节水灌溉技术论文
姓名： 孙 南 豪
班级： 13级水利水电工程四班
学号： 1302010432
题目： 论海水淡化及其发展
导师： 郝 树 荣
时间： 2014.10.6
目 录
摘要··························································3
关键字························································3
1. 概述························································3
2. 海水淡化技术的种类·········································3
3. 海水淡化技术的发展状况及趋势································4
3.1 技术原理···············································4
3.1.1 多级闪蒸·········································4
3.1.2 低温多效·········································5
3.1.3 反渗透法·········································5
3.1.4 太阳能法 .......................................6
3.1.5 冷冻法 .........................................6
3.1.6 压汽蒸馏 .......................................6
3.1.7 露点蒸发法 .....................................7
3.1.8 水电联产 .......................................7
3.2 市场发展··············································7
3.3 海水淡化的能耗与成本 .................................8
3.4 海水淡化发展趋势 .....................................9
4. 结束语......................................................10
参考文献.......................................................11
论海水淡化及其发展
摘 要: 文章分析了全球水资源的现状及我国淡水资源紧缺的严峻形势,提出了发展海水淡化技术的必要性及其良好而广泛的市场前景,同时,对当前海水淡化的几种主流技术作了扼要的介绍、分析和比较，争对水资源环境的现实，供给和需求的矛盾等现状对海水淡化的可行性和发展前景做出判断。
关键字：海水;淡化; 技术;发展;趋势
1 概 述
关于“水”是个永久性的话题。政治家说“世界未来争夺资源的战争将会由水引发”;科学家说“水是不可替代的”;“水是永远也做不完的科学命题”;经济学家预言“能源危机之后,下一场危机将轮到水危机”。大量资料和论著表明,如还像现在这样取水和用水,将会产生一系列的严重后果;资源一旦耗尽,经济的发展、各种生态系统以致人类的健康与生存都将受到威胁。预计在21 世纪,水对人类的重要性将和石油在20 世纪对人类的重要性一样,水将成为一种决定国家富裕程度的珍贵商品。水业将是21 世纪最大的行业。
地球上的水资源总量,淡水仅占2. 5 %,海水占97. 5 % ,从某种意义上说,海水才是取之不尽、用之不竭的主要水源。因而,发展海水淡化技术,向海洋要淡水是解决淡水资源供需矛盾最有效的途径。我国是1 个水资源严重短缺的国家。水资源总量2. 81 万亿立方米,居世界第6 位,但人口为世界人口的四分之一,人均水资源为世界第108 位,是世界上21 个贫水国家之一。特别在北方沿海地区是我国最缺水地区之一。考虑到北方沿海地区人口增长、产业结构变化、农业发展和生态环境用水需求等因素,预测在2010～2020 年,北方沿海4 省(市) 人均综合用水量将分别达到325～365 m3 和350～400 m3 ,缺水总量将分别达到166 ～255 亿m3 和273～393 亿m3 ;同时,考虑到南方沿海部分地区的水质性和资源性缺水状况,沿海地区的缺水形势将更趋严峻。
海水淡化是解决沿海地区水资源紧缺的根本途径之一,淡水资源紧缺已成为制约我国国民经济发展和人民生活水平提高的瓶颈。
2 海水淡化技术的种类
海水淡化技术也称海水脱盐技术,是分离海水中盐和水的过程。按分离原理和方法,海水淡化技术可分为相变法和非相变法两大类。相变法主要包括:蒸馏法、冷冻法;非相变法主要包括:膜法、其他方法。
海水淡化法的不同分类现应用最为广泛的、形成产业化规模的是蒸馏法中的低温多效法(MED) 、多级闪蒸法(MSF) 、膜法中的反渗透法(RO) 以及热膜耦合法,也是现国际海水淡化市场所采用的主流海水淡化技术。在此,将对这几种主要的海水淡化技术进行比较分析,还应根据工程项目的具体情况,选取合适的海水淡化技术种类。
3 海水淡化技术的发展状况及趋势
海水淡化技术发展至今已历经近半个世纪,联合国在《关于非常规水源的研究报告》中指出:
1950～1985 年间,海水淡化技术的发展经历了发现阶段、开发阶段和商业化阶段,期间研究开发的精力,主要集中于蒸馏法(包括多级闪蒸、低温多效等) 、冷冻法、电渗析法和反渗透法;之后的20 多年中,多级闪蒸法、低温多效法和反渗透法发挥了突出的作用,成为当代海水淡化与苦咸水淡化技术的主流。近年来,1 种将蒸馏法和膜法进行集成耦合的海水淡化技术更具挑战性。现主要介绍多级闪蒸(MSF) 、低温多效(MED)及反渗透法(RO) 的技术情况,同时,对其在国内外海水淡化市场上的占有率、运行及投资成本、技术特征等主要指标进行比较分析。
3. 1 技术原理
3. 1.1 多级闪蒸
多级闪蒸法是利用蒸馏的原理,即液体在沸点时将产生蒸汽的原理,将溶液中的水份转变成
蒸汽,而与溶解于溶液中的盐份分离,其工艺流程原理见图1 。闪蒸( Flashing ) 以 压方式降低沸点,并产生蒸汽,再将蒸汽冷凝后,即可制得淡水。由于此方法并 有使含盐水真正沸腾(仅是表面沸腾) 与热传表面积接触,可以大幅改善因蒸馏产生的积垢( Scale ) 问题,这种方法于1950 年代即已有商业化的规模,加上其产量较大,广为中东产油国所采用。
多级闪蒸的工艺过程,在海水淡化系统中主要被分成2 个区域,一为加热区,作为进料海水之预热使用,一般多采蒸汽作热源,蒸汽冷凝后回到锅炉。另一为闪化区域,系一多级的闪化与热回收区,通常为16 级至50 级不等,级数随著不同的设计要求而定。各级蒸发室的压力依次递减,海水从一级到另一级不断闪蒸,此区域內并不需要外加热量。已闪蒸蒸发的水蒸汽上升与蒸发室上端盘管中之冷进料海水作热交换而冷凝成为淡水,最后1 个蒸发室则用蒸汽喷射器( Steam Ejector ) 抽真空,造成盐水之表面沸腾。
3. 1.2 低温多效
低温多效是用高 蒸汽与海水之 差进行热交后,将受热沸腾而蒸发的海水(不含盐的水蒸汽)冷凝并收集而成。
目前, 应用此原理发展出沉管式蒸发器(Submerged Tube Evaporator , STE ) 。因将水蒸汽及凝集液收集于管线,且管线沉置于蒸发器之海水或卤水中,故以此为名,其缺点为易结垢。以及管
壳( Shell & Tube ) 式蒸发器,此种蒸发器系针对沉管式热利用效益较低之缺点加以改进的热交方式。依海水在管中的流向,又可分为垂直管蒸发器( Vertical Tube Evaporator , V TE ) 与水平管蒸发器( Horizontal Tube Evaporator , HTE ) 2 种形式。
低温多效的主要工艺流程是:进料海水流经冷凝器,吸取蒸发器中的热量,提高海水的温度;冷凝器后,部分海水被排出,剩余部分做进料海水加入防垢剂后,成为进料液被喷洒到蒸发器各级热束管上;蒸发器换热管束外部分海水蒸发,产生的蒸汽流入下一效的热束管中,经受下一级海水喷洒后冷凝;冷凝后的蒸馏水从束管中流出并被逐级收集。未蒸发的海水称做盐水,流向蒸发器的底部,盐水聚集在蒸发器底部并流向下一级效;在最后一效产生的蒸汽在冷凝器束管冷凝,流入的海水在此被加热;而作为热源的加热蒸汽,一般输入到温度最高一效的蒸发器管内,在管内冷凝后回锅炉。
3. 1.3 反渗透法
反渗透法自1970 年代后期,建造了第一座海水淡化厂后,一直是最具竞/ 力的处理技术之一。反渗透法的原理就是利用半透膜中分子晶格空隙对水及盐类溶解度的差异而将其分离。在半透膜两侧分别为淡水及含盐类之溶液。依热力学定律,物质会趋向较低化学势能的方向移动,因盐水的化学势能较清水为低,故由淡水一侧会产生渗透流,通过膜面,进入盐水溶液,直到膜两侧化学势能达到平衡为止。当两侧的压力差等于渗透压时,则达到平衡状。若在盐水一侧施加大于渗透压之压力时,则盐水的化学势能会高于清水,而使盐水中的水份,通过膜面流向清水侧,此种现象即称为反渗透,其工艺流程及工厂实物见图
,
3.1.4 太阳能法
人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比,太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
3.1.5 冷冻法
冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法与蒸馏法都有难以克服的弊端，其中蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而所得到的淡水却并不多；而冷冻法同样要消耗许多能源，但得到的淡水味道却不佳，难以使用。
3.1.6 压汽蒸馏
压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。
3.1.7 露点蒸发法
露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。
3.1.8 水电联产
水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。
3. 2 市场发展
源自对2007 年度海水淡化市场的情况统计,在中东地区,多级闪蒸法(MSF) 的市场占有率超过了70 % ,低温多效法(MED) 与反渗透法( RO) 的市场占有率基本持平; 而在其他各洲,反渗透法( RO) 的市场占有率都是最高的。由于中东市场份额占据国际市场的74 % ,所以多级闪蒸法(MSF) 在3 种主流技术中的比重还是最大的。
海水淡化的潜在大市场 海水淡化业市场主要包括有工程设计、设备制造、工程安装、淡化水产品提供、技术服务等等。
从国际市场方面来看，20世纪70年代以来，大多数沿海国家由于水资源问题日益突出，都直接卷入了海水淡化的发展潮流。无论是中东的产油国还是西方的发达国家，都建设有相当规模的海水淡化厂或海水淡化示范装置，北欧、南美和东亚地区每年海水淡化设备进口和工程安装市场有近100亿美元，且仍在高幅增长之中，南亚、中亚和非洲也有众多的海水淡化潜在用户。海水淡化的国际市场规模巨大。
从国内市场方面来看，针对我国的国情，海水淡化可定位于市政用水的补充，以缓解供水紧张状况，同时也可用于废水资源化，达到废水回用的目的。我国是一个海洋大国，海水资源极其丰富，西部地区则有相对丰富的苦咸水资源，这为我国发展海水淡化产业提供了前提和基础。另一方面，我国淡水资源的紧缺已众所周知，每年全国缺水数百亿立方米，因缺水影响的国民产值达数千亿元。可见工程设计、设备制造、淡水提供、技术服务等海水淡化产业具有广阔的国内市场空间。
针对海水淡化设备制造市场而言，目前我国已基本具备了海水淡化设备的加工制造能力，质量保证体系也可以满足要求，其设备制造成本比国外至少低30%左右，在国际市场上具有很强的价格竞争能力。
3.3 海水淡化的能耗与成本
在海水淡化技术已成熟的今天，经济性是决定其广泛应用的重要因素。在国内，"成本和投资费用过高"，一直被视为是海水淡化难以大胆使用的主要问题，但实际上这是一个"认识"问题。
目前世界上常用的淡水取用方式主要有地下取水、远程调水和海水（苦咸水）淡化三种。开采地下水作为一个重要的开源措施，工程量小、成本低，这是很吸引人的优点，但地下取水受资源条件限制很大，而且许多地区多年来由于过度开采地下水，已形成地下漏斗，造成房屋倾斜，甚至导致了海水倒灌等环境危害，地下水的开采已经受到制约。
远程调水，目前并没有把工程投资费用以及被引水地区的间接经济损失计算在内，仅以日常运行费用、管理费计算其成本，这与真正成本相差很大。其实引水工程，除了巨额的投资之外，还要占用大量耕地，还存在被引水地区的环境危害等问题。如引黄济青（岛）工程，占地达6.2万亩，还会造成黄河断流、植被破坏等生态环境问题，而生态环境的破坏在经济上是难以估量的。80年代实施的引滦入津工程，时至今日每立方米成本仍达2.3元左右，距离天津市民的用水价1.4元有0.9元的政府补贴。专家预测，南水北调工程实施后，长江水流到北京，按现行不变成本计算，综合成本在5元/立方米以上，甚至有专家预测每立方米将达20元。美国有资料认为，远程调水超过40公里，成本将超过海水淡化。
对于海水淡化，能耗是直接决定其成本高低的关键。40多年来，随着技术的提高，海水淡化的能耗指标降低了90%左右（从26.4kwh/m3降到2.9 kmh/m3），成本随之大为降低。目前我国海水淡化的成本已经降至4-7元/立方米，苦咸水淡化的成本则降至2-4元/立方米，如天津大港电厂的海水淡化成本为5元/立方米左右，河北省沧州市的苦咸水淡化成本为2.5元/立方米左右。如果进一步综合利用，把淡化后的浓盐水用来制盐和提取化学物质等，则其淡化成本还可以大大降低。至于某些生产性的工艺用水，如电厂锅炉用水，由于对水质要求较高，需由自来水进行再处理，此时其综合成本将大大高于海水淡化的一次性处理成本。可见，如果抛开政府补贴等政策性因素而单从经济技术方面分析，海水淡化尤其是苦咸水淡化的单位成本实际上是很有竞争力的。
在我国，由于受计划经济的影响，长期以来一直没有良性的水价形成机制，自来水的价格与价值严重背离，政府负担着巨额补贴，自来水的价格普遍偏低，目前自来水的价格一般为1.5-2元/立方米，随着淡化技术的不断进步和产业化规模效益的显现，海水（苦咸水）淡化的成本将会越来越低。2000年10月朱熔基总理在南水北调座谈会上强调："要建立合理的水价形成机制，逐步较大幅度提高水价，充分发挥价格杠杆的作用"。随着淡水资源的日趋缺乏，各个城市节水措施已经出台，实行自来水限量使用，超标加价。由此可以预见，在不久的将来，一方面海水淡化成本不断降低，另一方面自来水的价格不断上涨，两者将越来越接近，自来水价格甚至将高于苦咸水淡化的成本，海水淡化的成本问题将得以解决。成本问题的解决将会对海水淡化的广泛应用及产业化进程产生极大的促进作用。
3. 4 海水淡化发展趋势
多级闪蒸(MSF) 、低温多效(MED) 、反渗透法(RO) 的技术特征存在较大差异,也是造成世界各地不同地域各种技术使用率差别较大的主要原因。
近年来世界上海水淡化正向高效化、低能化和规模化的目标发展，反渗透（SWRO）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸发（MED）更成为适用于大型海水淡化技术的主流。
MSF近年主要进展在：单机容量进一步扩大，系统设计最佳化、管理软件化、操作自动化；采用聚羧酸酯等新型防垢、抑垢和分散剂，可提升运行温度；开发新兴高级奥氏不锈钢代替镍基合金，提高运行可靠性、稳定性；工艺改进，有利降低能耗使目前总体水平处于10—14kwh/m淡水状态。
MED方法的主要进展在低温多效操作技术的开发，以减少结垢、腐蚀，降低成本，通常能够在6.0—8.0kwh/m3。
SWRD技术从膜、组件和工艺已日趋成熟，近年来重大进展在于功能交换器和压力交换器的成功开发，可使能量回收高达90%以上，从而使其能耗降至3.8～4.3kwh/m3淡水。
近年国际海水淡化项目招标中，总以工程投资最低、造水能耗最低、运行成本最低，以及建设周期最短和占地面积最少等优势为基本条件和要求。
总之，海水淡化既是水资源开发的重要途径，而且梦已成真、可望可即。可以肯定，随着陆用水资源的日渐枯竭，海洋必将成为海水淡化技术大有用武的主战场。
4 结束语
早在400多年以前就有人提出海水淡化的问题，进入20世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，70年代以来，更多的沿海国家由于水资源匮乏而加快了海水淡化的产业化。目前，无论是中东的产油国还是西方的发达国家都建有相当规模的海水淡化厂。沙特、以色列等中东国家70%的淡水资源来自于海水淡化，美国、日本、西班牙等发达国家为了保护本国的淡水资源也竞相发展海水淡化产业。截至1997年底，全世界单台产量在100吨／日以上的海水淡化设备，日产水量就已达2300万吨，且一直以10%-30%的速度增长，由此带动了淡化水产品提供、设备制造、工程安装、技术服务等整体海水淡化市场的巨大需求。目前世界上每年海水淡化市场的成交额已达数百亿美元。在我国，海水淡化年产量也已超过了千万吨。
中国是继美、法、日、以色列等国之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一，继西沙群岛日产200吨电渗析海水淡化装置成功运行后，又先后在舟山建成了日产500吨反渗透海水淡化站，在大连长海建成日产1000吨海水淡化站。日前，我国最大的日产18000吨苦咸水淡化工程在河北沧州建成投产。
改革开放后，中国的经济高速发展，淡水需求量急速增加，加上北方多年干旱，国家对海水淡化产业化已非常重视，国家、集团公司、个体投资者都看好这一行业，海水淡化产业化将很快被插上腾飞的翅膀。
参考文献：
【3】王世昌：《海水淡化工程》
【4】王世昌：《工业水处理技术》
【5】惠绍棠：《海水淡化与循环经济》
【6】阮国岭，尹建华，赵河立、吕庆春、于开录：《海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用》
【8】刘茹：《海水淡化技术的发展》
【9】蒋华：《海水淡化技术现状及在舟山市的应用和发展》
【10】潘焰平,李青：《海水淡化及其应用》
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/692b411768eae009581b6bd97f1922791688be29.html
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