淺析小型海水淡化裝置及發展

馬曉華，王樂，曹江，陳宸

（1.火箭軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，江蘇 南京 210006；2.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

海水淡化是采用特定工藝流程去除海水中所含的絕大部分鹽類，使之達到生活和生產用水標準的水處理技術。小型海水淡化裝置具有規模小、操作簡單易行、能有效利用可用能源等優勢，特別適合海上平臺、海島、艦船等場所，為人們提供生活用水或為中小型動力裝置提供動力用水，比如日均100 噸的海水淡化裝置就可滿足海島上五百人的用水需求，大型遠洋貨輪或蒸汽鍋爐的艦艇則需要裝備日均500 噸的海水淡化裝置，因而其具有廣闊的應用前景。本文介紹適合小型海水淡化裝置的三種海水淡化工藝——低溫多效蒸餾法、反滲透法和機械蒸汽再壓縮法，分析比較三種工藝的優缺點，提出用于余熱回收的有機朗肯循環與機械蒸汽再壓縮法的小型海水淡化裝置方案，認為綜合利用可再生能源的小型海水淡化裝置將是未來發展的重點。

1 海水淡化工藝

海水淡化兩大主要方法是蒸餾法和膜法，其中蒸餾法中的低溫多效蒸餾法（LT-MED）、多級閃蒸法（MSF）、機械蒸氣再壓縮法（MVR）等；膜法中的反滲透法（RO）等技術在陸地上的大型海水淡化裝置中得到了較為廣泛的應用[1]。由于多級閃蒸技術能耗和投資方面的原因，我國已較少采用，機械再壓縮蒸餾法技術由于起步較晚，目前占有率很低，所以我國主要采用低溫多效技術和反滲透技術。各海水淡化工藝的市場占有率如圖1所示。

圖1 各種海水淡化工藝的市場占有率

1.1 反滲透法（RO）

反滲透法是對海水一側施加大于海水滲透壓的壓力，使海水中的淡水通過半透膜反滲透到淡水中，從而完成海水淡化過程，流程如圖2 所示，進料海水首先經過預處理去除超量的濁度和懸浮固體、膠體物質、油脂和有機物質等，防止粒子物質、微生物和有機物對膜和組件的污染，然后經高壓泵增壓后，進入膜脫鹽設備，產出的中間淡水產品根據需求進入不同的后處理設施，比如作飲用水，需pH 調節和加氯殺菌設備；鍋爐動力用水，則需軟化水裝置，最終精制成產品淡水。核心裝置有膜組件、高壓泵（柱塞泵和多級離心泵）和能量回收裝置等[2]。

圖2 反滲透法工藝流程

反滲透為無相變過程，其優勢包括：能耗低，每噸淡水耗電3.0～5.5 kWh；工程投資及造水成本較低；裝置緊湊，占地較少；操作簡單，維修方便。但是，反滲透工藝也有其無法克服的缺陷，如預處理要求嚴格，反滲透膜需要定期更換，海水溫度低的情況下需加熱處理等。

1.2 低溫多效蒸餾法（LT-MED）

低溫多效蒸餾法是在多效蒸餾法的基礎上，控制最高蒸發溫度低于70℃以有效抑制設備腐蝕。該法原理是加熱后的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發，前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，并冷凝成為淡水。以3效低溫多效蒸餾法為例，工藝流程如圖3，海水自循環水泵出口引出，經凝聚、澄清、脫氣并加入阻垢劑后，進入熱回收段最低溫度組中，經液體分布器噴淋到各蒸發器的頂排管上，在自上而下以薄膜形式流動的過程中，部分液體因吸熱而汽化，被蒸發的海水進入蒸發器的下一組中，在新的一組中重復蒸發和噴淋過程[3]。

圖3 低溫多效蒸餾法工藝流程

與多級閃蒸以及傳統的多效蒸發相比，低溫多效的海水預處理的優點是操作程序更為簡單，防腐蝕和結垢措施相對簡易，系統動力消耗小，熱效率高，操作安全可靠，但是，該系統的缺點是鹽水蒸發溫度不超過70℃，制約了熱效率的進一步提高，低溫操作時蒸汽的比容較大，設備體積較大。

1.3 機械再壓縮蒸餾法（MVR）

機械再壓縮蒸餾法正逐漸取代低溫多效蒸餾技術，廣泛應用于化工、食品、制藥等行業的溶液濃縮、物料提純、工業廢水處理等工藝過程。其基本原理是利用壓縮機將蒸發器中的二次蒸汽壓縮提質，循環利用高溫、高壓的二次蒸汽潛熱加熱物料，同時完成溶液蒸發和蒸汽冷凝過程，工藝流程如圖4。由于MVR系統只需輸入電能，如果能夠完全依賴風能、太陽能、潮汐能等可再生能源作為驅動能源，將會是極具應用潛力的小型海水淡化技術[4]。

圖4 機械蒸汽再壓縮法工藝流程

MVR除了具有LT-MED的優點，還具有結構簡單、運行效率高等優點。在多效蒸發系統中，效數越大，系統經濟性越好。低溫多效蒸發系統中最大的設備是換熱器，系統通常為4～6 效，則需要4～6 個換熱器。而MVR系統的經濟性與30效相當，但只需要1個換熱器，大大簡化了系統流程和設備。此外，MVR 在運行過程中不需要外部加熱蒸汽、冷卻水等，僅壓縮機、泵等部件消耗少量電能即可完成蒸發過程。由于對二次蒸汽潛熱進行了全部循環利用，蒸發過程系統能耗大幅度降低，節能環保效果顯著。

RO、LT-MED、MVR三種海水淡化工藝的特點如表1所示，如何選擇適合于小型海水淡化裝置的海水淡化工藝，應綜合考慮應用環境、海域水質、產水用途等因素：

表1 三種海水淡化技術的特點

（1）對于處于水質較差海域的船舶、海島、海上平臺等，主要考慮蒸餾法海水淡化裝置。

（2）大型常規蒸汽動力由于所需淡水量大，鍋爐水質要求高，一般采用蒸餾法海水淡化裝置；電能供應充足，且對排放有嚴格要求的（如核動力艦船），一般選擇反滲透海水淡化裝置。

（3）常規潛艇只有電力或者以柴油機供電的海島，沒有廢熱和蒸汽能源，可使用反滲透裝置或機械蒸汽再壓縮裝置。

（4）對于海島，可考慮風能、太陽能、潮汐能等可再生能源作為驅動能源的海水淡化技術，如RO和MVR。

2 可再生能源與海水淡化

遠離大陸的小型海島，缺乏水資源的同時也缺乏常規的電力資源，而電力資源恰恰又是海水淡化的重要能源。為此，國內外研究者力圖將風能、太陽能、波浪能、潮汐能等可再生能源與海水淡化工藝結合，同時滿足水、電的供應，目前已有很多類型的新能源淡化系統得到了可行性驗證[5]。圖5列舉了海島上不同能源與海水淡化系統的可行組合和中間需要進行的能量轉換形式。

圖5 利用可再生能源的海水淡化工藝

太陽能是取之不盡的潔凈可再生能源，按太陽能利用方式主要有兩種海水淡化途徑：太陽熱能驅動海水相變和光伏發電驅動膜分離過程[6]。前者的典型應用主要是主動式太陽能蒸餾系統，它配備有附屬設備，能夠回收蒸汽在凝結過程中釋放的潛熱，使得運行溫度和效率大幅度提高，或使其內部的傳熱傳質過程得以改善。光伏海水淡化是將太陽輻射能轉化為直流電能，再通過逆變器將直流電能轉換成交流電能，用來供給海水淡化設備所需的電能?？紤]到直、交變換產生的能量損耗，現在也有利用直流電供能的光伏反滲透裝置。光伏驅動的海水淡化膜系統主要有反滲透和電滲析兩種，且這兩種技術裝置已經商業化。

風能是一種可再生的清潔能源，在一些脫離大陸電網的孤島地區非常具有優越性。波浪能是海洋水流所具有的動能和勢能，具有能源密度大的特點，但極不穩定，難以有效利用，所以目前沒有關于波浪能的大規模應用。海島利用潮汐供電和供水具有一系列的優勢，根據潮汐規律，其發電和供應海水淡化裝置的能力是穩定且可預測的；其次，潮汐電站無環境污染問題。海水溫差能通過使用儲存于海洋表面的溫海水來產生蒸汽并驅動汽輪機，同時又從深海抽冷海水對做完功的蒸汽進行冷凝。海洋溫差能具有不存在間歇、受晝夜和季節的影響較小等優點，十分便于海島利用。這些再生能源進行海水淡化主要有兩種方式：一種是利用風能產生的機械能直接驅動水泵或壓縮機；另一種是先產生電能，再由電能直接驅動反滲透裝置或壓汽蒸餾裝置。

由于風能、太陽能等再生能源的不穩定性，造成轉化后的能量波動性很大，品質很不穩定，而海水淡化裝置一般需要持續而穩定的能量供給，這對研發耦合再生能源和海水淡化系統造成困難。對于無電網海島，主要有兩種解決途徑：一是儲能，如蓄電池、抽水儲能、壓縮空氣儲能等，對風力發電進行調制，“削峰填谷”，保障電力的穩定持續供應；二是海水淡化裝置產能隨風力發電的變化進行調節，這對海水淡化系統提出了很高的要求。

3 能量回收與海水淡化

我國大部分海島仍采用以柴油機為主、可再生能源為輔的供電方式，柴油機的發電效率較低，只有約40%的燃油能量轉變為機械能，其他的能量通過冷卻系統、潤滑系統以及排氣耗散到大氣中。如何利用柴油機廢熱成為提高海島能源利用效率的課題之一[8]。

2016年1月，廣州中國科學院先進技術研究所開發了一套日產淡水60 噸的海水淡化裝置，該裝置采用的是低溫多效蒸餾技術，通過回收一臺1 000 kW 柴油發電機組缸套冷卻水廢熱進行海水淡化，采用模塊化緊湊設計，與發電機組實際發電負荷變化實現自適應調節，裝置可在30%～100%負荷范圍內平穩運行。

針對海島上柴油機供電系統，除了采用低溫多效技術利用柴油機余熱進行海水淡化，更高效的技術途徑應為基于有機朗肯循環（ORC）的余熱發電技術和MVR技術相結合。有機朗肯循環（ORC）技術先將柴油機廢熱轉換為電能，其中一部分電能用于驅動采用機械蒸汽再壓縮技術的海水淡化裝置，剩余電能可供其他用途使用[9]。技術方案如圖6 所示，ORC 的工作介質首先在預熱器中被柴油機的冷卻水進行預熱，然后在蒸發器中被柴油機的廢氣加熱蒸發，再進入膨脹機中驅動發電機發電，所發電力供MVR裝置使用。

圖6 ORC和MVR組合的海水淡化技術方案

如圖7 所示，以某海島用的1 000 kW 柴油機為例，加速按80%運行負荷進行余熱發電和海水淡化，廢熱利用率為75%，那么實際可利用的廢棄熱量為450 kW（30%），冷卻水熱量為300 kW（20%）。采用ORC 和MVR 組合的海水淡化系統方案，ORC 可以將750 kW柴油機廢熱產生69.39 kW 的電量，相當于柴油機的發電效率提高了7%，不僅滿足60 噸/天的海水淡化裝置45.03 kW 的用電需求，還有約24.36 kW 的額外電量供其他動力設備使用。當淡水量需求減少時，額外提供電量進一步增加。

圖7 ORC與MVR結合的海水淡化方案

4 結論

反滲透法是小型海水淡化裝置目前采用的主流工藝，其次是低溫多效蒸餾法。對于使用1 000 kW 柴油發電機組的海島而言，通過有機朗肯循環回收柴油發電機廢熱進行發電，所產電量不僅可以用來驅動MVR 系統生產淡水，還可以對外輸出，從而實現水電聯供。整套裝置可將柴油機的發電效率最高提升7%，無需外界提供能源，十分適合海島的用水用電需求，具有廣闊的應用前景。