海水资源综合利用及产业化杨耀中

第14卷第1期1995年3月海洋技术〔X二EANTECHNOL〔冷YVol.14,No.1Mareh,1995海水资源综合利用及产业化杨耀中(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所)月日舀海水资源综合利用通常指:海水直接利用(利用海水代替淡水作工业用水及大量生活用水等)海水淡化、海水中化学资源的开发利用等。众所周知,水是人类赖以生存和发展的重要资源,随着经济发展,人口增长和人类生活水平提高,世界各国对水的需求也日益增加。但世界上的淡水资源是有限的。联合国水资源委员会早在一九七七年三月就向世界各国发出警报“供水不足将成为一个深刻的社会危机,世界上石油危机之后的下一个危机便是水的危机。”全世界目前有一百多个国家缺水,严重缺水的已达20个。近三分之一人口缺乏应有的卫生水源。世界用水量正以每年百分之四的速度递增,水源不足正严重影响人类生存和社会发展。我国水资源总量为2.7万亿立方米,居世界第八位,但人均占有水资源量仅为世界人均占有量的四分之一,在世界各国中排在第八十六位。根据对淡水资源水质、水量、水污染以及国民经济增长的情况分析,预计2000年全国总用水量需求将达6117千亿立方米,占全国总可用水量60%,占实际可用水量100%,占实际可用清洁水量的150%,(引自王健民“论水资源危机及防治对策”)显然,我国从21世纪开始就进入水资源危机阶段。由于淡水资源地区分布的不均匀性,时间分布不均匀性,以及我国人口分布、经济发展的不均匀性,目前我国部份地区已存在严重的淡水危机,尤其以北方沿海城市和地区为突出,沿海地区大连、秦皇岛、天津、青岛、烟台等九个开放城市严重缺水。解决沿海地区淡水紧缺,要借助海水。开展海水资源综合利用,达到对淡水的开源和节流,以全新的观念和途径解决沿海地区的淡水危机。首先发展海水直接利用,以海水代替淡水作城市工业冷却水,这将能节省城市工业用水的百分之七十;以海水代替淡水作城市生活冲厕用水,这将能节省城市生活用水的百分之三十五。以上两项加在一起,将能实现大规模的节流,从而大大缓解沿海城市及地区淡水紧缺的局面。其次要发展海水淡化,把占海水中百分之九十七的淡水资源开发出来,供人类应用,则无疑是开辟了一种新的淡水水源。地球上海水总量之大(约13.7亿立方公里),取之不尽,用之不竭,且不受气候季节的影响,对人类长远来说,是一种稳定可靠的淡水水源。其三是发展海水化学资源提取及深加工。海水中除去97%的淡水外,另外3%是大量的有机物和固体无机物质,目前经过监测并已确定海水中主要溶存形式的元素超过八十种。由于海第1期海水资源综合利用及产业化水总储量之大,因而各种元素的总量也大得惊人。例如海水中的钾,总储量达500万亿吨,铀卷40多亿吨,金600万吨等,可以毫不夸张地说:海水是地球上最大的流动矿。显然,随着地球上人口的增长,经济的发展,人类赖以生存的陆地资源日趋减少,人类必定要转而开发海洋,其中包括开发海水中化学资源。针对我国一些陆地资源紧缺的物质如:钾、澳、铿等,有重点的发展从海水中提取这些元素的技术,满足国民经济的急需,这是十分必要的。1海水资源综合利用的现状和问题1.1海水直接利用1·1·1海水代替淡水作工业冷却水根据统计,城市用水中约70%是工业用水,而工业用水中大约70%是工业冷却用水,世界上发达国家,大都将冷却水量大的电力、化工、钢铁、石油等企业布设在滨海地区,利用海水作工业冷却水。日本1980年仅电力冷却使用的海水总量就达1000亿立方米,美国到2000年予计工业用水量三分之一由海水解决,西欧六国予计到2000年海水年用量将达2500亿立方米。用海水作工业冷却水,遇到的最大技术难题是系统防海水腐蚀问题及防海生物附着。国外直接利用海水大都是直排式,解决系统腐蚀问题,主要是选用耐腐蚀的特种材料,如钦材、铜镍合金、特种不锈钢等,有时配合以电化学保护,防腐效果好,但价格昂贵。防海生物附着,尚未能有效解决。液氯杀生及有毒涂料均因对海体有污染而被禁用。以至不得不采取简单的机械刮轮定期清除。美、加等国正进行臭氧、y射线以及生物防治技术的研究。近年来,国外已开始海水循环冷却技术的应用,如美国新泽西州,Altatic市的B.L.England发电站。实现循环冷却,可大大减少取水量(浓缩倍数为2时,冷却水补水量仅为循环水量的4%),节约电耗,减少海体污染。我国沿海城市直接利用海水作冷却水已有60余年的历史,天津、大连、青岛等地均有一定的应用经验。但目前我国年总取用海水量仅60亿立方米左右,与发达国家的差距甚大,为什么长达60多年时间未能广泛推广应用,究其原因,一是用海水比用淡水要增加一次性投资,在我国旧计划经济体制下,难以落实。其次,没有组织开展系统的研究,不能提供完整的设计参数和规范,可以说始终停留在经验应用阶段。近年来,国内已有研究所重视此项研究工作,针对我国国情,经济上无能力广泛采用昂贵的特种金属解决海水防腐问题,把研究重点放在通过添加价格适中的特种海水缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂,实现在普通碳钢系统中,浓缩倍数1一3的海水循环冷却,此项研究已取得实验室的实破性进展,并经动态试验获得成功。现正在筹备作深入的药剂试验,海水专用冷却塔的研制和进行整体系统试验研究。.1.12海水冲厕有570万人口的香港,经过三十多年的努力,目前每天用海水冲厕已占全部冲厕水的百分之七十,达35万立方米,全年节约淡水1亿2干多万立方米,并已形成一套完整的管理系统。技术上,从取海水、杀生、净化、设备管道的防腐、输水管网、住宅冲厕系统、测漏等均己较好的解决。我国大连市及天津塘沽个别单位,也已开始进行海水冲厕的试验。1.2海水淡化国外从40年代开始研究开发海水淡化技术,到70年代已形成了工业生产体系。目前已形海洋技术第14卷成以蒸馏法和反渗透法为主的海水淡化产业。1992年国际脱盐协会(IOA)公布的截止到1991年末的统计表明,全世界100吨/日以上的脱盐装置总容量为1623.6万吨/日,其地区分布为:中东地区占54.9%,美国14.6%,欧洲9%,亚洲7.9%:就脱盐水的原水来区分,原水为海水的63.6%,原水为地下苦咸水的24%,原水为其他类水12.4%;就淡化水的用途来区分,作生活饮用水的占61.8%,作城市工业用水的24.9%,发电厂用水5.5%……,就淡化工艺区分,在每日一千六百多万吨脱盐水中,使用蒸馏法的约占59.7%,反渗透法的占32.9%,电渗析法占5.5%,由于原水的不同,蒸馏法用于海水淡化的约占88.4%,反渗透法用于海水淡化的约占109%,后者主要还是用于地下苦咸水脱盐,但随着新型复合反渗透海水膜的研制成功,它在海水淡化方面的应用呈快速增长的势头。(以上资料均引自IOA1992年脱盐装置统计报告)蒸馏淡化在七十年代出现热电结合双目的联产,即利用火力发电厂低压抽气,作为蒸馏淡化基本热源,使电厂蒸汽高低品位能量得到充分利用,并同时降低了淡化成本。淡化方法选用大多为多级闪蒸(NS)F。近年来新发展的低温多效蒸馏淡化技术(LT一NED),生产1立方米淡水总能耗降为5.skwh,低于目前任何一种海水淡化方法,操作温度在70℃左右,从而大大减轻腐蚀和结垢,提高了设备的可靠性,正在被广泛采用。反渗透海水淡化与蒸馏法比较,具有一次性投资小,吨水耗电少的优点,带能量回收的反渗透,比一般蒸馏法产水成本低,但反渗透要求前处理严格,反渗透膜使用寿命仅3一5年。国内海水淡化技术的发展始于五十年代末,至八十年代后期,中间时断时续。在蒸馏淡化方面,100立方米/日多级闪蒸扩试获得成功,日产5一50吨不同规模的多级闪蒸及压汽式舰船用蒸馏淡化装置已在工厂系列化生产,陆用常压压汽式24立方米/日海水淡化装置已在新疆沙模地区投入使用,陆用负压低温压汽式30立方米/日海水淡化装置已在大连长海县投入使用。我国用于苦咸水脱盐的反渗透膜研制成功,并投入批量生产。广泛应用于工业纯水、高纯水的制备,食品、制药和化学工业的浓缩、分离、提纯、水处理等化工过程。用于海水脱盐的反渗透膜正在组织攻关,目前尚未达到应用水平。在热电结合双目的造水方面,天津大港电厂于1988年从国外引进了两台日产淡水3000吨的多级闪蒸海水蒸馏淡化装置,至今运行正常,积累了可贵的经验。1.3海水化学资源提取从海水中提取钾、嗅、镁、铿、铀等,世界各国都竞相研究,取得了不同的进展。由于海水中所含各种化学元素.大部分浓度极低,因而提取技术要达到工业化程度,十分困难。除了海水制盐,海水提澳,海水制取镁砂已投入工业化生产,其他大都停留在实验室阶段。最近有报道,日本文理大学研究海水提铿,开发出高效吸附剂,已能使海水提锉的生产成本低于从陆地矿石中提炼铿,从而展示了良好的应用前景。我国是世界海水制盐大国,年产海盐达一干五百万吨。海水制盐后残余母液苦卤的利用,采用兑卤蒸发技术生产氯化钾(联产澳素、氯化镁),但因工艺设备陈旧,普遍存在能耗高、资源利用率低的间题,导致行业亏损。我国海水提澳六十年代即获得成功,己进入工业化生产。嗅的二次产品深加工,近年也有较大的发展。海水提钾,世界上其他国家研究不多,我国因是陆地贫钾国家,60年代以来一直坚持着海水提钾和钾盐深加工的研究,并取得了显著成绩。1983年完成“海水卤水直接制取硫酸钾的研第1期海水资源综合利用及产业化究”实验室试验,1988年完成“混合盐与氯化钾制取硫酸钾研究,”1987年完成“氯化钾与硫酸镁制取硫酸钾研究“1993年完成“硫酸按与氯化钾制取硫酸钾研究”。以上后三项研究,均完成了从实验室小试,到百吨级中试,千吨级工业化试验的过程。2技术储备,产业化趋势和市场需求2.1海水直接利用.21·1海水代替淡水作工业冷却水(1)基础研究,应用研究与试验开发内容①开发研制适用于不同的海水浓缩倍数下使用的高效、无毒缓蚀剂。研究在氯含量为18000一60000mg/L,多种离子共存,高含盐量浓缩海水体系内,碳钢等的腐蚀规律,加速腐蚀活性离子的去极化作用;研究不同离子在碳钢等表面成膜的极化性能;研制适用于不同海水浓缩倍数条件下使用的缓蚀剂。②开发研制适用于不同海水浓缩倍数条件下使用的高效、无毒阻垢分散剂研究在不同温度不同海水浓缩倍数条件下海水结垢规律,结垢物形态、化学组成、海水中相关离子对结垢物形成及附着的影响;研究不同官能团对防止垢物生成和对垢物的分散作用;研制适合不同海水浓缩倍数条件下使用的阻垢分散剂;研究分散剂与缓蚀剂的性能匹配(相互影响,最佳使用条件,合理使用浓度等)。③防盐雾飞溅,防盐沉积的新型冷却塔的研制冷却搭建筑材料,金属结构部件防浓海水腐蚀技术研究;影响海水冷却塔冷却性能各种因素的研究;研究开发正弦波形除水器和多功能盐沉积清除器以及特种填科;研制防盐雾飞溅和盐沉积的新型自然通风和机械通风冷却塔。④无公害防海洋生物附着技术研究中国近海主要污损生物习性研究,进行污损生物挂板,研究其种类、数量和附着季节,为防除提供生物学依据;无毒杀生药剂研制;防海生物导电涂料、无毒防污涂料研制;物理法杀生技术研究如下射线等;⑤建立海水循环冷却试验场,进行海水循环冷却的系统试验和成套工艺研究。(2)产业化关键技术与工艺海水循环冷却产业化,除了要解决从实验室试验过渡到工业化规模生产中的工艺技术问题,以及结合实际进行海水循环冷却的示范,考核和改进其实用性和可靠性外,尚需在推广城市建立相对集中的海水厂,进行必要的海水前处理,然后用管道系统将海水分别输送到各工厂用户,为此须:①建立缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂等各种药剂及海水专用冷却塔的中试和工业化试生产厂;②建立海水循环冷却示范工程(选择一实际的生产工厂,最好由原来的淡水循环冷却系统嫁接);③委托下程部门进行海水取水系统,前处理及建立海水厂的设计、研究。(3)产业化规模本项技术在全国沿海工业城市推广,将在5一10年内形成10亿元以上的产业规模。.2LZ利用海水冲厕海洋技术第14卷(1)基础研究一应用研究和试验开发内容鉴于香港已有较成熟的经验可以借鉴,故此项研究的开展①通过对香港地区实地深入考察,结合国内实际,完成“沿海城市使用海水冲厕的可行性研究”,针对不同地区进行综合