热法及膜法海水淡化经济性分析

膜法热法海水淡化技术经济分析

大连海水淡化工程研究中心华维国

一、海水淡化方法概述：

海水淡化是指从海水中获取淡水的技术和过程，通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准的水处理技术，目前淡化方法已达数十种，达到商业化规模的主要有反渗透法和蒸馏法，也就是常说的“膜法”和“热法”，蒸馏淡化技术又分成多级闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏三种。

1、蒸馏法淡化技术

蒸馏法又称蒸发法，是最早采用的淡化技术。早期主要用于少量蒸馏水的生产和制糖工业的料液浓缩，近代工业逐渐用于电厂和大型工业锅炉供水。

蒸馏法与膜法不同，经蒸发所得的水就是蒸馏水，水质较高，产品水的含盐量（总固溶物）可以降到5ppm以下。蒸馏法所能处理的原料水比其它方法更加广泛，原水含盐量从几百毫克/升到几万毫克/升都可适应。

蒸馏法海水淡化的装置类型较多，主要的有：多级闪蒸海水淡化、多效蒸发海水淡化和压汽蒸馏海水淡化。以下对各种方法进行简介：

（1）多级闪蒸技术(MSF)

●基本原理

多级闪蒸是将海水加热到一定温度后，引入到一个闪蒸室，其室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，部分海水迅速汽化，冷凝后即为所需淡水；另一部分海水温度降低，流入另一个压力较低的闪蒸室，又重复蒸发和降温的过程。将多个闪蒸室串联起来，室内压力逐级降低，海水逐级降温，连续产出淡化水。

●工艺流程

经过澄清和加氯消毒处理的海水，首先送入排热段作为冷却水。离开排热段的大部分冷却海水又排回海中，小部分作为进料海水（补给海水），经预处理后，从排热段末级闪蒸室流入第一级闪蒸室，如技术原理所说明的那样，逐级降压，海水逐级降温，连续产出淡化水。见图1-1。

多级闪蒸的造水比是指生产的淡水（蒸馏水）的重量与所消耗的加热蒸汽之比，是淡化厂经济效益的直接体现，通常小型装置的造水比较小，大型装置的造水比较高，如日产淡水几百吨或四、五千吨的装置，造水比一般为5-8左右；日产淡水万吨级的装置，造水比多在10以上，日产淡水四～五万吨的装置造水比可达到13-14。

图1-1 多级闪蒸流程图

（2）多效蒸馏技术(MED)

●基本原理：

将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，蒸汽进入第一效蒸发器，与进料海水热交换后，冷凝成淡化水；海水蒸发，蒸汽进入第二效蒸发器，并使几乎同量的海水以比第一效更低的温度蒸发，自身又被冷凝。这一过程一直重复到最后一效。连续产出淡化水。

多效蒸馏分为低温和高温多效蒸馏。高温多效蒸馏可安排更多的传热效数，以达到较高的造水比，其热效率较高。但是，前几效盐水的蒸发温度较高，传热管易结垢且腐蚀速度快，因而对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对海水预处理要求也高。针对高温多效蒸馏的缺点，发展了低温多效蒸馏技术，其特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，减缓了设备的腐蚀和结垢；并得到10效以上的造水比。

●工艺流程：

海水在冷凝器中预热、脱气之后分成两股，一股排回大海，另外一股为进料液。料液加入阻垢剂，引入到蒸发器温度最低的效组中。喷淋系统把料液分布到顶排管上，自上向下的降膜过程中，一部分海水吸收了管束内冷凝蒸汽的潜热而汽化；冷凝液以淡化水导出，蒸汽进下一效组，剩余料液也泵入下一效组中，该效组的操作温度高于上一效组。在新的效组中又重复了蒸发和喷淋过程，直到料液在温度最高的效组中以浓缩

液的形式排出。详见图1-2：

图1-2 低温多效蒸馏工艺流程图

（3）压汽蒸馏技术(VC)

●基本原理：

海水蒸发过程所产生的二次蒸汽，经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，作为进料海水蒸发的热源，并自身冷凝为淡化水。上述过程周而复始，连续生产。

压汽蒸馏按操作温度可分为常压压汽蒸馏和负压压汽蒸馏两种。从结构上，又分为水平管降膜喷淋式和垂直管式两种形式；前一结构的优点是料液自液体分布器出来之后，在水平传热管上以薄膜的形式分布，又依靠重力向下实现再分布，由于液膜分布薄且均匀，因而传热系数高，并且蒸发器结构简单，在海水淡化领域得到广泛应用。

●工艺流程：

进料海水用极少量阻垢剂预处理后，进入一个板式换热器，回收自蒸发器排放出的浓盐水和淡化水的热量。之后，与循环的浓盐水混合，进入到蒸发器中，喷淋到水平传热管束的外表面上，喷淋量需刚好在管子表面形成连续的液膜，与管束内经压缩机增压的蒸汽（略低于浓盐水蒸发平衡压力）热交换。管内蒸汽冷凝成淡水导出，管外一部分盐水产生蒸发，通过汽液分离器除去夹带的液滴之后，蒸汽进压缩机压缩并导入传

热管束内。如此构成了二次蒸汽的不断循环和潜热交换。工艺流程见图1-3：

图1-3 压汽蒸馏工艺流程图

2、膜法海水淡化技术

（1）电渗析技术(ED)

●基本原理：

电渗析以直流电为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使一个水体中的离子通过膜迁移到另一个水体中的物质分离过程。

●主要特点：

电渗析为无相变过程。所耗电能主要用于迁移溶液中的电解质离子，所耗的电能与溶液浓度成正比，对于不导电的颗粒没有去除能力。电渗析技术用于海水淡化时能耗大，大规模的海水淡化工程基本上不采用。但将1000～3000毫克/升的苦咸水脱盐至500 毫克/升的饮用水是经济可行的。

（2）反渗透技术(RO)

●基本原理：

用一张只透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐水隔开，淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧，这种现象称为渗透。当渗透到盐水一侧的液面达到某一高度时，渗透的自然趋势被这一压力所抵消从而达到平衡。这一平衡压力即为该体系的渗透压，如在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，盐水中的水会透过半透膜到淡水处。这种与自然渗透相反的水迁移过程称为反渗透。

●工艺流程：

进料海水经预处理，去除悬浮固体及其它有害物。然后经高压泵增压后，进入膜脱盐设备，产出的中间淡水产品进入后处理设施（按淡水不同用途选择，如作饮用水，需pH调节和加氯杀菌设备），精制成终产品淡水。浓盐水自膜脱盐设备排出。

见图1-4：

图1-4 反渗透工艺流程图

资额相当，所以分担固定成本费用的主要影响因素就要看热法膜法系统的年均造水量及运行效率，最后计算出两种工艺的在实际运行中的年吨水分摊的固定成本。

热法系统造水工艺主要靠大型的主蒸汽器蒸发换热实现的，只要换热传热过程稳定进行，外界因素不是影响热法系统造水量的主要因素。

膜法系统造水工艺主要靠过滤实现，过滤系统的元件质量和工作效率直接关系系统的运行效率，海水温度、反渗透膜的质量、预处理单元工作效率等因素都直接影响膜法系统的年造水量，外界因素是影响膜法系统造水量的主要因素。

我们在以往的膜法系统淡化水固定成本分析报告中，是把膜法系统处于理想状态，回避外界因素对造水量的影响，是按照系统的设计值常年不变的情况计算出来的。但是我们通过对已投运的几个典型电厂膜法系统的多年运行数据进行统计分析，得出了外界因素对膜法系统年均造水量影响巨大。

下表为某电厂膜法系统年造水曲线：

从上述曲线表可以看出，膜法系统由于受膜和海水温度等因素的影响，年实际出水量发生较大变化，远离设计曲线。

下表为某电厂热法系统年造水曲线：

从上述曲线表可以看出，热法系统按照夏季海水温度20～30°设定主蒸发器的末端冷凝温度，在冬季运行时由于海水温度低于设计温度，使主蒸发器换热温差增大，提高了换热效率从而增加了造水出力，所以热法的年平均造水指数与设计值基本吻合。

我们在热法膜法系统淡化水固定成本分析报告中提出了热法膜法系统固定资产投资成本分析比较修正系数，简称：热膜固本修正系数，我们通过数年的统计分析和计算得出目前阶段“

0.8为宜；我们用两种淡化方法进行方案的论证和比较时，必须对固定资产投资进行修正后结论才具备科学性，否则我们的方案只能是理想状态，严重脱离实际。

在万吨级热法膜法淡化系统投资额相当的情况下，由于膜法的实际出水量与设计出水量约差

在同等规模的淡化系统中，膜法系统固定费用要多承担20%的固定资产折旧，必须对膜法的固定费用进行合理修正，这样才能核算出膜法淡化系统造水的实际成本，使得海水淡化技术方案更加公正、科学和合理。

装置投运率影响因素：海水淡化在客观上要求系统必须具备与之相适应的耐腐蚀性和严密性，这是系统的技术特点也是日常维护管理的重点、难点。在海水淡化技术已经相当普及的今天要保证系统运行安全可靠，除了按着技术规范的要求严格把好系统元件的材质关外，大量的工作还是集中在日常的维护与管理上，

电厂在需要大笔资金进口反渗透膜和与推迟换膜从而增加造水能耗这两者之间左右权衡。不管膜换与不换，随着膜的污染加重，膜法的造水能耗也在不断提高，但我们在《造水成本分析表》中假设膜法的造水电耗是个常数，根据实际需要进行修正。

《造水成本分析表》中第9项膜更换年限修正后为：0.97×5/4=1.2125元。

该表中膜法造水能耗的增加值没有考虑，我们通过对实际造水电耗数据进行统计发现，造水能耗的增加值与反渗透膜透过率的下降值基本吻合。

（3）实际产水量的修正：

膜法工艺由于工作方式的限制，其反渗透膜的工作效率每年平均下降10%左右，从投运开始就不能按照设计出水量造水，如果我们按照五年更换一次膜的话，到更换反渗透膜时装置的实际造水量只能达到设计值的50%。

反渗透膜的透过率与海水温度有直接关系，一般要求海水温度在15～30℃范围之间，若低于15℃，反渗透膜组的产水降低，运行压力明显增高，耗电量增大。实际上海水温度每下降1°膜的透过率下降3%。若超过30℃，产水电导度将升高，膜组脱盐率下降，膜的污染程度加快。因此，海水温度最好控制在20～25℃。综上所述，膜法装置的实际造水量最多只能达到设计值的80%，设计1万吨/小时系统，我们只能按照8000吨的实际数据统计和成本核算：

上表中第15项折旧费修正后为：1.26×1.25=1.575元；

按照装置投运率对折旧费再修正为：1.575×1.25=1.969元。

下表为东北某电厂万吨级膜法海水淡化实际运行数据：

进入蒸馏装置的海水无需进行预处理，仅设置海水过滤网即可。而进入海水反渗透装置的海水需进行絮凝澄清、过滤和加氯等预处理。并且由于反渗透的水利用率低，所以预处理系统庞大，投资也较高，占地面积也大。

②其他配套设施

对于新建电厂，热法需要启动蒸汽，因此启动锅炉的容量应该考虑满足淡化设施的需要，启动锅炉的补充水应考虑一套单独的水处理设施用于启动；另外，由于没有备用设备，需要淡水水源作为工业用水的备用水源。

而膜法不需要启动蒸汽，机组启动时，给水水温较低，对淡化设备出力稍有影响，并不影响机组的启动用水，不需要考虑额外的启动设施；淡化设备考虑有足够的备用出力，可以满足设备检修时的用水的需要。

③化学药品消耗

热法加入聚磷酸盐类阻垢分散剂5ppm/吨，水的回收率为50%，每吨淡水消耗阻垢分散剂10.0克，每吨淡水消耗阻垢分散剂0.10元。

周期性的加入液氯作杀生剂，平均加量以1ppm计，杀生剂价格1000元/吨，每吨淡水消耗杀生剂0.002元。

热法装置每年清洗一次，清洗剂的消耗量根据结垢程度决定，根据原料水条件以及国内外清洗剂消耗量的经验，清洗剂的消耗平均以3000公斤/年计算，其价格以15000元/吨计算，每吨淡水消耗清洗剂0.06元。

热法化学药品费用合计：0.162元。

膜法装置的化学药品加入量为：聚合氯化铁5ppm，次氯酸钠4ppm，亚硫酸氢钠5ppm，阻垢缓蚀剂（FLOCON/SHMP）2ppm。水的回收率为45%，海水反渗透的吨水化学药品费用分别为：

聚合氯化铁，0.023元；次氯酸钠，0.009元；亚硫酸氢钠，0.022元；阻垢剂，0.253元；清洗剂，0.034元；离子交换再生药剂费，0.05元。

膜法化学中的活性炭消耗占据药品费用绝大部分，我们在膜法方案中很少涉及。

五、热法膜法系统维护

热法系统的检修特点：

热法系统实际就是电厂蒸汽系统末端的凝汽器，电厂里典型的换热设备，由于是低温低压所以运行安全可靠，维持真空状态对设备内部的防腐有保护作用，一般没有特殊情况的话作为主要设备的蒸发器处于密封态不易打开，所以低温多效系统没有大修计划，只根据造水量、水质参数及运行参数等的变化情况确定主设备是否检修。

热法系统的大修主要是换管补漏、防腐处理，由于蒸汽侧压力高于海水侧，蒸馏水往海水侧泄露，换热管的泄露只能影响造水量，蒸馏水的品质不会受到影响，所以通过监控造水比的变化就可以准确判断设备是否需要大修了，在正常运行参数的情况下如果造水比变化较大时，说明有泄露结垢等问题，设备需要大修了。一般情况下，热法的主蒸发器与电厂凝汽器的大修同时进行。

小修主要是针对系统的附属设备开展的，由于各流程主泵都留有备用，所以热法装置的运行可靠性很高，可靠性与电厂的凝汽器相当。小修的工作量也很少。

热法系统的吨水检修费用为0.10元。

膜法系统的检修特点：

膜法系统由于工艺特点，所以淡化水处理流程长，环节多，特别是预处理流程占整个流程的一大半，转动设备、精密电子设备以及控制设备多，如变频控制器等，所以故障发生的概率就大，尤其是高压泵和能量回收装置运行在高压状态，运行环境差故障率高，目前我国的膜法装置的投运率低与这些关键设备的运行特点有直接关系。

膜法装置基本为半年维修检查一次，平时缺陷随时处理。

每次换膜就要大修一次，小修和日常维护不断，特别是高压泵的大修费用居高，膜法系统的吨水检修费用为1.90元。

六、膜法系统预处理问题讨论

膜法的反渗透膜设计寿命为5年，由于我国海水水质差、以及目前我国引进的预处理工艺主要为国外工艺，水土不服，我国按照自己海域特点研发的膜法海水淡化预处理工艺在起步中，所以目前膜法系统的预处理单元运行情况不好，没有达到设计效果，给后端的反渗透膜造成很大负担，所以我国的膜法系统的换膜时间一般平均为3年，这大幅增加了造水成本，使得大多膜法系统的造水固定成本就已到4～5元以上，从而使的淡化水走进百姓生活用水费用居高不下。

而低温多效海水淡化工艺对于海水的水质要求较为宽松，因此海水预处理工艺简单。海水的取水可以与电厂海水循环水口取水，对于水质较好的海域（比如大连的黄海海域等）在进入装置之前只进行简单的筛网过滤，絮凝沉降等工艺可以省略。

国家开发投资公司为筹建天津北疆电厂海水淡化项目，于2005年4月对海水淡化技术发达的欧美进行了考察，其中对反渗透膜的生产和技术工艺等进行认真分析和论证，考察内容介绍如下：美国海德能（Hydranautics）公司成立于1963年，1970年进入反渗透领域，持续不断地开发出了许多新的膜组件和膜处理工艺，确定了一系列膜分离设计标准，其产品在世界范围内广泛应用，总计产水量超过100万m3/d；目前是分离膜制造行业中产品规格及品种最多、生产规模最大的卷式反渗透膜开发生产专业厂商。1987年，海德能公司成为日本日东电工集团的一部分。

考察团参观了海德能公司膜工厂，听取了有关负责人关于公司背景、产品和经营活动的详细介绍。与公

司技术部门就反渗透膜原件结构、反渗透系统设计、膜原件污染及清洗技术、压力容器探查方法等海水淡化技术进行了交流。公司负责人特别介绍了海水淡化膜法预处理、海水脱硼、海德能公司开发的部分两级法海水淡化等新技术和提高海水进水水温等新工艺，给我们留下了较深刻的印象。

1.该公司新研制出了一种脱硼的膜组件。海水中含硼较高（５mg/l），一般反渗透膜的脱硼效率较差(<77%)，达不到世界卫生组织要求的饮用水含硼小于0.5 mg/l的标准（饮用硼含量超标的水会引起腹痛）。新开发的组件在PH为7—8时，脱硼率可达88%—92%，通过使用部分二级海水淡化流程，其产出水含硼指标可达到世界卫生组织标准的要求,该技术已在塞浦路斯5万m3/d的海水淡化工程中应用。

2.该公司推荐微滤（从性能上讲相当于我国的超滤）作为海水反渗透的主要预处理工艺流程，利用该工艺流程可以大大缩小预处理的占地面积，提高反渗透膜组件的寿命，延长反渗透膜组件的换膜周期。

3.考察团与海德能公司的技术人员交流了美国弗罗里达州Tampa 海湾反渗透海水淡化工程的经验和教训。海德能公司认为设计日产量10万m3的该海水淡化工程不能正常运行的主要原因在于把发电厂的冷却海水用作反渗透的进水，由于冷却后海水温度升高而使生物活性增强，造成保安过滤器的快速堵塞和反渗透膜的污堵（保安过滤器滤芯一旦堵死，反渗透膜产量显著下降、频繁清洗），其深层原因是针对这种海水的预处理不足。2004年为此专门召开了国际会议商讨对策，会后形成了两种改造方案。一是采用膜法预处理系统；二是用传统技术进行改造。

以上内容我们可以看出，膜法的预处理工艺要根据不同的水质选择不同的工艺路线，我国膜法系统的造水成本居高不下、反渗透膜换膜周期缩短、实际产水能力只能达到设计能力的60%左右，主要原因就是对预处理的工艺研究不够、对预处理的技术储备不足、对预处理在整个系统中的作用理解不够和运行不当，我们的膜法系统的预处理研究严重滞后。

目前很多研究机构开始重视膜法系统的预处理工艺的研究工作，针对不同海域和水质调整预处理工艺，而不是一味的照搬西方工艺，所以膜法的预处理工艺技术国产化需要加大力度。

七、天津北疆电厂淡化工艺的确定

为了解和掌握国外海水淡化的发展动态及其技术、装备制造的最新进展，借鉴国外在大型海水淡化工程设计、制造、调试运行等方面的成功经验，2005年4月11日至25日，由国家开发投资公司组团一行7人就天津北疆海水淡化项目赴欧美对海水淡化技术进行了考察和交流。

考察结论如下：

1.天津海域水质情况特殊，淡化工艺的选取应特别慎重。

反渗透海水淡化技术在近十几年的时间发展迅速，但是目前采用反渗透海水淡化的区域其海水水质普遍好于天津海域的水质。在天津海域进行反渗透海水淡化有两大技术难题，一是冬季海水温度偏低导致反渗透产量下降或者无法运行（温度降低1度产量下降3%）；二是天津海域的海水浊度较高、胶体物质丰富、污染较为严重，势必加大反渗透的预处理负担。

从目前天津市科委在塘沽盐场组织的实验结果来看，即使采用微滤膜作为预处理手段，也存在产量衰减

等问题，需要进一步地研究。也就是说，在目前的技术条件下，天津海域大规模采用反渗透海水淡化工艺尚存在一定风险。当然，膜技术在日后的突破也可能使目前的情况发生根本性的改变。

另外，反渗透产出的是纯度为300mg/l的淡水，而热法生产的是纯度为10mg/l的优质水。从饮用水标准的角度，我国目前还没有对硼的限制要求，国际卫生组织（WHO）已经对饮用水的硼含量有了限制，反渗透的产水要达到硼的限制要求还需要额外的投资。

热法淡化技术虽然对水质适应性较好，但存在一次投资略高于反渗透和建设周期长的不足。另外，不同的热法淡化工艺还存在技术上的差异，即便是低温多效工艺，由于不同的供货厂商采用了不同的材料，也存在工艺设备的优化问题。

2.海水淡化在我国迟早要形成新兴产业，迫切需要找准定位、打破垄断、自主创新。

国内的淡水供求矛盾决定了海水淡化迟早会形成朝阳产业，这一点西方的海水淡化公司看得也十分清楚，纷纷在国内设立办事机构。但是，目前海水淡化的核心技术还被国外公司所垄断，致使装备价格居高不下。面对国际竞争和国际知识产权体系的保护，国内海水淡化行业要增强危机感、加快发展步伐，当务之急是找准定位和技术切入点，迅速形成竞争能力。

从本次以及过去考察的情况来看，热法海水淡化的国产化难度相对较小。国外的海水淡化公司大多是依托造船厂等企业进行海水淡化装备的加工。我国的低温多效海水淡化已走出了重要的一步。国产反渗透膜虽然进行多年的研究，目前还不具备工程应用的条件，从国外反渗透膜公司研发和生产规模上看，我们还有长期的追赶过程。

以发电厂为依托，进行热法和膜法的复合淡化工艺已被证明是降低水价的有效措施。因此，如能结合北疆电厂海水淡化项目和工程，在国家的支持下，通过引进和消化吸收重点扶持有自主知识产权的热法淡化技术，形成我国热法海水淡化的新产业，进而结合反渗透技术在滨海电厂进行复合工艺的大规模示范，不仅可同步解决电力和水资源问题，还可形成海水淡化产业的国际竞争能力。