海水淡化装置结垢原因分析.docx

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海水淡化装置结垢原因分析

海水淡化装置结垢原因分析

及清洗

专业　轮机工程

届别　

学号　

姓名　方毅

指导教师　袁志飞

江苏科技大学

二O一四年四月

摘要

海水淡化装置是船舶保障日用淡水的重要设备,通常情况下,船舶的淡水除了洗涤饮用外还供给动力装置,海水淡化装置直接影响到船舶续航能力。

海水淡化装置结垢问题的存在直接影响了装置的正常运作从而影响了远洋船舶淡水的供给。

本文从海水结垢的各方面机理出发，针对海水淡化装置结垢这一常见问题作出探讨，分析其原因本文从真空沸腾式海水淡化装置结垢的各方面机理出发，针对海水淡化装置结垢这一常见问题作出探讨，分析其原因。

真空沸腾式海水淡化装置结垢的因素很多，主要有流速、表面温度、主体温度、水质条件及换热器材料和表面状况等。

海水蒸馏装置水垢主要是甴海水中溶解度较低的盐类沉积在加热面上形成的。

其水垢主要成分是碳酸钙、氢氧化镁、和硫酸钙。

这些盐类在海水中的溶解度很低，并且随温度升高而降低，在海水被加热汽化而浓缩是就会在加热面上析出而形成水垢。

同时介绍几种减少结垢的海水淡化技术，以及应对结垢的几种处理措施：

除垢剂，以及机械化学清洗等。

关键词：

海水淡化，结垢，机理，清理

Abstract

Desalinationplant,usually,inadditiontocleaningtheship'sfreshwatersupplyfordrinkingthings,powerplant,desalinationplantdirectlyaffectstheabilityofmarinelife.Desalinationplantisanimportantfreshwatersupplyequipment.TheScalingofdesalinationplantdirectlyaffectthenormaloperationoftheplantwhichaffectsthesupplyoffreshwaterocean-goingvessels.

Fromthescalingofthevariousaspectsofwaterbasedonthemechanismforfoulingthedesalinationplanttoexplorecommonproblems,analyzeitscauses,Vacuumboilingdesalinationdevicescalingfactors,themainflowvelocity,surfacetemperature,bodytemperature,waterconditionsandheatexchangermaterialsandsurfaceconditions.ScalewaterdistillationunitismainlyalowsolubilityinseawaterYousaltsdepositedontheheatedsurfaceformed.Itsmainingredientiscalciumcarbonatescale,magnesiumhydroxide,andcalciumsulfate.Thesolubilityofsaltsinseawaterisverylow,anddecreaseswithincreasingtemperature,thewaterisheatedvaporizationsurfaceconcentrationisprecipitationwillbeformedintheheatingscale.Atthesametimeintroducesseveraldesalinationtechnologies,andrespondtoseveraltreatmentmeasuresscaling,suchasdetergents,andmechanicalandchemicalcleaning.

Keywords：

Desalination,Scale,Mechanism，Clean

3.5、清洗实例……………………………………………………………………...16

3.5.1清洗工艺………………………………………………………………..16

3.5.2清洗范围………………………………………………………………..16

3.5.3清洗过程………………………………………………………………..17

3.5.4清洗效果及结论………………………………………………………..18

绪论

现代远洋船舶由于航程远、航期长，对淡水的需求量多，因而需要装备海水淡化装置。

提出了船舶对淡水的要求，因此海水淡化装置普遍应用在现代远洋船舶上。

海水是一种成分复杂的水溶液，主要含有多种盐类。

海水的含盐量可用滤过的海水在..110℃下干馏的残渣量来测定，一般为33000—350000mg／L。

大洋中海水的含盐量的平均值约为350000mg／L。

沿海海域由于江河等淡水的流人，含盐量一般低于此平均值；而某些蒸发量较大的孤立海域，如红海等，其含盐量则又可高达40000mg／L以上。

在海水溶有的各种盐类中，以氯盐的含量为最多，氯离子在海水中的含量占总含盐量的55％。

1kg水溶液中所含氯离子的克数称为氯度，用符号CL％来表示。

氯度可用硝酸银滴定法，以铬酸钾为指示剂来测定。

氯离子的含量也可用mg／LNaC1、mg／LCl一或mg当量／LCl一来表示。

它们之间的关系是1mgLNC=0.606mg／LCl一=0．017mg当量／LCl一。

由于海水中盐的成分不变，因此氯度与盐度之间也具有固定的比例关系，实验公式是S=0．03+1．805C1

船舶对淡水的要求，航行或工作在海洋上的船舶，除某些方面可直接取用海水外，每天还需消耗大量的淡水。

淡水的含盐量需在1000mg／L以下。

供船员和旅客饮用、洗濯的生活用淡水，每人每天约需..150～250L；供动力装置耗用的淡水，如以主机功率为735kW计，则柴油机船每天约需..0．15～..0．23t。

根据用途不同，船舶对淡水质量的要求也不同。

洗濯水一般要求氯离子浓度不大于..200mg／LCl一，硬度不大于7mg当量／L。

当硬度超过40～42mg当量／L时，肥皂即不起泡沫。

饮用水必须清澈、无异味、无有害人体的杂质和病菌，含盐量应不大于500～1000mg／L，氯离子浓度不大于..250～500mg／LCl一，PH值为6．5～9．5。

用海水淡化装置制取的淡水，因所含矿物质很少，饮用时显得“淡而无味”，因而宜加入某些矿物质后再饮用。

柴油机的冷却水，只要是淡水即可，并无特殊要求。

如果船上各种用途的淡水都由同1台淡化装置生产，则抽造淡水的质量就应首先符合要求最高的需水水质标准。

船用海水淡化的主要方法及特点海水淡化就是要将高盐度的海水通过一系列的过程转变为低盐度的海水。

目前船舶海水淡化的主要方法有冷冻法、电渗析法、蒸馏法和反渗透法等。

电渗析法是利用相间排列的有选择性的阴、阳离子渗透膜（或称离子交换膜），在直流电场作用下使海水中的离子通过渗透膜直入相邻的隔室，以实现海水淡化。

但电渗析法需消耗较多的电能，而且离子交换膜不能与氯接触，亦即原水不能用氯来杀菌，致使渗透膜易于繁殖微生物。

此外，为了防止膜上生成水垢，还必须定期进行酸洗和倒换电极，操作管理较复杂。

冷冻法盐溶液在浓度并非很大时，如将其温度降低到它的冰点（海水含盐量为..35000mg／L时，其冰点为一..1．91oC以下，溶液就会析出不含盐的冰晶，而使溶质盐遗留在浓缩了的盐水中。

因此如将冰晶取出，用淡水洗涤，除去晶体表面及其间隙内残留并浓缩了的海水，然后再加热使之融化，即可得到淡水。

但冰冻法在理论上可行，实际操作较复杂，尚未大规模使用。

蒸馏法蒸馏法是利用盐分几乎不溶于低压蒸汽的这一固有特质，首先将海水加热，使之汽化，然后再将所得蒸汽（称为二次蒸汽）重新冷凝，以获得含盐量很少的淡水，即通常所谓的蒸馏水。

用蒸馏法淡化海水必然伴随相态变化，而水的汽化潜热较大，所以能耗较多，而且处理热海水还必须注意防止装置内部的结垢和腐蚀。

但蒸馏法能直接使用低温热源，便于废热的利用；同时所产淡水的纯度较高，能满足各种用途的水质要求。

蒸馏法有很多种，如多效蒸发、多级闪蒸、压气蒸馏、膜蒸馏等。

反渗透法反渗透法是利用海水被加压到一定压力以上时，海水中的溶剂（淡水）即能通过某种半渗透性薄膜而析出的原理来使海水淡化的。

图1为渗透和反渗透的示意图。

当稀溶液和浓溶液例如淡水和海水用半渗透膜隔开时，稀溶液中的溶剂—..—水就会在渗透压的作用下向浓溶液方面渗透，如图1中（a）所示。

而所谓渗透压，就是指半渗透膜一侧的溶剂向另一侧的溶液渗透的压力。

渗透压不仅与溶液的种类有关，还与溶液的温度和接受溶剂的溶液浓度有关，亦即与溶液的绝对温度成正比，并与浓度近似地成正比；但与半渗透膜的性质无关。

当稀、浓溶液用半渗透膜隔开时，因渗透压差指向浓溶液，因此自然渗透就要向浓溶液方向进行。

直至上述渗透进行到浓溶液与稀溶液的高度差所产生的反压恰好等于两侧溶液的渗透压差时，渗透也就达到平衡状态，如图1（b）所示。

因此，如果在浓溶液侧外加压力，使其超过渗透压差，那么，浓溶液中的溶剂——水就要向稀溶液侧进行反方向渗透，如图..l（c）所示，这就是反渗透法进行海水淡化的基本原理。

反渗透法海水淡化装置的流程如图2所示。

由于海水中的悬浮物、有机质以及金属的氢氧化物和难溶盐等都会使膜污染，同时在膜上还会繁殖微生物，而膜的水解速度也只有在溶液的..PH值为4—6时才为最慢。

因此，为了使膜的透水量不致衰减过快，并延长膜的使用寿命，就需对海水进行预先处理，然后再由高压泵泵入反渗透器。

反渗透海水淡化是一种以压力为驱动力的膜分离过程，是当今海水淡化领域研究、开发的热点。

反渗透技术具有投资少、操作方便、建设期短等优点，除船舶行业外，现还广泛用于其他领域，如：

钻井平台、野外勘探、海岛、高盐碱地区和海水倒灌地域。

海水淡化装置在船舶上的应用船舶所需要的淡水可用水舱来携带，但对航程较远、连续航行时间较长的远洋船舶来说，要携带足量的淡水就必然会相应地减少载重吨位，而且淡水贮存过久也会因水舱的污染和细菌的繁殖而变质。

此外，仅靠携带淡水还会影响船舶应付意外情况的能力。

因此，在现代远洋船舶上普遍装设了海水淡化装置（习称造水装置）。

一般功率为..7353kW左右的货船，如以船员为5O人计，则装设..1套造水量为20～25t／天的淡化装置即可敷用。

至于大型客船，也只需装设几台造水量较大的装置即可。

远洋船舶上一般都配有制淡水设备（俗称造水机），其生产的淡水主要用作柴油机冷却水和锅炉补给水等，在应急的情况下还可以作为饮用水使用。

（因造水机生产的蒸馏水所含的矿物质少，且未杀菌，故作为饮用水时需要经过矿化和杀菌处理）。

由于船用锅工作环境的复杂性，对锅炉水的盐份含量有严格的控制，因此，造水机生产的淡水含盐量是以锅炉补给水标准为依据的，由此可见，造水机对远洋船舶，尤其油轮是必不可少的设备之一。

远洋船舶生产实践中,海水淡化装置的淡水产量及所产淡水的含盐量问题备受人们重视。

要使船舶海水淡化装置的淡水产水量和所产的淡水质量满足营运船舶需求则必须保证装置的正常运转，而换热面结垢则是目前船用造水机存在的普遍问题，它影响着产水量从而影响着船舶的续航能力，因而研究海水淡化装置结垢的问题引起了很大的关注。

目前船用大多数海水淡化装置是蒸馏式的例如：

真空沸腾式和闪发式海水淡化装置但是真空沸腾式海水淡化装置结垢较严重，而闪发式则很好解决了这一问题。

由于较好的解决了结垢问题，作为新兴的海水淡化技术反渗透海水淡化装置近年来也得到较快的发展目前已有部分运用到舰艇上。

目前,海水淡化在水处理领域应用十分广泛,但结垢问题大大提高了其运行成本。

对无机盐的结垢多采用向系统添加阻垢剂的方法加以防止。

因此,阻垢剂的开发一直是研究的热点。

目前,阻垢剂的研究逐渐向高效、多功能、复合化、低毒化方面发展。

按其分子的结构分为均聚物阻垢剂、共聚物阻垢剂（含磷类、聚羧酸类、磺酸类）近年来共聚物阻垢剂作为反渗透阻垢剂的发展十分迅速。

聚合物类阻垢剂具有阻垢效果佳、热稳定性好等优点据文献报道,共聚物类反渗透阻垢剂主要是通过晶格畸变和分散两种作用来抑制沉积物的形成,同时具有很好的阈值效应。

其结构上的特效官能团达到阻垢效果。

1、影响真空沸腾式海水淡化装置结垢的参数分析

由于反渗透海水淡化技术的成本较高大多数远洋船舶的海水淡化较多的采用真空沸腾式海水淡化装置，而真空沸腾式海水淡化装置的的结垢问题一直影响装置的实用性和操作管理并且间接影响远洋船舶续航能力。

根据盐分几乎不溶于低压蒸汽的原理，先加热海水使之汽化，然后再将产生的水蒸气冷凝，从而得到几乎不含盐分的蒸馏水。

目前大多数船舶用到的蒸馏式海水淡化装置一般都采用真空式，即海水的的蒸发和水蒸气的冷凝都是在较高的真空度下进行的。

众所周知水的沸点随压力的降低而降低，而在真空状态下水的沸点很低。

而船舶主机冷却水温度高于真空状态下水的沸点，而现代船舶一般利用真空下用主机的循环冷却水来加热盐水因为真空度高则水的沸点低，便于采用温度不太高的介质作为热源，从而利用船舶动力装置的废热，提高装置的经济性。

目前的船用蒸馏式式海水淡化装置真空度在92%左右，沸点不高于60℃，因而可利用柴油机的缸套冷却水作加热介质。

因为加热温度降低了，因而结垢的程度相应的下降换热器上的结垢减轻了从而海水淡化装置的实用价值的到提升，便于换热板的拆检和清洗。

图1.1

图1.2

海水（造水机用到的海水甴海水泵提供，同时抽真空用到的真空泵和排盐泵的工作水也都是由它来提供）经过截止止回阀进人造水机底部加热空间，加热空间充满温度较高的主机冷却水，海水水在此加温，在真空泵的作用下，造水机内部压强较低低，而海水在较低的压强下在较低的温度下就能达到该压强下的沸点，当达到沸点后即开始汽化。

产生的水蒸气从底部上升经过冷凝器两侧的汽水分离器过滤掉水蒸气携出的部分水，然后从冷凝器壳体上部进人冷凝器。

冷凝器壳体内是一些水平放置的水管，水管里面流动着冷却用的海水。

冷却用的海水在冷凝器管内流过，管外的蒸汽被冷凝为淡水，冷凝出来的淡水在重力作用下聚集在冷凝器底部，由凝水泵抽出。

蒸发后剩下的高盐度海水则由排盐泵排出，盐水的排出和海水的补充这样的循环保持了造水机内部海水液位的平衡，同时也减轻了由于盐水浓度过高带来的了结垢问题。

真空沸腾式海水淡化装置结垢的因素很多，主要有流速、表面温度、主体温度、水质条件及换热器材料和表面状况等。

海水蒸馏装置水垢主要是甴海水中溶解度较低的盐类沉积在加热面上形成的。

其水垢主要成分是碳酸钙、氢氧化镁、和硫酸钙。

这些盐类在海水中的溶解度很低，并且随温度升高而降低，在海水被加热汽化而浓缩是就会在加热面上析出而形成水垢。

水垢中含有的硫酸钙特别有害，因而它是难以清除的硬垢，其导热率很低，此外氢氧化镁垢特别是干垢也较难清除。

1.1水质

CaCO3是自然界存在十分广泛的矿物质，它的存在形式为:

无定形CaCO3（ACC）、六合水CaCO3亦称六水碳酸钙、一水合CaCO3、六方碳酸钙石、文石和方解石等。

后三种晶型属于同质异象。

无水CaCO3有同质三项：

六方碳钙石、文石和方解石，三种晶型可以在一定的条件下相互转化。

ACC和六水合CaCO3、一水合CaCO3、都是非常不稳定的物种。

ACC是高度过饱和溶液中快速生成的含水球行沉淀。

这些含水或水合的CaCO3、都是稳态CaCO3的前体。

在常温条件下，他们会逐渐失水并转换成稳定的无水CaCO3。

六方碳钙石是一种亚稳态的CaCO3晶型。

它在自然界中存在的普遍性不及文石和方解石。

偶尔字胆结石、鱼耳石和变质岩中发现。

在25˚C水溶液中经过200分钟就可以完全变成方解石。

文石是一种存在稀少的CaCO3晶型它是许多动物贝克、珍珠主要组成成分，在自然界中常与其它矿物伴生。

他的热力学稳定性不如方解石在60~80˚C水溶液中经过1000~1300分钟，它可以完全转化成方解石。

方解石是热力学最稳定CaCO3晶型因而其存在范围也最广泛。

自然界中的许多矿物质，如石灰石、大理石、石钟乳等，其主要成分都是方解石。

它是各种CaCO3晶型在溶液中转变的最终产物。

转变过程：

CaCO3（ACC）≓CaCO3（六水碳钙石）≓CaCO3（六方碳钙石）≓CaCO3（文石）≓CaCO3（方解石）

易行成水垢的难溶盐都是具有异常溶解度特性的盐类，即它们的溶解度随温度升高而降低CaCO3亦如此。

CaSO4在海水中的含量较少，仅占总含盐量的3.4%左右，在船用真空沸腾式海水淡化装置中加热介质的传热温差一般不大，只有当盐水的含盐量达到海水的1.5倍时CaSO4才开始析出，而达到3倍时将会大量析出。

因此，蒸发器中的含盐量一般不允许超过海水的1.5倍。

1.2换热面材质及表面状况对结垢过程的主要影响

换热面材质及表面状况对结垢过程的主要影响主要是在生成垢质中复合了腐蚀产物，材质的影响一般总是和腐蚀问题相关联。

有关材质对无机盐结垢影响的研究尚很少。

科学家利用高度显微照相技术拍摄了CaCO3于不同材质（紫铜、黄铜、铝、铸铁及聚四氟乙烯膜）表面的沉积晶型。

发现CaCO3于不同材质表面的沉积，具有不同的晶型体。

易腐蚀材质表面的沉积物中CaCO3与腐蚀产物并存，由于腐蚀所致的表面粗糙背后隐藏着许多晶粒。

惰性材料聚四氟乙烯表面的沉积物为无定形体，是CaCO3各晶型中最不稳定的一种。

表面状况与结垢的关系的研究主要集中在强化传热表面的结垢问题上。

研究人员对比螺旋槽管、内肋片管与光滑管等三种管型的换热器内CaCO3的结垢问题，测定了结垢之后三种管的传热系数，发现在严重结垢条件下，内肋片管和螺旋槽管的换热性能要比同一结垢条件下的光滑管高出10%~100%。

实验还发现内肋片管内的污垢热阻要比光滑管高出15%~35%,并随管子的实际内表面与标准内表面的比值增加而略有增加；在流速高于1m/s后，螺旋槽管上的污垢热阻要比普通管低25%~50%,原因在于螺旋槽内产生的二次流动。

后来有科学家又对普通铜管、碳钢管和外肋片碳钢管上的CaCO3结垢进行了研究，发现在恒热通量条件下，外肋片管比光管的结垢要少，结垢沉积在主表面上。

流速提高，铜管上的污垢热阻随之增大，碳钢管上的污垢热阻下降。

由于某些特殊的强化传热表面具有优良的传热性能并具有一定的热垢性能，因而这方面的研究近年来研究较为活跃。

1.3流速对结垢的影响

蒸发器加热面上结垢与否及盐垢生长的速度主要取决于海水的加热温度、盐水的浓度、蒸发器的加热温差以及盐水在蒸发器中的停留时间。

海水中CaCO3的溶解度随海水温度增加而减少,当传热温差在20℃～25℃且加热温度为60℃左右时,CaCO3在海水中的溶解度不超过40mgöl。

在加热温度低于70℃时,蒸发器换热面上的水垢主要成份是CaCO3而盐水浓度越大,其中结垢物质含量超过溶解度就越多,生成盐垢就越多。

而当盐水的浓度较大,其流经蒸发器的时间越长,盐类就更易于形成结晶沉积。

结垢位置是换热板上给水海水流动不畅的局部,与其相应的换热板的另一侧是缸套水流速较大的位置。

根据液体力学的流体连续流动原理，流体流量一定,其流通面积较小时,则其流速较大。

对板式换热器,缸套水在进入换热板的空间及离开换热板的空间流出时因其流通面积较小而使其流速相应增大。

缸套水对换热板的热交换属流体对流换热。

若缸套水的温度tf与换热板的板面温度tw温差一定,则板面上缸套水流速愈大的位置其对流传热量就愈大。

因此,造成结垢的主要原因是该局部位置的缸套水流速过快,导致与该位置相对应一侧流动较慢的海水的加热量过大、沸腾汽化剧烈而使该部分海水过分浓缩后因CaCO3浓度过高而结垢。

在实际管理中要防止或减缓这种结垢现象,则应在满足产水量要求的前提下,使缸套水的流量小些,即其流过蒸发器时的温降应大些。

这样可使海水淡化装置能运行较长时间才需除垢。

缸套冷却水的温度保持在60℃～65℃之间的某一值时,流经蒸发器时的温降通常取为6℃～9℃左右。

1.4给水倍率对结垢的影响

当工况稳定时，给谁两个W0等于产水量W和排盐量WB之和，蒸发器内的水位保持不变。

按照蒸发器中盐量平衡关系，忽略蒸汽携出的微量盐分，则

W0·S0=WB·SB

式中W0、S0——给水（海水）的流量（L/h）、含盐量（mg/L）;

WB、SB——盐水的流量（L/h）、含盐量（mg/L）。

盐水含盐量SB与海水含盐量S0之比称为盐水浓缩率，用ε表示。

给水量W0与产水量W之比称为给水倍率，用μ表示，即

ε=SB/S0=W0/WB=W0/（W0-W）=μ/（μ-1）=1+1/（μ-1）

由此公式可见，给水倍率μ越大，盐水的浓缩率ε越小，即海水含盐量S0既定时，盐水含盐量SB是由积水倍率决定的。

要使ε<1.5，则应μ=W0/W>3

增大给水倍率虽然可以减少盐水含盐量，减轻结垢程度，但但海水给水量增加，产水量会降低。

船用真空沸腾式海水淡化装置适宜的积水倍率是3-4。

2、介绍几种减轻结垢的造水技术

2.1、蒸馏法

蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。

蒸馏法海水淡化技术是最早投人工业化应用的淡化技术，与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术之一。

2.1.1多级闪蒸法（MSF）

多级闪蒸具有可靠性高、防结垢性能好、产水水质高等优点,因此,从上世纪50年代一经问世就得到了长足的发展和应用。

目前全球海水淡化产量的60%都是采用多级闪蒸法获得的。

常用的多级闪蒸过程是将加热后的海水依次通过若干个压力逐级降低的闪发室,使热海水在每一级闪发室都能成为过热水而急速的部分汽化,产生的蒸汽冷凝后即为淡水。

（普通的多级闪蒸海水淡化装置见图2.1）

图2.1

海水（给水）由冷却水泵送入末级闪发室上部的冷凝器,冷凝该级内闪发的蒸汽成淡水,海水受到预热。

随后,海水依次流经第2级和第1级冷凝器得到逐步预热。

接着海水在换热器内被蒸汽加热到指定的温度。

较高压力的过热海水注入低温低压的第1级闪发室,过热海水温度降至该室压力下的饱和温度,放出显热转化为部分海水闪发成蒸汽所需的潜热,纯净蒸汽进入上部冷凝器冷凝成淡水。

多级闪蒸自二十世纪五十年代商业化以来，由于其突出的优点，在中东地区得当了广泛的应用。

多级闪蒸的工作原理如下:

经过预处理的海水加热到一定温度后进人闪蒸室，由于该闪蒸室中的操作压力低于热海水温度所对应的饱和蒸汽压，所以热海水在进人闪蒸室后即成为过热水而急速的部分汽化，从而使热海水自身的温度减低，所产生的蒸汽经原水冷却冷凝后即为所需的淡水。

多级闪蒸与其他淡化技术相比，具有如下的优点:

①.由于此方法加热与蒸发过程分离，并未使海水真正沸腾（仅是表面沸

腾），从而大大改善了一般蒸馏的结垢问题;

②.技术成熟可靠，运行安全性高，特别适合于大型的海水淡化应用;

③.设备机构简单，投资成本较低。

钙结垢，可采用下述两种方法：

（1）加热软化法，即通过在预处理工序中使海水加热到较高的温度，使海水中硫酸钙提前析出，减少后续工序中硫酸钙结垢。

其优点是不消耗化学药品，也不需要多消耗大量蒸汽，因为闪蒸淡化海水最高温度本身达80℃；

（2）加聚合物防垢剂，即在海水中加