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《化学工程与工艺专业概论》结课论文

专业班级：化学工程与工艺12-3

姓名: 李广

学号：1101110814

日期：2014年5月1日

海水淡化技术的进展

摘 要: 淡水资源的紧缺已成为一个世界性问题。我国水资源匮乏，海水淡化包括西北地区的苦咸水淡化，将成为解决我国沿海地区和岛屿、华北和西北部分干旱地区等缺水问题的重要手段。海水淡化技术在国外已得到广泛应用，在我国也日趋重视。分析了海水淡化不同技术的原理、特点及其应用情况，指出与热力发电厂余热利用相结合的多效蒸馏法、多级闪蒸法将体现其明显的经济性，而且可在掌握系统技术的基础上，开发相应的成套设备。

关键词：海水淡化、膜技术、低温多效、生产工艺

地球表面 2/3 被水覆盖，地球的水体总量达到14.5 亿立方千米，但海水占其中 97.5%，在余下的 2.5%的淡水中，又有 87%是人类难以利用的两极冰盖、冰川和冰雪，人类实际可利用的淡水仅占全球水总量的 0.32%。随着全球人口的急剧增加和工业化及城市化的迅速发展，人类对全球淡水资源的需求不断增长，同时由于水资源的污染和浪费，使得淡水资源短缺的问题变得更加严重 ［1］。中国是世界上淡水资源最为短缺的国家之一。我国的淡水资源总量为 2.8

3万亿立方米，居世界第6 位，但是人均淡水资源量为 2340m，仅为前苏联的 1/7，美国的 1/5，世界人均的 1/4，联合国已把中国列为 13 个最缺水国家之一。目前中国有 400多个城市缺水，其中 110 多个城市严重缺水，尤其是沿海经济发达地区人均淡水资源量低于 500 m3，低于国际上通行的人均 1000m3的生存底线，大连、天津、青岛、烟台等城市的人均淡水资源量甚至低于 200 m3，处于严重缺水状况［2］。有效解决沿海地区的淡水资源短缺问题，不仅有助于提高这些地区的人民生活水平和加快经济发展，而且对于促进全国的经济发展、加快中华民族伟大复兴的进程都具有十分重要的意义。海水淡化技术及其分类

海水淡化技术也称海水脱盐技术，是分离海水中盐和水的过程。按分离原理和方法，海水淡化技术可分为相变法和非相变法两大类。图 1 列出了海水淡化法的不同分类，其中除溶剂提取法和气体水化物法外，大多数已实际应用。应用最为广泛的是闪蒸法和反渗透法。

1、1 多级闪蒸

多级闪蒸(MSF)是一种在 20 世纪 50 年代发展起来的海水淡化技术，其原理是海水经过预热后，进入闪蒸室，该闪蒸室的压力低于将要进入的盐水所对应的饱和蒸汽压力，盐水进入后即因过热而进行闪蒸。闪蒸出的蒸汽冷凝后即为淡水。由于它安全可靠，因此发展迅速，中东许多产油国所建的海水淡化工厂大多采用多级闪蒸法，并且与发电厂结合。如阿联酋建造了世界上最大的多级闪蒸海水淡化厂，就是与发电厂联合生产。多级闪蒸是蒸馏法中应用最广泛的工艺。它具有工艺成熟，维护量小，对原水预处理要求低和使用寿命长，出水品质好，热效率高的优点。缺点是电耗较大。我国大港电厂进口的两套 125 m3⋅h-1多级闪蒸装置分别于 1991 年和 1992 年投产，到目前为止，运行都比较正常。MSF 技术近年来有所进展，但无重大突破。主要进展有：单机容量进一步扩大，最高每天可达 4.5~5.7 万m3；运行管理方面开发了 DROPS 软件，可协调运行参数，使系统最佳化，并降低运行费用；采用新型聚羧酸酯防垢剂，兼抑垢和分散悬浮物的作用，可使 MSF 在 95~110℃下运行，且用量少，对环境影响小；试用高级奥氏体不锈钢代替镍基合金，以提高运行可靠性，减少停车维修，降低成本。目前 MSF 仍占世界海水淡化产水量的 70%以上，但其能耗仍在 10 kWh⋅m-3淡水以上。

1、2 多效蒸发

多效蒸发海水淡化经历了由浸没管蒸发、竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过程。早期多效蒸发系统的蒸发器为浸没管式，结垢严重，盐水净液柱高，温差损失大，系统传热系数小，已经逐渐被淘汰［3］。后来开始了竖管降膜蒸发淡化海水方面的研究，海水在传热管内为膜状汽化，蒸汽在传热管外冷凝，传热壁两侧都有相变，因而提高了传热系数。提出了横管降膜蒸发海水淡化，盐水通过喷淋装置在横管束的管外形成液膜而蒸发，加热蒸汽在管内凝结，盐水依靠重力或效间压差进入下一效蒸发器。它与竖管降膜蒸发相比，具有电耗低，设备高度低等优点，同时由于液膜厚度薄，传热系数高，汽相阻力小，因此传热温差比竖管降膜蒸发小。世纪 70 年代为解决多效蒸发结垢严重的问题出现了横管降膜低温多效蒸发海水淡化系统。如图4 所示，盐水在低温下蒸发，即顶值盐水温度低于 70℃。由于操作温度降低，传热管材的结垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此可以使用廉价的铝合金材料替代贵重的防腐合金，从而有效降低了海水淡化设备的制造成本。低温多效蒸发利用低品位的热源作为加热蒸汽，因此其制水的能耗成本

大幅度降低。

1、3 反渗透法

反渗透海水淡化技术是利用半透膜的透水特性，对水溶液加压，使水分子克服阻力透过半透膜，从而达到淡水从海水中分离出来的目的。反渗透技术的主要部件是反渗透膜，反渗透膜技术经过几十年的发展，已趋成熟，性能也有了很大提高，目前反渗透膜的脱盐率已达到99.6%［4］。20 世纪 90 年代出现的微滤、超滤或纳滤等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺［5 －6］，延长了反渗透膜的使用寿命，提高了反渗透海水淡化装置运行的稳定性。为了降低反渗透海水淡化的动力消耗，出现了回收被浓缩浓盐水所携带的能量回收装置的研究，正位移式能量回收装置能将浓盐水携带的能量 90% 以上加以回收。高性能的反渗透膜、先进的预处理工艺及新型能量回收装置的应用，大大降低了反渗透法的制水成本，投入商业运行的反渗透装置产水的吨水耗电量达到 4 ～6kWh［4］，因此反渗透法已成为十分重要的海水淡化技术。反渗透装置最大的问题就是膜性能的降低，在反渗透装置投产的 6 个月内脱盐率能达到 99%，其后可能降至约 90%［4］。

技术特点

上述的几种海水淡化方法各有其技术特点和合适的应用领域，但依据德国学者 Rautenbach 对过去 40 年的研究发展得出的结论: 多级闪蒸、低温多效蒸发和反渗透技术必将决定海水淡化的未来［7］。其中低温多效蒸发与多级闪蒸和反渗透技术比较，其具有如下特点:1)与闪蒸技术要求的海水加热到 110℃ 以上相比，其操作温度可以降低到 70℃，设备的腐蚀和结垢问题得到了有效控制。2)对于水电联产的海水淡化装置，低温多效蒸发利用的是低品位的废气或余热，而反渗透法利用的是高品位的电能，因而低温多效蒸发是与滨海电厂结合的最佳方案。3)多效蒸发既有闪蒸过程，又有蒸发过程，因此在相同的温降内，比闪蒸技术淡水产率要高。4)横管降膜蒸发传热管内蒸汽冷凝，传热管外海水蒸发，传热管内外都有相变，因而其传热系数较高。5)多效蒸发浓缩倍率较高，需要的海水补给量比闪蒸要少，因此所消耗的泵功少。6)对海水的预处理要求低。海水进入装置前只需经过筛网过滤和加入适量的阻垢剂即可，而多级闪蒸则必须进行加酸脱气处理，反渗透技术要对海水进行消毒、凝聚、pH 值调整和过滤等严格的预处理。7)系统运行安全可靠。在系统中，发生的是管内蒸汽冷凝，管外液膜蒸发，即使传热管发生了腐蚀穿孔而泄漏，由于汽侧压力大于液侧压力，浓盐水绝对不会流到产品水中。8)产品水质高。低温多效蒸发的水质可以达到 5 － 6×10，无需再处理就可以直接作为锅炉水的补水，而二级反渗透后产品水的含

－ 6盐量仍高达140 × 10，必须经过进一步的除盐，才能用于电厂的补水。

2、海水淡化技术发展

按照脱盐过程分类，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、多效蒸发、压汽蒸馏和冷冻法;膜法海水淡化技术包含了反渗透法和电渗析法;化学方法则由水合物法和离子交换法构成。图2 显示的是各种海水淡化方法目前在世界范围内的总装机容量［8］。从图2 中

73了解到，反渗透法(RO)的淡水产量最大，达到 1.8 × 10 m/ d，约占总装机容量的 47%，其他依次为多级闪蒸法(MSF)占35%，压汽蒸馏法(VC)占5%，多效蒸发法(ME)占 3%。当前海水淡化技术存在的一些问题3、1传统MSF方法存在的问题

几年前，全世界海水淡化总容量中MSF法仍占较大份额，约为总淡化装置的55%，如沙特原有淡化厂大多数为MSF法，占全世界MSF法的33%以上，这种传统的淡化方法存在着不少问题，最大的问题是能耗高，导致生产成本高。如香港于70年代耗资近亿港元建造的大型MSF海水淡化厂（18万t / d），由于能源费用太高无投入运行，成了海水淡化发展史上最大的教训。其次是受到结垢等问题困扰。对传统的MSF进行改造是一个亟待解决的问题。

3、2 SWRO中常规预处理方法存在的问题

海水中存在着各种细菌和海藻类物质。RO系统常规预处理工艺为石英砂过滤（无烟煤、锰砂等多介质过滤）、活性炭过滤、3-10um精密过滤，有时还有软化器去除细菌的效果不理想，不能确保RO给水无菌。有时被活性炭吸附的有机物还会成为细菌繁殖的温床。为了控制海水中各种微生物的繁殖，常增设NaClO发生器，有时还加CuSO4控制海藻。由于聚酰胺(PA)RO膜对氯敏感，醋酸纤维素（CA）RO膜耐氯虽好些，但在某些金属离子存在时，也易被氯氧化而降解。CA膜还易被细菌污染，并成为细菌的培养源和繁殖地。因此，这两类膜组件的给水均需除氯处理，通常采用NaHSO3去氯。但这种方法并不能解决海洋微生物的污染问题。当海水温度高于25℃时，产生所谓“后繁殖”现象，会加速细菌的污染PA膜需用大量的NaHSO3去除氯和溶解氧，创造保护膜的还原气氛，增加了运行成本。其次，常规预处理方法的工艺冗长。先是对给水间歇式加氯，再加絮凝剂和凝聚剂，然后经二级压力多介质过滤器去除已絮凝的胶体物质，接着添加阻垢剂和NaHSO3，再经过保安过滤器。一是操作烦琐；二是费用高(估计占设备总投资的30%-40%，占运行费用的20%-30%),三是需经相当长的一段时间才能产出合格的滤水；四是占地大(占厂总地盘的50%左右)。

3、3 RO膜材质和组件构型的优化问题

制备SWRO膜的材料主要是醋酸纤维素(如三醋酸纤维素膜或二醋酸纤维素/ 三醋酸纤维素共混膜)和聚酰胺(包括全芳香聚酰胺、聚酰胺复合膜等)。RO膜组件构型主要有螺旋卷式和中空纤维式。虽然现在的RO膜与组件已经相当成熟，但各膜公司仍十分重视其研究与开发工作，目的在于开发出抗氧化、耐细菌侵蚀的新膜，改进和提高膜与组件的产水量、脱盐率等。对于膜应开发者而言，仍然应该十分注意根据当地海水水质的具体情况，对膜材质及构型以及是采用一级RO还是二级RO等认真地进行比较与选择，优化淡化过程。建议和展望

低温多效蒸发海水淡化技术已成为未来第二代水电联产海水淡化厂的主流技术［9］。水电联产低温多效蒸发海水淡化，即所谓的 Dual － PurposePower Plant，DPPP，电厂在发电的同时，为海水淡化装置提供其所需的热量用于制取淡水。水电联产低温多效蒸发海水淡化能够综合利用能源，有效降低制水成本;既解决沿海火电厂自身淡水的需求，又利于提高电厂的经济性;便于实现装置国产化，降低海水淡化装置的制造成本。目前我国人均能源资源匮乏，能源利用效率低。利用电厂的低品热源作为海水淡化过程的热源，实现水电联产对能源的合理综合利用，是适应中国能源状况、解决沿海地区淡水资源短缺的有效途径。

参考文献：

［1］何季民． 我国海水淡化事业基本情况［J］． 电站辅机，2002，(2): 35 － 43．

［2］中国海洋学会． 青年海洋论坛文集［M］． 北京: 中国海 洋出版社，1997． ［3］王世昌． 海水淡化工程［M］． 北京: 化学工业出版社，2003．

［4］林斯清． 海水反渗透淡化技术现状及未来［G］． 海水利 用技术研讨会论文集，北京，1998 年．

［5］Mark Wilf，Kenneth Klinko． 采用新的前处理方法和改 进膜性能对 RO 海水淡化系统设计的影响［G］． 美国 海德能公司分离膜技术应用论文集，1998．

［6］高从堦，陈国华． 海水淡化技术与工程手册［M］． 北 京: 化学工业出版社，2004．

［7］R Rautenbach，J Widua，S Schafer． Refections on desali-nation procees for the 21st century． Proceedings of the IDA world congre on desalination and water sciences，Abu Dhabi，UAE，1995: 117 － 136．

［8］Wangnick K． 2004 IDA worldwide desalting plants inven-tory Report No． 18．

［9］M A Darwish，H T El － Deouky． The heat recovery ther-mal vapor － compreion desalting system: a comparison with other thermal desalination procees［J］． Applied Thermal Engineering，1996，16(6): 523 － 537．