低成本海水淡化集成技术探讨

吴礼云，李 杨，孙 雪，唐智新

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 曹妃甸 063200）

低成本海水淡化集成技术探讨

吴礼云，李 杨，孙 雪，唐智新

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 曹妃甸 063200）

海水淡化集成技术以低温多效蒸馏海水淡化为核心，联合热电与盐碱化工，形成“热-电-水-盐”四联产模式，实现淡水资源、海水资源以及能源的综合利用，大幅降低生产成本，并取得环保效益、社会效益。为未来向城市供水提供了一条现实可行的方案。

海水淡化；集成技术；循环经济；热-电-水-盐联产；低温多效

1 引言

我国是缺水的国家，人均水资源不足2200吨，仅为世界平均水平的1/4。地球上水资源的总量中海水占97.2%，使得海水淡化成为解决缺水问题的重要途径。2008年，全球海水淡化工程总投资额已达248亿美元，且每年以20%～30%的速度递增，2015年预计将达到564亿美元，特别是以色列和美国，更是将海水淡化产业列入国家发展计划。为了进一步发展国内海水淡化产业，国务院于2012年2月初下发了《关于加快发展海水淡化产业的意见》，明确了“十二五”期间我国海水淡化的发展目标，即到2015年，海水淡化能力将达到220万～260万m3/d，是现在海水淡化能力的4倍。

2 海水淡化的瓶颈问题

目前制约海水淡化技术发展的因素有两方面：一是制水成本高，二是淡化后的浓盐水排放难。制水成本高是由于海水淡化是以能耗换水的技术，电价、蒸气价格决定了制水成本，如何降低电和蒸气价格便成了降低淡化成本的关键因素。海水淡化过程中产生的高浓盐水目前尚无成熟处理技术，将其排放至盐田既是浪费能量，也是采用高端原料做低端处理的无奈之举。很多国外企业为减少对海洋的危害将浓盐水稀释后再排放到海里，但这样也是治标不治本。

渤海湾是典型的半封闭浅水淤泥质海湾，海水温度低且交换能力差。随着沿海经济的快速发展，大量工农业废水、生活污水以及养殖业废水进入渤海湾，致使渤海湾的水体受到严重污染。渤海湾周边缺少淡水，发展海水淡化是解决用水难的有效途径，但大量海水淡化浓盐水的排放必然导致渤海水质的进一步恶化。由此可见，只有发展循环经济、寻求生态环境与经济成长和谐的“双赢”之路，才能解决海水淡化发展的问题。

3 海水淡化工艺及资源综合利用现状

3.1 海水淡化工艺

下表概括了国外产水量为5万m3/d的膜法与热法两种工艺的系统参数。

低温多效蒸馏与反渗透膜法海水淡化系统参数对比表

膜法系统造水工艺主要靠过滤实现，过滤系统的元件质量和工作效率直接关系系统的运行效率，海水温度、反渗透（RO）膜的质量、预处理单元工作效率等因素都直接影响膜法系统的年造水量。热法系统造水工艺主要靠大型的主蒸气器蒸发换热实现，只要换热传热过程稳定进行，外界因素是不影响热法系统造水量的。

海水淡化在客观上要求系统必须具备与之相适应的耐腐蚀性和严密性，这是系统的技术特点，也是日常维护管理的重点、难点。膜法系统的故障点均集中在高压泵、变频器和管路的腐蚀与泄漏上，设备检修停运较长时间，平均利用率为80%。低温多效装置等同于电厂凝汽器的换热设备，低温低压、安全可靠、运行便利、维护方便，只要按照运行规程操作，低温多效热法淡化装置的年利用率平均在95%以上。

某公司根据国家2005年颁布的《海水专项规划》，结合企业实际情况，充分利用临海优势，开源节流，积极实施了5万m3/d海水淡化、电厂海水脱硫、海水直流冷却及海水化学资源综合利用等项目，充分体现了科学发展、节能减排、环境友好、循环经济以及自主创新的精神和理念。

该公司海水淡化采用低温多效蒸馏（LT-MED）工艺，自主设计、自主制造、自主建设、自主运营海水淡化，形成竞争优势，使万吨级热法与膜法海水淡化相比较，吨水投资额相当且能耗低、产品水质高。

设备在真空情况下，盐水的最高蒸发温度低于70℃，具有操作温度低、动力消耗低、系统热效率高等优点。低温多效蒸馏装置通过蒸发冷凝管，利用真空度及效与效间的温度和压力差，以给定量的低等级蒸气与海水换热反应，通过重复蒸发和冷凝产生大量蒸馏水。该项目由4套主体蒸发器组成，日产水能力5万吨，造水比为9.8，产水含盐量＜5mg/L，温度＜33℃，取代软水系统，用作高品质补水、污水勾兑水。

工艺上采用多种工况相结合的运行方式，多效模式（E模式）、热压缩模式（T模式）和混合模式（T+E模式）运行，可对水量及蒸气量平衡进行双重调节，变负荷调节50%～100%，调整能源动态平衡。其中乏汽运行技术—E模式，是海水淡化前置汽轮发电机组系统，将海水淡化蒸发器代替汽轮机凝汽器，利用发电后的低品质乏汽作为海水淡化动力蒸气，遵循能量梯级利用的原则，使全系统热量利用率高达82.23%，节省了为发电机组凝汽器设置直流冷却设施的投资及运行费用，是循环经济的最好体现。水电联产如图1所示。

图1 低温多效蒸馏耦合热力发电系统示意图

该公司充分利用丰富的电力和余热余能资源，与多家膜厂家联合完成膜法海水淡化中试试验项目，利用热法浓盐水进行盐水浓缩，取得较好效果，为热膜耦合创新奠定理论基础。拟建大型热膜耦合海水淡化工厂，重点突破热法之后的浓盐水再利用，解决北方冬季水中污染物问题，将浓盐水提升至商品级，为盐化工打好基础。

3.2 浓盐水处理现状

目前，世界上常用的浓盐水处理方法可分为两大类。一类是直接排放至地表水、海洋、污水处理系统等。此类方法重点在于考虑浓盐水的排放量、组成、排放地的物理或地理环境、公众接受度、投资和操作费用等。第二类采用传统日晒制盐、苦卤综合利用的工艺将浓盐水进行再利用但此类工艺氯化钠利用率小于40%，氯化钾、溴素、氯化镁、硫酸镁的利用率不足30%，浪费严重。另外，操作费用是选择浓盐水处理方法时要考虑的重要因素之一，因为浓盐水的处理费约占淡化总成本的5%～33%，费用消耗取决于浓盐水特性、排放前的处理水平、处理方式、浓盐水体积以及环境特征。总的来说，邻近海洋或湖泊的淡化厂一般将浓盐水直接排入附近水域，而内陆淡化厂由条件决定采取蒸发、深井注射、排入污水处理系统等方法。

与其他邻近海洋的淡化厂相比，该公司没有把淡化后含有余热的浓盐水排进大海，而是通过铺设浓盐水管道，将LT-MED浓盐水成功送至盐化工厂。不仅解决了浓盐水的排放问题，还带来一定的经济效益。同时，该公司联合科研院所建成300m3/d浓盐水综合利用中试试验车间及试验装置，利用热法浓盐水耦合膜法进行化工试验。通过超滤、纳滤及反渗透膜提钙、镁，同时提高浓盐水浓度，向盐化工厂供给高浓度盐水。

该试验提钙工艺流程如图2所示。LT-MED浓盐水与碳酸钠溶液反应沉淀，上清液经超滤膜过滤，膜浓缩液进管式超滤膜循环浓缩至一定浓度，沉降罐与管式超滤膜排出的碳酸钙浆液经压滤机处理成为滤饼，送入干燥机干燥后得到碳酸钙产品。

图2 浓盐水中钙盐提取工艺流程

提镁与提钙工艺流程相似，提钙后渗透液与氢氧化钠溶液反应，再经两套超滤膜过滤浓缩，得到一定浓度的氢氧化镁浆液，经压滤干燥得到氢氧化镁产品。

除去钙镁即脱硬后的渗透液加入盐酸调整pH，经纳滤膜（NF）分离，NF透过液为富含一价离子溶液，经反渗透膜处理，淡水外供，浓盐水供高温多效蒸发器继续浓缩。设备运行1年多，取得很好成果，使浓盐水含盐量达到7万mg/L，为盐碱厂提供有较高经济价值的盐化工原料，实现海水淡化浓盐水的综合利用，并冲减海水淡化成品水价格。

3.3 海水淡化集成技术—资源与能源循环经济产业链

该公司充分利用余能资源，推动能源综合利用水平，联合盐、碱厂，走一条“热-电-水-盐”四联产的低成本海水综合利用路线，建立了水资源综合利用技术—资源与能源循环经济产业链。

3.3.1 三条纵向技术路线：海水资源、能源、淡水资源利用

（1）海水资源路线：海水综合利用

利用自备电站直流冷却的温排水作为热法海水淡化的水源，减少了蒸气消耗；热法海水淡化所排出的浓盐水通过特殊的预处理进行脱硬，作为膜法海水淡化的水源，并减小了其运行压力，实现了热膜耦合；二次提浓后的浓盐水又成为后续深度盐化工的原料，提取溴、钾等有用物质，实现海水淡化后的“零排放”，并打造了海水综合利用的技术路线。具体流程如图3所示。

图3 海水资源综合利用示意图

（2）能源路线：能源梯级利用

能源梯级利用如图4所示。以富余煤气及其它余热资源为热源，通过余热锅炉、余热蒸气先行发电，再将发电后的乏汽供给热法海水淡化装置制备淡化水；另外，也可将余热热水通过闪蒸而形成热法海水淡化的汽源来制备淡化水，实现传统能源的梯级利用。这一技术路线不仅可实现煤气、蒸气的“零”放散，并产生了额外的发电能力，则可大幅度降低海水淡化的运行成本。

图4 能源资源梯级利用示意图

（3）淡水资源路线：水资源梯级利用

水资源梯级利用如图5所示。热法海水淡化所生产的除盐水等级的淡化水主要用于两方面：一方面是高品质水用户、锅炉系统、循环冷却系统补水；另一方面是通过勾兑回收污水实现系统内污水的耦合式“零”排放。膜法海水淡化所生产的地表水等级的淡化水主要用于一般的工业水用户和市政用户。

图5 水资源梯级利用示意图

3.3.2 三条横向技术路线：环境资源与物质资源、能源与水资源相互转化

（1）环境资源与物质资源转化路线：低碳环保

环境资源与物质资源转化如图6所示。1）利用电站及白灰窑烟道气中的CO2与LT-MED海水淡化排出的浓盐水中的钙离子反应，形成碳酸钙产品，去除浓盐水中易于结垢的钙离子，同时实现了碳减排。2）生产过程中产生的粗碳酸钙产品供石灰窑车间煅烧，生成氧化钙作为原料用于生产，而煅烧产生的高浓度、高纯度CO2既可用于提钙，又可作为优质原料与海水淡化之后的浓盐水反应制纯碱。这样，生产碳酸钙原料钙离子取自海水、CO2取自烟道气，原料成本低廉。3）浓盐水预处理过程中产生的氢氧化镁浆液，是烟道气极为环保高效的脱硫剂，脱硫后产生的硫酸镁是附加值较高的副产品，再一次变废为宝，同时很好地实现了SO2的减排。脱硬后的浓盐水送至盐碱企业制纯碱、氢氧化钠等化工原料，再服务于浓盐水脱硬，形成超大规模的节能环保循环经济产业链。

图6 环境资源与物质资源转化示意图

（2）能源与水资源转化路线1：热能梯级利用

热能充分利用如图7所示。在标准汽轮发电机组中一般均配有凝汽器及冷却塔等系统，而在此技术路线中却用热法海水淡化LT-MED装置代替，既节省了设备投资，又提高了全系统的热效率。余热锅炉向汽轮机提供高端蒸气，余热蒸气向汽轮机补充中端蒸气，汽轮机做功后的乏汽供给LT-MED生产除盐水。此技术利用了汽轮发电机组的部分冷端损失，大幅度地提高了全系统热效率，大大降低了海水淡化成本。

图7 热能梯级利用示意图

（3）能源与水资源转化路线2：新能源利用

新能源利用如图8所示。电力是难储存的，因此，新能源（风能及太阳能）发电后必须上网送电，但新能源均存在受天气影响而出现大幅波动的现象，其所发电能却被电网视为低品质电，影响电网的运行安全。将不可储存的新能源发电通过海水淡化转换成可储存的水资源就有效地解决了这一问题，因此，新能源发电与海水淡化的结合有着很大的发展空间。

该公司以资源利用最大化、废物排放最小化、经济效益最优化为目的，将上述6条技术路线整合（如图9所示），打造了典型的循环经济项目和生态工程。

4 结论

图8 新能源利用示意图

虽然起初海水淡化只是作为电厂、化工、钢铁等大型耗水企业的配套设施来建设，但如今海水淡化可形成循环经济产业链来运作。除了符合国家资源可持续发展战略要求外，还能够为企业带来实实在在的经济效益。立足于水资源安全和可持续发展的高度，提升海水淡化的战略地位，把海水淡化与工业冷却、制盐、化学资源提取等相结合，可降低成本、提高总体效益、减少环境污染。

大力发展海水淡化可为内陆地区节省更多可资利用的淡水资源，将检测合格的淡化水送入城市供水系统，缓解城市用水压力，实际上等于增加了我国水资源总量，这对于长远解决我国水资源短缺问题具有战略意义。

图9 水资源综合利用技术：能源与资源循环经济产业链

[1] 张建红，吴礼云.低温多效海水淡化技术经济分析[C].第四届金属学会青年学术论文集， 2008.

[2] 余瑞霞，王越，王世昌.海水淡化浓盐水排放与处理技术研究概况[J].水处理技术，2005（6）.

[3] 吴礼云，李扬.低温多效蒸馏海水淡化热力发电耦合技术[N].世界金属导报，2012-7-31（B11）.

Discussion on Integration Technology of Seawater Desalt at Low Cost

WU Li-yun, LI Yang, SUN Xue, TANG Zhi-xin

(Shougang Jingtang Integrated Iron & Steel Co., Ltd, Caofeidian Hebei 063200, China)

Integration technology of seawater desalting takes seawater desalt with low temperature, multi-effect and distillation as a core, integrates thermoelectricity and salt-alkali chemical industry, forms integration production mode of “heatelectricity-water-salt’, realizes the comprehensive utilization of fresh water resource, seawater resource and energy resource, reduces greatly production costs and achieves environmental protection benefts and social benefts as well as provides a real and feasible program for the future urban water supply.

seawater desalting; integration technology; circular economy; integration production of heat-electricity-watersalt; low temperature and multi-effect

X703

A

1006-5377（2014）07-0048-05