MVR技術在海水淡化中的應用研究

苗純正，朱小飛，唐慧波，李新衛，吳文烈

（中船重工（重慶）西南裝備研究院有限公司，重慶 401147）

我國在2015年10月提出《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》，要求實現海水淡化的規模化、產量化、集成化，逐步形成重要的戰略新興產業，解決地區缺水問題。2015年底，我國已建成海水淡化工程產水規模92.69萬t/d，但遠低于2012年出臺《關于加快發展海水淡化產業的意見》《海水淡化產業“十二五”規劃》提出的目標：到2015年，我國海水淡化日產能力將達到220萬～260萬m3的要求。目前，我國海水淡化應用不斷擴大，產能正在高速增長，但仍滯后于規劃，隨著產業發展環境的日益改善，產業化發展基礎已基本具備，海水淡化產業即將進入高速發展期。

1 概述

海水淡化技術也稱海水脫鹽技術，其實質是分離海水中的鹽和水。按分離方法的不同，海水淡化技術主要分為膜法和熱法兩大類。目前，大規模工程廣泛應用的技術有多級閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（MED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）。但造水成本相對較高是制約目前海水淡化技術進一步發展的主要原因之一，因而對現有工藝技術的優化及提升、相關技術的耦合、海水的綜合利用、新能源的利用和新技術的開發是解決這一問題的主要途徑。

1.1 膜法

膜法海水淡化技術就是采用膜法分離技術實現海水淡化。膜法分離技術是指用特制的膜將一種液體中的溶質和溶劑分離的方法。膜法分離技術在海水淡化中常用的技術是電滲析和反滲透。

反滲透膜處理淡化法是一種先進的膜分離技術，作為最近幾十年發展起來的新型工藝，其基本原理是通過壓力驅動從而克服自然滲透這一現象的過程。反滲透海水淡化一般包括取水、預處理、反滲透膜、能量回收和產品后處理等工藝。由于RO系統中的半透膜對海水的pH，海水中含有的氧化劑、有機物、藻類、細菌、顆粒和其他污染物很敏感，因此需要對海水進行嚴格的預處理[1]。半透膜上容易生成水垢和污垢，導致脫鹽率衰減，水質不穩定，需要定期清洗和更換。

電滲析法（electrodialysis，ED）與RO同屬于膜方法，不同的是，ED是在外加直流電場的作用下使海水中的鹽離子定向地通過離子交換膜遷移，從而達到鹽水分離的效果。電滲析過程對不帶電荷的物質如有機物、膠體、細菌、懸浮物等無脫出能力，因此ED法不適用于淡化制備飲用水[2]。

通過對RO法和ED法海水淡化技術的分析，膜法海水淡化技術難以使出水水質達到生活飲用水標準，具有預處理工藝復雜、膜更換周期較短、使用過程中產生新的固體廢棄物等缺陷。而熱法海水淡化技術，技術成熟、出水水質穩定、設備維護方便，在大型的海水淡化工程中廣泛應用。

1.2 熱法的對比分析

目前，低溫多效蒸餾、多級閃蒸和機械式壓汽蒸發（Mechanical Vapor Recompression，MVR）三種熱力蒸發濃縮技術是研究應用最廣泛的節能技術，而國內外海水淡化工程中廣泛應用的熱法海水淡化技術主要是多級閃蒸和低溫多效蒸餾。因此，本文從原理上對三種熱法進行分析，溶質在蒸發過程中不會揮發，進料中的溶質將會全部進入完成液。故溶質的物料衡算為：

式中，F為溶液的進料量，kg/h；W為水分蒸發量，kg/h；L為完成液流量，kg/h；x0為料液中溶質的濃度，質量分數；x為完成液中溶質的濃度，質量分數。

當加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出時，對于整個系統來說，由熱量衡算可得：

式中，D為加熱蒸汽的消耗量，kg/h；QL為熱損失，kJ/kg；h0為料液的焓，kJ/kg；h為完成液的焓，kJ/kg；hs為加熱器中冷凝水的焓，kJ/kg；Hs為加熱蒸汽的焓，kJ/kg；H為二次蒸汽的焓，kJ/kg。

1.2.1 低溫多效蒸餾

低溫多效蒸餾的原理是將蒸餾產生的二次蒸汽作為加熱蒸汽來對下一效的料液進行加熱，料液在壓力和沸點均更低的下一效蒸發器中蒸發，產生新的二次蒸汽，依次向下一效蒸發器不斷加熱蒸發，使蒸發所消耗的熱能充分得到再利用，以降低能耗。對于多效蒸餾，第一效的熱源為新鮮蒸汽，下一效充當了上一效的冷凝器，而上一效產生的蒸汽在下一效冷凝。

裝置的產水量是各效產生蒸餾水量（水分蒸發量）的累計，即：

式中，m表示蒸餾水量，下標1～N為效數。

忽略閃蒸、過熱和熱損失，每效冷凝/蒸發單元的換熱量由蒸餾水量和氣化潛熱決定，即：

根據能量守恒原理，所有效冷凝/蒸發單元的換熱量都是相等的，因此式（8）成立，即：

式中，QEvap為蒸發熱流量，kJ/s。

結合式（8），多效蒸餾裝置的單位熱量需求為：

使用平均蒸發熱代替各個蒸發熱參數，則多效蒸餾裝置的單位能耗為：

式中，Tv,m為平均蒸發溫度，K。

1.2.2 多級閃蒸

閃蒸是指一定溫度的液體在環境壓力低于該溫度對應的飽和蒸汽壓時發生的驟然蒸發現象。閃蒸后的液體溫度降低以使其飽和蒸汽壓與環境壓力平衡。多級閃蒸就是利用了這個原理，使加熱至一定溫度的料液進入一系列壓力逐漸降低的閃蒸室閃蒸氣化，從而使料液濃縮溫度降低，蒸汽冷凝后得到淡水。在熱回收階段，料液依次流經閃蒸室中的換熱器，與各室閃蒸出來的二次蒸汽進行熱交換而得到進一步的加熱，同時使蒸汽冷凝下來。通過不斷向下一級的遞進，蒸汽冷凝釋放出來的潛熱能夠被充分利用。與多效蒸餾相同的是，第一級的加熱熱源都為新鮮蒸汽。

從熱力學角度出發，多級閃蒸與多效蒸餾的原理相同，而與多效蒸餾不同的是：多效蒸餾的換熱過程是沸騰和冷凝傳熱，是相變傳熱，因此傳熱系數很高，總的來說，多效蒸餾所用的傳熱面積比多級閃蒸少；多效蒸餾通常是一次通過式的蒸發，不像多級閃蒸那樣大量的液體在設備內循環，因此動力消耗較少；多效蒸餾的濃縮比高，彈性大。

多級閃蒸原海水通過換熱器回收每一級產生的二次蒸汽及濃液的熱量，進入加熱器，加熱的熱量由生蒸汽提供。生蒸汽的溫度越高，多級閃蒸的級數越多，但原海水硬度較大，溫度越高，蒸發過程中污垢越容易沉積在傳熱管表面，為避免加熱器表面結垢，鹽水的最高溫度一般不超過120℃[3]。

1.2.3 機械式壓汽蒸發（MVR）

MVR技術是將壓縮功轉化為飽和蒸汽的內能，使其溫度升高成為飽和蒸汽，再利用高溫高壓的蒸汽作為熱源，加熱物料使其部分蒸發，蒸汽冷凝生成淡水實現鹽水分離的過程[4]。MVR蒸發出來的二次蒸汽，具有較高的能量，而MVR充分利用這部分熱量，通過蒸汽壓縮機再壓縮，只需提供少量的機械能以提高二次蒸汽顯熱。此部分單位質量機械功為：

式中，Nt為壓縮機功率，kW；qve為壓縮機入口單位時間體積流量，m3/s；n為多變系數；P1為壓縮機進口壓力，kPa；P2為壓縮機出口壓力，kPa。

從熱力學角度分析，MVR技術與多效蒸發、多級閃蒸的本質區別在于前者以壓縮機壓縮二次蒸汽提高熱焓作為整個系統的熱源，即壓縮機為整個系統提供了能量，而后兩者則是由生蒸汽作為熱源。系統中其他的設備、能耗大都一樣，因此在單位處理量同等的條件下，MVR技術要更加節能。

通過對上述三種熱法的熱力學原理分析，現以海水淡化工程中廣泛應用的低溫多效蒸發和多級閃蒸的條件進行能耗的對比。以低溫多效蒸餾10效，多級閃蒸10級，濃縮倍數為1.4倍左右，沸點升高0.8℃，傳熱溫差3.5℃。蒸汽壓縮機進出口的溫度差取5℃，蒸汽的多變指數n可以看作常數1.329，按蒸發溫度為70℃，蒸汽壓縮機的效率為80%，壓縮比為1.238。按上述條件將多效蒸發與多級閃蒸消耗的生蒸汽以電耗換算，在物料沸點升高、濃縮倍數相同，單位時間蒸發水量也相同的條件下，MVR技術單位時間的能耗要比10效的多效蒸餾、10級的多級閃蒸小得多，并且MVR技術還具有占地面積小、僅需電能等優勢。因此，MVR技術在海水淡化工程領域將擁有廣闊的市場。

2 基于MVR的海水淡化工藝

2.1 海水水質分析

海水是一種溶解有多種無機鹽、有機物和氣體，并含有許多懸浮物質的混合液體。就大多數海水而言，溶解無機鹽的總含量約占3.5%，這就使海水的一些物理性質與純水相比有許多差異[3]。海水中的溶解性總固體、鹽分的含量越高，其滲透壓越大，沸點升高越大，對膜法的壓力和熱法的有效傳熱溫差都有一定的影響；有機物含量對膜法海水淡化技術影響較大，會對膜的表面形成污染，降低膜的分離性能和使用壽命。

我國海水水質的變化浮動較大，隨取水地點的不同，其海水水質不同。其中，氯化物含量在10000 mg/L以上，溶解性總固體在20000 mg/L以上，硫酸鹽含量也較高，特別應該注意的是硼含量，雖然含量不算太高，但難以處理。尤其對于RO處理工藝，處理后水質中硼含量容易超標。因此，本文以MVR技術為核心，結合常規的沉砂和混凝沉淀的預處理工藝，提出一種基于MVR的海水淡化工藝。

2.2 工藝流程

基于MVR的海水淡化工藝流程簡單，分為三個工藝段，即海水取水、預處理、MVR蒸發。取水的地點不同，其海水水質變化較大，因此本文以海水水質的最大值進行處理研究，不考慮取水對處理工藝的影響。由于原海水中含有大量的懸浮物、膠體、鐵錳鹽、硬度、溶解性氣體、細菌和藻類等有害物質，為了防止海水淡化設備結垢、腐蝕，本文選用技術工藝成熟、處理效果顯著、成本較低的常規沉砂和混凝預處理工藝。

首先，原海水經泵進入沉砂池，能夠有效地去除海水中粒徑大于0.2 mm的大顆粒砂粒，從而使管道、閥門等設備免受磨損和堵塞；然后，由泵進入混凝沉淀池，采用高分子的有機絮凝劑PAM和無機絮凝劑FeCl3，具有不受溫度的影響、形成結實的大顆粒、沉降速度快等優點，能夠有效快速地去除原海水中的膠體、懸浮物、雜質，降低濁度、硬度，完全能夠滿足MVR蒸發器進水水質的要求；最后，由泵提供動力進入MVR蒸發器，通過不斷的換熱、蒸發、濃縮，不僅能夠將二次蒸汽經過蒸汽壓縮機壓縮成高能量的蒸汽返回蒸發器內部給海水加熱，使海水繼續蒸發，而自身冷凝成淡水，而且通過熱交換器回收系統淡水和濃水的熱量，實現熱量的充分利用。

3 工藝處理效果的預計

3.1 工藝參數的選取

3.1.1 蒸發溫度對壓縮機功耗的影響

隨著蒸發溫度的升高，二次蒸汽溫度升高，比體積降低；在單位處理量即質量流量恒定的條件下，體積流量減??；在溫升為5℃、壓比幾乎不變的情況下，隨著溫度的升高，壓縮機功耗成近乎呈線性降低。對于單位的海水淡化量，其他設備的能耗都是相同的，因此從能耗角度分析，蒸發溫度越高越好。

3.1.2 蒸發溫度對結垢的影響

由于海水含有微量的鈣離子和少量的SO42-，而CaSO4在鹽水體系中溶解度較小的鹽分隨著溫度、濃度的變化易在管道中沉積結垢，MVR技術對蒸發溫度選取主要是為了抑制海水中CaSO4垢的析出。硫酸鈣不溶于酸也不容于堿，而且與換熱面結合牢固，成垢后很難去除。相關研究表明，在基于Aspen plus軟件模擬計算水鹽體系溶解度中建立水鹽體系的溶解度模型，模擬結果與文獻誤差較小[5]。

本文運用Aspen plus化工流程模擬軟件對CaSO4的溶解度進行模擬，并與文獻數據對比建立數學模型，可以得出，隨著溫度的升高，CaSO4的溶解度降低，而硫酸鈣有三種晶體，分別為CaSO4·2H2O、CaSO4和CaSO4·1/2H2O。當海水的濃縮倍數高于2、溫度超過70℃時，硫酸鈣可以以不同的形式結晶沉淀。平均每1 kg海水中含有鈣離子0.412 g，假設其完全成為硫酸鈣沉淀1.4008 g/每1 kg海水，另外海水與水的密度基本相當，若使硫酸鈣完全不沉淀結垢，則其濃縮倍數應小于等于1.4；結合溫度對壓縮機功耗的影響綜合考慮，濃縮倍數取1.4，蒸發溫度適宜為70℃。

3.2 處理水質分析

經過沉砂和混凝沉淀的預處理后，能夠去除海水約20%的濁度，使色度澄清50%，并使硬度減少20%左右，不僅有效地去除了懸浮物、雜質、膠體等大顆粒物質，還能去除COD，使水質完全達到MVR蒸發器的進水要求。經過MVR蒸發器處理后的出水水質色度在5以下，溶解性總固體在10 mg/L以下，氯化物和硫酸鹽等鹽分的沸點遠高于水，因此其在出水中幾乎不存在，處理后水質完全達到生活飲用水標準。

3.3 能耗對比分析

通過對膜法、熱法（多效蒸發、多級閃蒸和MVR技術）海水淡化技術的研究，以20年為期，筆者對其操作溫度、出水水質、工藝的復雜程度等，以及運行成本、設備費、維護費用等折合成噸水的處理成本進行了對比分析。

膜法海水淡化技術具有處理成本最低的優點，但是處理后水質難以達到生活飲用水標準，工藝復雜，膜的更換周期短，不能二次利用，會造成一定的浪費和環境污染。三種熱法海水淡化技術處理后，水質都能達到生活飲用水標準，工藝簡單，金屬材料能夠回收利用，但是處理成本較高，其中MVR技術成本最低。將MVR技術與膜法單獨比較，其成本相當或MVR稍高，但出水水質相差較大。綜合比較，基于MVR的海水淡化技術是在出水水質達到生活飲用水標準的前提下，能耗最低的海水淡化技術。

4 結論

通過分析目前廣泛應用的膜法海水淡化工藝，其在處理后水質達到生活飲用水標準的前提下，存在預處理工藝復雜、更換周期短、清洗困難、使用過程中產生新的固廢等缺陷。本文提出了基于MVR的海水淡化工藝，并對工藝流程、預計的處理效果進行了研究分析，使出水水質達到生活飲用水標準。同時，對工程中廣泛應用的三種海水淡化技術進行了單位成本、優缺點的對比分析，在出水水質達到生活飲用水標準的前提下，基于MVR的海水淡化工藝節能性顯著。因此，MVR技術在未來海水淡化工程的高速發展中將擁有廣闊的市場前景，尤其是在沒有余熱的條件下，如在孤島的海上風力發電等方面具有不可替代的優勢。