海水淡化技术在中国的应用现状讲解

海水淡化技术在中国的应用现状王浩宇2015101535（中国人民大学环境学院，北京100782）摘要：本文分析了中国海水淡化发展历程、中国海水淡化工程项目现状，同时也对中国海水淡化工程项目区域分布、技术进展与应用、成本及能源进行了分析。截止2014年底，全国已建成海水淡化工程112个，产水规模92.69万m3/d，最大海水淡化工程规模为20万m3/d；主要采用反渗透和低温多效蒸馏海水淡化技术；产水成本集中在（5～8）元/吨，能源以电力为主。关键词：海水淡化技术；工程现状；工程分布；进展与应用；能源来源水资源可持续利用是关系到我国经济社会发展的重大战略问题。我国淡水资源状况不容乐观。目前，正常年份缺水量近400亿m3左右，其中灌溉缺水约300亿m3左右。全国660多个城市中，有400多个城市缺水，其中108个为严重缺水城市。淡水资源短缺乃至水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。2014年我国水资源总量为27万亿m3，比常年值偏少1.6%。地下水与地表水资源不重复量为1.003千亿m3，占地下水资源量的12.9%（地下水资源量的87.1%与地表水资源量重复）。地球上的水资源总量，淡水仅占2.5%，海水占97.5%，海水利用是解决我国水资源危机的重要措施之一。国家海洋局年在杭州第二海洋研究所建立了海水淡化研究室,后来发展为国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心。1984年组建了国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所。经过40余年的发展,培养造就了一批海水资源利用专门技术人才,在国家数个攻关计划的支持下,取得了举世瞩目的一大批科研成果，掌握反渗透法及蒸馏法两大海水淡化主流技术，2000年之前我国海水淡化研究相对缓慢，自2005年起，海水淡化工程建设发展迅速。本文对目前我国海水淡化项目进行统计，分析了全国已建成海水淡化工程项目用途、区域分布、所采用的技术，并讨论了海水淡化工程反渗透技术、低温多效蒸馏技术的成本组成以及能量来源。1全国供水量及其来源2014年全国总供水量6095亿m3，其中，地表水源供水量4921亿m3，占总供水量的80.8%；地下水源供水量1117亿m3，占总供水量的18.3%；其他水源供水量57亿m3，占总供水量的0.9%。在地下水供水量中，浅层地下水占85.8%，深层承压水占13.9%，微咸水占0.3%。，海水淡化供水为3.38亿m3，占0.05%。2海水淡化用途全球海水淡化产业已颇具规模，根据国际脱盐协会（IDA）统计数据：到2013年8月，已建成的脱盐工厂约17277座，合计装机容量为8090万m3/d。在已建装机容量中，市政供水占比最高，为61%，工业及电力占比33%次之，灌溉、旅游等其他领域合计占6%。目前，我国海水淡化主要有三方面用途：一是生产城镇居民和海岛军民的生活用水；二是生产工业企业生产用水，特别是作为锅炉补充水等工业用高纯水；三是进行海水化学资源综合利用，发展循环经济，培育海水利用产业链。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：首钢京唐钢铁、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：浙江六横、海南晋卿、永乐群岛等岛屿海水淡化工程。截止2014年底，我国海水淡化水用于工业用水的工程规模为58.72万m3/d，占总工程规模的63.35%。其中，火电企业为27.42%，核电企业为2.37%，化工企业为11.87%，石化企业为13.60%，钢铁企业为8.09%。用于居民生活用水的工程规模为33.94万m3/d，占总工程规模的36.62%。用于绿化等其他用水的工程规模为240m3/d，占0.03%。图1为全国已建成海水淡化工程产水用途分布情况。图1全国已建成海水淡化工程产水用途分布图3海水淡化技术海水淡化主要分为蒸馏法（热法）和反渗透（膜法）两大类，具体海水淡化技术超过20余种，包括多级闪蒸、低温多效、反渗透、电渗析、压汽蒸馏、潮汐能海水淡化技术等等。经过半个世纪的发展，形成了以多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透为主流的工业技术。3.1反渗透法（RO）反渗透法是20世纪60年代后期发展起来的一项膜法海水淡化技术，其最大的优点是节能，其能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。反渗透法的原理是就是在海水（原水）一侧，施以比渗透压更大的压力，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除盐的目的。反渗透法使用的薄膜叫“半透膜”，只允许溶剂透过、不允许溶质透过。通常又称超过滤法。因其具有适用面广、脱盐率高、占地少、投资小、建造周期短、操作简单、能耗较低和启动运行快等特点，是海水淡化技术中发展最快的。反渗透法淡化后的水质甚至优于自来水，可供工业、商业、居民及船舶、舰艇使用。3.2低温多效蒸馏(MED)低温多效蒸馏海水淡化技术，是指盐水的最高蒸发温度不超过70℃的海水淡化技术，其特征是将一系列的蒸发器串联起来分成若干效组，后面一效的蒸发温度、压力均低于前面一效，将一定量的蒸汽输入，通过多次阶梯状的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。低温多效蒸馏法解决了结垢和腐蚀等问题，产品水纯度很高，含盐量小于20ppm，近年发展迅速，装置规模日益扩大，成本日益降低，所占的市场份额不断扩大。与多级闪蒸相比，低温多效蒸馏法具有：传热系数高、热效率高、水质要求低、操作弹性大等优点；相对于反渗透法，需要消耗一定量的蒸汽，设备的结构较复杂。低温多效蒸馏海水淡化具有水质好和可利用工厂余热或低品位热源的优点，主要应用于需提供锅炉补给水和工艺纯水，且有低品位蒸汽或余热可利用的电力、石化、钢铁等企业。我国自主建成了1.25万立方米/日低温多效海水淡化蒸馏装置，为大型热法海水淡化工程的启动奠定了基础。3.3多级闪蒸(MSF)多级闪蒸海水淡化技术，是利用闪蒸原理将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发冷凝而得到淡水，是本世纪60年代初在多效蒸馏的基础上发展而来的。多级闪蒸法得到的淡水价格相对反渗透法低，单台产水量最大，特别适合于电厂大型海水淡化项目，但是需要较大的传热面积，海水循环和流体输送电耗大，运行成本较高。3.4电渗析法(ED)渗析属于一种自然物理现象。如将两种不同含盐浓度的水，用一张渗透膜隔开，含盐浓度大的一侧水的电解质离子就会穿过膜向含盐浓度小的一侧水中扩散，这种现象就是渗析，亦称为浓差渗析。如果在膜的两边施加一直流电场，电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜进行迁移，就可加快渗析速度。这样，就形成了淡水室和浓水室，将浓水排放，淡水即为除盐水。这就是电渗析法除盐原理。电渗析法适用于含盐量小于20克/升的苦咸水的淡化，由于其耗能很大，只能除去水中的盐分，不能除去水中有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜，运行过程中易发生浓度极差化而结垢，大型海水淡化装置基本上不采用电渗析法。4我国海水淡化发展历程中国研究海水淡化技术起步较早,也是世界少数几个掌握海水淡化等资源利用先进技术的国家之一。国家海洋局年在杭州第二海洋研究所建立了海水淡化研究室,后来发展为国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心。1984年组建了国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所。经过40余年的发展,培养造就了一批海水资源利用专门技术人才,在国家数个攻关计划的支持下,取得了举世瞩目的一大批科研成果。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究,1967-1969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战,同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法多种海水淡化方法的研究,为海水淡化事业的发展奠定了基础,在国家科技攻关计划的支持下,反渗透法海水淡化技术首先在国内开始推广应用,自年国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心在浙江省嵘泗县嵊山岛建设了国内首个日产500吨淡水的反渗透海水淡化示范工程后,十年来国内反渗透海水淡化技术得到了极大的发展,目前已建设各种规模的反渗透海水淡化装置十余套,海水淡化装置的产水量已达十多万m3/d。设备造价从刚开始的5000-6000元/吨淡水降到目前的约3000-4000元/吨淡水。电耗从最初的5.5度/吨淡水降到目前的约3.5度/吨淡水。早期蒸馏方面的研究主要进行船用小型压汽蒸馏装置的开发,直到上世纪80年代初进行过日产淡水百吨的MSF中试研究。其中1981年在西沙永兴岛建成的电渗析海水淡化站是我国第一处苦咸水脱盐示范工程,满足了当时的军用和民用的需求。2005年海水淡化工程项目进入迅速发展阶段。2005年第一套万吨级海水淡化项目,10800m3/d大唐王滩发电厂海水淡化项目建成投产;“十一五”期间，我国海水淡化产能年均增长超过60%，截止2010年底，国内建成海水淡化装置70多套，设计淡化水产能60万m3/d；在建装置5套，设计淡化水产能26万m3/d。其中，反渗透法占总产能的66%，低温多效蒸馏法占33%，其他海水淡化方法占1%。反渗透和低温多效蒸馏两大主流海水淡化技术得到较快发展，成本不断降低。反渗透海水膜、高压泵、能量回收装置、反渗透膜压力容器、海水预处理连续膜过滤组器等取得明显进步；膜通量增加了近40%，脱盐率由99.2%提高到99.7%以上；能量回收装置的应用和不断改进使能耗大幅降低，新一代正位移式能量回收装置的回收效率达94％以上。我国已自主建成日产万立方米级反渗透海水淡化装置，海水淡化工程进入大型化阶段。目前，反渗透海水淡化投资为6000-8000元/立方米，综合产水成本为5-6元/立方米。2009年第一套十万吨级海水淡化项目,10000m3/d天津大港新泉海水淡化工程建成投产。在此期间,共有51套海水淡化工程建成投产,日处理能力累计达70.744万m3/d/其中万吨级以上项目19套,十万吨级以上项目3套。5中国海水淡化工程项目现状2014年，中国新增海水淡化工程产水规模26075m3/d。全国已建成海水淡化工程总体规模不断增长，截止2014年底，全国已建成海水淡化工程112个，万吨级以上海水淡化工程27个，产水规模812800吨/日；万吨级以下海水淡化工程34个，产水规模926905m3/d，产水规模104500m3/d；千吨级以下海水淡化工程51个，产水规模9605m3/d。全国已建成最大海水淡化工程规模为20m3/d。近年来，我国还实现了海水淡化关键技术的突破，自主建成日产水1.25万吨反渗透海水淡化示范工程和日产水2.5万吨低温多效海水淡化工程，并自主设计制造了4台低温多效海水淡化装置出口印度尼西亚，相关技术达到国际先进水平，成为世界上少数能完整自主设计建设海水淡化工程的国家之一。海水淡化国际合作取得新进展，亚太脱盐协会秘书处落户我国。6中国海水淡化工程项目区域分布截止2014年底，全国海水淡化工程在沿海9个省市分布（图3），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3全国沿海省市海水淡化工程分布图截止2014年底，天津已建成海水淡化工程规模31.72万m3/d，河北已建成海水淡化工程规模16.75万m3/d，山东已建成海水淡化工程规模16.52万m3/d，浙江已建成海水淡化工程规模14.15万m3/d，辽宁已建成海水淡化工程规模8.76万m3/d，广东已建成海水淡化工程规模3.08万m3/d，福建已建成海水淡化工程规模1.09万m3/d，江苏已建成海水淡化工程规模0.51万m3/d，海南已建成海水淡化工程规模0.01万m3/d。其中，在海岛地区，海水淡化工程规模为9.84万m3/d，主要分布在浙江、山东、辽宁和海南。7技术进展与应用反渗透（RO）、低温多效（LT-MED）和多级闪蒸（MSF）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2014年底，全国应用反渗透技术的工程99个，产水规模59万m3/d，占全国总产水规模的64.69%，排第一位，最大的膜法海水淡化工程是