海水淡化技术及其应用

海水淡化技术及其应用

Discussion on seawater desalination technology and its application

李长海1，张雅潇2

(1．西北电力建设调试施工研究所，陕西西安710032;

2．西安有色冶金设计研究院，陕西西安710001)

摘要:海水淡化技术是指利用海水脱盐生产淡水的技术过程。目前，海水淡化技术已是解决全球淡水资源危机的重要途径之一。介绍了几种海水淡化方法，对多级闪蒸、低温多效和反渗透三种海水淡化技术的原理、工艺、优缺点及其应用实例行了详细的阐述和比较。

关键词:海水淡化;多级闪蒸;多效蒸发;反渗透

Abstract:Seawater desalination is the technical process of producing freshwater．Seawater desalination has been important approach to resolve the crisis of resource on the global freshwater．The techniques of seawater desalination are described，the theory，craft and use instances of multi－stage flash，multi－effect evaporation and reverse osmosis are introduced and compared．

Key words:seawater desalination;multi－stage flash;multi－effect;evaporation;reverse osmosis

中图分类号:X703．1文献标识码:B文章编号:1674－8069(2011)01－048－04

0引言

水是基础性自然资源和战略性经济资源，是社会发展的命脉。随着社会经济的高速发展和人口的急剧增加，淡水资源越来越稀缺。目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水状态中。据预测，到2025年，全世界三分之二的人口将生活在缺水状态中。全球水的总储量为13．86亿km3，其中海水占96．5%，因此，进行海水(苦咸水)淡化就成为解决淡水紧缺问题的一条重要途径。

1海水淡化方法

海水淡化又称海水脱盐，是从海水中获取淡水的技术和过程。从海水中取出淡水或者除去海水中的盐分，都可以达到淡化的目的。根据脱盐过程分类，海水淡化方法主要有热法、膜法和化学方法三大类。热法海水淡化技术主要有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、压汽蒸馏(VC)和冷冻法。膜法海水淡化技术包含了反渗透(RO)和电渗析(ED)，化学方法则由水合物法和离子交换法构成。在众多海水淡化方法中，水合物法所产淡水水质较差，离子交换法制水成本较高，因此化学方法应用受到限制，而冷冻法海水淡化由于冰晶的洗涤和分离较困难，造成装置复杂，运行可靠性不高，因而一直难以被大规模应用。目前，投入商业运行的海水淡化方法主要有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、压汽蒸馏(VC)、反渗透(RO)和电渗析(ED)［1］，世界上采用较多的海水淡化技术方法是多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT－MED)和反渗透(RO)［2］。

1．1多级闪蒸(MSF)

1．1．1多级闪蒸的原理

所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸过程的原理是:将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速的部分气化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础，使热盐水依次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，同时盐水也逐级增浓，直到其温度接近(但高于)天然海水温度［3］。

1．1．2多级闪蒸工艺

多级闪蒸系统主要设备有盐水加热器、多级闪蒸装置热回收段、排热段、水前处理装置、排不凝气装置真空系统、盐水循环泵和进出水泵等。其工艺

流程为:进料海水→排热段闪蒸器→预处理(混凝、消毒、杀藻、软化、除垢)→循环盐水泵→热回收段闪蒸器各级。从排热段闪蒸器出来的一部分海水作为排热水排回大海，一部分海水通过预处理器后与从各级闪蒸器出来的浓盐水在循环盐水泵驱动下在系统内循环［4］。

1．1．3多级闪蒸工艺的优缺点

多级闪蒸技术利用热能和电能，适合于可以利用热源的场合，通常与火力发电厂联合建设与运行。该技术具有工艺成熟，海水结垢倾向小、设备简单可靠、易于大型化、操作弹性大、运行安全性高以及可利用低位热能和废热等优点。目前，多级闪蒸的总装机容量在海水淡化领域仍属第一［5］。主要缺点为设备材料费用较高，最高工作温度可达到110ħ，对材料要求高，腐蚀等问题较严重，除垢工作量大，调试工作量大，各级水位的调整比较麻烦，有泄漏会使成品水受到污染，如水质不满足要求则需要强迫停机处理等。

1．2低温多效蒸馏(LT－MED)

1．2．1低温多效蒸馏的原理

所谓低温是指海水在第一效的最高蒸发温度(盐水顶温)不高于70ħ，这是因为当蒸发温度低于70ħ时，蒸发表面海水中盐类结晶的速率将大大降低，从而可避免或减缓设备结垢的产生。

多效蒸馏是指:在第一效，海水经过蒸发器上部的喷嘴在管束外表面喷淋。盐水从每一排管子向更低一排落下在每根管上形成降膜。加热蒸汽通过管内时，温度略微高一点的蒸汽在管内凝结，而盐水在管外蒸发生成二次蒸汽。前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并凝结成为淡水，依此类推，蒸发和凝结重复进行。在LT－MED过程中，蒸发器按系列式布置，确保热水蒸发侧的压力可成功地维持在低值。在一个蒸发器中凝结蒸汽成倍增加，是多效蒸发过程的标志［6］。

1．2．2低温多效蒸馏的工艺［7］

首先，进料海水在冷凝器中被预热和脱气之后被分成两股物流:一股物流作为冷却水排回大海;另外一股物流变成蒸馏过程的进料液，加入阻垢剂后的料液被引入到蒸发器温度最低的一组中。喷淋系统把料液分布到各蒸发器的顶排管上，在自上而下流动的过程中，部分海水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而汽化。剩余料液用泵打入到蒸发器效的下一组中，该组的操作温度要比上一组高。在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液接着往前打，在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开。

其次，生蒸汽输入到温度最高一效的蒸发管内部。在管内冷凝的同时，在管外产生了基本等量的蒸发。二次蒸汽穿过捕沫装置后，进入下一效传热管内，第二效的操作温度和压力要略低于第一效。这种蒸发和冷凝过程沿着一串蒸发器的各效重复，最后一效的蒸汽在冷凝器内被海水冷却液冷凝。第一效的冷凝液被收集起来，该蒸馏水的一部分又返回到蒸汽发生器中，超过输入的生蒸汽量的部分流入到一系列特殊容器的首个容器中，每一个容器都连接到下一低温效的冷凝侧。这样使一部分蒸馏水产生闪蒸并使剩余的产品水冷却下来，同时，把热量传回蒸发器。

最后，产品水呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，放出的热量提高了系统的总效率。被冷却的蒸馏水最后用产品水泵抽出并输入储罐，生产出的产品水是平均含盐量小于5mg/L的纯水。浓缩海水像蒸馏水一样，从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，闪蒸冷却以回收其热量。经过冷却之后，浓盐水排回大海。不凝性气体从冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。这些不凝性气体最后在冷凝器富集，并用蒸汽喷射器或机械式真空泵抽出。1．2．3低温多效蒸馏工艺的优缺点

低温多效蒸馏海水淡化系统由于具有操作温度低，避免或减缓了设备的腐蚀和结垢;预处理简单;系统操作弹性大;动力消耗小;热效率高;系统操作安全、可靠;可利用电厂低品位的余热而极大的降低了造水成本等优点，因此，已经成为未来第二代海水淡化厂的主流技术［8］。但主要缺点是盐水蒸发温度不能超过70ħ，要进一步提高热效率受到制约，同时蒸汽的比容较大，要求设备的体积也较大，即设备的投入要增加［9］。

1．3反渗透(RO)

1．3．1反渗透的原理

反渗透法是以压力差为推动力的淡化过程，就是在有盐分的水中(如原水)，施以比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到半透膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除去水中盐分的目的。溶质和溶剂在膜中的扩散服从菲克(Fick)定理。物质的渗透能力不仅取决于扩