海水淡化助力轮船远航，浅谈海水淡化技术及应用

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海水淡化助力轮船远航

轮船出海前要备足淡水和食物。而有的军舰却只储备食物，而不储备淡水，这是为什么呢？这是因为军舰上有特殊装置，能把海水淡化。他们利用离子交换树脂，将海水中的钙、镁等盐类的离子交换出来，使水淡化，这样饮用起来比较方便。

科学家们一直在研究海水淡化的新方法，可是直到20世纪70年代末才取得重大突破，美国杜邦公司研制成功了中空纤维海水淡化器。这种淡化器直径20米，长2.5米，里面装有5万多根外径只有0.5～1.2 毫米的中空 纤 维 。 只要加上20多千克的压力，每小时就可以从海水中生产出36吨淡水。中空纤维是怎样把又苦又咸的海水变成清澈甘泉的呢？我们知道，如果将一张半透膜隔于纯水和海水之间，那纯水就会穿过半透膜渗到海水中去。但是，如果给海水加以一定的压力（大于水的渗透压），海水中的水分子就会通过半透膜到纯水中来叫反渗透。海上航行的舰船，带上这种淡化器，航行时间长多了。

海水淡化的几种主要工艺

　　海水淡化(又称海水脱盐)是分离海水中盐和水的过程。从海水中取出水,或除去海水中的盐,都可以达到淡化目的。海水淡化的方法,基本上也分为这两大类。

　　其中得到大规模商业应用的是反渗透法、电渗析法和蒸馏法。

①   反渗透法(Reverse osmosis, RO)

在压力驱动下,海水中的淡水通过半透膜进入膜的低压侧,而海水中的其他组分(如盐)被阻挡在膜的高压侧并随浓缩海水排出,从而达到有效的分离。海水淡化时,在海水一侧施加大于海水渗透压的外压,则海水中的纯水将反向渗透至淡水中,此即反渗透海水淡化原理(图1) 。为了取得必要的淡化速率,实际操作压力大于5.5MPa。

反渗透法，通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重转向反渗透法。

反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。

图1 反渗透脱盐过程

图2 反渗透膜构造示意图

图3 反渗透脱盐过程

②   电渗析法( Electrodialysis,ED)

在直流电场的作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析(图2) 。

电渗析法

该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。

图4 电渗透脱盐过程

3蒸馏法

蒸馏法的海水淡化原理简单,即将海水加热,待水蒸汽冷凝后得到淡水。蒸馏法依据所用能源、设备及流程的不同,分为多级闪蒸(Multi- stage flash distillation,MSF) 、低温多效(Multiple effect distillation,MED)和蒸汽压缩蒸馏(Vaporcom-pression,VC)等。其中,低温多效在70℃以下进行操作,远低于多级闪蒸110℃左右的蒸汽温度,有效地避免了无机盐的结垢,是目前最为适用的蒸发技术之一。同时,它可利用各种形式的低位热源,如与火电厂或核电厂结合,利用蒸汽轮机的背压0.02～0.04MPa (绝对压力)抽气造水,减少发电损失,提高发电机组的效率(图3)。

低温多效

多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。

图5 利用蒸汽轮机背压蒸汽的MED工艺流程

图6 燃煤电厂低温多效蒸馏海水淡化装置

多级闪蒸

所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。

海水淡化的联产

水电联产

水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。

热膜联产

热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），满足不同用水需求，降低海水淡化成本。目前，世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂，日产海水淡化水量为45.4万立方米，其中，MSF日产水28.4万立方米，RO日产水17万立方米。其优点是：投资成本低，可共用海水取水口。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。

此外，以上方法的其他组合也日益受到重视。在实际选用中，究竟哪种方法最好，也不是绝对的，要根据规模大小、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。

实际上，一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。就主要工艺过程来说，包括海水预处理、淡化（脱盐）、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理，如杀除海生物，降低浊度、除掉悬浮物（对反渗透法），或脱气（对蒸馏法），添加必要的药剂等；脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分，是整个淡化系统的核心部分，

这一过程除要求高效脱盐外，往往需要解决设备的防腐与防垢问题，有些工艺中还要求有相应的能量回收措施；后处理则是对不同淡化方法的产品水针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。海水淡化过程无论采用哪种淡化方法，都存在着能量的优化利用与回收，设备防垢和防腐，以及浓盐水的正确排放等问题。

海水淡化技术的发展与工业应用，已有半个世纪的历史，在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为，今后三、四十年在工业应用上，仍将是这三项技术“唱主角”，但反渗透的比重将越来越大。从地区上来讲，中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选，因为它具有大型化和超大型化（单台设备产水量目前已高达日产淡水4～5万吨）、适应于污染重的海湾水以及预处理费用低的优势；然而在中东以外地区将以反渗透或膜法为首选，因为膜法的能耗和成本都具有优势，以北美地区为例，近期的发展已经表明，在淡化和水处理方面都将以膜法为主。

我国2013年海水淡化发展现状分析

（一）工程规模

近年来，全国已建成海水淡化1工程总体规模不断增长（图1）。截止2013年底，全国已建成海水淡化工程103个（附表1），产水规模900830吨/日，较2012年增长了16%。其中，2013年，全国新建成海水淡化工程8个，新增海水淡化工程产水规模125465吨/日。

                              

图7 全国海水淡化工程规模增长图

截 止2013年底，全国已建成万吨级以上海水淡化工程26个，产水规模800300吨/日；千吨级以上、万吨级以下海水淡化工程31个，产水规模91500 吨/日；千吨级以下海水淡化工程46个，产水规模9030吨/日。全国已建成最大海水淡化工程规模20万吨/日。

（二）区域分布

截 止2013年底，全国海水淡化工程在沿海9个省市都有分布（图2），主要是在水资源严重短缺的沿海城市和海岛。北方以大规模的工业用海水淡化工程为主，主 要集中在天津、河北、山东等地的电力、钢铁等高耗水行业；南方以民用海岛海水淡化工程居多，主要分布在浙江、福建、海南等地，以百吨级和千吨级工程为主。

图8 全国沿海省市海水淡化工程分布图

截 止2013年底，天津已建成海水淡化工程规模317245吨/日，河北已建成海水淡化工程规模167500吨/日，山东已建成海水淡化工程规模 165205吨/日，浙江已建成海水淡化工程规模120495吨/日，辽宁已建成海水淡化工程规模87664吨/日，广东已建成海水淡化工程规模 30820吨/日，福建已建成海水淡化工程规模10931吨/日，海南已建成海水淡化工程规模870吨/日，江苏已建成海水淡化工程规模100吨/日。其 中，在海岛地区，海水淡化工程规模为77275吨/日，主要分布在浙江、山东和辽宁。

（三）技术进展与应用

反渗透（RO）2、低温多效（LT-MED）3和多级闪蒸（MSF）4海水淡化技术是国际上已商业化应用的主流海水淡化技术。我国已掌握反渗透和低温多效海水淡化技术，相关技术达到或接近国际先进水平。

截 止2013年底，全国应用反渗透技术的工程90个，产水规模573540吨/日，占全国总产水规模的63.67%；应用低温多效技术的工程11个，产水规 模321090吨/日，占全国总产水规模的35.64%；应用多级闪蒸技术的工程1个，产水规模6000吨/日，占全国总产水规模的0.67%；应用电渗析技术的工程1个，产水规模200吨/日，占全国总产水规模的0.02%。图9为全国海水淡化工程技术应用情况分布图。

图9 全国海水淡化工程技术应用情况分布图

自 主设计建造的浙江六横20000吨/日反渗透和河北黄骅12500吨/日低温多效海水淡化装置运行良好。由众和海水淡化工程有限公司设计制造并出口印度尼 西亚的3000吨/日、4500吨/日共6台低温多效海水淡化装置运转正常。“3000吨/日、4500吨/日低温多效海水淡化成套技术国产化及应用”项目获得2013年度海洋科学技术奖一等奖。2013年，河北黄骅电厂自主设计新建了25000吨/日低温多效海水淡化装置。海水淡化高压泵设计与开发工作 取得突破，“万吨级高效海水淡化高压泵设计开发与工程示范”项目获得2013年江苏省科学技术奖二等奖。

（四）海水淡化水用途

全国海水淡化工程产水的终端用户主要分为两类：一类是工业用水，如：首钢京唐港、天津大港新泉、辽宁红沿河等海水淡化工程；另一类是民用供水，如：浙江嵊泗、西沙永兴岛、赵述岛等岛屿海水淡化工程。

截 止2013年底，海水淡化水用于工业用水的工程规模为637260吨/日，占总工程规模的70.74%。其中，火电企业为30.43%，核电企业为 2.44%，热电企业为3.33%，化工企业为12.21%，石化企业为14.00%，钢铁企业为8.33%。用于居民生活用水的工程规模为263330 吨/日，占总工程规模的29.23%。用于绿化等其他用水的工程规模为240吨/日，占0.03%。图10为全国已建成海水淡化工程产水用途分布情况。

图10 全国已建成海水淡化工程产水用途分布图

在 实际运行中，根据工程产水用途的不同，其海水淡化工程投产情况也各不相同。其中，海岛居民用海水淡化工程，因不同年份降水量存在差异，这类工程多根据居民需水量调节其产水量；工业用海水淡化工程，其规模多根据厂区需水量设计，实际产水量可达到设计规模的60%～70%；工业与民用结合的海水淡化工程，受海 水淡化水进入市政供水管网的限制，实际产水量较低。2013年，工业与民用结合的海水淡化工程运营单位积极联系下游企业，通过多目标用户供水，提高了实际 产水量。天津北疆电厂海水淡化工程除供厂区生产生活用水及为汉沽自来水厂供水外，还与中新生态城签订供水协议，2013年9月开始为中新生态城供水；河北 黄骅电厂海水淡化工程除供厂区生产生活用水外，其余淡化水全部通过供水管网为周边企业供水。

（五）成本与能源

海 水淡化成本主要由投资成本、运行维护成本和能源消耗成本构成。其中，运行维护成本包括：维修成本、药剂成本、膜更换成本、管理成本和人力成本等。随着技术的进步和规模的增长，国际海水淡化成本呈下降趋势。受工程规模、技术选择、能源价格、维护成本、人工费用等因素的影响以及产水成本计算方法的不 同，2013年我国海水淡化工程产水成本集中在（5～8）元/吨，已接近国际水平。其中，万吨级以上海水淡化工程平均产水成本6.95元/吨，千吨级海水 淡化工程平均产水成本8.15元/吨。

全 国已建成海水淡化工程的能源主要由电力提供。其中，反渗透海水淡化工程能源以电力为主，一类是由国家电网提供，占工程数量的63.9%；另一类是由本厂自 发电设备提供，占工程数量的36.1%。低温多效和多级闪蒸海水淡化工程主要采用电力与蒸汽相结合的能源利用形式，电力和蒸汽均来自其所依托的电厂。同时，沿海依托各自能源优势，积极探索太阳能、风能等可再生能源与海水淡化技术的耦合以及多种能源互补技术。

（六）工程取排水

我 国海水淡化工程的取排水口主要集中分布在辽东半岛东部海域、渤海湾海域、山东半岛东北部及南部海域、舟山群岛海域及浙中南海域，多位于港口航运区、工业与城镇用海区、特殊利用区。工程用海方式大部分为“取排水口用海”，少数为用于厂区建设的“填海造地用海”和“蓄水池、沉淀池等用海”。工程取水方式以岸边 取水、管道取水和借用已有取水设施取水为主，少数工程采用海滩井取水、潮汐取水、真空虹吸取水等方式，取水距离从（30～3500）米不等，大多数为 （100～300）米。浓海水排放方式主要分为两类：一类是排海处理，包括直接排入海洋、混合后排入海洋等；另一类是再利用，包括综合利用、温海水养殖等。

图11 反渗透海水淡化设备

海水淡化国际发展趋势

近年来世界上海水淡化正向高效化、低能化和规模化的目标发展，反渗透（SWRO）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸发（MED）更成为适用于大型海水淡化技术的主流。

MSF近年主要进展在：单机容量进一步扩大，系统设计最佳化、管理软件化、操作自动化；采用聚羧酸酯等新型防垢、抑垢和分散剂，可提升运行温度；开发新兴高级奥氏不锈钢代替镍基合金，提高运行可靠性、稳定性；工艺改进，有利降低能耗使目前总体水平处于10—14kwh/m淡水状态。

MED方法的主要进展在低温多效操作技术的开发，以减少结垢、腐蚀，降低成本，通常能够在6.0—8.0kwh/m3。

SWRD技术从膜、组件和工艺已日趋成熟，近年来重大进展在于功能交换器和压力交换器的成功开发，可使能量回收高达90%以上，从而使其能耗降至3.8～4.3kwh/m3淡水。

近年国际海水淡化项目招标中，总以工程投资最低、造水能耗最低、运行成本最低，以及建设周期最短和占地面积最少等优势为基本条件和要求。

总之，海水淡化既是水资源开发的重要途径，而且梦已成真、可望可即。可以肯定，随着陆用水资源的日渐枯竭，海洋必将成为海水淡化技术大有用武的主战场。

                              

图12 海水淡化市场分布

海水淡化潜在市场

海水淡化的潜在大市场海水淡化业市场主要包括有工程设计、设备制造、工程安装、淡化水产品提供、技术服务等等。

从国际市场方面来看，20世纪70年代以来，大多数沿海国家由于水资源问题日益突出，都直接卷入了海水淡化的发展潮流。无论是中东的产油国还是西方的发达国家，都建设有相当规模的海水淡化厂或海水淡化示范装置，北欧、南美和东亚地区每年海水淡化设备进口和工程安装市场有近100亿美元，且仍在高幅增长之中，南亚、中亚和非洲也有众多的海水淡化潜在用户。海水淡化的国际市场规模巨大。