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海水淡化技术现状

2010-10-13 11:43:34  

海水淡化技术现状
文/天津工业大学生物化工研究所 吕晓龙

1. 海水淡化背景
    随着社会的高速发展和人口的急剧增加,淡水资源短缺问题已经引起世界各国的普遍重视。我国是水资源大国,同时也是最为缺水的国家之一。我国水资源总量为2.8万亿立方米,居世界第6位,而人均淡水资源量仅为2125立方米,是世界人均占有量的四分之一,被联合国列为13个贫水国之一。我国沿海地区经济发达、人口密集,但人均淡水资源量只有1266立方米,处于严重缺水状态。淡水资源短缺乃至水资源危机是我国经济社会可持续发展过程中的最大瓶颈制约之一。地球上并不缺水,但只有不到1%的水是可直接利用的淡水,地球表面70%被海水覆盖,海水淡化技术是解决沿海地区淡水资源短缺的重要途径,是水资源利用的开源增量技术,是增加淡水资源储备的新战略,对于实现沿海地区水资源优化配置,实现以水资源可持续利用,保障沿海地区经济社会可持续发展的重大措施,具有重大的现实意义和战略意义。因此,加快海水淡化产业发展是保障我国沿海地区经济社会可持续发展的重要措施之一。海水淡化不仅是保障我国水资源持续利用的开源之举,更是水资源保障的战略储备。
  

      海水资源取之不尽,海水淡化成本又在不断地下降,因此,在沿海地区进行海水淡化,比从内陆调水更加科学,在节省成本的同时,也可避免因内陆水源污染使调水水质差和调水工程造成的生态环境破坏问题。
国家《海水利用专项规划》中指出:
1、到2010年,全国海水淡化能力达到80~100万吨/日,实施十万吨/日级海水淡化和循环冷却等产业化示范工程;到2020年,全国海水淡化能力达到250~300万吨/日,建设若干个20~50万吨/日能力的大规模海水淡化工程。
2、新建的电力、石化、冶金等企业要求配套建设海水淡化作为纯水,现有企业要进行改造,用淡化海水取代现用的自来水、纯净水。
3、把海水淡化列入《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》、《当前优先发展的高新技术产业化重点领域指南》,组织国债资金支持海水淡化的科技攻关和示范。新《企业所得税法》中,对于从事海水淡化项目的企业实行税收优惠,海水淡化项目给予前三年免税、后三年税收减半的优惠。
因此,目前对于我国从事海水淡化的企业,面临很好的发展机遇。
 

2. 现阶段海水淡化的主要方法
    现阶段世界上实现装机应用的海水淡化方法主要分为两大类:一是热处理过程,主要包括多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED);二是膜处理过程,如电渗析(ED)和反渗透(SWRO)。
    (1)多级闪蒸(MSF)
    技术原理:经过加热的海水,依次在多个压力逐级降低的闪蒸室进行蒸发,蒸发的蒸汽用于加热循环的海水并冷凝成淡水的过程。通常与火力发电站联合建设与运行,以汽轮机低压抽汽作为热源,海湾国家采用较多。其优点是,加热过程与蒸发过程分开进行,海水结垢倾向小。MSF技术是迄今为止最为成熟的海水淡化技术,整体性好,运行安全性高,适合于大型和超大型淡化装置。其淡化水量在全球仍属第一。发展方向:进一步扩大单机容量,系统操作最优化,开发对环境影响小、用量小的新型阻垢剂,新型传热材料。
    目前多级闪蒸仅在沙特、卡塔尔、阿联酋和阿尔及利亚有新建项目。国内,在2003年,青岛等地通过采用具有完全知识产权的海水淡化装置进行海水淡化,取得了很好的社会经济效益,当时国内设备的日处理量为3000吨/日,在2005年,国内能生产出日处理量为5000吨/日的淡化设备;如今,日处理量为1万吨/日的设备已经建成运行。国际方面,日产6万吨淡水的单机已投入商业运行,日产16万吨淡水的装置正在设计中,是世界上规模最大的海水淡化装置。
    (2)多效蒸发(MED)
    技术原理:加热后的海水经过多个蒸发器串联运行,前一效蒸发的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽,并冷凝成淡水的过程。主要与火电厂联合运行。包括两种类型,一类是各效分列式,操作温度一般较高,顶温100~120℃;另一类是低温多效蒸馏(LT-MED),顶温65~70℃。后者较前者更具竞争力,是蒸馏法中最节能的方法之一。发展方向:集中于提高其传热效果,制作材料,系统优化等。该技术可利用电厂、化工厂或低温核反应堆提供的低品位蒸汽,将海水多次蒸发和冷凝而达到较高的造水比。所产蒸馏水纯度高(含盐量<5mg/l),电导率可达到2.7-7μs/cm可作为锅炉的补充用水、生产过程的工艺用水或者大规模的市政饮用水供水。目前最大装置产量为2.5万吨/日,已有数百台1000t/d以上装置在世界各地运行。
    低温多效技术的优点:
    1) 由于操作温度低,完全避免或减缓了设备的腐蚀和结垢。
    2) 进料海水得了预处理简化。只需经过筛网过滤和加入5mg/L左右的阻垢剂即可。不需多级闪蒸的加酸脱气处理。
    3) 操作弹性大。
    4) 系统动力消耗小,系统的动力消耗低,可降低制水成本。
    5) 热效率高。30℃的温差即可安排12以上的传热校数,从而达到10左右的造水比。
    6) 系统操作安全可靠。不会因为冷凝管道的破裂导致浓盐水泄漏。
    缺点:
    盐水蒸发温度不能超过70℃制约了热效率的提高。由于冷凝和蒸发过程的传热系数随操作温度的提高而提高,另外由于低温操作时蒸汽的比容较大,使得设备的体积较大,增加了设备的投入。

    从表1可以看到,低温多效海水淡化方法能耗更低。多级闪蒸和低温多效的造水比一般不超过11和15,若进一步提高造水比,设备中海水的浓度会比较高,需要大幅度提高操作温度。而在高温下操作时,不仅会使能量消耗大大提高,还会加剧设备结垢腐蚀。因此多级闪蒸和低温多效处理后的海水浓度通常仅为原料海水的2倍。
    (3)反渗透
    反渗透膜分离过程是利用反渗透膜选择性地透过溶剂(通常是水)而截留离子物质的性质,以膜两侧的静压差为推动力,克服溶剂的渗透压,使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。因此,反渗透膜分离过程必须具备两个条件:一是具有高选择性和高渗透性的半透膜;二是操作压力必须高于溶液的渗透压。反渗透膜分离过程在常温下进行、无相变、能耗低,可有效地去除无机盐和有机小分子杂质。膜分离装置简单,操作简便,便于实现自动化。分离过程要在高压下进行,因此需配备高压泵和耐高压管路。反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求,需对源水进行一定的预处理。分离过程中,易产生膜污染,为延长膜使用寿命和提高分离效果,要定期对膜进行清洗。
    通常能耗占海水淡化费用的一半以上,反渗透能耗一般为3~6kWh/m3。从表2可以看到,与蒸馏法相比,反渗透法能耗最低。从图1可以看到,反渗透法是海水淡化技术中近20年来发展最快的技术,也是海水淡化技术的发展方向。反渗透技术主要存在两个问题:一是反渗透淡水回收利用率低,一般只能达到40%左右,仍有60%左右浓缩水排放。若继续对浓海水进行反渗透处理,会导致操作压力大大升高,成本提高。二是反渗透海水淡化技术并不能充分去除天然海水中的硼元素。由于硼元素会对人体及动植物的生长产生危害,世界卫生组织(WHO)要求饮用水中硼的含量在0.3mg/L以下,反渗透法生产的淡水硼含量在2mg/L~3mg/L之间,远远超出世界卫生组织规定的标准。在美国,由于硼含量超标,已经停止了对海水淡化厂的审批。由于硼可以和重金属络合,络合之后的物质毒性强于络合之前的物质,所以用淡化后的水灌溉土壤会对土壤造成更大的危害。

  

3. 海水淡化工程应用
    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。目前全球海水淡化总产量已达日均6348万吨,2008年海水淡化工程总投资额达248亿美元,并以每年20至30%的速度增长,由此带动了淡化水产品提供、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。

    从表3看出,随着经济的迅猛发展,我国的海水淡化工程应用规模也迅速增长。
    我国已具有自主研发的膜法和热法海水淡化技术,并具备生产建设日产淡化水万吨级的海水淡化工程的能力。我国1958年建造西沙群岛日产200吨电渗析海水淡化装置,是世界上最早掌握海水淡化先进技术的国家之一。浙江舟山六横岛10万吨/日的反渗透海水淡化工程已开始建设,其中一期工程的日产淡化水1万吨的海水淡化装置已建成投产;河北沧州黄骅电厂的1.25万吨/日的MED低温多效海水淡化工程运行良好。至今已建成投产的海水淡化装置有72套,日产淡水44万吨,在建和待建工程有56项,主要分布在天津、浙江、山东、河北和辽宁等地。如天津北疆电厂、天津大港新泉、青岛百发等多个10万吨级海水淡化工程相继投产运行或立项开工建设。全部完成后,日产淡水将达到220万吨/日。到2010年底,天津滨海新区海水淡化总规模将达到50万吨/日,成为国内最大的海水淡化基地。
    能量回收、变频控制等技术的应用,使反渗透海水淡化工程能耗大幅降低。我国具有自主知识产权的能量回收技术和装置已进入开发阶段。我国还自行研究和开发了连续微滤或超滤技术用于预处理中;在杭州、贵阳(北京)和葫芦岛等地建立了反渗透复合膜生产线,设计膜生产能力达300万平方米/年;研究开发了海水淡化复合膜组器;海水淡化用膜压力容器已基本实现国产化;已具有了较强的海水淡化工程设计成套能力。
我国海水淡化虽然起步较早,但存在发展慢、规模小、市场竞争力不强等问题,主要表现在:一是海水淡化发展慢、规模小。我国海水淡化水日产量还很少,尚未成为沿海地区的重要水源;海水淡化装置千吨级的较多,规模小。二是海水淡化成本高、推广难。海水淡化吨水成本虽逐步下降,目前大约是5-7元,但相对于大部分沿海城市偏低的自来水价格而言,仍然偏高,这是制约海水淡化发展的最直接和最主要因素之一。
海水淡化产生的浓盐水,其含盐量高于海水一倍左右,浓盐水的直接排放是否会对海洋生物构成威胁、破坏海洋生态环境,目前尚无定论。当前国际上海水淡化工程中常用的浓盐水处理方法可分为两大类:第一类,直接排放,如排入海洋、地表水、污水处理系统等,浓盐水作为废水被直接排放;第二类,将浓盐水进行再利用,如地表灌溉、制盐(也可用来提取钾、镁、溴等物质)等。国外海水淡化厂排放浓盐水时,通常是把浓盐水引入大海深处,让浓盐水与天然海水自然混合,以解决浓盐水区域性污染问题。
   

 4. 海水淡化新技术
    (1) 膜蒸馏(MD)
    膜蒸馏(Membrane Distillation)是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种液体分离技术,膜蒸馏过程是热侧液体的水分子蒸发汽化,穿过疏水膜的微孔,水相中非挥发性的离子和分子等溶质则不能透过疏水膜,从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的。膜蒸馏是有相变的膜过程,同时发生热量和质量的传递,传质的推动力为疏水膜两侧透过组分的蒸汽分压差。
    膜蒸馏过程的特征:使用疏水性微孔膜,分离膜至少有一个表面与所处理的液体接触,且不能被所处理的液体润湿,传质推动力是液体中可汽化组分在膜两侧气相中的分压差。相对于其它的分离过程,膜蒸馏的优点主要有:① 对液体中的离子、大分子、胶体等非挥发性溶质能达到100%的截留;② 操作温度比传统的蒸(精)馏低;③ 操作压力远低于反渗透过程;④ 与传统的蒸馏设备相比,无蒸发器腐蚀问题、设备体积小、造价低。膜蒸馏近年来成为了海水淡化新技术领域中最被研究关注的热点方向之一。目前膜蒸馏技术还未能大规模工业化应用,主要是因为在疏水膜材料的亲水化渗漏、膜组件结构设计与干燥方法、膜蒸馏工艺流程优化与系统集成、蒸汽相变热回收、加热与废热利用方式等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高。
    (2) 正渗透(FO)
    正渗透(Forward Osmosis)脱盐技术是一种正在研究的新技术,其原理是,海水中的水分子在渗透压的作用下,通过半透膜进入膜另一侧的特殊溶剂中,其它溶质则被分离膜所截留,然后通过加热、化学反应等方式使该溶剂与水分离,从而获得纯水。该溶剂可重复使用。
    (3) 技术集成
    将太阳能、风能、潮汐能等新能源与反渗透技术相结合,可降低海水淡化的耗电成本。将纳滤、蒸发技术与反渗透技术耦合,可提高淡化水收率、降低工程投资。

 

 


 

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