海水淡化技术的现状和发展

净水技

２４

术

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

ＷＡＴＥＲＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮ

海水淡化技术的现状和发展

艾钢

吴建平朱忠信

（上海七一一研究所，上海２０００９０）

摘要海水淡化是解决用水危机的一个重要途径。文章介绍了常用的几种海水淡化技术的原理、特点及应用．指出存在的问题和发展方向。

关键词海水淡化反渗透蒸馏

ＰｒｅｓｅｎｔＳｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｅａｗａｔｅｒＤｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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ｏｓｍｏｓｉｓｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ

向海洋索取淡水，已成为世界沿海国家的共识。日本每年直接利用海水为２０００亿Ｍ３，美国工业用水的１／３是直接利用海水，中东一些国家淡化海水已占其淡水总供应量的８０％～９０％，现在世界海水淡化装置的总产水量已达到２６００万Ｍ３／ｄ，并以２０％的年增长率上升。

海水淡化（或称海水脱盐）技术常用的有蒸馏技术和膜技术，此外还有冷冻法和萃取法等。蒸馏技术有多效蒸馏（ＭＥＤ）、压汽蒸馏（ＶＣ）和多级闪蒸（ＭＳＦ）等；膜技术有反渗透（ＲＯ）和电渗析（ＥＤ）等，海水淡化过程需要能量，膜技术脱盐只需电能即可；压汽蒸馏用电能也可以工作，但很不经济，只限于特

蒸馏器下部海水中的加热盘管，海水加热后沸腾产生的二次蒸汽通入冷凝器凝结成蒸馏水。单效蒸馏装置的沸腾、蒸发在一个容器内进行，而产生的二次蒸汽潜热被冷凝器循环冷却水带走，参见图１。单效蒸馏装置的造水比（运转比Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒａｔｉｏ）约为１，即１ｋｇ蒸汽约产生１ｋｇ蒸馏水。上世纪五十年代前苏联ＮＫＢ３９型蒸馏装置在蒸汽动力装置的船舶上使用较普遍。这种用蒸汽为热媒的蒸馏装置体积大、能耗高和盘管表面易结垢。

殊船舶条件下的小能量设备；蒸馏淡化过程中由热

源加热海水使其沸腾蒸发，然后凝结成淡水，该过程除各种水泵电机需要电力外，还需有热源，常用的热源有蒸汽、热水、太阳能、地热水和废热气等。现在还研究采用“低温供热核反应堆”提供大于１００℃的热水（或蒸汽）。

１多效蒸馏装置（ＭＥＤ）１．１单效蒸馏装置

最早使用的蒸馏装置主要由蒸馏器和蒸汽冷凝器两部分组成。通常加热蒸汽作为热媒导入沉浸于

图１

单效蒸馏装置原理图

图２是浙江舟山渔业公司的单效蒸馏海水淡化装置的热平衡图。该装置利用柴油机缸套冷却水（水温只有６５℃）为热源，靠射水抽除器抽吸不凝结气体和浓盐水以维持装置高真空，使蒸馏器内海水在４０。Ｃ沸腾、蒸发。此种装置在舰船上应用较普遍，与一般蒸汽加热海水的蒸馏器不同的是不易结

Ｖ０１．２３Ｎｏ．３２００４净水技术

１．２多效蒸馏装置

２５

垢，换热效率高。但这种低品位热水加热的蒸馏器，只适宜小能量设备。

为提高造水比，可把两个或两个以上蒸馏器串联组合成为多效蒸馏海水淡化装置，除第一效热媒

３５７℃

（蒸汽）来自汽轮机排出的乏汽，后续各效蒸馏器的热媒均取自前一效蒸馏器产生的二次蒸汽，这样用二次蒸汽去加热下一效蒸馏器的海水，二次蒸汽的潜热得到利用。一般两效蒸馏装置的运转比为１．９：１。蒸馏装置效数越多，造水比越高，一般可达１０，甚至可达到２２，即１ｋｇ蒸汽可产生２２ｋｇ淡水。

图３为印染厂双效蒸馏装置热平衡图，目的在

冷却海水

２２ｔ／ｈ

３０℃

攀

鎏垫坐！丝！型！１

４０℃

给水７５０ｋｇＪ

３０℃

于回收碱液，处理原液量３００ｔ／ｄ，可回收碱液２０ｔ／ｄ，并获得副产品蒸馏水。

图２蒸馏装置热平衡图

加执

Ｊ、、、

器

图４Ｊｋ汽蒸馏器坞ｉ理幽

图３双效蒸馏装置热平衡图

多效蒸馏装置一般容量越大越经济，在同等条件下，能耗比多级闪蒸装置低，但由于加热蒸汽直接通入沉浸在蒸馏器下部海水中的加热盘管内，管壁温度很高，所以多效和单效蒸馏装置都容易在管壁上结垢。在多效蒸馏技术基础上于１９７５年发展起来的低温多效蒸馏装置（ＬＴ—ＭＤＥ），该装置蒸发温度低于８０℃，具有传热效率高、结垢少、成本低等特点，是极有发展前途的大型海水淡化技术。如我国山东黄岛发电厂利用乏汽加热２×３０００ｍ３／ｄ低温多效海水淡化装置的示范项目；以色列Ａｓｈｄｏｄ的１１．９万ｍ３／ｄ低温多效海水淡化装置，总效数为６；美国南加州计划建造２８万ｍ３／ｄ塔式结构多效蒸馏装置，设计成３０效、造水比２２，该塔式结构的优点是流体藉助自身重力自上而下流动（给料）可以节省流体循环的输送功，同时增加了传热的有效温差。

２压汽蒸馏（ＶＣ）２．１压汽蒸馏器

压汽蒸馏装置（ＶＣ）分为机械压缩（ＭＶＣ）和热压缩（ＴＶＣ）两种。蒸馏器排出二次蒸汽经压缩提高压力和温度，然后引回到蒸馏器加热盘管中，加热管外海水，蒸馏器内海水获得经压缩的蒸汽的潜热开始沸腾、蒸发，再送去压缩。工作原理见图４，一般压汽蒸馏装置所需能量是单效蒸馏装置的３０％。２．２电蒸馏压汽装置

图５是根据前苏联３皿２５—５０型产品为某核动

力舰艇研制的电蒸馏压汽装置原理图。该装置提供安全饮用水１ｔ／ｄ。起动时电加热器先将海水加热到沸腾、蒸发温度１０１℃，再经压汽机把二次蒸汽压缩后提高到１０８。Ｃ，然后引入蒸汽加热管组替代电加热器，加热海水产生蒸汽再压缩。装置是在大于１００℃条件下工作，容易结垢。

由于蒸汽比容大，所以压汽只能在低真空条件下工作，否则需要相当大压缩机来收容蒸汽。所以压缩蒸馏装置蒸发温度较高，易结垢，一般可用于中、小型海水淡化装置。

海水淡化技术的现状和发展

市场后，就被用户看好，现在中东产油国正在使用的海水淡化装置大部分都是ＭＳＦ装置。这主要是大型发电厂一方面需要大量优质淡水供锅炉补充水，另～方面发电厂运行过程中产生了大量低品位的余热（如乏汽），需加以利用，从而产生了水电联产（又称热电效应）模式。蒸馏式海水淡化装置正迎合了这种状况而迅速发展。据国际脱盐协会（ＩＤＡ）报告，已建和在建海水淡化装置中多级闪蒸海水淡化装置占总量６０％（规格在１００ｍ３／ｄ以上），并向大型化发展，如阿拉伯联合酋长国阿布扎比（Ａｂｕ

Ｄｈａ—

ｂｉ）水电部门为容量７３．２万ｋＷ火电厂建造配套的３４万ｍ３／ｄＭＳＦ蒸馏装置，由六台装置并联运行，单台装置产水量５．７７万ＩＴｌ３／ｄ，就是利用发电厂汽轮机乏汽加热海水供闪蒸海水淡化装置制取淡水的水电联合生产。

１．蒸馏器２．压缩机３，电机４．给水调节器５．盐水冷却器３．２多级闪蒸装置在我国应用实例

我国在１９８６年为天津大港发电厂引进美国１０．上分离器１１．观察孔１２．水位指示器１３．安全阀ＥＳＣＯ公司日产２×３０００ｍ３多级闪蒸海水淡化装１４．减压阀

１５．盐度计

１６．真空压力表

１７．截止阀

置，每台由热回收段３６级和放热段３级组成。成品图５

电蒸馏压汽装置原理图

水ＴＤＳ３ｍｇ／Ｌ。１９９７年国内自行设计建造１２００ｍ３／３多级闪蒸装置（ＭＳＦ）

ｄ多级闪蒸海水淡化装置在天津大港电厂调试成功。

３．１

多级闪蒸装置原理

４

ＳＷＲＯ海水淡化装置

多级闪蒸海水淡化装置（ＭＳＦ）的加热器外置，

与多效蒸馏（ＭＥＤ）、压汽蒸馏（ＶＣ）和多级闪

由蒸汽在压力条件下加热海水到预定温度。热海水蒸（ＭＳＦ）相比，ＳＷＲＯ制水技术起步较晚，从１９６９逐级流入真空递增的闪发室内，由于海水温度高于年开始进入市场后，就显出其投资省、能耗低、建造闪蒸室内温度，海水吸收自身显热而部分沸腾蒸发，周期短等优点，而得到迅速发展。马尔他岛全岛用直至其余海水温度降到对应于闪蒸室压力的饱和温水的６０％是由ＳＷＲＯ海水淡化装置提供。杜邦公度为止。图６所示装置系统图是在北京东郊热电厂司（Ｄｕｐｏｎｔ）与地中海塞浦路斯和西班牙分别签合试验成功的日产水量５０ｍ３／ｄ，热回收段三级，放热同建造２００００ｍ３／ｄ和５６４００ｍ３／ｄＳｗＲＯ淡化装段一级的再循环闪蒸装置。

置。市场占有率呈直线上升趋势。

这种蒸馏装置的特点是海水沸腾蒸发是在无换４．１

我国ＳＷＲＯ现状

热面的特定空间（闪蒸室）中进行，所以庞大主体（各我国ＳＷＲＯ技术的研究和开发在１９６６年开

级闪蒸室）几乎不结垢，只有外置加热器会结垢，这始，１９７３年中科院大连化学物理研究所开始对芳香样，相对其它蒸馏装置（如ＭＥＤ，ＶＣ）而言，该装置聚酰胺膜材料和中空纤维ＲＯ膜技术的研究。１９８５运行较为安全可靠。因此上世纪五十年代开始进入

年我国从美国引进了三套大型ＲＯ制水设备分别安

图６四级闪蒸淡化装置系统图

６．蒸馏水冷却器７．电热器８．蒸汽加热管组９．分离器

Ｖ０１－２３Ｎｏ．３２００４

净水技术

装在天津大港电厂、上海宝钢电厂（用于锅炉补充水）和无锡江南无线电器材厂（用于制作超纯水）。直至１９９８年舟山嵊山岛建成５００ｍ３／ｄＳＷＲＯ淡化装置，水回收率３５％，所用能量回收设备是利用ＳＷＲＯ浓盐水压力使进水压力提升３０％，耗电＜５．５ｋＷｈ／ｍ３。１９９９年大连长海县长山岛１０００ｍ３／ｄＳｗＲＯ淡化装置投产制水，水回收率＞３８％，该装置选用水力透平结构的回收设备，可回收浓盐水能

量的５０％，耗能３．６ｋＷ．ｈ／ｍ３，制水成本６元／ｍ３。其问，上世纪八十年代末我国北方膜技术工业有限公司和无锡海洋膜工程有限公司引进美国卷式膜生产流水线，对国内ＲＯ制水工程起到一定积极作用。在上世纪九十年代为舰船研制了ＳＷＲＯ系列海水淡化装置，其成品水质＜５００ｍｇ／Ｌ，可供船员直接饮用，其系统见图７。

浓水排…舷外

图７

ＳＷＲ０海水淡化装置系统图

为驻岛海军设计的小型ＳＷＲ０制水工程，其产水量为５０ｍ３／ｄ。为保证该制水系统能长时间可靠运行，并使保养、维护工作简化，在设计上除强化前处理工艺外，对反渗透膜的排列方式进行了优化设计，通过多方案的比较，最后选择如图８所示的排列方式。图８为５０ｍ３／ｄＳＷＲＯ海水淡化装置的物料平衡图。

１．研制新的膜元件

首先应研制性能更好的ＳｗＲＯ膜元件，努力提高透过水量和脱盐率，降低操作压力，从而减少高压泵的能耗。

２．优化设计

应提高ＳＷＲＯ淡化装置的回收率，设计应考虑如何合理排列膜组件组合形式，合理增加膜组的段数，但段数增加同时使难溶盐的组分增加，当难溶盐的组分增加到超过溶度积而使ＳＷＲＯ膜面上结垢，还会使末段膜组件里的浓盐水流速过低，而易发生浓差极化，引起结垢。这可从改善前处理工艺流程，投加阻垢剂使难溶盐成份的溶度积增大来解决。

３．强化前处理工艺

图８

５０ｍ３／ｄＳＷＲＯ海水淡化装置物料平衡图

近年来，用纳滤（ＮＦ）作为ＳＷＲＯ装置的前处理工艺流程中一个单元，海水通过（ＮＦ）处理后，可除去将近８０％的硬度，ＴＤＳ下降４０％，并对有机污染物有很好的截留性能，大大提高进膜水质，从而整个装置水回收率可达到６０％，而不会降低膜元件使用性能，并减少浓盐水的排泄量。

４．回收能量

ＳＷＲＯ海水膜组件的操作压力一般为６．０ＭＰａ，海水通过ＳＷＲＯ海水淡化装置产生大量高压浓盐水，通过减压阀泄压排放，高压能量白白浪费。

４．２

ＳＷＲＯ发展前景

现有的几种海水淡化装置中，ＳＷＲＯ淡化装置

的总能耗最低，如加勒比Ａｎｔｉｇｕｅ的ＳＷＲ０淡化能耗达到３．７ｋＷｈ／ｍ３，我国台湾澎湖县２０００ｍ３／ｄ淡化装置的能耗也只有３．９ｋＷｈ／ｍ３。但比起传统城市饮用水的价格还是很高，ＳＷＲＯ淡化装置的能耗受到海水含盐量、操作压力、水回收率和能量回收设备等因素的影响。拟从以下几方面着手考虑，降低能耗，以降低制水成本。

２８

海水淡化技术的现状和发展

现在ＳＷＲＯ海水淡化装置中增加一个高压浓盐水回收装置，把高压浓盐水的压力利用起来。在市场上已经销售的水力回收透平，是将高压浓盐水注入水力回收透平，水力回收透平可直接与高压进料泵轴相连，也可与感应电机／电动机连接，产生的电流回流到电网中，这种回收装置的效率较低一般为３０％。上世纪九十年代ＥＮＥＲＧＹＲＥＣＯＶＥＲＹ公司生产的ＰｒｅｓｓｕｒｅＥｘｃｈａｎｇｅｒ产品进入市场，这种压力交换器的特点是旋转部件与高压流体直接接触，使其成为目前回收效率最高、工况适应性好的能量回收设备。据报导其转换效率达９０％，有力地降低了ＳＷＲＯ海水淡化装置的能耗，已经做到能耗只有３．９ｋＷｈ／ｍ３（我国台湾澎湖县由ＡＣＥＷａｔｅｒ

ＴｒｅａｔｍｏｎｔＣｏ制造的２０００ｍ３／ｄＳＷＲＯ海水淡化

装置）。

５．综合利用

将制水、制盐和提炼海水化工产品相结合，图９为海水综合利用示意图。

图９

ＳＷＲＯ海水淡化装置的高压浓盐水综合利用示蒽图

采用加ＮＦ前处理工艺流程，ＳＷＲＯ海水淡化装置水回收率达到６０％，甚至更高，原海水含盐量３．５％，经ＳＷＲＯ海水淡化装置后将海水浓缩到８．８％，浓盐水含盐量是海水２．５倍。从中提炼相同数量的钠盐、钾盐、镁盐和溴素等海洋化工产品所需处理的浓盐水量不到常规海水量的一半，显然提高了这些离子和元素的提取效率，即增加了提取价值。５太阳能蒸馏器

太阳能是一种能长期提供的自然能源。太阳能蒸馏器可分为直接法和间接法。

直接法是集热器将太阳光照直接加热海水，蒸发制取淡水。主要有顶棚式和倾斜式两种。５．１顶棚式太阳能蒸馏器（图１０）

在上世纪六十年代中科院广州能源研究所为南海岐州岛和西沙岛开发了两台顶棚式太阳能蒸馏器，其产量１ｍ３／ｄ和０．２ｍ３／ｄ，１９８２年该所又在浙江嵊泗岛安置一台性能较好的太阳能蒸馏器，产水量０．３ｍ３／ｄ。此种蒸馏器总的来讲性能较差，通常日照量１４５～２９０Ｗ／ｍ２（３００～６００ｋｃａｌ／ｍ２・ｄ）产水量约２～４ｋｇ／ｍ２・ｄ。

“Ｌ

淡水…ＬＩ

图１０顶棚式太阳能蒸馏器

５．２倾斜式太阳能蒸馏器（图１１）

该蒸馏器是将盛水盘由水平改成倾斜式，使海水沿着斜面流动，可提高集水效率并促进蒸发，采用倾斜式蒸馏器产水量可提高２０％～３０％。江苏东台水利土壤研究所对倾斜式太阳能蒸馏器做对比试验研究，实测得到同样夏季日照条件下波纹倾斜式太阳能蒸馏器（面积０．７８ｍ２）日产水量３３９５ｍＬ／ｍ２

・ｄ，顶棚式（面积０．７６ｍ２）只达到２９８１ｍＬ／ｍ卜ｄ。

图１１

波纹斜式太阳能蒸馏器

５．３间接法太阳能淡化装置

一般用太阳能电池将光能转换成电能，供给只需电能的海水淡化装置用，如：ＥＤ、ＲＯ。５．４多效太阳能蒸馏装置

顶棚式和倾斜式太阳能蒸馏器产生的蒸汽冷却成凝结水，其蒸汽潜热散失到外界空气中。多效太阳能蒸馏装置利用了这种潜热，它将蒸汽导入到下一效蒸馏器加热海水，同时蒸汽冷凝成蒸馏水。国外学者研究指出，多效太阳能蒸馏器的最佳方案是将太阳能锅炉蒸馏器和冷凝器相结合，能产出６０。Ｃ蒸汽，当产生蒸汽温度提高到８８℃时，单位面积产水量可达１５ｌｋｇ／ｍ２・ｄ，是单一太阳能蒸馏器的６０倍。例如阿布扎比和日本新能源研究所共同开发的项目，利用水平管薄膜多效塔式蒸馏概念，设计总量１２０ｍ３／ｄ，太阳能收集器面积１８６２ｍ２，多效塔式蒸馏器所需热量由一排真空玻璃管太阳能收集器提供。我国河北省开发成功立式八效太阳能海水淡化装置，也通过真空玻璃管太阳能收集器提供热量，加热海水，使其沸腾、蒸发为淡水，海水流量５６０ｋｇ／ｈ，造水比为５。

（下转第４０页）

４０

一种高效固液分离设备

排泥浓度：５％～８％，《１％

出水悬浮物：ＳＳ＜５ｍｇ／Ｌ，最大：ｌＯｍｇ／Ｌ纤维层厚度：２００～４００ｍｍ

密度：２００～

２０％）悬浮物浓度变化很大。ＳＳ从４００ｍｇ／Ｌ最大变化至３０００ｍｇ／Ｌ，无论进水悬浮物如何变化，出水悬浮物ＳＳ＜５ｍｇ／Ｌ，水头损失也没有突然升高，只是排泥周期缩短了，这说明本设备的设计思路是符合废水的固液分离规律的。４高效固液分离设备的中试参数

中试进行了３个多月，限于生产现场的条件和试验检测手段，试验工作可能还不尽充分，现将中试的一些主要特征参数总结如下：

２１

３００ｋｇ／ｍ３（过滤状态），１００～１５０ｋｇ／ｍ３（反洗状态）

滤布：材质为尼龙，孔径：２００～４００目

参考文献

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水头损失：０．２～２．０ｍ，最大：２．５ｍ水力停留时间：（ＨＲＴ）３０ｍｉｎ滤料反洗周期：＞１２ｈ

作者简介：余承烈，山西铝厂高级工程师，从事水处理技术研究及管理。

收稿日期：２００３—７—２５

（上接第２８页）

海水资源对解决淡水紧缺的重要性，认真研究水的规划，把海水淡化及开发利用列入水资源计划，积极推动产业界的介入，并在满足国内市场的同时，参与国际市场竞争，尽快形成我国海水淡化产业，以满足人们生产和生活的用水需要。

参考文献

１

６评述和对策

以柴油机为动力的舰船，比较适宜采用高真空低温沸腾的蒸馏式海水淡化装置，这主要是可利用柴油机缸套冷却水的废热（６５℃～８０℃），并且维护保养简单。

多级闪蒸技术和低温多效蒸馏技术与大型发电厂进行水电联合生产时有相当的市场前景，能产生ＴＤＳ＜３ｍｇ／Ｌ的优质淡水（ＲＯ两级脱盐工艺还达不到），既可提供锅炉补充水，又能充分利用发电厂运行过程中产生的大量废热。

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７

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需首要考虑的问题，与其它产业综合优化利用能源

是降低成本的一个重要途径。我国科学家日前提出的利用核燃料作为热源的海水淡化技术是降低淡化成本走向大型化的一个趋势，目前世界上已有１１个核电站安装了海水淡化装置。二是海水淡化研究与产业结合不够紧密，缺少有力度的科技投入。为尽快实现海水淡化产业化，应充分认识到利用和淡化

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收稿日期：２００３—８—２５

第一作者简介：艾钢，男，１９７０年６月出生，热能动力专业，高级工程师，在读上海交通大学工程硕士，七一一研究所柴油机装置中心室主任。

海水淡化技术的现状和发展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

艾钢， 吴建平， 朱忠信

上海七一一研究所,上海,200090净水技术

WATER PURIFICATION TECHNOLOGY2004,23(3)16次

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引证文献(16条)

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5.李春秀.唐娜.沙作良.王学魁.杨立斌 海水淡化浓盐水太阳能加热性能研究[期刊论文]-环境科学与技术 2010(9)6.陈明玉.袁建军 膜蒸馏海水淡化研究进展及发展趋势[期刊论文]-天津化工 2007(3)

7.王世明.刘银 海水淡化工艺装备研发现状[期刊论文]-净水技术 2013(4)

8.苑祥伟.于军亭.张克峰.李梅 青岛市海水利用的现状分析与对策措施[期刊论文]-净水技术 2011(6)9.肖建群 沿海电厂海水淡化处理工艺方案的探讨[期刊论文]-重庆电力高等专科学校学报 2009(2)

10.朱丽.王俊红.王一平.杨智勇.方振雷 结合水力发电利用太阳能烟囱技术强化海水淡化初探[期刊论文]-天津大学学报 2006(5)

11.王默晗.曹志军.王孚懋.田瑞 多效蒸馏海水淡化技术的发展及应用[期刊论文]-化工进展 2006(z1)12.梁承红.邢红宏.李荫.金靓婕 反渗透海水淡化技术在舰船上的应用[期刊论文]-化学工程与装备 2011(10)13.周振觉.何海丰.杨升.应军辉.胡海燕.高鹏.邓一兵 舟山地区海水淡化技术应用状况[期刊论文]-水处理技术2010(2)

14.梁承红.姜宏.邢红宏 反渗透海水淡化技术的发展与应用[期刊论文]-海军航空工程学院学报 2007(4)15.范迪.王娟.迟宏 海水资源开发及综合利用浅析[期刊论文]-海洋科学 2008(3)16.彭彦龙.吴松海.贾绍义 海水淡化技术的发展[期刊论文]-天津化工 2006(3)

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