海水淡化与能源利用

海水淡化与能源利用代彦军上海交通大学背景„目前世界上有80个国家约15亿人口面临淡水不足；„其中26个国家的3亿多人口完全生活在缺水状态中，估计到2010年还将有8个国家加入缺水国行列；„由于人类自己对保护淡水资源的认识不足，保护措施不力，致使淡水资源浪费严重，特别是因使用不当而使水资源造成了极大的污染；水资源不足是我国的基本国情„我国人均水资源量2200立方米，约为世界人均水资源量的1/4；„水资源分布不均衡。南方（指长江以南）人均水资源量达到3600立方米以上，而北方人均水资源量只有720立方米；„全国的污水排放量快速增长，对水资源造成严重破坏，加剧了水资源的紧缺程度；据统计，1980年全国废污水排放量为310亿吨，2000年为620亿吨（不包括火电直流冷却水），其中工业废水占66％，生活污水占34％，近80％的废污水未经处理，直接排入江河湖库水域；„由于集中取水和集中排污，致使我国不仅北方城市普遍缺水，南方一些城市也出现“水质型”缺水；海水淡化„海水淡化,亦称海水脱盐,是通过装置和设备除去海水中盐分并获得淡水的工艺过程。„是能源、海洋、新材料等领域的高新技术集成，是关系到国家战略安全的公益技术，也是各国竞相开发的朝阳产业。海水淡化技术的研究起始于20世纪50年代中期，到现在，海水淡化已发展成为一种可靠的工业技术。1960年，全球海水淡化的总装机容0．058×；1970年，全球海水淡化的总装机容量达到1．15×／d；目前，全世界单机日产量在100t以上的淡化装置其总的生产能力超过了30×／d。3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m3610m历年来投产的海水淡化工厂产量历年累计海水淡化厂装机产量海水（苦咸水）淡化方法海水淡化热方法膜方法其它方法多级闪蒸（MSF）多效蒸馏（MED）压气蒸馏（VC）电渗析（ED）反渗透膜分离（RO）冷冻结冰法溶剂萃取法水合物法露点蒸发淡化技术（dewvaporation)离子交换法大规模海水淡化装置大规模海水淡化装置中小型海水淡化装置，对电力依赖性强中小型海水淡化装置，对电力依赖性强在小范围分散供水领域应用日益广泛，可充分利用各种低位热能在小范围分散供水领域应用日益广泛，可充分利用各种低位热能多级闪蒸法(MSF)（Multistageflash)‰自上世纪50年代开始应用‰是目前应用昀多，昀成熟的海水淡化工艺‰在中东，新加坡，香港，我国沿海地区都有应用„多级闪蒸(MSF)„经过加热的海水，依次在多个压力逐级降低的闪蒸室进行蒸发，蒸发的蒸汽用于加热循环的海水并冷凝成淡水的过程；MSF通常与火力发电站联合建设与运行，以汽轮机低压抽汽作为热源，MSF在海湾国家采用较多；由于MSF加热过程与蒸发过程分开进行，所以海水结垢倾向小。MSF技术昀为成熟，整体性好，运行安全性高，适合于大型和超大型淡化装置，就淡化水量而言，目前MSF在全球仍属第一。MSF的研究目前正朝着进一步扩大单机容量，系统操作昀佳化，开发对环境影响小、用量小的新型阻垢剂，研究新型传热材料的方向发展。目前MSF仍占世界海水谈化产水量的60％左右，但其能耗仍在10kwh／m3淡水以上。流程示意MSF海水淡化工厂HitachiZosenCorporation,Osaka,Japan.阿联酋fujarah海水淡化厂温度变化示意图（理想MSF）„多效蒸发(MED)„加热后的海水经多个蒸发器串联运行，前一效蒸发的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，并冷凝成为淡水的过程。MED也主要与火电厂联运，但规模一般在日产l万吨以下：这又包括两种类型，一类是各效分列式，20世纪70、80年代较盛行，称为竖管蒸发(VTE)，操作温度一般较高，顶温100-120℃，欧洲和亚洲一些火电厂都有使用；另一类是低温多效蒸馏(LT-MTD)，顶温65-70℃。后者较前者更具竞争力，是蒸馏法中昀节能的方法之一。目前多效蒸发的研究多集中于提高其传热效果，制作材料，系统优化等方面。„MED为20世纪30年代的淡化方法，由于结垢和腐蚀等问题，更由于50年代MSF的出现，使之停滞不前。尽管美、日等国投人大量资金改进提高，但至今市场占有份额仍不足10％。LT-MED操作温度在60-70℃，使结垢和腐蚀有所减缓，可使用较廉价的材料，如铝合金传热管等，以降低成本。一些改进工作有塔式设计，混凝土外壳，增加效数，采用热泵式及水电联产等。通常能耗在7kwh／m3淡水左右，该技术在水电联产和利用废热造水方面有一定的市场。多效蒸馏（MED)（Multieffectdistillation)摩洛哥坦坦地区核能海水淡化示范项目摩洛哥王国准备采用我国开发的10MW核供热堆作为热源,与高温多效蒸馏工艺相耦合,在坦坦地区建造核能海水淡化示范厂,日产8000m3淡水。可行性研究结果表明:该示范厂设计方案不存在技术障碍,其淡水生产成本与该地区相同规模的化石燃料淡化厂相当。核能海水淡化示范工程主要包括一座10MW核供热堆(NHR210)及其辅助系统,一座采用高温MED工艺的海水淡化厂和备用燃油锅炉等其它辅助设施。上述所有装置均座落在同一厂址内。图1NHR210海水淡化厂流程„淡化厂采用竖管塔式布置的高温MED工艺,共28效。新蒸汽在第一效内被海水冷凝后作为给水返回蒸汽发生器。海水被加热并部分蒸发成二次蒸汽,这些蒸汽将作为下一效的主要热源去加热蒸发海水。如此蒸发2冷凝过程一直重复至昀后一效。第二效以后的凝结水就是生产的淡水,再经硬度调整,添加人体需要的微量元素及终端检验后输送至饮用水管网。温度变化示意图（理想MED）„压汽蒸馏(VC)„将蒸发出的蒸汽适当加压，提高其温度后，再用作蒸发器的加热蒸汽并冷凝成淡水的过程。VC用电或蒸汽驱动，也属于节能的淡化方法之一。但规模一般不大，多为日产百吨级、千吨级。压气蒸馏（VC）（Vaporcompression)多效＋压气蒸馏反渗透膜（RO）„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渐升高，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;反渗透膜海水淡化A,B,CP1CCA,B,CP1CMembrane(onlypermeabletosolvent)InitialCondition(equalpressures)EquilibriumCondition(pressuredifferencemaintainedbyosmoticpressure)ReverseOsmosis(Transportagainstconcentrationgradientifpressureaboveosmoticpressure)A,B,CP1P2P2P2长岛1000吨／日反渗透海水淡化示范工程„长岛l000t／d反渗透海水淡化工程是我国第一个自行设计、建造的日产千吨级反渗透海水淡化示范工程，在国内首次使用压力交换式能量回收设备，建成后运行正常，能耗达到国际先进平，为推广我国的海水波化起到了很好的示范作用。该示范工程已于2001年l0月在山东省长岛顺利建成投产。„海水淡化装置通过二台22kW的增压水泵(一开一备)抽取原水池中海水。输送到三台并联多介质滤器过滤海水。根据以往经验专门为海水淡化定制了管道式ABS的精密滤器外壳，内装大容量折叠式微孔滤芯，解决了精密滤器的腐蚀问题。反渗透海水淡化系统的高压给水部分选用了GRUNDFOS公司的高压泵、压力提升泵和美国能量回收公司的压力式能量回收装置。„海水经精密滤器过滤后，出水分成二路，一路由高压泵直接升压到海水淡化额定操作压力，另一路经能量回收装置，与高压浓缩海水进行压力交换升压后再经压力提升泵增压至海水淡化额定操作压力，与前一路汇合后进入反渗透装置。反渗透产水直接进入中和滤器，浓水经能量回收装置压力交换后排放。能量回收装置能回收浓水90％以上的能量，大大降低了海水淡化的能耗。„为防止难溶无机盐类在膜面上沉淀，在海水中投加了H2SO4降低海水PH值；为防止余氯破坏膜在原水中还投加了还原剂NaHSO2。由于反渗透产水PH偏低，故又设置了一台中和滤器让反渗透产水经过中和滤器后PH提高。昀后输送至产水池。„海水淡化装置系统经过一年多的运行，各项参数基本稳定，气温25度时包括海水取水及淡水输送在内的海水淡化能耗低于3．8kWh／t淡化水。_电渗析法海水淡化（ED）+_++--ElectroderinsesolutionElectroderinsesolutionFeedsolution____+++++++Concentrate(brine)Diluate(lesssalts)AnodeCathodeCationselectivemembranesAnionselectivemembranes„该法的技术关键是新型离子交换膜,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。电渗析法海水淡化（ED）海水淡化的预处理„海水淡化的高成本是由于海水的固有性质造成的。海水的硬度较高，当温度或浓度升高到一定程度时，在淡化装置的换热管壁或膜表面会有硬垢(CaSO4)和软垢(CaCO3，Mg(OH)2)形成，造成传热效率或膜通量的降低。特别是硬垢，一旦形成难以去除．尽管可以采取一些防垢措施，但目前几种淡化方法水回收率仍较低，一般都在35％一40％。„水回收率越高，结硬垢可能性越大，对预处理要求也更严格，装置的清洗也更频繁，其结果必然是预处理和清洗费用上升．因此要得到更高的水回收率就需要大幅度去除海水中的硫酸根和钙镁离子．同样，海水中存在的大量微生物和有机物质，对膜过程可造成极其严重的影响．但传统预处理方法只能去除海水中的大颗粒、部分大分子有机物和细菌，却不能去除硬度和小分子有机物，因此不可避免地造成结垢和膜污染现象．随着蒸馏技术和反渗透膜技术的日臻完善，常规预处理方法已成为海水淡化的主要制约因素．纳滤膜技术及其海水软化作用„纳滤(NF)膜技术是近10几年来发展起来的一种新型的膜分离技术，NF膜的“膜孔”介于超滤膜和反渗透膜之间，膜的表面一般荷负电，其特点是可以截留分子量为200—1000的有机物，并对二价和多价离子具有很高的截留率，而对一价离子的脱除率适中，且操作压力较低(在0．4—2．0kPa)．NF膜所具有的特点使之特别适于海水的软化。NF技术已经广泛应用于给水处理，化工、制药、食品加工等工业过程，在海水软化方面的研究与应用国外也已经开展。阿拉伯盐水转化公司(SalineWaterConversionCorporation，SWCC)的NF集成海水淡化系统„SWCC进行的NF—SWRO集成海水淡化实验，采用4“×40”的NF膜元件．与无NF预处理的SWRO相比，集成过程的SWRO水回收率，在4．0Wa压力下为48％，为相同压力下前者的3倍，在5．6Wa压力下为50％左右，为相同压力下前者的2倍，表明采用纳滤预处理操作压力可有较大幅度的降低，水回收率可有较大幅度的提高．UmmLujj反渗透海水淡化厂流程图(纳滤项处理)„在试验成功的基础上，SWCC将UmmLujj的SWRO淡化装置改造成NF—SWRO海水淡化集成系统．该SWRO淡化装置的单套装置处理能力为360T/h海水，采用二级RO．第一级RO操作压力为6．4MPa，水回收率为30％；第二级RO的操作压力为2．8MPa，水回收率为85％．改造后的NF—SWR