赵平月 李纪龙 刘进峰

（山东裕龙石化有限公司，山东 龙口 265700）

0 引言

海水淡化技术作为淡水开源增量的技术，在应对全球水资源紧缺的过程中起到了不可替代的作用［1-5］。常用的海水淡化技术有多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）、反渗透技术（RO），以上3种技术在相关的工程领域已经获得较好的实际商业化效果，技术相对成熟，根据相关文献介绍，到2018年不完全统计，RO、MSF、MED技术应用分别占全球总产能的54%、31%、10%。从20世纪90年代中期开始，RO海水淡化年新增产能开始超过热法海水淡化技术。2013年开始全球累计已有海水淡化产能中，RO法超过总产能的一半。我国海水淡化技术中RO和MED占总产能的绝大部分，分别为63.6%和35.94%。未来很长时间内膜法海水淡化依旧是制取淡水的主要技术，设计优化手段仍应从膜的性能和能量替代方式等方面进行开展。

1 海水淡化工艺

1.1 海水淡化方法

1.1.1 多级闪蒸（MSF）。海水依次流过压力逐渐降低的闪蒸室，由于海水温度高于对应闪蒸室内饱和蒸汽温度，海水由此变为过热态，经过收集后冷凝成为淡水，充分利用了海水潜热的性能，是多效蒸馏易结垢的技术改革，在热法海水淡化中技术最为成熟，一般适用于较大规模制取淡水的工艺体系，工艺规模在2万m3/d～6万m3/d。但是耗电量较大，一般为3.5～4.4 kW·h［6］。海水通常需要被加热到90～115℃。MSF装置每生产8～10 kg淡水，需要l kg低压蒸汽［7］。

1.1.2 多效蒸馏（MED）。多效蒸馏是利用前一效海水蒸发出的淡水蒸气进一步蒸发后一效的海水，通过逐级蒸发过程降低能耗并提高产量，是热法海水淡化中较节能的方法之一，主要是利用水蒸气的汽化潜热，其特点是盐水的蒸发温度不超过70℃［8］，减缓了设备的腐蚀和结垢问题，同时由于使用了廉价传热材料，使得同样的投资规模可以安排更多的传热面积，即使在低温操作段也可以达到较高的造水比（可达到10）。多效蒸馏技术装置的规模一般为5 000～250 000 m3/d，且市场占有率为4%左右。

1.1.3 反渗透（RO）。反渗透法主要利用了膜的选择透过性和外加推动力联合作用，使得海水中的水透过反渗透膜，海水中的溶质被截留的过程。反渗透技术使用范围较为广泛，是20世纪60年代发展起来的一项以压力为驱动力的膜分离技术，70年代进入商业化应用。1 kg的蒸汽可以获得1～10 kg的淡水。为了得到更好的能源效益，蒸汽压缩（TVC）和机械蒸汽压缩（MVC）引进MED系统进行联合应用，通过蒸汽的回收和利用提高造水比。在海水淡化的工业应用领域MSF和MED也被联合使用，获得了较好的制水效果［9］。

3种海水淡化技术的比较情况如表1所示。

表1 3种海水淡化技术比较［10-11］

1.2 反渗透能耗

能量回收装置是膜法海水淡化系统中的关键部分，目前能量回收装置分为水力涡轮式和功交换式，水力涡轮式的能量转换方式为“压力能—机械能—压力能”，转换效率为40%～70%；功交换式的能量转换方式为“压力能—压力能”，转换效率为90%以上。功转换式的转换效率较高，但是装置目前依旧是国外垄断技术，所需费用较高，占膜法海水淡化总投资的10%～15%，国内的能量回收装置ER-CY和ER-DY一般仅应用于小规模的膜法海水淡化系统，目前费控的突破点在能量回收装置的技术突破和新能源的利用。近些年，深井势能在采矿等领域得到了实际应用，深井势能在海水淡化系统的应用将有效控制淡水生产成本，从根本上解决国内海水淡化造价高等难题。

我国海水淡化中的进水压力一般为5.0～6.0 MPa，膜组件中浓水的排放压力一般为4.6～5.5 MPa，SWRO的回收率一般为40%～45%，浓水中将会有55%～60%的能量可以被重新利用。根据美国ERI公司生产的PX能量回收中耗电量、膜通量、能量回收率之间的关系可知（见图1），膜通量越高耗电量整体越高，在膜通量为15 gfd，当能量回收装置的效率为40%～43%范围内变化时，耗电量较低为3 kW·h，当回收率在区间外时耗电量可以达到3.3 kW·h，所以即使对浓水中的能量进行了回收，海水淡化系统依旧投资较高，昂贵的进口设备费用和耗电量的投入占据了海水淡化系统的较大资金份额。我国万吨级以上海水淡化工程平均产水成本为6.95元/m3，千吨级海水淡化工程平均产水成本为8.15元/m3［12］。应用反渗透海水淡化工艺的海水淡化成本约为4.03～6.87元/m3，应用MED工艺的海水淡化成本约为5.61～7.36元/m3［13］。

图1 耗电和回收率的关系

2 深井势能的应用

深井势能作为大自然的清洁能源，近些年被广泛挖掘利用，提供如下两个案例作为参考，一是深井势能驱动矿山凿岩掘进，利用地面与凿岩掘进工作面之间的天然落差势能而产生的流体压力能，控制设备及流量调节装置后去驱动凿岩机械等掘进机械设备工作，同时通过废水回收处理装置将驱动凿岩机械等工作后的深井势能降低，代替了电能的消耗且安全环保；二是地表水势能的深井矿山辅助排水，深井势能驱动活塞连杆向下运动，通过齿轮传动使污水缸中的活塞向上运动，将污水提升，净水缸和污水缸均有进水和排水两个冲程，同一时间两个净水缸总是分别进行进水冲程和排水冲程，以及两个污水缸中总是分别进行进水冲程和排水冲程，使得装置连续进水并提升污水。装置将深井开采供水系统中来自地表的高势能水作为井下提升污水的动力来源，实现深井开采节能、降低成本的目的，且不影响井下用水水质。

目前山东省烟台市已经有实际应用案例，通过对海水自身重力的利用，在25 000 m3/d的项目中，由常规海水淡化耗电量4 kW·h、淡水成本4.6元/t，降至耗电量2.5 kW·h、淡水成本3.6元/t。

2.1 深井势能在海水淡化中的应用

2.1.1 膜法海水淡化的工艺说明。膜法海水淡化工艺包括进水预处理、膜前处理、膜后处理，膜前采用加入混凝剂和絮凝剂使得海水中的胶体、悬浮物被沉降去除，加入次氯酸钠对海水进行杀菌灭藻，浊度一般降至5 NTU以下。反渗透膜主要截留水体中的阴阳离子，当水体中的较大胶体、大分子有机物、藻类、细菌较多时会对反渗透膜造成污染和堵塞，所以在反渗透膜之前设置V型滤池和超滤装置对其进行膜前预处理，超滤膜的过滤精度一般为0.1 mm，超滤膜出水的污染指数SDI一般在3以下，减轻后续反渗透膜的处理负荷，延长膜的清洗周期。超滤水箱出水进入反渗透膜前加入阻垢剂并设置保安过滤器对水中的悬浮物进一步去除，加入还原剂对超滤出水中的余氯进行去除并通过氧化还原电位进行检测，加药处理的水自流进入深井系统，通过深井势能转化为压力能对反渗透膜进行加压，反渗透进水压力一般为5.0～6.0 MPa，浓水压力一般为4.6～5.0 MPa，浓水和产水分别通过管道及管道提升泵运至井上，浓水和循环水冷却水一同排入海洋，产水进入阳床、脱碳塔、阴床后的水为一级除盐水，SiO2浓度在100 μg/L以下，电导率在5 μs/cm以下；经过混床处理后的二级除盐水SiO2浓度在20 μg/L以下，电导率在0.2 μs/cm以下，二级除盐水用泵打入生产管网，反渗透膜的进水二级盐水在进入二级除盐水箱的水管要放低，防止水的硬度太低，在水降落过程中吸收二氧化碳导致电导率上升腐蚀管道。

2.1.2 过膜后压力分配。如图2所示，膜法海水淡化的进水压力较大，一般为4.77～4.78 MPa，浓水侧的残留压力一般为4.69～4.7 MPa，产水压力为0.079～0.080 MPa。由图2可知，海水经过反渗透膜后浓水侧的压力依旧较大，海水淡化产水只是损耗了少量压力，该部分压力的放弃导致资源的浪费，能量装换器的出现从一定角度实现了能量的再次利用，但是能量装换器的成本较高，从整体海水淡化成本考虑，海水淡化制水总价、单价都较高。

图2 反渗透膜的压力

2.1.3 压力和高度的关系。水柱为10.33 m时，压力为1 kg，即0.1 MPa，如表2所示，当高度为100 m时，压力为1 MPa；当高度为200 m时，压力为2 MPa；当高度为600 m时，压力为6 MPa。从表2反映的规律看出，压力随着高度的增大而增大，高度越大压力越大，所以可以根据高度和压力的正相关规律，利用其高度差对压力进行资源化利用。

表2 高度和压力的关系

2.1.4 深度和温度的关系。如表3所示，随着井深度的增加，井下环境的温度呈上升的趋势，当井深为600 m时，环境温度为18～37.5℃，当井深为1 000 m时，环境温度为100℃，反渗透膜的最低进膜温度为5～8℃，井下作业可以保证冬季反渗透膜也具有较好的制水效果，实际数据显示，不会因为井底温度随深度的变化对膜过滤性能产生影响。并且膜法海水淡化的最佳膜性能的温度范围为20～40℃，地深在1 000 m时膜温度正好在25～50℃的温度区间内。

表3 地深和温度的关系

2.1.5 深井势能用于海水淡化。如图3所示，系统包括一深井，深井底部设有反渗透膜装置，反渗透膜装置顶部连接一进水管道，进水管道入水口位于深井口之上，反渗透膜装置左侧连接有淡水出水管，右侧孔连接有浓水出水管，淡水出水管和浓水出水管出口位于深井之上，淡水出水管上设有淡水潜水泵，浓水出水管上设有浓水出水泵，淡水出水管上位于反渗透膜装置与淡水潜水泵之间，以及浓水出水管上位于反渗透膜装置与浓水潜水泵之间，分别设有单向阀，根据海水通过反渗透膜压力削减规律，井深设计为800 m，淡水潜水泵距井口位置为500 m，浓水潜水泵距井口位置为100 m。设计海水的渗透压为6 MPa，当水柱为10.33 m时，压力为1 kg，即为0.1 MPa，所以6 MPa的压力大概需要619.8 m的水柱，所以深井中反渗透膜进水管道长度设计为600 m，浓水侧的压力为5.0 MPa，即500 m，浓水通过低压泵距离井口100 m进行提升方可，浓水管道提升泵距离井口设置100 m，产水侧的压力不大于1 MPa，即小于100 m，所以淡水侧低压泵取水口距离井口的距离至500 m。利用深井势能，对膜法海水淡化中的高压泵及能量交换装置进行替代，同时获得较大经济效益和环境效益。

图3 深井势能用于海水淡化

2.1.6 浓海水排放。在项目整体部署中浓海水和闭式循环水等装置产生的温海水于装置红线外进行混合，通过母管进行深海排放，在排放过程中严格控制排水含盐量及排水温度，根据海洋生态系统对盐分的要求及各地区的海水温升的不同合规排放，保证排水不影响海洋生物的生长繁殖。

3 结论

①海水淡化技术多达20余种，被商业化应用的方法主要有多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）、反渗透技术（RO）等，近些年，海水淡化技术领域反渗透海水淡化方法市场占有额达一半以上。海水淡化技术浓水中55%～60%的能量在浓水侧，目前美国公司的PX能量交换器使用广泛，但是价格昂贵，能源耗费较大。

②深井势能是大自然的清洁能源，逐渐被人类在各种领域进行开采利用，考虑RO反渗透较大能量耗费，提出深井势能用于海水淡化系统，设计膜前管道长600 m，浓水侧提升泵距离井口100 m，淡水侧提升泵距离井口500 m，淡水出水再经过井上部分的阳床、除碳器、阴床、混床成为二级除盐水。摆脱对进口设备的依赖，并减少了电能的消耗，同时获得了经济效益和环境效益，具有较可观的市场前景。