淺析我國海水淡化技術

邱明英

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

眾所周知，我國的淡水資源十分稀缺，有400多個城市常年處于缺水狀態，其中北方沿海諸多地區屬于最缺水的地區之一。作為淡水資源的增量技術，海水淡化技術得到了越來越多的應用，有效緩解了沿海地區尤其是島嶼的用水困境。考慮到淡水資源的匱乏，水價的逐步提高，海水淡化技術的日益成熟、新材料的利用以及工藝國產化對降低其制水成本的作用，海水淡化技術的經濟成本已呈逐年下降趨勢，是未來緩解國內沿海地區淡水資源短缺的必然趨勢。

海水淡化技術工藝繁多，技術種類超過20余種，包括多級閃蒸法、低溫多效蒸餾法、反滲透法、電滲析法、凍結法及離子交換法等。鑒于技術成熟度和經濟成本的制約，目前已在國際上取得成功商業化應用的技術主要有三種，分別是多級閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（LT-MED）和反滲透（SWRO）[1、2]。

1 國內主流工藝

1.1 多級閃蒸（MSF）[3]

多級閃蒸技術屬于蒸餾法，是海水淡化中商業化應用較早的工藝之一，國外海水淡化裝置在20世紀80年代前多采用此技術。該技術在1989年首次引入我國，成功應用于天津大港電廠二期海水淡化工程，全套多級閃蒸裝置均為美國進口，是迄今為止國內唯一一個采用多級閃蒸技術的海水淡化工程。

工藝流程：海水首先經過澄清和加氯消毒預處理，經蒸氣預熱后到達蒸氣加熱器，被加熱至90℃～115℃后送入第一閃蒸室，同時控制閃蒸室內的壓力低于海水的飽和蒸氣壓，部分海水迅速形成蒸氣，蒸氣經除霧器除去雜質后在冷凝管束表面冷凝，收集后即可得到淡水；其余沒有氣化的海水溫度降低，流入下一個閃蒸室繼續閃蒸，并重復蒸發和冷凝的過程，將一系列壓力逐級降低的閃蒸室串聯起來，即可連續產出淡水。工藝流程圖如圖1。

圖1 MSF技術工藝流程圖

主要優點是設備單機容量大、出水品質好（產品水鹽度一般為3～10mg/L）、使用壽命較長、造水比高（規模在4萬～5萬m3/t的裝置造水比為13～14）、熱效率高等。缺點是操作溫度多為110℃～120℃，設備材料多采用抗腐蝕性較好的不銹鋼及銅鎳合金，工程投資高，一般為采用反滲透技術工程的2倍。此外，設備的操作彈性較小，一般為設計值的80%～110%，因此不太適應產水量變動較大的工程。

適用范圍：多級閃蒸技術一般利用電廠的低位蒸氣為熱源以降低運行成本，多用于大型海水淡化工程，為燃煤鍋爐提供優質淡水，此外也可用于生活用水。

1.2 低溫多效蒸餾（LT-MED） [4]

低溫多效蒸餾是20世紀80年代后逐步發展成熟的技術。所謂 “低溫”是指海水最高的蒸餾溫度不超過70℃。該技術工藝的蒸發器由一系列連續的水平噴淋降膜蒸發器串聯構成。海水在冷凝器中預熱、脫氣后分成兩股，其中一股排回大海，另一股充當進料液。加入阻垢劑的進料液首先被引入蒸發器溫度最低的效組中。噴淋系統把料液分布到頂排管上，在自上向下的降膜過程中，一部分海水吸收了管束內冷凝蒸氣的潛熱而汽化，冷凝液以淡化水導出，蒸氣進下一效組，剩余料液也泵入下一效組中，該效組的操作溫度高于上一效組，在新的效組中又重復了蒸發和噴淋過程，直到料液在溫度最高的效組中以濃縮液的形式排出。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 LT-MED技術工藝流程圖

低溫多效裝置可以用約70℃、0.03～0.035MPa的蒸氣作為熱源，也可采用熱壓縮裝置，進一步提高系統的熱效率。目前絕大部分低溫多效蒸餾工藝采用壓氣蒸餾的方法，利用蒸氣噴射器對蒸氣壓縮以提高熱效率，稱為熱壓縮（TVC），或采用機械蒸氣壓縮機，即機械壓縮（MVC）。

主要優點是無需復雜的海水預處理，能適應各種海水條件的變化；減少了占地面積、降低了土建成本；耗電量很低（1.5kW·h/m3），熱效率比多級閃蒸高，約30℃的溫差可達到10左右的造水比；運行溫度遠遠低于多級閃蒸裝置的110℃，能耗和管壁腐蝕及結垢速率均較低，而熱效率較高；操作彈性很大，負荷范圍從110%變到40%，皆可正常操作，且不會使造水比下降。缺點是與反滲透工藝相比，設備體積較大，設備造價相對較高。

適用范圍：低溫多效蒸餾與多級閃蒸的適應條件基本相同。低溫多效蒸餾技術近年來在國內的主要應用包括河北首鋼京唐鋼鐵廠5萬m3/t水電聯產海水淡化工程、天津北疆一期20萬m3/t海水淡化工程等。

1.3 反滲透（SWRO）[5]

反滲透（SWRO）技術是對反滲透膜一側的水施加大于滲透壓的壓力，水分子利用反滲透膜的選擇透過性不斷地透過反滲透膜，在反滲透膜的出水側收集后最后在出水端流出，而進水中的雜質被截留在反滲透膜的進水側，然后在濃水出水端流出。

反滲透裝置由高壓泵、能量回收裝置、壓力提升泵、反滲透裝置、變頻控制柜及輔助設備組成。海水經預處理去除懸浮物后，經高壓泵增壓送入第一個膜元件，在較高壓力下，在螺旋卷繞的進水隔網通道內流動，其中一部分水分子不斷滲透過膜，經產水隔網流道進入到卷式膜元件的中心管，生產出淡水。其余進水沿著水流方向繼續流動至下一個膜元件，通過多個膜元件的串聯，連續產出淡水。該技術系統的核心是反滲透膜。當前主流的滲透元件為8英寸元件（直徑20cm），更大的16英寸元件（直徑40cm）已在新加坡的海水淡化工程中使用，極可能成為今后的主流元件。該技術系統不消耗蒸氣，只消耗電能，用電量的多少與進水的含鹽量、水溫度、濃縮倍率及出水的水質有關，其能耗一般為9～10kW·h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為3.5～6kW·h/m3。

反滲透技術與多級閃蒸、低溫多效蒸餾技術相比，不需要消耗蒸氣，具有高效率、低能耗、設備緊湊美觀、易自動控制等優點。目前，該技術系統的大部分設備已實現國產化，但高壓泵、能量回收裝置及部分膜組件的技術仍處于摸索階段，設備需要進口。缺點是膜的膜通量對溫度較敏感，特別是在冬季水溫低時，膜通量會大幅下降。

適用范圍：適用于各種海水淡化工程。近年來國內具有代表性的應用包括山東青島百發10萬m3/d海水淡化工程、山東青島董家口10萬m3/d海水淡化工程、天津大港新泉10萬m3/d海水淡化工程等。工藝流程圖見圖3。

圖3 SWRO技術工藝流程圖

1.4 技術性能對比

3種淡化工藝的技術性能見下表[6～8]。

海水淡化3種工藝技術的比較表

從表中可看出，蒸餾法與反滲透法的主要技術區別是：對進水水質的要求不同、單機產水量不同、變工況能力不同、能（熱）耗不同等。蒸餾法在裝置規模、預處理系統的要求、出水水質、運行可靠性及電耗方面具有明顯優勢，但蒸餾法的總能耗比反滲透法高。從海水用量上看，反滲透法水的利用率高，因此取水量較少。在變工況能力上，反滲透法則沒有限制。

2 國內海水淡化現狀[9、10]

目前，我國已將開發和合理利用淡水資源提升到戰略層面，海水利用已成為 “十三五”海洋經濟創新發展區域示范重點支持的三大產業之一。《全國海水利用“十三五”規劃》明確指出：截至2020年底，國內海水淡化工程產能要達到220萬m3/d以上，新增沿海城市海水淡化工程規模要達到105萬m3/d以上，海水利用力爭實現規模化應用。

截至2016年底，國內共建成海水淡化工程131個，產水能力達到118.80萬m3/d。其中，2016年海水淡化工程新增產能17.90萬m3/d。在技術應用方面，我國海水淡化工程多采用反滲透、低溫多效蒸餾技術。采用反滲透技術的海水淡化工程共計112個，產能達到81.26萬m3/d，占總產能的68.40%；采用低溫多效蒸餾技術的工程有16個，工程總規模可達36.92萬m3/d，占總產能的31.07%；采用多級閃蒸技術的工程只有1個，工程規模約為0.6萬m3/d，僅占總產能的0.50%。2016年國內海水淡化年產水成本在5～8元/m3，主要包括電力消耗成本、蒸氣消耗成本、藥劑消耗成本、膜更換成本、人工成本、折舊成本及維護成本等。其中，日產水能力在萬噸級以上的產水成本平均為6.22元/t，日產水能力在千噸級的產水成本平均為7.2元/t。

3 結語

以海水淡化為代表的海水利用技術已成為解決我國淡水資源短缺最重要的途徑，國內技術主要以反滲透和多效蒸餾為主，反滲透技術由于工藝的便捷性、通用性，市場有逐步擴大的趨勢。不同的海水淡化方法有各自的優勢，用途不同且不能相互替代。因此，應在充分了解海水淡化技術的基礎上，還要根據當地的環境特征和運行目標，進行具體的經濟技術分析與遴選，選擇更加適合當地經濟發展的工程方案。

參考文獻：

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[10] 國家海洋局．2016年全國海水利用報告[R]．2017．