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莱特莱德海水淡化技术评述与成本分析

2012-10-19

  据联合国的调查数据,“在中国,有10个省、市、自治区的人均水资源拥有量不足1000m3”。我国沿海地区虽然只有国土面积的13%,但却居住着全国40%的人口,提供60%以上的国民生产总值。这一地区由于人口稠密,经济发达,水资源供需矛盾尤为突出。为此,莱特莱德技术人员整理总结海水淡化技术评述和成本分析,充分发挥这些地区濒临海洋的优势,走海水淡化之路才是解决缺水问题的一条重要途径。

  1、我国海水淡化发展概况

  我国的海水淡化技术研究始于1958年,起步技术为电渗析,1965年开始反渗透技术的研究,1975年开始研究大中型蒸馏技术,1981年建成200t/d的电渗析海水淡化装置,1986年建成6000t/d的电厂多级闪蒸海水淡化装置,1994年1000t/d海水反渗透淡化工程投产,1997年调试成功1200t/d多级闪蒸海水淡化装置,1997年500t/d反渗透海水淡化装置投入运行,2000年10月1000t/d反渗透海水淡化示范工程建成投产,2000年底1.8万t/d高浓度苦咸水淡化工程投产,2001年反渗透海水淡化装置投产,2002年从美国引进多级闪蒸海水淡化装置投产。

  2、技术评述

  海水淡化方法按分离过程可分为蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中蒸馏法又有多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(ME)和压汽蒸馏(VC)之分,膜法海水淡化技术则包含了反渗透法(RO)和电渗析法(ED),结晶法则由冷冻法和水合物法构成。虽然淡化方法有许多种,但多年的实践表明,真正实用的海水淡化只有MSF、ME、VC、ED和RO等方法

  我国海水淡化采用台数最多的是电渗析技术,其次是反渗透技术。我国电渗析海水淡化技术已经接近世界先进水平,能够国产化;反渗透技术还不过关,性能优异的关键部件还需要外购。我国在多级闪蒸和低温多效海水淡化方面还处于开发研究阶段,不具备独立的技术和设备制造能力

  海水淡化(又称海水脱盐)是分离海水中盐和水的过程。从海水中取出水,或除去海水中的盐,都可以达到淡化目的。海水淡化的方法,,基本上也分为这两大类。

  

海水淡化.jpg

 

  2.1 反渗透技术

  反渗透(RO)技术属于一种膜分离技术,工作原理如图所示。

  

反渗透法.jpg

 

  利用选择性半透膜装置,当连通器盐水侧对液体压力P大于渗透压H时,盐水中的水分子将通过半透膜进入淡水侧而溶质仍被半透膜隔离于盐水侧,致使盐水浓度加大,这个过程与自然界正常渗透过程相反,称为反渗透。为使反渗透装置正常运行,盐水侧压力必须高于渗透压H,一般在4~7MPa范围内。

  反渗透装置投资省、能耗低、建设周期短、易于自动控制,适用于海水、苦咸水大中型规模的淡化工程,装置体积小,设备及操作简单,且在常温下操作,设备的腐蚀和结垢程度较轻。存在的问题是膜的寿命和抗污染,反渗透膜、高压泵、能量回收装置需进口,进口膜使用3~5年后更换率为5%。

  2.2 蒸馏法

  蒸馏法主要有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)和压汽蒸馏(VC),工作原理如下图所示。

  

蒸馏法.jpg

 

  三级蒸馏淡化原理含盐水进入第一级蒸发器后被来自热源的蒸汽(一级蒸汽)加热汽化,汽化产生的二次蒸汽被引入第二级蒸发器,加热来自第一级蒸发器的浓缩盐水,同时又被冷凝成蒸馏水。第二级与第三级蒸发器之间的汽、水流程与上段情况相似,如此类推。当海水表面压力低于1.013×105Pa时,海水不到100℃就沸腾了,压力越低,沸点越低,这样海水便会急剧蒸发,并凝结产生淡水。为了依次降低各级蒸发器中含盐水的沸点,系统中应用真空泵由后向前依次在各级蒸发器中形成真空,其真空度也依次减小。这样才能用前一级蒸发器的二次蒸汽加热后一级蒸发器中的浓盐水,同时用后一级蒸发器中的浓盐水冷凝来自前一级蒸发器的蒸汽

  蒸馏法的优点是工艺简单易于实现,并不受水中含盐量的限制,适用于余废热可利用的项目,设备容量大,所产淡水水质纯度较高,产品水含盐量为2~10mg/L,装置进水可不经预处理直接由海水提供。故该装置多用于沿海的火力发电厂、核电站。其缺点是能耗多、设备费用高,存在设备、管路结垢与腐蚀问题。

  2.3 电渗析法

  电渗析(ED)是膜分离技术的一种,是电解和渗析扩散过程的组合,其工艺原理如图所示。

  

电渗析法.jpg

 

  双膜电渗析槽原理利用离子交换膜的选择透过性,即阳膜理论上只允许阳离子通过,阴膜理论上只允许阴离子通过在外加直流电场作用下,阴、阳离子分别往阳极和阴极移动,它们最终会于交换膜,如果膜的固定电荷与离子的电荷相反,则离子可以通过,如果它们是相同的,则离子被排斥,从而可以制得淡水

  电渗析适用于含盐量小于20 g/L的苦咸水的淡化,由于其耗能很大,大型海水淡化装置基本上不采用电渗析法。此外,电渗析只能除去水中的盐分,而对水中有机物不能除去,某些高价离子和有机物还会污染膜。电渗析运行过程中易发生浓度极差化而产生结垢,这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问题。

  2.4真空冷冻法

  真空冷冻-汽相冷凝海水淡化新技术是依据海水的三相点理论,使海水同时蒸发与结冰的一种低能耗、轻腐蚀结垢的海水淡化方法。其工艺原理如图所示。

  

真空冷冻法.JPG

 

  水和海水的三相图海水三相点是使海水汽、液、固三相共存并达到平衡的一个特殊点。若压力或温度偏离该三相点,平衡被破坏,三相会自动趋于一相或两相。真空冷冻法海水淡化正是利用海水的三相点原理,以水自身为制冷剂,使海水同时蒸发与结冰,冰晶再经分离、洗涤而得到淡化水的一种低成本的淡化方法,与蒸馏法、膜法相比,能耗低,腐蚀、结垢轻,预处理简单,设备投资小,并可处理高含盐量的海水,是一种较理想的海水淡化方法

  3成本分析海水淡化的成本是人们最关心的问题,鉴于自来水价格很低,因此海水淡化成本就不能太高。淡化水的成本是个复杂的问题,它不仅与淡化方法有关,而且与工艺设计、选材、给水和淡化的水质、比能耗、地理、当地能源价格、投资来源、管理体制有密切关系。

  3.1 海水淡化的投资费用

  海水淡化工程的投资是比较大的,这是妨碍海水淡化技术推广应用的主要因素之一。我国几个海水淡化厂的投资及成本构成见图。

  

我国几个海水淡化厂投资及成本构成.jpg

 

  由图1可知,经几十年的不断发展特别是反渗透技术的出现,使海水淡化工程投资有了明显的下降。

  3.2 海水淡化的能耗降

  低海水淡化的总能耗,从而降低淡化水的成本,一直是人们追求的目标。经几十年来研究和开发,海水淡化的比能耗已有了明显的下降(下表)。

  

海水淡化能耗下降对比.jpg

 

  3.3 海水淡化的成本

  海水淡化的成本主要由投资和运行管理费等组成。它们不仅受许多因素影响,而且投资费和运行费之间也互相影响。

  由表1可知,我国近年来海水淡化的成本,主要是反渗透技术的成本下降近一半,其原因是:(1)淡化厂的管理模式,由官办改为民营。(2)淡化工程的公开招标。(3)市场的激烈竞争,特别是膜组件制造公司不仅纷纷降价,而且积极介入大型海水淡化工程投标活动。

  4海水淡化发展趋势和方向

  4.1反渗透海水淡化的发展趋势

  (1)提高膜的性能。研制新的反渗透膜,使其透水能量和截留率进一步提高,抗污染性能和抗氧化性能进一步增强,价格更加合理。

  (2)提高配套装置的性能。淡化主机的能量消耗主要取决于系统的高压泵和能量回收装置的效率。因此,开发新型的高压泵和能量回收装置,提高其效率和服务年限将有助于降低成本。

  (3)工程技术的优化。在现有技术条件下提高系统的回收率可以降低反渗透淡化的能量消耗,但回收率的提高受反渗透膜性能和预处理水平制约。因此,采用新技术和技术组合优化反渗透的工艺流程将有助于降低设备的投资和运转费用。

  4.2蒸馏法海水淡化的发展方向

  (1)装置规模的大型化。蒸馏法海水淡化的装置容量越大其经济性就越强。因此,提高装置容量就成了发展方向。

  (2)新材料、新工艺的采用使装置性能提高,显著降低海水淡化装置的制造费用和提高装置性能。

  (3)不断完善工程优化技术。能够降低造水成本,将是努力的方向之一。

经典工程案例