深井勢能在膜法海水淡化中的應用

趙平月 李紀龍 劉進峰

（山東裕龍石化有限公司，山東 龍口 265700）

0 引言

海水淡化技術作為淡水開源增量的技術，在應對全球水資源緊缺的過程中起到了不可替代的作用［1-5］。常用的海水淡化技術有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）、反滲透技術（RO），以上3種技術在相關的工程領域已經獲得較好的實際商業化效果，技術相對成熟，根據相關文獻介紹，到2018年不完全統計，RO、MSF、MED技術應用分別占全球總產能的54%、31%、10%。從20世紀90年代中期開始，RO海水淡化年新增產能開始超過熱法海水淡化技術。2013年開始全球累計已有海水淡化產能中，RO法超過總產能的一半。我國海水淡化技術中RO和MED占總產能的絕大部分，分別為63.6%和35.94%。未來很長時間內膜法海水淡化依舊是制取淡水的主要技術，設計優化手段仍應從膜的性能和能量替代方式等方面進行開展。

1 海水淡化工藝

1.1 海水淡化方法

1.1.1 多級閃蒸（MSF）。海水依次流過壓力逐漸降低的閃蒸室，由于海水溫度高于對應閃蒸室內飽和蒸汽溫度，海水由此變為過熱態，經過收集后冷凝成為淡水，充分利用了海水潛熱的性能，是多效蒸餾易結垢的技術改革，在熱法海水淡化中技術最為成熟，一般適用于較大規模制取淡水的工藝體系，工藝規模在2萬m3/d～6萬m3/d。但是耗電量較大，一般為3.5～4.4 kW·h［6］。海水通常需要被加熱到90～115℃。MSF裝置每生產8～10 kg淡水，需要l kg低壓蒸汽［7］。

1.1.2 多效蒸餾（MED）。多效蒸餾是利用前一效海水蒸發出的淡水蒸氣進一步蒸發后一效的海水，通過逐級蒸發過程降低能耗并提高產量，是熱法海水淡化中較節能的方法之一，主要是利用水蒸氣的汽化潛熱，其特點是鹽水的蒸發溫度不超過70℃［8］，減緩了設備的腐蝕和結垢問題，同時由于使用了廉價傳熱材料，使得同樣的投資規模可以安排更多的傳熱面積，即使在低溫操作段也可以達到較高的造水比（可達到10）。多效蒸餾技術裝置的規模一般為5 000～250 000 m3/d，且市場占有率為4%左右。

1.1.3 反滲透（RO）。反滲透法主要利用了膜的選擇透過性和外加推動力聯合作用，使得海水中的水透過反滲透膜，海水中的溶質被截留的過程。反滲透技術使用范圍較為廣泛，是20世紀60年代發展起來的一項以壓力為驅動力的膜分離技術，70年代進入商業化應用。1 kg的蒸汽可以獲得1～10 kg的淡水。為了得到更好的能源效益，蒸汽壓縮（TVC）和機械蒸汽壓縮（MVC）引進MED系統進行聯合應用，通過蒸汽的回收和利用提高造水比。在海水淡化的工業應用領域MSF和MED也被聯合使用，獲得了較好的制水效果［9］。

3種海水淡化技術的比較情況如表1所示。

表1 3種海水淡化技術比較［10-11］

1.2 反滲透能耗

能量回收裝置是膜法海水淡化系統中的關鍵部分，目前能量回收裝置分為水力渦輪式和功交換式，水力渦輪式的能量轉換方式為“壓力能—機械能—壓力能”，轉換效率為40%～70%；功交換式的能量轉換方式為“壓力能—壓力能”，轉換效率為90%以上。功轉換式的轉換效率較高，但是裝置目前依舊是國外壟斷技術，所需費用較高，占膜法海水淡化總投資的10%～15%，國內的能量回收裝置ER-CY和ER-DY一般僅應用于小規模的膜法海水淡化系統，目前費控的突破點在能量回收裝置的技術突破和新能源的利用。近些年，深井勢能在采礦等領域得到了實際應用，深井勢能在海水淡化系統的應用將有效控制淡水生產成本，從根本上解決國內海水淡化造價高等難題。

我國海水淡化中的進水壓力一般為5.0～6.0 MPa，膜組件中濃水的排放壓力一般為4.6～5.5 MPa，SWRO的回收率一般為40%～45%，濃水中將會有55%～60%的能量可以被重新利用。根據美國ERI公司生產的PX能量回收中耗電量、膜通量、能量回收率之間的關系可知（見圖1），膜通量越高耗電量整體越高，在膜通量為15 gfd，當能量回收裝置的效率為40%～43%范圍內變化時，耗電量較低為3 kW·h，當回收率在區間外時耗電量可以達到3.3 kW·h，所以即使對濃水中的能量進行了回收，海水淡化系統依舊投資較高，昂貴的進口設備費用和耗電量的投入占據了海水淡化系統的較大資金份額。我國萬噸級以上海水淡化工程平均產水成本為6.95元/m3，千噸級海水淡化工程平均產水成本為8.15元/m3［12］。應用反滲透海水淡化工藝的海水淡化成本約為4.03～6.87元/m3，應用MED工藝的海水淡化成本約為5.61～7.36元/m3［13］。

圖1 耗電和回收率的關系

2 深井勢能的應用

深井勢能作為大自然的清潔能源，近些年被廣泛挖掘利用，提供如下兩個案例作為參考，一是深井勢能驅動礦山鑿巖掘進，利用地面與鑿巖掘進工作面之間的天然落差勢能而產生的流體壓力能，控制設備及流量調節裝置后去驅動鑿巖機械等掘進機械設備工作，同時通過廢水回收處理裝置將驅動鑿巖機械等工作后的深井勢能降低，代替了電能的消耗且安全環保；二是地表水勢能的深井礦山輔助排水，深井勢能驅動活塞連桿向下運動，通過齒輪傳動使污水缸中的活塞向上運動，將污水提升，凈水缸和污水缸均有進水和排水兩個沖程，同一時間兩個凈水缸總是分別進行進水沖程和排水沖程，以及兩個污水缸中總是分別進行進水沖程和排水沖程，使得裝置連續進水并提升污水。裝置將深井開采供水系統中來自地表的高勢能水作為井下提升污水的動力來源，實現深井開采節能、降低成本的目的，且不影響井下用水水質。

目前山東省煙臺市已經有實際應用案例，通過對海水自身重力的利用，在25 000 m3/d的項目中，由常規海水淡化耗電量4 kW·h、淡水成本4.6元/t，降至耗電量2.5 kW·h、淡水成本3.6元/t。

2.1 深井勢能在海水淡化中的應用

2.1.1 膜法海水淡化的工藝說明。膜法海水淡化工藝包括進水預處理、膜前處理、膜后處理，膜前采用加入混凝劑和絮凝劑使得海水中的膠體、懸浮物被沉降去除，加入次氯酸鈉對海水進行殺菌滅藻，濁度一般降至5 NTU以下。反滲透膜主要截留水體中的陰陽離子，當水體中的較大膠體、大分子有機物、藻類、細菌較多時會對反滲透膜造成污染和堵塞，所以在反滲透膜之前設置V型濾池和超濾裝置對其進行膜前預處理，超濾膜的過濾精度一般為0.1 mm，超濾膜出水的污染指數SDI一般在3以下，減輕后續反滲透膜的處理負荷，延長膜的清洗周期。超濾水箱出水進入反滲透膜前加入阻垢劑并設置保安過濾器對水中的懸浮物進一步去除，加入還原劑對超濾出水中的余氯進行去除并通過氧化還原電位進行檢測，加藥處理的水自流進入深井系統，通過深井勢能轉化為壓力能對反滲透膜進行加壓，反滲透進水壓力一般為5.0～6.0 MPa，濃水壓力一般為4.6～5.0 MPa，濃水和產水分別通過管道及管道提升泵運至井上，濃水和循環水冷卻水一同排入海洋，產水進入陽床、脫碳塔、陰床后的水為一級除鹽水，SiO2濃度在100 μg/L以下，電導率在5 μs/cm以下；經過混床處理后的二級除鹽水SiO2濃度在20 μg/L以下，電導率在0.2 μs/cm以下，二級除鹽水用泵打入生產管網，反滲透膜的進水二級鹽水在進入二級除鹽水箱的水管要放低，防止水的硬度太低，在水降落過程中吸收二氧化碳導致電導率上升腐蝕管道。

2.1.2 過膜后壓力分配。如圖2所示，膜法海水淡化的進水壓力較大，一般為4.77～4.78 MPa，濃水側的殘留壓力一般為4.69～4.7 MPa，產水壓力為0.079～0.080 MPa。由圖2可知，海水經過反滲透膜后濃水側的壓力依舊較大，海水淡化產水只是損耗了少量壓力，該部分壓力的放棄導致資源的浪費，能量裝換器的出現從一定角度實現了能量的再次利用，但是能量裝換器的成本較高，從整體海水淡化成本考慮，海水淡化制水總價、單價都較高。

圖2 反滲透膜的壓力

2.1.3 壓力和高度的關系。水柱為10.33 m時，壓力為1 kg，即0.1 MPa，如表2所示，當高度為100 m時，壓力為1 MPa；當高度為200 m時，壓力為2 MPa；當高度為600 m時，壓力為6 MPa。從表2反映的規律看出，壓力隨著高度的增大而增大，高度越大壓力越大，所以可以根據高度和壓力的正相關規律，利用其高度差對壓力進行資源化利用。

表2 高度和壓力的關系

2.1.4 深度和溫度的關系。如表3所示，隨著井深度的增加，井下環境的溫度呈上升的趨勢，當井深為600 m時，環境溫度為18～37.5℃，當井深為1 000 m時，環境溫度為100℃，反滲透膜的最低進膜溫度為5～8℃，井下作業可以保證冬季反滲透膜也具有較好的制水效果，實際數據顯示，不會因為井底溫度隨深度的變化對膜過濾性能產生影響。并且膜法海水淡化的最佳膜性能的溫度范圍為20～40℃，地深在1 000 m時膜溫度正好在25～50℃的溫度區間內。

表3 地深和溫度的關系

2.1.5 深井勢能用于海水淡化。如圖3所示，系統包括一深井，深井底部設有反滲透膜裝置，反滲透膜裝置頂部連接一進水管道，進水管道入水口位于深井口之上，反滲透膜裝置左側連接有淡水出水管，右側孔連接有濃水出水管，淡水出水管和濃水出水管出口位于深井之上，淡水出水管上設有淡水潛水泵，濃水出水管上設有濃水出水泵，淡水出水管上位于反滲透膜裝置與淡水潛水泵之間，以及濃水出水管上位于反滲透膜裝置與濃水潛水泵之間，分別設有單向閥，根據海水通過反滲透膜壓力削減規律，井深設計為800 m，淡水潛水泵距井口位置為500 m，濃水潛水泵距井口位置為100 m。設計海水的滲透壓為6 MPa，當水柱為10.33 m時，壓力為1 kg，即為0.1 MPa，所以6 MPa的壓力大概需要619.8 m的水柱，所以深井中反滲透膜進水管道長度設計為600 m，濃水側的壓力為5.0 MPa，即500 m，濃水通過低壓泵距離井口100 m進行提升方可，濃水管道提升泵距離井口設置100 m，產水側的壓力不大于1 MPa，即小于100 m，所以淡水側低壓泵取水口距離井口的距離至500 m。利用深井勢能，對膜法海水淡化中的高壓泵及能量交換裝置進行替代，同時獲得較大經濟效益和環境效益。

圖3 深井勢能用于海水淡化

2.1.6 濃海水排放。在項目整體部署中濃海水和閉式循環水等裝置產生的溫海水于裝置紅線外進行混合，通過母管進行深海排放，在排放過程中嚴格控制排水含鹽量及排水溫度，根據海洋生態系統對鹽分的要求及各地區的海水溫升的不同合規排放，保證排水不影響海洋生物的生長繁殖。

3 結論

①海水淡化技術多達20余種，被商業化應用的方法主要有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）、反滲透技術（RO）等，近些年，海水淡化技術領域反滲透海水淡化方法市場占有額達一半以上。海水淡化技術濃水中55%～60%的能量在濃水側，目前美國公司的PX能量交換器使用廣泛，但是價格昂貴，能源耗費較大。

②深井勢能是大自然的清潔能源，逐漸被人類在各種領域進行開采利用，考慮RO反滲透較大能量耗費，提出深井勢能用于海水淡化系統，設計膜前管道長600 m，濃水側提升泵距離井口100 m，淡水側提升泵距離井口500 m，淡水出水再經過井上部分的陽床、除碳器、陰床、混床成為二級除鹽水。擺脫對進口設備的依賴，并減少了電能的消耗，同時獲得了經濟效益和環境效益，具有較可觀的市場前景。