用于高矿化度矿井水低碳化处理的RO-PRMD耦合系统的构建及模拟研究

来源：水处理技术杂志2025年第6期北京时间：

作者：李鹏1, 刘兆峰2,*, 武洋2, 李杰1, 郭强2, 李井峰2

单位：1.国家能源神东煤炭集团有限责任公司,陕西 神木 719315; 2.北京低碳清洁能源研究院,北京 102209

摘要：膜基浓缩技术已成为高矿化度矿井水零排放处理的主流技术之一,然而高浓缩倍率导致反渗透工段操作压力剧增,能耗陡升。本文以废热利用及脱盐低碳化为目标,首先在原有零排放工艺中引入压力延迟膜蒸馏（PRMD）热能-机械能转化单元,提出基于PRMD的膜集成耦合系统,将低品质废热（如地热尾热）转化为流体机械能,实现高矿化度矿井水的脱盐浓缩低碳化,从而进一步降低脱盐能耗。其次,在理想溶液体系下对微元尺度下的PRMD系统进行模拟研究,结果显示,在设定的各变量范围内,微元渗透通量随温差的增大而增大,随进料流量的增大而增大,随水力压力差、热测、冷侧料液浓度的变化而变化不大;确定最优的操作条件温差70℃、进料流量0.80 kg/s、冷侧水力压力9.00 bar。最后,在膜组件尺度下计算出单个PRMD膜元件内流体温度、压力及流量分布,并在系统尺度下构建可评估RO-PRMD耦合系统技术-经济性的数学模型,模拟结果显示,耦合系统的吨水能耗随系统产水量的增加而下降,但耦合系统较独立RO系统节省的吨水能耗量呈现下降趋势,且在高回收率下吨水能耗节省量要低于低回收率（10 000 m³/d系统产水量,低回收率下最多可节省0.17 kWh/m³,而高回收率仅可最多节省0.15 kWh/m³）;若以本文选用的膜元件作为PRMD基本装配单元,不考虑膜以外其他固定资本投资,且耦合系统节省能耗若全部用于PRMD膜购置及更换,当前疏水膜最大承受压力（9 bar）下计算得到的系统盈亏平衡时膜最高价格远低于国产商品膜目前的高位价格,但是若提高至26 bar以上,即可实现一定的经济效益。因此,本文提出的RO-PRMD耦合可实现高矿化矿井水脱盐低碳化,但若实现其更大的经济效益,须在保证疏水膜高渗透通量的同时,提升疏水膜的液体浸润压力。

关键词：高矿化度矿井水,膜耦合系统,压力延迟膜蒸馏,脱盐低碳化,模拟

基金资助：国家能源集团科技创新项目（GJNY-21-26-04）