热膜耦合海水淡化技术现状与展望

樊智锋，李 焱，王晓鹏

（上海电气海水淡化工程技术公司，上海 200090）

1 概 述

水资源是基础性自然资源和战略性经济资源，是社会经济发展的命脉。随着经济的高速发展和人口的急剧增加，水资源供应短缺已成为仅次于全球气候变暖的世界第二大环境问题。预计至2025年，全球将有近1／3人口缺水，波及的国家和地区达40多个。我国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之一。据有关部门估计，2030年前中国工业缺水量将达到600亿立方米以上［1］。因此，为保证我国经济的可持续发展，急需通过科学管理提高水资源的利用率，重视开发海水淡化等新技术，以应对即将出现的水资源危机。

海水总量约为13.8×109立方千米，占地球总水量的95%，占地表水总量的98%。海洋蕴藏着丰富的淡水，淡水总量约占海水的97%，是一个最大而又稳定可靠的淡水储库。海水因盐分过高而使其无法作为淡水被利用，通过海水淡化，可实现海水中淡水和盐分相互分离，从而获得淡水。由于海水资源丰富，利用海水淡化开发新的淡水资源具有天然优势。特别是近年来，随着海水淡化技术的快速进步，海水淡化的成本已明显降低，世界上主要缺水国家和地区已将海水淡化作为解决水资源危机的重要途径。

2 海水淡化技术

常用的海水淡化方法主要分为热法和膜法两大类。热法是将海水加热蒸发后得到蒸汽，然后再将蒸汽冷凝成淡水；膜法是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外加能量或化学位差作为推动力，将海水中盐和水分离后得到淡水。目前，大规模工业化的热法海水淡化技术，包括了多级闪蒸法（MSF）和多效蒸馏法（MED），膜法海水淡化技术主要是采用了反渗透法（RO）。

2.1 多级闪蒸技术

多级闪蒸海水淡化技术的基本原理是：原料海水经过一系列预热，被加热到一定温度后引入闪蒸室，由于闪蒸室内的压力控制在低于热海水温度所对应的饱和蒸汽压力，因此，热海水进入闪蒸室后即成为过热水而急速部分气化，从而使热海水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。

多级闪蒸技术（MSF）是较为成熟的海水淡化技术，具有安全性高、操作弹性大、运行控制简单和产水水质好等特点，深受中东地区海水淡化市场的青睐。此外，单机产量大，也是优于其它海水淡化技术的特点之一。目前，已有单机产量为78 700吨／天的MSF装置在阿联酋投产。MSF装置可与火电站联合建设，适合建成大型和超大型的淡化装置，这类淡化装置在海湾国家被大量采用。多级闪蒸技术的发展将着重于提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等方面。

2.2 多效蒸馏技术

多效蒸馏技术是采用了若干个由蒸发器组成的系统，将上级蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下级蒸发器作为加热蒸汽，同时，加热蒸汽也在下级蒸发器中冷凝，成为淡水，如此依次进行。当前，具有广阔市场前景的多效蒸馏海水淡化技术为低温多效蒸馏海水淡化技术（LT－MED），LT－MED系统采用的是横管降膜蒸发器，以低于70℃的饱和蒸汽为热源，将换热管外海水加热使之部分蒸发生成二次蒸汽，二次蒸汽作为后效装置的热源，加热海水后产生的蒸汽，在换热管内冷凝成淡水，管外海水的蒸发和管内蒸汽的冷凝逐效重复进行。

与MSF海淡技术相比，LT－MED海水淡化技术具有明显的优点：（1）由于首效装置内盐水蒸发温度低于70℃，而MSF装置内的最高盐水蒸发温度（TBT）约为110℃，所以LT－MED设备的结垢和腐蚀风险相对较小；（2）LT－MED采用横管降膜蒸发器，换热管的两侧介质都发生相变，海淡设备的传热效率较高，而设备的投资额相对较低；（3）与常用的MSF海水淡化过程相比，LT－MED海水淡化过程可以节省2／3的电耗，淡化水的成本较低。近年来，LT－MED的单机容量不断增大，目前投产的单机产水量已达38 500t／d。随着LT－MED单机容量的不断增大，在技术方面，可在中东地区与MSF海水淡化技术展开竞争。

2.3 反渗透技术

反渗透海水淡化技术的核心元件是反渗透膜，反渗透膜具有渗透选择性，当利用高压泵在反渗透膜的一侧对海水加压时，淡化水会渗透到膜的另一侧。实现驱动淡水通过反渗透膜，外加压力需要克服海水的渗透压。与热法海水淡化相比，反渗透淡化过程中海水不发生相变，根据热力学计算，常温下用反渗透海水淡化的最低能耗仅为0.7度／吨左右，从理论上讲，是最节能的海水淡化方法［2］。

反渗透技术凭借其在设备投资和淡水成本较低等方面的优势，在海水淡化项目中得到广泛的应用，尤其是在中东地区之外的区域，反渗透海水淡化具有相当大的市场占有率。然而，反渗透膜对进料海水的水质要求较高，通常需要考虑悬浮物、溶解性无机盐类、微生物类等污染物对膜引起的污染，所以，反渗透膜法海水淡化过程对海水预处理的要求较高。从某种意义上说，海水预处理对于膜法海水淡化工程的成功投运具有决定性作用。此外，反渗透膜的性能对海水水质波动的适应性较差，如在我国北方地区，海水温度在各季节中的变化，通常会对膜法海水淡化工程的运行产生较大影响。

3 热膜耦合海水淡化技术现状

根据相关技术研究与工程实践，以及对热法和膜法海水淡化工艺的优化及设备的技术改进，已显著降低了海水淡化的制水成本。然而，燃料与材料成本的不断增加，又对海水淡化项目的投资和运行费用提出了新的挑战，因此，开发新型工艺，降低投资和运行成本一直是海水淡化相关研究的热点和重点。目前，大规模工业化海水淡化技术已被掌握，而比较新颖的是热膜耦合法海水淡化技术。热膜耦合技术是一种基于热法和膜法的海水淡化技术，但是不是两种方法的简单组合，而是一种集成技术。热膜耦合法海水淡化技术通过优化工艺和合理配置系统，以降低淡水产品的成本。

热法海水淡化技术具有的特点：（1）海水利用率较低（12%～20%）；（2）冷却水携带热量离开；（3）淡化水含盐量较低（＜25mg／L）；（4）淡化水温度较高，需要用海水冷却；（5）提高了最高蒸发温度，设备存在结垢威胁；（6）系统产水量与蒸汽量息息相关。

膜法海水淡化技术具有的特点：（1）海水温度波动影响膜通量，海水进水温度较高时，膜通量增大；（2）排放的盐水浓度较高；（3）淡化水的总含盐量（简称TDS）较高，约为150～600mg／L；（4）淡化水有时需要考虑脱硼；（5）不用蒸汽，启动和停机较简便。

根据热法和膜法两类海水淡化技术的特点分析，可知这两类方法具有一定的互补性，通过热膜耦合海淡技术，能将热法和膜法海水淡化技术有机地结合起来，可更好地发挥海水淡化装置的优势，更合理的利用海水和热量，减少海水淡化系统的进料海水流量、排放海水流量和排放热量，降低海水淡化的投资成本和运行成本，具有可观的经济效益。

3.1 热膜耦合技术的发展

国外的相关研究结果表明，热膜耦合技术不仅可提高热法海水回收率、减少排放热量、降低设备结垢风险，还能提高膜法淡水的产量、简化工艺、提高回收率。目前，文献报道的相关热膜耦合过程研究可分为几类。

（1）通过耦合技术改变热法和膜法海水淡化单元的进水和排水方式，从而优化海水淡化系统的整体性能。

该类MSF／RO耦合工艺过程中，通常将MSF单元的排放盐水与部分冷却水混合的，作为RO单元的进水。这样可提高MSF单元的水利用率，降低系统能耗；还可以提高RO单元的进水温度，增大RO膜通量或降低RO膜的操作压力，从而降低系统的能耗。研究结果表明，利用MSF／RO耦合工艺，将MSF的排热段出水作为RO的进水，进水温度升高1℃，RO膜的产水通量提高2%～3%［3］。

此外，还通过将MSF／MED产水与RO产水进行混合，实现分质供水。由于MSF和MED产水TDS含量很低，通常低于10mg／L，RO产水TDS含量较高，可以根据不同的水质需求，适当调节两种水的比例。需要指出的是，因常规的RO膜产水难以达到硼的脱除要求，当海水淡化水用于饮用水时，需要单独考虑脱硼工艺。如果采用热膜耦合工艺，可通过调节两种产水的比例，控制供水中硼的含量。此外，如考虑将MSF／MED产水与RO产水混合，RO系统可以只使用SWRO（海水反渗透）系统，而不再需要BWRO（苦海水反渗透）系统。文献［4］的研究认为，简单的MSF／RO耦合淡化系统，就是将MSF的产水与RO产水混合，与单一的RO淡化系统相比，可以降低13%的产水成本。

（2）利用膜法单元改变热法海水淡化单元的进水水质，从而优化海水淡化系统的整体性能。

海水中含有一定浓度的易结垢离子（如Ca2＋、Mg2＋、SO42－和 HCO3－），在热法装置中，通常要限制其运行的最高盐水温度（TBT），以防止出现结垢现象。如能够在一定程度上提高TBT，则可提高热法装置的产水能力和造水比。

沙特的盐水转换公司（SWCC）开展了新型的热膜耦合技术研究［5，6］，该研究采用纳滤（NF）作为MSF的预处理。由于NF可去除海水中的大部分易结垢离子，所以可较大程度的提高MSF运行TBT。中试研究表明，在 MSF／NF耦合过程中，可将MSF的运行TBT提高至130℃，且在运行过程中无需增加阻垢剂，其海水回收率由常规的35%提高至70%。

（3）在大型的水电联产项目中，热膜耦合海水淡化技术还能更好地实现发电系统和制水系统的良好匹配，使得水电联产系统更加经济高效。

日本公司对水电联产系统的研究结果表明，如果只采用MSF技术进行海水淡化，其淡化水的比能耗随着发电负荷的增大而减小；如果采用50%MSF和50%RO耦合技术进行海水淡化，其淡化水的比能耗基本不受发电负荷的影响，比能耗约为单一MSF淡化／发电系统比能耗的60%［7］。

国外某公司研究了SWRO的淡化过程，在阿联酋已有MSF淡化装置以及发电系统的集成，研究结果表明，SWRO／MSF耦合技术改善了MSF技术的性能，可降低产品水的成本。而且，RO通过热备用技术可以利用大部分冬季多余的电能，从而进一步降低了水电联产系统的成本［8］。

国外研究人员针对地中海区域进行了MSF／RO／发电耦合系统的优化模型研究，发现可通过改变从汽轮机抽汽的压力和MSF与RO的产水比例，以实现水电联产系统的最大经济效益［9］。

3.2 相关工程的应用

阿联酋和沙特已建有MSF／RO热膜耦合海水淡化工程，其中大部分工程是淡化水厂的扩建工程，采用简单的耦合过程，即MSF与SWRO共用取水和排水设施，MSF的产水与SWRO产水混合。韩国公司在阿联酋完成的热膜耦合海水淡化项目（28.4万吨／天 MSF＋17.0万吨／天RO），从设计阶段就考虑了热膜耦合技术，与单纯热法（MSF）相比，减少了40%的能量消耗，每年可节省约6千万美元。此外，通过采用耦合技术，原海水用量由188 000吨／小时减少至140 000吨／小时，冷却水用量由168 500吨／小时减少至117 100吨／小时［8］。

4 结 语

热膜耦合是一种先进的海水淡化技术，能够充分发挥热法和膜法两种海水淡化的技术优势，从而降低总体系统的投资费用和运行成本，具有较大的市场潜力。根据海水淡化的技术发展趋势以及市场的区域分布，针对热膜耦合海水淡化技术，还需从几个方面入手开展研究，从而为该技术的大规模工业应用奠定基础。

（1）低温多效蒸馏与反渗透海水淡化的耦合

现有热膜耦合海水淡化技术研究主要集中于MSF与RO的耦合。由于LT－MED技术在设备投资和运行能耗方面都比MSF具有优势，其被认为是未来水电联产的主流热法海水淡化技术。所以，还需要对LT－MED与RO的耦合技术进行深入研究，从而为后续工程的应用提供参考。

（2）新型膜分离过程与热法海水淡化的耦合

随着膜分离技术的快速发展，将会有其他新型膜分离技术被应用于海水淡化领域，如纳滤技术等。部分研究表明，通过纳滤对海水进行预脱盐，可提高热法的最高蒸发温度，但纳滤膜的运行维护以及使用寿命都将对热膜耦合整体系统的可靠性和经济性产生较大影响。因此，对于这类新型的膜分离技术与热法的耦合，还需要大量的试验研究，并进行技术经济性评价。

（3）热膜耦合技术的区域适用性研究

已有研究及工程应用大多集中在中东地区，用户类型也相对集中在水电联产企业。随着国际海水淡化市场的快速发展，在中东地区的海水淡化中通常采用的热膜耦合技术，这种技术是否能适用于其他地区还需要进一步研究。我国的海岸线较长，而且不同区域的海水水质差异较大，因此，还需要对热膜耦合技术的区域适用性进行研究，才能更好地开发和利用适用于不同区域的热膜耦合海水淡化技术。