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日志

 
 

海水淡化主要工艺及海水淡化发展现状分析  

2016-10-25 08:44:38|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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来源:中国给水排水

海水淡化(又称海水脱盐)是分离海水中盐和水的过程。从海水中取出水,或除去海水中的盐,都可以达到淡化目的。海水淡化的方法,基本上也分为这两大类。

其中得到大规模商业应用的是反渗透法、电渗析法和蒸馏法。

(1)反渗透法(Reverseosmosis,RO)

在压力驱动下,海水中的淡水通过半透膜进入膜的低压侧,而海水中的其他组分(如盐)被阻挡在膜的高压侧并随浓缩海水排出,从而达到有效的分离。海水淡化时,在海水一侧施加大于海水渗透压的外压,则海水中的纯水将反向渗透至淡水中,此即反渗透海水淡化原理(图1)。为了取得必要的淡化速率,实际操作压力大于5.5MPa。

反渗透法,通常又称超过滤法,是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开的。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。因此,从1974年起,美日等发达国家先后把发展重转向反渗透法。

反渗透海水淡化技术发展很快,工程造价和运行成本持续降低,主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力,提高反渗透系统回收率,廉价高效预处理技术,增强系统抗污染能力等。

图1反渗透脱盐过程

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图2反渗透膜构造示意图

图3反渗透脱盐过程

(2)电渗析法(Electrodialysis,ED)

在直流电场的作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析(图2)。

该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片,按其选择透过性区分为正离子交换膜(阳膜)与负离子交换膜(阴膜)。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列,组成多个相互独立的隔室海水被淡化,而相邻隔室海水浓缩,淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水,也可以作为水质处理的手段,为污水再利用作出贡献。此外,这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。


图4电渗透脱盐过程

(3)蒸馏法

蒸馏法的海水淡化原理简单,即将海水加热,待水蒸汽冷凝后得到淡水。蒸馏法依据所用能源、设备及流程的不同,分为多级闪蒸(Multi-stageflashdistillation,MSF)、低温多效(Multipleeffectdistillation,MED)和蒸汽压缩蒸馏(Vaporcom-pression,VC)等。其中,低温多效在70℃以下进行操作,远低于多级闪蒸110℃左右的蒸汽温度,有效地避免了无机盐的结垢,是目前最为适用的蒸发技术之一。同时,它可利用各种形式的低位热源,如与火电厂或核电厂结合,利用蒸汽轮机的背压0.02~0.04MPa(绝对压力)抽气造水,减少发电损失,提高发电机组的效率(图3)。

低温多效

多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发,前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源,并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素,近年发展迅速,装置的规模日益扩大,成本日益降低,主要发展趋势为提高装置单机造水能力,采用廉价材料降低工程造价,提高操作温度,提高传热效率等。

图5利用蒸汽轮机背压蒸汽的MED工艺流程

图6燃煤电厂低温多效蒸馏海水淡化装置

多级闪蒸

所谓闪蒸,是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下,部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水,依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发,将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大,技术最成熟,运行安全性高弹性大,主要与火电站联合建设,适合于大型和超大型淡化装置,主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠,主要发展趋势为提高装置单机造水能力,降低单位电力消耗,提高传热效率等。

海水淡化的联产

水电联产

水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本,水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力,从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的,这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。

热膜联产

热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式(即MED-RO或MSF-RO方式),满足不同用水需求,降低海水淡化成本。目前,世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂,日产海水淡化水量为45.4万立方米,其中,MSF日产水28.4万立方米,RO日产水17万立方米。其优点是:投资成本低,可共用海水取水口。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。

此外,以上方法的其他组合也日益受到重视。在实际选用中,究竟哪种方法最好,也不是绝对的,要根据规模大小、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。

实际上,一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。就主要工艺过程来说,包括海水预处理、淡化(脱盐)、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理,如杀除海生物,降低浊度、除掉悬浮物(对反渗透法),或脱气(对蒸馏法),添加必要的药剂等;脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分,是整个淡化系统的核心部分,

这一过程除要求高效脱盐外,往往需要解决设备的防腐与防垢问题,有些工艺中还要求有相应的能量回收措施;后处理则是对不同淡化方法的产品水针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。海水淡化过程无论采用哪种淡化方法,都存在着能量的优化利用与回收,设备防垢和防腐,以及浓盐水的正确排放等问题。

海水淡化技术的发展与工业应用,已有半个世纪的历史,在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为,今后三、四十年在工业应用上,仍将是这三项技术“唱主角”,但反渗透的比重将越来越大。从地区上来讲,中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选,因为它具有大型化和超大型化(单台设备产水量目前已高达日产淡水4~5万吨)、适应于污染重的海湾水以及预处理费用低的优势;然而在中东以外地区将以反渗透或膜法为首选,因为膜法的能耗和成本都具有优势,以北美地区为例,近期的发展已经表明,在淡化和水处理方面都将以膜法为主。

我国2015年海水淡化发展现状分析

日前,国家海洋局发布了《2015年全国海水利用报告》(以下简称《报告》),涵盖了海水淡化、海水直接利用、海水化学资源利用、检验与标准、政策与管理等方面的内容。

与往年相比,2015年全国海水利用有哪些变化,呈现出什么特点,还有哪些因素制约着海水利用产业的发展?针对上述问题,记者采访了国家海洋局科学技术司、国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所有关负责人,请他们进行相关解读。

海水利用产业有新进展

2015年,海水利用产业进一步得到推进,全年实现增加值14亿元,同比增长7.8%。沿海各地不断推进产学研用结合,正在建设海水利用创新及产业化基地,中小型海水淡化关键装备、浓海水综合利用产业化技术等取得突破。新发布标准13项,包括国家标准3项、行业标准10项。海水淡化:截至2015年年底,全国已建成海水淡化工程121个,产水规模为100.88万吨/日,最大海水淡化工程规模为20万吨/日。全国已建成万吨级以上海水淡化工程31个,千吨级以上、万吨级以下海水淡化工程36个,千吨级以下海水淡化工程54个。

(全国已建成海水淡化工程产水用途分布图)

海水直接利用:2015年海水冷却技术在我国沿海火电、核电、石化等行业得到广泛应用,年利用海水量稳步增长。截至2015年年底,年利用海水作为冷却水量为1125.66亿吨,其中2015年新增用量116.66亿吨。

海水化学资源利用:除海水制盐外,我国海水提钾、提镁、提溴等也发展较快,产品主要包括溴素、氯化钾、氯化镁、硫酸镁。其中,在浓海水综合利用及产品高值化产业化技术研究方面取得较大进展。

全国日产规模首次超百万吨

2015年海水利用海水淡化工程总规模与2014年相比有所扩大,2015年总规模为100.88万吨/日,新增规模6.662万吨/日。

全国海水淡化工程规模增长图

全国沿海省市海水淡化工程分布图

对于近年来我国海水淡化工程规模不断增长的原因,国家海洋局科学技术司有关负责人解释说,我国海水淡化产业得到国家高度关注和支持,沿海和地方有关部门推动海水利用工作的意识更加主动,福建、天津、青岛出台了专门的规划和政策推动海水利用技术创新。推动海水利用产业发展的举措更为具体,效果显著。

例如,一些工业园区开展了淡化水与企业用户点对点的供水,还有的地方采取了海水淡化和自来水公司一体化运营的模式,进行自来水和淡化水的混合应用。同时,海水淡化规模的提升与我国经济社会发展和沿海产业结构调整、用水需求密切相关。

《报告》显示,我国海水淡化主要采用反渗透和低温多效蒸馏海水淡化技术,产水成本每吨5元~8元。该负责人说:“海水淡化水的成本主要包括投资成本、运行维护成本和能源消耗成本。降低淡化水价格,一方面要靠技术进步,另一方面要靠政策支持。例如,浙江省海水淡化用电是按照农业用电标准收取电价的。”

产业发展面临诸多制约因素

截至2015年年底,海水淡化水用于工业用水的工程规模占总工程规模的67.14%。用于居民生活用水的工程规模占总工程规模的32.84%。用于绿化等其他用水的工程规模占总工程规模的0.02%。

有关负责人分析认为,目前制约我国海水淡化产业发展的原因有4点:一是海水淡化水价格偏高,跟自来水水价相比竞争力不强。二是我国海水淡化自主创新能力与国外还有一定差距。当前,我国很多海水淡化关键的技术和设备还依赖进口,研制的关键技术、装备、设备以及首台套示范工程难以落地。三是海水利用的管理机制和政策还有待完善,特别是海水淡化水纳入水资源配置体系政策机制还有待完善。四是社会公众对海水淡化水的认识还不够,对淡化水作为战略性水源的认识还不到位。

据国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所有关负责人介绍,我国海水淡化技术起步于上世纪60年代,近年来得到了较大发展。目前,我国在河北、浙江建成了具有自主知识产权的万吨级海水淡化工程。但是与国际前沿相比,我国海水淡化技术在基础研究方面还相对薄弱,整体技术水平还有待进一步提升,比如在高性能材料、节能工艺、专用药剂、关键设备,大型海水淡化系统集成方面还存在差距。

“下一步要持续开展海水利用关键技术的攻关,开展战略性、基础性、前瞻性的技术研发。同时,充分发挥政府和市场的作用,进一步推进海水示范工程建设,特别是通过海水利用示范工程建设对我国自有技术进行验证,进一步完善产业链,培育龙头企业,提升国产技术和装备的应用水平和国际竞争力。”该负责人说。

多举措推动海水淡化规模化应用

国家海洋局科学技术司负责人表示,国家海洋局将从6方面推进海水淡化规模化应用:一是编制发展规划。近期,根据我国海水利用产业发展的迫切需求,国家海洋局联合国家相关部门,组织专家正在编制我国“十三五”海水利用规划,坚持创新驱动、统筹协调,扩大海水利用规模。

二是推动海水淡化水纳入水资源整体配置体系。2015年,大连、天津、厦门开展了有关海水淡化水纳入水资源配置体系试点工作。今年,正在沿海11个省(区、市)和5个计划单列市开展试点研究,指导海水淡化产业健康发展。

三是拓宽财政投入渠道。海水淡化技术已纳入科技部重点研发计划,国家海洋局将组织相关科研力量,积极争取承担科研项目,使海水淡化技术有所提升。

四是完善标准体系。国家海洋局将围绕产业发展需求,着力从资源开发、环境保护、安全供给及产业发展等方面研究制定海水淡化水质标准,以及海水淡化能耗、限值、关键装备、材料、系统设计和运行监测等方面的国家与行业标准和制度,从而更好地引导海水利用产业发展。

五是进一步加强宣传力度、强化舆论导向,通过编制科普读物,利用报刊网络等媒体,深入开展海水淡化技术的科普宣传,使公众对海水淡化有客观、科学的认识,从而消除疑虑。

六是继续开展国际合作。今后5年,我国将利用环印度洋地区合作联盟、中非合作论坛以及亚太脱盐协会已经形成的合作平台和机制,通过召开学术会议、开展培训,进一步夯实国际合作,引进吸收国际先进技术,同时推动我国自主的海水利用技术装备走出国门。

海水淡化国际发展趋势

近年来世界上海水淡化正向高效化、低能化和规模化的目标发展,反渗透(SWRO)、多级闪蒸(MSF)和多效蒸发(MED)更成为适用于大型海水淡化技术的主流。

MSF近年主要进展在:单机容量进一步扩大,系统设计最佳化、管理软件化、操作自动化;采用聚羧酸酯等新型防垢、抑垢和分散剂,可提升运行温度;开发新兴高级奥氏不锈钢代替镍基合金,提高运行可靠性、稳定性;工艺改进,有利降低能耗使目前总体水平处于10—14kwh/m淡水状态。

MED方法的主要进展在低温多效操作技术的开发,以减少结垢、腐蚀,降低成本,通常能够在6.0—8.0kwh/m3。

SWRD技术从膜、组件和工艺已日趋成熟,近年来重大进展在于功能交换器和压力交换器的成功开发,可使能量回收高达90%以上,从而使其能耗降至3.8~4.3kwh/m3淡水。

近年国际海水淡化项目招标中,总以工程投资最低、造水能耗最低、运行成本最低,以及建设周期最短和占地面积最少等优势为基本条件和要求。

总之,海水淡化既是水资源开发的重要途径,而且梦已成真、可望可即。可以肯定,随着陆用水资源的日渐枯竭,海洋必将成为海水淡化技术大有用武的主战场。

图12海水淡化市场分布

海水淡化潜在市场

海水淡化的潜在大市场海水淡化业市场主要包括有工程设计、设备制造、工程安装、淡化水产品提供、技术服务等等。

从国际市场方面来看,20世纪70年代以来,大多数沿海国家由于水资源问题日益突出,都直接卷入了海水淡化的发展潮流。无论是中东的产油国还是西方的发达国家,都建设有相当规模的海水淡化厂或海水淡化示范装置,北欧、南美和东亚地区每年海水淡化设备进口和工程安装市场有近100亿美元,且仍在高幅增长之中,南亚、中亚和非洲也有众多的海水淡化潜在用户。海水淡化的国际市场规模巨大。

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