海水淡化工藝及關(guān)鍵泵技術(shù)發(fā)展綜述

肖功槐 楊懷武 趙永偉

（上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司)

0 前言

眾所周知，沒有水就沒有生命，人類的生存和發(fā)展須臾離不開水。我們生活的地球，海洋面積占2/3還多，但地球上的淡水所占比例卻是極少。96.5%是海水，又苦又咸，不能飲用、不能灌溉、不能用于洗滌。淡水占比很少，而且絕大部分分布在兩極或冰川地帶，一部分深埋在地下或懸浮于空氣中無法直接利用，只有極少的淡水存在于江、河、湖泊、水庫和淺地層，可以被人類直接利用。

由于淡水分布不均，全世界約1/3的人口生活在缺水狀態(tài)中。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，到2025年缺水的人口可能會增加到2/3。人類對淡水的需求急劇增加，而人類有近七成居住在距大海不到120 km的區(qū)域，這就使得向海洋索取淡水成為必然。因此海水淡化已成為沿海地區(qū)解決用水矛盾最現(xiàn)實和急迫的問題。

1 海水淡化的工藝變遷

海水淡化技術(shù)亦稱海水脫鹽技術(shù)，就是分離海水中鹽和水的技術(shù)，發(fā)展至今已經(jīng)歷了半個世紀(jì)。聯(lián)合國在 《非常規(guī)水源的研究報告》中指出：1950～1985年期間，海水淡化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)階段、開發(fā)階段和商業(yè)化階段，這期間研究開發(fā)的精力主要集中于蒸餾法 （包括多級閃蒸法和低溫多效法等）和反滲透法。

(1)多級閃蒸法 (MSF)

海水經(jīng)過加熱后，依次在多個壓力逐級降低的閃蒸室進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽用于加熱循環(huán)的海水，蒸汽放出潛熱后冷凝成淡水，這一過程就稱為多級閃蒸蒸餾。

(2)低溫多效法 (MED)

加熱后的海水經(jīng)多個蒸發(fā)器串聯(lián)運(yùn)行，前一效蒸發(fā)的二次蒸汽作為其下一效的加熱蒸汽，而蒸汽冷凝后則成為淡水，這一過程就稱為低溫多效蒸餾。

(3)反滲透法 (RO)

用膜將含鹽濃度不同的兩種水分開，在含鹽的一側(cè)外加一個壓力，使之大于膜兩側(cè)的滲透壓力差，迫使水從高濃度溶液中析出并透過膜進(jìn)入低鹽濃度溶液，這就是反滲透原理。反滲透法海水淡化系統(tǒng)由4個主要部分構(gòu)成:① 預(yù)處理設(shè)備;② 高壓泵;③膜組件;④ 后處理設(shè)備。預(yù)處理是對進(jìn)料海水進(jìn)行處理，通常包括去除懸浮固體，調(diào)節(jié)pH值，添加臨界隱蔽劑以控制碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢等，目的是為了保護(hù)膜。高壓泵用于對進(jìn)料海水加壓，使之達(dá)到適合于所用膜和進(jìn)料海水所需要的壓力。膜組件的核心是半透膜，它截留溶解的鹽類，而允許幾乎所有不含鹽的水通過。后處理主要是進(jìn)行穩(wěn)定處理，包括pH值調(diào)節(jié)和脫氣處理等。

蒸餾法海水淡化出水水質(zhì)較高，而反滲透法海水淡化經(jīng)一次脫鹽能生產(chǎn)出相當(dāng)于自來水水質(zhì)的淡化水。在預(yù)處理方面，蒸餾法的要求相對較低，而反滲透法則要求嚴(yán)格的預(yù)處理工藝，否則反滲透膜的性能將受到嚴(yán)重影響。就規(guī)模而言，各種海水淡化方法都向大型化發(fā)展，其中多級閃蒸裝置單機(jī)造水能力為5.46×104m3/d，低溫多效淡化裝置的單機(jī)造水能力也達(dá)1.9×104m3/d。盡管海水反滲透淡化裝置的單機(jī)造水能力一般不大于1×104m3/d，但反滲透海水淡化工廠的淡水生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)高達(dá)11.4×104m3/d。針對不同的用水領(lǐng)域及用水要求，如工業(yè)用水、發(fā)電用水、民用領(lǐng)域等，各種技術(shù)在成本核算及技術(shù)特性方面各有優(yōu)劣 （見表1）。

“十二五”時期，世界海水淡化科技發(fā)展呈現(xiàn)新趨勢，膜法和蒸餾法在未來較長時間內(nèi)仍將是海水淡化的兩個主流工藝。其中反滲透法所占比例最高，為60%；蒸餾法所占比例次之，為34.8%；其他方法合計約5%。國際上多級閃蒸法、低溫多效法和反滲透法的最大海水淡化單機(jī)規(guī)模分別達(dá)到7.6萬 m3/d、3.6萬 m3/d、2.5萬m3/d。與此同時，海水淡化成本也逐漸降低，淡化水平均售價為0.6～0.9美元/噸。

2 海水淡化技術(shù)在全世界的發(fā)展情況

對于海水淡化，實際應(yīng)用中選用何種方法需要考慮多方面的因素。淡化裝置規(guī)模、原水水質(zhì)差異、使用場所、能源費(fèi)用及氣候條件等因素，都最終決定了淡化方法的選取。因此各國家、地區(qū)選用的淡化方法不盡相同。

由圖1可見，多級閃蒸仍是中東國家的首選，其次是反滲透和低溫多效。多級閃蒸在海灣國家的廣泛應(yīng)用主要有兩個方面的原因，一方面是這些國家石油資源豐富，利用豐富廉價的油田氣發(fā)電，建立水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，抽汽輪機(jī)乏汽所含余熱供給多級閃蒸淡化裝置，因而能源費(fèi)用極低；另一方面，多級閃蒸技術(shù)最成熟，多級閃蒸裝置便于大型化和特大型化，設(shè)備使用壽命長。此外，海灣水的高溫(夏天高到40℃)、高鹽度 (總含鹽量高到40 000 mg/L)和高污染，特別是石油污染，都限制了反滲透技術(shù)在該地區(qū)的應(yīng)用。盡管如此，海灣地區(qū)仍建立了一些較大型的反滲透海水淡化廠，足見反滲透在海水淡化技術(shù)中占有越來越重要的地位。

表1 多級閃蒸法（MSF）、低溫多效法（MED）、反滲透法（RO）優(yōu)劣勢比較[1]

圖1 海灣國家與世界各國海水淡化方法的比較

圖2數(shù)據(jù)源自2007年度海水淡化市場的情況統(tǒng)計。在中東地區(qū)，多級閃蒸法 （MSF）的市場占有率超過了70%，低溫多效法 （MED）與反滲透法 （RO）的市場占有率基本持平；而在世界其他地區(qū) (南美除外)，反滲透法的市場份額尤為突出。

圖2 MSF、MED、RO市場占有率比較

截止2010年年底，全球已有150多個國家和地區(qū)在利用海水淡化技術(shù)，已建成和在建的海水淡化工廠有15 000多個，合計裝機(jī)容量為7170萬m3/d。市政供水是海水淡化的主要應(yīng)用領(lǐng)域，在已建裝機(jī)容量中，市政供水占比最高，為63.1%，已解決了2億多人的生活用水問題；工業(yè)及電力次之，占比為31.4%；其余用途約占5%。

3 海水淡化技術(shù)在中國的發(fā)展情況

在 “十一五”期間，我國對海水淡化技術(shù)的發(fā)展就進(jìn)行了重點(diǎn)支持，圍繞反滲透海水淡化和低溫多效海水淡化兩個主流工藝進(jìn)行了集中攻關(guān)，取得了一系列重要進(jìn)展。

（1）突破了多項海水淡化核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。反滲透海水淡化方面，在杭州等地建成了反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線；開發(fā)出與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)暮Ｋ邏罕?；建成了年產(chǎn)2萬支的反滲透膜壓力容器生產(chǎn)線，產(chǎn)品已占據(jù)國內(nèi)大部分市場并實現(xiàn)出口。低溫多效海水淡化方面，在蒸發(fā)器設(shè)計、傳熱材料等技術(shù)上取得了一些專利。

（2）建成了多個海水淡化示范工程。目前國內(nèi)工程最集中、規(guī)模最大的海水淡化項目位于天津濱海新區(qū)，有4個項目投建，分布在塘沽、大港和漢沽，它們是大港電廠、天津北疆電廠、大港新泉海水淡化公司以及開發(fā)區(qū)新水源海水淡化廠，四個海水淡化水廠目前日產(chǎn)淡水達(dá)21.7萬m3，其中由新加坡凱發(fā)集團(tuán)建設(shè)的新泉項目完全建成后將達(dá)到15萬m3/d，四個項目最終形成42.7萬m3/d的生產(chǎn)能力。在反滲透海水淡化方面，我國已先后完成了日產(chǎn)百噸級、千噸級和萬噸級反滲透海水淡化工程的示范項目，工程技術(shù)達(dá)到國外同規(guī)模先進(jìn)水平。從我國第一座海水淡化工程1981年西沙200 m3/d電滲析海水淡化示范工程起，我國先后完成了1990年嵊山500 m3/d反滲透海水淡化示范工程、1999年浙江嵊泗和2000年山東長島1000 m3/d反滲透海水淡化示范工程、2002年山東榮成5000 m3/d反滲透海水淡化示范工程、2003年黃島電廠3000 m3/d低溫多效海水淡化示范工程、2008年黃驊電廠Ⅱ期12 500 m3/d低溫多效海水淡化示范工程。在示范工程的引領(lǐng)和國家產(chǎn)業(yè)政策的推動下，先后建成了一批中大型海水淡化工程。同時，在浙江舟山、溫州、臺州和山東煙臺等沿海地區(qū)的海島縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成了一批小型海水淡化工程，為緩解我國沿海地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的同時，也為我國海水淡化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。初步統(tǒng)計，截止2010年底，我國已建成投產(chǎn)的海水淡化裝置總數(shù)為76套，總產(chǎn)水能力55.78萬m3/d[2]。

目前，我國海水淡化規(guī)模還很小，尚未達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模。據(jù)中國脫鹽協(xié)會統(tǒng)計，目前我國海水淡化能力約為66萬m3/d。但在未來5年，中國海水淡化的產(chǎn)能將翻番。 “十二五”末期，我國海水淡化產(chǎn)能將達(dá)到200萬～300萬m3/d，投資規(guī)模將達(dá)200億元[3]。

4 海水淡化用泵的選型和應(yīng)用

圖3 反滲透海水淡化典型工藝流程

圖3是反滲透海水淡化工藝流程示意圖。在反滲透海水淡化工藝中，待處理的原海水經(jīng)過高壓泵加壓后，進(jìn)入反滲透膜組件。經(jīng)過反滲透膜處理透過膜的水即為所需要的淡水。剩余未透過膜的那部分水為濃度較高的海水，即濃海水。這部分具有高壓力能的濃海水通過PX能量回收裝置可將一部分待處理的原海水直接升壓，然后再進(jìn)一步用增壓泵增壓，以補(bǔ)償經(jīng)過膜堆和管道造成的壓力損失。這部分經(jīng)升壓的原海水與另一部分經(jīng)高壓泵升壓的原海水混合后，送往反滲透膜組進(jìn)行淡化處理。

反滲透海水淡化裝置中要使用許多種不同形式的泵，為了達(dá)到所需要的流量和壓力，高壓泵通常采用徑向剖分 （軸開）節(jié)段式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)泵適用于流量400 m3/h以下、日處理量小于1萬t的工程。其特點(diǎn)是相對于容積式泵效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，成本低，便于系列化制造。這種泵也是目前小規(guī)模海水淡化工程中應(yīng)用最多的泵。對日產(chǎn)1萬t以上甚至更大規(guī)模的反滲透海水淡化工程，則多采用軸向剖分 （水平中開）式的蝸殼式多級離心泵，這種泵能達(dá)到500～3000 m3/h以上的流量和近7 MPa的壓力。蝸殼式泵的效率比導(dǎo)葉式多級泵高，且高效區(qū)比較寬廣，使用和維修均很方便。但這種泵技術(shù)要求高，鑄造、加工、裝配難度大。這就對泵制造企業(yè)的技術(shù)水平、加工制造能力、裝配能力提出了更高要求。

高壓泵是反滲透海水淡化裝置的主泵，是代表性關(guān)鍵設(shè)備。目前反滲透海水淡化處理系統(tǒng)中使用的高壓泵主要有3種：往復(fù)式容積泵、多級離心高壓泵和高速離心泵。這些產(chǎn)品在國外技術(shù)都已成熟，產(chǎn)品也已系列化。

通過表2可以看出,往復(fù)式容積泵主要用于額定流量較低的場合，多級離心高壓泵主要用于額定流量較高的場合。

表2 不同形式的高壓泵比較 [3]

表3所示為一些海水淡化系列泵的性能參數(shù)。圖4～圖9是用于海水淡化的主要泵設(shè)備 （含能量回收裝置）實物圖片。

圖4 國產(chǎn)節(jié)段式高壓泵

圖5 高壓增壓泵

表3 海水淡化系列泵性能參數(shù)

圖6 多級中開式高壓泵

圖7 差壓交換式能量回收裝置

圖8 國產(chǎn)萬噸級水平中開式高壓泵

圖9 節(jié)段式高壓泵

5 材料

海水水質(zhì)具有如下一些主要特點(diǎn)：（1）含鹽量高，一般在 35 g/L左右；（2）腐蝕性大；（3）海水中動、植物多；（4）海水中各種離子組成比例比較穩(wěn)定（見表4）； （5）pH變化小， 海水表層pH在8.1～8.3范圍，而在深層pH則為7.8左右。

泵用耐海水過流部件材料選用一覽表如表5所示。

表4 海水中離子主要成分

表5 泵用耐海水過流部件材料選用

由于長期浸泡在海水中，且泵內(nèi)部輸送高速流動的海水，如果不采取有效的防腐措施，設(shè)備很快就會被腐蝕損壞。因此海水泵采用的材料要有很強(qiáng)的耐腐蝕性，如低鎳鉻合金鑄鐵、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。未來對于海水介質(zhì)在泵材料的選用上，雙相不銹鋼及超級雙相不銹鋼以其優(yōu)異的耐海水腐蝕性能有望成為人們的首選。當(dāng)然，選材時還應(yīng)根據(jù)海水含鹽量、溫度、含沙量等同時兼顧項目投資情況進(jìn)行綜合考慮[4]。

6 結(jié)語

目前，上述3種海水淡化技術(shù)對于淡化海水與生產(chǎn)飲用水都已進(jìn)入成熟階段，所以，對于海水淡化工藝的選擇不存在 “唯一性”，應(yīng)基于每個項目的自身特點(diǎn)，綜合考慮客觀條件與安裝場所的具體條件等。今后我國反滲透海水淡化將以更大的規(guī)模得以應(yīng)用。我國泵行業(yè)對海水淡化這一重要領(lǐng)域的發(fā)展十分關(guān)注，已全面參與海水淡化工藝用特殊泵的研發(fā)，尤其是高壓泵、高壓增壓泵兩種關(guān)鍵泵的研發(fā)，并已取得突破性進(jìn)展。上海凱泉泵業(yè) （集團(tuán)）有限公司在2008年就已有高壓增壓泵成功應(yīng)用于浙江洞頭島海水淡化工程上，2013年為大唐黃島電廠研制10 000 m3/d的水平中開多級高壓泵也將投入工業(yè)運(yùn)行?？梢灶A(yù)期，在未來我國所建的海水淡化工程中，國產(chǎn)化泵將以性價比的優(yōu)勢逐漸取代進(jìn)口泵。

[1]周赤忠，李焱.當(dāng)前海水淡化主流技術(shù)的分析與比較[J].電站輔機(jī)， 2008(4）： 1-5.

[2]王琪，鄭根江，譚永文.中國海水淡化工程運(yùn)行狀況[J].水處理技術(shù)，2011，37(10)：12-14.

[3]葉曉琰，許國樂，胡敬寧.反滲透海水淡化高壓泵的優(yōu)化選擇 [J].水處理技術(shù)，2008,34(9)：79-81.

[4]黃程.海水淡化用泵及材料發(fā)展淺述 [J].水泵技術(shù)，2010(4)：34-36.