艦用海水淡化技術裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳棫端，呂東方，于開錄，李 崇，趙宴輝

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲056027)

0 引 言

海水淡化裝置是海軍艦艇長時間航行的重要保障，脫鹽淡水主要用于生活用水和動力裝置補給水［1］。它們對脫鹽淡水的含鹽量要求不同，例如生活用水低于500 mg/L，鍋爐補給水應小于10 mg/L，核動力鍋爐補給水要求補水電導率小于1 μS/cm。通過蒸餾和反滲透等海水淡化技術，以及后續(xù)的離子交換和電去離子技術，能夠制取各種水質(zhì)的淡水［2］。本文對海水淡化及高純水制備在發(fā)展過程中的各種技術和裝備進行總結(jié)和歸納，同時分析國外艦用海水淡化的發(fā)展現(xiàn)狀，最后闡述了艦用海水淡化技術的發(fā)展趨勢。

1 技術類型

1.1 海水淡化分類

海水淡化就是從海水中獲取淡水的技術和過程，按照從海水中取水或者除鹽的分離路線，海水淡化分為兩大類(見圖1)［3］。從海水中分離出淡水的方法分為蒸餾法、冷凍法、反滲透法、水合物法和溶劑萃取法;從海水中分離出鹽分的方法分為電滲析法和離子交換法。其中得到大規(guī)模商業(yè)應用的是電滲析法、蒸餾法和反滲透法，后2 種在艦艇海水淡化中得到普遍應用。

圖1 海水淡化的分類Fig.1 Desalination technologies

1)蒸餾法

根據(jù)熱源類型和加熱器的工藝結(jié)構，蒸餾法又分為沸騰蒸餾和閃蒸。蒸餾法海水淡化裝置的產(chǎn)水水質(zhì)高，含鹽量(總固體溶解物)一般在5 mg/L 左右，與離子交換或電除離子電滲析(EDI)相結(jié)合產(chǎn)出的淡水可以直接滿足鍋爐補給水要求。目前部分以蒸汽輪機為動力的艦船仍繼續(xù)采用蒸餾式海水淡化裝置。

①閃蒸。早期水面艦船上安裝的都是沸騰式蒸餾設備，海水中Ca和Mg 離子容易沉積到換熱器的表面，因此經(jīng)常對結(jié)垢進行清洗。為了解決清洗頻繁的難題，提出了閃蒸海水淡化技術［5］。它的技術原理是:將加熱到一定溫度的海水輸入一定真空的容器內(nèi)，熱海水進入容器時，由于溫度高于真空容器內(nèi)的飽和溫度，海水因過熱，使一小部分水分閃發(fā)成蒸汽。可以看出，海水的加熱和蒸發(fā)發(fā)生在不同的時間和不同的容器，加熱時不發(fā)生相變，閃發(fā)時無受熱表面，因此，加熱時結(jié)垢極其輕微;閃發(fā)時的結(jié)垢沉淀物黏附在非受熱表面的殼體上，對閃發(fā)的效果無任何影響。閃蒸分單級和多級:單級經(jīng)過一個空間降溫閃發(fā);多級經(jīng)過逐級減壓空間降溫閃發(fā)(見圖2)。

圖2 多級閃蒸技術流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of MSF technology

②沸騰蒸餾。20世紀50年代之前的絕大部分海水淡化裝置都采用沸騰蒸餾技術，其技術原理非常簡單:海水加熱到飽和沸騰溫度，使水分蒸發(fā)成蒸汽，與海水中的其他雜質(zhì)分離，蒸汽經(jīng)冷凝制得淡水。為了降低海水的沸騰溫度，降低能耗，需要將海水蒸發(fā)容器抽到一定真空。沸騰蒸餾技術按換熱器結(jié)構分為立管、臥管、板式和薄膜蒸餾技術。海水蒸發(fā)屬于相變過程，需要額外供給熱源。對于各種水面艦船，加熱來源包括鍋爐蒸汽、柴油機夾套冷卻水和經(jīng)過機械壓縮二次蒸汽。最后一種適合只有電能、沒有蒸汽的水面艦船，即先通過電加熱將海水加熱沸騰，產(chǎn)生的二次蒸汽再經(jīng)過壓縮以提高溫度，重新加熱海水，整個過程不使用蒸汽。

根據(jù)蒸發(fā)器的數(shù)量，沸騰蒸餾可分為單效蒸餾和多效蒸餾。單效蒸餾設備的尺寸較小、造價較低，但它的造水比較低，即相同供熱條件下產(chǎn)水較少，主要原因是海水蒸發(fā)的二次蒸汽的潛熱沒有充分利用。多效蒸餾可以大幅度提高造水比，它的原理是將蒸餾產(chǎn)生的二次蒸汽再作為加熱蒸汽來對下一效溶液進行加熱，使蒸發(fā)所耗的熱能充分得到再利用，以降低能耗(見圖3)。

早期多效蒸餾操作溫度接近100℃，容易結(jié)垢，清洗困難。考慮到在70℃以下無機鹽的結(jié)垢不是很明顯(見圖4)，以色列的IDE 公司開發(fā)了低溫多效蒸餾技術，避免和減緩設備的腐蝕及結(jié)垢，在低溫操作段也可以達到較高的造水比［6］。

圖3 多效蒸餾技術流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of MED technology

圖4 硫酸鈣的溶解與結(jié)晶Fig.4 The dissolution and crystallization of CaSO4

多級閃蒸技術和低溫多效蒸餾技術是最主要的蒸餾法海水淡化技術，目前低溫多效蒸餾具有一定的技術優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點:一是低溫多效蒸餾是雙側(cè)相變傳熱(沸騰和冷凝)，傳熱系數(shù)很高，傳熱面積少于多級閃蒸;二是多級閃蒸過程中，海水循環(huán)量數(shù)倍于多效蒸餾技術，產(chǎn)水能耗很高;三是低溫多效蒸餾的操作彈性大(40% ～110%);四是低溫多效蒸餾操作溫度低，避免或減緩了設備的腐蝕和結(jié)垢;五是低溫多效蒸餾的海水的預處理簡單，不需要加酸脫氣處理，只需要加入阻垢劑。

2)反滲透法

①技術原理。當把相同體積的淡水和海水分別置于膜材料的兩側(cè)時，淡水會自然透過膜材料向海水一側(cè)流動，該現(xiàn)象稱為滲透。如果在海水側(cè)施加一定壓力時，海水中水分子通過膜材料向淡水側(cè)反向流動，而無機離子等雜質(zhì)被膜材料有選擇的截留，這就是海水反滲透淡化的技術原理(見圖5)。

圖5 反滲透技術原理示意圖Fig.5 Foundation of RO technology

②工藝路線。反滲透海水淡化工藝包括預處理、反滲透、后處理和清洗(見圖6)。為了保證反滲透淡化系統(tǒng)的安全運行，延長膜的使用壽命，必須對海水進行預處理，包括加氯消毒、凝聚過濾、加酸調(diào)節(jié)PH 值、投入聚磷酸鹽做阻垢劑、消除余氯以及微濾，消除海水中各種雜質(zhì)［7］。艦艇在世界各地航行，原料海水的水質(zhì)千差萬別，預處理應該具有普適性。

反滲透裝置的主體由反滲透膜堆和高壓泵兩部分組成，高壓泵把海水升壓至特定壓力進入膜堆，透過膜的作為初級產(chǎn)品水，而未透過膜的作為濃鹽水排放，得水率一般在30%左右。濃鹽水的壓力一般在4 ～7 MPa，如果直接排放，壓力能將直接浪費，因此需要在濃鹽水排放管線上安裝能量回收裝置。反滲透膜組件在長時間運行后，必須進行清洗膜表面的結(jié)垢、金屬氧化物、微粒、膠體和細菌等，使膜組件恢復設定產(chǎn)量。

由于膜組件能夠截留CO2-3離子和HCO3-離子，不能截留海水中溶解的CO2，因此產(chǎn)品淡水呈弱酸性，不宜直接進入供水管網(wǎng)和直接飲用，通常投加石灰、蘇打或火堿以提高淡水PH 值。“遠望”號維修測量船上的反滲透海水淡化裝置在設計時未考慮這一因素，造成供水管路腐蝕等現(xiàn)象［8］。如果用作飲用水，還必須添加次氯酸鈉或增設紫外殺菌設備。反滲透裝置的停機保養(yǎng)要求較高。當反滲透裝置長時間不運行時，為避免膜組件內(nèi)部細菌滋生、防止干裂，需要配置特殊溶液進行沖洗和浸泡保存，并定期更換。

圖6 反滲透工藝流程簡圖Fig.6 Schematic diagram of RO technology

3)高純水的生產(chǎn)

高純水處理裝置是船舶上不可缺少的重要設備，為船舶動力裝置、輔助鍋爐、蓄電池等設備提供高純水。核動力水面艦船的鍋爐補給水的水質(zhì)要求最高，通常需要對海水淡化產(chǎn)生的淡水進一步處理，產(chǎn)水電導率在25℃時低于0.1us/cm，或者產(chǎn)水電阻高于12.5 MΩ。常用的高純水制備技術包括離子交換技術和電去離子技術［9］。

①離子交換技術。離子交換技術是一類特殊的固體吸附過程，能夠從電解質(zhì)溶液中吸取某種陽離子或陰離子，而把本身所含另外一種帶相同電荷的離子等當量交換下來釋放到水中。離子交換劑包括無機離子交換劑、磺化煤和有機離子交換劑。H 型或Na 型離子交換劑可以將水中的Ca2+和Mg2+等陽離子進行置換。經(jīng)過離子交換處理的高純水，電阻率達到18 MΩ 以上，能夠滿足特殊鍋爐補給水的水質(zhì)要求。該技術的缺點是再生時間長，酸堿消耗量較大。

②電去離子技術。電去離子(Electrodeionization，EDI)技術是一種將離子交換樹脂和離子交換膜相結(jié)合、在電場作用下連續(xù)去除離子的水處理方法。EDI 借助離子交換樹脂的離子交換作用與陰、陽離子交換膜對陰、陽離子的選擇性透過作用，在直流電場的作用下，實現(xiàn)離子定向遷移，從而完成水的深度除鹽。它將離子交換樹脂填充在電滲析器的隔室中，將電滲析和離子交換過程合二為一，變電滲析過程中濃差極化的缺點為優(yōu)點，對樹脂起到再生作用，從而避免了酸堿的使用。

2 國內(nèi)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

艦用和陸用海水淡化裝置的技術原理相同，但由于淡水需求量、能力來源和運行空間的不同，導致二者的發(fā)展過程和方向略有差異。長期以來，蒸餾法是艦船海水淡化的主要技術，主要包括常壓蒸餾和多級閃蒸技術［10］。在陸地上廣泛應用的低溫多效蒸餾技術，由于出現(xiàn)時間晚，沒有在艦船上應用。與其同時出現(xiàn)的反滲透技術，則因為操作方便、工作量小等優(yōu)點而得到大規(guī)模應用。

美國海軍大部分艦船建造時間較早，主要都安裝了蒸餾法海水淡化裝置。根據(jù)美國海軍艦船技術手冊，其技術類型包括蒸汽壓縮式、低壓蒸汽式(閃蒸式、浸沒式和籃筐式)和熱回收式，它們的最大區(qū)別是運行過程中所使用的能量形式和操作壓力［11］。蒸汽壓縮式海水淡化裝置使用電動壓縮機，操作壓力為常壓。低壓蒸汽式裝置使用鍋爐系統(tǒng)的蒸汽，熱回收裝置使用柴油機的冷卻水作為熱源。

蒸餾裝置的特點是穩(wěn)定性好，能夠連續(xù)運行多年，只要熱平衡參數(shù)保持或接近于設計條件，就能不斷按額定容量產(chǎn)水。即使熱平衡條件嚴重偏離正常值，或換熱而被爐垢覆蓋，蒸餾器仍能生產(chǎn)符合水質(zhì)要求的淡水，只是產(chǎn)量較設計值稍低。蒸餾海水淡化裝置較反滲透淡化裝置更能經(jīng)受運行中的疏忽、遺漏和濫用等情況。早期蒸餾裝置每隔一定時間就要清除結(jié)垢，現(xiàn)在的裝置都配置了更先進的連續(xù)添加防垢劑設備，同時配置了更高效、對設備腐蝕更輕的檸檬酸清洗設備，使勞動量大為減輕。根據(jù)美軍日常維護的經(jīng)驗，蒸餾器全部問題有70%歸因于水泵和真空泵的故障。

多級閃蒸海水淡化裝置是美國海軍各類淡化裝置中使用最多的裝置，它有多種產(chǎn)品規(guī)格，單機產(chǎn)水容量從23 ～380 m3/d。缺點是能耗較高，原水與產(chǎn)水之比達到10 以上。 “尼米茲”級核動力航空母艦均配置4 個蒸餾海水淡化裝置(見圖7)，總產(chǎn)水量為1 500 m3/h，飲用水需要礦化，生產(chǎn)廠家為AQUA CHEM 公司。艦上有4 個水箱，儲存380 m3淡水，可以供應全船人員4 h 使用。

圖7 AQUA CHEM 公司生產(chǎn)的艦用多級閃蒸海水淡化裝置Fig.7 Shipboard MSF seawater desalination apparatus of AQUA CHEM

蒸汽壓縮蒸餾的產(chǎn)水效率很高，但機械蒸汽壓縮蒸餾裝置的換熱面非常容易結(jié)垢，容積式壓縮機的可靠性也比較差。即便采用經(jīng)過改進的離心式壓縮機和自動給水化學處理系統(tǒng)后，操作溫度仍然為100℃左右，每隔250 h 仍要清洗。頻繁的酸清洗對管路、泵和其他部件造成腐蝕，清洗成本增加［12］。另外，受限于蒸汽壓縮機的規(guī)模限制，機械蒸汽壓縮蒸餾裝置的產(chǎn)量很難達到100 t/d 以上。

陸地上廣泛使用的低溫多效蒸餾裝置就可以克服以上缺點。其操作溫度低于70℃，在輔助添加阻垢劑的條件下，清洗頻率可以降低到1年，極大降低了裝置的勞動強度，同時提高了裝置運行的穩(wěn)定性。另外通過高壓蒸汽壓縮最后一效的乏蒸汽，從而取代壓縮機，可以提高裝置的產(chǎn)水量，在船用條件下，單機產(chǎn)水量可達500 m3/d，體積和重量均低于多級閃蒸裝置。低溫多效蒸餾裝置可以實現(xiàn)全自動運行。

與蒸餾法相比，反滲透海水淡化裝置的工藝流程非常簡單，海水無需相變，也無需熱源，只需要電能，因此能夠避免蒸餾法固有的結(jié)垢問題。1988年美國海軍在“弗萊徹”號軍艦上安裝了標準設計的反滲透裝置(見圖8)［12］。經(jīng)過測試，裝置能夠滿足艦船用水要求，而且不需要連續(xù)性觀察，維修工作量小，能耗低，穩(wěn)定性好，隨后大部分新建海軍艦船都安裝了反滲透裝置。

圖8 美國海軍列裝的標準設計反滲透裝置Fig.8 Standard RO apparatus of US Navy

美國EUWP 二代演示項目正在試驗，它由2 個框架組成，產(chǎn)量為1135.5 m3/d(見圖9)，計劃取代航母上2 個蒸餾海水淡化裝置［13］。

圖9 美國海軍最新研發(fā)的海水淡化裝置Fig.9 The newest desalination apparatus of US Navy

反滲透裝置設計中的關鍵性要素是選擇結(jié)實而可靠的反滲透膜，膜一旦選定，其設計過程主要便是如何選擇過濾系統(tǒng)、高壓泵以及材料等問題，以便達到所期望的可靠性。

反滲透膜組件對海水質(zhì)量要求非常高，一旦海水預處理設備出現(xiàn)問題，就會給膜組件帶來嚴重影響。美國海軍普遍采用的標準反滲透裝置NSRO，設計時預處理設備適用的水質(zhì)遠離陸地、污染小的大洋海水。在此條件下，能夠保證4 ～6 星期更換保安過濾器(更換時間為1 ～6 h);3 ～5年更換反滲透膜組件(更換時間為4 ～12 h)。美國海軍大部分航行時間處于近海，此處海水的懸浮物濃度遠高于大洋，污染物的種類也千差萬別，如果在近海使用反滲透裝置，膜組件產(chǎn)水量衰減嚴重。2003年，美國海軍開展了測試，試驗從3月持續(xù)到7月，反滲透裝置累積運行1 283 h，海水產(chǎn)量衰減了2/3，試驗結(jié)束后直接更換膜組件［14］。

現(xiàn)在美國海軍正在開展先進海水淡化FNC 項目，將反滲透適用海域擴展到沿海或近海，達到勞動工作量低、尺寸緊湊、化學添加劑少、能耗低等要求［15］。項目要求在外洋操作可能性大于99%，沿海操作可能性大于95%，每立方米裝置體積的產(chǎn)量是7 m3/d，每噸裝置重量的產(chǎn)量是17 m3/d，每立方米淡水的能耗是5.3 kWh。

3 結(jié) 語

沸騰蒸餾、閃蒸和反滲透是艦用海水淡化的3 種主流技術。對于小型海軍艦艇，淡水需求量較低，海水淡化裝置類型通常取決于動力裝置提供的能源形式，包括蒸汽、電能、廢氣或氣缸套內(nèi)的熱水等。對于大型海軍艦船，淡水需求量較大，海水淡化裝置類型與能源提供形式的關聯(lián)較低，它主要取決于外形尺寸、經(jīng)濟性和可靠性等因素。目前，大型海軍艦船大多安裝了多級閃蒸裝置，雖然其產(chǎn)水純度高，但也存在能耗高、外形尺寸大和穩(wěn)定性差等問題，美軍正在考慮將反滲透裝置替代部分多級閃蒸裝置。另外在陸地上廣泛應用的低溫多效蒸餾裝置具有產(chǎn)水純度高、能耗低、重量輕和可靠性高等優(yōu)點，也可以應用到大型海軍艦船上。

［1］潘獻輝，王生輝，王曉楠.船用海水淡化裝置的發(fā)展及應用［J］.中國給水排水，2012，28(4):24-26.

PAN Xian-hui，WANG Sheng-hui，WANG Xiao-nan.Development and use of marine desalination device［J］.Chinese Water and Wastewater，2012，28(4):24-26.

［2］高從堦，陳國華.海水淡化技術與工程手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

GAO Cong-jie，CHEN Guo-hua.Handbook of seawater desalination technology and engineering［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2004.

［3］惠紹棠，阮國嶺，于開錄.海水淡化與循環(huán)經(jīng)濟［M］.天津:天津人民出版社，2005.

HUI Shao-tang，RUAN Guo-ling，YU Kai-lu.Desalination and recovery economics［M］.Tianjin:Tianjin People Press，2005.

［4］ARRINDELL E M，BIRKETT J D.Aruba′s early experiences in desalination［J］.Desalination and Water Reuse，2002，12(3):30-33.

［5］YOUSEF A W，F(xiàn)AISAL A M.Seawater desalination in Kuwait using multistage flash evaporation technology—historical overview［J］.Desalination，2001，134:257-267.

［6］FISHER U.One year of operation of Israel desalination engineerings multi-effect distillation US Virgin Islands［J］.Desalination，1983(44):73-84.

［7］王世昌.海水淡化工程［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

WANG Shi-chang.Desalination engineering［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2003.

［8］劉永明，張小波，肖海瑞.基于某型船反滲透產(chǎn)水水質(zhì)改進方案設計與實現(xiàn)［J］.船舶工程，2011，33(增刊2):194-197.

LIU Yong-ming，ZHANG Xiao-bo，XIAO Hai-rui.Design and realization of improvement project for the quality of water produced by reverse osmosis based on certain ship［J］.Ship Engineering，2011，33(S2):194-197.

［9］趙毅，王娜，孫小軍，等.電去離子技術及其在高純水生產(chǎn)中的應用［J］.華北電力大學學報，2007，34(3):72-76.

ZHAO Yi，WANG Na，SUN Xiao-jun，et al.EDI technology and its application in high- purity water production［J］.Journal of North China Electric Power University，2007，34(3):72-76.

［10］苗超，謝春剛，馮厚軍，等.船用海水淡化技術發(fā)展現(xiàn)狀與研究建議［J］.船舶工程，2011，33(6):6-9.

MIAO Chao，XIE Chun-gang，F(xiàn)ENG Hou-jun，et al.Development status and research proposals on seawater desalination technology for ships［J］.Ship Engineering，2011，33(6):6-9.

［11］蒸餾淡化裝置［Z］.美國海軍艦船技術手冊.

Desalination Plant［Z］.Naval Ship′s Technical Manual.

［12］PISSION J F，ADAMSON W L，SMITH W L.Reverse osmosis for surface ship desalination-an overview［J］.Naval Engineers Journal，1991(5):126-135.

［13］NORDHAM D J，PIZZINO J F.Advanced desalination for shipboard application［J］.Sea Frame，2008，4(2):7-8.

［14］PEEK I.Current navy desalination capability［G］.US Office of Naval Research Industry Day，31 March 2011，Long Beach，CA.

［15］NORDHAM D.Performance requirement for ONR FNC shipboard desalination demonstrators［G］.US Office of Naval Research Industry Day，31 March 2011，Long Beach，CA.