海水淡化的现状与未来林斯清,张维润(国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心,浙江杭州 310012)摘 要:本文介绍了近年来主要海水淡化方法——SWRO 、MSF 、M ED 的某些新进展。
海水淡化市场的激烈竞争和海水淡化技术进步,尤其是SWRO 的进展,使淡化的能耗下降了近一半(3kWh/m 3以下),产水的出厂价也几乎下降了一半(0.67美元/m 3)。
近两年大型海水淡化厂的国际招标中,SWRO 以低投资费、低能耗、低产水价而占上风。
预计21世纪的海水淡化市场会有很大发展,SWRO 将是主要的海水淡化方法。
关键词:淡化;反渗透;多级闪蒸;多效蒸发中图分类号:P747 文献标识码:A 文章编号:1000-3770(2000)01-0007-06随着经济的发展、人口的增加和都市化,加上全球气候变暖加剧降水的不均匀性,现有的淡水资源明显不足,在很大程度上影响和制约许多地方经济的发展。
经过几十年的研究和开发,今天无论就技术还是经济来说,已可大规模地把海水变为淡水,预计21世纪将是海水淡化大发展的时代。
市场竞争是最有活力和生命力的。
海水淡化通过国际招标,采用“BOO ”或“BOOT ”形式的合同,使淡化水销售价几乎下降一半,达到0.67美元/m 3的最低记录。
蒸馏法面临SWRO 法的激烈竞争。
我国的反渗透技术,20多年来,一直受到国家科委的重视和支持,无论在膜研制还是工程应用,都取得许多的成果,为发展我国的SWRO 技术打下较好的基础。
如1997年在浙江嵊山建立了500m 3/d 的SW RO 淡化示范工程,产水耗电量5.5kWh/m 3,工程经济技术指标具有国际先进水平[1]。
1 海水淡化技术的现状海水淡化技术经过半个世纪的发展,从技术上讲,已经比较成熟,大规模地把海水变成淡水,已经在世界各地,主要是海湾地区出现。
目前主要海水淡化方法有反渗透(SWRO )、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(M ED)和压汽蒸馏(VC )等,而适用于大型的海水淡化的方法只有SWRO 、M SF 和M ED 。
1.1 多级闪蒸就M SF 技术本身来讲,近年来有所进展,但并无重大突破。
以下简单介绍几方面的进展。
1.1.1 单机容量进一步扩大根据Ing Corrado Som mariva [2]报道,阿联酋的阿布扎比Al Taw eelah 水—电联合厂的多第26卷 第1期2000年2月 水处理技术 T ECHNO L OG Y OF WA T ER T REA T M ENT V ol.26N o.1Feb.,2000¹收稿日期:1999-05-208水处理技术第26卷 第1期 级闪蒸器,单机容量高达45400～57700m3/d。
1.1.2 运行管理的DROPS软件[3]这种新开发的软件用于协调运行的参数,使系统最佳化,已经在Taw eelah B的MSF上应用,估计可使运行费用下降3%左右。
1.1.3 新型防垢剂一种聚羧酸酯防垢剂,已证明比聚马来酸酐防垢剂更有效,添加剂用量少,对环境的影响也较小。
它可使M SF浓水最高温度范围达到95～110℃。
这种防垢剂不仅有抑制结垢的能力,而且具有分散悬浮物体的功能。
1.1.4 材 料为进一步提高运行的可靠性,降低成本,减少不必要的停车维修,对各部位的材料腐蚀情况进行实验和研究,并试用高级奥氏不锈钢取代沿用多年的镍基合金。
这里还要特别指出,正是由于MSF的可靠性,至今仍然吸引用户,如1992年阿联酋阿布扎比水电部签订的合同[2],建造大型的海水淡化厂,产水量约34.6万m3/d,大约于1996年建成投产。
另据Gordon F Leitner[4]报道,新加坡政府计划的海水淡化工程,产水量13.6万m3/d,拟采用MSF技术,淡化成本估计1.99～2.32美元/m3。
1.2 多效蒸发关于M ED,不少专家认为它有很大的发展潜力,给予相当大的期望,其中有两种构想值得探讨:1.2.1 美国南加州MED海水淡化工程——构想设计[5]80年代提出了“南加州海水淡化工程”的构想,拟建造大型海水淡化工厂,产水量283500m3/d,塔式多效蒸馏淡化器。
南加州塔式M ED淡化器有以下的特点[6]塔式结构,占地面积小;铝合金管传热系数高,估计比水平管高2.5倍,所需的传热面积小;材料费用低,传热管及内部构件采用特种铝合金,外壳采用混凝土的塔式结构;水的回收率高达67%,造水比高;海水预处理,包括酸化和添加防垢剂,可以防止任何一种的结垢、沉淀,能够无垢高温运行(113℃)。
然而该工程将是高160m,直径25m;混凝土地基直径40m,深25m。
如此高的塔式结构,不仅造价高,而且维修也不方便。
1.2.2 水电生产互补的构想[7]由Jacques de Ganzbourg等提出的联合生产构想主要有三点:增加效数,从而增加造水比,降低能耗。
当浓水最高温度为75℃时,通过增加效数到14,使造水比高达12。
该作者的公司于1990年曾在西班牙的一个太阳能试验平台上,一个产水量72m3/d淡化装置,造水比达到12。
采用吸热式热泵——LiBr溶液;虽然M ED结合M VC(机械压汽)或T VC(蒸汽压汽)可以提高热效率,特别是M ED+TVC,造水比可以提高到16,然而用高温蒸汽作为热泵,其效率相对比较低。
该作者提出利用吸热式热泵(空调器已采用LiBr溶液来吸热),并已在上述试验平台上实验,造水比高达21。
水电联合,以电补水;该作者通过模拟一个产水量9600m3/d,发电量8M W的两用工厂。
核算结果,淡化水的成本只要0.35美元/m3。
淡化水的成本取决于电的销售价。
如果电的销售价为0.07美元/kWh,则水的生产成本仅为0.16美元/m3。
然而,这种计算淡化水的成本,以电养水,把发电的利润补贴给淡化水的生产成本,不能真正反映淡化的真实成本。
关于电的销售价,上述阿布扎比的A 2水—电联合生产厂,合同规定电的销价只有0.02美元/kWh ,按此来核算,则淡化水的生产成本为1.19美元/m 3。
总之,此构想除了吸热式热泵外,并无什么新的思想。
1.3 海水反渗透淡化关于SWRO 的现状,本人已作过评述[8]。
膜与组件的生产已经相当成熟,膜的脱盐率高于99.3%;给水预处理工艺已能保证膜组件安全运行,主要是控制微生物的污染和侵蚀;1990年膜组件价格,按消费价格指数折算,仅为1973年的40%。
1990年之后又有明显的下降。
两年来SWRO 又有新的发展,主要在能耗进一步下降,低到3kW h /m 3,淡化成本几乎下降了一半,即0.7美元/m 3以下。
以下介绍几方面的进展:1.3.1 Sidner Lo eb 的新构想[9]Leo b 先生在1958年与Sourirajan 共同开发出第一张实用的反渗透膜,如今他正在构思如何开凿地中海—死海的渠道,利用其位差为一个大型SWRO 厂(200万m 3/d )提供动力。
1.3.2 功交换器(WEER-Work Ex chang er Ener gy Recovery)图1 功交换器能量回收示意图根据Scott A Shumw ay 报道[10],一种新型能量回收装置已成功应用于New Pro videce Island ,Bahm as 的13600m 3/d 和Caym an Island 的5000m 3/d SWRO 淡化系统上。
根据计算,能耗为 2.6kWh/m 3。
Gord F Leitner [11]指出,再加上预处理等能耗,SWRO 总能耗约为2.83kWh/m 3,这是1998年海水淡化技术的另一个新的里程碑,更重要的这是一个商业规模淡化器上的总能耗。
功交换器的工作原理如图1所示。
通过功交换器,排放的高压浓水的压力能传给补给海水。
其转换效率高达89%～96%。
1.3.3 段之间的能量回收透平——提高第2段的产水量Steven J Duranceau 等报道了[12],一种能量回收的新用法。
即第2段排放的高压浓水,通过段之间的能量回收透平,用来提高进入第2段组件进水(即从第1段出来的浓水)的压力,从而提高第2段膜组件的产水量。
其工作原理见图2。
1996年6月,佛罗里达水服务公司(Florida Water Services Cor p)在M arco 岛对现有的4.0M GD(约15000m 3/d)苦咸水淡化进行改造,通过使用段之间的能量回收透平,使系统的产水量增加1M GD (3780m 3/d ),增幅达25%。
段之间能量回收透平适用于苦咸水反渗透淡化(BWRO ),其含盐量7500～10500mg /L,它使BWRO 淡化能耗降到0.82kWh/m 3。
1.3.4 纳滤技术用于海水预处理[13]沙特的SWCC 成功地开发纳滤(NF)作为海水的脱硬、脱T DS,从而提高SWRO 的操作压力和回收率,保证膜组件运行的安全。
同样,NF 也可以用于M SF 给水预处理,提高运行的温度,从而提高造水比。
如采用NF 作为海水预处理,并把SWRO +M SF 结合一起,使回收率9 林斯清等,海水淡化的现状与未来图2 段之间透平工艺流程图1.浓水旁路阀2.浓水背压阀3.淡化水流量计4.浓水流量计图3 海水淡化“BOO ”合同水的销售价(除F lo ride 淡化厂为计划中的厂外,其他三个厂均现有的厂)提高到90%。
关于NF 作为海水预处理的技术,SWCC 已申请了专利。
1.3.5 SWRO 淡化成本几乎下降一半表1 塞浦路斯Nicosia 和Limassol 淡化工程的国际投标[13] (1998年11月17日)技术要求:海水水质:<40475mg /L 产水水质:<500mg /L T D S 产水量:20000m 3/d开工率:90%合同形式:BOO T /R,合同期10/2年淡化厂址最低报价的开发商10年期水价(美元/m 3)2年期水价Limassal Joint V enture ,IDE &Oceana Epifaniou 0.7822 2.3782U niha W ater T echno lo gy ,奥地利 1.0053 2.0435NicosiaJoint V enture ,IDE &Oceana Epifaniou0.79112.3392 海水淡化成本的下降,一方面反映了技术的进步,促使投资费和运行管理费下降,另一方面也反映商业运作和管理水平的提高,也是市场竞争的结果。
关于成本的下降,最明显的例子是塞浦路斯1995年5月10日和1998年11月16日两次三地淡化工程的投标,最低的淡化水报价下降了36%以上。
即从1995年1.22美元/m3[14]下降到1998年的0.7822美元/m 3。