熱膜耦合海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀與展望

樊智鋒，李 焱，王曉鵬

（上海電氣海水淡化工程技術(shù)公司，上海 200090）

1 概 述

水資源是基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是社會經(jīng)濟發(fā)展的命脈。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的急劇增加，水資源供應短缺已成為僅次于全球氣候變暖的世界第二大環(huán)境問題。預計至2025年，全球?qū)⒂薪?／3人口缺水，波及的國家和地區(qū)達40多個。我國被聯(lián)合國認定為世界上13個最貧水的國家之一。據(jù)有關(guān)部門估計，2030年前中國工業(yè)缺水量將達到600億立方米以上［1］。因此，為保證我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，急需通過科學管理提高水資源的利用率，重視開發(fā)海水淡化等新技術(shù)，以應對即將出現(xiàn)的水資源危機。

海水總量約為13.8×109立方千米，占地球總水量的95%，占地表水總量的98%。海洋蘊藏著豐富的淡水，淡水總量約占海水的97%，是一個最大而又穩(wěn)定可靠的淡水儲庫。海水因鹽分過高而使其無法作為淡水被利用，通過海水淡化，可實現(xiàn)海水中淡水和鹽分相互分離，從而獲得淡水。由于海水資源豐富，利用海水淡化開發(fā)新的淡水資源具有天然優(yōu)勢。特別是近年來，隨著海水淡化技術(shù)的快速進步，海水淡化的成本已明顯降低，世界上主要缺水國家和地區(qū)已將海水淡化作為解決水資源危機的重要途徑。

2 海水淡化技術(shù)

常用的海水淡化方法主要分為熱法和膜法兩大類。熱法是將海水加熱蒸發(fā)后得到蒸汽，然后再將蒸汽冷凝成淡水；膜法是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外加能量或化學位差作為推動力，將海水中鹽和水分離后得到淡水。目前，大規(guī)模工業(yè)化的熱法海水淡化技術(shù)，包括了多級閃蒸法（MSF）和多效蒸餾法（MED），膜法海水淡化技術(shù)主要是采用了反滲透法（RO）。

2.1 多級閃蒸技術(shù)

多級閃蒸海水淡化技術(shù)的基本原理是：原料海水經(jīng)過一系列預熱，被加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于閃蒸室內(nèi)的壓力控制在低于熱海水溫度所對應的飽和蒸汽壓力，因此，熱海水進入閃蒸室后即成為過熱水而急速部分氣化，從而使熱海水自身的溫度降低，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。

多級閃蒸技術(shù)（MSF）是較為成熟的海水淡化技術(shù)，具有安全性高、操作彈性大、運行控制簡單和產(chǎn)水水質(zhì)好等特點，深受中東地區(qū)海水淡化市場的青睞。此外，單機產(chǎn)量大，也是優(yōu)于其它海水淡化技術(shù)的特點之一。目前，已有單機產(chǎn)量為78 700噸／天的MSF裝置在阿聯(lián)酋投產(chǎn)。MSF裝置可與火電站聯(lián)合建設，適合建成大型和超大型的淡化裝置，這類淡化裝置在海灣國家被大量采用。多級閃蒸技術(shù)的發(fā)展將著重于提高裝置單機造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等方面。

2.2 多效蒸餾技術(shù)

多效蒸餾技術(shù)是采用了若干個由蒸發(fā)器組成的系統(tǒng)，將上級蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的二次蒸汽引入下級蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，同時，加熱蒸汽也在下級蒸發(fā)器中冷凝，成為淡水，如此依次進行。當前，具有廣闊市場前景的多效蒸餾海水淡化技術(shù)為低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)（LT－MED），LT－MED系統(tǒng)采用的是橫管降膜蒸發(fā)器，以低于70℃的飽和蒸汽為熱源，將換熱管外海水加熱使之部分蒸發(fā)生成二次蒸汽，二次蒸汽作為后效裝置的熱源，加熱海水后產(chǎn)生的蒸汽，在換熱管內(nèi)冷凝成淡水，管外海水的蒸發(fā)和管內(nèi)蒸汽的冷凝逐效重復進行。

與MSF海淡技術(shù)相比，LT－MED海水淡化技術(shù)具有明顯的優(yōu)點：（1）由于首效裝置內(nèi)鹽水蒸發(fā)溫度低于70℃，而MSF裝置內(nèi)的最高鹽水蒸發(fā)溫度（TBT）約為110℃，所以LT－MED設備的結(jié)垢和腐蝕風險相對較?。唬?）LT－MED采用橫管降膜蒸發(fā)器，換熱管的兩側(cè)介質(zhì)都發(fā)生相變，海淡設備的傳熱效率較高，而設備的投資額相對較低；（3）與常用的MSF海水淡化過程相比，LT－MED海水淡化過程可以節(jié)省2／3的電耗，淡化水的成本較低。近年來，LT－MED的單機容量不斷增大，目前投產(chǎn)的單機產(chǎn)水量已達38 500t／d。隨著LT－MED單機容量的不斷增大，在技術(shù)方面，可在中東地區(qū)與MSF海水淡化技術(shù)展開競爭。

2.3 反滲透技術(shù)

反滲透海水淡化技術(shù)的核心元件是反滲透膜，反滲透膜具有滲透選擇性，當利用高壓泵在反滲透膜的一側(cè)對海水加壓時，淡化水會滲透到膜的另一側(cè)。實現(xiàn)驅(qū)動淡水通過反滲透膜，外加壓力需要克服海水的滲透壓。與熱法海水淡化相比，反滲透淡化過程中海水不發(fā)生相變，根據(jù)熱力學計算，常溫下用反滲透海水淡化的最低能耗僅為0.7度／噸左右，從理論上講，是最節(jié)能的海水淡化方法［2］。

反滲透技術(shù)憑借其在設備投資和淡水成本較低等方面的優(yōu)勢，在海水淡化項目中得到廣泛的應用，尤其是在中東地區(qū)之外的區(qū)域，反滲透海水淡化具有相當大的市場占有率。然而，反滲透膜對進料海水的水質(zhì)要求較高，通常需要考慮懸浮物、溶解性無機鹽類、微生物類等污染物對膜引起的污染，所以，反滲透膜法海水淡化過程對海水預處理的要求較高。從某種意義上說，海水預處理對于膜法海水淡化工程的成功投運具有決定性作用。此外，反滲透膜的性能對海水水質(zhì)波動的適應性較差，如在我國北方地區(qū)，海水溫度在各季節(jié)中的變化，通常會對膜法海水淡化工程的運行產(chǎn)生較大影響。

3 熱膜耦合海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)技術(shù)研究與工程實踐，以及對熱法和膜法海水淡化工藝的優(yōu)化及設備的技術(shù)改進，已顯著降低了海水淡化的制水成本。然而，燃料與材料成本的不斷增加，又對海水淡化項目的投資和運行費用提出了新的挑戰(zhàn)，因此，開發(fā)新型工藝，降低投資和運行成本一直是海水淡化相關(guān)研究的熱點和重點。目前，大規(guī)模工業(yè)化海水淡化技術(shù)已被掌握，而比較新穎的是熱膜耦合法海水淡化技術(shù)。熱膜耦合技術(shù)是一種基于熱法和膜法的海水淡化技術(shù)，但是不是兩種方法的簡單組合，而是一種集成技術(shù)。熱膜耦合法海水淡化技術(shù)通過優(yōu)化工藝和合理配置系統(tǒng)，以降低淡水產(chǎn)品的成本。

熱法海水淡化技術(shù)具有的特點：（1）海水利用率較低（12%～20%）；（2）冷卻水攜帶熱量離開；（3）淡化水含鹽量較低（＜25mg／L）；（4）淡化水溫度較高，需要用海水冷卻；（5）提高了最高蒸發(fā)溫度，設備存在結(jié)垢威脅；（6）系統(tǒng)產(chǎn)水量與蒸汽量息息相關(guān)。

膜法海水淡化技術(shù)具有的特點：（1）海水溫度波動影響膜通量，海水進水溫度較高時，膜通量增大；（2）排放的鹽水濃度較高；（3）淡化水的總含鹽量（簡稱TDS）較高，約為150～600mg／L；（4）淡化水有時需要考慮脫硼；（5）不用蒸汽，啟動和停機較簡便。

根據(jù)熱法和膜法兩類海水淡化技術(shù)的特點分析，可知這兩類方法具有一定的互補性，通過熱膜耦合海淡技術(shù)，能將熱法和膜法海水淡化技術(shù)有機地結(jié)合起來，可更好地發(fā)揮海水淡化裝置的優(yōu)勢，更合理的利用海水和熱量，減少海水淡化系統(tǒng)的進料海水流量、排放海水流量和排放熱量，降低海水淡化的投資成本和運行成本，具有可觀的經(jīng)濟效益。

3.1 熱膜耦合技術(shù)的發(fā)展

國外的相關(guān)研究結(jié)果表明，熱膜耦合技術(shù)不僅可提高熱法海水回收率、減少排放熱量、降低設備結(jié)垢風險，還能提高膜法淡水的產(chǎn)量、簡化工藝、提高回收率。目前，文獻報道的相關(guān)熱膜耦合過程研究可分為幾類。

（1）通過耦合技術(shù)改變熱法和膜法海水淡化單元的進水和排水方式，從而優(yōu)化海水淡化系統(tǒng)的整體性能。

該類MSF／RO耦合工藝過程中，通常將MSF單元的排放鹽水與部分冷卻水混合的，作為RO單元的進水。這樣可提高MSF單元的水利用率，降低系統(tǒng)能耗；還可以提高RO單元的進水溫度，增大RO膜通量或降低RO膜的操作壓力，從而降低系統(tǒng)的能耗。研究結(jié)果表明，利用MSF／RO耦合工藝，將MSF的排熱段出水作為RO的進水，進水溫度升高1℃，RO膜的產(chǎn)水通量提高2%～3%［3］。

此外，還通過將MSF／MED產(chǎn)水與RO產(chǎn)水進行混合，實現(xiàn)分質(zhì)供水。由于MSF和MED產(chǎn)水TDS含量很低，通常低于10mg／L，RO產(chǎn)水TDS含量較高，可以根據(jù)不同的水質(zhì)需求，適當調(diào)節(jié)兩種水的比例。需要指出的是，因常規(guī)的RO膜產(chǎn)水難以達到硼的脫除要求，當海水淡化水用于飲用水時，需要單獨考慮脫硼工藝。如果采用熱膜耦合工藝，可通過調(diào)節(jié)兩種產(chǎn)水的比例，控制供水中硼的含量。此外，如考慮將MSF／MED產(chǎn)水與RO產(chǎn)水混合，RO系統(tǒng)可以只使用SWRO（海水反滲透）系統(tǒng)，而不再需要BWRO（苦海水反滲透）系統(tǒng)。文獻［4］的研究認為，簡單的MSF／RO耦合淡化系統(tǒng)，就是將MSF的產(chǎn)水與RO產(chǎn)水混合，與單一的RO淡化系統(tǒng)相比，可以降低13%的產(chǎn)水成本。

（2）利用膜法單元改變熱法海水淡化單元的進水水質(zhì)，從而優(yōu)化海水淡化系統(tǒng)的整體性能。

海水中含有一定濃度的易結(jié)垢離子（如Ca2＋、Mg2＋、SO42－和 HCO3－），在熱法裝置中，通常要限制其運行的最高鹽水溫度（TBT），以防止出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。如能夠在一定程度上提高TBT，則可提高熱法裝置的產(chǎn)水能力和造水比。

沙特的鹽水轉(zhuǎn)換公司（SWCC）開展了新型的熱膜耦合技術(shù)研究［5，6］，該研究采用納濾（NF）作為MSF的預處理。由于NF可去除海水中的大部分易結(jié)垢離子，所以可較大程度的提高MSF運行TBT。中試研究表明，在 MSF／NF耦合過程中，可將MSF的運行TBT提高至130℃，且在運行過程中無需增加阻垢劑，其海水回收率由常規(guī)的35%提高至70%。

（3）在大型的水電聯(lián)產(chǎn)項目中，熱膜耦合海水淡化技術(shù)還能更好地實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)和制水系統(tǒng)的良好匹配，使得水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加經(jīng)濟高效。

日本公司對水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，如果只采用MSF技術(shù)進行海水淡化，其淡化水的比能耗隨著發(fā)電負荷的增大而減??；如果采用50%MSF和50%RO耦合技術(shù)進行海水淡化，其淡化水的比能耗基本不受發(fā)電負荷的影響，比能耗約為單一MSF淡化／發(fā)電系統(tǒng)比能耗的60%［7］。

國外某公司研究了SWRO的淡化過程，在阿聯(lián)酋已有MSF淡化裝置以及發(fā)電系統(tǒng)的集成，研究結(jié)果表明，SWRO／MSF耦合技術(shù)改善了MSF技術(shù)的性能，可降低產(chǎn)品水的成本。而且，RO通過熱備用技術(shù)可以利用大部分冬季多余的電能，從而進一步降低了水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的成本［8］。

國外研究人員針對地中海區(qū)域進行了MSF／RO／發(fā)電耦合系統(tǒng)的優(yōu)化模型研究，發(fā)現(xiàn)可通過改變從汽輪機抽汽的壓力和MSF與RO的產(chǎn)水比例，以實現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最大經(jīng)濟效益［9］。

3.2 相關(guān)工程的應用

阿聯(lián)酋和沙特已建有MSF／RO熱膜耦合海水淡化工程，其中大部分工程是淡化水廠的擴建工程，采用簡單的耦合過程，即MSF與SWRO共用取水和排水設施，MSF的產(chǎn)水與SWRO產(chǎn)水混合。韓國公司在阿聯(lián)酋完成的熱膜耦合海水淡化項目（28.4萬噸／天 MSF＋17.0萬噸／天RO），從設計階段就考慮了熱膜耦合技術(shù)，與單純熱法（MSF）相比，減少了40%的能量消耗，每年可節(jié)省約6千萬美元。此外，通過采用耦合技術(shù)，原海水用量由188 000噸／小時減少至140 000噸／小時，冷卻水用量由168 500噸／小時減少至117 100噸／小時［8］。

4 結(jié) 語

熱膜耦合是一種先進的海水淡化技術(shù)，能夠充分發(fā)揮熱法和膜法兩種海水淡化的技術(shù)優(yōu)勢，從而降低總體系統(tǒng)的投資費用和運行成本，具有較大的市場潛力。根據(jù)海水淡化的技術(shù)發(fā)展趨勢以及市場的區(qū)域分布，針對熱膜耦合海水淡化技術(shù)，還需從幾個方面入手開展研究，從而為該技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應用奠定基礎。

（1）低溫多效蒸餾與反滲透海水淡化的耦合

現(xiàn)有熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究主要集中于MSF與RO的耦合。由于LT－MED技術(shù)在設備投資和運行能耗方面都比MSF具有優(yōu)勢，其被認為是未來水電聯(lián)產(chǎn)的主流熱法海水淡化技術(shù)。所以，還需要對LT－MED與RO的耦合技術(shù)進行深入研究，從而為后續(xù)工程的應用提供參考。

（2）新型膜分離過程與熱法海水淡化的耦合

隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，將會有其他新型膜分離技術(shù)被應用于海水淡化領域，如納濾技術(shù)等。部分研究表明，通過納濾對海水進行預脫鹽，可提高熱法的最高蒸發(fā)溫度，但納濾膜的運行維護以及使用壽命都將對熱膜耦合整體系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性產(chǎn)生較大影響。因此，對于這類新型的膜分離技術(shù)與熱法的耦合，還需要大量的試驗研究，并進行技術(shù)經(jīng)濟性評價。

（3）熱膜耦合技術(shù)的區(qū)域適用性研究

已有研究及工程應用大多集中在中東地區(qū)，用戶類型也相對集中在水電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)。隨著國際海水淡化市場的快速發(fā)展，在中東地區(qū)的海水淡化中通常采用的熱膜耦合技術(shù)，這種技術(shù)是否能適用于其他地區(qū)還需要進一步研究。我國的海岸線較長，而且不同區(qū)域的海水水質(zhì)差異較大，因此，還需要對熱膜耦合技術(shù)的區(qū)域適用性進行研究，才能更好地開發(fā)和利用適用于不同區(qū)域的熱膜耦合海水淡化技術(shù)。