海水淡化在沿海电厂的应用前景

1海水淡化在沿海电厂的应用前景刘勇1，黄隆焜2（广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东，潮州515723）TheApplicationProspectsofSeawaterDesalinationinCoastalPowerPlantsLiuYong1，HuangLong-kun2(GuangdongDatangInternationalChaozhouPowerGenerationCo．，Ltd．，Guangdong，Chaozhou515723，China)Abstract:Theprincipleandapplicationofseawaterdesalinationtechnologyisintroducedinthispaper,thefeasibilityandnecessityofseawaterdesalinationusedincoastalpowerplantsarediscussed,itmaybehelpfulforpopularizingthetechniqueinnewcoastalpowerplants.Keyword:seawaterdesalination;desalinationtechnology;feasibility;necessity摘要：本文对目前常用的几种海水淡化方法从工艺原理到适用范围进行介绍，并从可持续发展的角度阐明沿海电厂生产用水采用海水进行淡化的可行性和必要性，为沿海新建电厂用水规划提供参考。关键词：海水淡化淡化技术可行性必要性1、前言海水淡化是指将盐度大于35000mg/l的海水淡化成500mg/l以下的饮用水。海水淡化最常见的是蒸馏法和膜法两大类。常用的蒸馏法有多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED），和压汽蒸馏（VC）；膜法有电渗析（ED）、反渗透（RO）。尽管多级闪蒸、多效蒸馏法的出水水质较反渗透法好，具有技术上的优势，但相同处理量的多级闪蒸、多效蒸馏法投资比反渗透法高出20%—100%，除了极大型装置外，自1995年以后期合同额极少。反渗透技术由于具有投资少、操作方便、能耗低、建设周期短、占地面积小等优点得到广泛应用，按现有的统计结果发现反渗透法在海水淡化技术中占有的比例每年以10%—30%速度增长，有逐年增加的趋势。2、常用海水淡化技术工艺原理及适用范围2.1多级闪蒸（MSF）2.1.1多级闪蒸的原理当海水加热到一定温度后，引入到一个压力低于海水所对应饱和蒸汽压的容器内，部分海水迅速汽化，冷凝后便可得到淡水；另一部分海水温度降低，流入另一个压力较低的闪蒸室，又进行重复蒸发和降温的过程。将多个闪蒸室串联起来，室内压力会逐级降低，海水逐级降温，因而可连续产出淡化水。2.1.2多级闪蒸的工艺流程将经过澄清和加氯消毒处理的海水送入排热段作为冷却水，流出排热段的大部分冷却水又排回海中，小部分作为进料海水（补给海水）经预处理后从排热段末级闪蒸室进入第一级闪蒸室，逐级降压，海水逐级降温，即可连续产出淡水。多极闪蒸的造水比是所得淡水的质量与所耗加热蒸汽的质量之比，是淡化水经济效益的直接体现。小型装置的造水比较小，大型装置的造水比较高，如日产淡水几百吨或四五千吨的装置，造水比一般为5—8；日产淡水1万吨的装置，造水比多在10左右；日产淡水四五吨的装置，造水比可达13—14。2.1.3多级闪蒸的主要优缺点2单机容量大，最大的可达7.6吨/小时，产品水盐度3—10mg/l；工程投资高；动力消耗大；设备的操作弹性小，不适合于造水量要求可变的场合；传热管腐蚀穿孔时将污染水质。2.1.4适用范围以火电厂或核电厂的背压或抽汽透平的低位蒸汽为热源，生产高中压锅炉补充水或生活用水。2.2多效蒸馏技术（MED）2.2.1基本原理将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，蒸汽进入第一效蒸发器，与进料海水热交换后冷凝成淡化水；海水蒸发，蒸汽进入第二效蒸发器，并使几乎同量的海水以比第一效更低的温度蒸发，自身又被冷凝，这一过程一直重复到最后一效，连续产出淡化水。2.2.2工艺流程海水在冷凝器中预热，脱气之后分成两股，一股排回大海，另一股为进料液。料液加入阻垢剂后引入蒸发器温度最低的效组中，喷淋系统把料液分布到顶排气管上，在自上向下的降膜过程中，一部分海水吸收了管束内冷凝蒸汽的潜热而被汽化；冷凝液以淡水导出，蒸汽进入下一效组，剩余料液也泵入下一效组中，该效组的操作温度高于上一效组。在新的效组中又重复了蒸发和喷淋过程，直到料液在温度最高的效组中以浓缩液的形式排出。2.2.3多效蒸馏的主要优缺点热效率比多级闪蒸高，30℃左右的温差可使造水比达到10左右，操作负荷可以从40%—110%变化，造水比不会降低，弹性较大；能耗较低；前置处理简单，化学药剂消耗较少；系统的操作安全可靠，即便发生传热管泄漏，也仅仅降低产量而不会影响水质，但其设备体积较大，装置费用较高。2.2.4适用范围多效蒸馏与多级闪蒸的适应条件基本相同2.3压汽蒸馏（VC）2.3.1压汽蒸馏的原理利用机械压缩机把蒸汽压缩、升压、升温（温度升高10℃左右），并作为加热和使海水蒸发的热源，从而得到淡水。2.3.2工艺原理海水经水泵进入储水池，得到一定沉淀后注入滤清池，处理后进入净水池，经二级水泵注入与蒸馏釜相通的补充釜中，进行减压蒸馏，净海水在补充釜中沸腾时将海水中的石油菌及异味消除后再输入蒸馏釜中，在蒸馏釜顶部设有集流导流装置，蒸馏釜产生的蒸馏物经集导流装置和冷却器后转换成纯净水。2.3.3主要优缺点压气蒸馏在运行后不需要外部提供加热蒸汽，靠机械能转化为热能，过程效率高，比能耗低，而且过程不需要冷却水，结构紧凑，但压汽机造价较高，容易腐蚀、结垢难于进一步大型化。2.3.4适用范围广泛用于陆地海岛、海上钻井平台、军用潜艇等制水量较小的地方。2.4海水反渗透（SWRO）2.4.1基本原理当海水与淡水以半透膜隔开时，淡水会自动向海水一侧渗透，若于海水一侧施加大于海水渗透压的外压，海水中的纯水将反渗透至淡水中。在RO过程中，起作用的半透膜可以看作是非孔屏障，水和溶质溶解在膜内，靠浓度梯度和压力梯度扩散过去。2.4.2工艺流程进料海水经预处理去除悬浮物固体及其他有害物，然后经高压泵增压后进入膜脱盐设备，产3出的中间淡水产品进入后处理设施，精制成产品淡水，浓盐水自膜脱盐设备排出。高压泵可选用往复泵、离心泵、单螺杆泵和高速泵等类型。反渗透的能耗主要消耗在提供反渗透过程所需的压力上。为了降低淡化水的操作费用，通常在浓盐水排放管线上安装能量回收装置，目前常用的能量回收装置主要有透平式和正移位式。2.4.3主要优缺点反渗透为无相变过程，能耗低，工程投资及制水成本较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便，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需加热处理。2.4.4适用范围适合大、中、小型海水及苦咸水淡化系统2.5电渗析（ED）2.5.1基本原理利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只允许阴离子通过，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移动，他们最终会于交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过，如果他们是相同的，则离子被排斥，从而可以制得淡水。2.5.2工艺流程电渗析技术是利用多组交替排列的阴阳离子交换膜进行脱盐的过程。这种膜具有很高的离子选择滤过性，阳膜排斥水中阴离子而允许阳离子滤过，阴膜排斥水中阳离子而允许阴离子滤过。在外加直流电场的作用下，淡水室中的离子做定向迁移，阳离子穿过阳腊向负极方向运行，并被阴膜阻拦于浓水室中，然后随浓水排放掉。阴离子穿过阴膜而向正极方向运动，并被阳膜阻拦于浓水室中，然后随浓水排放掉，电渗析脱起过程的示意图如下：Na+Cl-阴膜阳膜Na阴膜阳膜Cl+-NaCl+-+-进水浓水淡水浓水电极电极2.5.3主要优缺点对分离组份的高选择性；水回收率高；能耗低、工程投资少；不因化学作用和热降解改变溶液性质；连续运转，自动化程度高；不用化学药剂，预处理要求较低。缺点是脱盐率不如离子交换，并且容易产生浓差极化，并进一步对电渗析过程产生极为不利的影响，主要表现为：极化时淡化室附近的离子浓度比溶液的主体的浓度低得多，将引起很高的极化电位；浓差极化使水离解，产生的H+与OH-代替反离子传递部分电流，使电流效率降低。由于浓差极化将引起溶液电阻、膜电阻以及膜电位增加，使所需操作电压增加，电耗增大，在电压一定的条件下，则电流密度将下降，使水的脱盐率下降或产水量降低。此外，浓差极化引起溶液pH值的变化，将使离子膜受到腐蚀而影响其使用寿命。电渗析只能除去水中的盐分，而对水中有机物不能除去，某些高价离子和有机物还会污染膜，运行过程中易发生浓差极化而产生结垢。42.5.4适用范围电渗析适用于含盐量小于20g/l的苦咸水的淡化，只用于小型海水淡化装置。３、国内电厂的海水淡化项目我国是继美、法、日、以色列等国家之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一，现有工业基础虽然已经能够批量、低成本地制造大部分海水淡化的相关设备，但一些关键设备，如大型蒸馏法海水淡化装置，高压泵、海水反渗透膜组件及能量回收装置等仍主要依赖进口，海水淡化技术与世界发达国家相比，还处于起步阶段。目前我国所建的海水与苦咸水淡化装置，除个别项目外都还是中偏小的装置。已建成和在建的海水淡化装置在电厂中的项目如下表1表1目前我国电厂的海水淡化项目序号地点规模m3/d工艺建成年份设计或承建单位1天津大港电厂6000MSF1989美国Envirogenics2大连华能电厂2000RO2001上海半岛水处理3山东威海华能电厂2000RO2001上海半岛水处理4山东黄岛电厂3000MED2004天津海水淡化所5山东黄岛电厂3000RO2006天津海水淡化所6河北王滩电厂10000RO2006浙江欧美7国华黄骅电厂20000MED2006法国Sidem8浙江玉环华能电厂34560RO2006美国CNC9广东平海电厂16704RO2008上海凯能４、海水淡化工艺的比较和建议MSF、MED、VC等蒸馏法投资高，耗能大，而RO以投资较低，能耗省，建设周期短等优势而成为目前海水淡化中最具竞争力的方法。表2是各种海水淡化方法的综合能耗表，从下表可看出RO海水淡化法每吨淡水能耗3.9KW．H，是最低的。由于近年来新型能量回收技术的开发应用，RO海水淡化法每吨淡水能耗已低于3.9KW．H。表2海水淡化综合能耗表之比方案名称1234淡化过程VCMEDMSFRO容量（t/d）1000200030002000电耗率[KW.H/t]9.57.813.63.9流程泵功[KW.H/t]------1.84.2------总电耗率[KW.H/t]9.59.617.63.9以山东黄岛发电厂同是3000t/d的MED与RO两套海水淡化装置的成本进行比较可以看出RO法投资成本更加吸引人，其成本比较见下表3表3山东黄岛电厂海水淡化工程投资成本表项目低温多效蒸馏(元/吨)反渗透(元/吨)工程投资2400万2000万5药剂消耗0．360．40电力消耗0．611．44工资福利费0．450．45维修费0．410．25管理费0．120．12蒸汽消耗1．600膜更换费1．600．96运行成本合计3．553．62固定资产折旧1．180．79造水总成本4．734．41海水淡化的能耗与海水温度成反比，即水温越高能耗越低，水温越低能耗越高，就南海海域来说，一年四季水温较高，故采用RO不需对海水进行加热。与南海海域相邻的省份，电厂海水淡化采用RO法可以节能降耗。５、沿海电厂采用RO法海水淡化的必要性和可行性5．1水资源日渐缺乏淡水资源短缺乃至水危机是我国经济社会可持续发展的最大瓶颈之一。据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对中国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。中国的水贫穷到什么地步呢？联合国一项研究报告指出：全球现有12亿人面临中度到高度缺水的压力