《海水淡化技术简介与展望》.doc

海水淡化技术简介与展望 海水淡化技术简介与展望摘要：本文分析了海水淡化的意义，概括了我国海水淡化产业发展的现状，及主要技术方法，分析了存在的问题，提出了我国海水淡化产业发展战略。关键词： 海水淡化； 蒸馏法； 膜法；太阳能；石墨烯筛子 ；影响；展望海水淡化是开源之举，是水资源的重要补充和战略储备。发展海水淡化产业，对缓解我国沿海缺水地区和海岛水资源短缺状况，促进中西部地区苦咸水、微咸水淡化利用，优化用水结构，保障水资源可持续利用具有重要意义；海水淡化产业是战略性新兴产业，发展海水淡化产业有利于培育形成新的经济增长点，推动经济社会发展方式的转变。经过“十五”，特别是“十一五”海水淡化技术攻关和产业化发展，我国海水淡化发展的重点，已经不是能否产出合格的淡化水，而是如何应用淡化水和如何用好淡化水；已经不仅仅是促进海水淡化技术进步，而是全面发展包括技术研发、装备制造、工程设计与建设、生产运营与应用、原材料生产与销售、交流与培训等各环节在内的海水淡化产业。因此，研究战略、制定规划，全面系统地促进海水淡化产业健康快速发展是十分必要和紧迫的。1 海水淡化的意义海水淡化是通过物理、化学或物理化学方法从海水中获得淡水的技术和过程。随着科学技术的发展,海水淡化作为一种新的淡水供给技术, 正在显示出独特的优势和良好的前景。首先,海水淡化实现了水资源量的增加。其次, 向大海要淡水,取之不尽, 用之不竭; 而且可以按需生产 确保供应。第三,占地少、无污染、水质好。投资费用和运营成本过高一直是制约海水淡化技术大规模应用的主要因素。半个多世纪来, 随着海水淡化技术的不断发展, 其投资和操作成本大幅度降低。目前海水淡化的成本已经降至4 一7 元泣方米。如果进一步提高海水淡化后浓盐水的综合利用,则其淡化成本还可以大大降低。海水淡化与其他几种淡水获取方式的成本比较如表1所示：在我国, 由于受计划经济的影响, 长期以来自来水的价格与价值严重背离,政府负担着巨额补贴。随着合理的水价机制逐步形成, 水价将较大幅度提高。可以预见, 在不久的将来, 一方面海水淡化成本不断降低,另一方面自来水的价格不断上涨, 两者将越来越接近,海水淡化的成本问题将得以彻底解决,从而对海水淡化的广泛应用及产业化进程产生极大的促进作用。表1 淡水获取方式的成本比较取水方式成本备注地表取水水质恶化开采地下水限制开采量远程调水引滦人津: 2. 3 元/ 立方米(直接成本)2000 年数据南水北调:5 一20 元/ 立方米(到北京平均水价)海水淡化海水: 4 一7 元/ 立方米(综合成本)2.发展现状从2003 年起，特别是“十一五”以来，我国海水淡化快速发展，产业基础已经具备，产业发展态势良好，海水淡化产业前景广阔。2003年，我国海水淡化产能不足3伊104 m3/d，而目前已近70伊104 m3/d，海水淡化能力以年均70%的速度增长；我国自行设计建设的日产5伊104 m3反渗透法海水淡化装置和日产1.25伊104 m3蒸馏法海水淡化装置已建成投产，且运行良好；多个日产1伊10410伊104 m3级海水淡化工程已经建成或正在建设；海水淡化成本逐步下降目前为56元/m3。目前，我国海水淡化产业已具备全面快速发展的条件：一是我国海水淡化技术已有较大的进步，并取得了突破性进展；二是在技术研发、装备制造、工程设计建设和工程应用等方面都取得了较快地发展，海水淡化产业发展已具备条件；三是海水淡化市场已基本形成，包括海水淡化水及其产业链的各个环节；四是各级人民政府高度重视海水淡化，积极出台推动海水淡化产业发展的政策措施；五是社会各界关注海水淡化产业发展，海水淡化产业发展态势良好。3 海水淡化的主要方法简介3.1 蒸馏法蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸馏法海水淡化技术是最早投人工业化应用的淡化技术, 与膜法海水淡化技术相比,蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点是当前海水淡化的主流技术之一。1 .多级闪蒸法(MS F)多级闪蒸自二十世纪五十年代商业化以来, 由于其突出的优点,在中东地区得当了广泛的应用。多级闪蒸的工作原理如下2 :经过预处理的海水加热到一定温度后进人闪蒸室, 由于该闪蒸室中的操作压力低于热海水温度所对应的饱和蒸汽压,所以热海水在进人闪蒸室后即成为过热水而急速的部分汽化,从而使热海水自身的温度减低,所产生的蒸汽经原水冷却冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸与其他淡化技术相比,具有如下的优点:.由于此方法加热与蒸发过程分离, 并未使海水真正沸腾(仅是表面沸腾) , 从而大大改善了一般蒸馏的结垢问题;.技术成熟可靠, 运行安全性高,特别适合于大型的海水淡化应用;.设备机构简单,投资成本较低。而其主要缺点有:.大量海水的循环和流体的输送, 导致操作成本升高;.与多效蒸馏法相比, 需要较大的热传面积;.总是与发电站联合使用。图1 浓海水循环型多级闪蒸技术工艺流程2 . 多效蒸馏法(ME D )虽然多效蒸馏法是最早使用的海水淡化技术, 但由于结垢和腐蚀等问题, 一直未得到广泛的应用。随着低温多效蒸馏技术的出现和发展, 其所占的市场份额正不断扩大。其原理是利用高温蒸汽与海水之温差进行热交换后,将受热沸腾而蒸发的水蒸汽冷凝并收集而成。与多级闪蒸相比, 多效蒸馏法具有以下的优点:.传热系数高,所需的传热面积少;.动力消耗低;.操作弹性大;.热利用效率高。而其主要缺点有:.由于海水在加热表面上沸腾,容易在传热管壁上结垢, 需要经常进行清洗和采用严格的防垢措施;.规模较小,而且主要与发电站联运。图2 低温多效蒸馏技术工艺流程示意图3 .蒸汽压缩法(VC)蒸汽压缩技术进人商业用途始于二十世纪三十年代。蒸汽压缩法是利用机械压缩机把海水蒸发所产生的二次蒸汽压缩、升压和升温, 再作为加热和使海水蒸发热源的过程。 具有如下的优点:需要蒸汽作为热源, 所需要的仅仅是电能;需要冷却水,设备结构紧凑,过程效率高;设备可靠, 可长期无故障运行。其缺点主要是:压汽机造价高;设备容易结垢;规模较小.3.2 膜法膜作为一种新型的分离技术, 半个多世纪来取得了长足的进展。海水淡化是膜分离技术主要应用领域之一。与蒸馏法相比,膜法具有适用范围广、分离效率高、设备简单、操作方便、能耗低等优点。1. 电渗析法( E D )电渗析技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一项水处理技术。它的基本原理是: 当含盐水通过电渗析时,水中的阴阳离子在外加直流电场的作用下产生定向移动,透过具有选择性的离子交换膜,从而达到离子从溶液中分离的方法。电渗析具有以下的优点:设备简单,操作方便;化学药剂消耗少, 环境污染小;设备规模和脱盐浓度范围适应性大;与蒸馏法相比, 能耗低.其主要缺点有:对非电解质和弱电解质难以去处;设备部件装配技术要求高;溶液中离子浓度越高, 电耗越高, 越经济;因此, 电渗析法主要适用于含盐量在5 0 0 -50 0 0m 岁L 的苦咸水淡化;.目前海水淡化不建议使用电渗析法。2 . 反渗透法(R O )反渗透是利用压力使溶液中的水通过半透膜而分离出来, 因为它和自然渗透的方向相反,故称为反渗透。与蒸馏法相比, 反渗透法具有以下突出的优点:反渗透海水淡化过程不发生相变化,所以,它是最节能的海水淡化方法;设备简单,效率高;占地面积小;操作方便,控制容易;设备投资低,建设周期短。其主要缺点是对进水水质要求较高。自19 7 0 年后第一座反渗透法海水淡化厂建成以后, 反渗透法海水淡化技术取得突飞猛进的发展, 这主要表现在以下两个方面。1 . 反渗透膜的性能( 产水量和脱盐率)经过近30 年的不断发展, 海水淡化反渗透膜的性能取得了较大的提高。目前的反渗透膜材料多采用芳香族聚酞胺,其特征水通量是19 7 8 年的3 倍, 盐的透过率大约为19 7 8 年的四分之一。目前已开发出具有9 .7 % 脱盐率、产水量为gO0 0 gp d ( 3 4 m 3/ d ) 的商用膜元件。此外,膜的抗污染和抗氧化性能也得到了提高, 而且反渗透膜的销售价格也不断下降。从而大大减低了海水淡化系统的投资成本。2 .能量回收装置效率反渗透海水淡化的操作压力很高, 但回收率较低; 因此浓缩水具有较高的压力, 流量较大,含有巨大的能量。如何高效的回收这部分能量对于减低系统能耗是非常重要的。目前已商业化的能量回收装置主要有: 涡轮透平、涡轮增压器( t u r b o C h a r g e r ) 和压力( 功)交换器,其中涡轮透平的能量回收效率为3 5 7 0 % , 涡轮增压器的能量回收效率为4 5 8 3 % , 而压力( 功) 交换器的能量回收效率达到了95 %左右。压力(功)交换器的出现是反渗透海水淡化技术的一个重大突破。压力( 功) 交换器的工作原理如下: 浓盐水经能量回收系统高压入口,把绝大部分的能量转移到进人能量回收系统内低压人口的海水; 受压后的海水经提升泵增压后,与通过高压泵的海水汇合后进人反渗透系统; 而浓盐水则通过低压出口排出。由于反渗透海水淡化技术的飞跃发展, 导致其成本大幅度下减, 其市场的占有率越来越大, 已逐步成为海水淡化的主流。3.3 “石墨烯筛子”淡化海水格罗斯曼等人的研究小组通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法，改变石墨烯小孔边缘的性质，使其能够排斥或吸引水分子这样，这种特制的石墨烯就如同筛子一样能快速地滤掉海水中的盐，而只留下水子新工艺的关键是非常精确地控制石墨烯孔洞大小计算机模拟结果显示，这种石墨烯筛子的性能非常优秀，能够快速地完成海水淡化过程目前海水脱盐最常用的是反渗透技术，但反渗透膜上的小孔极为致密（是新技术中多孔石墨烯孔径的千分之一），需要非常大的压力迫使海水通过膜这就意味着这种新技术更加节约能源格罗斯曼说，由于石墨烯的原材料廉价且易于获取，这使该技术在成本上具备了天然优势另外，它又是已知最硬的材料，与目前所使用的反渗透膜相比更结实耐用。该方法简单有效，在成本上也远低于现有的其他技术。3.4 太阳能海水淡化 太阳能海水淡化主要借助太阳所产生的热能或电力，使具有一定浓度的海水重新组合。其分类如下：一是利用太阳所产生的热能驱动海水发生相变并进行分离，对分离的水蒸汽进行冷凝，产生淡水。此种方法又可以分为直接法和间接法：直接法是在太阳能集热器中将收集到的热能用于海水淡化；间接法是将太阳能集热器与海水淡化系统分开，海水吸收热量蒸发，蒸汽在海水淡化系统中生成淡水。太阳能蒸馏系统还可以分为主动式和被动式两类，主动式太阳能蒸馏系统是通过外部太阳能集热系统将热能输入到系统中提高蒸馏器的蒸发作用。如果没有外部热能输入的则为被动式太阳能蒸馏系统。主动式太阳能蒸馏系统可以使用聚光集热装置，使得运行温度得到提高，在海水淡化系统中蒸汽的汽化潜热得到了利用、回热装置的使用和传热传质的强化使得系统整体效率得到了提升，是目前太阳能海水淡化技术研究的重点方向。被动式海水蒸馏系统早在1872 年由瑞典工程师Wilson 在智利北部建造使用，晴天每天可产淡水23 吨。二是利用太阳能产生的直流电场使海水中的离子定向迁移，通过离子交换膜实现溶质和溶剂的分离，达到海水淡化的目的。也可以利用太阳能独立光伏发电系统或并网光伏发电系统产生的电力驱动高压泵，利用反渗析原理实现海水淡化的目的。4 环境影响由于海水淡化业绩较少而且公众关注有限, 因此, 海水淡化对环境的影响还不为人所知。海水淡化对环境影响主要涉及浓盐水的排放。浓盐水浓度大约是原海水浓度的1 . 5 一2 倍, 还含有预处理中添加的各种化学药剂,如阻垢剂、酸等。绝大多数的海水淡化厂的浓盐水直接排回大海, 其稀释的速度取决于排放位置的深度和潮流的流速。许多环境专家认为浓盐水的排放还不足以对海洋生态造成负担。国内海水淡化技术研究的展望对比世界先进海水淡化技术, 分析国内海水淡化技术现状, 我发现, 我国海水淡化技术要跟上国外先进国家步伐, 要强化关键技术和设备制造的自主研发力度, 强化自主创新, 不断提高技术创新能力, 整合技术、用户、能源供应商、装备制造商和投资商资源, 促进强强联合, 提高我国海水淡化技术及装备制造的整体水平。1)重点发展低温多效和反渗透海水淡化技术研究, 以及与之配套的关键技术、材料和装备的研发。2)发展以水电联产、热膜耦合为代表的一体化整合海水淡化技术。3)研发不同类型的小型淡化装置, 为海岛、舰船、石油平台配套。4)研究海水淡化与新型清洁、可再生能源耦合技术及余热利用海水淡化技术。结语：截止2010年底，我国海水淡化产能约为60伊104m3/d，到2015 年，产能要达到220260伊104 m3/d，即“十二五”期间，我国海水淡化产能要实现翻两翻；同时，要加快建立和完善我国海水淡化产业体系，并要提高海水淡化整体水平，增强竞争力。应该说，我国海水淡化产业发展，方向明确、任务艰巨，但也充满希望。因此，必须按照海水淡化产业发展总体思路的要求，明确两个定位、围绕三个目标、坚持四个原则，着重建立海水淡化创新体系、产业体系、供水体系、标准体系和政策管理等体系等五个体系，在技术研发、装备制造、工程应用、用水保障、标准规范和管理协调等六个领域推动海水淡化产业发展。参考文献1 梁军波1，陈 睿2 （1 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2 中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063） 海岛取水和海水淡化工艺研究及应用 中 国 水 运 2013 年 3 月 第13 卷 第3 期 2 美国麻省理工开发出用_石墨烯筛子_淡化海水新方法_ J. 膜科学与技术3 热泵循环海水淡化系统分析 J 盐业与化工 第42 卷第4 期4 中国海水淡化技术研究现状与展望 冯厚军, 谢春刚 化 学 工 业 与 工 程 2010年3月 第27卷第2期5 杨尚宝 关于我国海水淡化产业发展规划的研究 2012年12月 第38卷 第12 期 6 常泽辉 C HANG Ze-hui ；侯静 HOU Jing；温雯 WEN Wen太阳能海水淡化技术研究进展 （内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特010051；内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程学院，呼和浩特010070）7 顾正斌1，张红梅2，邓春芳3 河北水务集团，河北石家庄050021；2.河北省石津灌区管理局，河北石家庄050021；3.河北省桃林口水库管理局，河北秦皇岛066004） 我国海水资源利用及其发展前景 2012 年10 月8 潘献辉, 赵亮 反渗透海水淡化膜法预处理技术研究进展 工业水处理2007 年6 月 第27 卷第6 期 9 于开录, 吕庆春, 阮国岭 低温多效蒸馏海水淡化工程与技术进展中国给水排水 2008年11月 第24卷第22期 13