船用海水淡化裝置

夏永強，胡 鈺，張 磊，余黎明

● （中海油能源發(fā)展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016）

船用海水淡化裝置

夏永強，胡 鈺，張 磊，余黎明

● （中海油能源發(fā)展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016）

本文介紹了船用海水淡化裝置的主要方法及各自特點，分析了國內(nèi)外船用海水淡化裝置的應用現(xiàn)狀，著重對目前應用最廣泛的蒸餾法和反滲透法進行了對比。分析表明，未來一段時期內(nèi)船用海水淡化裝置仍將以利用船上廢熱的蒸餾法和反滲透法為主。

艦船；海水淡化；蒸餾；反滲透；對比

0 引言

現(xiàn)代很多大型船舶由于遠洋航行或長時間海上作業(yè)，需要消耗大量淡水，主要用作為鍋爐補給水或柴油機冷卻水、船員和旅客的生活用水以及某些工程船舶的作業(yè)用水等。由于海水含鹽量過高不能直接作為淡水使用，對于出海時間比較長的船舶來說，攜帶大量的淡水必然會減少船舶載質量以及船上空間。此外，淡水貯存過久也會因水艙的污染和細菌的繁殖而變質。所以，海水淡化裝置成為這些船舶必不可少的重要裝備。隨著艦船生活條件的改善、船舶動力裝置的提高和改進，所需的淡水量和品質也不斷提高，所以海水淡化裝置已成為艦船越來越重要的組成部分。

1 常用海水淡化方法

目前，船用海水淡化方法主要有蒸餾法、膜法、冷凍法以及按能量來源方式衍生的太陽能法。技術較為成熟、應用最多的是蒸餾法與膜法。

1.1 蒸餾法

蒸餾法是最早應用于船上的海水淡化方法，它利用了鹽分幾乎不溶于低壓蒸汽的特性，將加熱海水，使其中的水分氣化成蒸汽，把所得的蒸汽冷凝得到淡水。現(xiàn)階段船用蒸餾法海水淡化裝置主要采取了廢熱回收方式為裝置提供熱量。按蒸餾原理的不同可分為沸騰蒸餾法、閃發(fā)蒸餾法和壓氣蒸餾法[1]。

1）沸騰蒸餾法

沸騰蒸餾法是在一定壓力下把海水加熱到沸騰溫度，使海水中的水分蒸發(fā)成蒸汽，從而與海水中的鹽類分離，蒸汽經(jīng)冷凝得到淡水。沸騰蒸餾法按海水蒸發(fā)級數(shù)不同可分為單效和多效；按加熱器的不同可分為管式、板式以及膜蒸餾。

常壓下把海水加熱到飽和溫度需要消耗大量能量，且換熱面結垢嚴重，所以主流的船用沸騰蒸餾一般采用真空沸騰蒸餾。真空沸騰蒸餾是在真空狀態(tài)下進行低溫蒸發(fā)，不但消耗能量少，而且蒸發(fā)溫度一般低于 70℃，結垢并不明顯。目前，很多國內(nèi)外廠商研發(fā)生產(chǎn)真空沸騰蒸餾海水淡化裝置，如瑞典的Alfa Laval公司、英國的APV公司以及國內(nèi)南京中船綠洲環(huán)保有限公司等。

2）壓汽蒸餾法

壓汽蒸餾法利用了水蒸氣被絕熱壓縮時溫度升高這一特性。先將海水預熱進入蒸發(fā)器，一部分海水受熱蒸發(fā)，所產(chǎn)生的這部分蒸汽經(jīng)壓縮機提高壓力和溫度，然后再被引入蒸發(fā)器作為另一部分海水的熱源加熱海水，蒸汽本身被冷凝成淡水引出，潛熱得到了反復利用。

3）閃發(fā)蒸餾法

閃發(fā)蒸餾是將加熱后的海水送入具有一定真空度的容器內(nèi)，由于海水溫度高于該真空條件下的飽和溫度，過熱海水降溫聚熱，使一部分水閃發(fā)成蒸汽，蒸汽冷凝后得到淡水[1]。根據(jù)閃發(fā)級數(shù)不同，閃發(fā)蒸餾分單級閃發(fā)蒸餾和多級閃發(fā)蒸餾。

閃發(fā)蒸餾法的顯著特點是海水的加熱和蒸發(fā)依次在不同容器內(nèi)進行，加熱過程中沒有相變，閃發(fā)溫度較低，結垢極其輕微。目前，閃發(fā)蒸餾裝置的生產(chǎn)企業(yè)主要有瑞典的Alfa Laval公司、英國APV以及德國Serckcomo公司等[2]。

1.2 膜法

膜法海水淡化技術是以機械能或電能為推動力，用天然或人工合成的高分子薄膜將海水中鹽分和水分離的技術。膜法海水淡化方法主要包括反滲透法和電滲析法。

1）反滲透法

反滲透法是根據(jù)反滲透原理，利用高壓泵壓縮海水，使其壓力超過半透膜的滲透壓，海水中的水分就會透過半透膜，鹽分則被截留在海水一側，從而制取淡水。

反滲透法裝置的核心元件是半透膜，半透膜能夠分離海水中的各種無機鹽離子以及大分子溶質。隨著科技的進步，人們研發(fā)出許多新型高效的半透膜，比如R. K. Joshi、P. Carbone及F. C. Wang等人[3]提出的氧化石墨烯材質的半透膜，實驗驗證表明，不但水分子通過阻力很小，而且能有效阻擋無機鹽離子通過。

另外，人們在傳統(tǒng)反滲透法的基礎上不斷對其改進，例如美國研究人員Jeri L. Prante和Jeffrey A. Ruskowitz等提出一種低能耗的 RO-PRO（Reverse Osmosis–Pressure Retarded Osmosis）海水淡化技術，用反滲透裝置排出的濃鹽水所蘊含的高壓能預壓縮原料海水，從而節(jié)省高壓泵的能耗。經(jīng)模擬計算，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)反滲透法節(jié)省大約40%的電能[4]。

2）電滲析法

電滲析法是利用相間排列的具有選擇性的陰、陽離子交換膜，在外加直流電場作用下，使海水中的帶電離子選擇性的透過離子交換膜進入不同的隔室，從而實現(xiàn)海水淡化的一種膜分離技術[5]。電滲析法無需熱源、運行穩(wěn)定、操作方便以及原水回收率高，但是由于海水含鹽量高，電滲析耗電量比較大，并且產(chǎn)水品質不高，常與離子交換法聯(lián)合使用制取高純度淡水。

1.3 冷凍法

如果使海水溫度降至其冰點溫度以下,海水中就會產(chǎn)生不含鹽分的冰晶，鹽分則被排除在冰晶之外的濃縮海水中，將冰晶取出用淡水清洗，然后加熱使之融化即可得到淡水,這一海水淡化方法稱為冷凍法。

冷凍法海水淡化裝置運行過程中需要消耗大量的冷能，而一般艦船上沒有冷能可直接利用，只能靠消耗船上有限的電能制冷，這大大限制了冷凍法在船上的大規(guī)模推廣利用。然而隨著天然氣在能源結構中的地位越來越重要，以LNG為燃料的船舶越來越多，LNG氣化過程中會釋放出大量的冷能，這為船上采用冷凍法海水淡化裝置提供了可能性。例如文獻[6]中提出一種利用LNG冷能的海水淡化技術，以制冷劑HFE-7100為中間介質，利用LNG氣化時釋放的大量冷能進行海水淡化，通過實驗模擬證實這是一種很有效的海水淡化方法。

1.4 太陽能法

太陽能作為一種資源豐富、無污染、可免費使用的能源，其能源利用技術越來越成熟，利用太陽能進行海水淡化也越來越受到人們的重視。太陽能海水淡化系統(tǒng)其實是傳統(tǒng)海水淡化裝置和太陽能利用裝置的結合。根據(jù)太陽能利用方式的不同，太陽能法可分為以下兩種：一是太陽能集熱器和蒸餾法海水淡化裝置的結合，利用太陽能集熱器產(chǎn)生熱能驅動海水發(fā)生相變，所得蒸汽經(jīng)冷凝后得到淡水，此方法又分主動式和被動式；二是利用太陽能發(fā)電以驅動反滲透或電滲析海水淡化裝置，實際上是太陽能發(fā)電裝置和反滲透或電滲析裝置的結合。

雖然太陽能易獲得、無污染，但由于其能量密度太低，受地理位置和天氣影響比較大，并且只能白天使用，這都使得太陽能海水淡化裝置很難在船上得到推廣應用。

隨著人們對海水淡化方法的深入研究，不斷有其他方法出現(xiàn)，如水合物法、離子交換法以及太陽能法中的低位露點蒸發(fā)和氣提等工藝方法，但這些方法因為技術尚不夠成熟或者與傳統(tǒng)工藝相比沒有明顯優(yōu)勢，截止到現(xiàn)在還沒有得到推廣應用。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

自16世紀帆船時代，人們就已經(jīng)開始利用蒸餾法制取淡水以滿足船員的日常生活用水需求。進入20世紀40年代，美國的部分潛艇和艦船上開始使用壓氣蒸餾和閃發(fā)蒸餾海水淡化裝置。

20世紀60年代，自從美國杜邦公司率先研制成B10海水淡化中空纖維膜以來，反滲透海水淡化裝置得到了快速發(fā)展，并且一些艦船上開始使用反滲透海水淡化裝置。但是反滲透海水淡化裝置并沒有在國際船用市場上得到廣泛的推廣應用，并且一直到20世紀80年代，國外艦船上海水淡化裝置基本全部采用蒸餾法[7]。

另外，電滲析法也有在國外船舶上使用的先例，1958年，前蘇聯(lián)的“圖拉”號就是安裝了電滲析海水淡化裝置[8]。電滲析法海水淡化裝置的耗電量與海水含鹽量成正比，由于海水含鹽量比較高，所以電滲析法耗電量較高，并且設備維修復雜，產(chǎn)水品質不高，這限制了電滲析法在艦船上的繼續(xù)推廣使用。

雖然我國船用海水淡化技術的研究起步較晚，但近幾年隨著造船業(yè)的不斷發(fā)展，我國已有十多家船用海水淡化裝置的制造商。隨著反滲透海水淡裝置的生產(chǎn)、制造及安裝技術越來越成熟，并且滲透膜的價格也有所下降，使得國內(nèi)船用反滲透海水淡化裝置數(shù)量已超過了蒸餾法海水淡化裝置；但是反滲透法海水淡化裝置中半透膜和高壓泵等核心元件仍主要靠進口，國內(nèi)還沒有掌握其核心生產(chǎn)技術。

國內(nèi)蒸餾法海水淡化裝置研發(fā)及生產(chǎn)單位僅有上海704研究所、中船綠洲環(huán)保有限公司等少數(shù)幾家。目前國內(nèi)上海704研究所生產(chǎn)的船用板式蒸餾海水淡化裝置，雖然其性能指標達到了國際水平，并且已經(jīng)在國內(nèi)各類民用工作船和軍用艦船上得到了廣泛應用，但是由于價格、技術及售后服務問題還沒有進入國際市場[8]。

3 蒸餾法和反滲透法的比較

蒸餾法和反滲透法經(jīng)過長時間的發(fā)展，技術已相當成熟，與其他方法相比優(yōu)勢明顯，所以，目前船用海水淡化方法主要是蒸餾法和反滲透法。表1為船用蒸餾法和反滲透法的對比情況。

表1 蒸餾法和反滲透法對比表

4 總結

通過以上論述、分析及對比，可預見，在以后較長的一段時期內(nèi)，在其他高效海水淡化方法出現(xiàn)以前，利用船上廢熱的蒸餾法和反滲透法仍將是船用海水淡化方法的主流選擇。另外，并不能單純的評價一種海水淡化方法的好壞，船用海水淡化方法的選擇，要根據(jù)船的動力裝置、噸位大小和用途、航行海域海水品質以及安全性要求等多方面因素綜合考慮。

[1] 冷峻,王偉勇.船用海水淡化裝置及其現(xiàn)狀分析[J].機電設備, 2004 (5): 44-46

[2] 苗超,謝春剛,馮厚軍,等.船用海水淡化技術發(fā)展現(xiàn)狀與研究建議[J]. 船舶工程, 2011, 33 (6): 6-9.

[3] Joshi R K, Carbone P, Wang F C, et al. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes[J]. Science, 2014, 343(6172): 752-764.

[4] Jeri L P, Jeffrey A. RO-PRO desalination: An integrated low-energy approach to seawater desalination [J].Applied Energy., 2014, 120: 104-114.

[5] 王俊珍.船舶海水淡化技術及應用[J]. 江蘇船舶,2009, 26 (1): 18-20.

[6] Xie C G, Sun J, Lv Q C. High efficient seawater freezing desalination technology by utilizing cold energy of LNG [J]. IDA Journal of Desalination and Water Reuse, 2014, 6(1)：5-9.

[7] 潘獻輝,王生輝,王曉楠.船用海水淡化裝置的發(fā)展及應用[J]. 中國給水排水, 2012, 28 (4): 24-26.

[8] 李航宇,王曉娟,宋保維,等.船舶海水淡化裝置的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 船舶工程, 2008, 30 (3): 1-4.

Seawater Desalination Plant for Ships

XIA Yong-qiang, HU Yu, ZHANG Lei, YU Li-ming
(Cnooc Energy Development Co., Ltd., Beijing Institute of Cold Energy Utilization, Beijing 100016, China)

This paper introduces the main methods of seawater desalination and characteristics of ships, then, the current situation of application in China and abroad is analyzed. The distillation and the reverse osmosis devices that the most widely used at present is compared. Through analyzing, it can be obtained that the distillation and the reverse osmosis devices would be still the main methods for marine desalination plants in the future.

ship; seawater desalination; distillation; reverse osmosis; comparison

TV4

A

夏永強（1974-），男，經(jīng)濟師，主要從事冷能利用研究。