[发明专利]一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法，该方法采用反渗透脱硼海水淡化传递机理精确模型以及反渗透系统超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，得到以制水成本、能耗和环境影响(二氧化碳排放量)为目标函数的多目标优化问题，采用ε‑约束算法进行求解，由模糊排序法筛选得到不同目标函数权值的最优解。应用本发明得到系统优化方案有效降低海水淡化的制水成本、能耗和温室气体二氧化碳排放，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准，对节能减排具有重要意义，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于海水、苦咸水的处理领域，具体涉及通过对卷式膜元件反渗透海水淡化系统进行多目标优化得到非劣解，同时考虑制水成本、能耗和环境影响，在保证脱硼率的基础上筛选得到综合隶属度最高的优化方案。

背景技术

反渗透海水淡化由于技术成熟、适用范围广、能耗较低等许多优点，逐步成为国际海水淡化项目的主流技术之一。天然海水中硼含量约为4～6mg/L，在通常pH值(7.9～8.2)下主要以易透过膜的H₃BO₃硼酸分子形式存在。反渗透膜对海水的脱硼效果不甚理想，尽管具有优良脱硼性能的反渗透膜不断开发出来，但在实际的商业化系统中仅为78％～80％甚至更低(其产水中硼含量大于1.0mg/L)，而其产水中硼含量过高会使人出现生殖、神经系统疾患。我国目前实施的《生活饮用水卫生标准GB5479-2006》中规定饮用水中硼含量应小于0.5mg/L。硼含量过高还会对某些农作物带来危害。美国农业部推荐柠檬、黑莓的硼耐受值为0.5mg/L，我国农田灌溉水质标准对硼含量的要求，如黄瓜、豆类、马铃薯、笋瓜、韭菜、洋葱等的硼耐受值为1mg/L。传统的反渗透设计方案并不能满足饮用水和其他工农业用水对于硼含量的要求。

为了降低制水成本和能耗，目前已有许多关于反渗透海水淡化系统优化的报道，包括压力容器内膜元件位置优化、基于网络系统的超结构优化、全局优化和多目标优化等。对反渗透海水淡化技术进行优化设计，提高能源利用效率，是降低淡化成本的重要途径之一。对理想的反渗透系统进行热力学约束下的能量优化可为系统设计提供理论指导，但实际工程中还需考虑诸多因素的影响。近年来也出现了一些关于反渗透脱硼系统优化报道，考察了温度、pH值和产水硼含量要求等因素对反渗透系统设计的影响。此外，反渗透海水淡化系统在运行中电能消耗、化学试剂添加和浓盐水排放造成对周边环境的影响也越来越受到学者的关注。据报道规模为4.6万吨/天的反渗透海水淡化装置的吨水温室气体二氧化碳的排放量约为1.78kg。但目前研究尚未有考虑制水成本、能耗和环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法。

发明内容

本发明公开了一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法。根据海水淡化系统的反渗透机理和整个流程的结构，采用严格机理的方式建立考虑脱硼的反渗透传递机理的精确模型，采用微分和代数方程进行描述。建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度和流量的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，加入操作条件约束保证系统安全运行，得到以制水成本、能耗和环境影响(二氧化碳排放量)为目标函数的多目标优化问题，采用ε-约束算法进行求解，并由模糊排序法筛选得到不同目标函数权值的最优解。本发明综合考虑了多种因素对海水淡化系统的影响，力图进一步降低海水淡化的制水成本和能耗和温室气体二氧化碳排放，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准，对节能减排具有重要意义，也可为其中试及工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。

本发明包括以下步骤：

1.一种考虑环境影响的反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；

根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：