海水淡化技术简介及应用现状

1、海水淡化技术简介及应用现状申屠勋玉 孟友国 赵丹青 王奕阳 项雯（杭州水处理技术研究开发中心有限公司，浙江杭州，310012）世界各地水资源短缺日趋严重，除了加大节水力度、充分挖掘潜力之外，还需要增加可供水资源总量，而海水淡化不受时空和气候影响，占用土地面积少，建设周期短，规模灵活，供水稳定，可有效增加水资源总量、改善水资源结构、提高水资源安全保障率；海水淡化的成本已接近某些缺水城镇自来水的供水价格，并将随着技术进步和规模效益的提升而进一步降低，海水淡化是解决淡水短缺的战略选择和重要措施。本文将对海水淡化技术作简要介绍，并分析国内外技术发展和应用现状。一、海水淡化技术简介海水淡化，是指将海水经

2、过脱盐处理转化成淡水的工艺过程。海水淡化有20多种方法，广义讲分为蒸馏法和膜法两大类，最常用的蒸馏法有多级闪蒸(Multi-Stage Flash， MSF)、多效蒸馏(Multi-Effect Distillation， MED)和压汽蒸馏(Vapor Compression， VC)；膜法有电渗析(Electro dialysis，ED)、反渗透（Reverse Osmosis，RO）。现将各种淡化技术原理、优缺点分析和适用范围分述如下：1.1蒸馏法海水淡化技术1.1.1多效蒸馏技术(MED)按多效蒸馏的最高沸腾温度，分为低温多效蒸馏和高温多效蒸馏。高温多效蒸馏可安排更多的传热效数，以达到

3、较高的造水比，因此其热效率较高。但是，因头几效盐水的蒸发温度较高，传热管表面易结垢，腐蚀速度快，对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对预处理要求也高。针对高温多效蒸馏的缺点，发展了低温多效蒸馏技术，其特点是盐水的蒸发温度不超过70，减缓了设备的腐蚀和结垢问题，同时由于使用了廉价传热材料，使得同样的投资规模可以安排更多的传热面积，即使在低温操作段也可以达到较高的造水比(可达到10左右)。热效率高，30余度的温差即可安排12以上的传热效数，从而达到10左右的造水比；操作弹性大，负荷范围从110到40皆可正常操作，不会使造水比下降；动力消耗少，动力消耗为0.91.2kWh/t水(不包括海水取水)；前

4、处理比多级闪蒸和反渗透简单，由于省去了加酸脱气的过程，化学药剂消耗远低于多级闪蒸；系统的操作安全可靠，即便发生传热管泄漏，仅仅降低一点产量而不会影响水质。与多级闪蒸相比，可以利用温度更低的蒸汽，有助于提高过程的热效率。低温操作时蒸汽比容较大，设备体积较大，从而使造价高；由于高温高盐度处理，对设备材料的耐腐蚀要求提高，即使达到10左右的造水比，生产一吨淡水仍需耗用约0.1吨蒸汽，生产成本仍较高。多效蒸馏适用于结合火电厂或核电厂背压透平低位热源的大型海水淡化工程(电水联产工程)；蒸汽透平低压抽汽生产高质水，为高中压锅炉供水；利用工厂余热生产优质淡水；原水浓度高于海水的淡化工程，与反渗透结合形成混合

5、流程降低水价等。1.1.2多级闪蒸法(MSF) 多级闪蒸是多级闪急蒸馏的简称。闪急蒸馏是将海水加热到一定温度后，引入到一个闪蒸室，室内的压力被控制低于海水温度所对应的饱和蒸汽压，热海水进入后，一部分温度较低的水吸收其多余的这份热量作为汽化潜热，迅速蒸发，而热海水自身温度降低，蒸汽冷凝后即为所需淡水。多级闪蒸以此原理为基础，将多个闪蒸室串联起来形成多级闪蒸，使海水依次流过若干个压力逐渐降低的闪蒸室逐级蒸发，逐级降温，直至末级的最低盐水温度，各级的冷凝水作为产品取出。多级闪蒸单机容量大，最大的可达到5万吨/天；产品水盐度低，一般为310mg/l。但是，其工程投资高，为反渗透法的2倍；动力消耗大，动

6、力消耗为3.54.5kWh/t水；设备的操作弹性小，操作弹性是其设计值的80110，不适应于造水量要求可变的场合；传热管被腐蚀时将污染水质。多级闪蒸与多效蒸馏的适应条件基本相同，在相同造水比的前提下，多级闪蒸要利用温度更高的热源，且吨水动力消耗比多效蒸馏高。1.1.3压汽蒸馏技术(VC)该技术不同于前两种技术直接重复利用蒸发过程所产生的二次蒸汽，而是用机械压缩机将其稍加压缩，提高其压力后再输入到系统中去，蒸汽压力提高之后其饱和温度相应提高，因此输入系统后可以作为加热热源使用，从而构成一个闭路循环。压汽蒸馏除上述的蒸汽压缩回路外，还有一个热量回收回路。在该回路中进料海水经过适当的预处理后，被分成

7、两股物流。第一股物流进入浓盐水换热器，使浓盐水从沸腾温度降至略高于进料水的温度之后排弃；另外一股物流进入产品水换热器，使产品水从蒸汽的冷凝温度降到略高于进料水温度后排入产品水储罐。两股物流分别在与浓盐水和产品水换热过程中回收了它们的热量，同时使自身温度提高到略低于沸腾温度进入逸气冷凝器，在此海水又与不凝气带出的蒸汽换热，使自身温度提高到盐水的蒸发温度后，与循环浓盐水一道进入蒸发器以生产淡水。压汽蒸馏法操作温度低，降低了系统的散热量，减少了热损失，降低了系统的能量消耗，在燃料价格高的地区具有竞争力；由于蒸发温度低，避免和减缓了传热面的腐蚀和结垢，延长了系统的操作周期和使用寿命；由于腐蚀速度低，可

8、以使用廉价传热材料，降低了装置的造价；产品水总含盐量小于5mg/l，后处理十分简单；低温压汽蒸馏自身带有包装，在交付运输之前已在车间预安装、接线和测试，现场工作量很少。负压蒸馏在真空状态下操作，对系统的密封要求较高；低温蒸馏的传热系数低，与常压蒸馏相比，负压蒸馏的蒸发面积偏大。压汽蒸馏法适用于中小型，适合于水源缺乏和供汽不便的地方。1.2膜法海水淡化技术1.2.1电渗析技术(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。电渗析过程中所能除去的仅是水中的电解质离子，而对于不带荷电的粒子如水中的硅、硼以及有机物粒子则不能去除，解离度

9、小的物质难以分离，对于水中的重碳酸根去除效率也较低，因此电渗析技术用于海水淡化时，逊于其他技术。电渗析对水中电解质去除是靠外加电场的电流完成的，电解质浓度越高，电流密度就越大，电力消耗就越高。妨碍电渗析用于高浓度苦咸水或海水淡化的因素除电力消耗外，还有电极寿命和电渗析膜的结垢和清洗问题。电渗析在初期曾用于海水淡化，由于淡化海水的能耗大，所以现在海水淡化工程基本上不采用电渗析。但是，在低浓度苦咸水处理中还有应用。1.2.2反渗透技术（RO）用一张只透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐水隔开，淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧，这种现象称为渗透。当渗透到盐水一侧的液面达到某一高度时，渗透的自然趋势被

10、这一压力所抵消从而达到平衡。这一平衡压力即为该体系的渗透压，如在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，盐水中的水会透过半透膜到淡水处，从而达到淡化的目的。反渗透为无相变过程，因此能耗低，通过采用能量回收技术，已使每吨淡水电耗降到3.0kwh以下，这是其它海水淡化方法无法达到的；反渗透法建设周期短，可模块化设计，装置规模灵活，与蒸馏法相比工程投资比较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，灵活，启动时间短，可根据需要随时增减产水量（多用谷电），维修方便。缺点是反渗透的预处理要求严格，反渗透膜需要定期更换，海水温度低的情况下如需保持产水量不变则需增加反渗透膜的数量，或设利用余热的换热器，因此也相应增加了造价。

11、反渗透适合大、中、小型海水及苦咸水淡化，大型淡化厂可通过多台装置并联。1.3 海水淡化主流工艺比较从以上分析看出，多级闪蒸（MSF）、低温多效（MED）和反渗透（RO）是当今海水淡化三大主流技术。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。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。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

12、，增强系统抗污染能力等。表1、三种海水淡化工艺关键技术参数对比表主要技术参数多级闪蒸低温多效反渗透操作温度12070常温主要能源蒸汽、电（热能、电能）蒸汽、电（热能、电能）机械能（电能）蒸汽消耗t/m30.1-0.150.1-0.15无电能消耗kWh/m33.5-4.51.2-1.83-5吨水耗能成本22.03-32.6120.7-31.041.74-2.9典型源水含盐量（ppm TDS）30,000-45,00030,000-45,00030,000-45,000产品水质（ppm TDS）1010500典型单机产水能力（m3/d）3,000-70,0003000-20,0001-50,000

13、蒸馏法投资要比反渗透膜法高2倍以上，蒸馏法主要消耗能源为蒸汽，按目前技术水平，蒸馏法造水比为10:1，据此推算，海水淡化成本较高。反渗透膜法技术与其它两种蒸馏法技术相比，操作温度要求低，无需消耗蒸汽，大大降低了运行成本，产水水质可满足用水要求，而蒸馏法适用于热源易得且价格便宜的地方，至于选用何种工艺，必须根据当地状况作出综合分析再作抉择。二、 海水淡化的技术现状及发展趋势2.1国外海水淡化技术及产业发展现状国外海水淡化技术研究始于上世纪50年代，其发展的重点主要集中在膜法（以反渗透膜法为主）和蒸馏法（以多级闪蒸为主）海水淡化。据联合国关于非常规水源开发研究报告称：1950-1985年的35年间

14、，主要研究蒸馏法、电渗析法、反渗透法和冷冻法（至今未有实际应用报道），1986年后的10年，蒸馏法和反渗透法则发挥了突出作用，形成了当代海水淡化的主体。这期间，全世界海水淡化装置以蒸馏法为主。至2000年，两种方法的装机容量持平，进入新世纪后，由于反渗透海水淡化技术发展迅速，投资和制水成本大幅下降，其装机容量超过了蒸馏法的总和。目前，除海湾国家外，美洲、亚洲和欧洲，大中生产规模的装置都以反渗透法为首选。目前，反渗透（RO）占已经建成的为61.1%，接下来是多级闪蒸（MSF）25.7%,多效蒸馏（MED）为8.3%，电渗析（ED）3.2%，混合技术0.7%，电去离子0.3%。全球海水淡化市场已颇

15、具规模。根据国际脱盐协会（IDA）显示数据表明：到2009年，全球已有150多个国家和地区在利用海水淡化技术，全球共建有14451个脱盐工厂，合计日产水量近5990万立方米。其中海水淡化日产水量为3590万立方米，2009年新增产水量460万立方米，年增长率为14.6%。表2、海水淡化市场的增长年份每年增长（百万m3/d）总产能（千万m3/d）19990.51.4120000.61.4720011.11.5820022.21.8020031.11.9120041.62.0720051.72.2420062.12.4520073.22.7620083.73.1320094.63.59数据来源：G

16、WI脱盐数据/IDA表3、前10名按海水淡化的国家如下：排名国家总产能（百万m3/d）市场占有率%1沙特阿拉伯7.420.62阿联酋7.320.33西班牙3.49.44科威特2.15.85卡塔尔1.43.96阿尔及利亚1.13.17中国1.12.98利比亚0.82.39美国0.82.210阿曼0.82.2数据来源：GWI脱盐数据/IDA表4、最大的海水淡化厂:厂名国家产能（万m3/d）建成时间Shoaiba 3沙特阿拉伯882009Marafiq Jubail沙特阿拉伯802009Jebel Ali M阿联酋63.644在建Magtaa阿尔及利亚50在建Al Jubail沙特阿拉伯47.419

17、83Al Fujairah 2阿联酋46.782在建Shuweihat S2阿联酋45.9在建Shuweihat S1阿联酋45.422004Shoaiba 2沙特阿拉伯45.42002Al Fujairah 1阿联酋45.42007数据来源：GWI脱盐数据/IDA预计到2015年，全球海水淡化市场有将近700950亿美元的规模，未来20年国际海水淡化市场增长最快的仍然是中东地区，其次是美国、澳大利亚、阿尔及利亚、西班牙、印度和中国。从国外发展趋势分析：海水淡化已成为新世纪解决淡水资源危机的战略选择。世界海水淡化权威组织国际脱盐协会会长曼索尔说：“海水淡化已经成为全世界淡水生产的重要组成部分，

18、海水淡化的普及和发展是人类解决水资源问题的必然趋势。” 2.2国内海水淡化技术产业发展现状我国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的，经过近半个世纪的发展，我国海水淡化取得了较快的发展，特别是膜法海水淡化技术取得了突破性进展，通过国家科技项目、产业化项目等计划的实施，先后在我国建成了日产百吨级、千吨级和万吨级反渗透海水淡化示范工程，开发形成了一批具有自主知识产权的工程技术，使我国一跃成为世界上掌握海水淡化技术的少数几个国家之一。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究，19671969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，会战结束组建了国家海水淡化研究室（杭州水处

19、理技术研究开发中心前身），开展电渗析、反渗透、蒸馏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。1974年经国务院批准，中科院和国家海洋局共同组织召开了全国首届海水淡化科技工作会议，制定了发展规划，促进了西沙永兴岛200m3/d电渗沂海水淡化站的建设。“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，“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组器的研制，建立了海岛苦咸水淡化示范工程；“八五”期间，在海水淡化用反渗透膜的研制方面取得了很大进展。1997年，浙江省重大科技攻关项目“500吨/日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；首次采用了透平式能量回收装置

20、，使海水淡化工程单位产水能耗降至5.5kwh以下，填补了我国反渗透海水淡化工程的空白。2000年，在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，先后在山东长岛、浙江嵊泗建成了1000吨/日级的反渗透海水淡化示范工程，采用了压力交换式能量回收装置，吨淡水能耗降至4.2kwh以下，各项技术经济指标达到国际先进水平。2003年，国家高技术产业项目山东省荣成万吨级反渗透海水淡化产业化示范工程第一期，单机规模5000吨/日海水淡化系统建成投产。2010年，杭州水处理技术研究开发中心承建的河北曹妃甸50000吨/日大型海水淡化项目(本项目列为国家发展和改革委员会海水淡

21、化产业发展重点示范项目)投建，使我国反渗透海水淡化工程规模和技术水平都跨上了一个新的台阶。在示范工程的引导下，我国已建成百吨级以上反渗透海水淡化工程近三十个，合计日产水五万多吨。从而使我国成为世界上掌握海水淡化技术的少数国家之一。海水淡化技术已进入工业化应用阶段。目前，我国已具备了日产万吨级反渗透海水淡化装置设计和工程成套能力。至2010年底，国内已建成海水淡化装置70多套，设计淡化水总产量约56104 立方米/日；在建装置5套，设计淡化水总产量约26104立方米/日。已建和在建海水淡化装置中，反渗透法约占总容量的66%，低温多效蒸馏法约占33%，其他海水淡化方法约占1%。 2009年、201

22、0年是我国建成海水淡化装机容量最多的年份，占历年建成总量的50%以上，其中2009年建成海水淡化工程12个，总装机容量约13.4万立方米/日；2010年建成海水淡化工程9个，总装机容量约17.3万立方米/日。同时，最近两年也是我国中、大型海水淡化装置建成投产最多的年份，两年共建成万吨级海水淡化工程8个。其中，青岛碱业一期1104立方米/日、天津新泉公司1105立方米/日、浙江六横一期1104立方米/日、辽宁红沿河核电反渗透海水淡化工程和天津北疆电厂1105立方米/日低温多效海水淡化工程建成投产；广东惠来电厂、广东惠州平海电厂和福建宁德核电厂海水淡化工程也相继建成，进入调试和试运行。当前，我国政

23、府高度重视海水淡化事业，已将海水淡化列入中国21世纪议程、国民经济和社会发展第十个五年计划纲要和当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录，适时制定了海洋经济发展规划纲要。2011年9月，国家海洋局、科技部、教育部和国家自然科学基金委等联合发布了国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要。规划纲要提出，“十二五”期间，海洋科技对海洋经济的贡献率要由“十一五”时期的54.5%上升到60%；海洋开发技术自主化实现大发展，专利授权增长35%以上。三、 淡化海水用途分析及应用实例海水淡化水具有洁净、高纯度和供给稳定的特点，是安全可靠的高品位水源。淡化产品水首先可进入自来水管网，作为城镇居民生产、生活的重

24、要水源，也可作为海岛、船舶、海上平台等主要水源；其次淡化产品水可作为企业生产和生活用水，也可作为以发电等锅炉补给水为代表的工业用高纯水和工艺用水。在海湾国家，由于传统的水资源几近枯竭，海水淡化发展已有较长历史，并取得了成功经验。在过去的25年里，海湾国家已投入约400亿美元用于海水淡化厂和配套供水管网的建设。在经历了20世纪80年代后期和90年代中期两个平台期后，2003年总装机容量已达到约0.15108m3/d，淡化水在海湾国家水资源结构中占据重要份额。沙特阿拉伯是世界淡化水产量最大的国家，2000年约为10108m3/a，占总水量的40。阿联酋通过加快发展大型淡化装置以满足不断增长的城市用

25、水需要，已成为世界上人均淡化水拥有量最多的国家。而卡塔尔和科威特几乎全部用淡化水作为饮用水。所有的海湾国家都制定政策，用海水淡化水作为市政和工业部门供水，其中2000年约930104m3/a用于市政部门，占其产量的84，专供大型工厂使用份额占12。表5、海湾国家已经建成的脱盐水装置人均水量国家已建装机容量/(万吨/日)2000年人口数/万人人均装机容量/(吨/日千人) 阿联酋252.12441033卡塔尔57.360955科威特152.7191799巴林47.368696沙特阿拉伯513.92161238阿曼21.825486合计/平均1045.12978351表6 海湾国家1990年和2000年淡水供应情况国家1990年2000年市政用水/108m3淡化水产量/108m3淡化水占的份额/%饮用水/108m3淡化水产量/108m3淡化水占的份额/%巴林1.030.56541.150.7666科威特3.032.40794.654.1890阿曼0.860.32371.690.5533卡塔尔0.850.83981.321.32100沙特阿拉伯17.007.954725.0010.2241阿联酋5.403.42638.316.7481合计2