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海水淡化有賴于自主創新和節能增效 海水淡化主要工藝及海水淡化發展現狀分析

2019年06月28日 網絡整理

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海水淡化有賴于自主創新和節能增效

“如果可以在‘十二五’期間打造出3家左右可在國際市場抗衡的公司,就相當不錯了”。國家海洋局相關專家日前表示,若是單純像中東國家只從國外購買設備來解決用水,則我國海水淡化產業發展起來很容易。但若要使用自主設備和裝備,我國仍需經歷一個發展的過程。

事實上,我國海水淡化事業發展迅速,但技術設備原創水平不足,未能實現全方位資源循環利用,導致成本過高,仍制約海水淡化大規模利用。

技術設備原創水平不足

經過多年努力,我國海水淡化的發展取得了長足的進步。根據中國水利企業協會脫鹽分會的統計,截至2010年底,我國已建成海水淡化裝置68套,日淡化海水能力接近58.54萬立方米,比上一年增長51.1%。

專家表示,我國在材料、組器、裝備以及工程化的建設中成效顯著,先后完成了多項國家級科研課題,組織了多項示范工程,推動了產業化進程,配套產品和配套企業也得到了迅速發展,其中膜組器技術取得突破,建立了一批生產線;關鍵配套設備研發取得明顯成效;萬噸級海水淡化單機和工程技術已開始應用;發明專利達50余項,實用新型專利多達100余項;相關技術標準也較多,其中國家標準有3項,行業標準有25項,列入編制計劃的多達40余項。

業內人士表示,目前中國海水淡化的主要產業在北方,具體來說就是環渤海灣地區,從大連、營口、葫蘆島到天津、滄州、濱州、東營、煙臺都有發展海水淡化產業的規劃,南方的舟山群島也正在發展海水淡化工業,滿足島上居民生活和產業發展的需要,但是中國海水淡化產業與國際先進水平還有不小差距,追趕世界先進水平尚待時日,對中國的海水淡化產業相關部門和企業需要細致理性地進行分析、實施和操作。“現在中國海水淡化工程的主要材料、技術和設備都需要國外進口,從產能上看,國內一個系統的最大海水淡化處理能力是5萬噸/天,而世界上的最大處理能力則上百萬噸,政府部門需要繼續出臺相關措施刺激中國海水淡化技術、材料和設備的自主研發水平,促進具有自主產權的技術創新,推動產業的發展。”中國海水淡化與水再利用學會副理事長、中國脫鹽協會秘書長郭有智如是說。

天津一家海水淡化企業負責人表示,海水淡化在國外已有三十幾年的成熟發展,在我國雖起步較早,但上馬實際工程僅有10年時間,在建項目主要使用國外設備,包括國內規模最大型的海水淡化項目,使用的也是以色列的設備。“目前我國與國外的領先技術差距在10年左右。”上述公司市場部經理指出,我國涉及海水淡化領域的公司較多,但大多數只做工程集成,核心零部件仍基本靠國外進口,大型項目的操作也要靠國外公司。

實現資源綜合利用有助于降低成本

業內人士接受采訪時指出,目前制約我國海水淡化發展的障礙之一在于成本偏高。

專家表示,目前除了國家示范項目外,真正由需求產生的海水淡化項目寥寥無幾,深層原因在于海水淡化的成本較高。業內人士指出,目前如果將海水淡化作為行業公司的主業,肯定沒有效益。因此,目前從事海水淡化的公司基本都當其為副業,或與電廠相結合,由電廠自行發電供海水淡化,海水淡化再供水給電廠。

國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所總工程師阮國嶺表示,海水淡化技術其實就是能源換水資源的技術,目前兩種主流方法分別為膜法和熱法,膜法就是利用高壓泵將海水通過膜壓出淡水,消耗電能。而熱法是通常所說的蒸餾法,將淡水變成蒸氣再冷凝,主要通過燃煤產生。因此,將海水變為淡水,自然就要受到能源價格的較大影響,除了中東地區國家因能源價格低受影響較小外,其他國家和地區都面臨相同的問題。

專家指出,“成本和投資費用過高”,一直被視為是海水淡化難以大膽使用的主要問題,但實際上這是一個“認識”問題。

對于海水淡化,能耗是直接決定其成本高低的關鍵。40多年來,隨著技術的提高,海水淡化的能耗指標降低了90%左右(從26.4kwh/m3降到2.9kwh/m3),成本也已隨之大為降低。據了解目前我國海水淡化的成本已經降至4~7元/立方米,苦咸水淡化的成本則降至2~4元/立方米,如天津大港電廠的海水淡化成本為5元/立方米左右,河北省滄州市的苦咸水淡化成本為2.5元/立方米左右。

專家指出,如果進一步綜合利用,把淡化后的濃鹽水用來制鹽和提取化學物質等,則其淡化成本還可以大大降低。至于某些生產性的工藝用水,如電廠鍋爐用水,由于對水質要求較高,需由自來水進行再處理,此時其綜合成本將大大高于海水淡化的一次性處理成本。“如果拋開政府補貼等政策性因素而單從經濟技術方面分析,海水淡化尤其是苦咸水淡化的單位成本實際上也是很有競爭力的。”郭有智表示。

鏈接一

海水淡化,也就是除去海水中的鹽分以獲得淡水的工藝過程,亦稱為海水脫鹽。該技術產業可以增加淡水供應總量,且不受氣候影響,水質好、價格漸趨合理,可以保障沿海居民飲用水和工業鍋爐補水等穩定供水。

我國作為缺水國家,人均水資源僅2000多噸,僅為世界平均水平的1/4。地球上水資源總量中海水占97.5%,使得海水淡化成為解決缺水問題的重要途徑。

為了進一步發展海水淡化產業,國務院于今年2月初下發了《關于加快發展海水淡化產業的意見》。郭有智指出,意見明確了“十二五”期間我國海水淡化的發展目標,也就是到2015年,淡化能力達到220至260萬立方米/日,是現在淡化能力的4倍。

鏈接二

繼今年2月國務院發布《關于加快發展海水淡化產業的意見》后,日前科技部和國家發改委等部門再次聯合發布《海水淡化科技發展“十二五”專項規劃》(以下簡稱《規劃》),提出建設2~3座示范工程提升我國海水淡化產業核心競爭力,并力推到“十二五”末海水淡化關鍵設備國產率達75%以上。

在國內水資源短缺困局日漸嚴重的背景下,政策接連發力,海水淡化產業明顯意味著國家對于以海水淡化應對國內水危機、并加速其規模化發展的重視力度再加碼。

而《規劃》中對技術升級的硬性約束更是成為亮點:首先是研制6項以上具有自主知識產權的海水淡化關鍵裝備,重點包括滲透膜、水壓泵的技術研發;其次是突破一批新技術、新材料和新工藝,使海水淡化能耗和制水成本在現有基礎上降低20%以上;最后是培育10家以上具有國際競爭力的海水淡化核心部件和設備制造企業。

綜合年內兩項海水淡化產業政策,以提升技術裝備水平推動產業化提速已成為政策主基調。《規劃》明確,到“十二五”末,國內海水淡化裝備制造產值將達75~100億元,而加上工程運營、供水管網建設等相關產值,總產值還將翻倍增長。按照《規劃》中所指出的全球海水淡化產業投資將保持15%~20%的增速計算,預計2015年全球市場規模將達750億~900億美元,而中國則將成為海水淡化市場增長最快地區之一。

海水淡化主要工藝及海水淡化發展現狀分析

海水淡化(又稱海水脫鹽)是分離海水中鹽和水的過程。從海水中取出水,或除去海水中的鹽,都可以達到淡化目的。海水淡化的方法,基本上也分為這兩大類。

其中得到大規模商業應用的是反滲透法、電滲析法和蒸餾法。

(1)反滲透法(Reverseosmosis,RO)

在壓力驅動下,海水中的淡水通過半透膜進入膜的低壓側,而海水中的其他組分(如鹽)被阻擋在膜的高壓側并隨濃縮海水排出,從而達到有效的分離。海水淡化時,在海水一側施加大于海水滲透壓的外壓,則海水中的純水將反向滲透至淡水中,此即反滲透海水淡化原理(圖1)。為了取得必要的淡化速率,實際操作壓力大于5.5MPa。

反滲透法,通常又稱超過濾法,是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜,將海水與淡水分隔開的。在通常情況下,淡水通過半透膜擴散到海水一側,從而使海水一側的液面逐升高,直至一定的高度才停止,這個過程為滲透。此時,海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大于海水滲透壓的外壓,那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2,蒸餾法的1/40。因此,從1974年起,美日等發達國家先后把發展重轉向反滲透法。

反滲透海水淡化技術發展很快,工程造價和運行成本持續降低,主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力,提高反滲透系統回收率,廉價高效預處理技術,增強系統抗污染能力等。

圖1反滲透脫鹽過程

圖2反滲透膜構造示意圖

圖3反滲透脫鹽過程

(2)電滲析法(Electrodialysis,ED)

在直流電場的作用下,離子透過選擇性離子交換膜而遷移,從而使電解質離子自溶液中部分分離出來的過程稱為電滲析(圖2)。

該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片,按其選擇透過性區分為正離子交換膜(陽膜)與負離子交換膜(陰膜)。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列,組成多個相互獨立的隔室海水被淡化,而相鄰隔室海水濃縮,淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水,也可以作為水質處理的手段,為污水再利用作出貢獻。此外,這種方法也越來越多地應用于化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

圖4電滲透脫鹽過程

(3)蒸餾法

蒸餾法的海水淡化原理簡單,即將海水加熱,待水蒸汽冷凝后得到淡水。蒸餾法依據所用能源、設備及流程的不同,分為多級閃蒸(Multi-stageflashdistillation,MSF)、低溫多效(Multipleeffectdistillation,MED)和蒸汽壓縮蒸餾(Vaporcom-pression,VC)等。其中,低溫多效在70℃以下進行操作,遠低于多級閃蒸110℃左右的蒸汽溫度,有效地避免了無機鹽的結垢,是目前最為適用的蒸發技術之一。同時,它可利用各種形式的低位熱源,如與火電廠或核電廠結合,利用蒸汽輪機的背壓0.02~0.04MPa(絕對壓力)抽氣造水,減少發電損失,提高發電機組的效率(圖3)。

低溫多效

多效蒸發是讓加熱后的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發,前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源,并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。低溫多效蒸餾技術由于節能的因素,近年發展迅速,裝置的規模日益擴大,成本日益降低,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,采用廉價材料降低工程造價,提高操作溫度,提高傳熱效率等。

圖5利用蒸汽輪機背壓蒸汽的MED工藝流程

圖6燃煤電廠低溫多效蒸餾海水淡化裝置

多級閃蒸

所謂閃蒸,是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下,部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水,依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發,將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產量最大,技術最成熟,運行安全性高彈性大,主要與火電站聯合建設,適合于大型和超大型淡化裝置,主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,降低單位電力消耗,提高傳熱效率等。


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