Thu hồi áp lực dư từ dòng thải RO: tiết kiệm bao nhiêu điện, khi nào đáng đầu tư

Trong hệ RO nước biển, hơn một nửa lượng nước bơm vào màng đi ra thành dòng thải mà vẫn giữ gần nguyên áp suất. Xả dòng đó qua van là đốt bỏ điện. Thiết bị thu hồi năng lượng (Energy Recovery Device, ERD) lấy lại phần áp lực này và giúp giảm khoảng một nửa điện năng của cụm RO nước biển. Với các hệ RO nước lợ cỡ nhỏ thường gặp ở Việt Nam, bài toán lại khác hẳn.

1Vì sao dòng thải RO là chỗ tốn điện nhất

RO hiện chiếm khoảng 69% công suất khử mặn lắp đặt trên thế giới [1]. Muốn đẩy nước qua màng, bơm cao áp phải thắng áp suất thẩm thấu của nước muối. Nước biển khoảng 35.000 mg/L có áp suất thẩm thấu cỡ 25-30 bar, nên hệ RO nước biển thường chạy ở 55-70 bar, nước biển rất mặn có thể lên gần 80 bar.

Đi qua màng, chỉ 40-50% lượng nước cấp thành nước sạch, áp suất gần bằng không. Phần còn lại, khoảng 50-60%, thành dòng thải đậm đặc (brine). Dòng này chỉ mất 1-2 bar do ma sát dọc vỏ màng, nghĩa là vẫn mang gần nguyên áp suất mà bơm vừa tạo ra.

Ở các hệ đời đầu, dòng thải được hạ áp qua một van tiết lưu rồi xả. Toàn bộ áp suất đó biến thành nhiệt và tiếng ồn. Đó là lý do các nhà máy RO nước biển thời kỳ đầu tốn điện gấp đôi trở lên so với nhà máy ngày nay.

2ERD làm việc thế nào

ERD lấy áp suất còn lại của dòng thải để nén một phần nước cấp. Có hai cách làm khác nhau về bản chất:

• Đẳng áp (isobaric): dòng thải áp cao đẩy trực tiếp lên một lượng nước cấp tương đương trong buồng hoặc rãnh. Bơm cao áp lúc này chỉ cần nén lượng nước bằng lượng nước sạch, cộng phần rò nhỏ. Một bơm tăng áp (booster) bù vài bar tổn thất qua màng và qua ERD.
• Ly tâm: dòng thải quay một tuabin, tuabin quay bánh công tác bơm trên cùng trục để nâng áp nước cấp. Bơm cao áp vẫn bơm toàn bộ lưu lượng, nhưng cột áp cần tạo thấp hơn.

Các nghiên cứu phân tích exergy (phần năng lượng còn sinh công được) cho kết quả khá nhất quán. Khi chưa có ERD, van xả là nơi hủy năng lượng lớn nhất trong toàn hệ. Khi đã có ERD, tổn thất dồn về bơm cao áp và chính các mô-đun màng. Vì vậy, sau khi đã lắp ERD, muốn giảm điện thêm thì phải nhìn vào hiệu suất bơm, động cơ và màng năng lượng thấp.

3Ba họ ERD đang dùng

Hiệu suất là số hãng công bố ở điểm làm việc tốt nhất. Số thực phụ thuộc lưu lượng, áp suất và cách cân bằng dòng.

Ly tâm: không lẫn muối, hiệu suất thấp hơn

Năng lượng đổi hai lần, từ thủy lực sang cơ năng rồi về thủy lực, nên hiệu suất bị giới hạn. Đổi lại, nước cấp và dòng thải không bao giờ gặp nhau. Ứng dụng hay gặp nhất là đặt turbocharger giữa hai cấp màng của hệ nước lợ: dòng thải cấp 2 nâng áp cho nước vào cấp 2, giúp cân bằng lưu lượng giữa hai cấp mà không cần thêm bơm.

Pít-tông: tách dòng tốt, nhiều van

Hai xi-lanh làm việc luân phiên, pít-tông tự do ngăn giữa nước cấp và dòng thải nên rất ít lẫn muối. Nhược điểm là cụm van đảo chiều phức tạp, dòng chảy có xung, cần thêm không gian và chi phí ban đầu.

Rô-to gốm: gọn, hiệu suất cao nhất

Thiết bị kiểu PX chỉ gồm một rô-to gốm có nhiều rãnh, kẹp giữa hai nắp. Khi rô-to quay, dòng thải áp cao đẩy nước cấp ra khỏi rãnh. Giữa hai dòng không có vách ngăn, chỉ có một lớp nước chuyển tiếp, nên luôn lẫn một ít muối. Rô-to quay trên màng nước mỏng chính là dòng rò, gần như không ma sát. Vật liệu là gốm alumina, chịu mài mòn và ăn mòn tốt. Các hãng công bố tuổi thọ thiết kế trên 25 năm.

Danfoss iSave gắn rô-to, bơm tăng áp kiểu cánh gạt và động cơ thành một khối. Động cơ chạy biến tần quyết định tốc độ rô-to, nhờ vậy tránh được tình trạng rô-to quay quá tốc khi dòng mất cân bằng [3].

Mốc phát triển, theo bằng sáng chế

• 1969: H.T. Hashemi và J.L. Lott, bằng US 3,431,747, dùng buồng quay trao đổi năng lượng giữa hệ áp cao và áp thấp [4].
• 1970: C.Y. Cheng, bằng US 3,489,159 về phương pháp nén và xả áp chất lỏng luân phiên, một trong những ý tưởng trao đổi áp đẳng áp đầu tiên [5].
• 1989 (nộp năm 1987): Leif J. Hauge, bằng US 4,887,942 "Pressure exchanger for liquids", nền tảng của dòng rô-to gốm sau này [6].
• 1998: Scott Shumway (Desalco), bằng US 5,797,429 về van ống trượt cho hệ trao đổi công kiểu pít-tông [7].

4Hai chỉ số cần hỏi khi chọn ERD đẳng áp

Độ pha trộn (mixing)

Một ít muối từ dòng thải lẫn sang nước cấp trước khi nước cấp rời rãnh rô-to. Nước vào màng mặn hơn một chút, áp suất thẩm thấu tăng, bơm phải đẩy cao hơn. Độ pha trộn tính từ độ mặn đo ở các cửa ERD:

Với thiết bị kiểu rô-to, con số này thường ở mức vài phần trăm. Người thiết kế phải nhập độ pha trộn vào phần mềm tính màng thay vì coi nước cấp như chưa lẫn. Cho dòng thải áp thấp ra nhiều hơn một chút so với nước cấp vào (overflush) là cách thường dùng để giảm pha trộn.

Lưu lượng rò và bôi trơn (leakage)

Nước rò qua khe giữa rô-to và nắp, từ phía áp cao sang áp thấp. Dòng này không làm tăng độ mặn nhưng làm mất lưu lượng, nên bơm cao áp phải bơm thêm để bù. Khe hở càng nhỏ, rò càng ít. Lớp nước rò này cũng chính là "ổ đỡ" giúp rô-to quay không chạm vỏ.

5Vận hành: những điểm hay gây hỏng

• Cân bằng lưu lượng. Lưu lượng áp cao vào và ra ERD phải khớp nhau, lưu lượng áp thấp cũng vậy. Lệch dòng làm tăng pha trộn, rô-to có thể quay quá tốc, mòn và xước bề mặt gốm. Cần lưu lượng kế trên cả hai phía và đặt cảnh báo lệch dòng.
• Khởi động và dừng mềm. Bơm cao áp và bơm tăng áp nên chạy biến tần, tăng giảm áp từ từ để tránh búa nước. Thứ tự thường gặp là cho nước áp thấp chảy qua ERD và xả hết khí trước, rồi mới chạy bơm tăng áp và cuối cùng là bơm cao áp. Luôn làm theo sổ tay của hãng ERD.
• Tiền xử lý. Cặn hạt làm mòn hoặc kẹt rô-to, màng sinh học bám trong rãnh làm lệch dòng. Lọc và khử trùng phía trước phải đạt yêu cầu của cả màng lẫn ERD.
• Bảo vệ màng. Áp suất cao lâu ngày làm lớp đỡ của màng bị nén (compaction), hệ số thấm nước giảm không hồi phục. Nguyên nhân là áp suất vận hành, không phải bản thân ERD, nhưng hệ có ERD thường chạy ở áp cao nên càng cần giữ áp trong giới hạn của màng và tránh tăng áp đột ngột.

6Ngoài nước biển: nước lợ, CCRO và ZLD

RO nước lợ

Nước lợ thường chạy ở 10-25 bar, tỷ lệ thu hồi 75-80%, nên dòng thải chỉ còn 20-25% lưu lượng và áp thấp. Năng lượng có thể thu lại nhỏ hơn nhiều so với nước biển (xem ví dụ 2 ở mục 7). ERD cho nước lợ đáng tính khi công suất lớn, nước cấp có TDS cao làm áp vận hành cao, hoặc khi cần tăng áp giữa hai cấp màng để cân bằng lưu lượng.

RO tuần hoàn kín (CCRO) và RO theo mẻ

Dòng thải được tuần hoàn về trộn với nước cấp cho tới khi đạt tỷ lệ thu hồi mục tiêu, có thể tới 90-95%. Áp suất thay đổi theo chu kỳ vì nước ngày càng đặc, bơm cao áp thông thường làm việc kém hiệu quả. Ghép ERD đẳng áp vào các cấu hình này giúp thu lại năng lượng của dòng tuần hoàn. RO theo mẻ còn tránh được việc trộn nước loãng với nước đặc, nên được xem là cấu hình RO gần mức năng lượng tối thiểu lý thuyết nhất.

RO áp suất siêu cao cho hệ không xả thải

Các ngành như pin lithium, dệt nhuộm, khai khoáng phải cô đặc nước thải trước khi đưa vào cô bay hơi hoặc kết tinh. RO áp suất siêu cao (UHPRO) chạy tới khoảng 120 bar để cô đặc thêm phần nước mà RO thường không làm được. Energy Recovery có dòng PX U-Series cho dải này, gồm các model U20 đến U250, lưu lượng 2,3-56,8 m³/h, áp tới 120 bar [2]. Giá trị lớn nhất ở đây không chỉ là tiết kiệm điện của cụm RO. Mỗi m³ nước được RO tách thêm là một m³ không phải đưa vào thiết bị bay hơi, vốn đắt cả đầu tư lẫn vận hành.

7Tính nhanh: ERD tiết kiệm được bao nhiêu

Điện năng một bơm tiêu thụ có thể ước bằng công thức:

Hai ví dụ dưới đây dùng chung hiệu suất bơm 80% và động cơ 95%, tức η = 0,76, chạy 8.000 giờ một năm, giá điện bình quân 2.000 đ/kWh. Anh chị thay bằng số liệu của nhà máy mình.

Ví dụ 1: RO nước biển 1.000 m³/ngày

Nước sạch 41,7 m³/h, thu hồi 45%, nên nước cấp 92,6 m³/h và dòng thải 50,9 m³/h. Bơm cao áp nâng nước từ 2 bar lên 60 bar.

Suất tiêu thụ của cụm RO giảm từ 4,7 xuống khoảng 2,35 kWh/m³. Một năm tiết kiệm khoảng 790.000 kWh, tương đương khoảng 1,6 tỷ đồng với giá điện giả định.

Ví dụ 2: RO nước lợ 10 m³/h

Thu hồi 75%, nước cấp 13,3 m³/h, dòng thải 3,3 m³/h. Bơm nâng áp thêm 12 bar, dòng thải ra khỏi màng còn khoảng 11 bar.

Suất tiêu thụ giảm từ 0,59 xuống khoảng 0,49 kWh/m³, mỗi năm khoảng 7.500 kWh, tương đương 15 triệu đồng. Ở cỡ hệ này, khoản tiết kiệm khó bù được chi phí và độ phức tạp của một bộ ERD. Nên làm trước những việc rẻ hơn: chọn bơm chạy gần điểm hiệu suất cao nhất, dùng biến tần, chọn màng năng lượng thấp và chia cấp màng hợp lý.

Hai ví dụ trên là phép tính minh họa với giả thiết ghi rõ. Thiết kế thật phải tính theo phân tích nước, phần mềm của hãng màng (WAVE, LewaPlus...) và công cụ chọn model của hãng ERD.

8Nhìn theo chi phí vòng đời

Quyết định đầu tư ERD nên đặt trong chi phí sản xuất một m³ nước trong suốt đời dự án (Levelized Cost of Water, LCOW):

Với RO nước biển, điện là khoản lớn nhất trong chi phí vận hành, nên ERD gần như là bắt buộc. Một điểm cần cân nhắc là tỷ lệ thu hồi. Tăng thu hồi thì giảm lượng nước cấp và chi phí tiền xử lý, nhưng áp suất tăng và nguy cơ đóng cặn cũng tăng. Điểm tối ưu giữa năng lượng, tuổi thọ màng và chi phí bơm cần tìm bằng phần mềm mô phỏng, không có một con số chung cho mọi dự án.