海水淡化技术的发展与应用

文 // 吴鸣 南京凯盛开能环保能源有限公司

20世纪初，国际上就有“19世纪争煤、20世纪争石油、21世纪争水”的说法，根据联合国统计，20世纪初以来全球淡水消耗量增加了约6～7倍，比人口增长速度高2倍，估计到2025年，全世界将有近1/3的人口（23亿）缺水。

中国被联合国认定为世界上13个最缺水的国家之一。按淡水资源总量我国名列世界第六，但人均占有量仅为世界平均值的 1/4，位居世界第109位，而且水资源分布很不均衡。目前我国有300个城市缺水，其中110个城市严重缺水，主要分布在华北、东北、西北和沿海地区，水已经成为制约这些地区经济发展的瓶颈。

水资源的日益匮乏使海水淡化技术越来越受到关注，作为常规水资源的重要补充，积极发展海水淡化技术，对缓解全球及我国沿海和中西部地区缺水状况具有重要意义。

1 海水淡化技术发展状况

截止2013年，世界上已有120多个国家在运用海水淡化技术，全球有海水淡化厂1.6万多座，海水淡化日产量近8000万立方米，其中80%用于饮用水，解决了世界上大约3%亦即2亿多人口的供水问题。

世界上海水淡化最多的地方是中东地区，那里淡水资源缺乏，水比油贵。因为能源供应充足，那里的海水淡化产业发展很迅速。中东地区的富油国淡水供应80%都是来自海水淡化。沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、以色列、地中海中部的马耳他，都建有规模巨大的海水淡化厂。

以色列拥有世界最大规模的海水淡化设施，有31个海水淡化厂，其中最著名的海水淡化企业IDE技术有限公司，是世界上唯一一家能同时提供热法和膜法两种海水淡化工艺技术及设备的供应商。IDE公司在世界各地的海水和苦咸水淡化项目有370多个。

近年来，我国海水淡化有了较快的发展，产业发展态势良好，在海水淡化关键技术方面取得重大突破。海水淡化设备国产化率稳步提升，低温多效法设备国产化率达到90%以上，反渗透法设备国产化率达到60%以上。从我国现已建成的项目看，反渗透法占据了约2/3市场，但从近几年开工项目看，低温多效法和反渗透法基本平分秋色。

我国海水淡化工程已进入大型化阶段，但我国已建成的海水淡化装机容量占比只有全球的1%左右，而同期沙特占22%、美国占13%、欧洲占15%，表明我国海水淡化发展空间广阔。

2 海水淡化技术的能耗与成本分析

目前世界上百余家科研机构在进行着海水淡化的研究，淡化水的成本不断降低，有些国家已经降低到和自来水的价格差不多。

目前我国已基本具备了海水淡化设备加工制造能力，设备制造成本比国外至少低30%左右，具有很强的价格竞争优势。

目前常用的海水淡化取水方式主要有取地下水、远程调水和海水（苦咸水）三种。表1～表3为三种水淡化方案设备投资、环评、造水成本（以10000吨/天海水淡化工程为例）。

表1 设备投资

表2 获取方式的成本及环评比较

表3 获取方式的成本及环评比较

3 海水淡化技术的发展与比较

海水淡化主要分为蒸馏法（热法）和反渗透（膜法）两大类，具体海水淡化技术超过20余种，包括多级闪蒸、低温多效、反渗透、电渗析、压汽蒸馏、露点蒸发、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等。

经过半个世纪的发展，形成了以多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透为主流的工业技术。从地区上来讲，中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选，因为它具有大型化和超大型化（单台设备产水量目前已高达日产淡水4万～5万吨）、适应污染重的海湾水以及预处理费用低的优势；然而在中东以外地区将以能耗和成本低的反渗透法为首选。

多级闪蒸法具有技术成熟、运行可靠、单机产水量大等优点，但能耗偏高；低温多效蒸馏法具有节能、海水预处理要求低、淡化水品质高等优点；反渗透法具有投资低、能耗低等优点，但海水预处理要求高。

(1)多级闪蒸(MSF)

所谓闪蒸是将原料水引入到一个压力较低的空间内，原料水因降压过热而急速地部分汽化，产生蒸汽，蒸汽经冷凝而变成淡水。

多级闪蒸海水淡化技术，是利用闪蒸原理将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发冷凝而得到淡水，是本世纪60年代初在多效蒸馏的基础上发展而来的，是目前主流的海水淡化技术之一，主要在海湾国家应用。相比多效蒸馏法，多级闪蒸减少了水垢的形成。

多级闪蒸法技术成熟，运行安全、结构简单、结垢减轻、负荷范围宽、投资成本较低。多级闪蒸法得到的淡水价格相对反渗透法低，单台产水量最大，特别适合于电厂大型海水淡化项目，但是需要较大的传热面积，海水循环和流体输送电耗大，运行成本较高。

(2)低温多效蒸馏(MED)

低温多效蒸馏海水淡化技术，是指盐水的最高蒸发温度不超过70℃的海水淡化技术，其特征是将一系列的蒸发器串联起来分成若干效组，后面一效的蒸发温度、压力均低于前面一效，将一定量的蒸汽输入，通过多次阶梯状的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。在多级闪蒸诞生以前低温多效蒸馏一直是海水淡化市场的主流。

低温多效蒸馏法解决了结垢和腐蚀等问题，产品水纯度很高，含盐量小于20ppm，近年发展迅速，装置规模日益扩大，成本日益降低，所占的市场份额不断扩大。与多级闪蒸相比，低温多效蒸馏法具有：传热系数高、热效率高、水质要求低、操作弹性大等优点；相对于反渗透法，需要消耗一定量的蒸汽，设备的结构较复杂。主要发展趋势为提高单机造水能力，降低造价，提高操作温度，提高传热效率等。

低温多效蒸馏法具有产水水质好和可利用工厂余热或低品位热源的优点，主要应用于需提供锅炉补给水和工艺纯水，且有低品位蒸汽或余热(余热温度50℃以上即可)的电力、石化、钢铁等企业。

(3)反渗透法（RO）

反渗透法是20世纪60年代后期发展起来的一项膜法海水淡化技术，其最大的优点是节能，其能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。80年代初，多级闪蒸在海水淡化技术中居首位。80年代后期，反渗透海水淡化技术开始占据主导地位，90年代以来，出现了反渗透和多级闪蒸两种技术交替占据主导地位的现象。

在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程称为渗透，此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。反渗透法，就是在海水（原水）一侧，施以比渗透压更大的压力，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除盐的目的，这就是反渗透法的原理。

反渗透法使用的薄膜叫“半透膜”，只允许溶剂透过、不允许溶质透过。通常又称超过滤法。因其具有适用面广、脱盐率高、占地少、投资小、建造周期短、操作简单、能耗较低和启动运行快等特点，是海水淡化技术中发展最快的。除海湾国家外，美、亚、欧洲，大中生产规模的装置都以反渗透法为首选。反渗透法淡化后的水质甚至优于自来水，可供工业、商业、居民及船舶、舰艇使用。

21世纪以前，反渗透法海水淡化三大核心技术：反渗透膜、高压泵、能量回收装置等，基本被发达国家所垄断，而一套海水淡化工程，仅反渗透膜装置就要占到工程总投资的40%左右。

反渗透海水淡化技术发展很快，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力，降低工程造价和运行成本等。

(4)电渗析法 (ED)

渗析属于一种自然物理现象。如将两种不同含盐浓度的水，用一张渗透膜隔开，含盐浓度大的一侧水的电解质离子就会穿过膜向含盐浓度小的一侧水中扩散，这种现象就是渗析，亦称为浓差渗析。如果在膜的两边施加一直流电场，电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜进行迁移，就可加快渗析速度。这样，就形成了淡水室和浓水室，将浓水排放，淡水即为除盐水。这就是电渗析法除盐原理。该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。

电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理、污水回用的手段，这种方法越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。电渗析法适用于含盐量小于20克/升的苦咸水的淡化，由于其耗能很大，只能除去水中的盐分，不能除去水中有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜，运行过程中易发生浓度极差化而结垢，大型海水淡化装置基本上不采用电渗析法。

(5)水电联产和热膜联产

水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用、降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。

热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），满足不同用水需求，降低海水淡化成本。其优点是：投资成本低，可共用海水取水口；RO和MED/MSF装置淡化产品水可按一定比例混合以满足不同需求。

4 太阳能海水淡化技术的发展与展望

人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器，如盘式太阳能蒸馏器，它有近150年的应用历史。

一种简单的太阳能蒸馏器，该蒸馏器由一个水槽组成，水槽内有一个黑色多孔的毡芯浮洞，槽顶上盖有一块透明、边缘封闭的玻璃覆盖层。太阳光穿过透明的覆盖层投射到黑色绝热的槽底，热能被水吸收。因此，塑料芯中的水面温度总是高于透明覆盖层底的温度，水从毡芯蒸发，蒸汽扩散到覆盖层上冷却为液体，排入不透明的蒸馏槽中。

与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保、运行费用低等优点。由于它结构简单，至今仍被广泛采用。将太阳能与海水脱盐工艺相结合是一种可持续发展的海水淡化技术。

光伏太阳能系统由太阳能电池组、太阳能充放电控制器、直流/交流逆变器、蓄电池（组）及配电系统组成，其发电总功率5.4千瓦；反渗透系统产水流量0.8～1.2立方米/天，主要由海水取水装置、水力循环澄清池、多介质过滤器、保安过滤器、反渗透膜处理系统、能量回收装置、多级离心泵以及加药装置等组成。

太阳能光热技术在欧美已经广泛应用于建设集中式光热电站，为当地提供电力，而当前国内外太阳能光热技术在海水淡化领域的应用还是一片空白。

已经商业化应用的太阳能聚光器主要有：槽式聚光器、塔式聚光器、碟式聚光器和菲涅尔聚光器等几种，其中槽式聚光器、塔式聚光器，已经广泛应用于大型光热电站，而碟式聚光器和菲涅尔聚光器则主要应用于分布式光热发电或供热系统。

在没有余热或低位热源的地方，如果采用低温多效蒸馏法制水，可以考虑利用槽式聚光器和菲涅尔聚光器收集太阳能，加热热媒产生蒸汽，加热蒸馏海水而制取淡水。

在海边利用太阳能光热，要考虑海洋气候特点，需在聚光器周边建设防风墙，以防止台风损坏聚光器。同样，在西北部利用太阳能将苦咸水进行淡化，也需考虑防止风沙侵害，可设置玻璃房将聚光器封闭起来，可以保护聚光器免遭风沙、冰雹危害，无需清洗，延长使用寿命。

如果采用太阳能光热为低温多效蒸馏装置提供热源蒸汽，低温多效蒸馏装置的造水比为1：10，每消耗100公斤蒸汽生产1吨淡水，生产1吨淡水的电力消耗为2.0千瓦时。在阳光平均辐射强度600瓦/平方米的三类地区如我国南方沿海地区，采用太阳能光热与低温多效蒸馏法结合进行海水淡化，每天产100公斤蒸汽需要的光热聚光镜面积大约为20平方米，也即每天1吨淡水需要20平米聚光镜提供蒸汽。如建设10000吨/天的淡化水项目，需要20万平方米的光热聚光镜。光热系统造价大约为2亿元，低温多效蒸馏装置造价大约需要1亿元，则整个光热--低温多效蒸馏系统造价合计约3亿元。

5 结语

作为常规水资源的重要补充，积极开发利用海水、苦咸水等非常规水源发展海水淡化产业，这对缓解我国沿海和中西部地区缺水状况，促进国民经济可持续发展具有重要意义。目前国外知名的海水淡化及设备制造商，包括以色列IDE、法国威力雅、新加坡凯发、德国西门子、意大利费赛亚、美国陶氏、美国海德能、比利时哈蒙等，均已进入了中国市场。因此，我们必须充分认识海水淡化的重要性和紧迫性，抓住机遇，抢占市场，大力推动我国海水淡化产业健康发展，为中华民族的伟大复兴作出应有的贡献。