低成本海水淡化集成技術(shù)探討

吳禮云，李 楊，孫 雪，唐智新

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 曹妃甸 063200）

低成本海水淡化集成技術(shù)探討

吳禮云，李 楊，孫 雪，唐智新

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 曹妃甸 063200）

海水淡化集成技術(shù)以低溫多效蒸餾海水淡化為核心，聯(lián)合熱電與鹽堿化工，形成“熱-電-水-鹽”四聯(lián)產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)淡水資源、海水資源以及能源的綜合利用，大幅降低生產(chǎn)成本，并取得環(huán)保效益、社會效益。為未來向城市供水提供了一條現(xiàn)實(shí)可行的方案。

海水淡化；集成技術(shù)；循環(huán)經(jīng)濟(jì)；熱-電-水-鹽聯(lián)產(chǎn)；低溫多效

1 引言

我國是缺水的國家，人均水資源不足2200噸，僅為世界平均水平的1/4。地球上水資源的總量中海水占97.2%，使得海水淡化成為解決缺水問題的重要途徑。2008年，全球海水淡化工程總投資額已達(dá)248億美元，且每年以20%～30%的速度遞增，2015年預(yù)計(jì)將達(dá)到564億美元，特別是以色列和美國，更是將海水淡化產(chǎn)業(yè)列入國家發(fā)展計(jì)劃。為了進(jìn)一步發(fā)展國內(nèi)海水淡化產(chǎn)業(yè)，國務(wù)院于2012年2月初下發(fā)了《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》，明確了“十二五”期間我國海水淡化的發(fā)展目標(biāo)，即到2015年，海水淡化能力將達(dá)到220萬～260萬m3/d，是現(xiàn)在海水淡化能力的4倍。

2 海水淡化的瓶頸問題

目前制約海水淡化技術(shù)發(fā)展的因素有兩方面：一是制水成本高，二是淡化后的濃鹽水排放難。制水成本高是由于海水淡化是以能耗換水的技術(shù)，電價、蒸氣價格決定了制水成本，如何降低電和蒸氣價格便成了降低淡化成本的關(guān)鍵因素。海水淡化過程中產(chǎn)生的高濃鹽水目前尚無成熟處理技術(shù)，將其排放至鹽田既是浪費(fèi)能量，也是采用高端原料做低端處理的無奈之舉。很多國外企業(yè)為減少對海洋的危害將濃鹽水稀釋后再排放到海里，但這樣也是治標(biāo)不治本。

渤海灣是典型的半封閉淺水淤泥質(zhì)海灣，海水溫度低且交換能力差。隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水以及養(yǎng)殖業(yè)廢水進(jìn)入渤海灣，致使渤海灣的水體受到嚴(yán)重污染。渤海灣周邊缺少淡水，發(fā)展海水淡化是解決用水難的有效途徑，但大量海水淡化濃鹽水的排放必然導(dǎo)致渤海水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。由此可見，只有發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、尋求生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)成長和諧的“雙贏”之路，才能解決海水淡化發(fā)展的問題。

3 海水淡化工藝及資源綜合利用現(xiàn)狀

3.1 海水淡化工藝

下表概括了國外產(chǎn)水量為5萬m3/d的膜法與熱法兩種工藝的系統(tǒng)參數(shù)。

低溫多效蒸餾與反滲透膜法海水淡化系統(tǒng)參數(shù)對比表

膜法系統(tǒng)造水工藝主要靠過濾實(shí)現(xiàn)，過濾系統(tǒng)的元件質(zhì)量和工作效率直接關(guān)系系統(tǒng)的運(yùn)行效率，海水溫度、反滲透（RO）膜的質(zhì)量、預(yù)處理單元工作效率等因素都直接影響膜法系統(tǒng)的年造水量。熱法系統(tǒng)造水工藝主要靠大型的主蒸氣器蒸發(fā)換熱實(shí)現(xiàn)，只要換熱傳熱過程穩(wěn)定進(jìn)行，外界因素是不影響熱法系統(tǒng)造水量的。

海水淡化在客觀上要求系統(tǒng)必須具備與之相適應(yīng)的耐腐蝕性和嚴(yán)密性，這是系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，也是日常維護(hù)管理的重點(diǎn)、難點(diǎn)。膜法系統(tǒng)的故障點(diǎn)均集中在高壓泵、變頻器和管路的腐蝕與泄漏上，設(shè)備檢修停運(yùn)較長時間，平均利用率為80%。低溫多效裝置等同于電廠凝汽器的換熱設(shè)備，低溫低壓、安全可靠、運(yùn)行便利、維護(hù)方便，只要按照運(yùn)行規(guī)程操作，低溫多效熱法淡化裝置的年利用率平均在95%以上。

某公司根據(jù)國家2005年頒布的《海水專項(xiàng)規(guī)劃》，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，充分利用臨海優(yōu)勢，開源節(jié)流，積極實(shí)施了5萬m3/d海水淡化、電廠海水脫硫、海水直流冷卻及海水化學(xué)資源綜合利用等項(xiàng)目，充分體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展、節(jié)能減排、環(huán)境友好、循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及自主創(chuàng)新的精神和理念。

該公司海水淡化采用低溫多效蒸餾（LT-MED）工藝，自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)、自主運(yùn)營海水淡化，形成競爭優(yōu)勢，使萬噸級熱法與膜法海水淡化相比較，噸水投資額相當(dāng)且能耗低、產(chǎn)品水質(zhì)高。

設(shè)備在真空情況下，鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃，具有操作溫度低、動力消耗低、系統(tǒng)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。低溫多效蒸餾裝置通過蒸發(fā)冷凝管，利用真空度及效與效間的溫度和壓力差，以給定量的低等級蒸氣與海水換熱反應(yīng)，通過重復(fù)蒸發(fā)和冷凝產(chǎn)生大量蒸餾水。該項(xiàng)目由4套主體蒸發(fā)器組成，日產(chǎn)水能力5萬噸，造水比為9.8，產(chǎn)水含鹽量＜5mg/L，溫度＜33℃，取代軟水系統(tǒng)，用作高品質(zhì)補(bǔ)水、污水勾兌水。

工藝上采用多種工況相結(jié)合的運(yùn)行方式，多效模式（E模式）、熱壓縮模式（T模式）和混合模式（T+E模式）運(yùn)行，可對水量及蒸氣量平衡進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)，變負(fù)荷調(diào)節(jié)50%～100%，調(diào)整能源動態(tài)平衡。其中乏汽運(yùn)行技術(shù)—E模式，是海水淡化前置汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，將海水淡化蒸發(fā)器代替汽輪機(jī)凝汽器，利用發(fā)電后的低品質(zhì)乏汽作為海水淡化動力蒸氣，遵循能量梯級利用的原則，使全系統(tǒng)熱量利用率高達(dá)82.23%，節(jié)省了為發(fā)電機(jī)組凝汽器設(shè)置直流冷卻設(shè)施的投資及運(yùn)行費(fèi)用，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的最好體現(xiàn)。水電聯(lián)產(chǎn)如圖1所示。

圖1 低溫多效蒸餾耦合熱力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

該公司充分利用豐富的電力和余熱余能資源，與多家膜廠家聯(lián)合完成膜法海水淡化中試試驗(yàn)項(xiàng)目，利用熱法濃鹽水進(jìn)行鹽水濃縮，取得較好效果，為熱膜耦合創(chuàng)新奠定理論基礎(chǔ)。擬建大型熱膜耦合海水淡化工廠，重點(diǎn)突破熱法之后的濃鹽水再利用，解決北方冬季水中污染物問題，將濃鹽水提升至商品級，為鹽化工打好基礎(chǔ)。

3.2 濃鹽水處理現(xiàn)狀

目前，世界上常用的濃鹽水處理方法可分為兩大類。一類是直接排放至地表水、海洋、污水處理系統(tǒng)等。此類方法重點(diǎn)在于考慮濃鹽水的排放量、組成、排放地的物理或地理環(huán)境、公眾接受度、投資和操作費(fèi)用等。第二類采用傳統(tǒng)日曬制鹽、苦鹵綜合利用的工藝將濃鹽水進(jìn)行再利用但此類工藝氯化鈉利用率小于40%，氯化鉀、溴素、氯化鎂、硫酸鎂的利用率不足30%，浪費(fèi)嚴(yán)重。另外，操作費(fèi)用是選擇濃鹽水處理方法時要考慮的重要因素之一，因?yàn)闈恹}水的處理費(fèi)約占淡化總成本的5%～33%，費(fèi)用消耗取決于濃鹽水特性、排放前的處理水平、處理方式、濃鹽水體積以及環(huán)境特征?？偟膩碚f，鄰近海洋或湖泊的淡化廠一般將濃鹽水直接排入附近水域，而內(nèi)陸淡化廠由條件決定采取蒸發(fā)、深井注射、排入污水處理系統(tǒng)等方法。

與其他鄰近海洋的淡化廠相比，該公司沒有把淡化后含有余熱的濃鹽水排進(jìn)大海，而是通過鋪設(shè)濃鹽水管道，將LT-MED濃鹽水成功送至鹽化工廠。不僅解決了濃鹽水的排放問題，還帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。同時，該公司聯(lián)合科研院所建成300m3/d濃鹽水綜合利用中試試驗(yàn)車間及試驗(yàn)裝置，利用熱法濃鹽水耦合膜法進(jìn)行化工試驗(yàn)。通過超濾、納濾及反滲透膜提鈣、鎂，同時提高濃鹽水濃度，向鹽化工廠供給高濃度鹽水。

該試驗(yàn)提鈣工藝流程如圖2所示。LT-MED濃鹽水與碳酸鈉溶液反應(yīng)沉淀，上清液經(jīng)超濾膜過濾，膜濃縮液進(jìn)管式超濾膜循環(huán)濃縮至一定濃度，沉降罐與管式超濾膜排出的碳酸鈣漿液經(jīng)壓濾機(jī)處理成為濾餅，送入干燥機(jī)干燥后得到碳酸鈣產(chǎn)品。

圖2 濃鹽水中鈣鹽提取工藝流程

提鎂與提鈣工藝流程相似，提鈣后滲透液與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，再經(jīng)兩套超濾膜過濾濃縮，得到一定濃度的氫氧化鎂漿液，經(jīng)壓濾干燥得到氫氧化鎂產(chǎn)品。

除去鈣鎂即脫硬后的滲透液加入鹽酸調(diào)整pH，經(jīng)納濾膜（NF）分離，NF透過液為富含一價離子溶液，經(jīng)反滲透膜處理，淡水外供，濃鹽水供高溫多效蒸發(fā)器繼續(xù)濃縮。設(shè)備運(yùn)行1年多，取得很好成果，使?jié)恹}水含鹽量達(dá)到7萬mg/L，為鹽堿廠提供有較高經(jīng)濟(jì)價值的鹽化工原料，實(shí)現(xiàn)海水淡化濃鹽水的綜合利用，并沖減海水淡化成品水價格。

3.3 海水淡化集成技術(shù)—資源與能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈

該公司充分利用余能資源，推動能源綜合利用水平，聯(lián)合鹽、堿廠，走一條“熱-電-水-鹽”四聯(lián)產(chǎn)的低成本海水綜合利用路線，建立了水資源綜合利用技術(shù)—資源與能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。

3.3.1 三條縱向技術(shù)路線：海水資源、能源、淡水資源利用

（1）海水資源路線：海水綜合利用

利用自備電站直流冷卻的溫排水作為熱法海水淡化的水源，減少了蒸氣消耗；熱法海水淡化所排出的濃鹽水通過特殊的預(yù)處理進(jìn)行脫硬，作為膜法海水淡化的水源，并減小了其運(yùn)行壓力，實(shí)現(xiàn)了熱膜耦合；二次提濃后的濃鹽水又成為后續(xù)深度鹽化工的原料，提取溴、鉀等有用物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)海水淡化后的“零排放”，并打造了海水綜合利用的技術(shù)路線。具體流程如圖3所示。

圖3 海水資源綜合利用示意圖

（2）能源路線：能源梯級利用

能源梯級利用如圖4所示。以富余煤氣及其它余熱資源為熱源，通過余熱鍋爐、余熱蒸氣先行發(fā)電，再將發(fā)電后的乏汽供給熱法海水淡化裝置制備淡化水；另外，也可將余熱熱水通過閃蒸而形成熱法海水淡化的汽源來制備淡化水，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源的梯級利用。這一技術(shù)路線不僅可實(shí)現(xiàn)煤氣、蒸氣的“零”放散，并產(chǎn)生了額外的發(fā)電能力，則可大幅度降低海水淡化的運(yùn)行成本。

圖4 能源資源梯級利用示意圖

（3）淡水資源路線：水資源梯級利用

水資源梯級利用如圖5所示。熱法海水淡化所生產(chǎn)的除鹽水等級的淡化水主要用于兩方面：一方面是高品質(zhì)水用戶、鍋爐系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水；另一方面是通過勾兌回收污水實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)污水的耦合式“零”排放。膜法海水淡化所生產(chǎn)的地表水等級的淡化水主要用于一般的工業(yè)水用戶和市政用戶。

圖5 水資源梯級利用示意圖

3.3.2 三條橫向技術(shù)路線：環(huán)境資源與物質(zhì)資源、能源與水資源相互轉(zhuǎn)化

（1）環(huán)境資源與物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化路線：低碳環(huán)保

環(huán)境資源與物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化如圖6所示。1）利用電站及白灰窯煙道氣中的CO2與LT-MED海水淡化排出的濃鹽水中的鈣離子反應(yīng)，形成碳酸鈣產(chǎn)品，去除濃鹽水中易于結(jié)垢的鈣離子，同時實(shí)現(xiàn)了碳減排。2）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粗碳酸鈣產(chǎn)品供石灰窯車間煅燒，生成氧化鈣作為原料用于生產(chǎn)，而煅燒產(chǎn)生的高濃度、高純度CO2既可用于提鈣，又可作為優(yōu)質(zhì)原料與海水淡化之后的濃鹽水反應(yīng)制純堿。這樣，生產(chǎn)碳酸鈣原料鈣離子取自海水、CO2取自煙道氣，原料成本低廉。3）濃鹽水預(yù)處理過程中產(chǎn)生的氫氧化鎂漿液，是煙道氣極為環(huán)保高效的脫硫劑，脫硫后產(chǎn)生的硫酸鎂是附加值較高的副產(chǎn)品，再一次變廢為寶，同時很好地實(shí)現(xiàn)了SO2的減排。脫硬后的濃鹽水送至鹽堿企業(yè)制純堿、氫氧化鈉等化工原料，再服務(wù)于濃鹽水脫硬，形成超大規(guī)模的節(jié)能環(huán)保循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。

圖6 環(huán)境資源與物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化示意圖

（2）能源與水資源轉(zhuǎn)化路線1：熱能梯級利用

熱能充分利用如圖7所示。在標(biāo)準(zhǔn)汽輪發(fā)電機(jī)組中一般均配有凝汽器及冷卻塔等系統(tǒng)，而在此技術(shù)路線中卻用熱法海水淡化LT-MED裝置代替，既節(jié)省了設(shè)備投資，又提高了全系統(tǒng)的熱效率。余熱鍋爐向汽輪機(jī)提供高端蒸氣，余熱蒸氣向汽輪機(jī)補(bǔ)充中端蒸氣，汽輪機(jī)做功后的乏汽供給LT-MED生產(chǎn)除鹽水。此技術(shù)利用了汽輪發(fā)電機(jī)組的部分冷端損失，大幅度地提高了全系統(tǒng)熱效率，大大降低了海水淡化成本。

圖7 熱能梯級利用示意圖

（3）能源與水資源轉(zhuǎn)化路線2：新能源利用

新能源利用如圖8所示。電力是難儲存的，因此，新能源（風(fēng)能及太陽能）發(fā)電后必須上網(wǎng)送電，但新能源均存在受天氣影響而出現(xiàn)大幅波動的現(xiàn)象，其所發(fā)電能卻被電網(wǎng)視為低品質(zhì)電，影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全。將不可儲存的新能源發(fā)電通過海水淡化轉(zhuǎn)換成可儲存的水資源就有效地解決了這一問題，因此，新能源發(fā)電與海水淡化的結(jié)合有著很大的發(fā)展空間。

該公司以資源利用最大化、廢物排放最小化、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化為目的，將上述6條技術(shù)路線整合（如圖9所示），打造了典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目和生態(tài)工程。

4 結(jié)論

圖8 新能源利用示意圖

雖然起初海水淡化只是作為電廠、化工、鋼鐵等大型耗水企業(yè)的配套設(shè)施來建設(shè)，但如今海水淡化可形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈來運(yùn)作。除了符合國家資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求外，還能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。立足于水資源安全和可持續(xù)發(fā)展的高度，提升海水淡化的戰(zhàn)略地位，把海水淡化與工業(yè)冷卻、制鹽、化學(xué)資源提取等相結(jié)合，可降低成本、提高總體效益、減少環(huán)境污染。

大力發(fā)展海水淡化可為內(nèi)陸地區(qū)節(jié)省更多可資利用的淡水資源，將檢測合格的淡化水送入城市供水系統(tǒng)，緩解城市用水壓力，實(shí)際上等于增加了我國水資源總量，這對于長遠(yuǎn)解決我國水資源短缺問題具有戰(zhàn)略意義。

圖9 水資源綜合利用技術(shù)：能源與資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈

[1] 張建紅，吳禮云.低溫多效海水淡化技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[C].第四屆金屬學(xué)會青年學(xué)術(shù)論文集， 2008.

[2] 余瑞霞，王越，王世昌.海水淡化濃鹽水排放與處理技術(shù)研究概況[J].水處理技術(shù)，2005（6）.

[3] 吳禮云，李揚(yáng).低溫多效蒸餾海水淡化熱力發(fā)電耦合技術(shù)[N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2012-7-31（B11）.

Discussion on Integration Technology of Seawater Desalt at Low Cost

WU Li-yun, LI Yang, SUN Xue, TANG Zhi-xin

(Shougang Jingtang Integrated Iron & Steel Co., Ltd, Caofeidian Hebei 063200, China)

Integration technology of seawater desalting takes seawater desalt with low temperature, multi-effect and distillation as a core, integrates thermoelectricity and salt-alkali chemical industry, forms integration production mode of “heatelectricity-water-salt’, realizes the comprehensive utilization of fresh water resource, seawater resource and energy resource, reduces greatly production costs and achieves environmental protection benefts and social benefts as well as provides a real and feasible program for the future urban water supply.

seawater desalting; integration technology; circular economy; integration production of heat-electricity-watersalt; low temperature and multi-effect

X703

A

1006-5377（2014）07-0048-05