樊智鋒，李 焱，王曉鵬

（上海電氣海水淡化工程技術(shù)公司，上海 200090）

1 概 述

水資源是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加，水資源供應(yīng)短缺已成為僅次于全球氣候變暖的世界第二大環(huán)境問(wèn)題。預(yù)計(jì)至2025年，全球?qū)⒂薪?／3人口缺水，波及的國(guó)家和地區(qū)達(dá)40多個(gè)。我國(guó)被聯(lián)合國(guó)認(rèn)定為世界上13個(gè)最貧水的國(guó)家之一。據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，2030年前中國(guó)工業(yè)缺水量將達(dá)到600億立方米以上［1］。因此，為保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，急需通過(guò)科學(xué)管理提高水資源的利用率，重視開(kāi)發(fā)海水淡化等新技術(shù)，以應(yīng)對(duì)即將出現(xiàn)的水資源危機(jī)。

海水總量約為13.8×109立方千米，占地球總水量的95%，占地表水總量的98%。海洋蘊(yùn)藏著豐富的淡水，淡水總量約占海水的97%，是一個(gè)最大而又穩(wěn)定可靠的淡水儲(chǔ)庫(kù)。海水因鹽分過(guò)高而使其無(wú)法作為淡水被利用，通過(guò)海水淡化，可實(shí)現(xiàn)海水中淡水和鹽分相互分離，從而獲得淡水。由于海水資源豐富，利用海水淡化開(kāi)發(fā)新的淡水資源具有天然優(yōu)勢(shì)。特別是近年來(lái)，隨著海水淡化技術(shù)的快速進(jìn)步，海水淡化的成本已明顯降低，世界上主要缺水國(guó)家和地區(qū)已將海水淡化作為解決水資源危機(jī)的重要途徑。

2 海水淡化技術(shù)

常用的海水淡化方法主要分為熱法和膜法兩大類(lèi)。熱法是將海水加熱蒸發(fā)后得到蒸汽，然后再將蒸汽冷凝成淡水；膜法是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外加能量或化學(xué)位差作為推動(dòng)力，將海水中鹽和水分離后得到淡水。目前，大規(guī)模工業(yè)化的熱法海水淡化技術(shù)，包括了多級(jí)閃蒸法（MSF）和多效蒸餾法（MED），膜法海水淡化技術(shù)主要是采用了反滲透法（RO）。

2.1 多級(jí)閃蒸技術(shù)

多級(jí)閃蒸海水淡化技術(shù)的基本原理是：原料海水經(jīng)過(guò)一系列預(yù)熱，被加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于閃蒸室內(nèi)的壓力控制在低于熱海水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，因此，熱海水進(jìn)入閃蒸室后即成為過(guò)熱水而急速部分氣化，從而使熱海水自身的溫度降低，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。

多級(jí)閃蒸技術(shù)（MSF）是較為成熟的海水淡化技術(shù)，具有安全性高、操作彈性大、運(yùn)行控制簡(jiǎn)單和產(chǎn)水水質(zhì)好等特點(diǎn)，深受中東地區(qū)海水淡化市場(chǎng)的青睞。此外，單機(jī)產(chǎn)量大，也是優(yōu)于其它海水淡化技術(shù)的特點(diǎn)之一。目前，已有單機(jī)產(chǎn)量為78 700噸／天的MSF裝置在阿聯(lián)酋投產(chǎn)。MSF裝置可與火電站聯(lián)合建設(shè)，適合建成大型和超大型的淡化裝置，這類(lèi)淡化裝置在海灣國(guó)家被大量采用。多級(jí)閃蒸技術(shù)的發(fā)展將著重于提高裝置單機(jī)造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等方面。

2.2 多效蒸餾技術(shù)

多效蒸餾技術(shù)是采用了若干個(gè)由蒸發(fā)器組成的系統(tǒng)，將上級(jí)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽引入下級(jí)蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，同時(shí)，加熱蒸汽也在下級(jí)蒸發(fā)器中冷凝，成為淡水，如此依次進(jìn)行。當(dāng)前，具有廣闊市場(chǎng)前景的多效蒸餾海水淡化技術(shù)為低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)（LT－MED），LT－MED系統(tǒng)采用的是橫管降膜蒸發(fā)器，以低于70℃的飽和蒸汽為熱源，將換熱管外海水加熱使之部分蒸發(fā)生成二次蒸汽，二次蒸汽作為后效裝置的熱源，加熱海水后產(chǎn)生的蒸汽，在換熱管內(nèi)冷凝成淡水，管外海水的蒸發(fā)和管內(nèi)蒸汽的冷凝逐效重復(fù)進(jìn)行。

與MSF海淡技術(shù)相比，LT－MED海水淡化技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）由于首效裝置內(nèi)鹽水蒸發(fā)溫度低于70℃，而MSF裝置內(nèi)的最高鹽水蒸發(fā)溫度（TBT）約為110℃，所以L(fǎng)T－MED設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較??；（2）LT－MED采用橫管降膜蒸發(fā)器，換熱管的兩側(cè)介質(zhì)都發(fā)生相變，海淡設(shè)備的傳熱效率較高，而設(shè)備的投資額相對(duì)較低；（3）與常用的MSF海水淡化過(guò)程相比，LT－MED海水淡化過(guò)程可以節(jié)省2／3的電耗，淡化水的成本較低。近年來(lái)，LT－MED的單機(jī)容量不斷增大，目前投產(chǎn)的單機(jī)產(chǎn)水量已達(dá)38 500t／d。隨著LT－MED單機(jī)容量的不斷增大，在技術(shù)方面，可在中東地區(qū)與MSF海水淡化技術(shù)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

2.3 反滲透技術(shù)

反滲透海水淡化技術(shù)的核心元件是反滲透膜，反滲透膜具有滲透選擇性，當(dāng)利用高壓泵在反滲透膜的一側(cè)對(duì)海水加壓時(shí)，淡化水會(huì)滲透到膜的另一側(cè)。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)淡水通過(guò)反滲透膜，外加壓力需要克服海水的滲透壓。與熱法海水淡化相比，反滲透淡化過(guò)程中海水不發(fā)生相變，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，常溫下用反滲透海水淡化的最低能耗僅為0.7度／噸左右，從理論上講，是最節(jié)能的海水淡化方法［2］。

反滲透技術(shù)憑借其在設(shè)備投資和淡水成本較低等方面的優(yōu)勢(shì)，在海水淡化項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在中東地區(qū)之外的區(qū)域，反滲透海水淡化具有相當(dāng)大的市場(chǎng)占有率。然而，反滲透膜對(duì)進(jìn)料海水的水質(zhì)要求較高，通常需要考慮懸浮物、溶解性無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、微生物類(lèi)等污染物對(duì)膜引起的污染，所以，反滲透膜法海水淡化過(guò)程對(duì)海水預(yù)處理的要求較高。從某種意義上說(shuō)，海水預(yù)處理對(duì)于膜法海水淡化工程的成功投運(yùn)具有決定性作用。此外，反滲透膜的性能對(duì)海水水質(zhì)波動(dòng)的適應(yīng)性較差，如在我國(guó)北方地區(qū)，海水溫度在各季節(jié)中的變化，通常會(huì)對(duì)膜法海水淡化工程的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

3 熱膜耦合海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)技術(shù)研究與工程實(shí)踐，以及對(duì)熱法和膜法海水淡化工藝的優(yōu)化及設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)，已顯著降低了海水淡化的制水成本。然而，燃料與材料成本的不斷增加，又對(duì)海水淡化項(xiàng)目的投資和運(yùn)行費(fèi)用提出了新的挑戰(zhàn)，因此，開(kāi)發(fā)新型工藝，降低投資和運(yùn)行成本一直是海水淡化相關(guān)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前，大規(guī)模工業(yè)化海水淡化技術(shù)已被掌握，而比較新穎的是熱膜耦合法海水淡化技術(shù)。熱膜耦合技術(shù)是一種基于熱法和膜法的海水淡化技術(shù)，但是不是兩種方法的簡(jiǎn)單組合，而是一種集成技術(shù)。熱膜耦合法海水淡化技術(shù)通過(guò)優(yōu)化工藝和合理配置系統(tǒng)，以降低淡水產(chǎn)品的成本。

熱法海水淡化技術(shù)具有的特點(diǎn)：（1）海水利用率較低（12%～20%）；（2）冷卻水?dāng)y帶熱量離開(kāi)；（3）淡化水含鹽量較低（＜25mg／L）；（4）淡化水溫度較高，需要用海水冷卻；（5）提高了最高蒸發(fā)溫度，設(shè)備存在結(jié)垢威脅；（6）系統(tǒng)產(chǎn)水量與蒸汽量息息相關(guān)。

膜法海水淡化技術(shù)具有的特點(diǎn)：（1）海水溫度波動(dòng)影響膜通量，海水進(jìn)水溫度較高時(shí)，膜通量增大；（2）排放的鹽水濃度較高；（3）淡化水的總含鹽量（簡(jiǎn)稱(chēng)TDS）較高，約為150～600mg／L；（4）淡化水有時(shí)需要考慮脫硼；（5）不用蒸汽，啟動(dòng)和停機(jī)較簡(jiǎn)便。

根據(jù)熱法和膜法兩類(lèi)海水淡化技術(shù)的特點(diǎn)分析，可知這兩類(lèi)方法具有一定的互補(bǔ)性，通過(guò)熱膜耦合海淡技術(shù)，能將熱法和膜法海水淡化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可更好地發(fā)揮海水淡化裝置的優(yōu)勢(shì)，更合理的利用海水和熱量，減少海水淡化系統(tǒng)的進(jìn)料海水流量、排放海水流量和排放熱量，降低海水淡化的投資成本和運(yùn)行成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 熱膜耦合技術(shù)的發(fā)展

國(guó)外的相關(guān)研究結(jié)果表明，熱膜耦合技術(shù)不僅可提高熱法海水回收率、減少排放熱量、降低設(shè)備結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，還能提高膜法淡水的產(chǎn)量、簡(jiǎn)化工藝、提高回收率。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的相關(guān)熱膜耦合過(guò)程研究可分為幾類(lèi)。

（1）通過(guò)耦合技術(shù)改變熱法和膜法海水淡化單元的進(jìn)水和排水方式，從而優(yōu)化海水淡化系統(tǒng)的整體性能。

該類(lèi)MSF／RO耦合工藝過(guò)程中，通常將MSF單元的排放鹽水與部分冷卻水混合的，作為RO單元的進(jìn)水。這樣可提高M(jìn)SF單元的水利用率，降低系統(tǒng)能耗；還可以提高RO單元的進(jìn)水溫度，增大RO膜通量或降低RO膜的操作壓力，從而降低系統(tǒng)的能耗。研究結(jié)果表明，利用MSF／RO耦合工藝，將MSF的排熱段出水作為RO的進(jìn)水，進(jìn)水溫度升高1℃，RO膜的產(chǎn)水通量提高2%～3%［3］。

此外，還通過(guò)將MSF／MED產(chǎn)水與RO產(chǎn)水進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水。由于MSF和MED產(chǎn)水TDS含量很低，通常低于10mg／L，RO產(chǎn)水TDS含量較高，可以根據(jù)不同的水質(zhì)需求，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩種水的比例。需要指出的是，因常規(guī)的RO膜產(chǎn)水難以達(dá)到硼的脫除要求，當(dāng)海水淡化水用于飲用水時(shí)，需要單獨(dú)考慮脫硼工藝。如果采用熱膜耦合工藝，可通過(guò)調(diào)節(jié)兩種產(chǎn)水的比例，控制供水中硼的含量。此外，如考慮將MSF／MED產(chǎn)水與RO產(chǎn)水混合，RO系統(tǒng)可以只使用SWRO（海水反滲透）系統(tǒng)，而不再需要BWRO（苦海水反滲透）系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］的研究認(rèn)為，簡(jiǎn)單的MSF／RO耦合淡化系統(tǒng)，就是將MSF的產(chǎn)水與RO產(chǎn)水混合，與單一的RO淡化系統(tǒng)相比，可以降低13%的產(chǎn)水成本。

（2）利用膜法單元改變熱法海水淡化單元的進(jìn)水水質(zhì)，從而優(yōu)化海水淡化系統(tǒng)的整體性能。

海水中含有一定濃度的易結(jié)垢離子（如Ca2＋、Mg2＋、SO42－和 HCO3－），在熱法裝置中，通常要限制其運(yùn)行的最高鹽水溫度（TBT），以防止出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。如能夠在一定程度上提高TBT，則可提高熱法裝置的產(chǎn)水能力和造水比。

沙特的鹽水轉(zhuǎn)換公司（SWCC）開(kāi)展了新型的熱膜耦合技術(shù)研究［5，6］，該研究采用納濾（NF）作為MSF的預(yù)處理。由于NF可去除海水中的大部分易結(jié)垢離子，所以可較大程度的提高M(jìn)SF運(yùn)行TBT。中試研究表明，在 MSF／NF耦合過(guò)程中，可將MSF的運(yùn)行TBT提高至130℃，且在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需增加阻垢劑，其海水回收率由常規(guī)的35%提高至70%。

（3）在大型的水電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中，熱膜耦合海水淡化技術(shù)還能更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)和制水系統(tǒng)的良好匹配，使得水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)高效。

日本公司對(duì)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，如果只采用MSF技術(shù)進(jìn)行海水淡化，其淡化水的比能耗隨著發(fā)電負(fù)荷的增大而減??；如果采用50%MSF和50%RO耦合技術(shù)進(jìn)行海水淡化，其淡化水的比能耗基本不受發(fā)電負(fù)荷的影響，比能耗約為單一MSF淡化／發(fā)電系統(tǒng)比能耗的60%［7］。

國(guó)外某公司研究了SWRO的淡化過(guò)程，在阿聯(lián)酋已有MSF淡化裝置以及發(fā)電系統(tǒng)的集成，研究結(jié)果表明，SWRO／MSF耦合技術(shù)改善了MSF技術(shù)的性能，可降低產(chǎn)品水的成本。而且，RO通過(guò)熱備用技術(shù)可以利用大部分冬季多余的電能，從而進(jìn)一步降低了水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的成本［8］。

國(guó)外研究人員針對(duì)地中海區(qū)域進(jìn)行了MSF／RO／發(fā)電耦合系統(tǒng)的優(yōu)化模型研究，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)改變從汽輪機(jī)抽汽的壓力和MSF與RO的產(chǎn)水比例，以實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)效益［9］。

3.2 相關(guān)工程的應(yīng)用

阿聯(lián)酋和沙特已建有MSF／RO熱膜耦合海水淡化工程，其中大部分工程是淡化水廠(chǎng)的擴(kuò)建工程，采用簡(jiǎn)單的耦合過(guò)程，即MSF與SWRO共用取水和排水設(shè)施，MSF的產(chǎn)水與SWRO產(chǎn)水混合。韓國(guó)公司在阿聯(lián)酋完成的熱膜耦合海水淡化項(xiàng)目（28.4萬(wàn)噸／天 MSF＋17.0萬(wàn)噸／天RO），從設(shè)計(jì)階段就考慮了熱膜耦合技術(shù)，與單純熱法（MSF）相比，減少了40%的能量消耗，每年可節(jié)省約6千萬(wàn)美元。此外，通過(guò)采用耦合技術(shù)，原海水用量由188 000噸／小時(shí)減少至140 000噸／小時(shí)，冷卻水用量由168 500噸／小時(shí)減少至117 100噸／小時(shí)［8］。

4 結(jié) 語(yǔ)

熱膜耦合是一種先進(jìn)的海水淡化技術(shù)，能夠充分發(fā)揮熱法和膜法兩種海水淡化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而降低總體系統(tǒng)的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，具有較大的市場(chǎng)潛力。根據(jù)海水淡化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及市場(chǎng)的區(qū)域分布，針對(duì)熱膜耦合海水淡化技術(shù)，還需從幾個(gè)方面入手開(kāi)展研究，從而為該技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（1）低溫多效蒸餾與反滲透海水淡化的耦合

現(xiàn)有熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究主要集中于MSF與RO的耦合。由于LT－MED技術(shù)在設(shè)備投資和運(yùn)行能耗方面都比MSF具有優(yōu)勢(shì)，其被認(rèn)為是未來(lái)水電聯(lián)產(chǎn)的主流熱法海水淡化技術(shù)。所以，還需要對(duì)LT－MED與RO的耦合技術(shù)進(jìn)行深入研究，從而為后續(xù)工程的應(yīng)用提供參考。

（2）新型膜分離過(guò)程與熱法海水淡化的耦合

隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)有其他新型膜分離技術(shù)被應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，如納濾技術(shù)等。部分研究表明，通過(guò)納濾對(duì)海水進(jìn)行預(yù)脫鹽，可提高熱法的最高蒸發(fā)溫度，但納濾膜的運(yùn)行維護(hù)以及使用壽命都將對(duì)熱膜耦合整體系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)于這類(lèi)新型的膜分離技術(shù)與熱法的耦合，還需要大量的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

（3）熱膜耦合技術(shù)的區(qū)域適用性研究

已有研究及工程應(yīng)用大多集中在中東地區(qū)，用戶(hù)類(lèi)型也相對(duì)集中在水電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)。隨著國(guó)際海水淡化市場(chǎng)的快速發(fā)展，在中東地區(qū)的海水淡化中通常采用的熱膜耦合技術(shù)，這種技術(shù)是否能適用于其他地區(qū)還需要進(jìn)一步研究。我國(guó)的海岸線(xiàn)較長(zhǎng)，而且不同區(qū)域的海水水質(zhì)差異較大，因此，還需要對(duì)熱膜耦合技術(shù)的區(qū)域適用性進(jìn)行研究，才能更好地開(kāi)發(fā)和利用適用于不同區(qū)域的熱膜耦合海水淡化技術(shù)。