1、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 Advancement of Seawater Desa
2、lination 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 of water and eliminating
3、 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 useful substances are obtain
4、ed 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 desalination, Industrial
5、 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水，由于其无法生物降解，处理的
6、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，还可促进
7、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
8、发研究一直列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3000
9、0 吨/日双膜法海水淡化工程已完成招标合同，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
10、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
11、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
12、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
13、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 0.034NaHSO3 0.020阻垢剂 0.059Na2CO3 0.009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 5.6
14、36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/m 3）絮凝剂 0.034NaHSO3 0.020阻垢剂 0.059Na2CO3 0.009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
15、 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，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(m 3/d) 44500实际产水量(m 3/d) 43840原料水 TDS(mg/l) 15000产品水 TDS(mg/l) 300药剂消耗(元/ m3)
16、 0.320电力消耗(吨水电耗 3.4 度, 元/ m 3) 1.292工资福利费(元/ m 3) 0.124维修费用(元/ m 3) 0.148管理费用(元/ m 3) 0.022膜更换费用(每三年更换一次) ( 元/ m 3) 0.410运行成本合计(元/ m 3) 2.316固定资产折旧(综合折旧率 5%，残值 4%)、贷款利息 (元/ m 3) 0.788造水总成本(元/ m 3) 3.1043.3 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
17、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/m 3） 0.450电力消耗（吨水电耗 4.0 度， （元/m 3） ） 2.000工资福利费（元/m 3） 0.438维修费用（元/m 3） 0.457管理费用（元/m 3） 0.088膜更换费用（含微滤及反渗透膜） （元/m 3） 0
18、.752冬季加热费用（元/m 3） 0.800运行成本合计（元/m 3） 4.985固定资产折旧（综合折旧率 5%，残值 4%） （元/m 3） 1.462造水总成本（元/m 3） 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
19、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，2003 年 11 月开始设备加工，2004 年
20、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（m 3/h） 275海水总需求量（m 3/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（
21、t/h） 12.5产品水及浓盐水的排放温度（C） 40 浓盐水排放量（m 3/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/ m 3)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
22、的电耗为每吨氯化铵耗电 100 kWh。该工程的运行成本见表 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
23、。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 459.72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/ m 3)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 2.41端排汽温度调整为 76的饱和蒸汽
24、，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 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
25、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 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/ m
26、 3)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 2.581固定资产折旧(综合折旧率 5%，残值 4%) 1.239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
27、 MED 海水淡化装置的成本项 目 指 标( 元/ m 3)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%，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
28、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
