海水淡化调研研究报告.doc
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1、海水淡化概念和意义海水脱盐生产淡水。是指将水中多出盐分和矿物质去除得到淡水工序。是实现水资源利用开源增量技海水淡化即利用术,能够增加淡水总量,且不受时空和气候影响,水质好、价格渐趋合理,能够保障沿海居民饮用水、农业用水和工业锅炉补水等稳定供水。有时食用盐也会作为副产品被生产出来。地球表面即使2/3被水覆盖,不过97为无法饮用海水,只有不到3是淡水,其中又有2封存于极地冰川之中。在仅有1淡水中,25为工业用水,70为农业用水,只有极少一部分可供饮用和其它生活用途。然而,在这么一个缺水世界里,水却被大量滥用、浪费和污染。加之,区域分布不均匀,致使世界上缺水现象十分普遍,全球淡水危机日趋严重。现在世
2、界上100多个国家和地域缺水,其中28个国家被列为严重缺水国家和地域。估计再过2030年,严重缺水国家和地域将达4652个,缺水人口将达2833亿人。中国广大北方和沿海地域水资源严重不足,据统计中国北方缺水区总面积达58万平方公里。全国500多座城市中,有300多座城市缺水,每十二个月缺水量达58亿立方米,这些缺水城市关键集中在华北、沿海和省会城市、工业型城市。 伴随地球上人口激增,生产快速发展,淡水已经变得比以往任何时候全部要珍贵。淡水资源担心是全世界面临严重问题之一,海水淡化是处理这一问题根本路径。二、将海水进行淡化处理原理 海洋水占全球水总储量97 % ,而人类有近七成居住在距大海不到1
3、20公里地方,所以海水淡化成为新水源开发肯定趋势。海水淡化就是将海水脱除盐分变为淡水过程。 海水水质关键特点是: (1) 含盐量高,通常在35g/ L左右 (2) 腐蚀性大 (3) 海水中动、植物多 (4) 海水中多种离子组成百分比比较稳定 (5) pH改变小,海水表层pH在811813范围内,而在深层pH则为718左右。 图表 1海水中关键离子成份 海水淡化方法分类及其原理 依据分离过程,海水淡化关键包含蒸馏法、膜法、冷冻法和溶剂萃取法等。蒸馏法海水淡化是将海水加热蒸发,再使蒸气冷凝得到淡水过程,又可分为多级闪蒸、多效蒸发和压气蒸馏。膜法海水淡化是以外界能量或化学势差为推进力,利用天然或人工
4、合成高分子薄膜将海水溶液中盐分和水分离方法,由推进力起源可分为电渗析法、反渗透法等。冷冻法海水淡化是将海水冷却结晶,再使不含盐碎冰晶体分离出并融化得到淡水过程。溶剂萃取法海水淡化是指利用一个只溶解水而不溶解盐溶剂从海水中把水溶解出来,然后把水和溶剂分开从而得到淡水过程。 海水淡化历史能够追溯到公元3世纪,当初水手用海绵吸收海水蒸发出水蒸气,然后将凝结淡水挤出以供旅途之需。海水淡化真正实现装机应用是在18世纪后期。最早海水淡化处理厂于1881年在地中海马耳她岛上建成,岛上饮用水大部分起源于海水淡化处理。现代海水淡化方法早期研究开发中,蒸馏法尤其是多级闪蒸法应用最为广泛。近二十年来反渗透技术发展速
5、度很快,在海水淡化领域总容量已经靠近多级闪蒸容量份额。 第二节海水淡化工艺分析 一、海水淡化方法 多级闪蒸(MSF) 多级闪蒸是多级闪急蒸馏法简称。其原理是将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室,因为闪蒸室中压强控制为低于热盐水温度所对应饱和蒸气压,所以热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分汽化,所产生蒸气在冷却水管外壁冷凝为所需淡水,同时热盐水本身温度降低。原料海水在进入加热器前作为冷却水冷凝闪蒸室中蒸气,换热后温度上升,能够节省大量能源。多级闪蒸整个设备由多个闪蒸室组成,每一级闪蒸室里面能够完成一个完整净化过程。热盐水依次流经若干个压强逐步降低闪蒸室逐层蒸发降温,浓度逐层增大,直到温度靠
6、近(但高于)天然海水温度。 多级闪蒸技术利用热能和电能,适合于能够利用热源场所,通常和火力发电站联合建设和运行。因为其技术最为成熟,海水结垢倾向小、设备简单可靠、易于大型化、操作弹性大、运行安全性高和可利用低位热能和废热等优点,现在多级闪蒸总装机容量在海水淡化领域仍属第一。 图表 2 多级闪蒸原理示意图 反渗透( RO) 用膜将含盐浓度不一样2种水分开,在含盐一侧外加一个压力,使之大于膜两侧渗透压力差,迫使水从高浓度溶液中析出并透过膜进入低盐浓度溶液,这就是反渗透原理。反渗透海水淡化系统以下图所表示,由4个关键部分组成: (1)预处理; (2)高压泵; (3)膜组件; (4)后处理。其中,预处
7、理是对进料海水进行处理,通常包含去除悬浮固体,调整pH,添加临界隐蔽剂以控制碳酸钙和硫酸钙结垢等,目标全部是为了保护膜。高压泵用于对进料海水加压,使之达成适合于所用膜和进料海水所需要压力。膜组件关键是半透膜,它截留溶解盐类,而许可几乎全部不含盐水经过。后处理关键是进行稳定处理,包含p H调整和脱气处理等。 图表 3 反渗透系统步骤图 作为膜组件关键,半透膜材料不停更新以愈加好地适应工业应用。最早使用膜材料是醋酸纤维素,以后逐步被其它醋酸纤维素、聚酰胺和其它聚合物等多种配料或衍生物替换。20世纪50年代末,劳伯和索里拉金开发了不对称醋酸纤维素膜,将膜材料发展引入了新阶段。不对称膜(也称作薄膜复合
8、膜)有2 个连贯部分:第一部分是和盐水溶液接触表层(截留层) ,决定膜性能;另一部分是多孔支撑层,支撑上述表层,同时许可水经过。现在生产中使用膜绝大部分是不对称膜,它许可被复合材料含有最好表层截留特征,同时背称材料含有防压实特征。不对称膜可分为固态膜和动态膜2种,前者有4种基础构型:板框式、管式、卷式和中空纤维式。 反渗透工艺中,经过改变膜组件数量和组合方法能够达成不一样效果。现在工艺关键有单级、并联、截留级和产品级。单级是最简单组合,只有一个合适容量膜组件;并联是指多个膜组件并联以提升产量,系统脱盐率和回收率不改变;截流级也称多级或串联,从1级截留浓缩盐水作为第2级进料水,能够提升系统回收率
9、;产品级很适合海水脱盐,从第1级出来淡水作为第2级进料液,能够提升脱盐率,同时从第2级出来截留水还可和原料海水混合进行再处理,提升回收率。反渗透技术只利用电能,适合于有电源多种场所。因为含有没有相变、节省能源、适适用于海水和苦咸水淡化等特点,近二十年来反渗透技术发展速度最快,淡化成本也降得最快,其在海水淡化领域总容量已经靠近多级闪蒸容量份额。冷冻法 冷冻法,即冷冻海水使之结冰,在液态淡水变成固态冰同时盐被分离出去。冷冻法和 蒸馏法全部有难以克服弊端,其中蒸馏法会消耗大量能源并在仪器里产生大量锅垢,而 所得到淡水却并不多;而冷冻法一样要消耗很多能源,但得到淡水味道却不佳,难以使用。 太阳能法 人
10、类早期利用太阳能进行海水淡化,关键是利用太阳能进行蒸馏,所以早期太阳能海 水淡化装置通常全部称为太阳能蒸馏器。馏系统被动式太阳能蒸馏系统例子就是盘式太阳能蒸馏器,大家对它应用有了近150年历史。因为它结构简单、取材方便,至今仍被广泛采取。现在对盘式太阳能蒸馏器研究关键集中于材料选择、多种热性能改善和将它 和各类太阳能集热器配合使用上。和传统动力源和热源相比,太阳能含有安全、环境保护等优点, 将太阳能采集和脱盐工艺两个系统结合是一个可连续发展海水淡化技术。太阳能海水淡化技术因为不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐步受到大家重视。 低温多效 多效蒸发是让加热后海水在多个串联蒸发器中蒸发
11、,前一个蒸发器蒸发出来蒸汽 作为下一蒸发器热源,并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能方法之一。 低温多效蒸馏技术因为节能原因,多年发展快速,装置规模日益扩大,成本日益降低, 关键发展趋势为提升装置单机造水能力,采取廉价材料降低工程造价,提升操作温度,提升传热效率等。 电渗析法 该法技术关键是新型离子交换膜研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度功效性膜片,按其选择透过性区分为正离子交换膜(阳膜)和负离子交换膜(阴膜)。电渗析法是将 含有选择透过性阳膜和阴膜交替排列,组成多个相互独立隔室海水被淡化,而相邻隔室 海水浓缩,淡水和浓缩水得以分离。电渗析法不仅能够淡化海水,也能够作为水质处
12、理手 段,为污水再利用作出贡献。另外,这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业浓缩、分离和提纯。 压汽蒸馏 压汽蒸馏海水淡化技术,是海水预热后,进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生 二次蒸汽经压缩机压缩提升压力后引入到蒸发器加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出,如此实现热能循环利用。 露点蒸发法 露点蒸发淡化技术是一个新苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿原理,同时回收冷凝去湿热量,传热效率受混合气侧传热控制。 水电联产 水电联产关键是指海水淡化水和电力联产联供。因为海水淡化成本在很大程度上取决于 消耗电力和蒸汽成本,水电联产能够利用电厂蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力,从 而实现
13、能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂全部是和发电厂建在一起,这是目前大型海水淡化工程关键建设模式。蒸馏法 蒸馏法即使是一个古老方法,但因为技术不停地改善和发展,该法至今仍占统治地位。 蒸馏淡化过程实质就是水蒸气形成过程,其原理如同海水受热蒸发形成云,云在一定条 件下遇冷形成雨,而雨是不带咸味。依据所用能源、设备、步骤不一样关键可分设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等。 图表 4 海水淡化方法分类 图表 5 三种海水淡化工艺关键技术参数对比表 二、影响海水淡化工艺选择原因 海水淡化方法比较及其发展方向海水淡化方法有十余种。现在关键方法有多效蒸发(MED)、反渗透(RO)和
14、多级闪蒸(MSF)等,而适适用于大型海水淡化方法只有MED、MSF和RO。MED方法中低温多效蒸馏(LT-MED)开发后在世界范围内快速得到了较广泛应用,和RO和MSF一起成为最具发展前景海水淡化技术。到底哪种方法最适合当地经济、社会发展不是绝正确。本文将世界关键三种淡化方法进行比较并结合实践对选择海水淡化方法依据进行探讨。 现在关键淡化方法技术原理及应用 多年来世界上海水淡化正向高效化、低能化和规模化目标发展,MSF、LT-MED、RO更成为适适用于大型化海水淡化技术主流。 MSF方法大规模商业化生产淡水已经有30多年,技术成熟,运行安全性高。 LT-MED其特征是将一系列水平管降膜蒸发器串
15、联起来并被分成若干效组,用一定量蒸汽输入经过数次蒸发和冷凝,从而得到多倍于加热蒸汽量蒸馏水。可作为锅炉补充用水、生产过程工艺用水或大规模市政饮用水供水。RO关键应用领域有海水和苦咸水淡化,纯水和超纯水制备,工业用水处理,饮用水净化,医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩,和废水处理等。 关键淡化方法比较及发展方向 2.1 MSF MSF含有工艺成熟,维护量较小,运行可靠,对原水预处理要求低和使用寿命长,出水品质好等优点。MSF存在最大问题就是性能比低,通常限制在11左右,造成更大能量消耗,即耗电能较大,使得MSF比LT-MED成本高。 MSF海水淡化技术表现以下发展方向: 1)提升最高操作温度,
16、寻求改善热量交换新方法。经过薄管壁材料选制,逐滴冷凝过程改善尽可能降低热交换面积,提升热交换量等。 2)成功实现大型MSF装置。依据Leon Awerbuch报道,在阿布扎比(Abu Dhabi)苏威哈特厂(Shuwaihat),其单套装置设计规模为76000m3/d。 3)采取新材料和管路优化设计提升效率。WDI企业采取效率高达95%蒸汽压缩设备、带沟槽薄钛管作为传热材料、特种混凝土作为蒸发器壳体,显著地降低造水成本。 2.2 LT-MED LT-MED是20世纪80年代开发出来新技术。它特点是对原料海水预处理要求不高、过程循环动力消耗小、生产淡水水质高(盐度<5mg/L)。另外,该技
17、术降低制水成本潜力很大,其造水比高,可超出15。 LT-MED海水淡化技术发展方向以下: 1)装置规模大型化和超大型化。美国南加州正在计划建设日产淡水28400m3LT-MED淡化工程,其淡化装置总效数为30,造水比22,共有535个相同管束。 2)采取新工艺和新材料提升性能。对热过程改善(即新工艺)采取NF技术。新材料包含光滑铝合金管或铝合金波纹管制成传热管材和特种混凝土等壳体材料。 3)和核能等新能源结合。LT-MED能够使用反应堆提供清洁低品位热能。 4)若能处理结垢问题,LT-MED可向高温多效蒸馏前进,以取得更高造水比,达30。 2.3 RO 含有投资低、能耗低、建设周期短等优点,适
18、适用于建造多种规模海水淡化工程。其突出优点就是成本较低,大约在0.500.70美元/m3淡化之间,这还取决于能源成本。 RO膜轻易受到污染和结垢影响(CaCO3,CaSO4,BaSO4),易被氧化剂(Cl2,HClO)氧化而造成损害,所以对进入RO装置水质要求较高,预处理较为严格。RO海水淡化技术最新研究动态包含以下几方面: 1)功或压力交换器和段间能量回搜集成技术研究。PX或Aqualyng等新型高效能量回收器可使RO淡化过程本体电耗大约在2.6kWh/m3淡水。 2)新型RO膜研究。方向分为低压RO膜和高压RO膜。因为能量回收器效率不停提升,高压膜在海水淡化过程中应用相对较多,而低压膜关键
19、用于苦咸水淡化过程。 3)全膜法预处理工艺研究。全膜法预处理很好地结合了MF、UF和NF预处理方法优点,有效降低化学品添加量和RO膜组件清洗次数,使操作过程愈加环境友好。 4)高回收率工艺研究。BCS(brine conversion system)系统采取SWRO-级浓缩水作进(含盐质量分数5.8%8.7%),在8.010.0MPa操作压力下,回收率能够达成60%。 最好淡化方法选择 到底选择哪种淡化方法,还要依据当地环境特征和运行目标,因地制宜,评定这种淡化方法是否最适合当地经济发展。通常选择海水淡化方法依据关键包含以下要素:环境要素、经济要素、需求要素、技术要素等。 3.1 环境要素 环
20、境要素关键包含海水原因、地理位置原因、能源贮备原因等。 3.1.1 海水原因 每种淡化方法对海水温度适应性不一样。如RO适宜温度为1525;蒸馏法适宜温度为035。对于RO过程,膜透水量随水温升高而增高。低温海水粘度增大使膜孔收缩,产水量大幅度下降;而水温过高则加紧膜水解速度,使有机膜变软,易于压实。水温季节性节改变大海域(如渤海中部,冬、春季均温为5以下,夏季均温为25,显然不利于RO过程,而选择蒸馏法比较适合。因为冬季水温过低,将RO站建造在中国北方最好选择是用发电厂冷却海水作为其供水。 下图谱反应了进料海水盐浓度对RO MSF影响。能够看出,和MSF相比,盐浓度RO影响较大,MSF几乎适
21、适用于任何盐浓度进料海水。RO法适用最大盐浓度是多少这个问题极少人研究,据Karelin报道,最大盐浓度不应超出100g/L。 图表 6 反渗透操作压力、多极闪蒸气压和进料海水盐浓度关系海水水质污染程度对蒸馏法不敏感;但对RO而言,会使RO压力和单位电耗率增大,所以大大增加了RO海水预处理难度和成本;对于较小规模通常也轻易处理,而对大型淡化厂则有可能影响到总体技术方案。中东地域海湾水有“四高”,即:高温(夏天高达40)、高菌藻、高石油污染和高盐度(总含盐量高达40000mg/L),对RO是不利,所以中东地域海水淡化多以MSF为主。现在也建立了大型海水RO淡化厂,她们预处理经验是值得借鉴。 3.
22、1.2 地理位置原因 在没有充足汽源火电厂海岛区,通常采取RO;如存在发电厂,则RO用发电厂冷却海水作为其供水。在汽源充足沿海火电厂,鉴于历史原因通常采取大型蒸馏淡化厂。 3.1.3 能源贮备原因 MSF或MED需要汽和电作为能源;RO只需要电作为能源。蒸馏淡化厂利用汽轮机低压抽汽作为热源,或和低温核能供热站直接连接。如有足够可利用电源,而无需本身发电,那么选择RO是含有吸引力,因为其初始成本低、轻易维护且运行方法简单。如有丰富天然资源(天然气、石油等),能源费用很低,则使蒸馏法运行成本降低,含有出口电能优势。这也是中东地域对MSF尤其热衷原因之一。值得一提是,中东地域也是较早试用大型海水RO
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