只健强 郭民臣 赵朦 刘新利 张宇

ZHI Jian-qiang1GUO Min-chen2ZHAO meng2LIU Xin-li1ZHANG yu1

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华北电力大学 北京 102206 1 State Grid Tianjin Electric Power Research Institute,Tianjin,China,300384;2 North China Electric Power University,Beijing,China,102206）

热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价

Thermal Economic Evaluation of Hybrid Seawater Desalination System

只健强1郭民臣2赵朦2刘新利1张宇1

ZHI Jian-qiang1GUO Min-chen2ZHAO meng2LIU Xin-li1ZHANG yu1

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华北电力大学 北京 102206 1 State Grid Tianjin Electric Power Research Institute,Tianjin,China,300384;2 North China Electric Power University,Beijing,China,102206）

对规模为10000t/d的独立反渗透(RO)膜法海水淡化系统和独立低温多效蒸馏系统(MED)进行了产水及经济性分析；将热法低温多效蒸馏海水淡化系统与膜法反渗透海水淡化系统进行集成得到MED-RO热膜耦合海水淡化系统，并以膜法与热法的产水分配比为优化参数对该耦合系统进行了产水特性及经济性分析与优化，得出耦合海水淡化系统中产水浓度随着产水比的增大而增大，制水成本随着产水比的增大而减小，当产水比为1.2时，产水浓度为297.47mg/L，制水成本为0.7174$/t，热膜耦合法海水淡化系统得到最佳产水特性和最优经济性。

热膜耦合；海水淡化；低温多效蒸馏；反渗透；经济性评价

Abstract:The paperanalyzed water production and economy of the reverse osmosis membrane desalination system and low temperature multi-effective distillation(MED)which scale is 10000 t/d.MED-RO thermal desalination membrane coupling system was established by combing the low-temperature multi-effect distillation desalination system with the reverse osmosis desalination system in this paper.Water production performance analysis and economic evaluation of the MED-RO thermal desalination membrane coupling system has been made through optimizing producing water ratio of membrane method and thermal method.The final analysis conclusion is that water production concentration of thermal desalination membrane coupling system increased with the increase of producing water ratio,and cost of water decreases with the increase of producing water ratio.When the producing water ratio is 1.2,the water production concentration is 297.47mg/L,and cost of water is 0.7174$/t,at the same time,thermal membrane coupling method in seawater desalination system obtain optimal water production characteristics and optimal efficiency.

Keywords:thermal membrane coupled，seawater desalination，low temperature multi-effect distillaton，reverse osmosis，economic evaluation

1 引言

1.1 背景

淡水资源紧缺问题已经成为困扰世界各国经济和社会发展的一个重要因素。为保证人们正常的生产生活，寻找新水源，解决淡水危机是目前世界各国面临的重要问题。目前解决水资源问题最直接有效的途径就是海水淡化。国内外主要采用的海水淡化法包括反渗透法，电渗析法和蒸馏法，蒸馏法又包括多效蒸馏法和多级闪蒸法。应用于大规模生产的海水淡化技术主要是反渗透（RO）、低温多效蒸馏（MED）和多级闪蒸（MSF）。其中，多级闪蒸和低温多效蒸馏海水淡化技术又称为热法海水淡化技术，反渗透海水淡化技术称为膜法海水淡化技术。热法海水淡化具有海水利用效率低，冷却水会带走余热，淡化水温度过高且含盐量较低，海水蒸发温度较高导致设备存在结垢的风险，系统淡水产量受加热蒸汽的影响较大等缺点。而膜法的缺点是进料海水的温度会严重影响反渗透膜通量的大小，当进料海水温度升高时，反渗透膜通量增大，产水浓度增大。分析可见，热法和膜法海水淡化技术具有一定的互补性，若能将热法与膜法两种技术相结合，不仅可以充分发挥热法与膜法各自的优势，也能克服热法与膜法各自的缺点，达到更好地利用海水和热量、减少进料海水流量及排放热量、降低产水浓度的目的。同时也能在很大程度上降低系统的投资成本和运行成本，减少海水淡化制水成本和能耗，具有更为可观的经济效益。

1.2 研究现状

长期以来，为了优化海水淡化系统，以实现最低制水成本和最高能量利用效率，国内外众多专家学者对海水淡化技术改进与系统优化设计做了大量研究。El-Dessouky和Alttouney通过建立数学模型发现，利用吸收式热泵和多效蒸馏结合可达到很高的造水比[1]；H.J.See，VS.Vassiliadis 在 M.M.El-Halwagi，N.GVoros,A.Malek等基于对反渗透工艺系统的研究设计，对考虑膜污染在内的反渗透系统设计和膜组件清洗策略问题进行了研究，提出了膜污染的数学模型[2]；A．Messineot等提出了将能量回收应用于海水淡化，利用能量回收利用的方式与海水淡化耦合系统相结合，以海水淡化系统制水成本为目标，对耦合系统的各项投资进行分析计算，结果显示该设计不仅能提高能量利用效率，降低环境污染，还能降低海水淡化制水成本[3]；Tanvir M S等对采用贯流型的多级闪蒸系统代替传统的盐水循环多级闪蒸系统的可行性进行了分析，得出结论为只有当闪蒸级数达到40级以上时，贯流型才会显示其优势[4]；Sergio Mussati等建立了多级闪蒸海水淡化系统产水和经济性计算模型，并对多级闪蒸系统进行了系统优化，对闪蒸级数、加热蒸汽流量、及闪蒸室参数对系统造水比及制水成本的影响进行了研究分析[5]；Nicolas Scenna等对海水淡化多级闪蒸系统提出了MINLP数学模型，并以系统的年产水费用为优化目标对系统进行了经济性分析，得出了多级闪蒸海水淡化系统的操作和运行维护费用对系统的产水量有较大影响[6]；Mohamed Abduljawad等以不同淡水产量下的多级闪蒸的最大造水比为优化目标建立了系统产水模型，并利用Microsoft Excel对系统进行优化求解，得出结论为针对不同规模的多级闪蒸海水淡化系统，进料海水温度越高，系统产水性能越好[7]。

魏巍对低温多效蒸馏海水淡化系统做了详细介绍，并与其他海水淡化技术在投资、能耗等方面做比较，分析了低温多效蒸馏海水淡化系统未来发展方向与趋势[8]；杜宇等建立了低温多效海水淡化系统的数学模型和制水成本的计算模型，对水电热三联产做了产水特性和经济性分析[9]；沈胜强等将海水淡化与发电厂相结合，应用等效焓降理论对与电厂结合的低温多效蒸馏海水淡化耦合系统进行了深入研究，计算得出了系统的产水成本与加热抽汽对发电厂的影响[10]；伍联营等引入混合节点和分配节点的概念，建立了多级闪蒸和反渗透海水淡化耦合系统的超结构模型，并以系统产水年费用最小为目标，以产水比为优化变量，采用改进的遗传算法对耦合系统的超结构模型进行求解，获得了集成系统的最优结构及相应的操作条件[11]；姜晓霞建立了带有热力蒸汽压缩器的低温多效蒸馏海水淡化系统数学模型，并编制出了低温多效蒸馏海水淡化系统热力计算程序[12]；王永青对低温多效压汽蒸馏系统进行了热力学分析，得出了各重要参数对系统性能的影响[13]；周士鹤等在建立低温多效蒸馏海水淡化系统数学模型时考虑了阻力损失，确定了阻力损失对传热温差的影响[14]。

海水淡化越来越多地呈现出向大规模的发展趋势，工厂规模和单机容量均向着大型化方向发展，未来海水淡化的发展趋势主要为：

（1）降低海水淡化制水成本；

（2）与发电厂结合实现水电联产；

（3）系统装置规模逐渐扩大，实现标准化设计和工厂内组装；

（4）热法与膜法相集成，同时不断地开发利用新的预处理技术；

（5）研究开发海水淡化新技术，提供可持续水源。

2 反渗透海水淡化系统研究

2.1 RO系统模型

目前，国内外反渗透膜法海水淡化技术已经很成熟，适用面非常的广泛，且脱盐率能达到96%以上，占据了全球大部分海水淡化市场，成为了国内外使用最为广泛的海水淡化技术。反渗透膜法首先利用采水泵抽取进料海水，再对取得的原水进行沉淀、过滤等初步处理，除去原水中的悬浮物，降低原水浊度，再对沉淀后的海水进行进一步的预处理使其达到反渗透膜的进水要求，再经高压泵送入反渗透膜系统进行海水淡化，反渗透膜通常具有耐高压、耐腐蚀、抗污染且膜通量大等特点，经过反渗透膜的产水的含盐量大大降低，脱盐率较高的反渗透膜可将原水TDS含量从36000mg/L降至400mg/L左右。

图1简单介绍了二级反渗透装置的基本构成。进料海水首先经过采水泵进入预处理系统（也称前处理），去除海水中的胶体杂质和悬浮物、油脂及有机物，避免颗粒物和微生物对反渗透膜组件的污染，再经过微滤或超滤等处理过程达到反渗透进水要求后由高压泵系统将预处理后的海水送入反渗透膜系统，从反渗透膜系统出来的淡水进入淡水箱，浓水进入能量回收装置后再排放至浓水箱。

图1 二级反渗透海水淡化系统图

Kimura-Sourirajan等通过一个简单的数学模型对卷式反渗透膜海水淡化产水进行了数值模拟[15-17]。本文对二级反渗透海水淡化系统作如下基本假设：

（1）膜组件的进口管道是水平的，因为进口管道厚度远小于卷式膜组件的半径；

（2）进水管道内流体流型为活塞流；

（3）非对称膜多孔子结构内的流动不受阻碍；

（4）浓度极化效应依据薄膜理论量化；

（5）渗透通道内的压损忽略不计。

2.2 RO系统计算

针对日产10000t/d的二级反渗透海水淡化系统，保持高压泵的升压5.9MPa，增压泵升压0.2MPa不变，高压泵与增压泵效率均为0.85，电费Ce为0.08$/(kW·h)，年正常运行时常F为288天，不同的进水浓度下海水的进水流量如表1所示：

表1 不同的进水浓度下海水的进水流量

综上所得，当保证淡水产量不变时，进水流量随进水浓度的升高而增加，脱盐率随进水浓度的升高而提升，但回收率下降，制水成本和能耗增加明显。因此，减小进水浓度能在很大程度上降低海水淡化的制水成本。

3 低温多效蒸馏海水淡化系统研究

3.1 MED系统模型

低温多效蒸馏法海水淡化系统主要由冷凝器、预热器、蒸发器和闪蒸罐组成。预热器用来加热进料海水，可以使进料海水温度更接近蒸发器的蒸发温度，从而降低蒸发器的传热面积，提高系统经济性。

图2 低温多效蒸馏海水淡化系统图

通过分析各部件的物料平衡和能量平衡及传热机理，根据冷凝器、蒸发器、预热器和闪蒸罐的数学模型[18-22]对规模为10000t/d的低温多效蒸馏系统进行热力性能及经济性分析。低温多效蒸馏系统的主要热力性能指标，如下：

淡水产量：

造水比：

生产单位质量淡水所需要的冷却水流量：

式中：下标s、d、cw分别表示第一效加热蒸汽，系统所产淡水和进入冷凝器的冷却海水。

低温多效蒸馏海水淡化系统的成本费用主要包括厂房、土建设施费用，安装调试费用，辅助设备费用，各个设备的折旧及维修费用，系统电力消耗费用，人工费用和化学药物消耗费用[9]。

3.2 MED系统分析

本文低温多效蒸馏海水淡化系统的外界热源主要采用发电厂抽汽0.55Mpa，320℃。进料海水参数为30℃，浓度为32kg/m3，系统的浓缩比为2，设淡水产量为10000t/d，顶值盐水温度为65℃。

根据文献[46-50]低温多效蒸馏海水淡化系统的产水模型与经济模型，通过热力计算，得出了海水淡化系统的进料流量、造水比、冷凝器的进料海水流量、蒸发器面积、制水成本及海水淡化系统各效蒸汽及产水参数。

表2 低温多效蒸馏海水淡化系统产水及经济性指标

本章针对该低温多效蒸馏海水淡化系统还进行了系统产水特性分析和经济性分析，得到了该海水淡化系统的主要热力性能指标和经济性指标。

4 热膜耦合法海水淡化系统分析

4.1 热膜耦合法海水淡化系统设计

从能源的角度出发，将低温多效蒸馏海水淡化技术和反渗透海水淡化技术进行集成。如图3所示，低温多效蒸馏海水淡化技术用于热电联产海水淡化，利用火电厂抽汽作为低温多效蒸馏海水淡化系统的加热蒸汽，反渗透海水淡化技术利用电厂产电来进行海水淡化，由于反渗透海水淡化产水浓度较高，达不到生活用水标准，而低温多效蒸馏海水淡化产水含盐量几乎为零，但制水成本比反渗透海水淡化技术高，因此，本章将低温多效蒸馏海水淡化系统与反渗透海水淡化系统集成，既能降低产水质量浓度得到高品质产水，也能在一定程度上降低制水成本提高海水淡化经济性。

图3 热膜耦合法海水淡化系统集成方式

4.2 RO/MED系统热力性能分析

低温多效蒸馏海水淡化系统加热蒸汽主要来自电厂0.55Mpa，320℃的抽汽，当火电机组的抽汽增加必将导致供电量的减少，本文将用于低温多效蒸馏海水淡化的电厂抽汽换算成电量，并定义为热法海水淡化的当量耗电量，当量耗电量指电厂因热法海水淡化抽汽而减少的供电量。

低温多效蒸馏海水淡化当量耗电量的计算公式如下[23-26]：

式中：Dh——火电机组热法海水淡化抽汽量，kg/h；

h——抽汽焓值，kJ/kg；

hc——火电机组排汽焓值，kJ/kg；

ηm——发电机组的机械效率；

ηg——发电机组的机电效率；

Wp——抽汽所消耗得泵功，本文忽略泵功。

本文定义产水比y为膜法RO与热法MED海水淡化产水的比值：

本文以淡水产量10000t/d为目标，以耦合海水淡化系统产水浓度和制水成本为优化参数，对低温多效蒸馏海水淡化和反渗透海水淡化进行产水分配，使耦合海水淡化系统产水浓度达标的条件下，制水成本最低。根据国家饮用水规定[24]，居民生活用水最为理想的TDS值为50-300mg/L，TDS＜50mg/L为纯水标准。

以产水比y为自变量，不同产水比条件下的耦合海水淡化系统的产水浓度与制水成本的关系如表3所示：

表3 不同产水比条件下RO-MED耦合系统的产水浓度与制水成本

耦合海水淡化系统中膜法与热法产水比越大，系统产水浓度越大，制水成本越低。

4.3 RO/MED系统经济性分析与优化

将热膜耦合法海水淡化系统分别与独立的反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏海水淡化系统进行分析比较，分析得出耦合海水淡化系统相对于独立系统的优点；其次，对不同产水比条件下热膜耦合法海水淡化系统的产水浓度与制水成本进行了分析比较，得出了在保证耦合海水淡化系统的产水浓度达标的条件下，制水成本最低所对应的产水比，即该耦合系统的最佳产水比。

低温多效蒸馏海水淡化技术为蒸发式海水淡化技术，产水浓度＜5mg/L，符合纯水标准，本文中将该热法产水浓度视为零。如图4所示为不同产水比条件下热膜耦合法海水淡化系统产水浓度与独立的反渗透海水淡化系统的产水浓度的对比图，由图可见，独立反渗透海水淡化系统的产水浓度约为550mg/L，耦合海水淡化系统产水浓度随着产水比的增加而增大，当产水比小于1.2时，产水浓度小于300mg/L，达到国家健康用水标准。

图4 不同产水比条件下RO-MED耦合系统与RO独立系统浓度对比图

低温多效蒸馏海水淡化系统相对于反渗透海水淡化系统，产水品质更高，能利用电厂抽汽作为驱动蒸汽高效节能，但经济性相对较差，结构相对复杂，制水成本较高。如图5为不同膜法和热法产水比下的耦合系统与独立的反渗透系统和独立低温多效蒸馏系统制水成本对比图，由图可见，独立反渗透膜法海水淡化系统的制水成本约为0.50$/t，低温多效蒸馏海水淡化的制水成本约为0.95$/t，比反渗透膜法系统高45%以上。热膜耦合海水淡化系统的制水成本位于两者之间，随着膜法和热法产水比的增加而降低，且随着产水比的增大，降低幅度越小。

图4 不同产水比条件下RO-MED耦合系统与RO、MED独立系统制水成本对比图

结论

通过对热法低温多效蒸馏海水淡化系统和膜法反渗透海水淡化系统的分析与比较得到：反渗透海水淡化系统结构简单，制水成本低廉，但产水品质较差；低温多效蒸馏系统较为复杂，投资成本和制水成本比较高，但产水品质接近纯水。

文章与电厂结合，从能源的角度出发，将热法低温多效蒸馏海水淡化技术与膜法反渗透海水淡化技术进行集成，建立了热膜耦合法海水淡化系统；并以膜法与热法的产水分配比为优化参数对该耦合系统进行了产水特性及经济性分析与优化，得出结论：耦合海水淡化系统中产水浓度随着产水比的增大而增大，制水成本随着产水比的增大而减小，当产水比为1.2时，产水浓度为297.47mg/L，制水成本为0.7174$/t，热膜耦合法海水淡化系统得到最佳产水特性和最优经济性。

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只健强(1962-)，男，高工，国网天津市电力公司电力科学研究院副总工程师，长期从事电厂节能及网源协调技术的研究。