Исследование эффективности опреснителя морской воды "Вагнер" 2023

Скачать статью

Николаев Николай Алексеевич

Nikolaev Nikolay Alekseevich

кандидат экономических наук, доцент кафедры «Экономики труда и управления персоналом»

Candidate of Economic Sciences, Associate Professor

Department of Labor Economics and Personnel Management

ФГБОУ ВО Уральский государственный экономический университет

FSBEI HE Ural State Economic University

Николаева Елена Валерьевна

Nikolaeva Elena Valerievna

Заместитель директора по развитию ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Deputy Director for Development, Wagner-Ekaterinburg LLC

Нужин Денис Евгеньевич

Nuzhin Denis Evgenievich

Руководитель отдела производства ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Head of Production Department, Wagner-Ekaterinburg LLC

Талипов Егор Рустамович

Talipov Egor Rustamovich

Менеджер по инновациям ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Innovation Manager, Wagner-Ekaterinburg LLC

Россия, г. Екатеринбург

Russia, Yekaterinburg

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ С РАЗЛИЧНЫМ СОЛЕСОДЕРЖАНИЕМ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА НА УСТАНОВКАХ КОМПАНИИ «ВАГНЕР»

INVESTIGATION OF THE EFFICIENCY OF SEAWATER WITH DIFFERENT SALT CONTENT DESALATION BY THE METHOD OF REVERSE OSMOSIS AT THE WAGNER COMPANY UNIT

Аннотация: Статья посвящена исследованию эффективности опреснения морской воды с различным солесодержанием на инновационных установках компании «Вагнер» с использованием высокоселективных мембранных элементов.

Методом производственного эксперимента проведено исследование и описана эффективность опреснения воды, имитирующей солесодержание различных морей России и мирового океана: Каспийского, Черного, Баренцево моря, а также средней солености мирового океана 35‰. Рассчитана экономическая эффективность применения судовых опреснителей морской воды компании «Вагнер» в сравнении с традиционным методом опреснения морской воды на судах – выпариванием.

Abstract: The article is devoted to the study of the efficiency of desalination of sea water with different salinity at the innovative installations of the Wagner company using highly selective membrane elements.

The method of simulation production experiment was used to study and describe the efficiency of water desalination, simulating the salinity of various seas of Russia and the world ocean: the Caspian, Black, Barents Seas, as well as the average salinity of the world ocean 35‰. The economic efficiency of the use of Wagner marine water desalination plants is calculated in comparison with the traditional method of sea water desalination on ships - evaporation.

Ключевые слова: опреснение морской воды, опреснитель морской воды методом обратного осмоса, энергоэффективность опреснения морской воды, опреснитель морской воды для судов, судовой опреснитель.

Key words: sea water desalination, reverse osmosis sea water desalinator, energy efficiency of sea water desalination, sea water desalination for ships, ship desalinator.

Цель исследования – исследование эффективности опреснение морской воды с различным солесодержанием методом обратного осмоса на опреснителях компании «Вагнер» (ТМ «Сила айсберга).

Актуальность исследования. Метод обратного осмоса является энергоэффективным, широко распространенным и одним из самых перспективных способов получения пресной воды на суше и морских судах. Данный метод получил широкое распространение в регионах, испытывающих дефицит естественной пресной воды: Саудовской Аравии, Объединенных Арабских Эмиратах, Омане, Катаре, Египте, Турции и других.

Вместе с тем, недостаточно исследованным и ясным остается вопрос оценки экономической и энергетической эффективности опреснения морской воды в морях с пониженным по сравнению с мировым океаном солесодержанием: Каспийском, Черном, Азовском морях. Установки опреснения, работающие на морской воде, солесодержанием соответствующему среднему в мировом океане 35‰ требуют давления от 45 до 60 бар, что требует от 4 до 7 кВт∙ч электроэнергии на получение 100 литров пресной воды. Для создания давления выше осмотического 45-60 бар требуются высокомощные дорогостоящие плунжерные насосы, потребляющие большое количество электроэнергии, а также требующие значительных эксплуатационных затрат.

На наш взгляд, одним из альтернативных способов повышения давления в опреснительных установках является возможность использования центробежных насосов из нержавеющей стали марки AISI 316 с добавлением 2,2% молибдена, благодаря чему она становится устойчивой к коррозии, агрессивным средам, в том числе морской воде. Данные насосы имеют более простую конструкцию по сравнению с плунжерными, потребляют меньше удельной электроэнергии, стоят дешевле и вместе с тем способны нагнетать давление до 30-32 бар, что достаточно для создания давления выше осмотического для скважинной и морской воды имеющей солесодержание от 5 до 22 ‰: Азовского, Каспийского, Черного, оз. Балхаш, оз. Иссык-Куль, некоторых скважин в Средней Азии и др.

Однако, недостаточно изученным остается вопрос об эффективности применения высокоселективных мембранных элементов и центробежных насосов для опреснения морской воды с пониженным солесодержанием.

Описание эффективности опреснения морской воды представлены в исследованиях: Алиевой О.О. [1], Игнатущенко К.В., Филонова А.Г. [2],  Поворова А.А., Ильиной М.Е., Селиванова О.Г., Курочкина И.Н. [3], Фрога Б.Н., Первова А.Г. [4], Lee W.J., Goh P.S., Lau W.J., Ong C.S., Ismail A.F. [5], Bohdziewicz J., Sroka E. [6], Menchik P., Moraru С.I. [7], Han G., Liang C. Z., Chung T.S., Weber M., Maletzko C. [8] и других.

В изученных источниках нам не удалось обнаружить исследований, раскрывающих характеристики работы опреснительных установок на соленых и морских водах с пониженным солесодержанием от от 5 до 22 ‰. Отсутствуют данные о ключевых технико-экономических характеристиках опреснения морской воды с пониженным солесодержанием: рабочем давлении, оптимальной степени извлечения пермеата (фильтрата), общем солесодержании, потребляемой электрической мощности. Поэтому мы считаем исследование эффективности опреснения морской и скважинной воды пониженного и среднемирового солесодержания актуальной научно-практической задачей.

Описание исследования

Исследование проводилось с помощью метода производственно-лабораторного эксперимента с применением опреснителя морской воды «Вагнер-250М» в период с 01.12.2022 по 31.01.2023 г.

Для проведения исследования использовались:

- опреснительная установка (опреснитель) на основе обратного осмоса «Вагнер-250М» производительностью 250 литров в час, оснащенная плунжерным насосом с напором до 100 бар мощностью 5,5 кВт. с TDS метром для контроля общей минерализации;

- вода, имитирующая содержание морской соли 13000 мг/л (13 г/л), что соответствует примерному содержанию в Азовском и Каспийском море;

- вода, имитирующая содержание морской соли в Черном море 18000-20000 мг/л (18-20 г/л);

- вода, имитирующая среднее солесодержание в мировом океане 35000 мг/л (35 г/л).

- сменный фильтрующий элемент предварительной очистки из прессованного активированного угля стандарта 10 Big Blue – 5 мкм;

- высокоселективные мембранные элементы для очистки морской воды солесодержанием до 45 г/л с рабочим давлением до 70 бар (см. Рис. 1).

Рис. 1. Установка опреснения морской воды (опреснитель) «Вагнер-250М» (торговая марка «Сила айсберга»)

Характеристики работы опреснителя при различном солесодержании представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики работы опреснителя морской воды «Вагнер-250М» при различном солесодержании

В результате проведенного эксперимента удалось установить, что при солесодержании 13 г/л, которое соответствует солесодержанию Каспийского, Азовского, некоторых районов Черного моря, дельтам некоторых рек, впадающих в воды мирового океана опреснитель «Вагнер» выходит на номинальную производительность по пермеату (фильтрату) при давлении 24-28 бар, что соответствует рабочему давлению одноступенчатых высоконапорных центробежных насосов. Это свидетельствует о принципиальной практической возможности их применения для опреснения морской воды с малым солесодержанием. При солесодержании 20 граммов на литр, соответствующего среднему в Черном море также возможно применение высоконапорных центробежных насосов, которые обычно используются в две стадии.

На основании результатов исследований фильтрата, полученного в условиях производственного эксперимента, мы можем сделать вывод, что качество опресненной воды соответствует требованиям к питьевой воде, установленным «СанПиН 1.2.3685-21» по показателям общего солесодержания, хлоридам, жесткости и другим.

Мы провели сравнение технико-экономической эффективности использования опреснителей «Вагнер» по энергопотреблению и себестоимости опресненной воды.

Таблица 2

Сравнительный анализ технико-экономической эффективности методов получения дистиллированной воды

Рис. 2. Опреснитель морской воды «Вагнер-250М» (торговая марка «Сила айсберга») на судне В. Буйницкий, г. Мурманск, 2021 г.

Как показывает полученный опыт эксплуатации опреснительных установок «Вагнер» (торговая марка «Сила айсберга»), соблюдение правил эксплуатации, регулярное проведение химических моек мембранных элементов с использованием рекомендуемых щелочных и кислотных растворов, использование ингибиторов осадкообразования позволяет устойчиво получать опресненную морскую воду с периодом замены мембранных элементов не менее 2-х лет. В качестве способа повышения производительности опреснительных установок на 30-60% целесообразно использовать подогреватели исходной морской воды до оптимальной температуры 15-25 градусов. Вместе с тем это повышает энергоемкость опреснительных установок в среднем на 80-100%. На сегодняшний день средняя себестоимость 1 кубометра холодной питьевой воды по тарифам водоканала г. Москва составляет 50 руб./м³. Как видно из проведенных расчетов цеховая себестоимость 1 м³ опресненной морской воды при замене мембранных элементов 1 раз в 2 года составляет от 100 до 157 руб./м³, что в 2-3 раза дороже очищенной пресной воды. Однако, опреснение морской воды методом обратного осмоса в разы энергоэффективное по сравнению с методом выпаривания и является самым эффективным способом получения опресненной воды при сегодняшнем уровне развития технологий водоподготовки.

Выводы и результаты

1. В результате проведенного эксперимента удалось установить, что при солесодержании 13 г/л, которое соответствует солесодержанию Каспийского, Азовского, некоторых районов Черного моря, дельтам некоторых рек, впадающих в воды мирового океана опреснитель «Вагнер» выходит на номинальную производительность по пермеату (фильтрату) при давлении 24-28 бар, что соответствует рабочему давлению одноступенчатых высоконапорных центробежных насосов. Это свидетельствует о принципиальной практической возможности их применения для опреснения морской воды с малым солесодержанием до 15 граммов на литр, что позволяет снизить стоимость опреснительных установок на 30-40%.
2. В результате проведенных технико-экономических расчетов можно сделать вывод, что цеховая себестоимость 1 м³ опресненной морской воды при замене мембранных элементов 1 раз в 2 года составляет от 100 до 157 руб./м³, что в 2-3 раза дороже очищенной пресной воды. Однако, опреснение морской воды методом обратного осмоса в разы энергоэффективное по сравнению с методом выпаривания и является самым эффективным способом получения опресненной воды при сегодняшнем уровне развития технологий водоподготовки. Правильная эксплуатация опреснительных установок, своевременное проведение химмойки кислотными и щелочными растворами, а также использование ингибиторов осадкообразования способно продлить срок службы мембранных элементов до 5 лет и тем самым снизить себестоимость опресненной воды на 15-20%.

Библиографический список:

1. Алиева О.О., Обратный осмос в схемах глубокого обессоливания добавочной воды на // DIZWW. 2021. №19-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obratnyy-osmos-v-shemah-glubokogo-obessolivaniya-dobavochnoy-vody-na-tes-1 (дата обращения: 12.08.2023).
2. Игнатущенко К.В., Филонов А.Г., О возможностях применения двухступенчатых схем обессоливания воды мембранными методами на ТЭС с парогазовой установкой в Калининградском регионе // Вестник молодежной науки. 2018. №3 (15). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnostyah-primeneniya-dvuhstupenchatyh-shem-obessolivaniya-vody-membrannymi-metodami-na-tes-s-parogazovoy-ustanovkoy-v (дата обращения: 12.08.2023).
3. Поворов А.А., Ильина М. Е., Селиванов О.Г., Курочкин И.Н. Оценка эффективности мембранного разделения высококонцентрированных фильтрационных вод полигона ТБО на двухступенчатой установке обратного осмоса // ВХР. 2021. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-effektivnosti-membrannogo-razdeleniya-vysokokontsentrirovannyh-filtratsionnyh-vod-poligona-tbo-na-dvuhstupenchatoy (дата обращения: 12.08.2023).
4. Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка. Учеб. для вузов: – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2014. – 512 с.
5. Lee W.J., Goh P.S., Lau W.J., Ong C.S., Ismail A.F. Antifouling zwitterion embedded forward osmosis thin film composite membrane for highly concentrated oily wastewater treatment // Separation and Purification Technology. Vol. 2141. P. 40–50.
6. Bohdziewicz J., Sroka E. Integrated system of activated sludge–reverse osmosis in the treatment of the wastewater from the meat industry // Process Biochemistry. Vol. 40. No. 5. P. 1517–1523.
7. Menchik P., Moraru С.I. Nonthermal concentration of liquid foods by a combination of reverseosmosisand forwardosmosis. Acid whey: A case study // Journal of Food Engineering. 2019. Vol. 253. 40–48.
8. Han G., Liang C. Z., Chung T.S., Weber M., Maletzko C. Combination of forward osmosis (FO) process with coagulation/flocculation (CF) for potential treatment of textile wastewater // Water Research. 2016. Vol. 9115. P. 361–370.