Việc tính toán bề mặt màng cần thiết cho một nhiệm vụ phân riêng cũng đã trình bày ở nhiều tài liệu, kể cả cho quá trình thẩm thấu ngược[16],[18].
Nhu cầu về công suất và tiêu hao năng lượng cho quá trình thẩm thấu ngược cũng có thể ước tính dễ dàng. Với những hệ thống thiết bị xử lý nước biển cỡ lớn, chẳng hạn công suất được tính:
Trang 72
̇ ̇ (3.14)
Vì hiệu suất là tương đối thấp và năng lượng thu hồi qua tuabin giảm áp suất và không có bơm tuần hoàn bên trong. Nếu như = và hiệu suất: ̇̇ thì nhu cầu năng lượng riêng:
̇
(3.15)
Trường hợp thiết bị không có bộ phận thu hồi năng lượng thì sẽ không có số hạn thứ 2 trong dấu ngoặc. Khi bỏ qua tổn thất do ma sát, quan hệ giữa nhu cầu năng lượng riêng của thiết bị có và không thu hồi năng lượng chỉ còn là một quan hệ đơn giản [16].
(3.16)
Phương trình cho thấy tại sao ở các thiết bị xử lý nước biển chỉ làm việc với hiệu suất = 30% và = 50% khi có trang bị tuabin thu hồi năng lượng, còn với thiết bị xử lý nước mặn, làm việc với hiệu suất = 70%, nhưng không hoàn toàn nhất thiết. Tất nhiên việc cuối cùng cũng phải theo đó là tính kinh tế của quá trình, xem thử việc trang bị tuabin thu hồi năng lượng có lợi hay không? Trong đó có thể sử dụng kết hợp tuabin và bơm nhỏ, như vẫn thường dùng ở các thiết bị xử lý nước. Sự kết hợp tuabin với bơm cũng lắp ráp tương tự như bộ thu hồi năng lượng khí thải ô tô, chuyển hóa năng lượng cơ học thành điện năng. Một thế hệ mới của thiết bị thu hồi năng lượng là chuyển năng lượng từ dòng còn lại (Retentat) trực tiếp vào dòng cấp. Ở đây tránh được mất mát do chuyển đổi.
Hiệu suất nước tối ưu khi khử muối của nước biển
Ở đây trình bày quan hệ về nhu cầu tiêu hao năng lượng riêng của thiết bị thẩm thấu ngược 1 bậc có tuabin dẫn áp và không có bơm, vấn đề đặt ra là: Liệu về phương diện nhu cầu năng lượng, có tồn tại một giá trị tối ưu đối với hiệu suất nước hay không?
Trang 73
Chú ý rằng độ tăng áp suất PF bơm cao áp phải đủ lớn, sao cho ở cuối thiết bị là tại vùng dòng còn lại tập trung phải còn tồn tại một động lực quá trình đủ dương thì: PF > w
Nghĩa là: (3.17)
PF = k.b ( ) ~ kbWR ( với k>1) và với
(3.18)
Như là định nghĩa khả năng giữ lại của toàn thiết bị và với phương trình cân bằng chất kiểu tích phân [14],[13]: WF - WR = ( -WR) (3.19) (3.20) Từ phương trình ( 3.15) ( ) (3.21) a/ Trường hợp thứ nhất:
T = 0 ( không có thu hồi năng lượng) Trong trường hợp này, từ:
(3.22)
Không phụ thuộc vào hệ số hiệu dụng của bơm cao áp p:
(3.23)
Nghĩa là với Rtot ~ 1 thì hiệu suất opt,1 ~ 0,5
b/ Trường hợp thứ 2: p, T ≠ 0
và trong trường hợp này opt,2 =
(3.24)
Chẳng hạn khi hệ số hiệu dụng của tuabin thu hồi năng lượng T và của bơm cao áp p như nhau và T =p = 0,8 Và Rtot ~ 1; Thì opt,2 ~ 0,375
Khi sử dụng các thiết bị trao đổi áp lực loại mới cũng tồn tại một giá trị cực tiểu về năng lượng. Giá trị cực tiểu đó xuất phát khi giảm hiệu suất của hàm lượng muối ở phía đầu ra của thiết bị thì khi ấy có thể đặt một mức áp suất thấp hơn. Ở phía khác, một hiệu suất nhỏ hơn sẽ dẫn đến tăng tổn thất áp lực trong các modul màng và trong thiết bị trao đổi áp lực.
Trang 74
PHẦN THỨ II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THIẾT BỊ XỬ LÝ NƯỚC BẰNG KỸ
THUẬT THẨM THẤU NGƯỢC
4.1 Mở đầu:
Nước là nguyên liệu công nghiệp chủ yếu trong nhà máy nhiệt điện để sản xuất hơi nước. Nước sau khi vào lò hơi, hấp thu nhiệt năng, chuyển thành hơi nước. Hơi nước sinh ra trong lò hơi, đi qua bộ quá nhiệt để nâng cao nhiệt độ và được dẫn vào tuabin. Tại đây thực hiện việc chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng. Máy phát điện chuyển đổi cơ năng thành điện năng và cấp đến lưới điện.
Vì vậy lò hơi và tuabin là thiết bị và là quan trọng nhất của nhà máy nhiệt điện. Để bảo đảm thiết bị vận hành bình thường an toàn và bền lâu, yêu cầu của chất lượng nước dùng cho lò hơi rất chặt chẽ. Tham số lò hơi của tổ máy càng cao, yêu cầu chất lượng nước phải nghiêm ngặt.
Chất lượng nước trong hệ thống nhiệt là một nhân tố trọng yếu để đảm bảo vận hành an toàn, kinh tế của các thiết bị nhiệt trong nhà máy nhiệt điện (như lò hơi, tuabin). Để bảo đảm trong hệ thống nhiệt có chất nước tốt, phải xử lý hóa sạch , khử tạp chất và theo dõi chặt chẽ chất lượng nước, không được đưa nước kém chất lượng hoặc nước chưa qua xử lý vào hệ thống tuần hoàn nước trong nhà máy. Chất lượng nước cấp cho Nhà máy điện phài đạt các chỉ tiêu sau:
Bảng 4.1: Thông số nước đầu vào của lò hơi
Chỉ tiêu nước cấp cho lò Giá trị
Độ dẫn điện < 0,2 S/cm
Tổng độ cứng < 0,05 ppm
Silica < 20 ppb
Trang 75
4.2.Nghiên cứu và tính toán hệ thống thiết bị công nghệ làm sạch nước cấp nhà máy điện Nhơn Trạch:
4.2.1.Nguồn nước và chất lượng nước:
Nước được cấp vào hệ thống thiết bị công nghệ làm sạch nước của nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch từ nhà máy nước của thành phố. Chất lượng nước được đánh giá thông qua các chỉ tiêu sau:
1/ Độ dẫn điện 2/ pH
3/ Độ cứng tổng cộng
4/ Hàm lượng Silica (qui đổi theo SiO2 )
Trong quá trình hoàn thành luận văn, đã nghiên cứu và phân tích các mẫu nước ở những vị trí quy định của hệ thống công nghệ dùng nước trong Nhà máy, trong khoảng thời gian từ ngày 30-3-2012 đến 10-7-2012 (4 tháng). Tần suất lấy mẫu là 02mẫu/24h (ngày) và các mẫu được xác định các chỉ tiêu kể trên.
1)Xác định độ dẫn điện:
Độ dẫn điện của các mẫu nước được đo trên máy TOA (Digital Electric Conductivity Meter CM – 30V) được sản xuất tại Nhật Bản(đặc tính kỹ thuật):
Khoảng đo lường 0 – 199.9 S/m (0 – 1.999 MΩ.m)
Phương pháp đo lường Điện cực 2 cực AC, sử dụng bộ khuếch đại.
Bù nhiệt độ 0 – 100oC (Tự động /bằng tay)
Độ lặp lại ± 0.5% F.S.
Hiển thị Hiển thị số, nhiệt độ
Tần suất lấy mẫu đã đo trong 1 ngày (24h) như quy định (2mẫu/24h). Giá trị độ dẫn điện trung bình trong khoảng thời gian đã nghiên cứu (4 tháng) là:
+ Nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) LS = 150.75 S/cm
Trang 76
2) Xác định pH:
pH của các mẫu nước được đo trên máy TOA (DIGITAL pH METER SERIES HM – 30V)được sản xuất tại Nhật Bản (đặc tính kỹ thuật):
Khoảng đo lường
pH 0 - 14pH Độ phân giải 0.01pH mV 0 - ± 1,999mV Độ phân giải 1mV Độ lặp lại pH ± 0.01pH ± 1 số mV ± 1mV ± 1 số Nhiệt độ ± 0.1oC ± 1 số
Khoảng bù nhiệt độ 0 - 100oC (Tự động hoặc bằng tay) Hiển thị Số pH/mV, nhiệt độ
Tần suất lấy mẫu đã đo trong 1 ngày (24h) như quy định (2mẫu/24h). Giá trị pH trung bình trong khoảng thời gian đã nghiên cứu (4 tháng) là:
+ Nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) pH = 6,9
+ Nước ra hệ thống RO pH = 6,6
3) Xác định độ cứng tổng cộng:
Độ cứng tổng cộng được tính bằng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ có mặt
trong nước và được xác định trên thiết bị máy đo quang phổ (HACH DR/4000V)
của USA (tại bước sóng 669 nm) với đặc tính kỹ thuật như sau:
Loại máy Máy đo quang phổ khả kiến
Hiển thị Số
Trang 77
Lựa chọn bước sóng Tự động Độ chính xác bước sóng ± 1 nm Độ phân giải bước sóng 0.1nm Cân chỉnh bước sóng Tự động với Tốc độ xoay bước sóng 15,000nm/phút Tốc độ quét 20nm/phút tại các bước 0.1nm 40nm/phút tại các bước 0.2nm 100nm/phút tại các bước 0.5nm 200nm/phút tại các bước 1.0nm 400nm/phút tại các bước 2.0nm Đèn nguồn Tungsten
Khoảng đo quang phổ 0- 3ABS, 0.1 – 100%, -3.0 – 3.0ABS, 0.1 – 200% có liên quan)
Độ sản sinh đo quang phổ ± 0.001ABS tại 1ABS, 546.1nm (modul Cell đơn) Độ lặp lại đo quang phổ ± 0.002ABS tại 1ABS, 546.1nm (modul Cell xoay vòng), tất cả các chế độ cài đặt, dùng các Cell mẫu
đối xứng nhau
Độ tuyến tính đo quang phổ ± 0.002ABS tại 1ABS, 546.1nm
Tần suất lấy mẫu trong 1 ngày (24h) như quy định (2mẫu/24h). Giá trị trung bình của độ cứng tổng cộng trong vòng 4 tháng (10/3/2012 – 10/7/2012) đã thu được các giá trị như sau:
+ Nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) 30 ppm
+ Nước ra hệ thống RO 0,8 ppm
4) Xác định hàm lượng silica:
Hàm lượng silica được xác định trên thiết bị máy đo quang phổ (HACH DR/4000V) của USA (tại bước sóng 815nm ), tần suất lấy mẫu đã đo trong 1 ngày
Trang 78
(24h) như quy định (2mẫu/24h). Giá trị trung bình trong vòng 4 tháng (10/3/2012 – 10/7/2012) và đã thu được các giá trị như sau:
+ Nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) 34 ppm
+ Nước ra hệ thống RO 4,1 ppm
Kết quả thực nghiệm xác định các chỉ tiêu chất lượng nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) và nước ra khỏi hệ thống RO được tổng kết các bảng sau ( bảng 4-2)
Bảng 4-2: Kết quả xác định các chỉ tiêu chất lượng nước (giá trị trung bình trong khoảng thời gian 10/3-10/7/2012)
Khu vực Chỉ tiêu chất lượng Giới hạn cho phép Kết quả đo được Ghi chú Nước nguồn (cấp cho hệ thống RO) pH Độ cứng tổng Độ dẫn điện Hàm lượng muối SiO2 6,0 8,5 < 50 ppm < 160S/cm < 107, 2 ppm < 50 ppm 6,9 30 ppm 150.75 S/cm 100,5ppm 34 ppm Nước ra khỏi hệ thống RO pH Độ cứng tổng Độ dẫn điện Hàm lượng muối SiO2 6,5 7,5 < 3 ppm < 10 S/cm < 6.7 ppm < 20 ppb 6,6 0,8 ppm 3.015 S/cm 2,01 ppm 4,1 ppb
4.2.2.Mô tả hệ thống công nghệ làm sạch nước cấp nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch:
Hệ thống công nghệ xử lý nước cấp của nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch có thể được mô tả bằng sơ đồ vắn tắt sau (hình 4.1)
Trang 79
1/ Nguồn nước
2/ Xử lý hóa chất PAC (đông tụ…) 3/ Thiết bị tách lọc
4 / Bể chứa 5/ Bơm cao áp
6/ Hệ thống thiết bi thẩm thấu ngược (RO). 7/ Thiết bị trao đổi ion.
8/ Nước cấp đến hệ thống lò hơi.
4.2.2.1. Hệ thống công nghệ tiền xử lý (lọc trong):
Hệ thống thiết bị công nghệ lọc trong nước cấp trước khi đưa vào hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược được trình bày ở hình 4-1. Công nghệ tiền xử lý nước cấp nhằm loại trừ triệt để các phân tử chất rắn lơ lửng trong nước nguồn bằng kỹ thuật đông tụ được xử dụng là PAC (Poly Aluminium Chloride) với hàm lượng là: (6.5- 8.5 ppm ). Quá trình đông tụ có thể kết tủa các phần tử keo và cũng kết tủa cả các ion gây ra độ cứng.
Kỹ thuật lọc được sử dụng ở đây là lọc bể sâu,với 03 lớp lọc liên tiếp: Lớp sỏi nhỏ 40cm, lớp cát 60 cm và lớp than Anthrazit (hạt) 100cm. Với chiều cao tổng cộng của lớp lọc là 200cm, có thể loại trừ tất cả các cặn rắn có mặt, đảm bảo cho hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược làm việc được an toàn: Chống bám bẩn (Fouling) và chống kết tinh Ca2+, Mg2+ (Scaling) lên bề mặt màng làm giảm năng suất và gây tắc màng. Nước sau tiền xử lý được bơm cao áp (∆P=12bar) đưa vào hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược.
4.2.2.2. Hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược (RO):
Hệ thống xử lý nước cấp cho nhà máy nhiệt điện Nhơn trạch nhằm cung cấp nước cho các nồi hơi và hệ thống thu hồi nhiệt. Cũng như tất cả các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện, nước cấp vào hệ thống phải là nước đủ mềm, trong và đạt các yêu cầu về kỹ thuật. Khác với kỹ thuật xử lý nước đã sử dụng ở các nhà máy nhiệt điện trước đây, ở nhà máy nhiệt điện Nhơn trạch xử lý nước cấp bằng công nghệ
Trang 80
thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis). Thiết bị nhập toàn bộ của công ty Nito DenKo
Company, Nhật Bản thiết kế, cung cấp thiết bị và chỉ đạo lắp đặt vận hành và có
cấu trúc như sau: (hình 4.2 và 4.3)
Hình 4.2: Sơ đồ lắp ghép RO
Rõ ràng nước được xử lý bằng thẩm thấu ngược một cấp, không có tuần hoàn và toàn bộ thiết bị bao gồm 7 modul dạng ống, mỗi modul được ghép bởi 06
Element ESPA2 (Hình 4.3) với bề mặt màng của mỗi Element là 37,1m2. Các
modul màng được lắp ghép với nhau theo cấu hình “cây thông” như trình bày ở hình 4.2. Hệ thống thiết bị đang được vận hành ổn định ở nhà máy với các thông số kỹ thuật ghi trong bảng 4.3.
Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược (RO) làm sạch nước cấp ở nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch.
TT Đại lượng Ký hiệu ĐV đo Giá trị Ghi chú
1 Năng suất thiết bị (theo dòng cấp) m F T/h 34
2 Năng suất thiết bi (theo sản phẩm) mp T/h 17
3 Số lượng dây chuyền thiết bị - - 2
4 Hệ số khai thác thiết bị f - 0,9
5 Hàm lượng muối trong dòng cấp WF ppm 100,5
6 Hàm lượng muối trong dòng sản phẩm Wp ppm 2,01
7 Hiệu suất - 0,50
8 Áp lực sau bơm ∆P bar 12,0
9 Áp lực trước hệ thống RO ∆PF bar 7,5
Trang 81
11 Công suất danh định của bơm Pdđ kW 22,0
12 Bề mặt màng tổng cộng Am m2 1558,2
13 Loại màng được sử dụng ESPA2 (1)
(1)Các số liệu và cấu hình cụ thể của Element như ở hình 4.3
4.3.Tính toán hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược làm sạch nước cấp của nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch:
4.3.1.Đặt vấn đề:
Như đã trình bày ở trên, hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược làm sạch nước ở nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch là hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược được lắp đặt vận hành đầu tiên ở nước ta và do công ty NITTO DENKO Nhật Bản thiết kế, cung cấp thiết bị toàn bộ, chỉ đạo thi công lắp đặt và vận hành.
Để góp phần vào sự hiểu biết và tính toán, thiết kế các hệ thống thiết bị phân riêng bằng màng- một lĩnh vực kỹ thuật công nghệ mới ở nước ta- công trình của luận văn này xuất phát từ các lý thuyết cơ bản của kỹ thuật công nghệ phân riêng bằng màng và các mô hình tính toán đã có trên thế giới, tính toán kiểm tra các thông số kỹ thuật của hệ thống nhằm tạo ra khả năng lựa chọn, đánh giá và khả năng ứng dụng các mô hình đã có trong tính toán, thiết kế và vận hành các hệ thống thiết bị thẩm thấu ngược đã và sẽ được lắp đặt vận hành của Việt Nam.
Với các thông số cơ bản của Element như sau: A=1016 mm, B=200 mm, C= 28,6 mm, khối lượng m=16,4 kg (Hình 4.3a )
Trang 82
Trang 83
Nhiệm vụ tính toán được đặt ra là:
1/ Tính toán áp suất (chênh lệch áp suất) cần thiết mà bơm phải tạo ra, đảm bảo động lực của quá trình phân riêng và các chế độ kỹ thuật công nghệ.
2/ Tính toán bề mặt màng cần thiết để đảm bảo năng suất nước sạch theo yêu cầu sản xuất (17 Tấn nước sạch/h với 34T nước nguyên liệu/h).
3/ Tính toán nhu cầu tiêu hao năng lượng.
4/ Tính nồng độ muối trung bình trong dòng đi qua (Permeat).
4.3.2.Cơ sở tính toán:
- Gọi bề mặt màng là Am (m2)
- Gọi dòng cấp tại một vị trí của màng là mF - Gọi dòng đi qua tương ứng là m p (kg/s)
- Gọi mật độ dòng đi qua tính trên một đơn vị diện tích bề mặt màng là Ta có phương trình cân bằng khối lượng của quá trình là [16],[18]