海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用水世界.docx

1、海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用水世界海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用阮国岭，尹建华，赵河立、吕庆春、于开录（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津，300192）摘 要：淡水资源短缺以及水污染是人类在新世纪面临的主要资源和环境问题，其解决办法包括开源、节流和治污。在众多措施中，海水淡化不仅可以生产大量的优质淡水，其技术还可以用于工业废水的处理，在实现水资源回用的同时，还有望回收有用物质，从而减少和避免废水的排放。本文主要介绍了海水淡化技术研究在国内开展的情况，并简要介绍了该技术在氯化铵废水处理方面的一个实例。关键词：海水淡化，工业废水，进展，循环经济The Adva

2、ncement of Seawater Desalination in China and its Application in Cycling EconomyAbstract: The shortage of freshwater and water pollution are the two main environmental problems in the new century, which could be resolved with such ways as exploitating new water resources, controlling the exhaustion

3、of water and eliminating the water pollutions. Among them, seawater desalination technology has drawn much attention. Besides producing high quality freshwater, it also can be used in treating conventional wastewater. During this process, not only the water resources are recycled again, but the usef

4、ul substances are obtained from the wastewater. So the emission of wastewater can be decreased or avoided. This paper will present the development of seawater desalination in China. In addition, the application of it in dealing with NH4Cl-containing wastewater will be introduced.Key words: Seawater

5、desalination, Industrial wastewater, Advancement, cycling economy1前言中国是水资源大国，同时也是人均水资源贫国，其人均水资源量为2220立方米，居世界第100位之后。近20年来中国沿海地区经济发展迅速，在国民经济中占有举足轻重的地位。但是沿海城市的缺水形势极为严峻，沿海工业城市的人均水资源量大部分低于500立方米，处于极度缺水境况。中国一方面淡水资源不足，而另一方面水污染非常严重。一般的城市污水可通过传统的生化处理达标排放，或进行深度处理之后实现资源回用，这方面国内外都有众多的工程实例，且研发活跃。而对于工业废水特别是无机工业废

6、水，由于其无法生物降解，处理的难度较大，实现回用的实例更少，是废（污）水处理的老大难问题。海水淡化是解决沿海城市和地区淡水不足的有效措施之一，截止到2003年12月31日，全球范围的淡化水产量已经达到3775万立方米/日，解决了1亿多人的用水问题。历经50余年的发展，海水淡化成本大幅度降低，技术成熟程度显著提高，不仅是沿海地区淡水供应的有效选择，而且利用海水淡化集成技术，还可以处理工业废水，一方面从工业废水中得到优质的淡水，实现水资源的高用途回用，同时对过程的浓缩水进一步处理，还可提取有用的物质，实现环境与资源的双赢。其产业化推广不仅有望缓解我国沿海的淡水不足问题，在内陆地区用于工业废水处理，

7、还可促进循环经济的发展。2中国海水淡化技术的发展历程中国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的，电渗析、反渗透和蒸馏法（多级闪蒸、压气蒸馏和低温多效蒸馏）等海水淡化技术的研究开发，都取得相当大的进展。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究，19671969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化方法的研究，为海水淡化事业的发展奠定了基础。1965年，山东海洋学院化学系在国内最先进行反渗透CA不对称膜的研究；上世纪70年代进行了中空纤维和卷式RO膜及元件的研究，并初步工业化。“七五”以来，反渗透海水淡化技术的开发研究一直列

8、入国家重点攻关项目，“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组件的研制，建立了海岛苦咸水淡化示范工程；“八五”期间，在中盐度反渗透膜的研制方面取得了很大进展；“九五”攻关使新型的聚酰胺复合膜中试放大成功，结合关键技术和设备引进，现已生产聚酰胺复合膜产品。1997年在浙江舟山市嵊山镇建造了500立方米/日反渗透海水淡化示范工程，吨水耗电5.5度以下，技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。目前我国已建和在建的海水淡化装置10多个, 以反渗透法为主，已建成最大反渗透海水淡化工程为5000 m3/d。另外，还开展了NF-RO集成海水淡化的研究。浙江玉环电厂的30000吨/日双膜法海水淡化工程已完成招标

9、合同，建成后将成为国内最大的海水淡化同类工程。上世纪60年代原船舶工业部上海704研究所开发了5 m3/d级的压汽蒸馏淡化装置和利用柴油机缸套水余热的闪蒸淡化装置装备舰船使用。70年代-80年代初，天津市科委支持了日产淡水百吨级的多级闪蒸中试研究，取得一定的设计参数和经验。80年代以后，国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所进行了30 m3/d规模的压汽蒸馏装置开发工作，其研究内容包括30 m3/d竖管常压压汽蒸馏装置和30m3/d水平管负压压汽蒸馏装置（操作温度72）以及30m3/dOTE/VC淡化装置。以上研究工作取得的成果和过程中遇到的问题为后期研究积累了丰富的经验，对于我国蒸馏法海水淡

10、化技术的发展起到了重要的推进作用。1987年大港电厂从美国ESCO公司引进两套3000 m3/dMSF海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应，运转至今取得了显著的经济和社会效益，自1994年开始参照引进的多级闪蒸海水淡化装置，开发生产出日产1200 m3淡水的多级闪蒸系统原型中间试验装置。1998年完成安装，此设备出水电导率在2.77s/cm之间,产水量最大约45 m3/h，尚需进一步进行改进工作。国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制的60 m3/d低温双效压汽蒸馏工业试验装置于2003年3月投入运行，并装瓶销售。此举不仅解决了海水淡化装置从单效变多效的效间接口问题，而且在

11、工业规模上验证了蒸发/冷凝的传热系数和污垢系数2，3，为工业规模的多效蒸馏装置的设计和制造奠定了技术基础。2004年6月由国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所设计的3000 m3/d的低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛发电厂一次试车成功并通过9个多月的运行考验。该装置系国内第一台完全自主知识产权的多效蒸馏海水淡化装置，装置的国产化率达99%。该装置的建设完成表明我国已初步掌握大型低温多效蒸馏海水淡化的成套技术。另外，10000 m3/d的多效蒸馏示范工程已完成设计，近期将开工建设。除了自主设计建造的蒸馏淡化工程外，2003年河北黄骅发电厂签约从法国Sidem公司引进210000 m3/d热压

12、缩多效蒸馏海水淡化装置，将于2006年下半年投入运行。2004年，天津经济技术开发区签约从美国WEIR热能公司引进10000 m3/d低温多效装置，计划于2005年底投入运行。3海水淡化典型案例3.1 长海县海水淡化工程长海县1000 m3/d反渗透海水淡化工程于1998年8月开始设计，同年10月底开始建设，于1999年6月正式运行，11月举行了竣工典礼。具体的运行数据如下：2001年县政府决定对第一期工程进行扩容改造，使淡化水的总产量达到1500m3/d。在没有增加厂房的前提下对首期工程进行了扩容，改造后的能量回收系统采用国际最先进的压力交换回收装置，高压泵由过去的柱塞式变成离心式，使得淡化

13、装置的运行噪音从110分贝降表1长海县大长山岛1000 m3/d海水淡化工程运行数据项目指标 （元/m3）絮凝剂0.034NaHSO30.020阻垢剂0.059Na2CO30.009清洗药剂0.098主机电耗2.94附属设备电耗0.70工资福利费0.105维修费用0.267管理费用0.025膜更换费用(每三年更换一次)0.679冬季加热费用0.70运行成本合计5.636固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)1.650造水总成本7.286低到80分贝以下，改善了操作环境，工程改造和扩容的总投资470万元，改造后系统的运行成本见下表：表2 改造后的海水淡化造水成本项目指标（元/m3）絮凝剂0.0

14、34NaHSO30.020阻垢剂0.059Na2CO30.009清洗药剂0.098主机电耗2.10附属设备电耗0.70工资福利费0.105维修费用0.267管理费用0.025膜更换费用(每三年更换一次)0.679冬季加热费用0.70运行成本合计4.796固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)1.500造水总成本6.2963.2 沧州化学工业股份公司高浓度苦咸水淡化工程该项目包括：4套反渗透淡化系统，每一套系统的日产水量为4500m3，系统总产水量18000m3/d。预处理采用单级的细砂多介质过滤，每一套系统由6个直径3.2米的过滤器组成,运行中采用5用1备的模式。工程于2000年10月试运行

15、，2001年3月举行竣工典礼。有关该工程的投资和运行数据见下表。表3 沧化苦咸水淡化工程运行情况项 目指 标额定产水量(m3/d)44500实际产水量(m3/d)43840原料水TDS(mg/l)15000产品水TDS(mg/l)300药剂消耗(元/ m3)0.320电力消耗(吨水电耗3.4度, 元/ m3)1.292工资福利费(元/ m3)0.124维修费用(元/ m3)0.148管理费用(元/ m3)0.022膜更换费用(每三年更换一次) (元/ m3)0.410运行成本合计(元/ m3)固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)、贷款利息 (元/ m3)0.788造水总成本(元/ m3)3

16、.1043.3 天津市1000m3/d海水淡化示范工程该示范工程由天津市科委主导，国家海洋局天津海水淡化研究所进行技术集成，2003年底建成投产，有关技术指标为：吨水动力消耗4kWh，运行成本（含加热费用）低于5元。除了为天津港散货物流码头提供用水外，示范工程还优化高污染寒冷地区海水反渗透的工程技术，在此基础上搭建技术平台，为环渤海地区海水反渗透海水淡化提供标准工艺流程。有关工程的投资和运行数据见下表。表4 天津市1000m3/d海水淡化示范工程项目指标原料水TDS(mg/L)36500产品水TDS(mg/L)300400药剂消耗（元/m3）0.450电力消耗（吨水电耗4.0度，（元/m3）2

17、.000工资福利费（元/m3）0.438维修费用（元/m3）0.457管理费用（元/m3）0.088膜更换费用（含微滤及反渗透膜）（元/m3）0.752冬季加热费用（元/m3）0.800运行成本合计（元/m3）4.985固定资产折旧（综合折旧率5%，残值4%）（元/m3）1.462造水总成本（元/m3）6.4463.4 黄岛发电厂3000m3/dMED淡化工程黄岛发电厂3000m3/dMED海水淡化工程由国家海洋局天津海水淡化所提供施工图设计，华欧电力工程公司负责设备加工和安装，工程总投资2400万元。该工程于2003年5月开始开工建设，2004年6月竣工并开始试运行，2004年9月投入正式运

18、行，电厂的锅炉补水已全部由该淡化装置的产品水所取代。该装置由九效蒸发/冷凝器及一效冷凝器（不含蒸发）组成，成一字形排列，装置总长度67米，蒸发器直径4米，装置基础占地64.6米7米。日产淡水3000 m3，产品水含盐量5mg/l,造水比约为10，吨水动力消耗1.65kWh(含取水耗电)，主要用于电厂锅炉补水。该工程的有关技术参数和运行成本见表6和表7。4海水淡化技术的综合应用4.1 在氯化铵废水处理中的应用兖矿鲁南化肥厂的氯化铵废水治理工程采用反渗透和MED结合的海水淡化技术，由国家海洋局天津海水淡化研究所提供施工图设计，天津市海跃水处理高科技有限公司负责设备加工和安装，2003年9月开始设计

19、，2003年11月开始设备加工，2004年3月正式投入生产。该装置处理两种浓度的氯化铵废水，一种氯化铵含量为0.1%,一种氯化铵含量为2.5%；装置的低浓度废水处理能力100m3/h，高浓度废水处理能力为40 m3/h，回收淡水120 m3/h，淡水的水质为TDS15mg/L，回收农业级氯化铵1.1t/h，氯化铵废水膜浓缩工段的吨水耗电为2.5 kWh（包括表5黄岛发电厂3000m3/d MED海水淡化装置主要技术参数及特性项 目指 标额定进料量（m3/h）275海水总需求量（m3/h）583 进料海水盐含量（mg/L）35500 进料温度（C）平均20加热蒸汽温度（C）152加热蒸汽流量（t

20、/h）12.5产品水及浓盐水的排放温度（C）40 浓盐水排放量（m3/h）137.5最高操作温度（C）71.5电力供应3相，380V，50Hz浓盐水盐含量（mg/L）71000 单效重量（t）26-32表6黄岛发电厂3000m3/d MED海水淡化装置的成本项 目指 标(元/ m3)药剂消耗 0.36电力消耗 (吨水电耗1.65度)0.61工资福利费 0.45维修费用 0.41管理费用 0.12蒸汽消耗 (造水比10)1.6运行成本合计 3.55固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)、贷款利息 1.18造水总成本4.73产品水输送），蒸发工段的电耗为每吨氯化铵耗电100 kWh。该工程的运行

21、成本见表7-8。该项目受到全国人大环境执法小组专家和国家环保总局领导的高度称赞，04年6月国家环保总局领导考察鲁化废水治理工程后表示要在鲁化举行一个全国性的现场经验交流会，推广应用该项技术。4.2 在氯碱行业的应用某碱厂位于北方沿海缺水城市，自备有热电厂，拟建设低温多效蒸馏海水淡化工程。海水淡化工程的首期造水能力为1万吨/天，产品水供碱厂及自备电厂自用，浓盐水供碱厂制碱化盐使用。拟使用自备电厂的25MW机组的末端排汽作为为1万吨/天低温多效装置的加热蒸汽。目前，汽轮机末端排汽的温度约为7080，压力约为0.007MPa。由于蒸汽品质较低，无法直接作为低温多效装置的加热蒸汽，需要对汽轮机的运行工

22、况进行调整。据测算，将汽轮机的末表7 氯化铵生产成本统计表（所有费用均按每吨氯化铵计）项目单位成本 (元/ t)蒸汽250.00编制袋31.5动力电50折旧82.47维修费29.79工人工资14.00职工福利费1.96生产成本表8 纯水生产成本统计表（所有费用均按每吨纯水计）项目单位成本 (元/ m3)动力电消耗1.25设备折旧0.34维修费0.12膜更换费用0.40化学药品消耗0.2工人工资0.09职工福利费0.01生产成本端排汽温度调整为76的饱和蒸汽，汽轮机的排汽量为52t/h，可以满足1万吨/天低温多效蒸馏海水淡化装置的用汽需要，发电机组的发电能力将降低915kW，相当于海水淡化使用的

23、76的饱和蒸汽的成本为17.6kWh（以0.4元/kWh计，相当于7.04元）。25MW机组的冷却系统为淡水循环冷却，使用两台160kW的循环水泵，由于上马海水淡化工程，由低温多效海水淡化装置充当汽轮机的冷凝器，可节约电力消耗320kW。另外由于海水淡化装置替代了淡水循环冷却系统，从而节约了20t/h的淡水补水消耗，和相应的药剂消耗。综合上述各种因素，低温多效装置所使用的蒸汽基本不为发电机组增加额外费用。以蒸汽费用8元/吨，装置造水比8计算，1万吨/天低温多效蒸馏海水淡化工程的造水成本如下表所示：如上表所示，1万吨/天低温多效蒸馏海水淡化工程的造水总成本为4.172元/吨，远低于此碱厂目前78

24、元的锅炉补水成本。海水中含有多种离子，而海水淡化的浓盐水同原海水相比有明显的升高。浓盐水中的主要盐类为氯化钠，而制碱工艺的主要原料就是氯化钠，使用浓盐水代替淡水作为化盐水有可能节约化盐成本。虽然去除浓盐水中的硫酸根、钙、镁等离子需要一定的费用，但综合计算，使用1吨浓盐水可为制碱工艺带来58元的额外收益。表9 某碱厂10000m3/d MED海水淡化装置的成本项 目指 标(元/ m3)药剂消耗 0.450电力消耗 (吨水电耗1.6度)0.640工资福利费 0.087维修费用 0.387管理费用 0.017蒸汽消耗 (造水比8)1.000运行成本合计 固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%) 1.

25、239贷款利息0.352造水总成本4.1724.3 在电厂循环经济中的应用正在筹建的某滨海发电厂，一期工程装机容量为2000MW，厂址附近为某大型盐场。电厂配套建设20万吨/天低温多效蒸馏海水淡化工程，为电厂自身和周边地区供水。同时，电厂使用海水循环冷却。其中低温多效蒸馏海水淡化工程的造水成本如下表所示：表10 某电厂200,000m3/d MED海水淡化装置的成本项 目指 标(元/ m3)药剂消耗 0.35电力消耗 (吨水电耗1.264度)0.379工资福利费 0.021维修费用 0.564管理费用 0.004蒸汽消耗 (造水比8)1.54运行成本合计 2.858固定资产折旧(综合折旧率5%

26、，残值4%) 1.786贷款利息0.858造水总成本5.502海水淡化过程中排出的浓盐水和发电厂排出的浓缩冷却海水全部引入盐场，利用太阳能，把浓海水制成中度卤水，中度卤水采用空气吹溴法提取溴素，提溴后的卤水再进入蒸发池继续蒸发为饱和卤水，饱和卤水分别进入结晶池和真空制盐厂，生产原盐和精制盐。剩下的制盐母液进入盐化工生产工序，把其中所有无机盐全部分离，生产出氯化钾、氯化镁、硫酸镁等化工产品。至此，全部海水被“吃干榨净”，无废液排入大海，实现了“零排放”。同时，由于海水淡化后排出的浓盐水比一般海水高出近一倍，大大提高了盐的产出效率，在增加盐产量的同时可节约现有盐场用地22.5平方公里，如果维持原盐

27、产量不变，则可以节约56平方公里的盐场用地。电厂所产生的粉煤灰、石膏等传统意义上的废弃物，被用来开发生产出新型建材产品，可把电厂自身的粉煤灰、石膏全部消化利用，同时省却了灰场用地。5结语1、21世纪中国面临缺水和水污染的双重压力，开发水资源和治理污染任重道远。2、海水淡化技术可以为沿海地区解决优质淡水，中国的海水淡化已经起步，发展前景广阔。3、海水淡化技术的发展为工业废水的治理和回用提供了新的选择，需要推广应用以减轻废水对环境的污染。4、以海水淡化为龙头，走造水和资源综合利用的循环经济之路，在中国具有广阔的前景。参考文献1 Ruan Guoling, The Proceedings of the China-ASEAN Workshop on Marine Science and Technology, October, 2003, Beijing, China2 解利昕、阮国岭等，水处理技术，2000.2： p90-923 尹建华、吕庆春、阮国岭，海洋技术，2002.4：p22-25