浅析我国海水淡化技术

邱明英

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

众所周知，我国的淡水资源十分稀缺，有400多个城市常年处于缺水状态，其中北方沿海诸多地区属于最缺水的地区之一。作为淡水资源的增量技术，海水淡化技术得到了越来越多的应用，有效缓解了沿海地区尤其是岛屿的用水困境。考虑到淡水资源的匮乏，水价的逐步提高，海水淡化技术的日益成熟、新材料的利用以及工艺国产化对降低其制水成本的作用，海水淡化技术的经济成本已呈逐年下降趋势，是未来缓解国内沿海地区淡水资源短缺的必然趋势。

海水淡化技术工艺繁多，技术种类超过20余种，包括多级闪蒸法、低温多效蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冻结法及离子交换法等。鉴于技术成熟度和经济成本的制约，目前已在国际上取得成功商业化应用的技术主要有三种，分别是多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（LT-MED）和反渗透（SWRO）[1、2]。

1 国内主流工艺

1.1 多级闪蒸（MSF）[3]

多级闪蒸技术属于蒸馏法，是海水淡化中商业化应用较早的工艺之一，国外海水淡化装置在20世纪80年代前多采用此技术。该技术在1989年首次引入我国，成功应用于天津大港电厂二期海水淡化工程，全套多级闪蒸装置均为美国进口，是迄今为止国内唯一一个采用多级闪蒸技术的海水淡化工程。

工艺流程：海水首先经过澄清和加氯消毒预处理，经蒸气预热后到达蒸气加热器，被加热至90℃～115℃后送入第一闪蒸室，同时控制闪蒸室内的压力低于海水的饱和蒸气压，部分海水迅速形成蒸气，蒸气经除雾器除去杂质后在冷凝管束表面冷凝，收集后即可得到淡水；其余没有气化的海水温度降低，流入下一个闪蒸室继续闪蒸，并重复蒸发和冷凝的过程，将一系列压力逐级降低的闪蒸室串联起来，即可连续产出淡水。工艺流程图如图1。

图1 MSF技术工艺流程图

主要优点是设备单机容量大、出水品质好（产品水盐度一般为3～10mg/L）、使用寿命较长、造水比高（规模在4万～5万m3/t的装置造水比为13～14）、热效率高等。缺点是操作温度多为110℃～120℃，设备材料多采用抗腐蚀性较好的不锈钢及铜镍合金，工程投资高，一般为采用反渗透技术工程的2倍。此外，设备的操作弹性较小，一般为设计值的80%～110%，因此不太适应产水量变动较大的工程。

适用范围：多级闪蒸技术一般利用电厂的低位蒸气为热源以降低运行成本，多用于大型海水淡化工程，为燃煤锅炉提供优质淡水，此外也可用于生活用水。

1.2 低温多效蒸馏（LT-MED） [4]

低温多效蒸馏是20世纪80年代后逐步发展成熟的技术。所谓 “低温”是指海水最高的蒸馏温度不超过70℃。该技术工艺的蒸发器由一系列连续的水平喷淋降膜蒸发器串联构成。海水在冷凝器中预热、脱气后分成两股，其中一股排回大海，另一股充当进料液。加入阻垢剂的进料液首先被引入蒸发器温度最低的效组中。喷淋系统把料液分布到顶排管上，在自上向下的降膜过程中，一部分海水吸收了管束内冷凝蒸气的潜热而汽化，冷凝液以淡化水导出，蒸气进下一效组，剩余料液也泵入下一效组中，该效组的操作温度高于上一效组，在新的效组中又重复了蒸发和喷淋过程，直到料液在温度最高的效组中以浓缩液的形式排出。工艺流程图如图2所示。

图2 LT-MED技术工艺流程图

低温多效装置可以用约70℃、0.03～0.035MPa的蒸气作为热源，也可采用热压缩装置，进一步提高系统的热效率。目前绝大部分低温多效蒸馏工艺采用压气蒸馏的方法，利用蒸气喷射器对蒸气压缩以提高热效率，称为热压缩（TVC），或采用机械蒸气压缩机，即机械压缩（MVC）。

主要优点是无需复杂的海水预处理，能适应各种海水条件的变化；减少了占地面积、降低了土建成本；耗电量很低（1.5kW·h/m3），热效率比多级闪蒸高，约30℃的温差可达到10左右的造水比；运行温度远远低于多级闪蒸装置的110℃，能耗和管壁腐蚀及结垢速率均较低，而热效率较高；操作弹性很大，负荷范围从110%变到40%，皆可正常操作，且不会使造水比下降。缺点是与反渗透工艺相比，设备体积较大，设备造价相对较高。

适用范围：低温多效蒸馏与多级闪蒸的适应条件基本相同。低温多效蒸馏技术近年来在国内的主要应用包括河北首钢京唐钢铁厂5万m3/t水电联产海水淡化工程、天津北疆一期20万m3/t海水淡化工程等。

1.3 反渗透（SWRO）[5]

反渗透（SWRO）技术是对反渗透膜一侧的水施加大于渗透压的压力，水分子利用反渗透膜的选择透过性不断地透过反渗透膜，在反渗透膜的出水侧收集后最后在出水端流出，而进水中的杂质被截留在反渗透膜的进水侧，然后在浓水出水端流出。

反渗透装置由高压泵、能量回收装置、压力提升泵、反渗透装置、变频控制柜及辅助设备组成。海水经预处理去除悬浮物后，经高压泵增压送入第一个膜元件，在较高压力下，在螺旋卷绕的进水隔网通道内流动，其中一部分水分子不断渗透过膜，经产水隔网流道进入到卷式膜元件的中心管，生产出淡水。其余进水沿着水流方向继续流动至下一个膜元件，通过多个膜元件的串联，连续产出淡水。该技术系统的核心是反渗透膜。当前主流的渗透元件为8英寸元件（直径20cm），更大的16英寸元件（直径40cm）已在新加坡的海水淡化工程中使用，极可能成为今后的主流元件。该技术系统不消耗蒸气，只消耗电能，用电量的多少与进水的含盐量、水温度、浓缩倍率及出水的水质有关，其能耗一般为9～10kW·h/m3，若有能量回收装置，则所需能耗为3.5～6kW·h/m3。

反渗透技术与多级闪蒸、低温多效蒸馏技术相比，不需要消耗蒸气，具有高效率、低能耗、设备紧凑美观、易自动控制等优点。目前，该技术系统的大部分设备已实现国产化，但高压泵、能量回收装置及部分膜组件的技术仍处于摸索阶段，设备需要进口。缺点是膜的膜通量对温度较敏感，特别是在冬季水温低时，膜通量会大幅下降。

适用范围：适用于各种海水淡化工程。近年来国内具有代表性的应用包括山东青岛百发10万m3/d海水淡化工程、山东青岛董家口10万m3/d海水淡化工程、天津大港新泉10万m3/d海水淡化工程等。工艺流程图见图3。

图3 SWRO技术工艺流程图

1.4 技术性能对比

3种淡化工艺的技术性能见下表[6～8]。

海水淡化3种工艺技术的比较表

从表中可看出，蒸馏法与反渗透法的主要技术区别是：对进水水质的要求不同、单机产水量不同、变工况能力不同、能（热）耗不同等。蒸馏法在装置规模、预处理系统的要求、出水水质、运行可靠性及电耗方面具有明显优势，但蒸馏法的总能耗比反渗透法高。从海水用量上看，反渗透法水的利用率高，因此取水量较少。在变工况能力上，反渗透法则没有限制。

2 国内海水淡化现状[9、10]

目前，我国已将开发和合理利用淡水资源提升到战略层面，海水利用已成为 “十三五”海洋经济创新发展区域示范重点支持的三大产业之一。《全国海水利用“十三五”规划》明确指出：截至2020年底，国内海水淡化工程产能要达到220万m3/d以上，新增沿海城市海水淡化工程规模要达到105万m3/d以上，海水利用力争实现规模化应用。

截至2016年底，国内共建成海水淡化工程131个，产水能力达到118.80万m3/d。其中，2016年海水淡化工程新增产能17.90万m3/d。在技术应用方面，我国海水淡化工程多采用反渗透、低温多效蒸馏技术。采用反渗透技术的海水淡化工程共计112个，产能达到81.26万m3/d，占总产能的68.40%；采用低温多效蒸馏技术的工程有16个，工程总规模可达36.92万m3/d，占总产能的31.07%；采用多级闪蒸技术的工程只有1个，工程规模约为0.6万m3/d，仅占总产能的0.50%。2016年国内海水淡化年产水成本在5～8元/m3，主要包括电力消耗成本、蒸气消耗成本、药剂消耗成本、膜更换成本、人工成本、折旧成本及维护成本等。其中，日产水能力在万吨级以上的产水成本平均为6.22元/t，日产水能力在千吨级的产水成本平均为7.2元/t。

3 结语

以海水淡化为代表的海水利用技术已成为解决我国淡水资源短缺最重要的途径，国内技术主要以反渗透和多效蒸馏为主，反渗透技术由于工艺的便捷性、通用性，市场有逐步扩大的趋势。不同的海水淡化方法有各自的优势，用途不同且不能相互替代。因此，应在充分了解海水淡化技术的基础上，还要根据当地的环境特征和运行目标，进行具体的经济技术分析与遴选，选择更加适合当地经济发展的工程方案。

参考文献：

[1] 钟文健．海水淡化在沿海电厂中的应用及分析[J]．当代化工研究，2017（5）：106-107．

[2] 王琪，谭永文，张夏卿，薛立波，栗鸿强．海水淡化产业发展现状[J]．水处理技术，2016，42（10）：17-19．

[3] 杨毅，陈志莉，王强，吕楠，于涛，刘洪涛．基于可再生能源的海水淡化技术研究进展[J]．污染防治技术，2016，29（1）：4-9．

[4] 王宏涛，李保安，刘兵，等．海水淡化技术现状及新技术评述[J]．盐业与化工，2014，43（6）：1-4．

[5] 李志敏，曾秋苑，李淳，等．MSF、RO/ED海水淡化技术研究[J]．海水淡化技术研究，2012，26（5）：125-128．

[6] 只健强，郭民臣，赵朦，刘新利，张宇．热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价[J]．资源节约与环保，2017（9）：27-32．

[7] 王世明，周婷．海水淡化系统相关集成技术[J]．现代化工，2016，36（11）：42-46．

[8] 杨尚宝．我国海水淡化进展及展望[J]．水处理技术，2014，40（12）：1-4．

[9] 李鹏，肖飞，高海菊．我国海水淡化产业发展趋势与探讨[J]．东北水利水电，2016，34（2）：66-68．

[10] 国家海洋局．2016年全国海水利用报告[R]．2017．