Исследование возможностей и перспектив использования атомного энергоисточника при развитии технологий крупнотоннажного опреснения морской воды в Республике Иран тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат наук Газаи Сейед Хади

• Газаи Сейед Хади
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Газаи Сейед Хади

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние и проблемы развития технологий опреснения морских и солоноватых вод в Иране

1.1. Дефицит пресной воды в мире и в Иране. Водные ресурсы Ирана

1.1.1. Географическое положение Ирана

1.1.2. Климат регионов Ирана

1.1.3. Водные ресурсы Ирана

1.2. Методы опреснения морской воды, которые могут быть использованы при крупнотоннажном производстве пресной воды в Иране

1.2.1. Термические методы опреснения

1.2.2. Мембранные процессы опреснения

1.3. Современное состояние применения технологии опреснения морской воды в Иране

1.4. Текущее состояние и перспективы создания ОУ в Иране

ГЛАВА 2. Опреснение морской воды с использованием ядерного источника энергии в Иране: настоящее состояние, потребности и перспективы

2.1. Опреснение морской воды с помощью ядерного источника энергии

2.1.1. Почему ядерное опреснение?

2.1.2. Опыт и текущие разработки в области ядерного опреснения

2.2. Современное состояние энергетики и потребление энергии в Иране

2.3. Применение возобновляемых источников энергии в Иране

2.4. Загрязнение атмосферы (в мире и в Иране)

2.5. Потенциал ядерного опреснения в Иране

2.6. Первая атомная электростанция в Иране и интегрированная с ней ОУ

ГЛАВА 3. Возможные типы интеграции ЯЭУ с ОУ для производства энергии и опреснения морской воды (специализированный многоцелевой атомный энерготехнологический комплекс - МАК)

3.1. Подходящие ядерные реакторы как источники энергии для опреснения морской воды

3.2. Прошлый опыт и современные разработки когенерационных установок ядерного опреснения

3.2.1. Интеграция ЯЭУ и ОУ, действующей по технологии обратного осмоса (RO)

3.2.2. Интеграция ЯЭУ с ОУ, действующей по технологии многоступенчатого мгновенного вскипания (MSF)

3.2.3. Интеграция ЯЭУ с ОУ, действующей по технологии многоколонной дистилляции (MED)

3.3. Оптимизация систем двойного назначения - для получения электроэнергии от ЯЭУ и для опреснения воды

3.4. Обеспечение безопасности интегрированного ядерно-опреснительного комплекса при применении промежуточного контура

ГЛАВА 4. Технико-экономические характеристики ядерно-опреснительного комплекса

4.1. Цели и методика термоэкономического моделирования ядерно-опреснительного комплекса

4.2. Экономический анализ различных технологий опреснения

4.2.1. Метод моделирования термического опреснения (MED и MSF)

4.2.2. Метод моделирования обратного осмоса (RO)

4.2.3. Метод моделирования гибридного опреснения (RO+MED/MSF)

4.3. Методика экономической оценки ОУ

4.4. Методика расчетов экономических показателей ЯЭУ

4.5. Рассмотренные в настоящей работе схемы гибридного опреснения (RO+MED/MSF)

4.6. Использование охлаждающей воды конденсатора ЯЭУ в качестве питательной воды ОУ

ГЛАВА 5. Результаты термоэкономических расчетов различных возможных для использования

в Иране систем опреснения морской воды в сочетании с ядерными реакторами различной мощности

5.1. Применение разработанной в настоящей работе компьютерной программы для оценки различных технологий опреснения с ядерным источником энергии

5.2. Схема 1 - экономические характеристики сочетания ОУ технологии (MED, MSF, RO, RO+MED/MSF) с ЯЭУ мощностью 1000 МВт(эл)

5.3. Схема 2 - Моделирование гибридной технологии опреснения с одним общим водозабором, в которой рассол блока RO используется в качестве питательной воды блока MED/MSF

5.4. Технико-экономические показатели опреснительной системы по схеме 3, в которой вода конденсатора ЯЭУ используется в качестве питательной воды ОУ

5.5. Термоэкономический анализ опреснения морской воды с использованием в составе МАК малых модульных ядерных реакторов (ММР)

5.6. Сравнение стоимостей опреснения морской воды для разных конфигураций атомного энергоопреснительного комплекса

Заключение

Перечень сокращений и условных обозначений Список литературы

109

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей и перспектив использования атомного энергоисточника при развитии технологий крупнотоннажного опреснения морской воды в Республике Иран»

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время в мире все больше возрастает масштаб проблемы обеспечения человечества пресной водой. Запасы пресноводных ресурсов велики и возобновляемы, однако масштабы их потребления очень велики - почти на два порядка превосходят по массе потребления всех других видов природного сырья вместе взятых [1]. Ситуация в мире также такова, что запасы пресной воды распределены крайне неравномерно, в результате чего ряд регионов Земли испытывает острую нехватку водных ресурсов. Особенно остро проблема воды стоит в аридных районах, где запасы пресной воды ограничены или вообще отсутствуют, тогда как запасы солоноватых подземных и соленых вод омываемыми эти районы морей весьма велики. Поэтому большой интерес и важность представляет развитие технологий получения пресной воды из этих вод, и в частности, из морской воды [2].

Огромная масса соленой воды, покрывающая большую часть поверхности Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный химический состав. Мировой океан огромен - его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в грунтовых водах составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды подземных вод [3,4].

Как и во многих других странах, в Иране нарастает водный кризис, связанный с рядом объективных и субъективных факторов: изменение (потепление) климата, засуха, негативное влияние плотин, построенных соседними странами, а также недостатки в организации охраны и использования водных ресурсов.

В Иране ищут способы справиться с нехваткой пресной воды. Одним из перспективных путей в решении проблем его обеспечения водой является опреснение морской воды, являющееся энергоемкой и, следовательно, недешевой технологией [5]. В Иране есть несколько действующих опреснительных установок (ОУ) - больше всего в его южных районах, и почти все они используют ископаемое топливо (природный газ, уголь, нефть) в качестве источника энергии. Современные процессы опреснения воды с использованием крупных энергомощностей начали использоваться около пяти десятилетий назад [6]. Учитывая тот факт, что опреснительные установки требуют большого количества энергии, для них целесообразно использовать максимально чистые источники энергии - в целях уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу и образования минимального количества отходов [7,8]. Следует заметить также, что помимо проблем с питьевой водой, Иран страдает от недостатка

электроэнергии, обостряющегося в некоторые периоды года.

Ядерная энергия используется в мире уже в течение более чем шестидесяти лет. В начальный период развития атомной энергетики интерес стран мира, внедряющих атомную энергетику, был направлен на применение ядерного источника для получения только электроэнергии [9]. С годами потребность в энергии быстро росла во всем мире. В ряде стран ядерная энергетика продолжает поставлять значительное количество электроэнергии при отсутствии вредных выбросов. Она является таким образом экологически чистым источником энергии. В начале 2019 года в мире работало около 450 ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Доля производства электроэнергии ядерными реакторами в 2018 году увеличилась примерно на 2,4% и достигла 2563 ТВт-ч, что соответствует около 10% от общего мирового производства электроэнергии [10].

Преимущества ядерного источника энергии для опреснения морской воды и концепции ядерного опреснения были показаны еще в разработках МАГАТЭ, начатых в 1960-х годах [11]. Экономический анализ показывает конкурентоспособность ядерного энергоисточника в сравнении с использованием ископаемого топлива [12,13].

Надежная поставка электроэнергии и питьевой воды необходима любой стране, чтобы обеспечить ее устойчивое развитие. Сейчас общепризнано, что мировой спрос на энергию и воду в ближайшие несколько десятилетий будет значительно увеличен. Анализы многих экспертов показывают, что подходящим вариантом для решения проблем как с электричеством, так и с водой при одновременном уменьшении выбросов парниковых газов (и в особенности углекислого газа) является ядерное опреснение [14].

Используемые технологии опреснения можно разделить на две группы - термические процессы и мембранные процессы. Многоступенчатое мгновенное вскипание (MSF1) и метод многоколонной дистилляции (MED2) (включая сжатие пара, VC3) являются наиболее популярными термическими технологиями. Среди мембранных технологий преобладает метод опреснения воды, называемый обратным осмосом (ЯО4). В части масштабов использования среди методов опреснения процессы RO лидируют (они обладают в настоящее время ~ 53% всего мирового рынка опреснения). Технологии термического опреснения составляют 33% этого рынка, а оставшаяся часть включает технологии электродиализа (ED5) и некоторых других процессов опреснения [15-17]. Более полная информация об особенностях различных методов опреснения будет дана в следующих главах настоящей диссертации.

1 Multi-Stage Flash Distillation

2 Multi-Effect Desalination

3 Vapor Compression

4 Reverse Osmosis

5 Electrodialysis

В настоящее время в Иране строятся крупные опреснительные установки, использующие теплоту сжигания органических топлив. Они будут потреблять значительные количества тепловой энергии и интенсивно загрязнять атмосферу выбросами продуктов сгорания, поэтому естественным образом возникает вопрос об использовании альтернативных надёжных и экологически чистых источников энергии опреснительных производств. В настоящее время в качестве источника энергии, необходимой для опреснения, в основном используется сжигание нефти. Однако повышение цен на нефть и тенденция к созданию крупных и, следовательно, энергоемких ОУ стимулирует поиск других источников энергии. К числу альтернативных и активно изучаемых в последнее время вариантов энергоустановок относятся атомные электростанции (АЭС) (на них могут быть установлены опреснительные приставки). Такие, а также специализированные двухцелевые комплексы, предназначенные для одновременного производства электричества в целях удовлетворения энергетических потребностей и теплоты для опреснения больших объемов соленой воды [18].

По нашему мнению, переход на использование ядерного источника энергии для опреснения воды приведет к значительно улучшенной экологической ситуации в Иране. Он заполнит также разрыв между спросом и предложением электроэнергии в стране и одновременно обеспечит производство воды для питья и орошения сельскохозяйственных территорий, создаст рабочие места, поддержит переход к низко-углеродному будущему снижая ущерб здоровью людей и сохраняя природу.

В связи со всем вышесказанным, крайне актуальным представляется проведение анализа и выбор наиболее энергоэффективных и экономически выгодных ОУ, действующих совместно с ЯЭУ или действующих в составе специализированных многоцелевых атомных комплексов (МАК). Методической основой этого анализа является разработанная нами компьютерная программа «экономико-термодинамического анализа ядерно-опреснительного комплекса (ЭТАЯОК)».

Объект исследования. Сочетание ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с технологиями опреснения при использовании различных схем их интеграции, применительно к потребностям в энергии и воде.

Степень разработанности темы. Вопросы разработок новых технологий крупнотоннажного опреснения морской воды с использованием устойчивых энергоисточников рассматривались широким кругом исследователей: Gorjian S. (2015), Ghorbani N. (2016), Shakib S.E. (2019), Rezaei А. (2017). Однако, при выполнении работ по данной тематике, их авторы ограничивались использованием компьютерных программ для экономической оценки, которые фактически не включали гибридные технологии опреснения [14-16]. В настоящей диссертации рассматриваются термические и мембранные процессы опреснения, а также различные схемы

гибридной технологии опреснения с использованием ядерных реакторов большой и малой мощности, учитывая специфические условия как в отношении потребностей в энергии и воде, так и в отношении возможностей страны в обеспечении этих потребностей. Тем не менее, разработанная нами методика может быть использована и для других стран или регионов мира, где требуются технологии получения устойчивой чистой энергии и пресной воды. Поэтому можно надеяться, что выводы и рекомендации, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при развитии атомного опреснения и в других странах с аналогичными Ирану природными условиями.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в определении рекомендуемых применительно к потребностям и возможностям Ирана многоцелевых атомных энерготехнологических комплексов, предназначенных для одновременного производства энергии (электрической и тепловой) и крупнотоннажного производства пресной воды путем опреснения морской воды. Выбор оборудования МАК производится на основе проведенного нами технико-экономического исследования с учетом специфических условий Ирана и с надеждой на то, что ядерное опреснение найдет в стране широкое применение. Следует отметить, что при разработке специализированных атомных энергоустановок для МАК можно применять технические решения, позволяющие повысить уровень безопасности и надёжности при одновременном повышении экономичности по сравнению со стандартными ЯЭУ атомных станций. Можно, например, создать энергетические системы с меньшими по сравнению со стандартными АЭС уровнями температур и давлений, что позволяет применить более дешёвое оборудование с меньшим потреблением тепловой энергии, которое, к тому же, более безопасно, так как последствия аварий (течей, разрывов труб и т.п.) при низких параметрах сред менее тяжёлые, чем при высоких параметрах. Задачи исследования:

1. Обзор и изучение современного состояния и проблем развития технологий опреснения морских и солоноватых вод в Иране и различных методов опреснения морской воды, которые могут быть использованы при крупнотоннажном производстве пресной воды.

2. Выбор наиболее подходящих для применения в Иране ядерно-опреснительных комплексов для целей когенерации электроэнергии и пресной воды с учетом экономических и термодинамических параметров.

3. Термоэкономическое исследование различных технологий опреснения при использовании различных возможных схем интеграции ядерного энергоблока с ОУ.

4. Исследование различных схем МАК, при которых стоимость полученной пресной воды снижается путем применении различных технических приемов, таких как использование концентрата блока обратного осмоса в качестве питательной воды систем термического

опреснения, использование воды, охлаждающей конденсатор турбины ЯЭУ для питания блока обратного осмоса.

5. Анализ технико-экономических показателей МАК с использованием малых модульных реакторов (SMR - small modular reactor) в Иране.

Научная и методическая новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана новая расчетная модель для расчета технико-экономических показателей ОУ, действующих совместно с ЯЭУ с учетом специфических условий страны-заказчика ядерно-опреснительного комплекса.

2. Получены новые результаты исследования варианта интеграции ЯЭУ с ОУ, при котором концентрат (рассол) блока обратного осмоса используется в качестве питательной воды систем термического опреснения, позволяющего значительно снижать объемы забираемой воды.

3. Получены новые результаты исследования схемы МАК с использованием воды на выходе конденсатора турбины ЯЭУ в качестве питательной воды систем обратного осмоса, что позволит увеличивать проницаемость мембран и одновременно снизить стоимость получаемой пресной воды.

4. Получены новые результаты технико-экономического анализа использования в Иране малых модульных реакторов для обеспечения ОУ электрической и тепловой энергией; этот анализ проведен с помощью разработанной нами программы и программы термодинамической оценки ядерно-опреснительных систем DE-TOP (разработки МАГАТЭ).

Методология и методы исследования. Методической основой настоящей диссертационной работы является термоэкономическое моделирование с целью оценки различных технологий опреснения, действующих совместно с ЯЭУ. В нашей работе при моделировании различных вариантов интеграции ЯЭУ с технологиями опреснения воды использовалась разработанная нами программа ЭТАЯК, а также пакет DE-TOP.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных в работе данных с использованием сертифицированной Политехническим Университетом программы ЭТАЯК подтверждается соответствием результатов, выполненных с использованием известной программы DEEP, разработанной МАГАТЭ. Повышению уровня достоверности результатов работы способствует то обстоятельство, что работа была выполнена при консультации известного квалифицированного специалиста - технического менеджера ЯЭУ Бушер, профессора университета имени Шахида Бехешти в Иране, Амирсаида Ширани.

Личное участие автора заключалось в постановке задач исследования, разработке схем различных вариантов интеграции ЯЭУ с технологиями опреснения; в проведении

математического моделирования гибридных процессов опреснения для расчета стоимости получаемой пресной воды; в интерпретации и обобщении полученных результатов при расчете каждого варианта ядерно-опреснительного комплекса; в разработке (совместно с соавторами) программы ЭТАЯОК.

Апробация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 в журналах, входящих в перечень рецензируемых ВАК научных изданий, 8 в международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus и Web of Sciense, 5 в материалах международных и всероссийских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня сокращений и условных обозначений, списка литературы. Работа содержит 116 страниц, 61 иллюстраций, 20 таблиц.

ГЛАВА 1. Современное состояние и проблемы развития технологий опреснения морских

и солоноватых вод в Иране

1.1. Дефицит пресной воды в мире и в Иране. Водные ресурсы Ирана

Дефицит пресной питьевой и используемой для орошения полей воды в мире знаком человечеству с древнейших времён; с конца двадцатого века он рассматривается как одна из глобальных проблем современности. По мере роста численности населения нашей планеты значительно увеличивались масштабы водопотребления, и, соответственно, вододефицита, что стало приводить к ухудшающимся условиям жизни и замедлило экономическое развитие стран, испытывающих этот дефицит. 70% населения мира в настоящее время страдает от дефицита воды как минимум один месяц в году (см. Рис. 1.1). В связи с растущим загрязнением источников воды, ростом населения, освоением новых территорий и наступления пустынь встаёт задача искусственного получения необходимого количества пресной воды. В настоящее время для этого используют главным образом следующие способы [19]:

- опреснение морской воды с использованием различных энергоресурсов;

- конденсация водяных паров из воздуха, в том числе с использованием более холодной глубинной морской воды;

- конденсация водяного пара из воздуха в аккумуляторах холода, в частности — в аккумуляторах естественного происхождения, таких как пещеры в прибрежных скалах.

Низкий (<10%) ■ Высокий (40-80%)

Низкий - средний (10-20%) н Крайне высокий (>%80) Средний - высокий (20-40%) Нет данных

4

V

I

Рисунок 1.1. Карта дефицита пресной воды в мире [20]

1.1.1. Географическое положение Ирана

Иран расположен в юго-западной Азии на стыке Ближнего и Среднего Востока. С севера территория страны омывается Каспийским морем, с юга - Персидским и Оманским заливами. Иран граничит по суше с семью государствами: Азербайджаном, Арменией, Афганистаном, Ираком, Пакистаном, Туркменистаном, Турцией; а также делит акваторию Каспийского моря с Россией и Казахстаном, акваторию Персидского залива - с Кувейтом, Саудовской Аравией, Катаром, Бахрейном, акваторию Оманского залива - с Оманом (см. Рис. 1.2). По площади территории (1648000 км2) Иран занимает 17-е место в мире. На территории Ирана поместились бы пять таких стран, как Германия.

Рисунок 1.2. Географическое положение Ирана 1.1.2. Климат регионов Ирана

Климатические особенности регионов Ирана определяются его географическим положением на азиатском континенте и преобладанием горного рельефа, препятствующего влиянию океана. Достаточное количество осадков получают только высокогорный район Загрос и побережье Каспийского моря, где распространено богарное земледелие. Лето повсеместно жаркое со средней температурой по стране 27-32 °С. Дневные температуры нередко достигают 32-38 °С, ночью они опускаются до 16-21 °С. На высотах более 1500 м воздух прогревается

значительно слабее. Значительно более заметны зимние различия в температурном режиме между северной и южной частями страны. На севере, за исключением полосы вдоль Каспийского моря, зимы холодные и снежные, на юге они мягкие и теплые. Средние январские температуры составляют в Тегеране 2°С. На юге дневные температуры зимой изменяются от умеренных до теплых, а ночью опускаются приблизительно до 11-14 °С. 1.1.3. Водные ресурсы Ирана

Из-за засушливого климата и гористого рельефа Иран испытывает недостаток водных ресурсов. Основным водным ресурсом страны являются атмосферные осадки. Годовое количество осадков в стране составляет 413 миллиардов кубометров, оно сильно варьируется по территории страны - от менее 50 мм в центральных регионах до около 1000 мм на побережье Каспийского моря (см. Рис. 1.3). Выпадение осадков находится на уровне около одной трети среднегодового мирового выпадения осадков [21]. Жаркие и сухие климатические условия Ирана также обусловлены географически. В результате эвапотранспирация водных ресурсов в Иране значительно выше средних мировых показателей - более чем две трети из осадков испаряется через несколько дней после выпадения.

Рисунок 1.3. Распределение среднегодовых осадков в Иране [21] Вторым по величине источником пресной воды в Иране являются реки и озера. Река Карун берет начало в Загросе и протекает, главным образом, по территории Хузестана на юго-западе страны. Крупнейшее в Иране озеро Урмия расположено на его северо-западе. Другая крупная река Ирана, текущая с территории Турции - Аракс, имеет притоки на территории

Армении и Азербайджана до ее попадания на территорию Ирана. Общая протяженность этой реки — 950 км. Другие значимые водные ресурсы - это реки Кархе, Дез и Заянде. Большое количество мелких коротких рек имеется на севере Ирана. Все они стекают с Эльбруса и впадают в Каспийское (Хазарское) море. Реки в центральном Иране полноводны лишь в короткий период таяния снегов в горах, но большую часть года они пересыхают. В южной части Ирана зимой выпадают главным образом жидкие осадки (как правило в виде сильных ливней) ~ 6-30 дней в году.

В целях хранения пресных вод в Иране построено несколько плотин и водохранилищ. Ресурсы подземных вод используются в сельском хозяйстве, однако в некоторых частях страны ситуация с подземными водами является критической - их мало, что негативно валяет на состояние сельского хозяйства в этих регионах. Причины нехватки пресной воды в Иране можно перечислять следующим образом:

- влияние климата,

- деятельность человека,

- загрязнение пресноводных экосистем,

- урбанизация и изменения в землепользовании,

- недостатки в управления водными ресурсами.

1.2. Методы опреснения морской воды, которые могут быть использованы при крупнотоннажном производстве пресной воды в Иране

На данный момент в мире известны и применяются несколько технологий для опреснения морской воды. В большинстве своем они характеризуются высоким уровнем энергопотребления (различных видов энергии) и высокими капитальными и эксплуатационными затратами. Использование каждой технологии связано с качеством и количеством получаемой пресной воды, количеством потребления энергии, эффективностью процесса и себестоимостью продукции. Исходя из требований по условиям реализации опреснительного процесса и требований к получаемому конечному продукту, при проектировании опреснительной системы необходимо подобрать наиболее подходящую технологию опреснения. В нашей работе рассматривается крупнотоннажное опреснение морской воды (крупнотоннажным обычно считается опреснение на уровне более 10000 м3/сут). Самые популярные используемые в мире технологии опреснения представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 . Технологии и процессы опреснения морской воды

Источник энергии Технология Процесс

Электрический Обратный осмос (RO) Ионная фильтрация

Электродиализ (ББ) Ионная миграция

Многоступенчатое мгновенное

вскипание (MSF)

Многоколонная дистилляция

(MED) Испарение

Тепловой

+ Электрический Термическая компрессия пара

Мембранная дистилляция (MD) Испарение и Фильтрование

Замораживание Кристаллизация

Гидратообразование

Ионный обмен (IX) Физико-химические

Химический процессы на молекулярном уровне

Экстракция

За период с 2000 по 2015 годы совокупная производительность ОУ в мире увеличилась примерно на 60 миллионов кубометров в сут [9]. Наибольшее распространение в настоящее время получили технологии обратного осмоса и мгновенного вскипания как наиболее коммерчески привлекательные. Методы опреснения MSF, МED, TVC и RO в принципе вполне подходят для производства пресной воды большой и средней мощности. Так называемые гибридные системы опреснения сочетают тепловые и мембранные процессы опреснения. Их сочетания («coupling») с системой производства электроэнергии в настоящее время рассматриваются во многих странах в качестве перспективной в экономическом отношении альтернативы. На рисунке 1.4 показана современная структура производства в мире пресной воды из соленых вод по типу используемых технологий.

2015: 86,5 млн. м3 / сут

■ Обратный осмос (RO)

■ Многоступенчатое мгновенное вскипание (MSF)

■ Многоколонная дистилляция (MED)

■ Электродиализ (ED)

■ Другие

Рисунок 1.4. Структура производства пресной воды по типу используемых технологий [22] 1.2.1. Термические методы опреснения

Термические методы традиционно широко используются для опреснения морской воды. Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей конденсацией пара на охлаждаемой поверхности. Большинство дистилляционных испарительных установок работают за счет адиабатного многоступенчатого испарения или мгновенного вскипания. Метод мгновенного вскипания (Multi Stage Flash - MSF) - наиболее часто встречающаяся технология термического обессоливания морской воды. Мгновенное вскипание отличается от обычного кипения при контакте воды с поверхностью нагрева, что имеет ряд преимуществ. Процесс генерирования вторичного пара происходит в свободном пространстве испарительной камеры, в которой отсутствует греющая поверхность (см. Рис. 1.5). Это исключает образование накипи и обеспечивает необходимую производительность каждой ступени из-за мгновенного вскипания поступающей воды и превращения ее в пар. Отличительными особенностями таких установок являются: простота конструктивного исполнения, значительное число ступеней (до

нескольких десятков), прямоточный поток опресняемой воды, высокая степень ее обессоливания на выходе. Все это позволяет достигать в одном агрегате высокой производительности по пресной воде.

Рисунок 1.5. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснителя с мгновенным

вскипанием [23]

В современных многоступенчатых испарительных установках мгновенного вскипания генерация пара происходит при адиабатном вскипании воды в свободном объеме при низких температурах на уровне от 40 до 110 °С. Морская вода проходит последовательно, от последней ступени - к первой через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры с понижающимся давлением и, нагреваясь за счет тепла конденсации, поступает в головной подогреватель. В первой испарительной камере вода нагревается выше температуры кипения и вскипает. Пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, конденсат стекает в поддон, а неиспарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в следующую камеру. Давление в каждой последующей камере ниже, чем в предыдущей, поэтому процесс продолжается по всей длине аппарата. Число камер в установке достигает сорока и более.

Многоступенчатое испарение (Multi-Effect Distillation - MED) - самая старая из существующих ныне технологий обессоливания. Современные представители данной

технологии - опреснительные установки тонкопленочного типа - имеют трубчатые нагревательные элементы - тонкопленочные вертикально- и горизонтально-трубные испарители. Испарение происходит в серии камер с прогрессирующим понижением давления и температуры. Внутри каждой камеры опресняемая вода впрыскивается на поверхность пучка теплообменных труб, а греющий пар проходит внутри этих труб и конденсируется (см. Рис. 1.6). На внешней поверхности трубок тонкая пленка морской воды абсорбирует тепло пара и закипает или испаряется. Нагрев и испарение воды в первой ступени установки MED осуществляются паром котла, работающего на дистилляте; греющим паром следующей ступени служит вторичный пар предыдущей испарительной камеры. Перед тем как поступить в камеру следующей ступени, пар проходит через сепаратор пара для улавливания захваченных капель морской воды. Процесс повторяется по всей длине установки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Газаи Сейед Хади, 2021 год

Список литературы

1. Zetland D. The role of prices in managing water scarcity // Water Security. -12. - 2021. - C. 100081.

2. Рахманин Ю. А., Лычникова Т. Д., Михайлова Р. И. Состояние кальциевого обмена-и обеспеченность кальцием населения г. Шевченко, потребляющего опресненную питьевую воду // Гигиена и санитария охраны водоемов. - М. - 1973. - С. 44 - 51.

3. WEF & CERA. Thirsty energy: water and energy in the 21st century // Geneva: World Economic Forum and Cambridge Energy Research Associates. - 2008.

4. Kalogirou S. A. Seawater desalination using renewable energy sources // Prog. Energ. Combust.

- 31(3). - 2005. - C. 242-281.

5. Mannan M., et al. Examining the life-cycle environmental impacts of desalination: A case study in the State of Qatar // Desalination. - 452. - 2019. - C. 238-246.

6. AGENCY IAE. Optimization of the Coupling of Nuclear Reactors and Desalination Systems Vienna // INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. - 2005.

7. Chandrashekara M., Yadav A. Water desalination system using solar heat: A review // Renew. Sustain. Energy Rev. - 67. -2017. - C. 1308-1330.

8. Gude, V.G., Nirmalakhandan N., Deng S. Renewable and sustainable approaches for desalination // Renew. Sustain. Energy Rev. - 14(9). - 2010. - C. 2641-2654.

9. Khan SU.D., Khan SU.D., Danish S.N., Orfi J., Rana U.A., Haider S. Chapter 6 - Nuclear Energy Powered Seawater Desalination. In: Gude V.G., editor // Renewable Energy Powered Desalination Handbook, Butterworth-Heinemann. - 2018. - C. 225-64.

10. AGENCY IAE. Energy, Electricity and Nuclear Power Estimates for the Period up to 2050. Vienna // INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. - 2019.

11. Joachim M., Schmidt V. G. Nuclear cogeneration for cleaner desalination and power generation

- A feasibility study // Cleaner Engineering and Technology. - 2. - 2021. - C. 100044.

12. WHO/UNICEF. Progress on sanitation and drinking-water 2013 update // New York: WHO/UNICEF. - 2013.

13. IDA. Desalination yearbook // International Desalination Association. - 2012.

14. AGENCY IAE. Economics of Nuclear Desalination: New Developments and Site Specific Studies. Vienna // INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. - 2007.

15. Wu S., Zhang Z. An approach to improve the economy of desalination plants with a nuclear heating reactor by coupling with hybrid technologies // Desalination. - 155. - 2003. - C. 179-85.

16. A1-Mutaz I.S. Coupling of a nuclear reactor to hybrid RO-MSF desalination plants // Desalination. - 157. - 2003. - C. 259-268.

17. Subki M.H. Advantage of nuclear plants in design and technology developments for near-term deployments and associated common issues // In: Proc. 69th General conference 2015 on small modular reactors: an option for safe nuclear power technology for near term deployments. -2015.

18. Барак А., Кочетков Л.А., Крине Дж. М., Халид М. Опреснение морской воды с помощью ядерной энергии: опыт, потребности и перспективы, Обзор демонстрационных установок и последних исследований // Бюллетень МАГАТЭ. - 1990.

19. Слесаренко В. Н. Современные методы опреснения морских и солончаковых вод // Энергия. - 1973. - C. 248.

20. Mesfin M., Arjen Y. Sustainability of the blue water footprint of crops // Advances in water resources. - 143. - 2020.

21. Madani K. Water management in Iran: what is causing the looming crisis // J. Environ. Stud. Sci.

- 4(4). - 2014. - C. 315-328.

22. International Desalination Association, Desalination Yearbook // Market Profile Vol. Section 1.

- 2016)

23. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. -1981.

24. Toha K.Y., Liangab Y.Y., Lau W. J., Fimbres Weihs G. A. The techno-economic case for coupling advanced spacers to high-permeance RO membranes for desalination // Desalination. -491. -2020. - C. 114534.

25. Noreddine G., Thomas M., Gary L., Amy. // Technical review and evaluation of the economics of water desalination: Current and future challenges for better water supply sustainability. Water Desalination and Reuse Center KAUST. - 2012.

26. Ishimatsu T., Doufene A., Alawad A., de Weck O. Desalination network model driven decision support system: A case study of Saudi Arabia // Desalination. - 423. - 2017. - C. 65-78.

27. Mohsen M.S., Akash B., Abdo A. A., Akash O. Energy Options for Water Desalination in UAE // Procedia Computer Science. - 83. - 2016. - C 894-901.

28. Опреснительные установки и проекты в США [Электронный ресурс] // URL: https://www.mercurynews.com/2018/01/29/california-water-desalination-projects-move-forward-with-new-state-funding/ (дата обращения: 14.06.2020).

29. FARS News Agency. Iran's largest desalination unit to be inaugurated [Электронный ресурс] // URL: https://en.mehrnews.com (дата обращения: 18.11.2020).

30. Emami M., et al. Atomic Energy Organization of Iran (A.E.O.I.) // Desalination. - 23. -1977. -C. 465-470.

31. Gorjian S., Ghobadian B. Solar desalination: A sustainable solution to water crisis in Iran. Renew. Sustain. Energy Rev. - 48. - 2015. - C. 571-584.

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

Rezaei A., Naserbeagi A., Alahyarizadeh G., et. al. Economic evaluation of Qeshm island MED-desalination plant coupling with different energy sources including fossils and nuclear power plants // Desalination. - 422. - 2017. - C. 101-12.

Financial Tribune. Desalination Plant Starts Operation in Iran's Bandar Abbas [Электронный

ресурс] // URL: https://financialtribune.com/ (дата обращения: 23.10.2019).

Fried A., Serio B. Water industry segment report desalination // San Diego. - 2012.

Khalid F., Dincer I., Rosen M.A. Comparative assessment of CANDU 6 and Sodiumcooled Fast

Reactors for nuclear desalination // Desalination. - 379. - 2016. - C. 182-92.

AGENCY IAE. Status of Nuclear Desalination in IAEA Member States. Vienna //

INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. - 2007.

New Technologies for Seawater Desalination Using Nuclear Energy // IAEA TecDoc. - 1753. -2015.

Gas production data // Rystad Energy UCube. - 2018.

Business Monitor International (BMI) Research // Iran Power Report. - 2018.

PV Magazine. "Iran Reveals 5 GW Plans for Solar and Wind," May 2014 [Электронный

ресурс] // URL: https://www.pv-magazine.com/2014/05/08/iran-reveals-5-gw-plans-for-solar-

and-wind_100015040/ (дата обращения: 20.4.2021).

Age of awareness. Renewables Are Booming in Iran. [Электронный ресурс] // URL: https://medium.com/ (дата обращения: 25.12.2018).

Иран сегодня. Нужны ли Ирану возобновляемые источники энергии [Электронный ресурс] // URL: http://iransegodnya.ru (дата обращения: 15.02.2018).

Luo C., Wu D. Environment and economic risk: an analysis of carbon emission market and portfolio management // Environ. Res. - 149. - 2016. - C. 297-301.

Leung D.Y.C., Caramanna G., Maroto-Valer M.M. An overview of current status of carbon dioxide capture and storage technologies // Renew. Sustain. Energy Rev. - 39. - 2014. - C. 426443.

Boden T.A., Marland G., Andres R.J. Global, Regional, and National Fossil-Fuel CO2 Emissions. Carbon Dioxide Information Analysis Center // Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tenn. U.S.A. - 2017.

Mirzaei M., Bekri M. Energy consumption and CO2 emissions in Iran, 2025 // Environ. Res. -154. - 2017. -C. 345-51.

Country Nuclear Power Profiles. Islamic Republic of Iran // IAEA. - 2018. eds S., Krivit B., Lehr J. H., Kingery Frontmatter T. B. // Nuclear Energy Encyclopedia. - 2011. Alonso G., Vargas S., Del Valle E., Ramirez R. Alternatives of seawater desalination using nuclear power // Nucl. Eng. Des. - 245. - 2012. - C. 39-48.

50. Al-Othman A., Darwish N.N., Qasim M., Tawalbeh M., Darwish N.A., Hilal N. Nuclear desalination: A state-of-the-art review // Desalination. - 457. - 2019. - C. 39-61.

51. Ansari K., Sayyaadi H., Amidpour M. A comprehensive approach in optimization of a dual nuclear power and desalination system // Desalination. - 269(1). - 2011. - C. 25-34.

52. Khamis I., El-Emam R.S. IAEA coordinated research activity on nuclear desalination: the quest for new technologies and techno-economic assessment // Desalination. - 394. 2016. - C. 56-63.

53. Jafari Mosleh H., Jahangiri Mamouri S., Shafii M.B., Hakim Sima A. A new desalination system using a combination of heat pipe, evacuated tube and parabolic trough collector // Energy Conversion and Management. - 99. - 2015. - C. 141-50.

54. Jouhara H. Economic assessment of the benefits of wraparound heat pipes in ventilation processes for hot and humid climates // Int. J. Low-Carbon Technol. - 4(1). - 2009. - C. 52-60.

55. El-Emam R.S., Dincer I. Thermodynamic and thermoeconomic analyses of seawater reverse osmosis desalination plant with energy recovery // Energy. - 64 .- 2014. - C. 154-163.

56. Al-Mutaz, I.S. Hybrid RO MSF: a practical option for nuclear desalination // Int. J. of Nuclear Desalination. - 1. - 2003. - C. 47-57.

57. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Introduction of Nuclear Desalination: A Guidebook // Technical Reports Series No. 400, IAEA, Vienna. - 2000.

58. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Opportunities for Cogeneration with Nuclear Energy // Nuclear Energy Series No. NP-T-4.1, IAEA, Vienna. - 2017.

59. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Hydrogen Production Using Nuclear Energy // IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-4.2, IAEA, Vienna. - 2013.

60. Verfondern, K. Nuclear Energy for Hydrogen Production // Energy Technology. - 58. - 2007.

61. Bouaichaoui, Y., Belkaid, A., Amzert, S.A. Economic and safety aspects in nuclear seawater desalination // Procedia Eng. - 33. - 2012. - C. 146-154.

62. WORLD BANK GROUP, White Paper on Cost of desalination for domestic water supply in the mena region // prepared by Water Globe Consultants. - 2016.

63. Khan SU-D., Khan SU-D., Haider S., El-Leathy A., Rana U.A., Danish S.N., et al. Development and techno-economic analysis of small modular nuclear reactor and desalination system across Middle East and North Africa region // Desalination. - 406. - 2017. - C. 51-59.

64. Kavvadias K.C., Khamis I. The IAEA DEEP desalination economic model: A critical review // Desalination. - 257(1). - 2010. - C. 150-157.

65. Papapetrou M., Cipollina A., La Commare U., Micale G., Zaragoza G., Kosmadakis G. Assessment of methodologies and data used to calculate desalination costs // Desalination. -419. -2017. - C. 8-19.

66. Pinto F.S., Marques R.C. Desalination projects economic feasibility: A standardization of cost determinants // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 78. - 2017. - C. 904-915.

67. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY // DEEP 5 User Manual, Vienna. - 2013.

68. Sommariva, C. Desalination and Advance Water Treatment Economics and Financing // Ph.D. thesis. - 2009. ISBN 0-86689-069-6.

69. Al-Obaidi M. A., Filippini G., Manenti F., Mujtaba I.M. Cost evaluation and optimisation of hybrid multi effect distillation and reverse osmosis system for seawater desalination // Desalination. -456. - 2019. - C. 136-149.

70. Sadeghi K., Ghazaie S.H., Sokolova E., Fedorovich E., Shirani A. Comprehensive Techno-Economic Analysis of Integrated Nuclear Power Plant Equipped with Various Hybrid Desalination Systems // Desalination. - 493. - 2020. - C. 114623.

71. Skiborowski M., Mhamdi A., Kraemer K., Marquardt W. Model-based structural optimization of seawater desalination plants // Desalination. - 292. -2012. - C. 30-44.

72. Du and Parsons, Update on the cost of Nuclear Power, EIA // Annual Energy Outlook. - 2009.

73. Boarin S., Ricotti M. E. Advanced Integral Type Reactors: Passive Safety Design and Experiment // Science and Technology of Nuclear Installations. - 2014. - C. 8.

74. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Safety Aspects of Nuclear Plants Coupled with Seawater Desalination Units // IAEA-TECDOC-1235, IAEA, Vienna. - 2001.

75. Buongiorno J., Center for Advanced Nuclear Energy Systems // PWR description. - 2010.

76. Fichtner (Fichtner GmbH & Co. KG) and DLR (Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e.V.). MENA Regional Water Outlook, Part II Desalination Using Renewable Energy, Task 1-Desalination Potential; Task 2-Energy Requirements; Task 3-Concentrate Management. - 2011

77. Sanchez-Cervera I.G., Kavvadias K.C., Khamis I. DE-TOP: A new IAEA tool for the thermodynamic evaluation of nuclear desalination // Desalination. - 321. - 2013. - C. 103-109.

78. Iran interest rate: Trading economics (August of 2019). Central Bank of Iran [Электронный ресурс] // URL: https://tradingeconomics.com/iran/interest-rate (дата обращения: 15.11.2020).

79. Fadayi A., Karimian V. The economics of the nuclear power //Energy & Econom. 133. - 2010. -C. 35-41.

80. Ghazaie S.H., Sadeghi K., Sokolova E., Fedorovich E., Shirani A. Comparative Analysis of Hybrid Desalination Technologies Powered by SMR // Energies. - 13. -2020. - C. 5006.

81. Lienhard John H., Thiel Gregory P. Warsinger David M., Banchik Leonardo D. Low Carbon Desalination: Status and Research, Development, and Demonstration Needs // Report of a workshop conducted at the Massachusetts Institute of Technology in association with the Global Clean Water Desalination Alliance. MIT Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab, Cambridge, Massachusetts. - 2016.

82. World Health Organization, Total dissolved solids in Drinking-water. - 2003.

83. Ingersoll D.T., Houghton Z.J., Bromm R., Desportes C. NuScale small modular reactor for Co-generation of electricity and water // Desalination. - 340. - 2014. - C. 84-93.