浅析小型海水淡化装置及发展

马晓华，王乐，曹江，陈宸

（1.火箭军装备部驻南京地区第二军事代表室，江苏 南京 210006；2.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

海水淡化是采用特定工艺流程去除海水中所含的绝大部分盐类，使之达到生活和生产用水标准的水处理技术。小型海水淡化装置具有规模小、操作简单易行、能有效利用可用能源等优势，特别适合海上平台、海岛、舰船等场所，为人们提供生活用水或为中小型动力装置提供动力用水，比如日均100 吨的海水淡化装置就可满足海岛上五百人的用水需求，大型远洋货轮或蒸汽锅炉的舰艇则需要装备日均500 吨的海水淡化装置，因而其具有广阔的应用前景。本文介绍适合小型海水淡化装置的三种海水淡化工艺——低温多效蒸馏法、反渗透法和机械蒸汽再压缩法，分析比较三种工艺的优缺点，提出用于余热回收的有机朗肯循环与机械蒸汽再压缩法的小型海水淡化装置方案，认为综合利用可再生能源的小型海水淡化装置将是未来发展的重点。

1 海水淡化工艺

海水淡化两大主要方法是蒸馏法和膜法，其中蒸馏法中的低温多效蒸馏法（LT-MED）、多级闪蒸法（MSF）、机械蒸气再压缩法（MVR）等；膜法中的反渗透法（RO）等技术在陆地上的大型海水淡化装置中得到了较为广泛的应用[1]。由于多级闪蒸技术能耗和投资方面的原因，我国已较少采用，机械再压缩蒸馏法技术由于起步较晚，目前占有率很低，所以我国主要采用低温多效技术和反渗透技术。各海水淡化工艺的市场占有率如图1所示。

图1 各种海水淡化工艺的市场占有率

1.1 反渗透法（RO）

反渗透法是对海水一侧施加大于海水渗透压的压力，使海水中的淡水通过半透膜反渗透到淡水中，从而完成海水淡化过程，流程如图2 所示，进料海水首先经过预处理去除超量的浊度和悬浮固体、胶体物质、油脂和有机物质等，防止粒子物质、微生物和有机物对膜和组件的污染，然后经高压泵增压后，进入膜脱盐设备，产出的中间淡水产品根据需求进入不同的后处理设施，比如作饮用水，需pH 调节和加氯杀菌设备；锅炉动力用水，则需软化水装置，最终精制成产品淡水。核心装置有膜组件、高压泵（柱塞泵和多级离心泵）和能量回收装置等[2]。

图2 反渗透法工艺流程

反渗透为无相变过程，其优势包括：能耗低，每吨淡水耗电3.0～5.5 kWh；工程投资及造水成本较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便。但是，反渗透工艺也有其无法克服的缺陷，如预处理要求严格，反渗透膜需要定期更换，海水温度低的情况下需加热处理等。

1.2 低温多效蒸馏法（LT-MED）

低温多效蒸馏法是在多效蒸馏法的基础上，控制最高蒸发温度低于70℃以有效抑制设备腐蚀。该法原理是加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。以3效低温多效蒸馏法为例，工艺流程如图3，海水自循环水泵出口引出，经凝聚、澄清、脱气并加入阻垢剂后，进入热回收段最低温度组中，经液体分布器喷淋到各蒸发器的顶排管上，在自上而下以薄膜形式流动的过程中，部分液体因吸热而汽化，被蒸发的海水进入蒸发器的下一组中，在新的一组中重复蒸发和喷淋过程[3]。

图3 低温多效蒸馏法工艺流程

与多级闪蒸以及传统的多效蒸发相比，低温多效的海水预处理的优点是操作程序更为简单，防腐蚀和结垢措施相对简易，系统动力消耗小，热效率高，操作安全可靠，但是，该系统的缺点是盐水蒸发温度不超过70℃，制约了热效率的进一步提高，低温操作时蒸汽的比容较大，设备体积较大。

1.3 机械再压缩蒸馏法（MVR）

机械再压缩蒸馏法正逐渐取代低温多效蒸馏技术，广泛应用于化工、食品、制药等行业的溶液浓缩、物料提纯、工业废水处理等工艺过程。其基本原理是利用压缩机将蒸发器中的二次蒸汽压缩提质，循环利用高温、高压的二次蒸汽潜热加热物料，同时完成溶液蒸发和蒸汽冷凝过程，工艺流程如图4。由于MVR系统只需输入电能，如果能够完全依赖风能、太阳能、潮汐能等可再生能源作为驱动能源，将会是极具应用潜力的小型海水淡化技术[4]。

图4 机械蒸汽再压缩法工艺流程

MVR除了具有LT-MED的优点，还具有结构简单、运行效率高等优点。在多效蒸发系统中，效数越大，系统经济性越好。低温多效蒸发系统中最大的设备是换热器，系统通常为4～6 效，则需要4～6 个换热器。而MVR系统的经济性与30效相当，但只需要1个换热器，大大简化了系统流程和设备。此外，MVR 在运行过程中不需要外部加热蒸汽、冷却水等，仅压缩机、泵等部件消耗少量电能即可完成蒸发过程。由于对二次蒸汽潜热进行了全部循环利用，蒸发过程系统能耗大幅度降低，节能环保效果显著。

RO、LT-MED、MVR三种海水淡化工艺的特点如表1所示，如何选择适合于小型海水淡化装置的海水淡化工艺，应综合考虑应用环境、海域水质、产水用途等因素：

表1 三种海水淡化技术的特点

（1）对于处于水质较差海域的船舶、海岛、海上平台等，主要考虑蒸馏法海水淡化装置。

（2）大型常规蒸汽动力由于所需淡水量大，锅炉水质要求高，一般采用蒸馏法海水淡化装置；电能供应充足，且对排放有严格要求的（如核动力舰船），一般选择反渗透海水淡化装置。

（3）常规潜艇只有电力或者以柴油机供电的海岛，没有废热和蒸汽能源，可使用反渗透装置或机械蒸汽再压缩装置。

（4）对于海岛，可考虑风能、太阳能、潮汐能等可再生能源作为驱动能源的海水淡化技术，如RO和MVR。

2 可再生能源与海水淡化

远离大陆的小型海岛，缺乏水资源的同时也缺乏常规的电力资源，而电力资源恰恰又是海水淡化的重要能源。为此，国内外研究者力图将风能、太阳能、波浪能、潮汐能等可再生能源与海水淡化工艺结合，同时满足水、电的供应，目前已有很多类型的新能源淡化系统得到了可行性验证[5]。图5列举了海岛上不同能源与海水淡化系统的可行组合和中间需要进行的能量转换形式。

图5 利用可再生能源的海水淡化工艺

太阳能是取之不尽的洁净可再生能源，按太阳能利用方式主要有两种海水淡化途径：太阳热能驱动海水相变和光伏发电驱动膜分离过程[6]。前者的典型应用主要是主动式太阳能蒸馏系统，它配备有附属设备，能够回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，使得运行温度和效率大幅度提高，或使其内部的传热传质过程得以改善。光伏海水淡化是将太阳辐射能转化为直流电能，再通过逆变器将直流电能转换成交流电能，用来供给海水淡化设备所需的电能。考虑到直、交变换产生的能量损耗，现在也有利用直流电供能的光伏反渗透装置。光伏驱动的海水淡化膜系统主要有反渗透和电渗析两种，且这两种技术装置已经商业化。

风能是一种可再生的清洁能源，在一些脱离大陆电网的孤岛地区非常具有优越性。波浪能是海洋水流所具有的动能和势能，具有能源密度大的特点，但极不稳定，难以有效利用，所以目前没有关于波浪能的大规模应用。海岛利用潮汐供电和供水具有一系列的优势，根据潮汐规律，其发电和供应海水淡化装置的能力是稳定且可预测的；其次，潮汐电站无环境污染问题。海水温差能通过使用储存于海洋表面的温海水来产生蒸汽并驱动汽轮机，同时又从深海抽冷海水对做完功的蒸汽进行冷凝。海洋温差能具有不存在间歇、受昼夜和季节的影响较小等优点，十分便于海岛利用。这些再生能源进行海水淡化主要有两种方式：一种是利用风能产生的机械能直接驱动水泵或压缩机；另一种是先产生电能，再由电能直接驱动反渗透装置或压汽蒸馏装置。

由于风能、太阳能等再生能源的不稳定性，造成转化后的能量波动性很大，品质很不稳定，而海水淡化装置一般需要持续而稳定的能量供给，这对研发耦合再生能源和海水淡化系统造成困难。对于无电网海岛，主要有两种解决途径：一是储能，如蓄电池、抽水储能、压缩空气储能等，对风力发电进行调制，“削峰填谷”，保障电力的稳定持续供应；二是海水淡化装置产能随风力发电的变化进行调节，这对海水淡化系统提出了很高的要求。

3 能量回收与海水淡化

我国大部分海岛仍采用以柴油机为主、可再生能源为辅的供电方式，柴油机的发电效率较低，只有约40%的燃油能量转变为机械能，其他的能量通过冷却系统、润滑系统以及排气耗散到大气中。如何利用柴油机废热成为提高海岛能源利用效率的课题之一[8]。

2016年1月，广州中国科学院先进技术研究所开发了一套日产淡水60 吨的海水淡化装置，该装置采用的是低温多效蒸馏技术，通过回收一台1 000 kW 柴油发电机组缸套冷却水废热进行海水淡化，采用模块化紧凑设计，与发电机组实际发电负荷变化实现自适应调节，装置可在30%～100%负荷范围内平稳运行。

针对海岛上柴油机供电系统，除了采用低温多效技术利用柴油机余热进行海水淡化，更高效的技术途径应为基于有机朗肯循环（ORC）的余热发电技术和MVR技术相结合。有机朗肯循环（ORC）技术先将柴油机废热转换为电能，其中一部分电能用于驱动采用机械蒸汽再压缩技术的海水淡化装置，剩余电能可供其他用途使用[9]。技术方案如图6 所示，ORC 的工作介质首先在预热器中被柴油机的冷却水进行预热，然后在蒸发器中被柴油机的废气加热蒸发，再进入膨胀机中驱动发电机发电，所发电力供MVR装置使用。

图6 ORC和MVR组合的海水淡化技术方案

如图7 所示，以某海岛用的1 000 kW 柴油机为例，加速按80%运行负荷进行余热发电和海水淡化，废热利用率为75%，那么实际可利用的废弃热量为450 kW（30%），冷却水热量为300 kW（20%）。采用ORC 和MVR 组合的海水淡化系统方案，ORC 可以将750 kW柴油机废热产生69.39 kW 的电量，相当于柴油机的发电效率提高了7%，不仅满足60 吨/天的海水淡化装置45.03 kW 的用电需求，还有约24.36 kW 的额外电量供其他动力设备使用。当淡水量需求减少时，额外提供电量进一步增加。

图7 ORC与MVR结合的海水淡化方案

4 结论

反渗透法是小型海水淡化装置目前采用的主流工艺，其次是低温多效蒸馏法。对于使用1 000 kW 柴油发电机组的海岛而言，通过有机朗肯循环回收柴油发电机废热进行发电，所产电量不仅可以用来驱动MVR 系统生产淡水，还可以对外输出，从而实现水电联供。整套装置可将柴油机的发电效率最高提升7%，无需外界提供能源，十分适合海岛的用水用电需求，具有广阔的应用前景。