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海水淡化技术的发展

Akili D. Khawajia*, Ibrahim K. Kutubkhanaha, Jong-Mihn Wie

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摘要：在过去的几十年里，为了增加世界干旱地区的水供应量，开发了一些海水淡化技术。由于海水淡化高成本的限制，许多国家无法将这些技术用作淡水资源。然而，海水淡化的应用稳定增加表明海水淡化是一种不受降雨变化影响的可行水资源。海水淡化过程将海水分成两股流：一股含有低浓度溶解盐的淡水流和一股浓缩盐水流。该过程需要某种形式的能量来脱盐，并利用几种不同的分离技术。两种最具商业重要性的技术是基于多级闪蒸（MSF）蒸馏和反渗透（RO）工艺。尽管海水淡化技术已经足够成熟，可以成为从海水中获取淡水的可靠来源，但为了不断改进技术并降低海水淡化成本，依旧进行了大量的研究和开发。

本文概述了海水淡化技术领域的现状，实践和进展。此外，本文概述了研发活动并概述了最先进的海水淡化技术和海水淡化的未来前景。总体而言，本次审查特别强调了多级闪蒸（MSF）和反渗透（RO）海水淡化技术，因为它们是从海水中商业化生产大量淡水的最成功的技术。

关键词：海水淡化技术; 多级闪蒸脱盐;多效蒸馏；蒸馏脱盐; 蒸气压缩蒸馏脱盐; 反渗透脱盐;冷冻淡化; 太阳能蒸发淡化;可饮用性; 海水淡化研究和发展。

1引言

世界上许多国家都缺乏天然淡水。由于人口比率上升和生活水平提高以及工农业活动的扩大，未来将需要增加淡水量。河流和地下水的可用淡水资源目前是有限的，并且在许多地方正在以惊人的速度耗尽。

海洋是着地球的主要水库。 大约97％的地球水是海水，另有2％被锁在冰盖和冰川中。可用的淡水仅占地球总供水量的0.5％[1]。淡水的大量储备是地球表面稳定的基础，但其中大部分淡水无法以经济有效的方式获取。此外，海水不适合人类消费和工农业使用。通过从几乎无限量的海水中去除盐分来得到淡水，海水淡化已成为淡水的重要来源。

现在，一些国家依靠海水淡化技术来满足对淡水的需求。 特别是在中东，海水淡化是沙特阿拉伯，阿拉伯联合酋长国和科威特等国的重要和可靠的淡水资源[2]。此外，海水淡化技术在中东地区可能会持续兴盛起来[3]。总体而言，估计全世界有超过7500万人通过淡化海水或微咸水获得淡水。2004年IDA脱盐清单报告[4]显示，2002年底，在全球安装和运行的咸水淡化和海水淡化工厂总计17,335个单位，共计10,350个脱水工厂，总容量为3775万m3 /天淡水。世界上五个海水淡化最多的国家分别是沙特阿拉伯（17.4％），美国（16.2％），阿联酋（14.7％），西班牙（6.4％）和科威特（5.8％）。2001年，海水和咸水分别占世界上所有淡化水源60％和40％左右[5]。到2002年底，多级闪蒸和反渗透分别占安装的咸水和海水淡化总量的36.5％和47.2％。海水淡化MSF占61.6％而RO占26.7％。值得注意的是,MSF在所有工厂中都处于领先地位，每天处理量超过5000立方米[4]。目前世界海水淡化厂的产量为4000万立方米/天，过去5年的平均年增长率为12％[6]。

本文概述了最新海水淡化技术的现状，实践，进展，研发活动以及未来的优势。 鉴于最广泛使用的两种最成功的工艺，本文对MSF蒸馏和RO技术进行了重点介绍。

2 技术

海水淡化过程将盐水或海水分成两股流：一股含有低浓度溶解盐的淡水流和一股浓缩盐水流。这个过程需要某种形式的能量来淡化，并利用不同的几种分离技术。多年来，在热蒸馏，薄膜法，冷冻法，电渗析等基础上开发了各种脱盐技术[7-13]。在商业上，两种最重要的技术是基于多级闪蒸和反渗透流程。其有三个过程 - MSF，反渗透和多效蒸馏（MED） - 将在未来具有支配性和竞争性[14,15]。例如，在1999年，全球大约78％的海水淡化工厂为MSF工厂，而RO则仅占10％[16]。但是，反渗透海水淡化的逐渐增加主要是由于其成本较低且简单。下面介绍海水淡化行业中使用的技术。

2.1 多级闪蒸

多级闪蒸（MSF）蒸馏过程基于闪蒸蒸发原理。在MSF过程中，通过降低压力蒸发海水，而不是升高温度。 MSF技术的经济效益是通过再生加热实现的，每个闪蒸室或阶段中的海水闪烁都会将其部分热量释放到通过闪蒸过程的海水中。每一阶段由冷凝水蒸气释放的冷凝热逐渐进入海水来升高温度。MSF工厂由热量输入，热量回收和排热部分组成。尽管为控制水垢生成常用高温回火添加剂，但也可以使用酸剂[17]。海水加热是在海水加热器中通过由热电联产发电厂外部供应的低压蒸汽完成的，例如带有热回收蒸汽发生器的燃气轮机[18,19]或来自蒸汽涡轮发电厂的蒸汽[19，20]。进入海水加热器的海水在位于蒸发器上部的热交换器的管外侧流动。热交换器通常布置在蒸发器的整个宽度上。被加热的海水然后流入蒸发器闪蒸室。蒸发器由多级制成，通常在现代大型MSF装置中包含19-28级[17,21-25]。MSF装置通常在盐水温度90-120°C运行，这取决于选择的规模控制方法[26-38]。在120°C的较高温度下运行设备往往会提高效率，但同时也增加了结垢形成的可能性[26,27]，加速了与海水接触的金属表面的腐蚀。

在每个阶段中，压力维持在低于流入被加热海水的相应饱和温度时的压力。海水引入闪蒸室使其由于闪蒸而快速且剧烈地沸腾。安装在各级之间的孔板和挡板使盐水的压力降低至在盐水温度下沸腾时所需的平衡蒸汽压力。持续沸腾到海水温度达到阶段（闪蒸室）的沸点。因此，通过控制热海水压力连续降低来生产水蒸气，闪蒸是逐步完成的。未经淡化的盐水从一个阶段流向另一个阶段 - 低压阶段进一步闪蒸 ，这样海水可以重复蒸发而不会增加更多的热量。

蒸发器的每个阶段都配有除雾器，以尽量减少将盐水液滴带入馏出物。蒸发器有一个脱碳装置（如果酸用于水垢控制）和一个真空脱气装置，用以除去盐水中的溶解气体。脱碳器和除氧器的介质分别是空气和闪蒸蒸汽。使用脱碳酸剂去除海水中碳酸氢盐由硫酸等酸转化成的二氧化碳[26,27]，存在于海水中的碳酸氢盐是形成碱性水垢的主要物质[27,33]。蒸发器阶段的真空通过蒸汽喷射器系统完成，其中包括排气冷凝器，中央冷凝器，后置冷凝器等。系统提取闪蒸过程中释放的可燃气体，如O2，N2和CO2。

然后将闪蒸的水蒸汽通过在管中流动有较冷的海水的冷凝器来冷却产生馏出物。从蒸汽冷凝释放的潜热被用来加热管中进入的海水。在每个阶段中产生和收集的馏出物与盐水平行级联，被泵入储罐中。MSF工艺生产的脱盐水通常含有2-10 ppm的溶解固体。因此，它需要通过磷酸化（或后处理）再矿化[39-49]

水蒸气的形成量取决于每个阶段维持的压力（每个阶段典型的2-5°C的闪蒸液滴）。蒸馏液的生产速率随着海水温度的降低而增加，因为闪蒸范围（通常是总闪蒸 范围为50-75°C）随着海水温度的降低而增加。此外，生产率取决于MSF工厂中与工厂经济有关的阶段的数量。分阶段增加更多的传热面积可提高工厂效率，但同时也增加了工厂成本。性能比（PR）的值被确定为给出最小的水生产成本。现代大型MSF装置的PR值在6.5-10.5 lbs / 1000 Btu热量输入范围内[26]。

盐水加热器所输入能量因被在冷却海水中流动的排出热量而部分拒绝，该部分由2-4个阶段组成[17,21-25]。离开排热阶段的一部分被加热的冷却海水转移并用作工厂的补充水流。补充水流的目的是将失去的再循环盐水的部分替换成蒸气。一部分来自热回收段最后阶段的盐水与补充水流混合，然后通过冷凝器的管侧再循环到盐水加热器。这些盐水经过所有阶段的加热和闪蒸，这是指再循环MSF工厂，而不是一次性工厂。大部分冷海水主要被用作排热部分的冷却介质，并与用于控制尺度的排污流一起返回海中。为了避免过量的闪蒸盐水浓缩，会增加沸点，所以泄放流是必要的。由于多级中的盐水连续蒸发，使其盐浓度变得越来越浓，这增加了结垢和腐蚀的趋势。

用于海水淡化和冷却的海水系统由开放的进水通道或海底管道，泵站，次氯酸钠发生器以及分配和返回管道或通道组成。泵配有横向垃圾耙和移动筛网以去除垃圾。从排热部分排出的废热盐水被送入排水管路中排进海洋。自20世纪50年代以来，MSF装置已经建成[8]。1953年，美国海军建造了一个由5个阶段组成的189立方米/天MSF装置。1957年，在科威特安装了四台每天2271立方米的装置[9]。位于沙特阿拉伯的沙特阿拉伯海水淡化公司Al-Jubail工厂是世界上最大的海水淡化工厂，日产能为815,120立方米[21]。位于阿拉伯联合酋长国的Shuweiatplant [50]是MSF装置，其最大容量为75,700 m3 /天。

2.2 多效蒸馏

多效蒸馏（MED）工艺是最古老的并且热效率高的脱盐方法[51，52]。MED过程发生在称为功效的一系列蒸发器中，并使用降低各种功效中环境压力的原理。该过程允许海水进料在第一次功效之后不提供额外的热量而进行多次沸腾。海水进入第一个功效，其温度经管内预热后升至沸点。海水喷洒在蒸发器管道的表面以促进蒸发。这些管子由来自通常两用电厂的外部蒸汽加热。蒸汽在管道的相反侧冷凝，蒸汽冷凝物循环到发电厂以供其锅炉给水。MED工厂的蒸汽经济效益与功效数量有关。效果的总数受限于可用的总温度范围和一个效果与下一个效果之间的最小允许温差。

在第一个功效中，只有一部分管上的海水被蒸发。剩余的给水被输送到第二个功效，在这里它又被施加到管束上。这些管子又被第一种功效中产生的蒸气加热。这种蒸汽冷凝成淡水产品的同时放弃热量以蒸发余下的海水进料，从而产生下一个功效的蒸发热量。蒸发和缩合过程从效果上重复进行，在这个过程中压力和温度逐渐降低。在典型的大型工厂中这情况会持续几个蒸发器，4到21个蒸发器和10到18的都有表现[53]。

一些工厂已建成并运行，其顶部盐水温度（TBT）的首次功效约为70°C，这减少了海水结垢的可能性[54]，但形式为管却增加了额外传热面积的需求。MED工厂的能耗显着低于MSF工厂，MED工厂的性能比高于MSF工厂。因此，从热力学和传热的角度来看，MED比MSF更有效[55]。

近三十年来，水平MED工厂成功运行[55]。 MED工厂可以有水平，垂直或浸入式。低温MED装置的尺寸逐渐增加。阿拉伯联合酋长国沙迦的两台MED装置每台容量为22,700立方米/天[56]。MED工艺的设计和演示模块存在45,400立方米/天单元[56]。大型MED工厂最近的大部分应用都在中东地区。尽管与MSF工厂相比，MED工厂的数量仍然相对较少，但其数量却一直在增加。

2.3 蒸气压缩蒸馏

在VCD过程[10,57]中，蒸发海水的热量来自蒸气的压缩。VCD厂利用降低压力来降低沸点温度的原理。有两种方法用于冷凝水蒸气以产生足够的热量以蒸发来自机械压缩机和蒸汽喷射器的海水，其中机械压缩机通常是电驱动的。

VCD单元已建成各种装置，来促进热交换蒸发海水。压缩机在蒸发器中形成真空，然后压缩从蒸发器获取的蒸汽并将其冷凝在管束内。海水喷洒在加热管束的外侧，在此沸腾并部分蒸发，产生更多的蒸气。

蒸汽喷射式VCD单元被称为热压缩机，蒸汽喷射器上的文丘里管孔形成和抽取蒸发器中的水蒸气，从而产生较低的环境压力。抽出的水蒸汽被蒸汽喷射器压缩。该混合物冷凝在管壁上以提供热能和冷凝热，以蒸发蒸发器中管壁另一侧上施加的海水。

低温VCD蒸馏是一种相当简单，可靠且高效的工艺，仅需要电力。使用高容量压缩机可以在低于70°C的低温下运行，从而降低结垢和腐蚀的可能性。VCD工艺通常用于小型海水淡化装置。它们通常建成容量为3000立方米/天的范围内。大型装置的能耗约为8千瓦时/立方米的产品水。VCD装置通常用于度假村，工业和钻探地点等不容易得到淡水的这些地方[57]。

2.4 反渗透

在反渗透（RO）过程中，通过施加高于海水渗透压的外部压力来克服渗透压。 因此，水流向与穿过膜的自然流动的方向相反，使溶解的盐留在盐浓度增加的一面。这个过程没有必要的加热或相分离的变化。脱盐所需的主要能量是对海水进料加压。一个典型的大型海水反渗透装置[58-61]包括四个主要部分：给水预处理，高压泵送，膜分离和渗透后处理。

海水通过垃圾架和筛网流入进入结构，清除海水中的碎屑。海水在多重力过滤器中进一步清洁，去除悬浮固体。常用的介质是无烟煤，二氧化硅和花岗岩或者只有沙子和无烟煤。从介质微米筒式过滤器流过，去除大于10微米的颗粒。海水的过滤为工厂的高压泵和反渗透部分提供了保护。高压泵将经过预处理的海水的给水压力升高到适合膜的压力。半透膜限制了溶解盐的通过，同时允许水通过。最后将浓盐水排入海中。

需要预处理以消除海水中不需要的成分，否则会引起膜污染[62-67]。典型预处理包括氯化，凝聚，加酸，多介质过滤，微米滤芯过滤和脱氯。预处理的类型在很大程度上取决于给水特性、膜的类型和结构、回收率以及产品要求品质。

添加到海水中的各种化学物质是用于防止微生物生长的次氯酸钠，用作絮凝剂的氯化铁，用于调节pH和控制水解和结垢的硫酸以及用于脱氯的亚硫酸氢钠[58-61]。

高压不锈钢泵将经过预处理的给水提升到与RO膜相适应的压力，以便水可以通过它们，盐可以被排除。膜必须能够承受整个压力。这个过程会有相对少量的盐通过膜并出现在渗透物中。有可用的膜适用于高达84kg / cm2排出压力的泵操作，且通常采用离心泵。海水的压力范围为50到80巴，取决于进水的盐含量。

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