海水淡化方法

海水淡化方法 现代意义上的海水淡化则是在第二次世界大战以后才发展起来的。战后由于国际资本大力开发中东地区石油，使这一地区经济迅速发展，人口快速增加，这个原本干旱的地区对淡水资源的需求与日俱增。而中东地区独特的地理位置和气候条件，加之其丰富的能源资源，又使得海水淡化成为该地区解决淡水资源短缺问的现实选择，并对海水淡化装置提出了大型化的要求。在这样的背景下，20世纪60年代初，多级闪蒸海水淡化技术应运而生。现代海水淡化产业也由此步入了快速发展的时代。 海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区，但并不局限于该地区。由于世界上70,以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域，因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。最新资料表明，到2003年止，世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡化厂，其生产能力达到日产淡水3600万吨。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，淡化水大约养活世界5,的人口。海水淡化，事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题，普遍采用的一种战略选择，其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。 蒸馏法 蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原旦如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带的咸味的。根据设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等。 冷冻法 1 冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法与蒸馏法都有难以克服的弊端，其中蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而所得到的淡水却并不多;而冷冻法同样要消耗许多能源，但得到的淡水味道却不佳，难以使用。 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，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。 太阳能法 人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比,太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合 2 是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。 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。 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。 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 3 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。 压汽蒸馏 压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。 流通电容吸附法 露点蒸发法 露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。 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 4 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 5 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。 海水淡化发展趋势 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。 海水淡化潜在市场 6 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。 从国内市场方面来看，针对我国的国情，海水淡化可定位于市政用水的补充，以缓解供水紧张状况，同时也可用于废水资源化，达到废水回用的目的。我国是一个海洋大国，海水资源极其丰富，西部地区则有相对丰富的苦咸水资源，这为我国发展海水淡化产业提供了前提和基础。另一方面，我国淡水资源的紧缺已众所周知，每年全国缺水数百亿立方米，因缺水影响的国民产值达数千亿元。可见工程设计、设备制造、淡水提供、技术服务等海水淡化产业具有广阔的国内市场空间。 针对海水淡化设备制造市场而言，目前我国已基本具备了海水淡化设备的加工制造能力，质量保证体系也可以满足要求，其设备制造成本比国外至少低30%左右，在国际市场上具有很强的价格竞争能力。 我国海水综合利用现状 我国海水淡化技术研究始于1958年，起步时采用的是电渗析技术，以后逐步过渡到反渗透技术和蒸馏技术。1981年，我国在西沙群岛建成第一个日产200m3的电渗析海水淡化站，之后，在浙江嵊泗县、山东长岛县和大连常海县相继建立了千吨 7 级的海水淡化工程。在科技部、国家计委等有关部委及地方政府的支持下，我国的海水资源开发利用技术在“八五”“九五”期间，发展很快，在一些关键技术领域已取得了重大突破。我国已全面掌握国际上已经商业化的蒸馏法和反渗透(膜)法等海水淡化主流技术。“十五”期间已经进入工程示范阶段。目前在辽宁、山东、浙江、河北、甘肃等地已建、在建规模在500,18000m3,d海水和苦咸水淡化示范工程已达到12项。全国包括引进系统在内的反渗透海水、苦咸水(半海水)淡化产量估计日产达35000m3以上。随着技术的进步、新材料的应用，不仅使产量提高，而且淡化成本也在大幅度降低。海水淡化的成本已从20世纪90年代的7元,m3左右降至目前的5元,m3左右。 在海水直接利用方面，我国青岛、大连、天津、上海、宁波、厦门、深圳等沿海城市的近百家单位均有利用海水作为工业冷却用水的实践。我国海水直流冷却已有近70年的应用历史，更先进的循环冷却技术在我国业已取得成效，已具备了示范条件。利用海水作为大生活用水(海水冲厕)代替城市生活用淡水，是节约水资源的一项重要措施。由于大生活用海水技术的逐步完善，我国沿海的部分城市已经将它应用于实际生活当中。有关资料显示:利用海水冲厕已经成为香港城市供水的一大特色，它有效地节约了淡水资源，1998年香港的海水平均日用水量达55万多m3，海水年用水量已达2亿多m3，占香港总用水量的18%左右，节约了同等数量的饮用水。在天津塘沽的外滩公园也已经在应用海水冲厕技术。我国已拥有该项技术中的关键技术如:海水净化技术、防生物附着技术、大生活用海水后处理技术和大生活用海水的集成技术等。另外在此项技术发面我国也已有了技术创新如:高盐度污水处理、耐盐耐污微生物的驯化培养、耐盐耐污藻类的培养、新型高效海水用絮凝剂和混凝剂等。大生活用海水是解决我国沿海城市和地区淡水资源紧缺问题的有效途径之一。 此外，海水制盐作为我国传统的海水化学资源综合利用产 8 业，海盐产量已达到1800万吨，是世界海盐第一生产大国。 中国海水淡化产业的发展方向 专家指出，中国的海水淡化产业应从三个方向入手: 其一，膜技术是未来海水淡化发展的趋势。目前我国膜技术发展滞后，大多数采取反渗透技术的海水淡化厂需要从国外大量进口膜，国家有关部门应加大投资力度，加快研发解决膜生产技术问题，让膜技术的推广摆脱进口束缚。 其二，做大本土海水淡化设备制造业。我国在海水淡化的技术上已经没有太大的难题，但生产设备的厂家规模太小，无法适应国家计划要求的进度。另外，未来20年仅海水淡化的国际市场就将有近700亿美元的商机，需求潜力巨大，我国企业不能只盯着国内市场，还要考虑国际市场的需求，争取打入国外海水淡化市场。 其三，降低能耗是海水淡化无法回避的问题。据了解，日产几十万吨淡化水的大型工厂要耗费大量电力。降低能耗是海水淡化低成本的关键因素之一，但在专家寻找到适合于大规模海水淡化的经济能源之前，大批量上马淡化项目可能会陷入能源紧缺的被动局面。 海水淡化的国内外现状 早在400多年以前就有人提出海水淡化的问题，进入20世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，70年代以来，更多的沿海国家由于水资源匮乏而加快了海水淡化的产业化。目前，无论是中东的产油国还是西方的发达国家都建有相当规模的海水淡化厂。沙特、以色列等中东国家70%的淡水资源来自于海水淡化，美国、日本、西班牙等发达国家为了保护本国的淡水资源也竞相发展海水淡化产业。截至1997年底，全世界单台产量在100吨,日以上的海水淡化设备，日产水量就已达2300万吨，且一直以10%-30%的速度增长，由此带动了淡化 9 水产品提供、设备制造、工程安装、技术服务等整体海水淡化市场的巨大需求。目前世界上每年海水淡化市场的成交额已达数百亿美元。在我国，海水淡化年产量也已超过了千万吨。 中国是继美、法、日、以色列等国之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一，继西沙群岛日产200吨电渗析海水淡化装置成功运行后，又先后在舟山建成了日产500吨反渗透海水淡化站，在大连长海建成日产1000吨海水淡化站。日前，我国最大的日产18000吨苦咸水淡化工程在河北沧州建成投产。 改革开放后，中国的经济高速发展，淡水需求量急速增加，加上北方多年干旱，国家对海水淡化产业化已非常重视，国家、集团公司、个体投资者都看好这一行业，海水淡化产业化将很快被插上腾飞的翅膀。 10