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萊特萊德整理總結海水淡化方法

2012-10-15

  現代意義上的海水淡化則是在第二次世界大戰以后才發展起來的。戰后由于國際資本大力開發中東地區石油,使這一地區經濟迅速發展,人口快速增加,這個原本干旱的地區對淡水資源的需求與日俱增。而中東地區獨特的地理位置和氣候條件,加之其豐富的能源資源,又使得海水淡化成為該地區解決淡水資源短缺問題的現實選擇,并對海水淡化裝置提出了大型化的要求。在這樣的背景下,20世紀60年代初,多級閃蒸海水淡化技術應運而生,F代海水淡化產業也由此步入了快速發展的時代。

  海水淡化技術的大規模應用始于干旱的中東地區,但并不局限于該地區。由于世界上70%以上的人口都居住在離海洋120公里以內的區域,因而海水淡化技術近20多年迅速在中東以外的許多國家和地區得到應用。最新資料表明,到2003年止,世界上已建成和已簽約建設的海水和苦咸水淡化廠,其生產能力達到日產淡水3600萬噸。目前海水淡化已遍及全世界125個國家和地區,淡化水大約養活世界5%的人口。海水淡化,事實上已經成為世界許多國家解決缺水問題,普遍采用的一種戰略選擇,其有效性和可靠性已經得到越來越廣泛的認同。萊特萊德技術人員經查找相關資料,報道整理總結海水淡化方法:

  蒸餾法

  蒸餾法雖然是一種古老的方法,但由于技術不斷地改進與發展,該法至今仍占統治地位。蒸餾淡化過程的實質就是水蒸氣的形成過程,其原旦如同海水受熱蒸發形成云,云在一定條件下遇冷形成雨,而雨是不帶的咸味的。根據設備蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法、多級閃急蒸餾法等。

  冷凍法

  冷凍法,即冷凍海水使之結冰,在液態淡水變成固態冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端,其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產生大量的鍋垢,而所得到的淡水卻并不多;而冷凍法同樣要消耗許多能源,但得到的淡水味道卻不佳,難以使用。

  反滲透法

  通常又稱超過濾法,是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜,將海水與淡水分隔開的。在通常情況下,淡水通過半透膜擴散到海水一側,從而使海水一側的液面逐升高,直至一定的高度才停止,這個過程為滲透。此時,海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大于海水滲透壓的外壓,那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2,蒸餾法的1/40。因此,從1974年起,美日等發達國家先后把發展重轉向反滲透法。

  反滲透海水淡化技術發展很快,工程造價和運行成本持續降低,主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力,提高反滲透系統回收率,廉價高效預處理技術,增強系統抗污染能力等。

  太陽能法

  人類早期利用太陽能進行海水淡化,主要是利用太陽能進行蒸餾,所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。餾系統被動式太陽能蒸餾系統的例子就是盤式太陽能蒸餾器,人們對它的應用有了近150年的歷史。由于它結構簡單、取材方便,至今仍被廣泛采用。目前對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中于材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統動力源和熱源相比,太陽能具有安全、環保等優點,將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由于不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。

  低溫多效

  多效蒸發是讓加熱后的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發,前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源,并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。低溫多效蒸餾技術由于節能的因素,近年發展迅速,裝置的規模日益擴大,成本日益降低,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,采用廉價材料降低工程造價,提高操作溫度,提高傳熱效率等。

  多級閃蒸

  所謂閃蒸,是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下,部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水,依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發,將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產量最大,技術最成熟,運行安全性高彈性大,主要與火電站聯合建設,適合于大型和超大型淡化裝置,主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,降低單位電力消耗,提高傳熱效率等。

  電滲析法

  該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片,按其選擇透過性區分為正離子交換膜(陽膜)與負離子交換膜(陰膜)。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列,組成多個相互獨立的隔室海水被淡化,而相鄰隔室海水濃縮,淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水,也可以作為水質處理的手段,為污水再利用作出貢獻。此外,這種方法也越來越多地應用于化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

  壓汽蒸餾

  壓汽蒸餾海水淡化技術,是海水預熱后,進入蒸發器并在蒸發器內部分蒸發。所產生的二次蒸汽經壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發器的加熱側。蒸汽冷凝后作為產品水引出,如此實現熱能的循環利用。

  流通電容吸附法

  露點蒸發法

  露點蒸發淡化技術是一種新的苦咸水和海水淡化方法。它基于載氣增濕和去濕的原理,同時回收冷凝去濕的熱量,傳熱效率受混合氣側的傳熱控制。

  水電聯產

  水電聯產主要是指海水淡化水和電力聯產聯供。由于海水淡化成本在很大程度上取決于消耗電力和蒸汽的成本,水電聯產可以利用電廠的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動力,從而實現能源高效利用和降低海水淡化成本。國外大部分海水淡化廠都是和發電廠建在一起的,這是當前大型海水淡化工程的主要建設模式。

  熱膜聯產

  熱膜聯產主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯合的方式(即MED-RO或MSF-RO方式),滿足不同用水需求,降低海水淡化成本。目前,世界上最大的熱膜聯產海水淡化廠是阿聯酋富查伊拉海水淡化廠,日產海水淡化水量為45.4萬立方米,其中,MSF日產水28.4萬立方米,RO日產水17萬立方米。其優點是:投資成本低,可共用海水取水口。RO和MED/MSF裝置淡化產品水可以按一定比例混合滿足各種各樣的需求。

  此外,以上方法的其他組合也日益受到重視。在實際選用中,究竟哪種方法最好,也不是絕對的,要根據規模大小、能源費用、海水水質、氣候條件以及技術與安全性等實際條件而定。

  實際上,一個大型的海水淡化項目往往是一個非常復雜的系統工程。就主要工藝過程來說,包括海水預處理、淡化(脫鹽)、淡化水后處理等。其中預處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理,如殺除海生物,降低濁度、除掉懸浮物(對反滲透法),或脫氣(對蒸餾法),添加必要的藥劑等;脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分,是整個淡化系統的核心部分,

  這一過程除要求高效脫鹽外,往往需要解決設備的防腐與防垢問題,有些工藝中還要求有相應的能量回收措施;后處理則是對不同淡化方法的產品水針對不同的用戶要求所進行的水質調控和貯運等處理。海水淡化過程無論采用哪種淡化方法,都存在著能量的優化利用與回收,設備防垢和防腐,以及濃鹽水的正確排放等問題。

  海水淡化技術的發展與工業應用,已有半個世紀的歷史,在此期間形成了以多級閃蒸、反滲透和多效蒸發為主要代表的工業技術。專家普遍認為,今后三、四十年在工業應用上,仍將是這三項技術"唱主角",但反滲透的比重將越來越大。從地區上來講,中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選,因為它具有大型化和超大型化(單臺設備產水量目前已高達日產淡水4~5萬噸)、適應于污染重的海灣水以及預處理費用低的優勢;然而在中東以外地區將以反滲透或膜法為首選,因為膜法的能耗和成本都具有優勢,以北美地區為例,近期的發展已經表明,在淡化和水處理方面都將以膜法為主。

  海水淡化發展趨勢

  近年來世界上海水淡化正向高效化、低能化和規;哪繕税l展,反滲透(SWRO)、多級閃蒸(MSF)和多效蒸發(MED)更成為適用于大型海水淡化技術的主流。

  MSF近年主要進展在:單機容量進一步擴大,系統設計最佳化、管理軟件化、操作自動化;采用聚羧酸酯等新型防垢、抑垢和分散劑,可提升運行溫度;開發新興高級奧氏不銹鋼代替鎳基合金,提高運行可靠性、穩定性;工藝改進,有利降低能耗使目前總體水平處于10-14kwh/m淡水狀態。

  MED方法的主要進展在低溫多效操作技術的開發,以減少結垢、腐蝕,降低成本,通常能夠在6.0-8.0kwh/m3。

  SWRD技術從膜、組件和工藝已日趨成熟,近年來重大進展在于功能交換器和壓力交換器的成功開發,可使能量回收高達90%以上,從而使其能耗降至3.8~4.3kwh/m3淡水。

  近年國際海水淡化項目招標中,總以工程投資最低、造水能耗最低、運行成本最低,以及建設周期最短和占地面積最少等優勢為基本條件和要求。

  總之,海水淡化既是水資源開發的重要途徑,而且夢已成真、可望可即?梢钥隙,隨著陸用水資源的日漸枯竭,海洋必將成為海水淡化技術大有用武的主戰場。

  海水淡化潛在市場

  海水淡化的潛在大市場 海水淡化業市場主要包括有工程設計、設備制造、工程安裝、淡化水產品提供、技術服務等等。

  從國際市場方面來看,20世紀70年代以來,大多數沿海國家由于水資源問題日益突出,都直接卷入了海水淡化的發展潮流。無論是中東的產油國還是西方的發達國家,都建設有相當規模的海水淡化廠或海水淡化示范裝置,北歐、南美和東亞地區每年海水淡化設備進口和工程安裝市場有近100億美元,且仍在高幅增長之中,南亞、中亞和非洲也有眾多的海水淡化潛在用戶。海水淡化的國際市場規模巨大。

  從國內市場方面來看,針對我國的國情,海水淡化可定位于市政用水的補充,以緩解供水緊張狀況,同時也可用于廢水資源化,達到廢水回用的目的。我國是一個海洋大國,海水資源極其豐富,西部地區則有相對豐富的苦咸水資源,這為我國發展海水淡化產業提供了前提和基礎。另一方面,我國淡水資源的緊缺已眾所周知,每年全國缺水數百億立方米,因缺水影響的國民產值達數千億元?梢姽こ淘O計、設備制造、淡水提供、技術服務等海水淡化產業具有廣闊的國內市場空間。

  針對海水淡化設備制造市場而言,目前我國已基本具備了海水淡化設備的加工制造能力,質量保證體系也可以滿足要求,其設備制造成本比國外至少低30%左右,在國際市場上具有很強的價格競爭能力。

  我國海水綜合利用現狀

  我國海水淡化技術研究始于1958年,起步時采用的是電滲析技術,以后逐步過渡到反滲透技術和蒸餾技術。1981年,我國在西沙群島建成第一個日產200m3的電滲析海水淡化站,之后,在浙江嵊泗縣、山東長島縣和大連常?h相繼建立了千噸級的海水淡化工程。在科技部、國家計委等有關部委及地方政府的支持下,我國的海水資源開發利用技術在"八五""九五"期間,發展很快,在一些關鍵技術領域已取得了重大突破。我國已全面掌握國際上已經商業化的蒸餾法和反滲透(膜)法等海水淡化主流技術。"十五"期間已經進入工程示范階段。目前在遼寧、山東、浙江、河北、甘肅等地已建、在建規模在500~18000m3/d海水和苦咸水淡化示范工程已達到12項。全國包括引進系統在內的反滲透海水、苦咸水(半海水)淡化產量估計日產達35000m3以上。隨著技術的進步、新材料的應用,不僅使產量提高,而且淡化成本也在大幅度降低。海水淡化的成本已從20世紀90年代的7元/m3左右降至目前的5元/m3左右。

  在海水直接利用方面,我國青島、大連、天津、上海、寧波、廈門、深圳等沿海城市的近百家單位均有利用海水作為工業冷卻用水的實踐。我國海水直流冷卻已有近70年的應用歷史,更先進的循環冷卻技術在我國業已取得成效,已具備了示范條件。利用海水作為大生活用水(海水沖廁)代替城市生活用淡水,是節約水資源的一項重要措施。由于大生活用海水技術的逐步完善,我國沿海的部分城市已經將它應用于實際生活當中。有關資料顯示:利用海水沖廁已經成為香港城市供水的一大特色,它有效地節約了淡水資源,1998年香港的海水平均日用水量達55萬多m3,海水年用水量已達2億多m3,占香港總用水量的18%左右,節約了同等數量的飲用水。在天津塘沽的外灘公園也已經在應用海水沖廁技術。我國已擁有該項技術中的關鍵技術如:海水凈化技術、防生物附著技術、大生活用海水后處理技術和大生活用海水的集成技術等。另外在此項技術發面我國也已有了技術創新如:高鹽度污水處理、耐鹽耐污微生物的馴化培養、耐鹽耐污藻類的培養、新型高效海水用絮凝劑和混凝劑等。大生活用海水是解決我國沿海城市和地區淡水資源緊缺問題的有效途徑之一。

  此外,海水制鹽作為我國傳統的海水化學資源綜合利用產業,海鹽產量已達到1800萬噸,是世界海鹽第一生產大國。

  中國海水淡化產業的發展方向

  專家指出,中國的海水淡化產業應從三個方向入手:

  其一,膜技術是未來海水淡化發展的趨勢。目前我國膜技術發展滯后,大多數采取反滲透技術的海水淡化廠需要從國外大量進口膜,國家有關部門應加大投資力度,加快研發解決膜生產技術問題,讓膜技術的推廣擺脫進口束縛。

  其二,做大本土海水淡化設備制造業。我國在海水淡化的技術上已經沒有太大的難題,但生產設備的廠家規模太小,無法適應國家計劃要求的進度。另外,未來20年僅海水淡化的國際市場就將有近700億美元的商機,需求潛力巨大,我國企業不能只盯著國內市場,還要考慮國際市場的需求,爭取打入國外海水淡化市場。

  其三,降低能耗是海水淡化無法回避的問題。據了解,日產幾十萬噸淡化水的大型工廠要耗費大量電力。降低能耗是海水淡化低成本的關鍵因素之一,但在專家尋找到適合于大規模海水淡化的經濟能源之前,大批量上馬淡化項目可能會陷入能源緊缺的被動局面。

 

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