤具有對(duì)稱性，對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)稱簡(jiǎn)化后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分步驟與卷式反滲透膜方法一致，經(jīng)過獨(dú)立性驗(yàn)證后網(wǎng)格總數(shù)1 050萬。進(jìn)口設(shè)計(jì)為流體速度進(jìn)口，進(jìn)口速度設(shè)置為0.1 m/s；出口設(shè)計(jì)為壓力出口，壓力出口設(shè)置為80 bar。膜片過膜通量與無機(jī)鹽通量設(shè)置方法與上述研究卷式反滲透膜設(shè)置一致。

圖5 DTRO流速分布云圖Fig.5 Distribution of velocity in the partial DTRO element

經(jīng)過CFD模擬，得到DTRO流速分布云圖(如圖5所示)和DTRO鹽度分布云圖(如圖6所示)。通過DTRO內(nèi)部的流速分布云圖及鹽濃度分布云圖，可以看出，由于導(dǎo)流盤上存在圓柱凸起，在其后方產(chǎn)生“卡門渦街”，增強(qiáng)了流體的湍流動(dòng)能，其自清洗效果優(yōu)異，減少了膜污染，降低了濃差極化現(xiàn)象。

圖6 DTRO鹽度分布云圖Fig.6 Distribution of salinity in the partial DTRO element

通過DTRO整體內(nèi)的鹽度分布云圖(圖7)，我們可以看出，高鹽度主要出現(xiàn)在膜片中心附近，分布較為均勻，無明顯的濃差極化現(xiàn)象產(chǎn)生；從污染物的分布云圖(圖8)觀測(cè)到，導(dǎo)流盤突起附近出現(xiàn)了明顯的污染物堆積，與實(shí)際的污染膜情況基本一致。

圖7 整體鹽度分布云圖Fig.7 Distribution of salinity in the whole DTRO element

3 工藝優(yōu)化

鄂爾多斯某煤礦高礦化度礦井水零排放工程中的三級(jí)膜濃縮單元采用了多級(jí)耦合膜濃縮系統(tǒng)進(jìn)行除鹽處理，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為600 m3/h。

一級(jí)膜濃縮采用苦咸水反滲透膜單元(BWRO)，該套脫鹽系統(tǒng)中的BWRO單元采用兩段式設(shè)計(jì)，其中第一段包含18個(gè)并聯(lián)的膜組件，第二段包含9個(gè)并聯(lián)的膜組件，每個(gè)膜組件里包含6個(gè)膜元件PROC10，具體如圖9所示。優(yōu)化后，一級(jí)膜濃縮單元依然采用兩段式設(shè)計(jì)，其中第一段膜組件變?yōu)?7個(gè)并聯(lián)，第二段膜組件依然為9個(gè)并聯(lián)，每個(gè)膜組件里包含6個(gè)膜元件PROC10。

圖9 一級(jí)膜濃縮組件排布Fig.9 The arrangement of the first stage RO membrane elements

二級(jí)膜濃縮處理采用苦咸水反滲透膜單元(BWRO)，三級(jí)膜濃縮采用碟管式反滲透膜單元(DTRO)。BWRO單元也采用兩段式設(shè)計(jì)，其中第一段包含6個(gè)并聯(lián)的膜組件，第二段包含3個(gè)并聯(lián)的膜組件，每個(gè)膜組件里包含6個(gè)膜元件PROC10，具體如圖10所示。DTRO單元包含多個(gè)互相疊加的圓環(huán)形膜片，如圖11所示。

優(yōu)化后，二級(jí)膜濃縮單元也依然采用兩段式設(shè)計(jì)，其中第一段膜組件變?yōu)?個(gè)并聯(lián)，第二段膜組件依然為3個(gè)并聯(lián)，每個(gè)膜組件里包含6個(gè)膜元件。DTRO單元不變。

4 技術(shù)性分析

通過計(jì)算流體力學(xué)分別模擬原始方案與優(yōu)化方案，從而得到膜內(nèi)離子污染分布，進(jìn)而分析工藝優(yōu)化前后進(jìn)水條件的差異，如表1所示。由表1可以看出，優(yōu)化方案與原始方案相比，優(yōu)化方案進(jìn)口壓力比原始方案進(jìn)口壓力大約增加0.136 MPa，優(yōu)化方案進(jìn)水流量比原始方案進(jìn)水流量增加0.49 m3/h。

原始方案和優(yōu)化方案多級(jí)反滲透系統(tǒng)(第一段BWRO)中Ca2+整體的運(yùn)行表現(xiàn)如圖12所示，從圖中可以看出膜元件內(nèi)的Ca2+濃度沿程逐漸增高，比較優(yōu)化方案與原始方案，膜元件內(nèi)Ca2+濃度沿程分布基本沒有差別并且Ca2+都在進(jìn)口處發(fā)生沉積。

圖12 優(yōu)化方案與原始方案第一級(jí)第一段膜內(nèi)Ca2+分布Fig.12 The Ca2+ distribution in the first section membrane element of the first stage for both optimized and original schemes

圖13 優(yōu)化方案與原始方案第一級(jí)第一段膜內(nèi)分布Fig.13 The distribution in the first section membrane element of the first stage for both optimized and original schemes

原始方案和優(yōu)化方案多級(jí)反滲透系統(tǒng)(第一段BWRO)中Mg2+整體的運(yùn)行表現(xiàn)如圖14所示，從圖中可以看出膜元件內(nèi)的Mg2+濃度沿程逐漸增高，比較優(yōu)化方案與原始方案，膜元件內(nèi)Mg2+濃度沿程分布基本沒有差別并且Mg2+在整個(gè)過程中不發(fā)生沉積。

圖14 優(yōu)化方案與原始方案第一級(jí)第一段膜內(nèi)Mg2+分布Fig.14 The Mg2+ distribution in the first section membrane element of the first stage for both optimized and original schemes

原始方案和優(yōu)化方案多級(jí)反滲透系統(tǒng)(第一段BWRO)中Na+整體的運(yùn)行表現(xiàn)如圖15所示，從圖中可以看出膜元件內(nèi)的Na+濃度沿程逐漸增高，比較優(yōu)化方案與原始方案，膜元件內(nèi)Na+濃度沿程分布基本沒有差別并且Na+在整個(gè)過程中不發(fā)生沉積。

圖15 優(yōu)化方案與原始方案第一級(jí)第一段膜內(nèi)Na+分布Fig.15 The Na+ distribution in the first section membrane element of the first stage for both optimized and original schemes

圖16 優(yōu)化方案與原始方案第一級(jí)第一段膜內(nèi)分布Fig.16 The distribution in the first section membrane element of the first stage for both optimized and original schemes

綜上所述，優(yōu)化方案多級(jí)反滲透系統(tǒng)膜內(nèi)離子污染分布與原始方案基本保持一致，由此可以得出結(jié)論：優(yōu)化方案與原始方案之間投入阻垢劑用量基本保持一致。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

本次工藝優(yōu)化對(duì)一級(jí)膜濃縮單元、二級(jí)膜濃縮單元進(jìn)行了優(yōu)化，三級(jí)膜濃縮單元維持原設(shè)計(jì)不變，對(duì)一級(jí)膜濃縮單元及二級(jí)膜濃縮單元進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比。

如表2所示，某煤礦礦井水多級(jí)膜濃縮單元處理規(guī)模為600 m3/h，優(yōu)化后多級(jí)反滲透脫鹽系統(tǒng)的回收率由96.5%提高到97%，由于回收率的提高，最終濃水量由21 m3/h下降到18 m3/h；整個(gè)系統(tǒng)一級(jí)膜濃縮和二級(jí)膜濃縮的元件數(shù)量從216支下降到204支，減少了12支，約占原始系統(tǒng)的5%，按照平均膜價(jià)4 000元/支計(jì)算，由于優(yōu)化方案減少了12支膜，所以初始膜投入也相應(yīng)減少48 000元。優(yōu)化后的電力消耗僅比原始方案多了0.02 kW·h/m3。

表2 優(yōu)化方案與原始方案主要參數(shù)對(duì)比

如表3所示，按照該煤礦總處理量為600 t/h，電價(jià)為0.86元/(kW·h)計(jì)算，優(yōu)化方案比原始方案每小時(shí)需要多投入10.32元，優(yōu)化方案的噸水電力消耗高0.017元/m3。在蒸發(fā)結(jié)晶處理費(fèi)用上，按照成本79.09元/t濃水計(jì)算[8]，優(yōu)化方案比原始方案要節(jié)省237.27元/h的投入，優(yōu)化方案的噸水蒸發(fā)結(jié)晶成本低0.395元/m3。此時(shí)，與蒸發(fā)結(jié)晶處理節(jié)省的費(fèi)用相比，電力所增加的投入可以忽略不計(jì)。

表3 優(yōu)化方案與原始方案主要投入對(duì)比

6 結(jié) 論

(1)CFD技術(shù)可以有效模擬卷式RO膜元件和DTRO膜元件的工作狀態(tài)，指導(dǎo)膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)。

(2)與原始方案相比，優(yōu)化方案的多級(jí)反滲透系統(tǒng)膜內(nèi)離子污染分布基本同原來一致，所以阻垢劑用量也不變，藥劑費(fèi)沒有增加。

(3)優(yōu)化后，BWRO單元和SWRO單元各減少6支膜，整個(gè)多級(jí)反滲透系統(tǒng)從216支下降到204支，減少了12支(約5%)，膜元件投資降低5%左右。

(4)與原始方案相比，礦井水回收率由96.5%增加到97%，噸水電力消耗升高了0.017元/m3，但噸水蒸發(fā)結(jié)晶費(fèi)用降低了0.395元/m3，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用0.378元/m3，經(jīng)濟(jì)效益明顯。