淺析小型海水淡化裝置及發(fā)展

馬曉華，王樂(lè)，曹江，陳宸

（1.火箭軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，江蘇 南京 210006；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

海水淡化是采用特定工藝流程去除海水中所含的絕大部分鹽類(lèi)，使之達(dá)到生活和生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)的水處理技術(shù)。小型海水淡化裝置具有規(guī)模小、操作簡(jiǎn)單易行、能有效利用可用能源等優(yōu)勢(shì)，特別適合海上平臺(tái)、海島、艦船等場(chǎng)所，為人們提供生活用水或?yàn)橹行⌒蛣?dòng)力裝置提供動(dòng)力用水，比如日均100 噸的海水淡化裝置就可滿(mǎn)足海島上五百人的用水需求，大型遠(yuǎn)洋貨輪或蒸汽鍋爐的艦艇則需要裝備日均500 噸的海水淡化裝置，因而其具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹適合小型海水淡化裝置的三種海水淡化工藝——低溫多效蒸餾法、反滲透法和機(jī)械蒸汽再壓縮法，分析比較三種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，提出用于余熱回收的有機(jī)朗肯循環(huán)與機(jī)械蒸汽再壓縮法的小型海水淡化裝置方案，認(rèn)為綜合利用可再生能源的小型海水淡化裝置將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

1 海水淡化工藝

海水淡化兩大主要方法是蒸餾法和膜法，其中蒸餾法中的低溫多效蒸餾法（LT-MED）、多級(jí)閃蒸法（MSF）、機(jī)械蒸氣再壓縮法（MVR）等；膜法中的反滲透法（RO）等技術(shù)在陸地上的大型海水淡化裝置中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。由于多級(jí)閃蒸技術(shù)能耗和投資方面的原因，我國(guó)已較少采用，機(jī)械再壓縮蒸餾法技術(shù)由于起步較晚，目前占有率很低，所以我國(guó)主要采用低溫多效技術(shù)和反滲透技術(shù)。各海水淡化工藝的市場(chǎng)占有率如圖1所示。

圖1 各種海水淡化工藝的市場(chǎng)占有率

1.1 反滲透法（RO）

反滲透法是對(duì)海水一側(cè)施加大于海水滲透壓的壓力，使海水中的淡水通過(guò)半透膜反滲透到淡水中，從而完成海水淡化過(guò)程，流程如圖2 所示，進(jìn)料海水首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除超量的濁度和懸浮固體、膠體物質(zhì)、油脂和有機(jī)物質(zhì)等，防止粒子物質(zhì)、微生物和有機(jī)物對(duì)膜和組件的污染，然后經(jīng)高壓泵增壓后，進(jìn)入膜脫鹽設(shè)備，產(chǎn)出的中間淡水產(chǎn)品根據(jù)需求進(jìn)入不同的后處理設(shè)施，比如作飲用水，需pH 調(diào)節(jié)和加氯殺菌設(shè)備；鍋爐動(dòng)力用水，則需軟化水裝置，最終精制成產(chǎn)品淡水。核心裝置有膜組件、高壓泵（柱塞泵和多級(jí)離心泵）和能量回收裝置等[2]。

圖2 反滲透法工藝流程

反滲透為無(wú)相變過(guò)程，其優(yōu)勢(shì)包括：能耗低，每噸淡水耗電3.0～5.5 kWh；工程投資及造水成本較低；裝置緊湊，占地較少；操作簡(jiǎn)單，維修方便。但是，反滲透工藝也有其無(wú)法克服的缺陷，如預(yù)處理要求嚴(yán)格，反滲透膜需要定期更換，海水溫度低的情況下需加熱處理等。

1.2 低溫多效蒸餾法（LT-MED）

低溫多效蒸餾法是在多效蒸餾法的基礎(chǔ)上，控制最高蒸發(fā)溫度低于70℃以有效抑制設(shè)備腐蝕。該法原理是加熱后的海水在多個(gè)串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。以3效低溫多效蒸餾法為例，工藝流程如圖3，海水自循環(huán)水泵出口引出，經(jīng)凝聚、澄清、脫氣并加入阻垢劑后，進(jìn)入熱回收段最低溫度組中，經(jīng)液體分布器噴淋到各蒸發(fā)器的頂排管上，在自上而下以薄膜形式流動(dòng)的過(guò)程中，部分液體因吸熱而汽化，被蒸發(fā)的海水進(jìn)入蒸發(fā)器的下一組中，在新的一組中重復(fù)蒸發(fā)和噴淋過(guò)程[3]。

圖3 低溫多效蒸餾法工藝流程

與多級(jí)閃蒸以及傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)相比，低溫多效的海水預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)是操作程序更為簡(jiǎn)單，防腐蝕和結(jié)垢措施相對(duì)簡(jiǎn)易，系統(tǒng)動(dòng)力消耗小，熱效率高，操作安全可靠，但是，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是鹽水蒸發(fā)溫度不超過(guò)70℃，制約了熱效率的進(jìn)一步提高，低溫操作時(shí)蒸汽的比容較大，設(shè)備體積較大。

1.3 機(jī)械再壓縮蒸餾法（MVR）

機(jī)械再壓縮蒸餾法正逐漸取代低溫多效蒸餾技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化工、食品、制藥等行業(yè)的溶液濃縮、物料提純、工業(yè)廢水處理等工藝過(guò)程。其基本原理是利用壓縮機(jī)將蒸發(fā)器中的二次蒸汽壓縮提質(zhì)，循環(huán)利用高溫、高壓的二次蒸汽潛熱加熱物料，同時(shí)完成溶液蒸發(fā)和蒸汽冷凝過(guò)程，工藝流程如圖4。由于MVR系統(tǒng)只需輸入電能，如果能夠完全依賴(lài)風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源作為驅(qū)動(dòng)能源，將會(huì)是極具應(yīng)用潛力的小型海水淡化技術(shù)[4]。

圖4 機(jī)械蒸汽再壓縮法工藝流程

MVR除了具有LT-MED的優(yōu)點(diǎn)，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中，效數(shù)越大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性越好。低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)中最大的設(shè)備是換熱器，系統(tǒng)通常為4～6 效，則需要4～6 個(gè)換熱器。而MVR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與30效相當(dāng)，但只需要1個(gè)換熱器，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)流程和設(shè)備。此外，MVR 在運(yùn)行過(guò)程中不需要外部加熱蒸汽、冷卻水等，僅壓縮機(jī)、泵等部件消耗少量電能即可完成蒸發(fā)過(guò)程。由于對(duì)二次蒸汽潛熱進(jìn)行了全部循環(huán)利用，蒸發(fā)過(guò)程系統(tǒng)能耗大幅度降低，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

RO、LT-MED、MVR三種海水淡化工藝的特點(diǎn)如表1所示，如何選擇適合于小型海水淡化裝置的海水淡化工藝，應(yīng)綜合考慮應(yīng)用環(huán)境、海域水質(zhì)、產(chǎn)水用途等因素：

表1 三種海水淡化技術(shù)的特點(diǎn)

（1）對(duì)于處于水質(zhì)較差海域的船舶、海島、海上平臺(tái)等，主要考慮蒸餾法海水淡化裝置。

（2）大型常規(guī)蒸汽動(dòng)力由于所需淡水量大，鍋爐水質(zhì)要求高，一般采用蒸餾法海水淡化裝置；電能供應(yīng)充足，且對(duì)排放有嚴(yán)格要求的（如核動(dòng)力艦船），一般選擇反滲透海水淡化裝置。

（3）常規(guī)潛艇只有電力或者以柴油機(jī)供電的海島，沒(méi)有廢熱和蒸汽能源，可使用反滲透裝置或機(jī)械蒸汽再壓縮裝置。

（4）對(duì)于海島，可考慮風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源作為驅(qū)動(dòng)能源的海水淡化技術(shù)，如RO和MVR。

2 可再生能源與海水淡化

遠(yuǎn)離大陸的小型海島，缺乏水資源的同時(shí)也缺乏常規(guī)的電力資源，而電力資源恰恰又是海水淡化的重要能源。為此，國(guó)內(nèi)外研究者力圖將風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能、潮汐能等可再生能源與海水淡化工藝結(jié)合，同時(shí)滿(mǎn)足水、電的供應(yīng)，目前已有很多類(lèi)型的新能源淡化系統(tǒng)得到了可行性驗(yàn)證[5]。圖5列舉了海島上不同能源與海水淡化系統(tǒng)的可行組合和中間需要進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換形式。

圖5 利用可再生能源的海水淡化工藝

太陽(yáng)能是取之不盡的潔凈可再生能源，按太陽(yáng)能利用方式主要有兩種海水淡化途徑：太陽(yáng)熱能驅(qū)動(dòng)海水相變和光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程[6]。前者的典型應(yīng)用主要是主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)，它配備有附屬設(shè)備，能夠回收蒸汽在凝結(jié)過(guò)程中釋放的潛熱，使得運(yùn)行溫度和效率大幅度提高，或使其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程得以改善。光伏海水淡化是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過(guò)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，用來(lái)供給海水淡化設(shè)備所需的電能?？紤]到直、交變換產(chǎn)生的能量損耗，現(xiàn)在也有利用直流電供能的光伏反滲透裝置。光伏驅(qū)動(dòng)的海水淡化膜系統(tǒng)主要有反滲透和電滲析兩種，且這兩種技術(shù)裝置已經(jīng)商業(yè)化。

風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，在一些脫離大陸電網(wǎng)的孤島地區(qū)非常具有優(yōu)越性。波浪能是海洋水流所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，具有能源密度大的特點(diǎn)，但極不穩(wěn)定，難以有效利用，所以目前沒(méi)有關(guān)于波浪能的大規(guī)模應(yīng)用。海島利用潮汐供電和供水具有一系列的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)潮汐規(guī)律，其發(fā)電和供應(yīng)海水淡化裝置的能力是穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的；其次，潮汐電站無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題。海水溫差能通過(guò)使用儲(chǔ)存于海洋表面的溫海水來(lái)產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，同時(shí)又從深海抽冷海水對(duì)做完功的蒸汽進(jìn)行冷凝。海洋溫差能具有不存在間歇、受晝夜和季節(jié)的影響較小等優(yōu)點(diǎn)，十分便于海島利用。這些再生能源進(jìn)行海水淡化主要有兩種方式：一種是利用風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械能直接驅(qū)動(dòng)水泵或壓縮機(jī)；另一種是先產(chǎn)生電能，再由電能直接驅(qū)動(dòng)反滲透裝置或壓汽蒸餾裝置。

由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源的不穩(wěn)定性，造成轉(zhuǎn)化后的能量波動(dòng)性很大，品質(zhì)很不穩(wěn)定，而海水淡化裝置一般需要持續(xù)而穩(wěn)定的能量供給，這對(duì)研發(fā)耦合再生能源和海水淡化系統(tǒng)造成困難。對(duì)于無(wú)電網(wǎng)海島，主要有兩種解決途徑：一是儲(chǔ)能，如蓄電池、抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等，對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行調(diào)制，“削峰填谷”，保障電力的穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)；二是海水淡化裝置產(chǎn)能隨風(fēng)力發(fā)電的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，這對(duì)海水淡化系統(tǒng)提出了很高的要求。

3 能量回收與海水淡化

我國(guó)大部分海島仍采用以柴油機(jī)為主、可再生能源為輔的供電方式，柴油機(jī)的發(fā)電效率較低，只有約40%的燃油能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其他的能量通過(guò)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及排氣耗散到大氣中。如何利用柴油機(jī)廢熱成為提高海島能源利用效率的課題之一[8]。

2016年1月，廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)了一套日產(chǎn)淡水60 噸的海水淡化裝置，該裝置采用的是低溫多效蒸餾技術(shù)，通過(guò)回收一臺(tái)1 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)組缸套冷卻水廢熱進(jìn)行海水淡化，采用模塊化緊湊設(shè)計(jì)，與發(fā)電機(jī)組實(shí)際發(fā)電負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，裝置可在30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

針對(duì)海島上柴油機(jī)供電系統(tǒng)，除了采用低溫多效技術(shù)利用柴油機(jī)余熱進(jìn)行海水淡化，更高效的技術(shù)途徑應(yīng)為基于有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）的余熱發(fā)電技術(shù)和MVR技術(shù)相結(jié)合。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）技術(shù)先將柴油機(jī)廢熱轉(zhuǎn)換為電能，其中一部分電能用于驅(qū)動(dòng)采用機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)的海水淡化裝置，剩余電能可供其他用途使用[9]。技術(shù)方案如圖6 所示，ORC 的工作介質(zhì)首先在預(yù)熱器中被柴油機(jī)的冷卻水進(jìn)行預(yù)熱，然后在蒸發(fā)器中被柴油機(jī)的廢氣加熱蒸發(fā)，再進(jìn)入膨脹機(jī)中驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電力供MVR裝置使用。

圖6 ORC和MVR組合的海水淡化技術(shù)方案

如圖7 所示，以某海島用的1 000 kW 柴油機(jī)為例，加速按80%運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行余熱發(fā)電和海水淡化，廢熱利用率為75%，那么實(shí)際可利用的廢棄熱量為450 kW（30%），冷卻水熱量為300 kW（20%）。采用ORC 和MVR 組合的海水淡化系統(tǒng)方案，ORC 可以將750 kW柴油機(jī)廢熱產(chǎn)生69.39 kW 的電量，相當(dāng)于柴油機(jī)的發(fā)電效率提高了7%，不僅滿(mǎn)足60 噸/天的海水淡化裝置45.03 kW 的用電需求，還有約24.36 kW 的額外電量供其他動(dòng)力設(shè)備使用。當(dāng)?shù)啃枨鬁p少時(shí)，額外提供電量進(jìn)一步增加。

圖7 ORC與MVR結(jié)合的海水淡化方案

4 結(jié)論

反滲透法是小型海水淡化裝置目前采用的主流工藝，其次是低溫多效蒸餾法。對(duì)于使用1 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)組的海島而言，通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)回收柴油發(fā)電機(jī)廢熱進(jìn)行發(fā)電，所產(chǎn)電量不僅可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)MVR 系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，還可以對(duì)外輸出，從而實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)供。整套裝置可將柴油機(jī)的發(fā)電效率最高提升7%，無(wú)需外界提供能源，十分適合海島的用水用電需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。