（化学工程专业论文）海水雾化冷冻及粗冰脱盐技术研究.pdf

摘要 淡水资源的供需矛盾在我国是十分常见的，尤其是在环渤海地区。该地区淡 水资源的短缺严重制约了工农业的生产和发展。然而由于每年冬季气温骤降环渤 海海面上都会出现大量的海冰，海冰的含盐量远远低于海水含盐量，对海冰进一 步地处理，可以为该地区提供丰富的生产和生活所需的淡水。 本研究课题是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目的重要组成部 分。利用海冰资源，开发海冰淡化技术是我国科技人员的首创，是具有中国特色 的海水间接利用方式，符合我国国情，其成果有创新性。 在海冰的原始形成过程中，由于浓海水与周围的冷空气迅速发生热交换，形 成的海冰和浓海水来不及完全分离，大量地浓海水被包裹在粗海冰中，造成盐水 通道堵死，形成“盐胞”。本论文主要利用雾化冷冻技术进行海水冷冻成冰过程 的研究，并且对形成的海冰运用重力法脱盐、离心法脱盐技术进行进一步的研究。 雾化冷冻脱盐技术是通过用离心泵将海水输送到高处的雾化喷头，海水经雾 化喷头被雾化成海水滴，海水滴在下落过程中与周围的冷空气发生热交换，并部 分被冷冻成固体海冰。研究表明，海水经雾化冷冻形成的海冰融水的盐度从原始 海水盐度的2 5 5 降低到1 2 0 2 0 0 ，而渤海湾海冰盐度一般为0 3 0 - - 0 8 0 ， 脱盐率为3 0 0 左右。 重力脱盐是利用重力作用分离海冰和浓海水混合物，使浓海水受力大于其附 着在冰表面的粘性附着力，形成的浓海水在重力作用下排出冰体。研究表明，在 1 的环境温度下，重力脱盐1 2 h 后，雾化冷冻形成的粗海冰脱盐率可以达到 6 5 0 。 离心脱盐法是通过离心运动，对海冰和浓海水混合物施加一个外力，使浓海 水受力大于其附着在冰表面的粘性附着力和盐胞管中的表面张力之和对其的约 束，形成浓海水在离心受力过程中的离心移动。通过连续施加离心力，达到浓海 水与冰晶体的分离。研究表明，经过离心脱盐后，海冰融水的盐度可以降n o 3 0 以下，满足工农业生产的指标要求。在环境温度为。1 ，离一t h , 时间1 0 m i n ，离心 转速3 0 0 0 r m i n ，重力脱盐后的海冰盐度从1 5 9 下降到0 。2 2 ，脱盐率达到 8 6 2 ，而质量损失率为5 7 1 。 研究表明，以雾化冷冻法得到的海冰为原料依次进行重力脱盐和离心脱盐， 最终可以达到理想的淡化效果。 关键词：海冰、淡化、雾化冷冻、重力法、离- t 3 法 a bs t r a c t c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do ff r e s h w a t e rr e s o u r c e si s v e r y c o m m o ni no u rc o u n t r y , e s p e c i a l l yi nt h eb o h a is e ar e g i o n ，w h i c hh a ss e r i o u s l y h a m p e r e di n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h e b o h a is e ah a v eal o to fs e ai c e ，t h a th a se x t r e m e l yl o w e rs a l i n i t yt h a nt h a t so fs e a w a t e r , a sar e s u l to fl o w e rt e m p e r a t u r e se v e r yw i n t e r n l er e g i o nc a np r o v i d eaw e a l t h o fp r o d u c t i o na n dl i v i n gf r e s hw a t e rr e q u i r e m e n t si ff u r t h e rd e s a l i n a t i o nw e r ed o n e t h er e s e a r c hi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h en a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n t p l a n ( 8 6 3p l a n ) f u n d e dp r o j e c t s i t st h et y p i c a lo fo u rn a t i o n a lr e s e a r c h e r st od e v e l o p s e ai c ed e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g y , i no r d e rt om a k ef u l lu s eo fs e ar e s o u r c e s t h er e s u l t o ft h i st e c h n o l o g yi si n l i n ew i t hc h i n e s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dh a st h ef e a t u r e so f o r i g i n a li n n o v a t i o n i nt h e o r i g i n a lp r o c e s s o fs e a - i c e f o r m a t i o n ，l a r g en u m b e r so fb r i n ew e r e w r a p p e di nt h es e ai c ed u et os t r o n gc o l da i rh e a te x c h a n g eo c c u r sr a p i d l y , r e s u l t i n gi n s a l tw a t e rc h a n n e lb l o c k i n gd e a t ha n df o r m i n gs o - c a l l e d “s a l tc e l l ”t h ep a p e rm a i n l y a n a l y s i st h ef o r m a t i o no fs e ai c et h r o u g ht h ea t o m i z e df r o z e nd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g y , a n dd oc o n t i n u e dd e s a l i n a t i n gr e s e a r c hu s i n gt h em e t h o dg r a v i t ya n dc e n t r i f u g a t i o n d e s a l i n a t i o n a sf o ra t o m i z e df r o z e nd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g y , t h er a ws e a w a t e ri sa t o m i z e d i n t os e a w a t e rd r o p s ，w h i c hw e r ef e e dt ot h ea t o m i z i n gn o z z l ei n h e i g h tb yt h e c e n t r i f u g a lp u m p ，a n dt h e nf r o z e ni n t os e ai c ep a r t l yi nt h ep r o c e s so fh e a te x c h a n g e w i t ht h es u r r o u n d i n gc o l da i r t h es t u d ys h o wt h a tt h es a l i n i t yo ft h es e ai c e ，f o r m e d b yt h ea t o m i z a t i o nf r o z e n 。w h i c hf r o mt h eo r i g i n a ls e aw a t e ro fs a l i n i t y2 5 5 d o w n t o1 2 0 - 2 0 0 c o n t r a c tt ot h es a l i n i t yo fs e ai c ei nb o h a is e ag e n e r a l l y0 3 0 - 0 8 0 ， t h ed e s a l i n a t i o nr a t ei sn e a r l y3 0 o g r a v i t yd e s a l i n a t i o nm a k e su s eo fg r a v i t yt od e a lw i t hs e ai c ea n dd e n s es e a w a t e r m i x t u r eb yt h ef o r c eo nd e n s es e a w a t e rm o r et h a ni ta t t a c h e dt ot h es u r f a c eo fs e ai c e ， a n dt h ed e n s es e a w a t e re x c l u d ef r o mt h es e ai c e 1 1 1 er e s e a r c hs h o wt h 犯t h er a t eo f s e ai c eb yt h eg r a v i t yd e s a l i n a t i o n12 hc a nr e a c h6 5 0 u n d e rt h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r eo f 一1 f o rc e n t r i f u g a ld e s a l i n a t i o n ，p u a i n ga l le x t e r n a lf o r c eo nt h em i x t u r eo fb r i n e a n ds e ai c em a d et h ef o r c eo nb r i n em o r et h a nt h ei n h i b i to fi t ss t i c k yf o r c ea t t a c h e dt o t h es u r f a c eo ft h es e ai c ea n dt h es u r f a c e t e n s i o no f “s a l tc e l l ”，t h r o u g ht h ec e n t r i f u g a l m o v e m e n t b yd e s e r v e st h ec o n t i n u e dc e n t r i f u g a lf o r c e ，t h eb r i n ew i l le v e n t u a l l y e x c l u d ef r o mt h es e ai c e t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h es a l i n i t yo fs e ai c ec a nb e r e d u c e dt ob e l o w0 3 0 a f t e rc e n t r i f u g a ld e s a l i n a t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni n d i c a t o r s a ta m b i e n tt e m p e r a t u r ef o r 1 c e n t r i f u g a lt i m ef o r l0 m i n ，a n dc e n t r i f u g es p e e do f3 0 0 0 r m i n ，t h es e ai c ea f t e r g r a v i t yd e s a l i n a t i o nd e c r e a s e df r o m1 5 9 t o0 2 2 i ns a l i n i t y t h ed e s a l i n a t i o nr a t e o fi tc a l lr e a c ha t8 6 2 w h i l et h em a s sl o s sr a t ew a s5 7 1 t h er e s e a r c hs h o w e dt h a ti tc a nu l t i m a t e l ya c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l tf o l l o w e db y g r a v i t yd e s a l i n a t i o na n dc e n t r i f u g a ld e s a l i n a t i o nf o rt h es e ai c em a d eb ya t o m i z e d f r e e z i n g k e yw o r d s ：s e ai c e ，d e s a l i n a t i o n ，a t o m i z e df r e e z i n g ，g r a v i t y , c e n t r i f u g a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和数谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获7 1 j 叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盏干 签字同期： 1 口驴c 7 年6 月亨同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁叠蕉堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论义i o 仑部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复【ij 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用4 二授权说明) 学位论文作者签名：哆互寻 ：穆励 签字日期： z 口。7 年彭月3 t q 签字同期： 2 一0 7 年多月弓f i 前言 j - j 一 月i j 置 水资源是基础性自然资源，是生态环境的控制性因素之一；同时水资源又是 战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。展望将来，水资源正在 日益影响全球的环境与发展，甚至可能导致国家间冲突。探讨2 l 世纪水资源的国 家战略及其相关科学问题，是世纪之交全球共同关注和各国政府的重点议题之 一【l 】0 我国是淡水资源极其匮乏的国家。虽然水资源总量大，达至1 1 2 8 1 2 4 亿m 3 ，但 人均占有水资源量只有2 2 0 0 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的3 1 ，世界排名第1l o 位，被列为世界1 3 个人均水资源贫乏的国家之一。不仅如此，由于中国的气候属 于季风气候，水资源在地区上的组合不相匹配、在时空分布上也极不均衡，使我 国水资源的供需矛盾极为突出，这一矛盾在我国环渤海地区更加明显。 环渤海地区包括辽宁、河北、山东三省及北京、天津两市，是我国经济发达 和城市化水平较高的地区之一。该区地处暖温带半湿润季风气候区，年降水量为 5 6 0 9 1 6 m m ，加上降水量年内分配不均以及两个半岛地区河流短小蓄水能力差 使得这一区域的水资源严重缺乏。该区人均水资源量仅为全国人均水资源量的 l 5 ，却以占全国2 0 的水资源总量和1 3 的地表水资源量，负载着全国1 8 的 人口、2 1 的灌溉面积、1 7 的粮食总产量。近些年来，由于过度开采和自然环 境等多方面因素，使供给该地区主要淡水资源的几大河流如大清河、海河、辽河、 滦河、黄河等均出现了不同程度的断流现象，有些城市甚至出现了地面沉降现象， 这些现象都说明该地区淡水资源开发利用已经达到极限。 目前，全球各国和地区解决淡水资源缺乏的主要策略包括“节流”和“开源” 两部分。对于解决环渤海地区的日益严重的水资源供需矛盾而言，“开源”具有 重要的意义，该地区最大的水面就是渤海，故开发利用海水、苦咸水等非常规水 资源将成为开辟该地区新水源的方向之一。用海水淡化技术向大海要淡水，满足 环渤海对淡水的需求或紧急需求，是完全可行的，在许多情况下是经济的。 海水淡化技术的研究起始于2 0 世纪5 0 年代中期，至今海水淡化己发展成为一 种可靠的工业技术。1 9 6 0 年，全球海水淡化的总装机容量仅为0 0 5 8 1 0 6 m 3 d ； 1 9 7 0 年，达到1 11 5 1 0 6 m 3 d ；而今仅单机日产量在1 0 0 t 以上的装置其总的生产能 力己超过3 0 1 0 6 m 3 d 。一些经济发达国家还设立了专门机构从事海水淡化技术的 研究开发和技术应用的工作。我国海水淡化起步于1 9 5 8 年，经过5 0 余年的发展取 得了长足进步和显著的成绩，已逐步形成了一门综合性的技术学科和水处理技术 前言 产业。这其中包括蒸馏法、电渗析法、反渗透法、太阳能法等淡化技术在不同程 度上得到较广泛的开发和应用，初具规模并已取得良好的社会效益和经济效益。 由于渤海是季节性结冰海域，位于3 7 0 4 1 0 n ，是北半球纬度最低的结冰海 域。受西伯利亚南下冷空气的影响，每年冬季在大陆冷高压和寒潮的作用下都会 有不同程度的结冰现象。渤海海冰主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾，其中以 辽东湾冰情最为严重i2 1 。由于海水在自然冻结过程中产生盐、水分离现象，大量 盐分被排出冰体，致使海冰的含盐量大大低于海水的含盐量。渤海海水的含盐量 为2 8 0 3 2 0 ，海冰含盐量约为0 3 0 0 8 0 ，即海水经过自然冻结过程可 除掉8 0 左右的盐分。如果对海冰作进一步的脱盐处理，以较低的经济成本去掉 海冰中的盐分，得到淡水，进而有可能为环渤海地区可持续发展提供新的水资源。 海水雾化冷冻技术是将海水通过离心泵输送到高处的雾化喷嘴，海水经雾化 喷嘴被雾化成粒径很小的海水滴，海水滴在自然下落过程中和周围环境的冷空气 发生热交换，海水滴在空中部分被冷冻成粗海冰，同时部分盐分被排除到卤水中。 收集固体海冰排除卤水，以此来实现海水的脱盐。 本论文的研究基础就是在此背景下展开的，分别对海水进行了雾化冷冻脱盐 ( 其中包括实验室模拟流程和现场中试试验两部分) 、海冰重力脱盐以及海冰离 心脱盐三种淡化技术的研究工作。 第一章文献综述 1 1 水资源概况 第一章文献综述弟一早义陬琢逊 水是人类生存和发展所必需的一种重要资源。无论是为养活日益增多的人 口，供应提高生活水平所必需的物质，还是维护生命赖以生存的自然系统的完整 性，水都是不可缺少的。水资源持续开发就是要使水资源的开发利用能够获得最 大的经济效益、社会效益、生态效益和综合效益，满足区域社会经济持续发展和 人民生活水平日益提高对水质和水量的要求，使得经济建设和水资源保护同步发 展。 水是生命的源泉，是社会经济发展的动脉。虽然地球上7 0 的面积被水覆盖 着，但人们赖于生存的淡水只占总水量的2 5 3 。随着世界环境的变化，人 口的增加、生活水平的提高以及工业的快速发展，当今整个世界都面临严重的淡 水资源短缺的局面【3 1 。中国工程院2 0 0 0 年7 月提出的“2 l 世纪中国可持续发展水 资源战略研究”报告指出，至w 2 0 1 0 年中国缺水量将达到1 0 0 0 亿m 3 ，至2 0 3 0 年， 缺水量仍将高于这一数值【4 】。缺水最严重的当属沿海工业城市，尤其是在环渤海 地区人均水资源量大部分低于5 0 0 m 3 ，属于严重缺水地区。缺水问题已经成为城 市经济增长与发展的控制因素，对个别城市甚至是持续生存的关键1 5 j 。因此，节 约用水和寻找新的淡水资源己成为人类社会发展的前提条件之一。 鉴于人类的7 0 居住在距大海不到1 2 0 k m 的地方，故将浩瀚的大海作为获取 淡水的来源，淡化海水作为现有水源的有利补充措施，在一定条件下可满足人们 生活用水需求。 1 1 1 全球水资源概况 联合国世界资源研究所发表了新世纪第一份时间自由报告书，其中在述及水 资源时作了如下的概述：世界的水资源在质和量的方面都面临着比其它自由和比 以往都更为严峻的局面。据该研究所 w r j 的资料统计，当前全球水体总储量为 1 3 8 6 1 0 1 0 亿m 3 ，其中海洋储存量1 3 3 8 1 0 1 0 亿m 3 ，占总量的9 6 6 ；其它各种水 体储量只占3 4 ( 其中地表水和地下水各占5 0 左右) 。在地球水体总量中，含 盐量低于0 1 的淡水仅占约2 5 。在淡水储量中，有6 8 7 覆盖在两极地带和高 山冰川中：有3 0 9 蓄积在地下含水层和永久冻土层；只有0 4 容纳在河流、湖 沼和土壤之中。可以知道，适宜人类使用的淡水仅为地球水体总量的0 0 1 。 当前全球经济的迅速发展，工业化进程日益加快，人们生活水平的快速提高。 第一章文献综述 一方面，人类对水资源的需求以日益增长的速度扩大；另一方面，日益严重的水 污染问题严重吞食着大量可供消费的水资源，更加剧了淡水资源的紧张1 6 】。2 0 0 3 年在日本东京举行的第三次世界水论坛上，联合国有关部门发表了世界水发展 报告【7 1 。报告指出：随着社会的发展，时间许多地方人均用水不足的问题日益 恶化，水资源正在因为世界人口增加、环境污染和气候变化而逐步减少，全球水 危机将达到空前的水平。报告对1 8 0 个国家和地区的水资源状态进行了排序，许 多国家己处在水资源的危机状态之中，我国排在第1 2 8 位。 目前，人类的生活用水正以每年5 的速度增加，每1 5 年用水量就翻一番， 如果不采取有效措施，n 2 0 3 0 年时间将会有三分之一的人口面临淡水资源危机。 1 1 2 我国水资源概述 我国水资源的总量为2 8 1 0 1 2 m 3 ，人均利用量为2 2 0 0 m 3 ，约占世界人均利用 量的2 5 左右，且利用总量约占可利用总量的1 8 。随着经济的发展和人民生活 水平的提高，水资源的需求量将飞速增长。其中，工业、城镇人口可用水量急剧 膨胀，农业灌溉用水、人畜用水都将达到空前高涨博1 。 但就我国水资源目前状况而言，水资源的空间分布和我国土地资源的分布不 相匹配。南方多，北方少，东部多，西部少。长江以南的面积占全国国土总面积 的3 6 5 ，水资源量占全国的8 1 ；长江以北的土地面积占全国总面积的6 3 5 ， 而水资源仅占全国总量的1 9 。其中华北地区水资源占全国的2 5 ，东北地区占 6 o ，西北地区d 5 9 3 【9 】。在人均水资源量上，华北地区人均仅有4 6 7 1m 3 。就 降雨量的时间分布而言，由于气候差异，年降雨量也呈现南多北少。并且南方每 年大部分降雨量集中于5 8 月，北方降雨集中在6 - 9 月，在降雨期容易发生洪涝 灾害，其他时节又易出现旱灾，从而引起广大范围的冬干春旱现象。 据分析估计，全国按目前的正常需要和不超采地下水，缺水总量约为( 3 0 0 - - 4 0 0 ) 1 0 8 m 3 。在一般年份，农田受旱面积( 0 0 6 - 0 1 2 ) 1 0 8 h m 2 。从总体上说，因 缺水造成的经济损失超过洪涝灾害。许多地区由于缺水，造成工农业争水、城乡 争水、地区之间争水、超采地下水和挤占生态用水。与此同时，用水效率不高和 用水严重浪费的现象也普遍存在。我国的用水总量和美国相当，但g n p 仅为美国 的1 8 。全国农业灌溉水的利用系数平均约为0 4 5 ，而先进国家为0 7 甚至0 8 。1 9 9 7 年全国工业万元产值用水量1 3 6 m 3 ，是发达国家的5 1 0 倍。工业用水的重复利 用率据统计为3 0 - - 4 0 ，实际可能更低，而发达国家为7 5 - - 8 5 。全国多数 城市用水器具和自来水管网的浪费损失率估计在2 0 以上。我国用水总量在增加 的同时，污水排放量也在增加。据1 9 9 7 年中国水资源公报，全国废污水的排 放总量为5 8 4 1 0 8 t 。在1 0 1 0 4 k r n 的评价河段中，水质在类以上的污染河长占 4 7 。北方地区辽、黄、海、淮等流域，污水与地表径流的比例高达l ：1 4 - 1 ：6 。 第一章文献综述 全国湖泊约有7 5 以上的水域，近岸海域约有5 3 以上受到显著污染。根据全国 11 8 座大城市浅层地下水的调查，9 7 5 的城市受到不同程度的污染，其中4 0 的 城市受到重度污染i l 。 淡水资源分布不均、水体污染日益严重等问题极大制约了工农业的生产和发 展，使得淡水资源的稀缺局面变得更加紧张。面对严重的淡水资源紧缺问题，我 国一直在努力寻找游戏的解决办法和策略。其中包括传统工艺方法，如节水、拦 蓄降水、开采地下水、远程调水等，在一定程度上缓解了淡水资源危机的现状。 另外，由于我国沿海地区人口密度大，经济发达，耗水量大，政府积极向浩瀚的 大海取水作为获取淡水的主要手段之一，而海水淡化作为一种新型的淡水资源开 发技术，经过半个多世纪的发展，淡水生产成本大幅度地降低。在沿海地区，海 水淡化技术已经成为主要的淡水补给手段；在中东等地区该技术则已成为淡水供 应的主要方法。海水淡化的成本包含取水、生产、回收、日常运行和管理以及经 营单位的利润等各项内容，属于综合成本，而且海水淡化随着技术进步成本还 会不断降低。目前，海水淡化成本约为4 - - - - 8 元吨，部分城市自来水价己达到4 元吨以上，这样看来，海水淡化技术已经具备了进军城镇水供应系统市场的能 力。另外尤为重要的是海水淡化则不受时空和气候的影响，产水水质好、供水稳 定。当今世界上，相当一部分水资源短缺的国家和地区在大力推行节水技术的同 时，人们纷纷把目光投向浩瀚的大海，加快发展海水淡化与直接利用技术，使海 水淡化技术成为当今世界竞相研究的先进技术【l 。 我国拥有1 8 x 1 0 4 余k m 的海岸线，海洋面积约3 o o x l 0 6 k m 2 ，利用海水淡化技 术将丰富的海水作为我们生活、工业生产、农业灌溉需求的淡水资源，解决我国 缺水的问题，特别是满足沿海地区对淡水的需求，是切实可行的。截至2 0 0 3 年底， 全世界的合同淡化容量约为3 7 5 0 万吨天【1 2 】。另有专家预测，在今后十年左右， 世界淡化装置的生产能力将会新增3 10 0 万吨天，几乎增加一倍，整个海水淡化 市场将达到约1 0 0 0 亿美元的规模【1 3 】。因此，海水淡化技术必定会成为人类开发 海水资源，解决全球缺问题的有效途径。 1 2 海水淡化技术的发展简述 海水淡化技术是通过一系列的工序和过程将高含盐量的海水部分或全部脱 盐转变成为人们可以直接使用的低含盐量淡水的过程。 国外海水淡化技术的研究起步比较早，联合国关于非常规水源的报告指出： 从1 9 5 0 - 1 9 8 5 年的3 5 年期间，海水淡化的发展经历了三个阶段，即发现阶段、开 发阶段和商业化阶段。在这个期间主要研究开发蒸馏、冷冻、电渗析和反渗透【l 4 i 。 随着海水淡化技术的不断发展和人类需求的日益增加，海水淡化技术应用的规模 第一章文献综述 不断扩大，从最初的日产的几百立方米，发展到现在的日产几十万立方米。到1 9 9 8 年全世界淡化水生产能力达到日产2 3 0 0 x 1 0 4 m 3 ，两年后则达到了日产 2 7 0 0 x 1 0 4 m 3 ，平均以7 8 的增长率攀升。目前，世界上最大的多级闪蒸海水淡 化厂是沙特阿拉伯的s h u a i b a 海水淡化厂，日产淡水4 6 万立方米；世界上最大的低 温多效海水淡化厂是阿联酋t a w e e l a h a l 海水淡化厂，日产淡水2 4 万立方米；世 界最大的反渗透海水淡化厂是以色列南部地中海岸工业区的阿什凯隆海水淡化 厂，日产淡水3 3 万立方米。不久前，韩国斗山公司签约承建了世界上最大的沙特 阿拉伯热膜耦合( m s f + r o ) 海水淡化厂，计划2 0 0 9 年建成，日产淡水8 8 万立方米。 在海水淡化规模不断扩大的同时，海水淡化成本也逐渐降低。其中，典型的大规 模反渗透海水淡化吨水成本已从1 9 8 5 年的1 0 2 美元降至2 0 0 5 年的4 8 美分。且在成 本的组成上，运行及维护、能源消费和投资成本均逐年下降。在中东国家，淡水 主要来自海水淡化技术；在发达国家特别是美国、日本和欧洲国家，海水淡化也 成为淡水生产的主要手段之一。目前海水淡化产水已经供应给世界上1 亿人口的 日常饮用需要。 在我国，海水淡化技术的研究始于上世纪6 0 年代。1 9 5 8 年首先开展电渗析海 水淡化方法的研究。上世纪7 0 年代以来，相继进行了多种均相离子交换膜的研 制和中试放大，电极动力等研究和新型钛涂钌电极的制备，大尺寸 ( 8 0 0 m m x1 6 0 0 m m ) 电渗析用隔板的开发，电渗析水力学参数研究，大型电渗 析膜堆的设计和开发，长期运行不拆洗的研究与实践以及特种分离的开发等，使 我国电渗析技术不断提高。目前国内异相膜生产已具规模，年产在3 5 - - 一4 0 x 1 0 5 m 2 左右，大小电渗析厂家约3 0 个，另有部分均相离子交换膜也实现了产业化。同时 进行了中空纤维和卷式反渗透( r o ) 膜及元件的研究，并初步工业化。 1 9 6 71 9 6 9 年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，同时开 展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化方法的研究，为海水淡化事业的发展 奠定了基础。国家“七五”以来，反渗透海水淡化技术的开发研究一直列入国家 重点攻关项目。1 9 8 1 年建成西沙2 0 0 m 3 d 电渗析海水淡化装置；1 9 8 6 年引进建设 日产3 0 0 0 m 3 的电厂用多级闪蒸海水淡化装置【1 5 】；1 9 9 7 年浙江省重大科技攻关项 目“5 0 m 3 d 反渗透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗县嵊山岛建成投产，吨水耗 电5 5 度以下，经济技术指标在当时堪比世界先进水平1 16 i 。目前我国已建和在建 的海水淡化装置多个，以反渗透法为主，规模最大的海水淡化厂规模为 1 o 1 0 s m 3 d ，单台装置为1 o x l 0 4 m 3 d 。另外，还开展了纳滤一反渗透( n f r o ) 集成海水淡化的研究。蒸馏法海水淡化技术也己进行了几十年的研究。上世纪6 0 年代主要进行船用小型压汽蒸馏装置的研究开发，上世纪7 0 年代至8 0 年代初进行 过日产淡水百吨的多级闪蒸( m s f ) 中试研究，取得一定的设计参数和经验。上 第一章文献综述 世纪8 0 年代中期至9 0 年代中期开发3 0 m 3 d 规模的( 常压和负压) 压汽蒸馏装置， 并进行了试用。1 9 8 7 年大港电厂从美国引进两套3 0 0 0 m 3 d 多级闪蒸( m s f ) 海水 淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应，运转至今，在技术的消 化吸收方面己做了相当多的工作；1 9 9 7 年国内自己设计制造完成1 2 0 0 m 3 d 多级闪 蒸( m s f ) 装置并调试出水，但实际生产能力未能达到设计要求。“十五”期间， 低温多效蒸馏海水淡化技术示范工程研究被列入国家重大专项，国内设计制造完 成y 3 0 0 0 m 3 d 的低温多效蒸馏海水淡化工程【1 7 1 ，但实际生产能力仍未达到设计指 标。随后，以色列i d e 技术公司承担了天津北疆电厂日产1 0 万吨淡化水的低温多 效蒸馏海水淡化装置( m e d ) 的加工，该项目位于天津市东北渤海海岸，项目 一期工程将于2 0 1 0 年完工。届时，将年产3 6 0 0 万吨高质量的淡水0 8 1 。“十一五” 期间，国家将加快推进海水利用产业，支持海水淡化水进入城市供水网。根据海 水利用专项规划，至u 2 0 1 0 年，我国海水淡化能力将达到日产8 0 万1 0 0 万m 3 ， 海水直接利用能力达至u 5 5 0 亿m 3 。海水的有效利用对解决沿海地区缺水问题的贡 献率将达到l6 - - 2 4 。 经过几十年的研究和发展，我国海水淡化技术已经日趋成烈，为大规模工业 化应用打下了良好的基础f 1 9 】。我国己成为世界上少数几个掌握海水淡化先进技 术的国家之一。 目前，北京师范大学、国家海洋局环境监测中心和天津大学开始对利用天然 海冰制取淡水工艺技术方法开展了研究。该方法中，利用海水在结冰过程中可以 将大量的盐分排出冰体，海冰含盐量大大低于海水含盐量的原理，在温度较低的 冬季，采集渤海海冰，对海冰进行不同方法的处理，进一步降低海冰的含盐量， 从而得到可直接用于工农业生产的淡化水，满足社会各类产业对水资源消耗的需 求。 1 3 冷冻法海水淡化技术 海水淡化方法就是通过一系列工序和过程将高盐度的海水部分或全部脱盐 转变为人们可以直接使用的低盐度的海水或淡水。按照分离过程分类，海水淡化 方法主要有蒸馏法【2 0 2 1 1 、膜法、溶剂萃取法、离子交换法和结晶法等。其中蒸 馏法又有压汽蒸馏( v a p o rc o m p r e s s i o n ，v c ) i z 2 l 、多级闪蒸( m u l t is t a g ef l a s h ， m s f ) 【2 3 】和多效蒸馏( m u l t ie f f e c td i s t i l l a t i o n ，m e ) 之分，膜法海水淡化技术则包 含了反渗透法( r o ) 【2 4 2 5 和电渗析法( e d ) 【2 6 2 7 1 ，结晶法则由冷冻法和水合物法 构成。 其中，冷冻法技术主要是指海水在结冰时，盐分被排除在冰晶以外，将冰晶 洗涤、分离、融化后即可得到淡水。冷冻法工艺主要包括冰晶的形成、洗涤、分 第一章文献综述 离、融化等。其中，按冰晶形成的途径不同可分为天然冷冻法和人工冷冻法，人 工冷冻法又可分为直接冷冻法和间接冷冻法。比较而言，间接冷冻法传热效率较 低，且需要较大的传热面积。 1 3 1 天然冷冻法 在高纬度地区，利用冬天温度低这一自然环境条件使海水自然冷冻结冰，取 冰融化而得到淡水，即为天然冷冻法。由于完全利用天然气候条件使海水冻结， 此过程不需要任何外加能量。 天然冷冻法中海冰的形成和发展受海面状况和大气条件的变化影响很大，一 方面海冰仍然具有一定的含盐量，另一方面同一海冰的含盐量随着冰厚会发生变 化【2 8 2 9 1 。因此，为了有效的利用海冰作为淡水资源，需要进一步对海冰进行脱 盐处理。 在我国华北的环渤海地区，在冬季风和寒潮天气的影响下，渤海在冬季出现 海水冻结现象，形成大范围的海冰。研究表明，轻冰年的冰融化后的水量相当于 黄河的水量，重冰年的冰融化后的水量则是黄河水量的3 倍，如此大量的新生水 资源，可能为解决北方地区缺水问题找到新的解决方法。 1 3 2 人工冷冻法 人工冷冻法可分为间接冷冻法( 利用低温冷冻剂与海水进行间接热交换使海 水冷冻结冰) 和直接冷冻法( 冷冻剂或称冷媒与海水直接接触而使海水结冰) 。 根据冷冻剂的不同，直接冷冻法又可分为冷媒直接接触冷冻法和真空蒸发式直接 冷冻法删。 1 3 2 1 冷媒直接接触冷冻法( d r y ) 冷媒直接接触冷冻法( d r f ) 的研究始于2 0 世纪5 0 年代，是当时研究比较深 入的一种海水淡化方法。该方法是将冷冻剂与预冷后的海水在结晶器中直接接 触，其最突出的特点是具有强大的换热界面，传热效率高，且不需要预处理。因 此，它是当时研究最为热门的海水淡化技术之一。 该方法的原理如图1 1 所示，以不溶于水、沸点接近于海水冰点的正丁烷为 冷冻剂，与预冷后的海水混合进入冷冻室中【3 。在压力稍低于大气压的情况下， 正丁烷汽化吸热，使冷冻室内温度维持在3 左右，海水冷冻结冰。正丁烷蒸汽 经压缩机压缩至1 个大气压以上，进入融化器与冰直接接触，蒸汽液化，冰融化， 形成了水一正丁烷不互溶体系【3 2 】。由于比重不同，水与正丁烷分离，水作为产 品放出，正丁烷在过程中循环使用。正丁烷冷冻法方便、可靠，在目前的大、中 型冷冻法海水淡化工厂中应用较普遍。但由于正丁烷循环使用，要求系统必须严 第一章文献综述 格密封，否则，会困泄漏而使冷冻剂局部积累，引起爆炸，这使投资费用增加。 另外虽然正丁烷与水不互溶若脱除不完全，水中就不可避免地含有少量正丁 烷使水受到污染。 一。j 。 幔熟卜 l ! 兰兰! 土三生 图i - 1 冷媒直接接触拎冻法流程示意图 f i g u r e l 1p r o c e b f l o w d i a g r a mo f d i r e c tr e f r i g e r a n t f r e e z i n g l32 2 真空蒸发式直接冷冻法 真空蒸发式直接冷冻法是利用水的三相点原理，在水的三相点附近，汽、液、 固三相麸存。若将海水控制在三相点附近则海水的蒸发与结冰同时进行，再将冰 与蒸汽分别融化和冷凝得到淡水。 真空蒸发式直接冷冻法的关键技术在于如何移走产生的蒸汽，按照蒸汽移去 的方式可分为真空冷冻蒸汽压缩法和真空冷冻蒸汽吸收法。 真空冷冻蒸汽压缩法( v f v c ) 田卅的原理如图1 2 所示海水预冷至o 左 右后，喷八真空冷冻室中，部分水汽化吸热，使剩余海水冷冻而析出冰晶( 水本 身是冷冻剂) 。形成的冰晶一盐水淤浆，经分离洗涤后，除去冰晶表面附着及内 部包裹的盐分，然后融化而得淡水。产生的蒸汽经压缩后进入融化器冷凝。但由 于l l 水汽化成水蒸汽后，体积增大很多倍若将这些气体及时抽走，对压缩机 的功率和材质要求很高。冰融化和蒸汽冷凝所得淡水，一部分用作洗涤水，其余 作产品演水放出。 真空冷冻蒸汽吸收法( v f v a ) 的原理如图1 - 3 所示，以吸收剂( 如溴化 锂) 吸收冷冻室产生的水蒸汽，从而使海水不断汽化与冷冻结冰。稀释后的吸收 剂，经浓缩再生后循环使用，故需要有吸收剂回收装置。除以吸收系统代替压缩 机外，其他与真空冷冻蒸汽压缩法相同。 第一章文献综述 图l _ 2 真空冷冻蒸汽压缩示意图 f i g u r e i - 2p r o c e s s f l o w d i a g r a mo f f r e e z e - v a p o rc o m p r 8 s i o n 剧馨 口 图i - 3 真空冷冻燕汽吸收法示意图 f i g u ”l 3 n w f l o wd 堍r a m o f v a c u u m f r z v a r a b s o r p t i o n c o l t 公司研宄开发了真空冷冻喷射吸收( v f e a ) 口“工艺，它利用n a o h 溶液 来吸收部分水蒸汽( 约3 8 ) ，其余部分则被喷射器中喷射出来的蒸汽压缩增压 至表压为6 6 7 p a 以上，压缩蒸汽再与冰接触冷凝在融化的冰晶表面上，由于在实 际的操作中需要将大量的蒸汽及时压缩，压缩机的力学性能和效率都很难达到， 采用该工艺则解决了这些难题，真空冷冻喷射吸收法可以适用于任何规模的装 置，但同时，n a o h 溶液的再生无疑又增加了设备和投资费用而且还有可能引 起设备的腐蚀。 我国华东理工大学的徐立冲、陆柱【”3 1 等人在研宄真空蒸发式直接冷冻法 逆 第一章文献综述 有关过程中产生的蒸汽移去问题的基础上，研究开发了真空冷冻一汽相冷凝海水 淡化技术。该工艺采用低温金属表面，使三相点蒸汽直接冷凝成冰的方法，成功 地解决了蒸汽的去除问题，并在实验室完成了小型实验装置研究。 该工艺包括脱气、预冷、蒸发结晶、冰晶洗涤、蒸汽冷凝等步骤，海水在进 入蒸发结晶器之前先经过脱气塔，这样可以使海水中溶有的不凝气体在低压下几 乎全部释放。脱气后的海水与蒸发结晶器内排出的浓盐水和淡化水产生热交换， 预冷至海水的冰点附近，再进入压力和温度低于海水三相点温度和压力的蒸发结 晶器，使蒸发与结晶同时进行。根据水的三相图，降低蒸发结晶器内产生的低压 水蒸气的温度使之低于其平衡温度，蒸汽冷凝成冰。 1 3 2 3 真空冷冻多相转变法 真空冷冻多相转变法( v f m p y t ) 【3 8 3 9 】是c y c h e n g 等人在总结前人工作 的基础上，结合各工艺的特点提出的方法。首次提出了亚三相点蒸汽( s u b t r i p l e p o i n tv a p o r ) 和超三相点蒸汽( s u p e r t r i p l ep o i n tv a p o r ) 的概念，并说明了两者之间 的区别。该工艺是将海水预冷至其冰点附近，进入真空冷冻室，该冷冻室内的压 力低于海水的蒸汽压，温度为海水冰点。这样部分海水汽化吸热，使蒸发与结冰 同时进行。在该条件下产生的蒸汽为亚三相点蒸汽，并形成冰晶一浓海水冰浆。 同理，在压力高于海水三相点压力下产生的蒸汽为超三相点蒸汽。将产生的亚三 相蒸汽凝华并与超三相点蒸汽直接接触融化，同时超三相点蒸汽冷凝成淡水，然 后进行冰晶的洗涤与融化，得到淡水。由于这个工艺是在真空条件下进行的，使 操作难度增大。 1 3 3 交换结晶冷冻脱盐法 海水经换热器预冷后，进入结晶器，同时进入结晶器的还有固液态共存的直