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“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组件

日期:2019-04-28 01:32

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  海水淡化即利用海水脱盐生产淡水,是实现水资源利用的开源增量技术,可以增加淡水总量,且不受时空和气候影响,水质好、价格渐趋合理,可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。主要技术方法有蒸馏法、电渗析法、反渗透法等。 海水淡化是人类追求了几百年的梦想。早在250多年前,英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。 从20世纪50年代以后,海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展,在已经开发的二十多种淡化技术中,蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模化生产的水平,并在世界各地广泛应用。 现在世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究,有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作。一座现代化的大型海水淡化厂,每天可以生产几千、几万甚至近百万吨淡水。 淡化水的成本在不断地降低,有些国家已经降低到和自来水的价格差不多。某些地区的淡化水量达到了国家和城市的供水规模。 目前我国人均水资源量约为2100m3,为世界人均占有量的1/4,我国已被联合国列为13个最缺水国之一。沿海工业城市人均水资源量大部分低于500 m3,处于极度缺水状态。大力发展海水淡化市场已经是当务之急。 按照目前平均海水淡化设备7000元/吨日的综合成本测算,一套10万吨/日的海水淡化设备装置的综合投资成本约7亿元。按照未来10年海水淡化产能增加170-200万吨/日来测算,未来十年海水淡化设备投资有望高达120~140亿元,行业有望进入高速增长期。 我国已建和即将建成的工程累计海水淡化能力约为60万吨/日,从政策规划来看,未来十年内行业市场容量有5 倍以上的成长空间,前景较为乐观。淡化海水成本已降到4-5元/吨,经济可行性已经大大提升,考虑到未来技术进步带来的成本下降,以及策扶等因素,未来海水淡化产业有望出现爆发式增长。 前瞻产业研究院发布的《中国海水淡化设备行业市场前瞻与投资规划分析报告前瞻》指出目前全球海水淡化技术超过20 余种,包括反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等,以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。 从大的分类来看,主要分为蒸馏法(热法)和膜法两大类,其中低多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是全球主流技术。一般而言,低多效具有节能、海水预处理要求低、淡化水品质高等优点;反渗透膜法具有投资低、能耗低等优点,但海水预处理要求高;多级闪蒸法具有技术成熟、运行可靠、装置产量大等优点,但能耗偏高。一般认为,低多效蒸馏法和反渗透膜法是未来方向。预计“十二五”期间,我国海水淡化将达到150万-200万吨/日,是现有产能的三、四倍,投资规模将达到200亿元左右。 第一个海水淡化工厂于1954 年建于美国,现在仍在得克萨斯的弗里波特(Freep-ort)运转着。佛罗里达州的基韦斯特(Key West)市的海水淡化工厂是世界上最大的一个,它供应着城市用水。海水淡化主要是为了提供饮用水和农业用水,有时食用盐也会作为副产品被生产出来。海水淡化在中东地区很流行,在某些岛屿和船只上也被使用。 21世纪以前,反渗透膜技术都是被国外所垄断,而中国是直到90年代末期才开始掌握了反渗透膜的生产技术.这个历史要追述到建国初期,当时我们国家的领导人已经意识到海水淡化的前景和将来在社会中的作用。 早在1958年,石松研究员等首先在我国开展离子交换膜电渗析海水淡化研究。而在此前1953年美国C.E.Reid建议美国内务部将反渗透研究列入国家计划。 随后1967年,国家科委组织全国海水淡化会战,组织全国在水处理和分析化学、材料化学、流体力学等各个学科的精英会战海水淡化。 1970年,会战主力汇集我国浙江省的杭州市,组织了全国第一个海水淡化研究室。此期间,他们一直用电渗析技术进行海水淡化,研制成功海洋监测专用微孔滤膜,建成了世界最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。一度在海水淡化方面成为世界领军人物。 1982年,中国海水淡化与水再利用学会经中国科协学会部批准在杭州成立。但是,因为经历了十年浩劫,毕竟还是衰弱下去了,此时,远在大洋彼岸的美国的全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件已经赫然问世。 1984年,国家海洋局以海水淡化研究室为主体,组建国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心,中国开始对膜技术重视了,但是,美国海水淡化用复合膜及其卷式元件已经大面积商业化了,投入到了国家和民用中去了。 1992年,国家为了追赶膜方面技术与世界的差距,国家科委军顶,以国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心为依托,组建国家液体分离膜工程技术研究中心,并开始悄悄研制国产反渗透膜。 直到2001年,国际海洋局杭州水处理技术研究开发中心实行集团化分体管理,所辖三个控股的中外合资公司,两个中资公司和一个研发中心。 同年,杭州北斗星膜制品有限公司正式公开问世,从此,中国有了自己的反渗透膜产品,享有完全自主知识产权、由中国制造、具有民族品牌的高性能复合膜元件开始投放市场,中国成为世界上第四个掌握自主反渗透膜技术的国家。而杭州水处理下的杭州北斗星膜制品有限公司也成为全球八家自主反渗透膜生产厂家之一。也称为RO膜。我们无法去追究是工业文明还是人口无休止的增长使我们面临了这场水的危机:早在70年代中期,由于众多的河流遭到严重污染,全世界有70%的人无法保证卫生、安全地用水。淡水资源的日益匮乏,使人们一再把目光投向浩瀚的海洋,只要将导致海水又苦又咸的盐类物质从中去除,就能获得淡水。地中海中部的马耳他,建有世界上最大的反渗透海水淡化厂。海水在这里乖乖地缴械投降,变成卫生的淡水,为岛上的3万居民和前来观光的旅游者提供忠实的服务。 现代意义上的海水淡化则是在第二次世界大战以后才发展起来的。战后由于国际资本大力开发中东地区石油,使这一地区经济迅速发展,人口快速增加,这个原本干旱的地区对淡水资源的需求与日俱增。而中东地区独特的地理位置和气候条件,加之其丰富的能源资源,又使得海水淡化成为该地区解决淡水资源短缺问题的现实选择,并对海水淡化装置提出了大型化的要求。 在这样的背景下,20世纪60年代初,多级闪蒸海水淡化技术应运而生,现代海水淡化产业也由此步入了快速发展的时代。 海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区,但并不局限于该地区。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域,因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。最新资料表明,到2003年止,世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡化厂,其生产能力达到日产淡水3600万吨。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区,淡化水大约养活世界5%的人口。海水淡化,事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题,普遍采用的一种战略选择,其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。 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。真空冷冻海水淡化法工艺包括脱气、预冷、蒸发结晶、冰晶洗涤、蒸汽冷凝等步骤,海水淡化水产品可达到国家饮用水标准,是一种较理想的海水淡化法。 冷冻海水淡化法原理 海水三相点是使海水汽、液、固三相共存并达到平衡的一个特殊点。若压力或温度偏离该三相点,平衡被破坏,三相会自动趋于一相或两相。真空冷冻法海水淡化正是利用海水的三相点原理,以水自身为制冷剂,使海水同时蒸发与结冰,冰晶再经分离、洗涤而得到淡化水的一种低成本的淡化方法。与蒸馏法、膜海水淡化法相比,冷冻海水淡化法能耗低,腐蚀、结垢轻,预处理简单,设备投资小,并可处理高含盐量的海水,是一种较理想的海水淡化法。 冷冻海水淡化法工艺之脱气 由于海水中溶有的不凝性气体在低压条件下将几乎全部释放,且又不会在冷凝器内冷凝。这将升高系统的压力,使蒸发结晶器内压力高于二相点压力,破坏操作的进行。显然减压脱气法适合本系统。 冷冻海水淡化法工艺之预冷 海水脱气后可与蒸发结晶器内排出的浓盐水和淡化水产生热交换,预冷至海水的冰点附近。 它们是影响海水蒸发与结冰速率的主要因素。 海水淡化法工艺之冰—盐水是一固液系统 普通的分离方法均可使冰—盐水得到分离,但分离方法不同,得到的冰晶含盐量也不同。实验结果表明减压过滤方法得到的冰晶含盐量比常压过滤方法得到的冰晶含盐量低得多。 海水淡化法工艺之蒸汽冷凝 在蒸发结晶器内,除海水析出冰晶以外,还将产生大量的蒸汽,这些蒸汽必须及时移走,才能使海水不断蒸发与结冰。 通常又称超过滤法,是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开的。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。因此,从1974年起,美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。 反渗透海水淡化技术发展很快,工程造价和运行成本持续降低,主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力,提高反渗透系统回收率,廉价高效预处理技术,增强系统抗污染能力等。 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。蒸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。太阳能蒸馏法就是采用简单的太阳能蒸馏器。该蒸馏器由一个水槽组成,水槽内有一个黑色多孔的毡心浮洞,槽顶上盖有一块透明、边缘封闭的玻璃覆盖层。太阳光穿过透明的覆盖层投射到黑色绝热的槽底,转换为热能。因此,塑料芯中的水面温度总是高于透明覆盖层底的温度,水从毡芯蒸发,蒸汽扩散到覆盖层上冷却为液体,排入不透明的蒸馏槽中. 2010年6月,杭州水处理技术研究开发中心在舟山市岱山县大鱼山岛建成一套5m/d光伏太阳能海水淡化示范工程。重点解决示范工程选址、太阳能采光、海水取水、设备布置、防风设计以及安装调试等问题。 示范工程光伏太阳能系统由太阳能电池组、太阳能充放电控制器、直流/交流逆变器、蓄电池(组)及配电系统组成,其发电总功率5.4kW;反渗透系统产水流量0.8~1.2m/d,主要由海水取水装置、水力循环澄清池、多介质过滤器、保安过滤器、反渗透膜处理系统、能量回收装置、多级离心泵以及加药装置等组成。 考虑到大鱼山岛无常规电网的特点,光伏太阳能海水淡化装置采用光伏太阳能与柴油机互补供电,丰雨期可以使用光伏太阳能的电能通过逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流,供给当地负荷供电;干旱季节可使用本地柴油机发电供给海水淡化设备,增加淡水供水量。 低温多效蒸馏淡化技术的概念低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于70的淡化技术,其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来,用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝,后面一效的蒸发温度均低于前面一效,从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。 多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发,前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源,并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素,近年发展迅速,装置的规模日益扩大,成本日益降低,主要发展趋势为提高装置单机造水能力,采用廉价材料降低工程造价,提高操作温度,提高传热效率等。一种低温多效蒸馏法海水淡化设备,包括供汽系统、布水系统、蒸发器、淡水箱及浓水箱,供汽系统的生蒸汽入口置于中间效蒸发器上。工作方法为:(1)布水系统对海水进行喷淋;(2)输入生蒸汽到中间效蒸发器的蒸发管内部;(3)蒸汽在蒸发管内冷凝传出热量,蒸发管外吸收热量产生蒸发;(4)新蒸汽输送至其两侧的蒸发管内.管外吸收热量、产生蒸发;(6)各效蒸发器重复蒸发和冷凝过程;(7)蒸馏水进入淡水箱;(8)浓盐水进入浓水箱。 所谓闪蒸,是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下,部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水,依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发,将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大,技术最成熟,运行安全性高弹性大,主要与火电站联合建设,适合于大型和超大型淡化装置,主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠,主要发展趋势为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。 ? 该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片,按其选择透过性区分为正离子交换膜(阳膜)与负离子交换膜(阴膜)。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列,组成多个相互独立的隔室海水被淡化,而相邻隔室海水浓缩,淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水,也可以作为水质处理的手段,为污水再利用作出贡献。此外,这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。 是将压缩功转化为饱和蒸汽的内能,使其温度升到成为过热蒸汽,在利用高温过热蒸汽做热源,加热饱和盐水使其部分蒸发,蒸汽生成淡水实现盐水分离。 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。露点蒸发淡化技术是以空气为载体,通过用海水或苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水,并通过热传递将去湿过程与增湿过程耦合,使冷凝潜热直接传递到蒸发室,为蒸发盐水提供汽化潜热,以提高过程的热效率。建立了有效传热面积分别为9.6 m~2和2.75 m~2的两台增湿/去湿耦合的露点蒸发淡化设备。建立了相应的实验装置和计算机数据采集系统。分别成功地完成了露点蒸发淡化基本流程与参数相关性实验以及强化传热/传质淡化实验。 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。 热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式(即MED-RO或MSF-RO方式),满足不同用水需求,降低海水淡化成本。目前,世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂,日产海水淡化水量为45.4万立方米,其中,MSF日产水28.4万立方米,RO日产水17万立方米。其优点是:投资成本低,可共用海水取水口。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。 此外,以上方法的其他组合也日益受到重视。在实际选用中,究竟哪种方法最好,也不是绝对的,要根据规模大小、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。 实际上,一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。就主要工艺过程来说,包括海水预处理、淡化(脱盐)、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理,如杀除海生物,降低浊度、除掉悬浮物(对反渗透法),或脱气(对蒸馏法),添加必要的药剂等;脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分,是整个淡化系统的核心部分,这一过程除要求高效脱盐外,往往需要解决设备的防腐与防垢问题,有些工艺中还要求有相应的能量回收措施;后处理则是对不同淡化方法的产品水针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。海水淡化过程无论采用哪种淡化方法,都存在着能量的优化利用与回收,设备防垢和防腐,以及浓盐水的正确排放等问题。 海水淡化技术的发展与工业应用,已有半个世纪的历史,在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为,今后三、四十年在工业应用上,仍将是这三项技术“唱主角”,但反渗透的比重将越来越大。从地区上来讲,中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选,因为它具有大型化和超大型化(单台设备产水量目前已高达日产淡水4~5万吨)、适应于污染重的海湾水以及预处理费用低的优势;然而在中东以外地区将以反渗透或膜法为首选,因为膜法的能耗和成本都具有优势,以北美地区为例,近期的发展已经表明,在淡化和水处理方面都将以膜法为主。 ? 非加压渗透吸附法(90年代) 非加压吸附渗透海水淡化法,或称为“正向渗透法”,让水通过多孔膜进入一种超强吸水的吸附剂的盐浓度甚至超过海水的溶液或固态物,但溶液里的特殊盐分很容易蒸发。分固态盐、液态盐方向。固态盐解吸附耗能更小。 另外两种方法都在薄膜结构上有了创新和改进 碳纳米管薄膜 一种用碳纳米管来做薄膜的小孔,另一种 活细胞的蛋白质膜 薄膜的孔用引导水分子通过活细胞的细胞膜的蛋白质来构成。 目前,全球海水淡化日产量约3500万立方米左右,其中80%用于饮用水,解决了1亿多人的供水问题,即世界上1/50的人口靠海水淡化提供饮用水。全球有海水淡化厂1.3万多座,海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术,愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视;全球直接利用海水作为工业冷却水总量每年约6000亿立方米左右替代了大量宝贵的淡水资源;全世界每年从海洋中提盐5000万吨、镁及氧化镁260多万吨、溴20万吨等。海水淡化需要大量能量,所以在不富裕的国家经济效益并不高。沙特阿拉伯的海水淡化厂占全球海水淡化能力的24%。阿拉伯联合酋长国的杰贝勒阿里海水淡化厂第二期是全球最大的海水淡化厂,每年可产生3亿立方米淡水。 ? 世界上淡水资源不足,已成为人们日益关切的问题。有人预言,19世纪争煤,20世纪争油,21世纪可能争水。 作为水资源的开源增量技术,海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径。到2006年,世界上已有120多个国家和地区在应用海水淡化技术,全球海水淡化日产量约3775万吨,其中80%用于饮用水,解决了1亿多人的供水问题。 “向海洋要淡水”已经形成了方兴未艾的产业。截至2006年底,中国日淡化海水能力接近15万吨,比上一年翻一番。中国在反渗透法、蒸馏法等主流海水淡化关键技术方面均取得重大突破,完成了自主知识产权的3000立方米/日低温多效海水淡化工程,以及5000立方米/日反渗透海水淡化工程;海水直流冷却技术已进入万立方米/小时级产业化示范阶段。中国海水淡化成本逐步下降,已接近5元/立方米。 中国海水淡化虽基本具备了产业化发展条件,但研究水平及创新能力、装备的开发制造能力、系统设计和集成等方面与国外仍有较大的差距。当务之急是尽快形成中国海水淡化设备市场的完整产业链条。围绕制约海水淡化成本降低的关键问题,发展膜与膜材料、关键装备等核心技术,研发具有自主知识产权的海水淡化新技术、新工艺、新装备和新产品,提高关键材料和关键设备的国产化率,增强自主建设大型海水淡化工程的能力。 未来20年内国际海水淡化市场将有近700亿美元的商机,中国应占有充分份额。根据全国海水利用专项规划,到2010年,中国海水淡化规模将达到每日80万至100万吨,2020年中国海水淡化能力达到每日250万至300万吨,尤其是国家积极支持海水淡化产业,自2008年1月1日起,企业的海水淡化工程所得将免征所得税。中国海水淡化产业发展前景广阔。 中国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的,电渗析、反渗透和蒸馏法(多级闪蒸、压气蒸馏和低温多效蒸馏)等海水淡化技术的研究开发,都取得相当大的进展。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究,1967-1969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战,会展主力在杭州成立了国内第一个海水淡化研究室(国家海洋局第二海洋研究所海水淡化研究室,即国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心的前身),同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化技术的研究,为海水淡化事业的发展奠定了基础。 1965年,山东海洋学院化学系在国内最先进行反渗透CA不对称膜的研究;上世纪70年代进行了中空纤维和卷式RO膜及元件的研究,并初步工业化。“七五”以来,反渗透海水淡化技术的开发研究一直列入国家重点攻关项目,“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组件的研制,建立了海水淡化示范工程;“八五”期间,在中盐度反渗透膜的研制方面取得了很大进展;“九五”攻关使新型的聚酰胺复合膜中试放大成功,结合关键技术和设备引进,现已生产聚酰胺复合膜产品。 1997年国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心在浙江省重大科技专项经费支持下,在浙江舟山市嵊山镇建造了500立方米/日反渗透海水淡化示范工程,吨水耗电5.5度以下,技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。 2000年杭州水处理中心在国家科技部重大科技攻关计划支持下,同时在山东长岛和浙江嵊泗建成1000吨/日反渗透海水淡化示范工程,率先应用国际先进的功交换式能量回收装置,产水能耗下降到4度/吨,达到国际先进水平。该示范工程的建成,为我国反渗透海水淡化技术的快速发展打下了基础。2001年获国家海洋局海洋创新成果二等奖。 2002年,该中心又在国家发改委产业化项目支持下,在山东荣成建设了万吨级反渗透海水淡化示范工程,通过优化设计、设备投资大幅度下降,工程的经济性进一步提高,形成了具有我国自主知识产权的专有技术,取得了显著的经济和社会效益,推动了我国膜分离技术和特别是反渗透海水淡化产业的快速发展。从而为沿海企事业用水、居民生活用水打造了一个行之有效技术途径。2004年,该项目被中国膜工业协会评为第一届“中国膜工业协会科学技术奖”一等奖. 目前我国已建海水淡化规模达80万吨/日, 以反渗透法为主,已建成最大反渗透海水淡化工程为杭州水处理中心承建的河北曹妃甸50000m3/d海水淡化工程。另外,还开展了NF-RO集成海水淡化的研究。浙江六横水务的100000吨/日海水淡化工程已完成一期建设,建成后将成为国内最大的海水淡化同类工程。 上世纪60年代原船舶工业部上海704研究所开发了5 m3/d级的压汽蒸馏淡化装置和利用柴油机缸套水余热的闪蒸淡化装置装备舰船使用。70年代-80年代初,天津市科委支持了日产淡水百吨级的多级闪蒸中试研究,取得一定的设计参数和经验。80年代以后,国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所进行了30 m3/d规模的压汽蒸馏装置开发工作,其研究内容包括30 m3/d竖管常压压汽蒸馏装置和30m3/d水平管负压压汽蒸馏装置(操作温度72)以及30m3/dOTE/VC淡化装置。以上研究工作取得的成果和过程中遇到的问题为后期研究积累了丰富的经验,对于我国蒸馏法海水淡化技术的发展起到了重要的推进作用。 2004年6月由国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所设计的3000 m3/d的低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛发电厂一次试车成功并通过9个多月的运行考验。海水淡化装置系国内第一台完全自主知识产权的多效蒸馏海水淡化装置,装置的国产化率达99%。海水淡化装置的建设完成表明我国已初步掌握大型低温多效蒸馏海水淡化的成套技术。另外,10000 m3/d的多效蒸馏示范工程已完成设计,近期将开工建设。 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2.9kwh/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。 几种淡水获取方式的成本比较单位:元/立方米 取水方式平均成本 开采地下水限制开采量 远程调水引滦入津:2.3元/立方米(直接成本) 南水北调:5-20元/立方米(到北京平均水价) 海水淡化海水:4--7元/立方米(综合成本) 苦咸水:2--4元/立方米(综合成本) 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。 针对以上述情况,投入大量资金,人力物力对近年来国际上的海水淡化设备、海水淡化工艺进行了深入的研究,分析对比,同时根据国内市场需求,经济承受能力,进行了相关考察。针对我国沿海地区、岛屿、海洋运输船及大量捕鱼船的具体情况,经过多年的研制,终于成功的设计生产出具有自主知识的海水淡化设备(专利)产品,各项技术指标高于国外技术指标,工艺方面进行了优化,目前这套工艺凝结了大量的人力物力,经过大量的数据采集,样机设计,原材料的选择,各种材质试验对比,在海上现场试验,改进所发现的问题,在工艺上完善不足,整合为现在比较完善工艺流程,降低运行成本,整机成本大大低于国外机型,生活水吨水成本已突破3元大关,与目前自来水价格相当,生饮淡水生产成本也4.8元关,产品成本低于同类企业指标,本系统因没有采用加药环节,排出的脓水对环境没有任何污染。 国家重大环保技术装备目录(2011)目录中具体要求条款,我公司已经做在了具体要求的前面,考虑到了这方的要求,目前的工艺已经符合或超过了技术要求内的各项指标,走在了海水淡化同仁的的前端,随时随地可以规模化生产,并投放市场,整机操作简单化,外形小型化,工艺合理化,水质优良化,价格是自来水化,脓水排放零污染化,目前是海水利用率最高化,50-60%淡水出水率,详细见下面具体介绍。 该海水淡化设备的工艺流程如下: 海水提升泵盘式过滤器活性炭过滤器UF超滤自制海水专用滤芯保安过滤器高压泵反渗透RO1能量转化装置反渗透RO1生活用淡水二级增压泵反渗透RO2弱碱性过滤生饮引用淡水开停机淡水冲洗水箱。 淡水水箱的作用是,停机前,对机组进行淡水冲洗,使机组中的含盐海水进行淡化冲洗,冲洗完成后,关闭进水阀,出水阀,作用相当于机组保护液,开机时将机组中的保护水用准备淡化的海水进行冲洗,几分钟后即可进行淡化操作,不需要反冲洗装置,与加药装置。 海水提升泵:根据后级的需求将海水从海里或海水水箱中抽出,其工作压力为0.2Mpa,流量根据海水淡化设备的日产淡水量决定。 盘式过滤器:将流经海水中可视的悬浮物、絮状物、海藻、泥沙及不可视的明胶体进行有效吸附过滤排放,以解轻活性碳过滤器与UF超滤膜的负担,有效地将大量的泥沙,悬浮物、絮状物、海藻类,进行大范围的清楚,盘式过滤器几乎不消耗能源。 超虑过滤器:采用聚丙烯中空纤维膜(内压式)其有效截留孔径为0.1—0.01um,对流经海水中的微生物及大于该孔径的各类分子团截留,泵系统中UF超滤装置上,装有一个调节阀,调节量是5%-10%的脓水进行排放,防止过多的悬浮物、絮状物、海藻、泥沙及不可视的明胶体,吸附物进行有效的排放,使UF超滤膜无大量的堆积,保证UF超滤膜正常稳定的工作。 从节约水之源的角度考虑,用UF超滤排出的脓水来冲洗盘式过滤器,也是一个不错的选择,这样可以节约一部分淡水,也可以做到废水不废的再次利用。 专利海水专用膜: (一)采用专用技术自主研发,对流经海水中的分子进行活化分离,(1)重金属分子进行有效清除,(2)对钙镁离子、(3)大分子团进行分离,(4)去除水中余氯,(5)去除硫化氢,(6)减少悬浮固体,(7)减少矿物质结垢,(8)打断分子链结构,使海水水分子细小化分裂,使海水分子链发生断裂细小化,给RO膜进行脱盐, (9)加快了RO膜的透水率,由单支膜%8的回收率,提高到了12%,海水的了利用率由40%,提高到了60%,也就是讲1吨海水可以出500-600L的淡水。 (二)从而大大的提高后级RO膜的透水率,RO膜系统的寿命可提高一倍以上,膜的寿命由原来的一年提高到了两年以上,RO膜的工作压力由4.5Mpa-6.5Mpa的工作压力,降低至2.5Mpa-4.5Mpa,开始出水压力2.5Mpa,饱和压力4.5Mpa,如再增加压力的情况下,出水率已经达到了饱和恒定状态流量,所以讲功耗,由原来每吨水淡水t/6Kw驱动功率,降至现在t/3.5Kw以下,RO两级出水可以达到生饮用水标准,吨水5-5.5kw能耗,电导率20ppm以下,出水水质弱碱性负电位,吨水成本4.8元以内。 (三)一级出水电导率200ppm以下,吨水成本3.2元以内,与现在的民用自来水相示,生产每吨淡水用电3.5度,单支膜的出水率12%,RO两级膜的出水率42%,同时由于膜工作压力的降低,出水率的提高,延长了Ro膜的寿命,也降低了用行成本,简化了工艺。 (四)更为突出的是,免去了加药系统,与反冲洗系统,工艺自带正向冲洗系统,不需要另外,外加任何设备,由于采用了自制海水专用滤芯:操作起来简单化,一级出水电导率在200ppm以下,两级RO系统电导率在20ppm以下。 (五)可以很好的利用水资源,对水资源没有二次污染,如果利用在大型系统中,可以做成零排放,综合利用,丛淡化后的浓水中提取化工原料,重金属等,脓水中的含盐量可达到6.5-7.5%,如果盐化工与海水淡化综合利用共同开发,可同时降低淡化成本,沿海发电厂利用热能进行海水淡化,再与化盐化工合作,淡化成本会更低,海水淡化事业是一个联动产业链的链条,需要更多的人与企业参与,双互共赢! 高压泵:采用注赛式高压泵,泵头材料为316L,机座,皮带轮保护罩,等全部采用316材质的配件,其工作压力为4.5—6Mpa,流量根据海水淡化设备的日产淡水量决定。 能量转换器:能量转换器的原理是,RO膜在工作中将没有用的脓水压力,进行乌能源钻换,将脓水压力作为驱动能源,同轴的另一段对准备淡化的海水进行加压,作用等同于高压泵,ERI的PX的高压换热器?(PX的?)是一项创新技术,ERI的PX的装置,它的功能只有一个运动的一部分,是最优雅的方式向高效率能量回收上市。 .该PX的核心是一氧化二铝转子,在一个几乎无摩擦的流体动力轴承浮动。 .这是由陶瓷材料的化学品不受影响,是难比钢的3倍,并且不腐蚀。 .连续润滑轴承是由海水,无需维护,并且不容易磨损。由美国生产,国内目前还没有这类的生产厂家,ERI可减少高达60%的能源总量在海水淡化需要更多的饮用水和减少经济所产生的无碳足迹,也是海水淡化事业的组成部分,流量根据海水淡化设备的日产淡水量决定。 能量转换器增压泵:采用离心式多级泵原理,泵头材料为316L,泵体与电机直连,其工作原理是将ERI能量转换器正压泵的压力在进行补偿,使能量转换器的压力补偿到与高压泵同等的压力,其补偿压力在5%左右,其工作压力为0.5—0.8Mpa,流量根据海水淡化设备的日产淡水量与ERI能量转换器配套使用而决定的。 反渗透RO-1:采用国际上流行的海德能,陶氏,东丽,世韩等反渗透膜分离技术进行海水淡化脱盐,该工艺是迄今为止国际上公认的最先进的海水淡化技术,经反渗透RO-1过滤后淡化水质可达到生活水标准,经过调节阀,流量计,电导仪测量水质后,由输出管路到生活水储水器皿储存,电导率为200(20)?s/㎝以下,可做为一般生活用水水质。 增压泵:增压泵的工作原理是,将反渗透RO-1过滤后的淡水,经增压泵增压,提供给将反渗透RO-2。 反渗透RO-2:也采用国际上流行的海德能淡水膜,进行二级过滤,经反渗透RO-2过滤后淡化水质可达到生饮水标准,经过调节阀,流量计,电导仪测量水质后,由输出管路到生活水储水器皿储存,电导率为20(20)?s/㎝以下,可做为一般生饮用水水质,可灌装桶装水或瓶装水。 弱碱性过滤:他的工作原理是将经反渗透RO-2膜过滤后的饮用水,在进行精密过滤,将水中的碱性成分进行物理中和,去除水中碱性成分,达到需要的水质标准,(注如想在添加其他矿物质成分也是可行的,可根据用户要求进行添加各种矿物质过滤器,进行处理。 真空冷冻海水淡化法工艺包括脱气、预冷、蒸发结晶、冰晶洗涤、蒸汽冷凝等步骤,海水淡化水产品可达到国家饮用水标准,是一种较理想的海水淡化法。 冷冻海水淡化法原理 海水三相点是使海水汽、液、固三相共存并达到平衡的一个特殊点。若压力或温度偏离该三相点,平衡被破坏,三相会自动趋于一相或两相。真空冷冻法海水淡化正是利用海水的三相点原理,以水自身为制冷剂,使海水同时蒸发与结冰,冰晶再经分离、洗涤而得到淡化水的一种低成本的淡化方法。与蒸馏法、膜海水淡化法相比,冷冻海水淡化法能耗低,腐蚀、结垢轻,预处理简单,设备投资小,并可处理高含盐量的海水,是一种较理想的海水淡化法。 冷冻海水淡化法工艺 冷冻海水淡化法工艺之脱气 由于海水中溶有的不凝性气体在低压条件下将几乎全部释放,且又不会在冷凝器内冷凝。这将升高系统的压力,使蒸发结晶器内压力高于二相点压力,破坏操作的进行。显然减压脱气法适合本系统。 冷冻海水淡化法工艺之预冷 海水脱气后可与蒸发结晶器内排出的浓盐水和淡化水产生热交换,预冷至海水的冰点附近。 冷冻海水淡化法工艺之温度和压力 它们是影响海水蒸发与结冰速率的主要因素。 冷冻海水淡化法工艺之冰—盐水是一固液系统 普通的分离方法均可使冰—盐水得到分离,但分离方法不同,得到的冰晶含盐量也不同。实验结果表明减压过滤方法得到的冰晶含盐量比常压过滤方法得到的冰晶含盐量低得多。 冷冻海水淡化法工艺之蒸汽冷凝 在蒸发结晶器内,除海水析出冰晶以外,还将产生大量的蒸汽,这些蒸汽必须及时移走,才能使海水不断蒸发与结冰。 海水淡化的关键水脱盐的效率和环境、能源的关系,无论哪种方法评价的指标不可能离开环境冲击和能源的消耗。目前的水的回收率在35-55%,海水淡化过程也是海水浓缩过程,所以如果提高淡水的收率,浓海水中的有价元素富集程度提高,为化学资源回收提供良好的条件。 ? ? 特点如下: 1)壳体采用抗冲击的ABS料,承压能力在16KG以上,并且壁厚加厚1mm,完全可承受进水可能出现的各种压力冲击,确保在冲击水压下不会出现破裂现象,避免了超滤膜在使用的过程中长期受压,材质产生蠕变引起漏水。 2)每一支HUF90膜装填1400根膜丝,长度加长100mm,增大了15%的膜面积,有效膜面积高于国内任何一家的同种规格的产品。提高了产水量。 3)端盖为半球凸出结构,与传统的端面平面结构相比,使进水在端面膜丝的分布更均匀,并且壁厚加厚1mm,确保在冲击水压下不破裂。 4)壳体与螺纹套之间的粘接选用法国进口胶水粘接,粘接长度加长了,连接间隙均匀一致。在使用过程中不会出现漏水.脱胶现象,并且完全达到卫生标准。 5)端盖与壳体的连接螺纹采用锯齿型螺纹,增大了扭距和负载,不会出现滑牙.漏水现象。 6)膜的有效面积大,水通量大,纯水通量1800升,远高于国内同种规格产品。 7)耐压与防漏结构设计,确保HUF90超滤膜不会出现漏水、脱胶、滑牙、暴胶等现象。 8)进出水口为国标通用的直径45mm螺纹的活接套,可直接与1寸的ABS或PVC饮水管粘接,无需另外安装活接头。 ?? ? ? 国内现状 我国海水淡化规模仍旧较小。截至2010年底,我国建成海水淡化装置70多套,设计产能仅60万m3/d,其中反渗透法占比66%,低温多效占比33%,其他方法占比1%,未能完成“十一五”规划目标。 截至2012年底,我国海水淡化产能约为75万m3/d,距2015年目标220-260万m3d仍存巨大提升空间。从全球来看,我国目前已建成的海水淡化装机容量占比在1%左右,而同期沙特占22%、美国占13%、欧洲占15%,表明我国海水淡化仍有较大发展空间。 内容选自产业信息网发布 “十二五”规划产能220-260万m3/d,对应国内未来三年150亿市场。按照《海水淡化科技发展“十二五”专项规划》,“十二五”期间,海水淡化日处理能力将达到220-260万立方米,产能为“十一五”的3倍以上,对应未来三年的CAGR为112%。按照新建产能投资6000元/ m3最低成本测算,对应的新增投资规模在130-156亿元左右,年均市场规模为50亿元。全球来看,2010年海水淡化工程投资总额已达 340亿美元,且保持每年15-20%增速,预计2015年全球海水淡化市场容量将达700-950亿美元,空间更是巨大。 国产化率稳步提升,低温多效和反渗透法各有秋色。从我国现有已建成的项目看,反渗透法占据了约2/3市场,但从近三年开工项目看,低温多效法和反渗透法基本平分秋色。其中,以电厂和钢厂等企业为主体的项目多采用低温多效法。由于电厂和钢厂等企业有现成的废热余热,可以直接利用到低温多效工艺(余热温度50以上即可)中,从而能够有效降低成本。 从国产化率上看,目前我国低温多效法国产化率达到90%以上,而反渗透法国产化率不到60%。我们预计未来发展中,根据不同应用情况,低温多效法和反渗透法将旗鼓相当。