低成本海水淡化集成技術探討

吳禮云，李 楊，孫 雪，唐智新

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 曹妃甸 063200）

低成本海水淡化集成技術探討

吳禮云，李 楊，孫 雪，唐智新

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 曹妃甸 063200）

海水淡化集成技術以低溫多效蒸餾海水淡化為核心，聯合熱電與鹽堿化工，形成“熱-電-水-鹽”四聯產模式，實現淡水資源、海水資源以及能源的綜合利用，大幅降低生產成本，并取得環保效益、社會效益。為未來向城市供水提供了一條現實可行的方案。

海水淡化；集成技術；循環經濟；熱-電-水-鹽聯產；低溫多效

1 引言

我國是缺水的國家，人均水資源不足2200噸，僅為世界平均水平的1/4。地球上水資源的總量中海水占97.2%，使得海水淡化成為解決缺水問題的重要途徑。2008年，全球海水淡化工程總投資額已達248億美元，且每年以20%～30%的速度遞增，2015年預計將達到564億美元，特別是以色列和美國，更是將海水淡化產業列入國家發展計劃。為了進一步發展國內海水淡化產業，國務院于2012年2月初下發了《關于加快發展海水淡化產業的意見》，明確了“十二五”期間我國海水淡化的發展目標，即到2015年，海水淡化能力將達到220萬～260萬m3/d，是現在海水淡化能力的4倍。

2 海水淡化的瓶頸問題

目前制約海水淡化技術發展的因素有兩方面：一是制水成本高，二是淡化后的濃鹽水排放難。制水成本高是由于海水淡化是以能耗換水的技術，電價、蒸氣價格決定了制水成本，如何降低電和蒸氣價格便成了降低淡化成本的關鍵因素。海水淡化過程中產生的高濃鹽水目前尚無成熟處理技術，將其排放至鹽田既是浪費能量，也是采用高端原料做低端處理的無奈之舉。很多國外企業為減少對海洋的危害將濃鹽水稀釋后再排放到海里，但這樣也是治標不治本。

渤海灣是典型的半封閉淺水淤泥質海灣，海水溫度低且交換能力差。隨著沿海經濟的快速發展，大量工農業廢水、生活污水以及養殖業廢水進入渤海灣，致使渤海灣的水體受到嚴重污染。渤海灣周邊缺少淡水，發展海水淡化是解決用水難的有效途徑，但大量海水淡化濃鹽水的排放必然導致渤海水質的進一步惡化。由此可見，只有發展循環經濟、尋求生態環境與經濟成長和諧的“雙贏”之路，才能解決海水淡化發展的問題。

3 海水淡化工藝及資源綜合利用現狀

3.1 海水淡化工藝

下表概括了國外產水量為5萬m3/d的膜法與熱法兩種工藝的系統參數。

低溫多效蒸餾與反滲透膜法海水淡化系統參數對比表

膜法系統造水工藝主要靠過濾實現，過濾系統的元件質量和工作效率直接關系系統的運行效率，海水溫度、反滲透（RO）膜的質量、預處理單元工作效率等因素都直接影響膜法系統的年造水量。熱法系統造水工藝主要靠大型的主蒸氣器蒸發換熱實現，只要換熱傳熱過程穩定進行，外界因素是不影響熱法系統造水量的。

海水淡化在客觀上要求系統必須具備與之相適應的耐腐蝕性和嚴密性，這是系統的技術特點，也是日常維護管理的重點、難點。膜法系統的故障點均集中在高壓泵、變頻器和管路的腐蝕與泄漏上，設備檢修停運較長時間，平均利用率為80%。低溫多效裝置等同于電廠凝汽器的換熱設備，低溫低壓、安全可靠、運行便利、維護方便，只要按照運行規程操作，低溫多效熱法淡化裝置的年利用率平均在95%以上。

某公司根據國家2005年頒布的《海水專項規劃》，結合企業實際情況，充分利用臨海優勢，開源節流，積極實施了5萬m3/d海水淡化、電廠海水脫硫、海水直流冷卻及海水化學資源綜合利用等項目，充分體現了科學發展、節能減排、環境友好、循環經濟以及自主創新的精神和理念。

該公司海水淡化采用低溫多效蒸餾（LT-MED）工藝，自主設計、自主制造、自主建設、自主運營海水淡化，形成競爭優勢，使萬噸級熱法與膜法海水淡化相比較，噸水投資額相當且能耗低、產品水質高。

設備在真空情況下，鹽水的最高蒸發溫度低于70℃，具有操作溫度低、動力消耗低、系統熱效率高等優點。低溫多效蒸餾裝置通過蒸發冷凝管，利用真空度及效與效間的溫度和壓力差，以給定量的低等級蒸氣與海水換熱反應，通過重復蒸發和冷凝產生大量蒸餾水。該項目由4套主體蒸發器組成，日產水能力5萬噸，造水比為9.8，產水含鹽量＜5mg/L，溫度＜33℃，取代軟水系統，用作高品質補水、污水勾兌水。

工藝上采用多種工況相結合的運行方式，多效模式（E模式）、熱壓縮模式（T模式）和混合模式（T+E模式）運行，可對水量及蒸氣量平衡進行雙重調節，變負荷調節50%～100%，調整能源動態平衡。其中乏汽運行技術—E模式，是海水淡化前置汽輪發電機組系統，將海水淡化蒸發器代替汽輪機凝汽器，利用發電后的低品質乏汽作為海水淡化動力蒸氣，遵循能量梯級利用的原則，使全系統熱量利用率高達82.23%，節省了為發電機組凝汽器設置直流冷卻設施的投資及運行費用，是循環經濟的最好體現。水電聯產如圖1所示。

圖1 低溫多效蒸餾耦合熱力發電系統示意圖

該公司充分利用豐富的電力和余熱余能資源，與多家膜廠家聯合完成膜法海水淡化中試試驗項目，利用熱法濃鹽水進行鹽水濃縮，取得較好效果，為熱膜耦合創新奠定理論基礎。擬建大型熱膜耦合海水淡化工廠，重點突破熱法之后的濃鹽水再利用，解決北方冬季水中污染物問題，將濃鹽水提升至商品級，為鹽化工打好基礎。

3.2 濃鹽水處理現狀

目前，世界上常用的濃鹽水處理方法可分為兩大類。一類是直接排放至地表水、海洋、污水處理系統等。此類方法重點在于考慮濃鹽水的排放量、組成、排放地的物理或地理環境、公眾接受度、投資和操作費用等。第二類采用傳統日曬制鹽、苦鹵綜合利用的工藝將濃鹽水進行再利用但此類工藝氯化鈉利用率小于40%，氯化鉀、溴素、氯化鎂、硫酸鎂的利用率不足30%，浪費嚴重。另外，操作費用是選擇濃鹽水處理方法時要考慮的重要因素之一，因為濃鹽水的處理費約占淡化總成本的5%～33%，費用消耗取決于濃鹽水特性、排放前的處理水平、處理方式、濃鹽水體積以及環境特征。總的來說，鄰近海洋或湖泊的淡化廠一般將濃鹽水直接排入附近水域，而內陸淡化廠由條件決定采取蒸發、深井注射、排入污水處理系統等方法。

與其他鄰近海洋的淡化廠相比，該公司沒有把淡化后含有余熱的濃鹽水排進大海，而是通過鋪設濃鹽水管道，將LT-MED濃鹽水成功送至鹽化工廠。不僅解決了濃鹽水的排放問題，還帶來一定的經濟效益。同時，該公司聯合科研院所建成300m3/d濃鹽水綜合利用中試試驗車間及試驗裝置，利用熱法濃鹽水耦合膜法進行化工試驗。通過超濾、納濾及反滲透膜提鈣、鎂，同時提高濃鹽水濃度，向鹽化工廠供給高濃度鹽水。

該試驗提鈣工藝流程如圖2所示。LT-MED濃鹽水與碳酸鈉溶液反應沉淀，上清液經超濾膜過濾，膜濃縮液進管式超濾膜循環濃縮至一定濃度，沉降罐與管式超濾膜排出的碳酸鈣漿液經壓濾機處理成為濾餅，送入干燥機干燥后得到碳酸鈣產品。

圖2 濃鹽水中鈣鹽提取工藝流程

提鎂與提鈣工藝流程相似，提鈣后滲透液與氫氧化鈉溶液反應，再經兩套超濾膜過濾濃縮，得到一定濃度的氫氧化鎂漿液，經壓濾干燥得到氫氧化鎂產品。

除去鈣鎂即脫硬后的滲透液加入鹽酸調整pH，經納濾膜（NF）分離，NF透過液為富含一價離子溶液，經反滲透膜處理，淡水外供，濃鹽水供高溫多效蒸發器繼續濃縮。設備運行1年多，取得很好成果，使濃鹽水含鹽量達到7萬mg/L，為鹽堿廠提供有較高經濟價值的鹽化工原料，實現海水淡化濃鹽水的綜合利用，并沖減海水淡化成品水價格。

3.3 海水淡化集成技術—資源與能源循環經濟產業鏈

該公司充分利用余能資源，推動能源綜合利用水平，聯合鹽、堿廠，走一條“熱-電-水-鹽”四聯產的低成本海水綜合利用路線，建立了水資源綜合利用技術—資源與能源循環經濟產業鏈。

3.3.1 三條縱向技術路線：海水資源、能源、淡水資源利用

（1）海水資源路線：海水綜合利用

利用自備電站直流冷卻的溫排水作為熱法海水淡化的水源，減少了蒸氣消耗；熱法海水淡化所排出的濃鹽水通過特殊的預處理進行脫硬，作為膜法海水淡化的水源，并減小了其運行壓力，實現了熱膜耦合；二次提濃后的濃鹽水又成為后續深度鹽化工的原料，提取溴、鉀等有用物質，實現海水淡化后的“零排放”，并打造了海水綜合利用的技術路線。具體流程如圖3所示。

圖3 海水資源綜合利用示意圖

（2）能源路線：能源梯級利用

能源梯級利用如圖4所示。以富余煤氣及其它余熱資源為熱源，通過余熱鍋爐、余熱蒸氣先行發電，再將發電后的乏汽供給熱法海水淡化裝置制備淡化水；另外，也可將余熱熱水通過閃蒸而形成熱法海水淡化的汽源來制備淡化水，實現傳統能源的梯級利用。這一技術路線不僅可實現煤氣、蒸氣的“零”放散，并產生了額外的發電能力，則可大幅度降低海水淡化的運行成本。

圖4 能源資源梯級利用示意圖

（3）淡水資源路線：水資源梯級利用

水資源梯級利用如圖5所示。熱法海水淡化所生產的除鹽水等級的淡化水主要用于兩方面：一方面是高品質水用戶、鍋爐系統、循環冷卻系統補水；另一方面是通過勾兌回收污水實現系統內污水的耦合式“零”排放。膜法海水淡化所生產的地表水等級的淡化水主要用于一般的工業水用戶和市政用戶。

圖5 水資源梯級利用示意圖

3.3.2 三條橫向技術路線：環境資源與物質資源、能源與水資源相互轉化

（1）環境資源與物質資源轉化路線：低碳環保

環境資源與物質資源轉化如圖6所示。1）利用電站及白灰窯煙道氣中的CO2與LT-MED海水淡化排出的濃鹽水中的鈣離子反應，形成碳酸鈣產品，去除濃鹽水中易于結垢的鈣離子，同時實現了碳減排。2）生產過程中產生的粗碳酸鈣產品供石灰窯車間煅燒，生成氧化鈣作為原料用于生產，而煅燒產生的高濃度、高純度CO2既可用于提鈣，又可作為優質原料與海水淡化之后的濃鹽水反應制純堿。這樣，生產碳酸鈣原料鈣離子取自海水、CO2取自煙道氣，原料成本低廉。3）濃鹽水預處理過程中產生的氫氧化鎂漿液，是煙道氣極為環保高效的脫硫劑，脫硫后產生的硫酸鎂是附加值較高的副產品，再一次變廢為寶，同時很好地實現了SO2的減排。脫硬后的濃鹽水送至鹽堿企業制純堿、氫氧化鈉等化工原料，再服務于濃鹽水脫硬，形成超大規模的節能環保循環經濟產業鏈。

圖6 環境資源與物質資源轉化示意圖

（2）能源與水資源轉化路線1：熱能梯級利用

熱能充分利用如圖7所示。在標準汽輪發電機組中一般均配有凝汽器及冷卻塔等系統，而在此技術路線中卻用熱法海水淡化LT-MED裝置代替，既節省了設備投資，又提高了全系統的熱效率。余熱鍋爐向汽輪機提供高端蒸氣，余熱蒸氣向汽輪機補充中端蒸氣，汽輪機做功后的乏汽供給LT-MED生產除鹽水。此技術利用了汽輪發電機組的部分冷端損失，大幅度地提高了全系統熱效率，大大降低了海水淡化成本。

圖7 熱能梯級利用示意圖

（3）能源與水資源轉化路線2：新能源利用

新能源利用如圖8所示。電力是難儲存的，因此，新能源（風能及太陽能）發電后必須上網送電，但新能源均存在受天氣影響而出現大幅波動的現象，其所發電能卻被電網視為低品質電，影響電網的運行安全。將不可儲存的新能源發電通過海水淡化轉換成可儲存的水資源就有效地解決了這一問題，因此，新能源發電與海水淡化的結合有著很大的發展空間。

該公司以資源利用最大化、廢物排放最小化、經濟效益最優化為目的，將上述6條技術路線整合（如圖9所示），打造了典型的循環經濟項目和生態工程。

4 結論

圖8 新能源利用示意圖

雖然起初海水淡化只是作為電廠、化工、鋼鐵等大型耗水企業的配套設施來建設，但如今海水淡化可形成循環經濟產業鏈來運作。除了符合國家資源可持續發展戰略要求外，還能夠為企業帶來實實在在的經濟效益。立足于水資源安全和可持續發展的高度，提升海水淡化的戰略地位，把海水淡化與工業冷卻、制鹽、化學資源提取等相結合，可降低成本、提高總體效益、減少環境污染。

大力發展海水淡化可為內陸地區節省更多可資利用的淡水資源，將檢測合格的淡化水送入城市供水系統，緩解城市用水壓力，實際上等于增加了我國水資源總量，這對于長遠解決我國水資源短缺問題具有戰略意義。

圖9 水資源綜合利用技術：能源與資源循環經濟產業鏈

[1] 張建紅，吳禮云.低溫多效海水淡化技術經濟分析[C].第四屆金屬學會青年學術論文集， 2008.

[2] 余瑞霞，王越，王世昌.海水淡化濃鹽水排放與處理技術研究概況[J].水處理技術，2005（6）.

[3] 吳禮云，李揚.低溫多效蒸餾海水淡化熱力發電耦合技術[N].世界金屬導報，2012-7-31（B11）.

Discussion on Integration Technology of Seawater Desalt at Low Cost

WU Li-yun, LI Yang, SUN Xue, TANG Zhi-xin

(Shougang Jingtang Integrated Iron & Steel Co., Ltd, Caofeidian Hebei 063200, China)

Integration technology of seawater desalting takes seawater desalt with low temperature, multi-effect and distillation as a core, integrates thermoelectricity and salt-alkali chemical industry, forms integration production mode of “heatelectricity-water-salt’, realizes the comprehensive utilization of fresh water resource, seawater resource and energy resource, reduces greatly production costs and achieves environmental protection benefts and social benefts as well as provides a real and feasible program for the future urban water supply.

seawater desalting; integration technology; circular economy; integration production of heat-electricity-watersalt; low temperature and multi-effect

X703

A

1006-5377（2014）07-0048-05