海水淡化工艺及关键泵技术发展综述

肖功槐 杨怀武 赵永伟

（上海凯泉泵业（集团）有限公司)

0 前言

众所周知，没有水就没有生命，人类的生存和发展须臾离不开水。我们生活的地球，海洋面积占2/3还多，但地球上的淡水所占比例却是极少。96.5%是海水，又苦又咸，不能饮用、不能灌溉、不能用于洗涤。淡水占比很少，而且绝大部分分布在两极或冰川地带，一部分深埋在地下或悬浮于空气中无法直接利用，只有极少的淡水存在于江、河、湖泊、水库和浅地层，可以被人类直接利用。

由于淡水分布不均，全世界约1/3的人口生活在缺水状态中。随着现代工农业的快速发展，到2025年缺水的人口可能会增加到2/3。人类对淡水的需求急剧增加，而人类有近七成居住在距大海不到120 km的区域，这就使得向海洋索取淡水成为必然。因此海水淡化已成为沿海地区解决用水矛盾最现实和急迫的问题。

1 海水淡化的工艺变迁

海水淡化技术亦称海水脱盐技术，就是分离海水中盐和水的技术，发展至今已经历了半个世纪。联合国在 《非常规水源的研究报告》中指出：1950～1985年期间，海水淡化技术的发展经历了发现阶段、开发阶段和商业化阶段，这期间研究开发的精力主要集中于蒸馏法 （包括多级闪蒸法和低温多效法等）和反渗透法。

(1)多级闪蒸法 (MSF)

海水经过加热后，依次在多个压力逐级降低的闪蒸室进行蒸发，蒸发的蒸汽用于加热循环的海水，蒸汽放出潜热后冷凝成淡水，这一过程就称为多级闪蒸蒸馏。

(2)低温多效法 (MED)

加热后的海水经多个蒸发器串联运行，前一效蒸发的二次蒸汽作为其下一效的加热蒸汽，而蒸汽冷凝后则成为淡水，这一过程就称为低温多效蒸馏。

(3)反渗透法 (RO)

用膜将含盐浓度不同的两种水分开，在含盐的一侧外加一个压力，使之大于膜两侧的渗透压力差，迫使水从高浓度溶液中析出并透过膜进入低盐浓度溶液，这就是反渗透原理。反渗透法海水淡化系统由4个主要部分构成:① 预处理设备;② 高压泵;③膜组件;④ 后处理设备。预处理是对进料海水进行处理，通常包括去除悬浮固体，调节pH值，添加临界隐蔽剂以控制碳酸钙和硫酸钙结垢等，目的是为了保护膜。高压泵用于对进料海水加压，使之达到适合于所用膜和进料海水所需要的压力。膜组件的核心是半透膜，它截留溶解的盐类，而允许几乎所有不含盐的水通过。后处理主要是进行稳定处理，包括pH值调节和脱气处理等。

蒸馏法海水淡化出水水质较高，而反渗透法海水淡化经一次脱盐能生产出相当于自来水水质的淡化水。在预处理方面，蒸馏法的要求相对较低，而反渗透法则要求严格的预处理工艺，否则反渗透膜的性能将受到严重影响。就规模而言，各种海水淡化方法都向大型化发展，其中多级闪蒸装置单机造水能力为5.46×104m3/d，低温多效淡化装置的单机造水能力也达1.9×104m3/d。尽管海水反渗透淡化装置的单机造水能力一般不大于1×104m3/d，但反渗透海水淡化工厂的淡水生产规模已经高达11.4×104m3/d。针对不同的用水领域及用水要求，如工业用水、发电用水、民用领域等，各种技术在成本核算及技术特性方面各有优劣 （见表1）。

“十二五”时期，世界海水淡化科技发展呈现新趋势，膜法和蒸馏法在未来较长时间内仍将是海水淡化的两个主流工艺。其中反渗透法所占比例最高，为60%；蒸馏法所占比例次之，为34.8%；其他方法合计约5%。国际上多级闪蒸法、低温多效法和反渗透法的最大海水淡化单机规模分别达到7.6万 m3/d、3.6万 m3/d、2.5万m3/d。与此同时，海水淡化成本也逐渐降低，淡化水平均售价为0.6～0.9美元/吨。

2 海水淡化技术在全世界的发展情况

对于海水淡化，实际应用中选用何种方法需要考虑多方面的因素。淡化装置规模、原水水质差异、使用场所、能源费用及气候条件等因素，都最终决定了淡化方法的选取。因此各国家、地区选用的淡化方法不尽相同。

由图1可见，多级闪蒸仍是中东国家的首选，其次是反渗透和低温多效。多级闪蒸在海湾国家的广泛应用主要有两个方面的原因，一方面是这些国家石油资源丰富，利用丰富廉价的油田气发电，建立水电联产系统，抽汽轮机乏汽所含余热供给多级闪蒸淡化装置，因而能源费用极低；另一方面，多级闪蒸技术最成熟，多级闪蒸装置便于大型化和特大型化，设备使用寿命长。此外，海湾水的高温(夏天高到40℃)、高盐度 (总含盐量高到40 000 mg/L)和高污染，特别是石油污染，都限制了反渗透技术在该地区的应用。尽管如此，海湾地区仍建立了一些较大型的反渗透海水淡化厂，足见反渗透在海水淡化技术中占有越来越重要的地位。

表1 多级闪蒸法（MSF）、低温多效法（MED）、反渗透法（RO）优劣势比较[1]

图1 海湾国家与世界各国海水淡化方法的比较

图2数据源自2007年度海水淡化市场的情况统计。在中东地区，多级闪蒸法 （MSF）的市场占有率超过了70%，低温多效法 （MED）与反渗透法 （RO）的市场占有率基本持平；而在世界其他地区 (南美除外)，反渗透法的市场份额尤为突出。

图2 MSF、MED、RO市场占有率比较

截止2010年年底，全球已有150多个国家和地区在利用海水淡化技术，已建成和在建的海水淡化工厂有15 000多个，合计装机容量为7170万m3/d。市政供水是海水淡化的主要应用领域，在已建装机容量中，市政供水占比最高，为63.1%，已解决了2亿多人的生活用水问题；工业及电力次之，占比为31.4%；其余用途约占5%。

3 海水淡化技术在中国的发展情况

在 “十一五”期间，我国对海水淡化技术的发展就进行了重点支持，围绕反渗透海水淡化和低温多效海水淡化两个主流工艺进行了集中攻关，取得了一系列重要进展。

（1）突破了多项海水淡化核心技术和关键设备。反渗透海水淡化方面，在杭州等地建成了反渗透复合膜生产线；开发出与国外同类产品性能相当的海水高压泵；建成了年产2万支的反渗透膜压力容器生产线，产品已占据国内大部分市场并实现出口。低温多效海水淡化方面，在蒸发器设计、传热材料等技术上取得了一些专利。

（2）建成了多个海水淡化示范工程。目前国内工程最集中、规模最大的海水淡化项目位于天津滨海新区，有4个项目投建，分布在塘沽、大港和汉沽，它们是大港电厂、天津北疆电厂、大港新泉海水淡化公司以及开发区新水源海水淡化厂，四个海水淡化水厂目前日产淡水达21.7万m3，其中由新加坡凯发集团建设的新泉项目完全建成后将达到15万m3/d，四个项目最终形成42.7万m3/d的生产能力。在反渗透海水淡化方面，我国已先后完成了日产百吨级、千吨级和万吨级反渗透海水淡化工程的示范项目，工程技术达到国外同规模先进水平。从我国第一座海水淡化工程1981年西沙200 m3/d电渗析海水淡化示范工程起，我国先后完成了1990年嵊山500 m3/d反渗透海水淡化示范工程、1999年浙江嵊泗和2000年山东长岛1000 m3/d反渗透海水淡化示范工程、2002年山东荣成5000 m3/d反渗透海水淡化示范工程、2003年黄岛电厂3000 m3/d低温多效海水淡化示范工程、2008年黄骅电厂Ⅱ期12 500 m3/d低温多效海水淡化示范工程。在示范工程的引领和国家产业政策的推动下，先后建成了一批中大型海水淡化工程。同时，在浙江舟山、温州、台州和山东烟台等沿海地区的海岛县和乡镇建成了一批小型海水淡化工程，为缓解我国沿海地区水资源严重短缺的同时，也为我国海水淡化技术和产业发展奠定了基础。初步统计，截止2010年底，我国已建成投产的海水淡化装置总数为76套，总产水能力55.78万m3/d[2]。

目前，我国海水淡化规模还很小，尚未达到经济规模。据中国脱盐协会统计，目前我国海水淡化能力约为66万m3/d。但在未来5年，中国海水淡化的产能将翻番。 “十二五”末期，我国海水淡化产能将达到200万～300万m3/d，投资规模将达200亿元[3]。

4 海水淡化用泵的选型和应用

图3 反渗透海水淡化典型工艺流程

图3是反渗透海水淡化工艺流程示意图。在反渗透海水淡化工艺中，待处理的原海水经过高压泵加压后，进入反渗透膜组件。经过反渗透膜处理透过膜的水即为所需要的淡水。剩余未透过膜的那部分水为浓度较高的海水，即浓海水。这部分具有高压力能的浓海水通过PX能量回收装置可将一部分待处理的原海水直接升压，然后再进一步用增压泵增压，以补偿经过膜堆和管道造成的压力损失。这部分经升压的原海水与另一部分经高压泵升压的原海水混合后，送往反渗透膜组进行淡化处理。

反渗透海水淡化装置中要使用许多种不同形式的泵，为了达到所需要的流量和压力，高压泵通常采用径向剖分 （轴开）节段式结构。这种结构泵适用于流量400 m3/h以下、日处理量小于1万t的工程。其特点是相对于容积式泵效率高，结构紧凑，维护方便，成本低，便于系列化制造。这种泵也是目前小规模海水淡化工程中应用最多的泵。对日产1万t以上甚至更大规模的反渗透海水淡化工程，则多采用轴向剖分 （水平中开）式的蜗壳式多级离心泵，这种泵能达到500～3000 m3/h以上的流量和近7 MPa的压力。蜗壳式泵的效率比导叶式多级泵高，且高效区比较宽广，使用和维修均很方便。但这种泵技术要求高，铸造、加工、装配难度大。这就对泵制造企业的技术水平、加工制造能力、装配能力提出了更高要求。

高压泵是反渗透海水淡化装置的主泵，是代表性关键设备。目前反渗透海水淡化处理系统中使用的高压泵主要有3种：往复式容积泵、多级离心高压泵和高速离心泵。这些产品在国外技术都已成熟，产品也已系列化。

通过表2可以看出,往复式容积泵主要用于额定流量较低的场合，多级离心高压泵主要用于额定流量较高的场合。

表2 不同形式的高压泵比较 [3]

表3所示为一些海水淡化系列泵的性能参数。图4～图9是用于海水淡化的主要泵设备 （含能量回收装置）实物图片。

图4 国产节段式高压泵

图5 高压增压泵

表3 海水淡化系列泵性能参数

图6 多级中开式高压泵

图7 差压交换式能量回收装置

图8 国产万吨级水平中开式高压泵

图9 节段式高压泵

5 材料

海水水质具有如下一些主要特点：（1）含盐量高，一般在 35 g/L左右；（2）腐蚀性大；（3）海水中动、植物多；（4）海水中各种离子组成比例比较稳定（见表4）； （5）pH变化小， 海水表层pH在8.1～8.3范围，而在深层pH则为7.8左右。

泵用耐海水过流部件材料选用一览表如表5所示。

表4 海水中离子主要成分

表5 泵用耐海水过流部件材料选用

由于长期浸泡在海水中，且泵内部输送高速流动的海水，如果不采取有效的防腐措施，设备很快就会被腐蚀损坏。因此海水泵采用的材料要有很强的耐腐蚀性，如低镍铬合金铸铁、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。未来对于海水介质在泵材料的选用上，双相不锈钢及超级双相不锈钢以其优异的耐海水腐蚀性能有望成为人们的首选。当然，选材时还应根据海水含盐量、温度、含沙量等同时兼顾项目投资情况进行综合考虑[4]。

6 结语

目前，上述3种海水淡化技术对于淡化海水与生产饮用水都已进入成熟阶段，所以，对于海水淡化工艺的选择不存在 “唯一性”，应基于每个项目的自身特点，综合考虑客观条件与安装场所的具体条件等。今后我国反渗透海水淡化将以更大的规模得以应用。我国泵行业对海水淡化这一重要领域的发展十分关注，已全面参与海水淡化工艺用特殊泵的研发，尤其是高压泵、高压增压泵两种关键泵的研发，并已取得突破性进展。上海凯泉泵业 （集团）有限公司在2008年就已有高压增压泵成功应用于浙江洞头岛海水淡化工程上，2013年为大唐黄岛电厂研制10 000 m3/d的水平中开多级高压泵也将投入工业运行。可以预期，在未来我国所建的海水淡化工程中，国产化泵将以性价比的优势逐渐取代进口泵。

[1]周赤忠，李焱.当前海水淡化主流技术的分析与比较[J].电站辅机， 2008(4）： 1-5.

[2]王琪，郑根江，谭永文.中国海水淡化工程运行状况[J].水处理技术，2011，37(10)：12-14.

[3]叶晓琰，许国乐，胡敬宁.反渗透海水淡化高压泵的优化选择 [J].水处理技术，2008,34(9)：79-81.

[4]黄程.海水淡化用泵及材料发展浅述 [J].水泵技术，2010(4)：34-36.