海水淡化设备分析及运用

许福臻，李 鹏

(天津修船技术研究所，天津 300456)

1 海水淡化设备设计背景

我国淡水储存量比较丰富，但分布不均，人均淡水占有量低。同时淡水量分布为东南沿海居多，到西北内陆逐渐减少，80%以上的淡水都分布在长江和长江以南的地区。为解决我国缺水的问题，我们采取了很多的方法，而海水淡化是最节能且效率最高的一种方法。

经过多年海水淡化设备的研究，我国在海水淡化设备技术方面取得了重要成果，其海水淡化技术已经达到国际先进水平。

本文对海水淡化设备进行进一步研究，分析其优缺点并进行改进，使其能够更好地运用在海洋平台、船舶及FPSO钻井船上。

2 海水淡化设备工艺方法介绍

2.1 蒸馏法

蒸馏法是一种比较原始的处理方法，通过加热海水，形成水蒸气，水蒸气遇冷形成淡水，并收集起来。该方法简单，模拟自然原理，应用范围广，缺点是会产生大量锅垢，影响加热设备的热效率。

2.2 冷冻法

冷冻法是将海水降低温度使之结冰，在液态海水变成固态冰时无机盐从中分离出来。冷冻法不仅要消耗过多的制冷能源，而且得到的淡水不适合饮用，只能用于农业灌溉和工业用水。

2.3 反渗透法

反渗透法通常又称超过滤法，是用多层膜组件阻止盐透过，将淡水和盐隔离开的方法。此方法通过高压泵和膜组件实现功能。其占地面积小，操作简便，不需要人员看护，造价低廉，是目前公认的最为优良的海水淡化方法，广泛运用在各个生产和生活领域中。

3 海水淡化设备工艺流程优化

反渗透法海水淡化设备适合在海洋平台和船舶上运用，其成本较低、占地较少、操作简单且维修方便。但反渗透法海水淡化的预处理要求严格，反渗透膜需要定期更换，海水温度低时，需加热处理，温度高时，则需要降温处理，且有二次污染。所以需对反渗透法海水淡化设备进行工艺优化，降低其能耗。

3.1 设计指标及设计工况

1)设计指标。处理后水质必须满足饮用水标准(GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》)。

2)设计工况。满足海洋平台或者船舶正常运行期间水量要求。

3.2 工艺流程

为使海水反渗透膜组件能更好地工作，加入预处理及保护设备，为使能量可以反复利用，反渗透膜组件上加装能量回收装置。优化后新的流程为海水经过换热器，使海水温度降低，经过超滤过滤器过滤出直径大于0.001μm的颗粒，再经过保安过滤器组件，最后通过高压泵给海水加压使海水通过反渗透膜过滤组件，获得产出水。其工艺流程图如图1所示。

图1 海水反渗透工艺流程图

1)换热器。由于海水泵抽上来的海水有一定温度，可能会损害反渗透膜组件，影响设备的正常工作，使水质无法达到要求，因此加入换热器，降低海水温度，保护后端设备。

2)超滤过滤。超滤过滤作用是去除直径为0.001～0.020 μm的颗粒，减轻后面反渗透膜组件的工作压力，达到保护反渗透膜组件的目的。如果存在直径大于0.020 μm的颗粒，就应在超滤过滤膜组件之前增加粗过滤设备，以减轻超滤过滤组件的工作压力。

3)保护过滤。当超滤过滤损坏的时候，保护过滤能阻止直径大于5 μm的颗粒，起到临时保护反渗透膜组件的作用。

4)高压泵。由于反渗透膜过滤组件滤过的颗粒相当小，所以需要通过高压泵给海水加压，加压后的海水透过反渗透膜过滤组件，得到产出水。

5)反渗透膜过滤。反渗透膜过滤精度相当高，直径为0.000 1 μm。它可以把海水中的有害物质过滤，使海水达到饮用水的标准。

此工艺流程中的耗能设备只有高压泵，所以降低能耗就要降低高压泵的能耗。

3.3 关键技术

能量回收是整个工艺流程的关键技术，能量回收装置是把反渗透系统高压浓海水的压力能量回收再利用，从而降低反渗透海水淡化的制水能耗和制水成本。

1)系统组成。能量回收装置主要由切换器、压力交换缸和止回阀组3部分组成，切换器是其中唯一的运行控制部件，整套装置通过切换器周期性往复运动，实现高压海水连续增压，推动低压原料海水连续排出淡水和高压海水的过程。

2)自增压。流体增压过程中基本不需消耗额外的电能，主要由膜组件中排放出的高压浓海水驱动，能量回收装置与膜分离系统耦合后，可使系统的运行能耗降低约50%。

3.4 技术难点

反渗透法海水淡化工艺流程采用等压正位移式能量回收装置实现设备排出高压海水和余压能量的高效回收利用，故提高其能量回收率和减少其脉动水平是该工艺流程的技术难点。

1)提高等压正位移式能量回收装置的能量回收率。利用直接增压原理，减少中间转换环节，保证效率。采用自紧式密封结构实现高压海水与低压淡水之间的密封，降低泄漏量。

2)减少等压正位移式能量回收装置脉动水平。通过结构优化，实现2个缸体内增压过程重叠运行，保证高压流体供给的连续稳定性(高压脉动)；切换器具备低压海水脉动平滑功能，排放脉动流体(低压脉动)。

4 结束语

在海洋平台和船舶中淡水是比较稀缺的物资，通过此文可以看出，海水淡化设备可以很好地解决淡水缺乏的问题。随着海水淡化产业的快速发展，相信海水淡化设备能够在海洋平台和船舶上得到更好的运用，并达到世界先进水平。