舰用海水淡化技术装备现状及发展趋势

陈棫端，吕东方，于开录，李 崇，赵宴辉

(中国船舶重工集团公司 第七一八研究所，河北 邯郸056027)

0 引 言

海水淡化装置是海军舰艇长时间航行的重要保障，脱盐淡水主要用于生活用水和动力装置补给水［1］。它们对脱盐淡水的含盐量要求不同，例如生活用水低于500 mg/L，锅炉补给水应小于10 mg/L，核动力锅炉补给水要求补水电导率小于1 μS/cm。通过蒸馏和反渗透等海水淡化技术，以及后续的离子交换和电去离子技术，能够制取各种水质的淡水［2］。本文对海水淡化及高纯水制备在发展过程中的各种技术和装备进行总结和归纳，同时分析国外舰用海水淡化的发展现状，最后阐述了舰用海水淡化技术的发展趋势。

1 技术类型

1.1 海水淡化分类

海水淡化就是从海水中获取淡水的技术和过程，按照从海水中取水或者除盐的分离路线，海水淡化分为两大类(见图1)［3］。从海水中分离出淡水的方法分为蒸馏法、冷冻法、反渗透法、水合物法和溶剂萃取法;从海水中分离出盐分的方法分为电渗析法和离子交换法。其中得到大规模商业应用的是电渗析法、蒸馏法和反渗透法，后2 种在舰艇海水淡化中得到普遍应用。

图1 海水淡化的分类Fig.1 Desalination technologies

1)蒸馏法

根据热源类型和加热器的工艺结构，蒸馏法又分为沸腾蒸馏和闪蒸。蒸馏法海水淡化装置的产水水质高，含盐量(总固体溶解物)一般在5 mg/L 左右，与离子交换或电除离子电渗析(EDI)相结合产出的淡水可以直接满足锅炉补给水要求。目前部分以蒸汽轮机为动力的舰船仍继续采用蒸馏式海水淡化装置。

①闪蒸。早期水面舰船上安装的都是沸腾式蒸馏设备，海水中Ca和Mg 离子容易沉积到换热器的表面，因此经常对结垢进行清洗。为了解决清洗频繁的难题，提出了闪蒸海水淡化技术［5］。它的技术原理是:将加热到一定温度的海水输入一定真空的容器内，热海水进入容器时，由于温度高于真空容器内的饱和温度，海水因过热，使一小部分水分闪发成蒸汽。可以看出，海水的加热和蒸发发生在不同的时间和不同的容器，加热时不发生相变，闪发时无受热表面，因此，加热时结垢极其轻微;闪发时的结垢沉淀物黏附在非受热表面的壳体上，对闪发的效果无任何影响。闪蒸分单级和多级:单级经过一个空间降温闪发;多级经过逐级减压空间降温闪发(见图2)。

图2 多级闪蒸技术流程示意图Fig.2 Schematic diagram of MSF technology

②沸腾蒸馏。20世纪50年代之前的绝大部分海水淡化装置都采用沸腾蒸馏技术，其技术原理非常简单:海水加热到饱和沸腾温度，使水分蒸发成蒸汽，与海水中的其他杂质分离，蒸汽经冷凝制得淡水。为了降低海水的沸腾温度，降低能耗，需要将海水蒸发容器抽到一定真空。沸腾蒸馏技术按换热器结构分为立管、卧管、板式和薄膜蒸馏技术。海水蒸发属于相变过程，需要额外供给热源。对于各种水面舰船，加热来源包括锅炉蒸汽、柴油机夹套冷却水和经过机械压缩二次蒸汽。最后一种适合只有电能、没有蒸汽的水面舰船，即先通过电加热将海水加热沸腾，产生的二次蒸汽再经过压缩以提高温度，重新加热海水，整个过程不使用蒸汽。

根据蒸发器的数量，沸腾蒸馏可分为单效蒸馏和多效蒸馏。单效蒸馏设备的尺寸较小、造价较低，但它的造水比较低，即相同供热条件下产水较少，主要原因是海水蒸发的二次蒸汽的潜热没有充分利用。多效蒸馏可以大幅度提高造水比，它的原理是将蒸馏产生的二次蒸汽再作为加热蒸汽来对下一效溶液进行加热，使蒸发所耗的热能充分得到再利用，以降低能耗(见图3)。

早期多效蒸馏操作温度接近100℃，容易结垢，清洗困难。考虑到在70℃以下无机盐的结垢不是很明显(见图4)，以色列的IDE 公司开发了低温多效蒸馏技术，避免和减缓设备的腐蚀及结垢，在低温操作段也可以达到较高的造水比［6］。

图3 多效蒸馏技术流程示意图Fig.3 Schematic diagram of MED technology

图4 硫酸钙的溶解与结晶Fig.4 The dissolution and crystallization of CaSO4

多级闪蒸技术和低温多效蒸馏技术是最主要的蒸馏法海水淡化技术，目前低温多效蒸馏具有一定的技术优势，主要体现在以下几点:一是低温多效蒸馏是双侧相变传热(沸腾和冷凝)，传热系数很高，传热面积少于多级闪蒸;二是多级闪蒸过程中，海水循环量数倍于多效蒸馏技术，产水能耗很高;三是低温多效蒸馏的操作弹性大(40% ～110%);四是低温多效蒸馏操作温度低，避免或减缓了设备的腐蚀和结垢;五是低温多效蒸馏的海水的预处理简单，不需要加酸脱气处理，只需要加入阻垢剂。

2)反渗透法

①技术原理。当把相同体积的淡水和海水分别置于膜材料的两侧时，淡水会自然透过膜材料向海水一侧流动，该现象称为渗透。如果在海水侧施加一定压力时，海水中水分子通过膜材料向淡水侧反向流动，而无机离子等杂质被膜材料有选择的截留，这就是海水反渗透淡化的技术原理(见图5)。

图5 反渗透技术原理示意图Fig.5 Foundation of RO technology

②工艺路线。反渗透海水淡化工艺包括预处理、反渗透、后处理和清洗(见图6)。为了保证反渗透淡化系统的安全运行，延长膜的使用寿命，必须对海水进行预处理，包括加氯消毒、凝聚过滤、加酸调节PH 值、投入聚磷酸盐做阻垢剂、消除余氯以及微滤，消除海水中各种杂质［7］。舰艇在世界各地航行，原料海水的水质千差万别，预处理应该具有普适性。

反渗透装置的主体由反渗透膜堆和高压泵两部分组成，高压泵把海水升压至特定压力进入膜堆，透过膜的作为初级产品水，而未透过膜的作为浓盐水排放，得水率一般在30%左右。浓盐水的压力一般在4 ～7 MPa，如果直接排放，压力能将直接浪费，因此需要在浓盐水排放管线上安装能量回收装置。反渗透膜组件在长时间运行后，必须进行清洗膜表面的结垢、金属氧化物、微粒、胶体和细菌等，使膜组件恢复设定产量。

由于膜组件能够截留CO2-3离子和HCO3-离子，不能截留海水中溶解的CO2，因此产品淡水呈弱酸性，不宜直接进入供水管网和直接饮用，通常投加石灰、苏打或火碱以提高淡水PH 值。“远望”号维修测量船上的反渗透海水淡化装置在设计时未考虑这一因素，造成供水管路腐蚀等现象［8］。如果用作饮用水，还必须添加次氯酸钠或增设紫外杀菌设备。反渗透装置的停机保养要求较高。当反渗透装置长时间不运行时，为避免膜组件内部细菌滋生、防止干裂，需要配置特殊溶液进行冲洗和浸泡保存，并定期更换。

图6 反渗透工艺流程简图Fig.6 Schematic diagram of RO technology

3)高纯水的生产

高纯水处理装置是船舶上不可缺少的重要设备，为船舶动力装置、辅助锅炉、蓄电池等设备提供高纯水。核动力水面舰船的锅炉补给水的水质要求最高，通常需要对海水淡化产生的淡水进一步处理，产水电导率在25℃时低于0.1us/cm，或者产水电阻高于12.5 MΩ。常用的高纯水制备技术包括离子交换技术和电去离子技术［9］。

①离子交换技术。离子交换技术是一类特殊的固体吸附过程，能够从电解质溶液中吸取某种阳离子或阴离子，而把本身所含另外一种带相同电荷的离子等当量交换下来释放到水中。离子交换剂包括无机离子交换剂、磺化煤和有机离子交换剂。H 型或Na 型离子交换剂可以将水中的Ca2+和Mg2+等阳离子进行置换。经过离子交换处理的高纯水，电阻率达到18 MΩ 以上，能够满足特殊锅炉补给水的水质要求。该技术的缺点是再生时间长，酸碱消耗量较大。

②电去离子技术。电去离子(Electrodeionization，EDI)技术是一种将离子交换树脂和离子交换膜相结合、在电场作用下连续去除离子的水处理方法。EDI 借助离子交换树脂的离子交换作用与阴、阳离子交换膜对阴、阳离子的选择性透过作用，在直流电场的作用下，实现离子定向迁移，从而完成水的深度除盐。它将离子交换树脂填充在电渗析器的隔室中，将电渗析和离子交换过程合二为一，变电渗析过程中浓差极化的缺点为优点，对树脂起到再生作用，从而避免了酸碱的使用。

2 国内外发展历程及现状

舰用和陆用海水淡化装置的技术原理相同，但由于淡水需求量、能力来源和运行空间的不同，导致二者的发展过程和方向略有差异。长期以来，蒸馏法是舰船海水淡化的主要技术，主要包括常压蒸馏和多级闪蒸技术［10］。在陆地上广泛应用的低温多效蒸馏技术，由于出现时间晚，没有在舰船上应用。与其同时出现的反渗透技术，则因为操作方便、工作量小等优点而得到大规模应用。

美国海军大部分舰船建造时间较早，主要都安装了蒸馏法海水淡化装置。根据美国海军舰船技术手册，其技术类型包括蒸汽压缩式、低压蒸汽式(闪蒸式、浸没式和篮筐式)和热回收式，它们的最大区别是运行过程中所使用的能量形式和操作压力［11］。蒸汽压缩式海水淡化装置使用电动压缩机，操作压力为常压。低压蒸汽式装置使用锅炉系统的蒸汽，热回收装置使用柴油机的冷却水作为热源。

蒸馏装置的特点是稳定性好，能够连续运行多年，只要热平衡参数保持或接近于设计条件，就能不断按额定容量产水。即使热平衡条件严重偏离正常值，或换热而被炉垢覆盖，蒸馏器仍能生产符合水质要求的淡水，只是产量较设计值稍低。蒸馏海水淡化装置较反渗透淡化装置更能经受运行中的疏忽、遗漏和滥用等情况。早期蒸馏装置每隔一定时间就要清除结垢，现在的装置都配置了更先进的连续添加防垢剂设备，同时配置了更高效、对设备腐蚀更轻的柠檬酸清洗设备，使劳动量大为减轻。根据美军日常维护的经验，蒸馏器全部问题有70%归因于水泵和真空泵的故障。

多级闪蒸海水淡化装置是美国海军各类淡化装置中使用最多的装置，它有多种产品规格，单机产水容量从23 ～380 m3/d。缺点是能耗较高，原水与产水之比达到10 以上。 “尼米兹”级核动力航空母舰均配置4 个蒸馏海水淡化装置(见图7)，总产水量为1 500 m3/h，饮用水需要矿化，生产厂家为AQUA CHEM 公司。舰上有4 个水箱，储存380 m3淡水，可以供应全船人员4 h 使用。

图7 AQUA CHEM 公司生产的舰用多级闪蒸海水淡化装置Fig.7 Shipboard MSF seawater desalination apparatus of AQUA CHEM

蒸汽压缩蒸馏的产水效率很高，但机械蒸汽压缩蒸馏装置的换热面非常容易结垢，容积式压缩机的可靠性也比较差。即便采用经过改进的离心式压缩机和自动给水化学处理系统后，操作温度仍然为100℃左右，每隔250 h 仍要清洗。频繁的酸清洗对管路、泵和其他部件造成腐蚀，清洗成本增加［12］。另外，受限于蒸汽压缩机的规模限制，机械蒸汽压缩蒸馏装置的产量很难达到100 t/d 以上。

陆地上广泛使用的低温多效蒸馏装置就可以克服以上缺点。其操作温度低于70℃，在辅助添加阻垢剂的条件下，清洗频率可以降低到1年，极大降低了装置的劳动强度，同时提高了装置运行的稳定性。另外通过高压蒸汽压缩最后一效的乏蒸汽，从而取代压缩机，可以提高装置的产水量，在船用条件下，单机产水量可达500 m3/d，体积和重量均低于多级闪蒸装置。低温多效蒸馏装置可以实现全自动运行。

与蒸馏法相比，反渗透海水淡化装置的工艺流程非常简单，海水无需相变，也无需热源，只需要电能，因此能够避免蒸馏法固有的结垢问题。1988年美国海军在“弗莱彻”号军舰上安装了标准设计的反渗透装置(见图8)［12］。经过测试，装置能够满足舰船用水要求，而且不需要连续性观察，维修工作量小，能耗低，稳定性好，随后大部分新建海军舰船都安装了反渗透装置。

图8 美国海军列装的标准设计反渗透装置Fig.8 Standard RO apparatus of US Navy

美国EUWP 二代演示项目正在试验，它由2 个框架组成，产量为1135.5 m3/d(见图9)，计划取代航母上2 个蒸馏海水淡化装置［13］。

图9 美国海军最新研发的海水淡化装置Fig.9 The newest desalination apparatus of US Navy

反渗透装置设计中的关键性要素是选择结实而可靠的反渗透膜，膜一旦选定，其设计过程主要便是如何选择过滤系统、高压泵以及材料等问题，以便达到所期望的可靠性。

反渗透膜组件对海水质量要求非常高，一旦海水预处理设备出现问题，就会给膜组件带来严重影响。美国海军普遍采用的标准反渗透装置NSRO，设计时预处理设备适用的水质远离陆地、污染小的大洋海水。在此条件下，能够保证4 ～6 星期更换保安过滤器(更换时间为1 ～6 h);3 ～5年更换反渗透膜组件(更换时间为4 ～12 h)。美国海军大部分航行时间处于近海，此处海水的悬浮物浓度远高于大洋，污染物的种类也千差万别，如果在近海使用反渗透装置，膜组件产水量衰减严重。2003年，美国海军开展了测试，试验从3月持续到7月，反渗透装置累积运行1 283 h，海水产量衰减了2/3，试验结束后直接更换膜组件［14］。

现在美国海军正在开展先进海水淡化FNC 项目，将反渗透适用海域扩展到沿海或近海，达到劳动工作量低、尺寸紧凑、化学添加剂少、能耗低等要求［15］。项目要求在外洋操作可能性大于99%，沿海操作可能性大于95%，每立方米装置体积的产量是7 m3/d，每吨装置重量的产量是17 m3/d，每立方米淡水的能耗是5.3 kWh。

3 结 语

沸腾蒸馏、闪蒸和反渗透是舰用海水淡化的3 种主流技术。对于小型海军舰艇，淡水需求量较低，海水淡化装置类型通常取决于动力装置提供的能源形式，包括蒸汽、电能、废气或气缸套内的热水等。对于大型海军舰船，淡水需求量较大，海水淡化装置类型与能源提供形式的关联较低，它主要取决于外形尺寸、经济性和可靠性等因素。目前，大型海军舰船大多安装了多级闪蒸装置，虽然其产水纯度高，但也存在能耗高、外形尺寸大和稳定性差等问题，美军正在考虑将反渗透装置替代部分多级闪蒸装置。另外在陆地上广泛应用的低温多效蒸馏装置具有产水纯度高、能耗低、重量轻和可靠性高等优点，也可以应用到大型海军舰船上。

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