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萊特萊德海水淡化技術評述與成本分析

2012-10-19

  據聯合國的調查數據,“在中國,有10個省、市、自治區的人均水資源擁有量不足1000m3”。我國沿海地區雖然只有國土面積的13%,但卻居住著全國40%的人口,提供60%以上的國民生產總值。這一地區由于人口稠密,經濟發達,水資源供需矛盾尤為突出。為此,萊特萊德技術人員整理總結海水淡化技術評述和成本分析,充分發揮這些地區瀕臨海洋的優勢,走海水淡化之路才是解決缺水問題的一條重要途徑。

  1、我國海水淡化發展概況

  我國的海水淡化技術研究始于1958年,起步技術為電滲析,1965年開始反滲透技術的研究,1975年開始研究大中型蒸餾技術,1981年建成200t/d的電滲析海水淡化裝置,1986年建成6000t/d的電廠多級閃蒸海水淡化裝置,1994年1000t/d海水反滲透淡化工程投產,1997年調試成功1200t/d多級閃蒸海水淡化裝置,1997年500t/d反滲透海水淡化裝置投入運行,2000年10月1000t/d反滲透海水淡化示范工程建成投產,2000年底1.8萬t/d高濃度苦咸水淡化工程投產,2001年反滲透海水淡化裝置投產,2002年從美國引進多級閃蒸海水淡化裝置投產。

  2、技術評述

  海水淡化方法按分離過程可分為蒸餾法、膜法、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。其中蒸餾法又有多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(ME)和壓汽蒸餾(VC)之分,膜法海水淡化技術則包含了反滲透法(RO)和電滲析法(ED),結晶法則由冷凍法和水合物法構成。雖然淡化方法有許多種,但多年的實踐表明,真正實用的海水淡化只有MSF、ME、VC、ED和RO等方法

  我國海水淡化采用臺數最多的是電滲析技術,其次是反滲透技術。我國電滲析海水淡化技術已經接近世界先進水平,能夠國產化;反滲透技術還不過關,性能優異的關鍵部件還需要外購。我國在多級閃蒸和低溫多效海水淡化方面還處于開發研究階段,不具備獨立的技術和設備制造能力

  海水淡化(又稱海水脫鹽)是分離海水中鹽和水的過程。從海水中取出水,或除去海水中的鹽,都可以達到淡化目的。海水淡化的方法,,基本上也分為這兩大類。

  

海水淡化.jpg

 

  2.1 反滲透技術

  反滲透(RO)技術屬于一種膜分離技術,工作原理如圖所示。

  

反滲透法.jpg

 

  利用選擇性半透膜裝置,當連通器鹽水側對液體壓力P大于滲透壓H時,鹽水中的水分子將通過半透膜進入淡水側而溶質仍被半透膜隔離于鹽水側,致使鹽水濃度加大,這個過程與自然界正常滲透過程相反,稱為反滲透。為使反滲透裝置正常運行,鹽水側壓力必須高于滲透壓H,一般在4~7MPa范圍內。

  反滲透裝置投資省、能耗低、建設周期短、易于自動控制,適用于海水、苦咸水大中型規模的淡化工程,裝置體積小,設備及操作簡單,且在常溫下操作,設備的腐蝕和結垢程度較輕。存在的問題是膜的壽命和抗污染,反滲透膜、高壓泵、能量回收裝置需進口,進口膜使用3~5年后更換率為5%。

  2.2 蒸餾法

  蒸餾法主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)和壓汽蒸餾(VC),工作原理如下圖所示。

  

蒸餾法.jpg

 

  三級蒸餾淡化原理含鹽水進入第一級蒸發器后被來自熱源的蒸汽(一級蒸汽)加熱汽化,汽化產生的二次蒸汽被引入第二級蒸發器,加熱來自第一級蒸發器的濃縮鹽水,同時又被冷凝成蒸餾水。第二級與第三級蒸發器之間的汽、水流程與上段情況相似,如此類推。當海水表面壓力低于1.013×105Pa時,海水不到100℃就沸騰了,壓力越低,沸點越低,這樣海水便會急劇蒸發,并凝結產生淡水。為了依次降低各級蒸發器中含鹽水的沸點,系統中應用真空泵由后向前依次在各級蒸發器中形成真空,其真空度也依次減小。這樣才能用前一級蒸發器的二次蒸汽加熱后一級蒸發器中的濃鹽水,同時用后一級蒸發器中的濃鹽水冷凝來自前一級蒸發器的蒸汽

  蒸餾法的優點是工藝簡單易于實現,并不受水中含鹽量的限制,適用于余廢熱可利用的項目,設備容量大,所產淡水水質純度較高,產品水含鹽量為2~10mg/L,裝置進水可不經預處理直接由海水提供。故該裝置多用于沿海的火力發電廠、核電站。其缺點是能耗多、設備費用高,存在設備、管路結垢與腐蝕問題。

  2.3 電滲析法

  電滲析(ED)是膜分離技術的一種,是電解和滲析擴散過程的組合,其工藝原理如圖所示。

  

電滲析法.jpg

 

  雙膜電滲析槽原理利用離子交換膜的選擇透過性,即陽膜理論上只允許陽離子通過,陰膜理論上只允許陰離子通過在外加直流電場作用下,陰、陽離子分別往陽極和陰極移動,它們最終會于交換膜,如果膜的固定電荷與離子的電荷相反,則離子可以通過,如果它們是相同的,則離子被排斥,從而可以制得淡水

  電滲析適用于含鹽量小于20 g/L的苦咸水的淡化,由于其耗能很大,大型海水淡化裝置基本上不采用電滲析法。此外,電滲析只能除去水中的鹽分,而對水中有機物不能除去,某些高價離子和有機物還會污染膜。電滲析運行過程中易發生濃度極差化而產生結垢,這些都是電滲析技術較難掌握而又必須重視的問題。

  2.4真空冷凍法

  真空冷凍-汽相冷凝海水淡化新技術是依據海水的三相點理論,使海水同時蒸發與結冰的一種低能耗、輕腐蝕結垢的海水淡化方法。其工藝原理如圖所示。

  

真空冷凍法.JPG

 

  水和海水的三相圖海水三相點是使海水汽、液、固三相共存并達到平衡的一個特殊點。若壓力或溫度偏離該三相點,平衡被破壞,三相會自動趨于一相或兩相。真空冷凍法海水淡化正是利用海水的三相點原理,以水自身為制冷劑,使海水同時蒸發與結冰,冰晶再經分離、洗滌而得到淡化水的一種低成本的淡化方法,與蒸餾法、膜法相比,能耗低,腐蝕、結垢輕,預處理簡單,設備投資小,并可處理高含鹽量的海水,是一種較理想的海水淡化方法

  3成本分析海水淡化的成本是人們最關心的問題,鑒于自來水價格很低,因此海水淡化成本就不能太高。淡化水的成本是個復雜的問題,它不僅與淡化方法有關,而且與工藝設計、選材、給水和淡化的水質、比能耗、地理、當地能源價格、投資來源、管理體制有密切關系。

  3.1 海水淡化的投資費用

  海水淡化工程的投資是比較大的,這是妨礙海水淡化技術推廣應用的主要因素之一。我國幾個海水淡化廠的投資及成本構成見圖。

  

我國幾個海水淡化廠投資及成本構成.jpg

 

  由圖1可知,經幾十年的不斷發展特別是反滲透技術的出現,使海水淡化工程投資有了明顯的下降。

  3.2 海水淡化的能耗降

  低海水淡化的總能耗,從而降低淡化水的成本,一直是人們追求的目標。經幾十年來研究和開發,海水淡化的比能耗已有了明顯的下降(下表)。

  

海水淡化能耗下降對比.jpg

 

  3.3 海水淡化的成本

  海水淡化的成本主要由投資和運行管理費等組成。它們不僅受許多因素影響,而且投資費和運行費之間也互相影響。

  由表1可知,我國近年來海水淡化的成本,主要是反滲透技術的成本下降近一半,其原因是:(1)淡化廠的管理模式,由官辦改為民營。(2)淡化工程的公開招標。(3)市場的激烈競爭,特別是膜組件制造公司不僅紛紛降價,而且積極介入大型海水淡化工程投標活動。

  4海水淡化發展趨勢和方向

  4.1反滲透海水淡化的發展趨勢

  (1)提高膜的性能。研制新的反滲透膜,使其透水能量和截留率進一步提高,抗污染性能和抗氧化性能進一步增強,價格更加合理。

  (2)提高配套裝置的性能。淡化主機的能量消耗主要取決于系統的高壓泵和能量回收裝置的效率。因此,開發新型的高壓泵和能量回收裝置,提高其效率和服務年限將有助于降低成本。

  (3)工程技術的優化。在現有技術條件下提高系統的回收率可以降低反滲透淡化的能量消耗,但回收率的提高受反滲透膜性能和預處理水平制約。因此,采用新技術和技術組合優化反滲透的工藝流程將有助于降低設備的投資和運轉費用。

  4.2蒸餾法海水淡化的發展方向

  (1)裝置規模的大型化。蒸餾法海水淡化的裝置容量越大其經濟性就越強。因此,提高裝置容量就成了發展方向。

  (2)新材料、新工藝的采用使裝置性能提高,顯著降低海水淡化裝置的制造費用和提高裝置性能。

  (3)不斷完善工程優化技術。能夠降低造水成本,將是努力的方向之一。

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