反滲透海水淡化能量回收技術的發展及應用
海水淡化技術發展的一個重要目標是降低運行成本，在運行成本的構成中能耗所占的比重最大，降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化(SWRO)是目前海水淡化的主流技術之一，反滲透海水淡化過程需消耗大量電能提升進水壓力以克服水的滲透壓，反滲透膜排出的濃水余壓高達5．5～6．5 MPa，按照40％的回收率計算，排放的濃鹽水中還蘊含約60％的進料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進水能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗，而這一目標的實現有賴于能量回收技術的利用。
通過能量回收裝置的應用大幅降低了淡化水的生產成本，促進了反滲透淡化技術的推廣和應用，并使之成為最具競爭力和發展速度最快的海水淡化技術。因此，能量回收與反滲透膜和高壓泵并列成為反滲透海水淡化系統中的三大關鍵技術。
國外SWRO能量回收技術的發展
20世紀70年代，隨著反滲透技術開始用于海水／苦咸水的淡化，各種形式的能量回收裝置也相繼出現。能量回收裝置總體上分為兩類，即水力透平式和功交換式。
水力透平式能量回收裝置
最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士Calder．AG公司的Pehon Wheel透平機和Pump Ginard公司的Francis透平機，效率一般為50％～70％。其原理是利用濃鹽水驅動渦輪轉動，通過軸與泵和電機相連，將能量輸送至進料原海水，過程需要經過“水壓能→機械能→水壓能”兩步轉換[1]。
水力透平機與高壓給水泵電機同軸連接，一般是高壓給水泵雙出軸兩側分置電機和透平機，也可以是電機雙出軸兩側分置水泵和透平機。透平機作電機的第二驅動助推電機，通過減小電機轉矩，降低電機動力消耗。
在上述基礎上經過改進出現了一些獨特的設計，其中最具代表性的有丹麥Grundfos公司生產的BMET透平直驅泵和美國PEI公司生產的Hydraulic Turbo charger。兩者均是透平機與泵一體化設計，一根轉軸連接兩個葉輪，全部封裝在一個殼體中，濃鹽水流過葉輪時通過沖擊葉片而推動葉輪轉動，從而驅動透平軸旋轉。透平軸直接帶動增壓泵工作輸出機械功，濃水能量轉換成原海水能量的轉換效率可提高至65％～80％。
高壓泵與透平機增壓泵兩級串聯完成原海水的壓力提升，通過透平增壓降低高壓泵所需揚程，減少電機動力消耗。所不同的是BMET的透平增壓泵與高壓泵是一個整機，其中透平增壓泵位于高壓泵的進口(見圖1)；而Turbo charger是一個單獨的裝置，安裝在高壓泵的出口(見圖2)。
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功交換式能量回收裝置
20世紀80年代出現了一種新的能量回收技術，其工作原理是“功交換”，通過界面或隔離物，直接把高壓濃鹽水的壓力傳遞給進料海水，過程得到簡化，只需要經過“水壓能→水壓能”的一步能量轉換，能量回收效率得以提高。
1975年功交換器第一次應用在SWRO上，由于壓力和流量的瞬變，致使閥壽命很短，使用不久就停止了服務。20世紀80年代中期大型功交換器商業化開發停止，其主要原因是當時SWRO裝置規模相對較小，功交換器造價高，可靠性差。
1985年，在加勒比海地區開始出現“建造–擁有–運行”(BOO)式的SWRO合同，由于加勒比海地區能源成本高，越來越多的反滲透海水淡化裝置開始使用功交換器。該地區1990年—2000年建造的9個淡化裝置中共安裝了17個大容量功交換器，每個裝置的流量都超過1000 m3／d[2]。目前反滲透海水淡化工程中應用的功交換式能量回收裝置主要為轉子式壓力交換器和活塞式閥控壓力交換器兩類，能量回收效率高達90％～97％。
轉子式壓力交換器：以美國ERI公司的PX轉子式壓力交換能量回收裝置(見圖3)為代表，原理是高壓濃鹽水推動圓周開有多個縱向溝槽(類似于多個微型液缸)的無軸陶瓷轉子旋轉，使多個微型溝槽分別在兩側靜止的配流盤高壓區和低壓區交替轉換切入，進入高壓區的微型液缸進行能量回收傳遞向外排液，進入低壓區的微型液缸進行原海水補液，PX需配增壓泵以使初步升壓的原海水進入RO系統。
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高壓濃鹽水與低壓原海水直接傳遞壓力，水在多個微型液缸中的停留時間很短，兩種液體由一段封閉的“液體活塞”分開，能量回收效率較高，濃水能量至原海水液體能量的轉換效率>92％。
活塞式閥控壓力交換器：活塞式閥控壓力交換器以瑞士Calder．AG公司的DWEER雙功交換能量回收裝置、德國KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國Siemag Transplan公司的PES壓力交換系統及Ionics公司的DYPREX動力壓力交換器為代表[3、4]。原理是采用兩個大直徑液缸，其中一個液缸中高壓濃水推動活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液，另一個液缸中供料泵壓入低壓原海水補液并排出低壓濃水，兩液缸在PLC和濃水換向閥的控制下交替排補海水，實現了濃水能量轉換成原海水能量的回收過程。
活塞式閥控壓力交換器需配備增壓泵以使初步升壓的原海水進入RO系統，由活塞隔離濃水和原海水，能量回收效率一般高于92％。DWEER能量回收裝置見圖4。
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國內的研究狀況
國內對能量回收裝置的研究起步較晚，進行反滲透用能量回收裝置研究的主要有中科院廣州能源所、天津大學、杭州水處理中心和天津海水淡化研究所等4家單位，研發方向均為雙液壓缸功交換式能量回收裝置。
廣州能源所研發的試驗樣機為帶活塞桿的雙液壓缸功交換式能量回收裝置(專利號：200510035328．8)，使用電磁閥進行高、低壓水的切換，并用蓄能器穩定壓力。試驗表明，穩定壓力的效果不錯。
天津大學的雙液壓缸功交換式能量回收裝置使用多個氣動閥進行高、低壓水的切換，由PLC控制閥門的動作，在1000 m3／d的反滲透海水淡化試驗平臺上進行了試驗，取得了一定效果[5、6]，并申請了專利(專利號：200510014295．9)。
杭州水處理中心設計的能量回收裝置主要由雙液壓缸、止回閥和四通功能閥組成，兩臺液壓缸通過活塞桿定位，并固定在一條直線上。裝置設計申請了發明專利(專利號：200510050117．1)。
天津海水淡化研究所自主研發了一臺具備升壓功能的差動式反滲透能量回收裝置，流量可達18 m3／h。在反滲透海水淡化試驗平臺上進行了系統試驗，通過168 h的連續不間斷運轉測試表明：裝置運行穩定，有效能量回收率>90％，壓力波動<0．2 MPa。已申請發明專利1項、實用新型專利2項(專利號分別為201010122952．2、201020129553．4、2010201 29553．4)。
上述幾家單位的研究成果雖然還沒有在海水淡化工程中得到推廣應用，但工業化發展及應用前景良好。
能量回收裝置性能比較及發展趨勢
幾種國外能量回收裝置的性能對比見表1。
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表1中前兩種為水力透平式，用于與高壓泵串聯安裝，通過降低高壓泵所需的揚程達到節能的目的，不需要增壓泵和自動閥門，但效率較低，特別是低流量時效率更低；后三種為功交換式，用于與高壓泵并聯安裝，通過減小高壓泵所需的流量達到節能的目的，需要配置增壓泵，在很寬的流量范圍內均能達到較高的效率。
功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，能更有效地降低反滲透海水淡化系統能耗的優勢，已成為國內外研究和開發的熱點，其產品市場占有率也呈逐年快速增長的發展趨勢。
能量回收裝置在國內的應用
國外能量回收裝置在我國海水淡化工程中的應用情況見表2。
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表2中除PX為功交換式能量回收裝置外，其他均為水力透平式能量回收裝置。從發展趨勢來看，前幾年水力透平式應用較多，但近幾年功交換式能量回收裝置特別是PX在建成的海水淡化工程中已被普遍采用。
SWRO能量回收裝置主要有水力透平式和功交換式兩大類。水力透平式用于與高壓泵串聯安裝，通過降低高壓泵所需揚程達到節能的目的，不需要增壓泵和自動閥門，單機流量大，但效率較低，特別是低流量時效率更低；功交換式用于與高壓泵并聯安裝，通過減小高壓泵所需流量達到節能的目的，一般需要配置增壓泵，單機流量較小，可并聯使用，在很寬的流量范圍內均能達到較高的效率。
功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，已經逐漸成為海水淡化行業中研究和開發的熱點，其產品市場占有率也呈逐年快速增長的發展趨勢，近年來國內海水淡化工程大多采用美國ERI公司的PX能量回收裝置。
我國在SWRO能量回收技術方面的研發起步較晚，發展比較遲緩，裝置形式較單一，大都局限于雙液壓缸功交換式，整體水平同國際先進技術還有很大的差距，但工業化發展及應用前景較好。隨著我國淡水資源的日益缺乏，反滲透海水淡化工程必將大力發展，因而研究開發具有自主知識產權的能量回收裝置具有深遠的意義。
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