海水淡化方法及成本

【專家解說】：現(xiàn)代意義上的海水淡化則是在第二次世界大戰(zhàn)以后才發(fā)展起來的。戰(zhàn)后由于國際資本大力開發(fā)中東地區(qū)石油，使這一地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，人口快速增加，這個原本干旱的地區(qū)對淡水資源的需求與日俱增。而中東地區(qū)獨特的地理位置和氣候條件，加之其豐富的能源資源，又使得海水淡化成為該地區(qū)解決淡水資源短缺問題的現(xiàn)實選擇，并對海水淡化裝置提出了大型化的要求。   在這樣的背景下，20世紀60年代初，多級閃蒸海水淡化技術(shù)應(yīng)運而生。   現(xiàn)代海水淡化產(chǎn)業(yè)也由此步入了快速發(fā)展的時代。   海水淡化技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用始于干旱的中東地區(qū)，但并不局限于該地區(qū)。由于世界上70％以上的人口都居住在離海洋120公里以內(nèi)的區(qū)域，因而海水淡化技術(shù)近20多年迅速在中東以外的許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用。最新資料表明，到2003年止，世界上已建成和已簽約建設(shè)的海水和苦咸水淡化廠，其生產(chǎn)能力達到日產(chǎn)淡水3600萬噸。目前海水淡化已遍及全世界125個國家和地區(qū)，淡化水大約養(yǎng)活世界5％的人口。海水淡化，事實上已經(jīng)成為世界許多國家解決缺水問題，普遍采用的一種戰(zhàn)略選擇，其有效性和可靠性已經(jīng)得到越來越廣泛的認同。   蒸餾法   蒸餾法雖然是一種古老的方法，但由于技術(shù)不斷地改進與發(fā)展，該法至今仍占統(tǒng)治地位。蒸餾淡化過程的實質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。根據(jù)所用能源、設(shè)備、流程不同主要可分設(shè)備蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法、多級閃急蒸餾法等。   冷凍法   冷凍法，即冷凍海水使之結(jié)冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產(chǎn)生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻并不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。   反滲透法   通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發(fā)達國家先后把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向反滲透法。   反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預(yù)處理技術(shù)，增強系統(tǒng)抗污染能力等。   太陽能法   人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。餾系統(tǒng)被動式太陽能蒸餾系統(tǒng)的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的應(yīng)用有了近150年的歷史。由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，至今仍被廣泛采用。目前對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中于材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環(huán)保等優(yōu)點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統(tǒng)結(jié)合是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)。太陽能海水淡化技術(shù)由于不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高等優(yōu)點而逐漸受到人們重視。   低溫多效   多效蒸發(fā)是讓加熱后的海水在多個串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節(jié)能的方法之一。低溫多效蒸餾技術(shù)由于節(jié)能的因素，近年發(fā)展迅速，裝置的規(guī)模日益擴大，成本日益降低，主要發(fā)展趨勢為提高裝置單機造水能力，采用廉價材料降低工程造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。   多級閃蒸   所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發(fā)的現(xiàn)象。多級閃蒸海水淡化是將經(jīng)過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發(fā)，將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產(chǎn)量最大，技術(shù)最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯(lián)合建設(shè)，適合于大型和超大型淡化裝置，主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術(shù)成熟、運行可靠，主要發(fā)展趨勢為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。   電滲析法該法的技術(shù)關(guān)鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區(qū)分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質(zhì)處理的手段，為污水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。   壓汽蒸餾   壓汽蒸餾海水淡化技術(shù)，是海水預(yù)熱后，進入蒸發(fā)器并在蒸發(fā)器內(nèi)部分蒸發(fā)。所產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側(cè)。蒸汽冷凝后作為產(chǎn)品水引出，如此實現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。   流通電容吸附法   露點蒸發(fā)法   露點蒸發(fā)淡化技術(shù)是一種新的苦咸水和海水淡化方法。它基于載氣增濕和去濕的原理，同時回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側(cè)的傳熱控制。   水電聯(lián)產(chǎn)   水電聯(lián)產(chǎn)主要是指海水淡化水和電力聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。由于海水淡化成本在很大程度上取決于消耗電力和蒸汽的成本，水電聯(lián)產(chǎn)可以利用電廠的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動力，從而實現(xiàn)能源高效利用和降低海水淡化成本。國外大部分海水淡化廠都是和發(fā)電廠建在一起的，這是當(dāng)前大型海水淡化工程的主要建設(shè)模式。   熱膜聯(lián)產(chǎn)   熱膜聯(lián)產(chǎn)主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯(lián)合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。目前，世界上最大的熱膜聯(lián)產(chǎn)海水淡化廠是阿聯(lián)酋富查伊拉海水淡化廠，日產(chǎn)海水淡化水量為45.4萬立方米，其中，MSF日產(chǎn)水28.4萬立方米，RO日產(chǎn)水17萬立方米。其優(yōu)點是：投資成本低，可共用海水取水口。RO和MED/MSF裝置淡化產(chǎn)品水可以按一定比例混合滿足各種各樣的需求。   此外，以上方法的其他組合也日益受到重視。在實際選用中，究竟哪種方法最好，也不是絕對的，要根據(jù)規(guī)模大小、能源費用、海水水質(zhì)、氣候條件以及技術(shù)與安全性等實際條件而定。   實際上，一個大型的海水淡化項目往往是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。就主要工藝過程來說，包括海水預(yù)處理、淡化（脫鹽）、淡化水后處理等。其中預(yù)處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理，如殺除海生物，降低濁度、除掉懸浮物（對反滲透法），或脫氣（對蒸餾法），添加必要的藥劑等；脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分，是整個淡化系統(tǒng)的核心部分，這一過程除要求高效脫鹽外，往往需要解決設(shè)備的防腐與防垢問題，有些工藝中還要求有相應(yīng)的能量回收措施；后處理則是對不同淡化方法的產(chǎn)品水針對不同的用戶要求所進行的水質(zhì)調(diào)控和貯運等處理。海水淡化過程無論采用哪種淡化方法，都存在著能量的優(yōu)化利用與回收，設(shè)備防垢和防腐，以及濃鹽水的正確排放等問題。   海水淡化技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用，已有半個世紀的歷史，在此期間形成了以多級閃蒸、反滲透和多效蒸發(fā)為主要代表的工業(yè)技術(shù)。專家普遍認為，今后三、四十年在工業(yè)應(yīng)用上，仍將是這三項技術(shù)“唱主角”，但反滲透的比重將越來越大。從地區(qū)上來講，中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選，因為它具有大型化和超大型化（單臺設(shè)備產(chǎn)水量目前已高達日產(chǎn)淡水4～5萬噸）、適應(yīng)于污染重的海灣水以及預(yù)處理費用低的優(yōu)勢；然而在中東以外地區(qū)將以反滲透或膜法為首選，因為膜法的能耗和成本都具有優(yōu)勢，以北美地區(qū)為例，近期的發(fā)展已經(jīng)表明，在淡化和水處理方面都將以膜法為主。