船用海水淡化装置

夏永强，胡 钰，张 磊，余黎明

● （中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016）

船用海水淡化装置

夏永强，胡 钰，张 磊，余黎明

● （中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京100016）

本文介绍了船用海水淡化装置的主要方法及各自特点，分析了国内外船用海水淡化装置的应用现状，着重对目前应用最广泛的蒸馏法和反渗透法进行了对比。分析表明，未来一段时期内船用海水淡化装置仍将以利用船上废热的蒸馏法和反渗透法为主。

舰船；海水淡化；蒸馏；反渗透；对比

0 引言

现代很多大型船舶由于远洋航行或长时间海上作业，需要消耗大量淡水，主要用作为锅炉补给水或柴油机冷却水、船员和旅客的生活用水以及某些工程船舶的作业用水等。由于海水含盐量过高不能直接作为淡水使用，对于出海时间比较长的船舶来说，携带大量的淡水必然会减少船舶载质量以及船上空间。此外，淡水贮存过久也会因水舱的污染和细菌的繁殖而变质。所以，海水淡化装置成为这些船舶必不可少的重要装备。随着舰船生活条件的改善、船舶动力装置的提高和改进，所需的淡水量和品质也不断提高，所以海水淡化装置已成为舰船越来越重要的组成部分。

1 常用海水淡化方法

目前，船用海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、冷冻法以及按能量来源方式衍生的太阳能法。技术较为成熟、应用最多的是蒸馏法与膜法。

1.1 蒸馏法

蒸馏法是最早应用于船上的海水淡化方法，它利用了盐分几乎不溶于低压蒸汽的特性，将加热海水，使其中的水分气化成蒸汽，把所得的蒸汽冷凝得到淡水。现阶段船用蒸馏法海水淡化装置主要采取了废热回收方式为装置提供热量。按蒸馏原理的不同可分为沸腾蒸馏法、闪发蒸馏法和压气蒸馏法[1]。

1）沸腾蒸馏法

沸腾蒸馏法是在一定压力下把海水加热到沸腾温度，使海水中的水分蒸发成蒸汽，从而与海水中的盐类分离，蒸汽经冷凝得到淡水。沸腾蒸馏法按海水蒸发级数不同可分为单效和多效；按加热器的不同可分为管式、板式以及膜蒸馏。

常压下把海水加热到饱和温度需要消耗大量能量，且换热面结垢严重，所以主流的船用沸腾蒸馏一般采用真空沸腾蒸馏。真空沸腾蒸馏是在真空状态下进行低温蒸发，不但消耗能量少，而且蒸发温度一般低于 70℃，结垢并不明显。目前，很多国内外厂商研发生产真空沸腾蒸馏海水淡化装置，如瑞典的Alfa Laval公司、英国的APV公司以及国内南京中船绿洲环保有限公司等。

2）压汽蒸馏法

压汽蒸馏法利用了水蒸气被绝热压缩时温度升高这一特性。先将海水预热进入蒸发器，一部分海水受热蒸发，所产生的这部分蒸汽经压缩机提高压力和温度，然后再被引入蒸发器作为另一部分海水的热源加热海水，蒸汽本身被冷凝成淡水引出，潜热得到了反复利用。

3）闪发蒸馏法

闪发蒸馏是将加热后的海水送入具有一定真空度的容器内，由于海水温度高于该真空条件下的饱和温度，过热海水降温聚热，使一部分水闪发成蒸汽，蒸汽冷凝后得到淡水[1]。根据闪发级数不同，闪发蒸馏分单级闪发蒸馏和多级闪发蒸馏。

闪发蒸馏法的显著特点是海水的加热和蒸发依次在不同容器内进行，加热过程中没有相变，闪发温度较低，结垢极其轻微。目前，闪发蒸馏装置的生产企业主要有瑞典的Alfa Laval公司、英国APV以及德国Serckcomo公司等[2]。

1.2 膜法

膜法海水淡化技术是以机械能或电能为推动力，用天然或人工合成的高分子薄膜将海水中盐分和水分离的技术。膜法海水淡化方法主要包括反渗透法和电渗析法。

1）反渗透法

反渗透法是根据反渗透原理，利用高压泵压缩海水，使其压力超过半透膜的渗透压，海水中的水分就会透过半透膜，盐分则被截留在海水一侧，从而制取淡水。

反渗透法装置的核心元件是半透膜，半透膜能够分离海水中的各种无机盐离子以及大分子溶质。随着科技的进步，人们研发出许多新型高效的半透膜，比如R. K. Joshi、P. Carbone及F. C. Wang等人[3]提出的氧化石墨烯材质的半透膜，实验验证表明，不但水分子通过阻力很小，而且能有效阻挡无机盐离子通过。

另外，人们在传统反渗透法的基础上不断对其改进，例如美国研究人员Jeri L. Prante和Jeffrey A. Ruskowitz等提出一种低能耗的 RO-PRO（Reverse Osmosis–Pressure Retarded Osmosis）海水淡化技术，用反渗透装置排出的浓盐水所蕴含的高压能预压缩原料海水，从而节省高压泵的能耗。经模拟计算，该系统比传统反渗透法节省大约40%的电能[4]。

2）电渗析法

电渗析法是利用相间排列的具有选择性的阴、阳离子交换膜，在外加直流电场作用下，使海水中的带电离子选择性的透过离子交换膜进入不同的隔室，从而实现海水淡化的一种膜分离技术[5]。电渗析法无需热源、运行稳定、操作方便以及原水回收率高，但是由于海水含盐量高，电渗析耗电量比较大，并且产水品质不高，常与离子交换法联合使用制取高纯度淡水。

1.3 冷冻法

如果使海水温度降至其冰点温度以下,海水中就会产生不含盐分的冰晶，盐分则被排除在冰晶之外的浓缩海水中，将冰晶取出用淡水清洗，然后加热使之融化即可得到淡水,这一海水淡化方法称为冷冻法。

冷冻法海水淡化装置运行过程中需要消耗大量的冷能，而一般舰船上没有冷能可直接利用，只能靠消耗船上有限的电能制冷，这大大限制了冷冻法在船上的大规模推广利用。然而随着天然气在能源结构中的地位越来越重要，以LNG为燃料的船舶越来越多，LNG气化过程中会释放出大量的冷能，这为船上采用冷冻法海水淡化装置提供了可能性。例如文献[6]中提出一种利用LNG冷能的海水淡化技术，以制冷剂HFE-7100为中间介质，利用LNG气化时释放的大量冷能进行海水淡化，通过实验模拟证实这是一种很有效的海水淡化方法。

1.4 太阳能法

太阳能作为一种资源丰富、无污染、可免费使用的能源，其能源利用技术越来越成熟，利用太阳能进行海水淡化也越来越受到人们的重视。太阳能海水淡化系统其实是传统海水淡化装置和太阳能利用装置的结合。根据太阳能利用方式的不同，太阳能法可分为以下两种：一是太阳能集热器和蒸馏法海水淡化装置的结合，利用太阳能集热器产生热能驱动海水发生相变，所得蒸汽经冷凝后得到淡水，此方法又分主动式和被动式；二是利用太阳能发电以驱动反渗透或电渗析海水淡化装置，实际上是太阳能发电装置和反渗透或电渗析装置的结合。

虽然太阳能易获得、无污染，但由于其能量密度太低，受地理位置和天气影响比较大，并且只能白天使用，这都使得太阳能海水淡化装置很难在船上得到推广应用。

随着人们对海水淡化方法的深入研究，不断有其他方法出现，如水合物法、离子交换法以及太阳能法中的低位露点蒸发和气提等工艺方法，但这些方法因为技术尚不够成熟或者与传统工艺相比没有明显优势，截止到现在还没有得到推广应用。

2 国内外现状

自16世纪帆船时代，人们就已经开始利用蒸馏法制取淡水以满足船员的日常生活用水需求。进入20世纪40年代，美国的部分潜艇和舰船上开始使用压气蒸馏和闪发蒸馏海水淡化装置。

20世纪60年代，自从美国杜邦公司率先研制成B10海水淡化中空纤维膜以来，反渗透海水淡化装置得到了快速发展，并且一些舰船上开始使用反渗透海水淡化装置。但是反渗透海水淡化装置并没有在国际船用市场上得到广泛的推广应用，并且一直到20世纪80年代，国外舰船上海水淡化装置基本全部采用蒸馏法[7]。

另外，电渗析法也有在国外船舶上使用的先例，1958年，前苏联的“图拉”号就是安装了电渗析海水淡化装置[8]。电渗析法海水淡化装置的耗电量与海水含盐量成正比，由于海水含盐量比较高，所以电渗析法耗电量较高，并且设备维修复杂，产水品质不高，这限制了电渗析法在舰船上的继续推广使用。

虽然我国船用海水淡化技术的研究起步较晚，但近几年随着造船业的不断发展，我国已有十多家船用海水淡化装置的制造商。随着反渗透海水淡装置的生产、制造及安装技术越来越成熟，并且渗透膜的价格也有所下降，使得国内船用反渗透海水淡化装置数量已超过了蒸馏法海水淡化装置；但是反渗透法海水淡化装置中半透膜和高压泵等核心元件仍主要靠进口，国内还没有掌握其核心生产技术。

国内蒸馏法海水淡化装置研发及生产单位仅有上海704研究所、中船绿洲环保有限公司等少数几家。目前国内上海704研究所生产的船用板式蒸馏海水淡化装置，虽然其性能指标达到了国际水平，并且已经在国内各类民用工作船和军用舰船上得到了广泛应用，但是由于价格、技术及售后服务问题还没有进入国际市场[8]。

3 蒸馏法和反渗透法的比较

蒸馏法和反渗透法经过长时间的发展，技术已相当成熟，与其他方法相比优势明显，所以，目前船用海水淡化方法主要是蒸馏法和反渗透法。表1为船用蒸馏法和反渗透法的对比情况。

表1 蒸馏法和反渗透法对比表

4 总结

通过以上论述、分析及对比，可预见，在以后较长的一段时期内，在其他高效海水淡化方法出现以前，利用船上废热的蒸馏法和反渗透法仍将是船用海水淡化方法的主流选择。另外，并不能单纯的评价一种海水淡化方法的好坏，船用海水淡化方法的选择，要根据船的动力装置、吨位大小和用途、航行海域海水品质以及安全性要求等多方面因素综合考虑。

[1] 冷峻,王伟勇.船用海水淡化装置及其现状分析[J].机电设备, 2004 (5): 44-46

[2] 苗超,谢春刚,冯厚军,等.船用海水淡化技术发展现状与研究建议[J]. 船舶工程, 2011, 33 (6): 6-9.

[3] Joshi R K, Carbone P, Wang F C, et al. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes[J]. Science, 2014, 343(6172): 752-764.

[4] Jeri L P, Jeffrey A. RO-PRO desalination: An integrated low-energy approach to seawater desalination [J].Applied Energy., 2014, 120: 104-114.

[5] 王俊珍.船舶海水淡化技术及应用[J]. 江苏船舶,2009, 26 (1): 18-20.

[6] Xie C G, Sun J, Lv Q C. High efficient seawater freezing desalination technology by utilizing cold energy of LNG [J]. IDA Journal of Desalination and Water Reuse, 2014, 6(1)：5-9.

[7] 潘献辉,王生辉,王晓楠.船用海水淡化装置的发展及应用[J]. 中国给水排水, 2012, 28 (4): 24-26.

[8] 李航宇,王晓娟,宋保维,等.船舶海水淡化装置的研究现状与发展[J]. 船舶工程, 2008, 30 (3): 1-4.

Seawater Desalination Plant for Ships

XIA Yong-qiang, HU Yu, ZHANG Lei, YU Li-ming
(Cnooc Energy Development Co., Ltd., Beijing Institute of Cold Energy Utilization, Beijing 100016, China)

This paper introduces the main methods of seawater desalination and characteristics of ships, then, the current situation of application in China and abroad is analyzed. The distillation and the reverse osmosis devices that the most widely used at present is compared. Through analyzing, it can be obtained that the distillation and the reverse osmosis devices would be still the main methods for marine desalination plants in the future.

ship; seawater desalination; distillation; reverse osmosis; comparison

TV4

A

夏永强（1974-），男，经济师，主要从事冷能利用研究。