海水淡化方法比较及其发展方向

1海水淡化方法比较及其发展方向唐刚（中国众和海水淡化工程有限公司，天津300457）海水淡化的方法有十余种。目前主要方法有多效蒸发（MED）、反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF）等，而适用于大型的海水淡化的方法只有MED、MSF和RO。MED方法中低温多效蒸馏（LT-MED）开发后在世界范围内迅速得到了较广泛的应用，与RO和MSF一起成为最具发展前景的海水淡化技术。究竟哪种方法最适合当地经济、社会发展不是绝对的。本文将世界主要三种淡化方法进行比较并结合实践对选择海水淡化方法的依据进行探讨。1.目前主要淡化方法的技术原理及应用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，MSF、LT-MED、RO更成为适用于大型化海水淡化技术的主流。MSF方法大规模商业化生产淡水已有30多年，技术成熟，运行安全性高。LT-MED其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。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。RO主要应用领域有海水和苦咸水淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。2.主要淡化方法的比较及发展方向2.1MSFMSF具有工艺成熟，维护量较小，运行可靠，对原水预处理要求低和使用寿命长，出水品质好等优点。MSF存在的最大问题就是性能比低，一般限制在11左右，造成更大的能量消耗，即耗电能较大，使得MSF比LT-MED成本高。MSF海水淡化技术体现如下的发展方向：1）提高最高操作温度，寻找改进热量交换的新方法。通过薄管壁材料的选制，逐滴冷凝过程的改进尽可能减少热交换面积，提高热交换量等。2）成功实现大型MSF装置。根据LeonAwerbuch报道，位于阿布扎比(AbuDhabi)的苏威哈特厂(Shuwaihat)，其单套装置的设计规模为76000m3/d。3）采用新材料和管路优化设计提高效率。WDI公司采用效率高达95%的蒸汽压缩设备、带沟槽的薄钛管作为传热材料、特种混凝土作为蒸发器的壳体，显著地降低造水成本。22.2LT-MEDLT-MED是20世纪80年代开发出来的新技术。它的特点是对原料海水的预处理要求不高、过程循环动力消耗小、生产的淡水水质高(盐度5mg/L)。另外，该技术减少制水成本的潜力很大，其造水比高，可超过15。LT-MED海水淡化技术发展方向如下：1）装置规模的大型化和超大型化。美国的南加州正在计划建设日产淡水28400m3的LT-MED淡化工程，其淡化装置的总效数为30，造水比22，共有535个相同的管束。2）采用新工艺和新材料提高性能。对热过程的改进(即新工艺)采用NF技术。新材料包括光滑铝合金管或铝合金波纹管制成的传热管材和特种混凝土等壳体材料。3）与核能等新能源的结合。LT-MED能够使用反应堆提供的清洁低品位热能。4）若能解决结垢问题，LT-MED可向高温多效蒸馏迈进，以获得更高的造水比，达30。2.3RO具有投资低、能耗低、建设周期短等优点，适用于建造各种规模的海水淡化工程。其突出优点就是成本较低，大约在0.50～0.70美元/m3淡化之间，这还取决于能源成本。RO膜容易受到污染和结垢的影响（CaCO3，CaSO4，BaSO4），易被氧化剂（Cl2，HClO）氧化而造成损害，因此对进入RO装置的水质要求较高，预处理较为严格。RO海水淡化技术最新研究动态包括以下几方面：1）功或压力交换器和段间能量回收集成技术的研究。PX或Aqualyng等新型高效能量回收器可使RO淡化过程本体电耗大约在2.6kW·h/m3淡水。2）新型RO膜的研究。方向分为低压RO膜和高压RO膜。由于能量回收器效率不断提高，高压膜在海水淡化过程中的应用相对较多，而低压膜主要用于苦咸水淡化过程。3）全膜法预处理工艺的研究。全膜法预处理较好地结合了MF、UF和NF预处理方法的优点，有效减少化学品添加量和RO膜组件的清洗次数，使操作过程更加环境友好。4）高回收率工艺的研究。BCS(brineconversionsystem)系统采用SWRO-级浓缩水作进料(含盐质量分数5.8%～8.7%)，在8.0～10.0MPa操作压力下，回收率可以达到60%。3.最佳淡化方法的选择究竟选择哪种淡化方法，还要根据当地环境特征和运行目标，因地制宜，评估这种淡化方法是否最适合当地经济发展。一般选择海水淡化方法的依据主要包括以下要素：环境要素、经济要素、需求要素、技术要素等。3.1环境要素3环境要素主要包括海水因素、地理位置因素、能源储备因素等。3.1.1海水因素每种淡化方法对海水温度的适应性不同。如RO适宜温度为15～25℃；蒸馏法适宜温度为0～35℃。对于RO过程，膜的透水量随水温的升高而增高。低温海水粘度增大使膜孔收缩，产水量大幅度下降；而水温过高则加快膜的水解速度，使有机膜变软，易于压实。水温季节性节变化大的海域(如渤海中部，冬、春季均温为5℃以下，夏季均温为25℃，显然不利于RO过程，而选择蒸馏法比较适合。由于冬季水温过低，将RO站建造在中国北方的最佳选择是用发电厂的冷却海水作为其供水。图1反映了进料海水盐浓度对RO、MSF的影响。可以看出，与MSF相比，盐浓度对RO的影响较大，MSF几乎适用于任何盐浓度的进料海水。RO法适用最大盐浓度是多少这个问题很少人研究，据Karelin报道，最大盐浓度不应超过100g/L。海水水质的污染程度对蒸馏法不敏感；但对RO而言，会使RO压力和单位电耗率增大，因此大大增加了RO的海水预处理难度和成本；对于较小的规模一般也容易处理，而对大型淡化厂则有可能影响到总体的技术方案。中东地区的海湾水有“四高”，即：高温(夏天高达40℃)、高菌藻、高石油污染和高盐度(总含盐量高达40000mg/L)，对RO是不利的，所以中东地区海水淡化多以MSF为主。目前也建立了大型的海水RO淡化厂，他们的预处理经验是值得借鉴的。3.1.2地理位置因素在没有充足汽源火电厂的海岛区，一般采用RO；如存在发电厂，则RO用发电厂的冷却海水作为其供水。在汽源充足的沿海火电厂，鉴于历史原因一般采用大型蒸馏淡化厂。3.1.3能源储备因素MSF或MED需要汽和电作为能源；RO只需要电作为能源。蒸馏淡化厂利用汽轮机低压抽汽作为热源，或者与低温核能供热站直接连接。如有足够的可利用电源，而无需自身发电，那么选择RO是具有吸引力的，因为其初始成本低、容易维护且运行方法简单。如有丰富的天然资源(天然气、石油等)，能源费用很低，则使蒸馏法的运行成本降低，具有出口电能的优势。这也是中东地区对MSF尤其热衷的原因之一。值得一提的是，中东地区也是较早试用大型海水RO的地区，但在今后相当长的时期，仍会以MSF为主。除天然气、液体燃料和化石燃料外，海水淡化的替代型能源主要包括核能、太阳能、风能、地热能、海洋能以及生物能等。其中核能淡化最有竞争力：中小型反应堆耦合大规模淡化装置。反应堆的热量经多回路隔离，在MSF盐水加热器中加热盐水，或为MED提供首效加热蒸汽，即可实现与MSF或ME的耦合；利用核能发电为RO提供电能，即可实现与RO的成功耦合。3.2经济要素影响海水淡化经济的因素很多，其中能耗问题是论证经济可行性最重要的指标之一。海水淡化4技术工艺的不同，需消耗不同形式的能量。下面以总体情况对主要海水淡化方法能耗与投资进行比较，见表1。通过表1可以得到以下结论：1）MSF和MED系统主要消耗热能，此外还需要少量电能，而RO系统只消耗电能。由于热、电的不等价性使常规性能评价指标之间缺乏可比性。为此建立了以电量为基准的统一的性能评价指标体系，它将脱盐系统所消耗的热能按实际技术水平折算等价的电量(当量电耗量)，以单位淡水产量的(当量)电耗率指标进行性能评价，如表1所示。由(当量)电耗率和总电耗率得出耗能大小：MSFMEDRO。2）从主设备投资来看RO最低。但RO膜的产水率受海水温度影响，当水温较低时必须设置海水加热装置或者利用热量，这将大大增加其能量消耗。实际运行中，膜的反清洗也需消耗一定电量。因此，RO装置实际运行能量消耗要大于表1所示的数值。表1主要海水淡化方法能耗与投资比较海水淡化方法MEDMSFRO主设备投资成本（M美元/MIGD）4.55.54.0蒸汽消耗（m3/MIGD）15.823.7电能损失量（MW/MIGD）1.2251.225能量消耗（kW·h/m3）1.845（当量）电耗率（kW·h/m3）7.813.63.9总电耗率（kW·h/m3）6.917.83.9化学品成本（美元/yMIGD）400004000050000劳力（美元/yMIGD）4000040000500003.3需求要素需求要素主要指生产规模，也就是所需的水量。可谓是确定最佳淡化方法的重要因素之一：制成饮用水的量(这种饮用水是建成后的工厂要生产的水)。蒸馏法海水淡化的技术指标与其装置规模密切相关，装置容量越大，其经济性就越强。MSF主要适合于大型和超大型淡化装置，目前MSF的最大单机容量高达50000m3/d。一般日产几千m3的海水淡化规模，对其所选甚少。LT-MED的规模较小，一般在日产1万m3以下，单机生产力在3000m3/d左右。RO法无论大型、中型或小型都适用。虽然我国目前淡化水的接受程度，需求量和装置规模都很小，但建设大型海水淡化装置和淡化厂势在必行。因此在自然水资源极度短缺的地区，无论建设海水淡化厂的资金如何，首先选用的是超大规模淡化工厂(鉴于历史原因大多数采用MSF)来源源不断地制造淡水供人们生存、社会发展。53.4技术要素RO法为了持续可靠地进行水生产，需要为大量的耗用品（膜）和化学品制订大额的运行预算。欧美日等国家和地区是膜和膜组件的生产大国，如美国DuPont、Filmtec、日本东洋纺、东丽公司、日东电工等膜制造商，使膜分离的海水淡化容量占有较高的比重，处理能力较大，所以这些国家和地区可以优先考虑RO法。另外，海水淡化迫切需要采用新技术、新工艺来进一步降低淡化成本、使能量和水符合匹配要求。因此集成技术应运而生。能源装置、蒸馏装置和膜法RO装置相结合的集成技术在不断优化，淡化与发电、制盐、产水和提取海洋元素相结合的过程，甚至核能淡化，都已得到高度重视。4.低温多效蒸发器与反渗透装置的综合技术经济比较在汽源充足的沿海火力发电厂，采用低温多效蒸发器与反渗透装置相比，其主要优点是：1）进料海水过滤加药预处理简单，从而可简化过滤和加药系统；2）出水水质比一级反渗透方式提高了30倍，若作为电厂的锅炉补给水可直接进入凝结水精处理装置；3）由于低温减压蒸馏海水浓缩倍率为1.7左右，仍不会发生硫酸钙结垢及海水先通过离子陷井的良好牺牲阳极保护作用，设备可1.5～5年清洗一次，检修周期长达20年；4）负荷从110%到20%变化，可实现自动调节而无须操作人员介入，可靠性好；5）运行费用低，其制水成本比反渗透每吨水低1～1.5元。5.展望在我国，无论是沿海地区还是岛屿，限时限量供水的困境经常可见。据预测，在不远的将来沿海城市将相继进入严重缺水状态。随着水资源的日趋短缺和经济发展，海水淡化将成为未来海岛淡水资源开发的首选，成为沿海地区解决供水不足的重要途径之一。表2给出了2005年我国主要沿海城市居民自来水价、工业自来水价和海水淡化综合成本的测算数据，以及2010年的预测数据。测算依据为，2005年前沿海各大城市自来水的年涨价率平均约为16.5%，而2005～2010年沿海各大城市自来水的年涨价率按10.0%计。与此同时，随着海水淡化技术的日益提高，能耗及投资的不断下降，以及国家对发展海水淡化产业优惠政策的出台，2005～2010年海水淡化综合成本按年降低5.0%计。表2海水淡化综合成本与沿海主要城市自来水价的比较（元/m3）水价项目2005年2010年居民自来水价2.0～3.72.5～6.0工业自来水价2.7～5.04.3～8.0海水淡化综合成本4.5～5.53.6～4.56由表2可看出，2005年海水淡化综