海水淡化集成技術(shù)的相關(guān)研究

為了降低海水淡化的成本和能耗，對(duì)海水淡化的集成工藝進(jìn)行相應(yīng)研究。海水淡化集成技術(shù)主要分為兩種形式:一是不同海水淡化工藝的集成，二是能源和海水淡化的集成。首先介紹了海水淡化工藝的相關(guān)集成技術(shù)，包括熱法與熱法集成、膜法與膜法集成、熱法與膜法集成、預(yù)處理工藝與海水淡化的集成工藝;其次介紹了各種新能源與海水淡化耦合方式、代表工程及研究現(xiàn)狀，最后對(duì)海水淡化集成技術(shù)的優(yōu)化提出建議。

海水淡化是解決淡水短缺的有效方式，但其高能耗限制了該工藝的推廣與運(yùn)用。對(duì)此，相關(guān)人員主要開(kāi)展了兩方面的工作:一方面是不斷改進(jìn)海水淡化工藝，包括淡化技術(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)及能量回收裝置等;另一方面是采用海水淡化集成技術(shù)。

兩者相比，后者的改造空間相對(duì)較大。海水淡化集成技術(shù)有利于充分發(fā)揮各工藝的特長(zhǎng)從而提高能量的利用率，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。海水淡化集成技術(shù)主要分為2種形式:一是不同海水淡化工藝的集成，二是能源和海水淡化的集成。海水淡化集成涉及較多因素，需要更多快捷、有效的優(yōu)化方法。

1海水淡化工藝的集成

海水淡化是利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水的技術(shù)和過(guò)程。目前，海水淡化技術(shù)超過(guò)20余種，主流工藝包括多級(jí)閃蒸技術(shù)(MSF)、多效蒸餾(MED)、壓汽蒸餾(VC)、反滲透技術(shù)(RO)、電滲析法(ED)等，根據(jù)其原理可以歸納為熱法、膜法兩大類。海水淡化方法間的集成主要分為4類:一是熱法與熱法集成，如MSF+MED組合;二是膜法與膜法集成，如RO+ED組合;三是膜法與熱法的集成，如RO+MSF、RO+MED等組合;四是預(yù)處理技術(shù)與海水淡化工藝的集成。

其中研究最多的是熱法和膜法集成技術(shù)，已經(jīng)運(yùn)用于工程實(shí)際;近年來(lái)，預(yù)處理方法與海水淡化的集成技術(shù)已引起行業(yè)廣泛關(guān)注，剩余兩種集成方案研究較少。

1.1膜法與熱法的集成

熱法海水淡化工藝具有產(chǎn)水水質(zhì)好、淡化水溫度高、設(shè)備易結(jié)垢、產(chǎn)水效率低等特點(diǎn);而膜法海水淡化具有產(chǎn)水水質(zhì)低、依賴預(yù)處理、停啟方便、產(chǎn)水效率高等特點(diǎn)，故兩者在某種程度可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。膜法和熱法的集成[1-2]，如RO+MSF組合。

兩者相耦合的思路為:根據(jù)產(chǎn)品水標(biāo)準(zhǔn)，混合兩種工藝的產(chǎn)品水，部分排熱段的海水作為RO工藝的進(jìn)料水，將2種工藝的濃鹽水循環(huán)相結(jié)合。熱法和膜法相集成具有以下優(yōu)點(diǎn):

一是混合兩者的產(chǎn)品水，可以滿足不同的水質(zhì)需求，降低生產(chǎn)費(fèi)用;二是可以降低膜的更換率和MSF工藝設(shè)備的結(jié)垢性，降低系統(tǒng)的維修費(fèi)用;三是兩者可共用取水和排放設(shè)備，降低投資費(fèi)用;四是降低前處理和后處理工藝的操作費(fèi)用和化學(xué)藥品的投資費(fèi)用。

沙特阿拉伯的SWCC公司，在相同的操作壓力和進(jìn)料海水下，將NF+SWRO集成技術(shù)和SWRO工藝進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，集成工藝的回收率為70%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝的30%。世界上最大的多級(jí)閃蒸海水淡化廠是沙特的RAZZOUR海水淡化廠，同時(shí)也是世界上最大的熱膜耦合(MSF+RO)工藝海水淡化廠，日產(chǎn)淡水量為1025000m3，其中MSF系統(tǒng)產(chǎn)水為769000m3。

相比MSF工藝，低溫多效蒸餾(LT-MED)在設(shè)備投資和能耗方面更具優(yōu)勢(shì)，但RO+LT-MED工藝的研究較少。

1.2熱法與熱法的集成

熱法與熱法的集成技術(shù)，主要為VC+MED工藝耦合，又可分為熱力蒸汽壓縮多效蒸餾工藝(MED+TVC)和機(jī)械壓縮多效蒸餾工藝(MED+MVC)。前者是通過(guò)蒸汽熱壓縮器把低品位的蒸汽進(jìn)行壓縮，使之升壓升溫，然后再作為熱源加熱海水蒸發(fā)，整個(gè)過(guò)程利用了低壓蒸汽，達(dá)到節(jié)約熱源和增加產(chǎn)水的目的;后者靠機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，不需要外部提供加熱蒸汽，但壓縮機(jī)造價(jià)高，易腐蝕，故難以大型化。

文獻(xiàn)[3]建立了MED+TVC耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且利用智能窮舉搜索法和連續(xù)二次編程來(lái)確定系統(tǒng)的最大增益比。文獻(xiàn)[4]針對(duì)LT-MED+VC集成裝置，利用拋物面槽式太陽(yáng)能聚光器驅(qū)動(dòng)該裝置，并且與LT-MED+RO集成工藝進(jìn)行對(duì)比，表明LT-MED+VC更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[5]對(duì)直接利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)MED+TVC和MED+MVC兩種集成工藝進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比。文獻(xiàn)[6]建立了MED+TVC的能量和經(jīng)濟(jì)模型，同時(shí)建立了目標(biāo)函數(shù)，確保系統(tǒng)的產(chǎn)水成本最低。

目前，中國(guó)也已將MED+VC應(yīng)用于工程實(shí)例，如國(guó)華(北京)電力研究院有限公司自主研發(fā)出TVC-MED裝置;首鋼京唐公司采用MED+TVC海水淡化運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了熱、電、水的聯(lián)產(chǎn)[7]。

1.3預(yù)處理方法與海水淡化的集成

超濾(CF)主要適用于溶液中大分子的分離與濃縮，微濾(UF)主要用于細(xì)菌和微粒的去除，納濾(NF)不僅對(duì)有機(jī)物有較高的截留率，而且對(duì)無(wú)機(jī)離子進(jìn)行選擇性分離，適合海水的脫鹽處理。CF用于海水的預(yù)處理，節(jié)省占地，減少使用化學(xué)藥品，延長(zhǎng)反滲透膜的運(yùn)行周期[8-9]，主要?dú)w納為三類:

一是NF+RO集成工藝，如沙特SWCC公司建立了該示范工程，在一定運(yùn)行條件下，相比傳統(tǒng)工藝33%的回收率，集成工藝的回收率達(dá)到了70%;10年前，美國(guó)和日本采用NF膜工藝，水體利用率達(dá)80%～90%，采用NF-RO工藝，回收率可達(dá)99%;山東長(zhǎng)島140t/d納濾法制備飲用水示范工程于1997年建成，運(yùn)行成功。

二是NF+蒸餾法集成工藝，降低進(jìn)料海水硬度，減少蒸餾法的結(jié)垢問(wèn)題，如SWCC公司對(duì)該工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，產(chǎn)水能力為20m3/d的海水淡化裝置，采用NF+MSF組合工藝，無(wú)任何防垢干預(yù)下，連續(xù)運(yùn)行1200h，無(wú)任何結(jié)垢現(xiàn)象。

三是NF+膜法+蒸餾法的深度集成工藝，如將NF+RO工藝產(chǎn)生的濃鹽水作為MSF的補(bǔ)充水進(jìn)料。此外，未來(lái)的膜工藝趨勢(shì)，可將CF+NF+RO工藝集成，以形成全膜法預(yù)處理工藝。

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