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1膜法热法海水淡化技术经济分析大连海水淡化工程研究中心华维国一、海水淡化方法概述：海水淡化是指从海水中获取淡水的技术和过程，通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准的水处理技术，目前淡化方法已达数十种，达到商业化规模的主要有反渗透法和蒸馏法，也就是常说的“膜法”和“热法”，蒸馏淡化技术又分成多级闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏三种。1、蒸馏法淡化技术蒸馏法又称蒸发法，是最早采用的淡化技术。早期主要用于少量蒸馏水的生产和制糖工业的料液浓缩，近代工业逐渐用于电厂和大型工业锅炉供水。蒸馏法与膜法不同，经蒸发所得的水就是蒸馏水，水质较高，产品水的含盐量（总固溶物）可以降到5ppm以下。蒸馏法所能处理的原料水比其它方法更加广泛，原水含盐量从几百毫克/升到几万毫克/升都可适应。蒸馏法海水淡化的装置类型较多，主要的有：多级闪蒸海水淡化、多效蒸发海水淡化和压汽蒸馏海水淡化。以下对各种方法进行简介：（1）多级闪蒸技术(MSF)基本原理多级闪蒸是将海水加热到一定温度后，引入到一个闪蒸室，其室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，部分海水迅速汽化，冷凝后即为所需淡水；另一部分海水温度降低，流入另一个压力较低的闪蒸室，又重复蒸发和降温的过程。将多个闪蒸室串联起来，室内压力逐级降低，海水逐级降温，连续产出淡化水。工艺流程经过澄清和加氯消毒处理的海水，首先送入排热段作为冷却水。离开排热段的大部分冷却海水又排回海中，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流入第一级闪蒸室，如技术原理所说明的那样，逐级降压，海水逐级降温，连续产出淡化水。见图1-1。多级闪蒸的造水比是指生产的淡水（蒸馏水）的重量与所消耗的加热蒸汽之比，是淡化厂经济效益的直接体现，通常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左右；日产淡水万吨级的装置，造水比多在10以上，日产淡水四～五万吨的装置造水比可达到13-14。2图1-1多级闪蒸流程图（2）多效蒸馏技术(MED)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。多效蒸馏分为低温和高温多效蒸馏。高温多效蒸馏可安排更多的传热效数，以达到较高的造水比，其热效率较高。但是，前几效盐水的蒸发温度较高，传热管易结垢且腐蚀速度快，因而对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对海水预处理要求也高。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；并得到10效以上的造水比。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，另外一股为进料液。料液加入阻垢剂，引入到蒸发器温度最低的效组中。喷淋系统把料液分布到顶排管上，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汽化；冷凝液以淡化水导出，蒸汽进下一效组，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。详见图1-2：3图1-2低温多效蒸馏工艺流程图（3）压汽蒸馏技术(VC)基本原理：海水蒸发过程所产生的二次蒸汽，经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，作为进料海水蒸发的热源，并自身冷凝为淡化水。上述过程周而复始，连续生产。压汽蒸馏按操作温度可分为常压压汽蒸馏和负压压汽蒸馏两种。从结构上，又分为水平管降膜喷淋式和垂直管式两种形式；前一结构的优点是料液自液体分布器出来之后，在水平传热管上以薄膜的形式分布，又依靠重力向下实现再分布，由于液膜分布薄且均匀，因而传热系数高，并且蒸发器结构简单，在海水淡化领域得到广泛应用。工艺流程：进料海水用极少量阻垢剂预处理后，进入一个板式换热器，回收自蒸发器排放出的浓盐水和淡化水的热量。之后，与循环的浓盐水混合，进入到蒸发器中，喷淋到水平传热管束的外表面上，喷淋量需刚好在管子表面形成连续的液膜，与管束内经压缩机增压的蒸汽（略低于浓盐水蒸发平衡压力）热交换。管内蒸汽冷凝成淡水导出，管外一部分盐水产生蒸发，通过汽液分离器除去夹带的液滴之后，蒸汽进压缩机压缩并导入传热管束内。如此构成了二次蒸汽的不断循环和潜热交换。工艺流程见图1-3：4图1-3压汽蒸馏工艺流程图2、膜法海水淡化技术（1）电渗析技术(ED)基本原理：电渗析以直流电为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使一个水体中的离子通过膜迁移到另一个水体中的物质分离过程。主要特点：电渗析为无相变过程。所耗电能主要用于迁移溶液中的电解质离子，所耗的电能与溶液浓度成正比，对于不导电的颗粒没有去除能力。电渗析技术用于海水淡化时能耗大，大规模的海水淡化工程基本上不采用。但将1000～3000毫克/升的苦咸水脱盐至500毫克/升的饮用水是经济可行的。（2）反渗透技术(RO)基本原理：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。这种与自然渗透相反的水迁移过程称为反渗透。工艺流程：进料海水经预处理，去除悬浮固体及其它有害物。然后经高压泵增压后，进入膜脱盐设备，产出的中间淡水产品进入后处理设施（按淡水不同用途选择，如作饮用水，需pH调节和加氯杀菌设备），精制成终产品淡水。浓盐水自膜脱盐设备排出。见图1-4：5图1-4反渗透工艺流程图二、热法（MED）膜法（RO）海水淡化系统构成1、系统组成和投资（1）热法系统：万吨级热法低温多效（MED-TVC）主系统及设备序号系统组件名称单位主要产地技术成熟度备注一海水预处理系统1高效初次沉淀池套中国成熟2混凝絮凝处理池套中国成熟3污泥处理系统套中国成熟二海水淡化系统1主蒸发/冷凝器套中国成熟2凝汽器套中国成熟3自动反洗过滤器台德国成熟4盐水泵(浓盐水排)台德国成熟5物料水泵台中国成熟6成品水泵台中国成熟7凝结水泵台中国成熟8减温水泵台中国成熟69海水加热器套中国成熟10成品水冷却器套中国成熟11物料水加热器套中国成熟12凝结水冷却器套中国成熟13预冷凝器套中国成熟14一级冷凝器套中国成熟15二级冷凝器套中国成熟16启动抽气器套中国成熟17一级主抽气器套中国成熟18一级辅助抽气器套中国成熟19二级抽气器套中国成熟（2）膜法系统：万吨级膜法（SWRO）海水淡化主系统及设备序号系统组件名称单位主要产地技术成熟度备注一海水预处理系统1初级沉淀处理套中国成熟2初级多介质过滤器台中国成熟3二级多介质过滤器台中成熟7国4二级活性炭过滤器台中国成熟5保安过滤器（微滤）套国外成熟6超滤给水泵套美国成熟7超滤前置过滤器套美国深度研发8超滤装置套美国深度研发9超滤反洗装置套美国深度研发10化学清洗装置套中国成熟11柠檬酸加药装置套中国成熟12超滤产水箱套中国成熟二海水淡化系统1海水淡化高压泵套德国成熟2能量回收装置套德国成熟3反渗透膜组件套美国成熟4淡化装置辅助系统套中国成熟5反渗透给水泵套德国成熟6保安过滤器套中国成熟87反渗透冲洗泵台中国成熟8反渗透化学清洗装置台中国成熟9加药计量泵装置系统套中国成熟10水箱及及罐系统套中国成熟11二级反渗透给水泵套德国成熟12电控热工系统套中国成熟（3）日产1万吨淡化系统投资估算表：单位：万元内容国外投资中外合作国产化备注热法140001200010000膜法1300011000无（4）热法膜法技术现状：热法我国已经拥有完全的自主知识产权、完善的科研创新体系，我国万吨级热法装备的技术水平已经处于国际领先地位。膜法由于关键部件被国外垄断，所以膜法在我国就是系统集成，技术门槛很低，只要有市场随意一个工程公司就可以承担淡化工程。我们膜法的技术创新体系建设在国外垄断公司的打压下，步履艰难，三大关键设备至今没有突破，中国的膜法海水淡化技术和市场完全被国外公司控制。（5）热法膜法系统参数：比较项目海水反渗透（SWRO）低温多效（LT-MED）产品水水质mg/L300-5005-10操作温度℃5-4570装置总能耗kWh/m35.0-6.0(有能量回收)5.0原水预处理要求高要求低9水利用率%4015-40腐蚀结垢倾向较小建造材质要求低三、热法膜法系统工程建设1、系统占地面积比较：低温多效工艺与反渗透工艺占地面积相当。一般的理解，低温多效占地面积应该比反渗透大一些，因为反渗透的主机十分紧凑。但由于反渗透的预处理工艺占地面积较大，实际上两种工艺的占地面积相差不大。低温多效的工艺用泵安装在装置的下部，在某种程度上减少了占地面积。2、系统所需厂房比较：采用热法低温多效工艺可以省略淡化设备的厂房。低温多效设备可以露天布置，省去了厂房的投资。目前已经建设完成的热法装置全部是露天布置，控制系统和换热器等精密设备放置在主换热器下面和侧面的控制设备室，一般面积不需要太大。膜法的大部分设备都需要放置的专用厂房里，高压泵房需要单独设置，特别是预处理设施需要大量的土建工程支持。3、系统设备安装工艺比较：热法工艺主要是大型换热设备，所以施工难度比膜法要大，运输条件有限制，设备安装费用比膜法高。土建施工方面膜法用于需要建设厂房，所以膜法的土建成本比热法高。4、系统外部工艺条件比较：热法工艺需要低温热源，在没有低品位热源的地方热法工艺没有任何优势，膜法工艺没有安装条件限制，只要有电源就可以实施膜法工艺。5、系统建设周期比较：热法的主蒸汽器的设计需要根据安装淡化系统地区海水参数及蒸汽参数进行优化设计，根据设计结果开始主蒸发器的制造，所以建设周期较长。膜法系统的反渗透膜组已经形成模块化，模组可根据造水量任意组合，系统组合方便，所以膜法系统建设周期短。四、热法膜法系统运行1、热法膜法吨水运行成本分析1.1固定成本分析：反渗透膜效率影响因素：在热法核心技术没有实现国产化之前，万吨级的热法海水淡化投资要比膜法高20%左右，由于热法核心技术的掌握和全部设备实现和国产化，目前万吨级的热法海水淡化系统与膜法的投资已经接近并相当，根据不同的地域投资额度在9500～11000万元之间变化，由于热法膜法系统的吨水投10资额相当，所以分担固定成本费用的主要影响因素就要看热法膜法系统的年均造水量及运行效率，最后计算出两种工艺的在实际运行中的年吨水分摊的固定成本。热法系统造水工艺主要靠大型的主蒸汽器蒸发换热实现的，只要换热传热过程稳定进行，外界因素不是影响热法系统造水量的主要因素。膜法系统造水工艺主要靠过滤实现，过滤系统的元件质量和工作效率直接关系系统的运行效率，海水温度、反渗透膜的质量、预处理单元工作效率等因素都直接影响膜法系统的年造水量，外界因素是影响膜法系统造水量的主要因素。我们在以往的膜法系统淡化水固定成本分析报告中，是把膜法系统处于理想状态，回避外界因素对造水量的影响，是按照系统的设计值常年不变的情况计算出来的。但是我们通过对已投运的几个典型电厂膜法系统的多年运行数据进行统计分析，得出了外界因素对膜法系统年均造水量影响巨大。下表为某电厂膜法系统年造水曲线：从上述曲线表可以看出，膜法系统由于受膜和海水温度等因素的影响，年实际出水量发生较大变化，远离设计曲线。下表为某电厂热法系统年造水曲线：11从上述曲线表可以看出，热法系统按照夏季海水温度20～30°设定主蒸发器的末端冷凝温度，在冬季运行时由于海水温度低于设计温度，使主蒸发器换热温差增大，提高了换热效率从而增加了造水出力，所以热法的年平均造水指数与设计值基本吻合。我们在热法膜法系统淡化水固定成本分析报告中提出了热法膜法系统固定资产投资成本分析比较修正系数，简称：热膜固本修正系数，我们通过数年的统计分析和计算得出目前阶段“热膜固本修正系数”设定为0