MVR技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用研究

苗純正，朱小飛，唐慧波，李新衛(wèi)，吳文烈

（中船重工（重慶）西南裝備研究院有限公司，重慶 401147）

我國(guó)在2015年10月提出《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》，要求實(shí)現(xiàn)海水淡化的規(guī)模化、產(chǎn)量化、集成化，逐步形成重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，解決地區(qū)缺水問題。2015年底，我國(guó)已建成海水淡化工程產(chǎn)水規(guī)模92.69萬t/d，但遠(yuǎn)低于2012年出臺(tái)《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》《海水淡化產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃》提出的目標(biāo)：到2015年，我國(guó)海水淡化日產(chǎn)能力將達(dá)到220萬～260萬m3的要求。目前，我國(guó)海水淡化應(yīng)用不斷擴(kuò)大，產(chǎn)能正在高速增長(zhǎng)，但仍滯后于規(guī)劃，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境的日益改善，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎(chǔ)已基本具備，海水淡化產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入高速發(fā)展期。

1 概述

海水淡化技術(shù)也稱海水脫鹽技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是分離海水中的鹽和水。按分離方法的不同，海水淡化技術(shù)主要分為膜法和熱法兩大類。目前，大規(guī)模工程廣泛應(yīng)用的技術(shù)有多級(jí)閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（MED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）。但造水成本相對(duì)較高是制約目前海水淡化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要原因之一，因而對(duì)現(xiàn)有工藝技術(shù)的優(yōu)化及提升、相關(guān)技術(shù)的耦合、海水的綜合利用、新能源的利用和新技術(shù)的開發(fā)是解決這一問題的主要途徑。

1.1 膜法

膜法海水淡化技術(shù)就是采用膜法分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水淡化。膜法分離技術(shù)是指用特制的膜將一種液體中的溶質(zhì)和溶劑分離的方法。膜法分離技術(shù)在海水淡化中常用的技術(shù)是電滲析和反滲透。

反滲透膜處理淡化法是一種先進(jìn)的膜分離技術(shù)，作為最近幾十年發(fā)展起來的新型工藝，其基本原理是通過壓力驅(qū)動(dòng)從而克服自然滲透這一現(xiàn)象的過程。反滲透海水淡化一般包括取水、預(yù)處理、反滲透膜、能量回收和產(chǎn)品后處理等工藝。由于RO系統(tǒng)中的半透膜對(duì)海水的pH，海水中含有的氧化劑、有機(jī)物、藻類、細(xì)菌、顆粒和其他污染物很敏感，因此需要對(duì)海水進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理[1]。半透膜上容易生成水垢和污垢，導(dǎo)致脫鹽率衰減，水質(zhì)不穩(wěn)定，需要定期清洗和更換。

電滲析法（electrodialysis，ED）與RO同屬于膜方法，不同的是，ED是在外加直流電場(chǎng)的作用下使海水中的鹽離子定向地通過離子交換膜遷移，從而達(dá)到鹽水分離的效果。電滲析過程對(duì)不帶電荷的物質(zhì)如有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、懸浮物等無脫出能力，因此ED法不適用于淡化制備飲用水[2]。

通過對(duì)RO法和ED法海水淡化技術(shù)的分析，膜法海水淡化技術(shù)難以使出水水質(zhì)達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，具有預(yù)處理工藝復(fù)雜、膜更換周期較短、使用過程中產(chǎn)生新的固體廢棄物等缺陷。而熱法海水淡化技術(shù)，技術(shù)成熟、出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備維護(hù)方便，在大型的海水淡化工程中廣泛應(yīng)用。

1.2 熱法的對(duì)比分析

目前，低溫多效蒸餾、多級(jí)閃蒸和機(jī)械式壓汽蒸發(fā)（Mechanical Vapor Recompression，MVR）三種熱力蒸發(fā)濃縮技術(shù)是研究應(yīng)用最廣泛的節(jié)能技術(shù)，而國(guó)內(nèi)外海水淡化工程中廣泛應(yīng)用的熱法海水淡化技術(shù)主要是多級(jí)閃蒸和低溫多效蒸餾。因此，本文從原理上對(duì)三種熱法進(jìn)行分析，溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不會(huì)揮發(fā)，進(jìn)料中的溶質(zhì)將會(huì)全部進(jìn)入完成液。故溶質(zhì)的物料衡算為：

式中，F(xiàn)為溶液的進(jìn)料量，kg/h；W為水分蒸發(fā)量，kg/h；L為完成液流量，kg/h；x0為料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x為完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

當(dāng)加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出時(shí)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，由熱量衡算可得：

式中，D為加熱蒸汽的消耗量，kg/h；QL為熱損失，kJ/kg；h0為料液的焓，kJ/kg；h為完成液的焓，kJ/kg；hs為加熱器中冷凝水的焓，kJ/kg；Hs為加熱蒸汽的焓，kJ/kg；H為二次蒸汽的焓，kJ/kg。

1.2.1 低溫多效蒸餾

低溫多效蒸餾的原理是將蒸餾產(chǎn)生的二次蒸汽作為加熱蒸汽來對(duì)下一效的料液進(jìn)行加熱，料液在壓力和沸點(diǎn)均更低的下一效蒸發(fā)器中蒸發(fā)，產(chǎn)生新的二次蒸汽，依次向下一效蒸發(fā)器不斷加熱蒸發(fā)，使蒸發(fā)所消耗的熱能充分得到再利用，以降低能耗。對(duì)于多效蒸餾，第一效的熱源為新鮮蒸汽，下一效充當(dāng)了上一效的冷凝器，而上一效產(chǎn)生的蒸汽在下一效冷凝。

裝置的產(chǎn)水量是各效產(chǎn)生蒸餾水量（水分蒸發(fā)量）的累計(jì)，即：

式中，m表示蒸餾水量，下標(biāo)1～N為效數(shù)。

忽略閃蒸、過熱和熱損失，每效冷凝/蒸發(fā)單元的換熱量由蒸餾水量和氣化潛熱決定，即：

根據(jù)能量守恒原理，所有效冷凝/蒸發(fā)單元的換熱量都是相等的，因此式（8）成立，即：

式中，QEvap為蒸發(fā)熱流量，kJ/s。

結(jié)合式（8），多效蒸餾裝置的單位熱量需求為：

使用平均蒸發(fā)熱代替各個(gè)蒸發(fā)熱參數(shù)，則多效蒸餾裝置的單位能耗為：

式中，Tv,m為平均蒸發(fā)溫度，K。

1.2.2 多級(jí)閃蒸

閃蒸是指一定溫度的液體在環(huán)境壓力低于該溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)發(fā)生的驟然蒸發(fā)現(xiàn)象。閃蒸后的液體溫度降低以使其飽和蒸汽壓與環(huán)境壓力平衡。多級(jí)閃蒸就是利用了這個(gè)原理，使加熱至一定溫度的料液進(jìn)入一系列壓力逐漸降低的閃蒸室閃蒸氣化，從而使料液濃縮溫度降低，蒸汽冷凝后得到淡水。在熱回收階段，料液依次流經(jīng)閃蒸室中的換熱器，與各室閃蒸出來的二次蒸汽進(jìn)行熱交換而得到進(jìn)一步的加熱，同時(shí)使蒸汽冷凝下來。通過不斷向下一級(jí)的遞進(jìn)，蒸汽冷凝釋放出來的潛熱能夠被充分利用。與多效蒸餾相同的是，第一級(jí)的加熱熱源都為新鮮蒸汽。

從熱力學(xué)角度出發(fā)，多級(jí)閃蒸與多效蒸餾的原理相同，而與多效蒸餾不同的是：多效蒸餾的換熱過程是沸騰和冷凝傳熱，是相變傳熱，因此傳熱系數(shù)很高，總的來說，多效蒸餾所用的傳熱面積比多級(jí)閃蒸少；多效蒸餾通常是一次通過式的蒸發(fā)，不像多級(jí)閃蒸那樣大量的液體在設(shè)備內(nèi)循環(huán)，因此動(dòng)力消耗較少；多效蒸餾的濃縮比高，彈性大。

多級(jí)閃蒸原海水通過換熱器回收每一級(jí)產(chǎn)生的二次蒸汽及濃液的熱量，進(jìn)入加熱器，加熱的熱量由生蒸汽提供。生蒸汽的溫度越高，多級(jí)閃蒸的級(jí)數(shù)越多，但原海水硬度較大，溫度越高，蒸發(fā)過程中污垢越容易沉積在傳熱管表面，為避免加熱器表面結(jié)垢，鹽水的最高溫度一般不超過120℃[3]。

1.2.3 機(jī)械式壓汽蒸發(fā)（MVR）

MVR技術(shù)是將壓縮功轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽的內(nèi)能，使其溫度升高成為飽和蒸汽，再利用高溫高壓的蒸汽作為熱源，加熱物料使其部分蒸發(fā)，蒸汽冷凝生成淡水實(shí)現(xiàn)鹽水分離的過程[4]。MVR蒸發(fā)出來的二次蒸汽，具有較高的能量，而MVR充分利用這部分熱量，通過蒸汽壓縮機(jī)再壓縮，只需提供少量的機(jī)械能以提高二次蒸汽顯熱。此部分單位質(zhì)量機(jī)械功為：

式中，Nt為壓縮機(jī)功率，kW；qve為壓縮機(jī)入口單位時(shí)間體積流量，m3/s；n為多變系數(shù)；P1為壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，kPa；P2為壓縮機(jī)出口壓力，kPa。

從熱力學(xué)角度分析，MVR技術(shù)與多效蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸的本質(zhì)區(qū)別在于前者以壓縮機(jī)壓縮二次蒸汽提高熱焓作為整個(gè)系統(tǒng)的熱源，即壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供了能量，而后兩者則是由生蒸汽作為熱源。系統(tǒng)中其他的設(shè)備、能耗大都一樣，因此在單位處理量同等的條件下，MVR技術(shù)要更加節(jié)能。

通過對(duì)上述三種熱法的熱力學(xué)原理分析，現(xiàn)以海水淡化工程中廣泛應(yīng)用的低溫多效蒸發(fā)和多級(jí)閃蒸的條件進(jìn)行能耗的對(duì)比。以低溫多效蒸餾10效，多級(jí)閃蒸10級(jí)，濃縮倍數(shù)為1.4倍左右，沸點(diǎn)升高0.8℃，傳熱溫差3.5℃。蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)出口的溫度差取5℃，蒸汽的多變指數(shù)n可以看作常數(shù)1.329，按蒸發(fā)溫度為70℃，蒸汽壓縮機(jī)的效率為80%，壓縮比為1.238。按上述條件將多效蒸發(fā)與多級(jí)閃蒸消耗的生蒸汽以電耗換算，在物料沸點(diǎn)升高、濃縮倍數(shù)相同，單位時(shí)間蒸發(fā)水量也相同的條件下，MVR技術(shù)單位時(shí)間的能耗要比10效的多效蒸餾、10級(jí)的多級(jí)閃蒸小得多，并且MVR技術(shù)還具有占地面積小、僅需電能等優(yōu)勢(shì)。因此，MVR技術(shù)在海水淡化工程領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的市場(chǎng)。

2 基于MVR的海水淡化工藝

2.1 海水水質(zhì)分析

海水是一種溶解有多種無機(jī)鹽、有機(jī)物和氣體，并含有許多懸浮物質(zhì)的混合液體。就大多數(shù)海水而言，溶解無機(jī)鹽的總含量約占3.5%，這就使海水的一些物理性質(zhì)與純水相比有許多差異[3]。海水中的溶解性總固體、鹽分的含量越高，其滲透壓越大，沸點(diǎn)升高越大，對(duì)膜法的壓力和熱法的有效傳熱溫差都有一定的影響；有機(jī)物含量對(duì)膜法海水淡化技術(shù)影響較大，會(huì)對(duì)膜的表面形成污染，降低膜的分離性能和使用壽命。

我國(guó)海水水質(zhì)的變化浮動(dòng)較大，隨取水地點(diǎn)的不同，其海水水質(zhì)不同。其中，氯化物含量在10000 mg/L以上，溶解性總固體在20000 mg/L以上，硫酸鹽含量也較高，特別應(yīng)該注意的是硼含量，雖然含量不算太高，但難以處理。尤其對(duì)于RO處理工藝，處理后水質(zhì)中硼含量容易超標(biāo)。因此，本文以MVR技術(shù)為核心，結(jié)合常規(guī)的沉砂和混凝沉淀的預(yù)處理工藝，提出一種基于MVR的海水淡化工藝。

2.2 工藝流程

基于MVR的海水淡化工藝流程簡(jiǎn)單，分為三個(gè)工藝段，即海水取水、預(yù)處理、MVR蒸發(fā)。取水的地點(diǎn)不同，其海水水質(zhì)變化較大，因此本文以海水水質(zhì)的最大值進(jìn)行處理研究，不考慮取水對(duì)處理工藝的影響。由于原海水中含有大量的懸浮物、膠體、鐵錳鹽、硬度、溶解性氣體、細(xì)菌和藻類等有害物質(zhì)，為了防止海水淡化設(shè)備結(jié)垢、腐蝕，本文選用技術(shù)工藝成熟、處理效果顯著、成本較低的常規(guī)沉砂和混凝預(yù)處理工藝。

首先，原海水經(jīng)泵進(jìn)入沉砂池，能夠有效地去除海水中粒徑大于0.2 mm的大顆粒砂粒，從而使管道、閥門等設(shè)備免受磨損和堵塞；然后，由泵進(jìn)入混凝沉淀池，采用高分子的有機(jī)絮凝劑PAM和無機(jī)絮凝劑FeCl3，具有不受溫度的影響、形成結(jié)實(shí)的大顆粒、沉降速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效快速地去除原海水中的膠體、懸浮物、雜質(zhì)，降低濁度、硬度，完全能夠滿足MVR蒸發(fā)器進(jìn)水水質(zhì)的要求；最后，由泵提供動(dòng)力進(jìn)入MVR蒸發(fā)器，通過不斷的換熱、蒸發(fā)、濃縮，不僅能夠?qū)⒍握羝?jīng)過蒸汽壓縮機(jī)壓縮成高能量的蒸汽返回蒸發(fā)器內(nèi)部給海水加熱，使海水繼續(xù)蒸發(fā)，而自身冷凝成淡水，而且通過熱交換器回收系統(tǒng)淡水和濃水的熱量，實(shí)現(xiàn)熱量的充分利用。

3 工藝處理效果的預(yù)計(jì)

3.1 工藝參數(shù)的選取

3.1.1 蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響

隨著蒸發(fā)溫度的升高，二次蒸汽溫度升高，比體積降低；在單位處理量即質(zhì)量流量恒定的條件下，體積流量減小；在溫升為5℃、壓比幾乎不變的情況下，隨著溫度的升高，壓縮機(jī)功耗成近乎呈線性降低。對(duì)于單位的海水淡化量，其他設(shè)備的能耗都是相同的，因此從能耗角度分析，蒸發(fā)溫度越高越好。

3.1.2 蒸發(fā)溫度對(duì)結(jié)垢的影響

由于海水含有微量的鈣離子和少量的SO42-，而CaSO4在鹽水體系中溶解度較小的鹽分隨著溫度、濃度的變化易在管道中沉積結(jié)垢，MVR技術(shù)對(duì)蒸發(fā)溫度選取主要是為了抑制海水中CaSO4垢的析出。硫酸鈣不溶于酸也不容于堿，而且與換熱面結(jié)合牢固，成垢后很難去除。相關(guān)研究表明，在基于Aspen plus軟件模擬計(jì)算水鹽體系溶解度中建立水鹽體系的溶解度模型，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)誤差較小[5]。

本文運(yùn)用Aspen plus化工流程模擬軟件對(duì)CaSO4的溶解度進(jìn)行模擬，并與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比建立數(shù)學(xué)模型，可以得出，隨著溫度的升高，CaSO4的溶解度降低，而硫酸鈣有三種晶體，分別為CaSO4·2H2O、CaSO4和CaSO4·1/2H2O。當(dāng)海水的濃縮倍數(shù)高于2、溫度超過70℃時(shí)，硫酸鈣可以以不同的形式結(jié)晶沉淀。平均每1 kg海水中含有鈣離子0.412 g，假設(shè)其完全成為硫酸鈣沉淀1.4008 g/每1 kg海水，另外海水與水的密度基本相當(dāng)，若使硫酸鈣完全不沉淀結(jié)垢，則其濃縮倍數(shù)應(yīng)小于等于1.4；結(jié)合溫度對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響綜合考慮，濃縮倍數(shù)取1.4，蒸發(fā)溫度適宜為70℃。

3.2 處理水質(zhì)分析

經(jīng)過沉砂和混凝沉淀的預(yù)處理后，能夠去除海水約20%的濁度，使色度澄清50%，并使硬度減少20%左右，不僅有效地去除了懸浮物、雜質(zhì)、膠體等大顆粒物質(zhì)，還能去除COD，使水質(zhì)完全達(dá)到MVR蒸發(fā)器的進(jìn)水要求。經(jīng)過MVR蒸發(fā)器處理后的出水水質(zhì)色度在5以下，溶解性總固體在10 mg/L以下，氯化物和硫酸鹽等鹽分的沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于水，因此其在出水中幾乎不存在，處理后水質(zhì)完全達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 能耗對(duì)比分析

通過對(duì)膜法、熱法（多效蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸和MVR技術(shù)）海水淡化技術(shù)的研究，以20年為期，筆者對(duì)其操作溫度、出水水質(zhì)、工藝的復(fù)雜程度等，以及運(yùn)行成本、設(shè)備費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用等折合成噸水的處理成本進(jìn)行了對(duì)比分析。

膜法海水淡化技術(shù)具有處理成本最低的優(yōu)點(diǎn)，但是處理后水質(zhì)難以達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，工藝復(fù)雜，膜的更換周期短，不能二次利用，會(huì)造成一定的浪費(fèi)和環(huán)境污染。三種熱法海水淡化技術(shù)處理后，水質(zhì)都能達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，工藝簡(jiǎn)單，金屬材料能夠回收利用，但是處理成本較高，其中MVR技術(shù)成本最低。將MVR技術(shù)與膜法單獨(dú)比較，其成本相當(dāng)或MVR稍高，但出水水質(zhì)相差較大。綜合比較，基于MVR的海水淡化技術(shù)是在出水水質(zhì)達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的前提下，能耗最低的海水淡化技術(shù)。

4 結(jié)論

通過分析目前廣泛應(yīng)用的膜法海水淡化工藝，其在處理后水質(zhì)達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的前提下，存在預(yù)處理工藝復(fù)雜、更換周期短、清洗困難、使用過程中產(chǎn)生新的固廢等缺陷。本文提出了基于MVR的海水淡化工藝，并對(duì)工藝流程、預(yù)計(jì)的處理效果進(jìn)行了研究分析，使出水水質(zhì)達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)工程中廣泛應(yīng)用的三種海水淡化技術(shù)進(jìn)行了單位成本、優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析，在出水水質(zhì)達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的前提下，基于MVR的海水淡化工藝節(jié)能性顯著。因此，MVR技術(shù)在未來海水淡化工程的高速發(fā)展中將擁有廣闊的市場(chǎng)前景，尤其是在沒有余熱的條件下，如在孤島的海上風(fēng)力發(fā)電等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。