01热法及膜法海水淡化技术经济分析.docx

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01热法及膜法海水淡化技术经济分析

膜法热法海水淡化技术经济分析

大连海水淡化工程研究中心华维国

一、海水淡化方法概述：

海水淡化是指从海水中获取淡水的技术和过程，通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准的水处理技术，目前淡化方法已达数十种，达到商业化规模的主要有反渗透法和蒸馏法，也就是常说的“膜法”和“热法”，蒸馏淡化技术又分成多级闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏三种。

1、蒸馏法淡化技术

蒸馏法又称蒸发法，是最早采用的淡化技术。

早期主要用于少量蒸馏水的生产和制糖工业的料液浓缩，近代工业逐渐用于电厂和大型工业锅炉供水。

蒸馏法与膜法不同，经蒸发所得的水就是蒸馏水，水质较高，产品水的含盐量（总固溶物）可以降到5ppm以下。

蒸馏法所能处理的原料水比其它方法更加广泛，原水含盐量从几百毫克/升到几万毫克/升都可适应。

蒸馏法海水淡化的装置类型较多，主要的有：

多级闪蒸海水淡化、多效蒸发海水淡化和压汽蒸馏海水淡化。

以下对各种方法进行简介：

（1）多级闪蒸技术（MSF）

●基本原理

多级闪蒸是将海水加热到一定温度后，引入到一个闪蒸室，其室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，部分海水迅速汽化，冷凝后即为所需淡水；另一部分海水温度降低，流入另一个压力较低的闪蒸室，又重复蒸发和降温的过程。

将多个闪蒸室串联起来，室内压力逐级降低，海水逐级降温，连续产出淡化水。

●工艺流程

经过澄清和加氯消毒处理的海水，首先送入排热段作为冷却水。

离开排热段的大部分冷却海水又排回海中，小部分作为进料海水（补给海水），经预处理后，从排热段末级闪蒸室流入第一级闪蒸室，如技术原理所说明的那样，逐级降压，海水逐级降温，连续产出淡化水。

见图1-1。

多级闪蒸的造水比是指生产的淡水（蒸馏水）的重量与所消耗的加热蒸汽之比，是淡化厂经济效益的直接体现，通常小型装置的造水比较小，大型装置的造水比较高，如日产淡水几百吨或四、五千吨的装置，造水比一般为5-8左右；日产淡水万吨级的装置，造水比多在10以上，日产淡水四～五万吨的装置造水比可达到13-14。

图1-1多级闪蒸流程图

（2）多效蒸馏技术（MED）

●基本原理：

将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，蒸汽进入第一效蒸发器，与进料海水热交换后，冷凝成淡化水；海水蒸发，蒸汽进入第二效蒸发器，并使几乎同量的海水以比第一效更低的温度蒸发，自身又被冷凝。

这一过程一直重复到最后一效。

连续产出淡化水。

多效蒸馏分为低温和高温多效蒸馏。

高温多效蒸馏可安排更多的传热效数，以达到较高的造水比，其热效率较高。

但是，前几效盐水的蒸发温度较高，传热管易结垢且腐蚀速度快，因而对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对海水预处理要求也高。

针对高温多效蒸馏的缺点，发展了低温多效蒸馏技术，其特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，减缓了设备的腐蚀和结垢；并得到10效以上的造水比。

●工艺流程：

海水在冷凝器中预热、脱气之后分成两股，一股排回大海，另外一股为进料液。

料液加入阻垢剂，引入到蒸发器温度最低的效组中。

喷淋系统把料液分布到顶排管上，自上向下的降膜过程中，一部分海水吸收了管束内冷凝蒸汽的潜热而汽化；冷凝液以淡化水导出，蒸汽进下一效组，剩余料液也泵入下一效组中，该效组的操作温度高于上一效组。

在新的效组中又重复了蒸发和喷淋过程，直到料液在温度最高的效组中以浓缩液的形式排出。

详见图1-2：

图1-2低温多效蒸馏工艺流程图

（3）压汽蒸馏技术（VC）

●基本原理：

海水蒸发过程所产生的二次蒸汽，经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，作为进料海水蒸发的热源，并自身冷凝为淡化水。

上述过程周而复始，连续生产。

压汽蒸馏按操作温度可分为常压压汽蒸馏和负压压汽蒸馏两种。

从结构上，又分为水平管降膜喷淋式和垂直管式两种形式；前一结构的优点是料液自液体分布器出来之后，在水平传热管上以薄膜的形式分布，又依靠重力向下实现再分布，由于液膜分布薄且均匀，因而传热系数高，并且蒸发器结构简单，在海水淡化领域得到广泛应用。

●工艺流程：

进料海水用极少量阻垢剂预处理后，进入一个板式换热器，回收自蒸发器排放出的浓盐水和淡化水的热量。

之后，与循环的浓盐水混合，进入到蒸发器中，喷淋到水平传热管束的外表面上，喷淋量需刚好在管子表面形成连续的液膜，与管束内经压缩机增压的蒸汽（略低于浓盐水蒸发平衡压力）热交换。

管内蒸汽冷凝成淡水导出，管外一部分盐水产生蒸发，通过汽液分离器除去夹带的液滴之后，蒸汽进压缩机压缩并导入传热管束内。

如此构成了二次蒸汽的不断循环和潜热交换。

工艺流程见图1-3：

图1-3压汽蒸馏工艺流程图

2、膜法海水淡化技术

（1）电渗析技术（ED）

●基本原理：

电渗析以直流电为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使一个水体中的离子通过膜迁移到另一个水体中的物质分离过程。

●主要特点：

电渗析为无相变过程。

所耗电能主要用于迁移溶液中的电解质离子，所耗的电能与溶液浓度成正比，对于不导电的颗粒没有去除能力。

电渗析技术用于海水淡化时能耗大，大规模的海水淡化工程基本上不采用。

但将1000～3000毫克/升的苦咸水脱盐至500毫克/升的饮用水是经济可行的。

（2）反渗透技术（RO）

●基本原理：

用一张只透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐水隔开，淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧，这种现象称为渗透。

当渗透到盐水一侧的液面达到某一高度时，渗透的自然趋势被这一压力所抵消从而达到平衡。

这一平衡压力即为该体系的渗透压，如在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，盐水中的水会透过半透膜到淡水处。

这种与自然渗透相反的水迁移过程称为反渗透。

●工艺流程：

进料海水经预处理，去除悬浮固体及其它有害物。

然后经高压泵增压后，进入膜脱盐设备，产出的中间淡水产品进入后处理设施（按淡水不同用途选择，如作饮用水，需pH调节和加氯杀菌设备），精制成终产品淡水。

浓盐水自膜脱盐设备排出。

见图1-4：

图1-4反渗透工艺流程图

二、热法（MED）膜法（RO）海水淡化系统构成

1、系统组成和投资

（1）热法系统：

万吨级热法低温多效（MED-TVC）主系统及设备

序号

系统组件名称

单位

主要产地

技术成熟度

备注

一

海水预处理系统

1

高效初次沉淀池

套

中国

成熟

2

混凝絮凝处理池

套

中国

成熟

3

污泥处理系统

套

中国

成熟

二

海水淡化系统

1

主蒸发/冷凝器

套

中国

成熟

2

凝汽器

套

中国

成熟

3

自动反洗过滤器

台

德国

成熟

4

盐水泵（浓盐水排）

台

德国

成熟

5

物料水泵

台

中国

成熟

6

成品水泵

台

中国

成熟

7

凝结水泵

台

中国

成熟

8

减温水泵

台

中国

成熟

9

海水加热器

套

中国

成熟

10

成品水冷却器

套

中国

成熟

11

物料水加热器

套

中国

成熟

12

凝结水冷却器

套

中国

成熟

13

预冷凝器

套

中国

成熟

14

一级冷凝器

套

中国

成熟

15

二级冷凝器

套

中国

成熟

16

启动抽气器

套

中国

成熟

17

一级主抽气器

套

中国

成熟

18

一级辅助抽气器

套

中国

成熟

19

二级抽气器

套

中国

成熟

（2）膜法系统：

万吨级膜法（SWRO）海水淡化主系统及设备

序号

系统组件名称

单位

主要产地

技术成熟度

备注

一

海水预处理系统

1

初级沉淀处理

套

中国

成熟

2

初级多介质过滤器

台

中国

成熟

3

二级多介质过滤器

台

中国

成熟

4

二级活性炭过滤器

台

中国

成熟

5

保安过滤器（微滤）

套

国外

成熟

6

超滤给水泵

套

美国

成熟

7

超滤前置过滤器

套

美国

深度研发

8

超滤装置

套

美国

深度研发

9

超滤反洗装置

套

美国

深度研发

10

化学清洗装置

套

中国

成熟

11

柠檬酸加药装置

套

中国

成熟

12

超滤产水箱

套

中国

成熟

二

海水淡化系统

1

海水淡化高压泵

套

德国

成熟

2

能量回收装置

套

德国

成熟

3

反渗透膜组件

套

美国

成熟

4

淡化装置辅助系统

套

中国

成熟

5

反渗透给水泵

套

德国

成熟

6

保安过滤器

套

中国

成熟

7

反渗透冲洗泵

台

中国

成熟

8

反渗透化学清洗装置

台

中国

成熟

9

加药计量泵装置系统

套

中国

成熟

10

水箱及及罐系统

套

中国

成熟

11

二级反渗透给水泵

套

德国

成熟

12

电控热工系统

套

中国

成熟

（3）日产1万吨淡化系统投资估算表：

单位：

万元

内容

国外投资

中外合作

国产化

备注

热法

14000

12000

10000

膜法

13000

11000

无

（4）热法膜法技术现状：

热法我国已经拥有完全的自主知识产权、完善的科研创新体系，我国万吨级热法装备的技术水平已经处于国际领先地位。

膜法由于关键部件被国外垄断，所以膜法在我国就是系统集成，技术门槛很低，只要有市场随意一个工程公司就可以承担淡化工程。

我们膜法的技术创新体系建设在国外垄断公司的打压下，步履艰难，三大关键设备至今没有突破，中国的膜法海水淡化技术和市场完全被国外公司控制。

（5）热法膜法系统参数：

比较项目

海水反渗透（SWRO）

低温多效（LT-MED）

产品水水质mg/L

300-500

5-10

操作温度℃

5-45

<70

装置总能耗kWh/m3

5.0-6.0（有能量回收）

5.0

原水预处理

要求高

要求低

水利用率%

<40

15-40

腐蚀结垢倾向

较小

建造材质要求

低

三、热法膜法系统工程建设

1、系统占地面积比较：

低温多效工艺与反渗透工艺占地面积相当。

一般的理解，低温多效占地面积应该比反渗透大一些，因为反渗透的主机十分紧凑。

但由于反渗透的预处理工艺占地面积较大，实际上两种工艺的占地面积相差不大。

低温多效的工艺用泵安装在装置的下部，在某种程度上减少了占地面积。

2、系统所需厂房比较：

采用热法低温多效工艺可以省略淡化设备的厂房。

低温多效设备可以露天布置，省去了厂房的投资。

目前已经建设完成的热法装置全部是露天布置，控制系统和换热器等精密设备放置在主换热器下面和侧面的控制设备室，一般面积不需要太大。

膜法的大部分设备都需要放置的专用厂房里，高压泵房需要单独设置，特别是预处理设施需要大量的土建工程支持。

3、系统设备安装工艺比较：

热法工艺主要是大型换热设备，所以施工难度比膜法要大，运输条件有限制，设备安装费用比膜法高。

土建施工方面膜法用于需要建设厂房，所以膜法的土建成本比热法高。

4、系统外部工艺条件比较：

热法工艺需要低温热源，在没有低品位热源的地方热法工艺没有任何优势，膜法工艺没有安装条件限制，只要有电源就可以实施膜法工艺。

5、系统建设周期比较：

热法的主蒸汽器的设计需要根据安装淡化系统地区海水参数及蒸汽参数进行优化设计，根据设计结果开始主蒸发器的制造，所以建设周期较长。

膜法系统的反渗透膜组已经形成模块化，模组可根据造水量任意组合，系统组合方便，所以膜法系统建设周期短。

四、热法膜法系统运行

1、热法膜法吨水运行成本分析

1.1固定成本分析：

反渗透膜效率影响因素：

在热法核心技术没有实现国产化之前，万吨级的热法海水淡化投资要比膜法高20%左右，由于热法核心技术的掌握和全部设备实现和国产化，目前万吨级的热法海水淡化系统与膜法的投资已经接近并相当，根据不同的地域投资额度在9500～11000万元之间变化，由于热法膜法系统的吨水投资额相当，所以分担固定成本费用的主要影响因素就要看热法膜法系统的年均造水量及运行效率，最后计算出两种工艺的在实际运行中的年吨水分摊的固定成本。

热法系统造水工艺主要靠大型的主蒸汽器蒸发换热实现的，只要换热传热过程稳定进行，外界因素不是影响热法系统造水量的主要因素。

膜法系统造水工艺主要靠过滤实现，过滤系统的元件质量和工作效率直接关系系统的运行效率，海水温度、反渗透膜的质量、预处理单元工作效率等因素都直接影响膜法系统的年造水量，外界因素是影响膜法系统造水量的主要因素。

我们在以往的膜法系统淡化水固定成本分析报告中，是把膜法系统处于理想状态，回避外界因素对造水量的影响，是按照系统的设计值常年不变的情况计算出来的。

但是我们通过对已投运的几个典型电厂膜法系统的多年运行数据进行统计分析，得出了外界因素对膜法系统年均造水量影响巨大。

下表为某电厂膜法系统年造水曲线：

从上述曲线表可以看出，膜法系统由于受膜和海水温度等因素的影响，年实际出水量发生较大变化，远离设计曲线。

下表为某电厂热法系统年造水曲线：

从上述曲线表可以看出，热法系统按照夏季海水温度20～30°设定主蒸发器的末端冷凝温度，在冬季运行时由于海水温度低于设计温度，使主蒸发器换热温差增大，提高了换热效率从而增加了造水出力，所以热法的年平均造水指数与设计值基本吻合。

我们在热法膜法系统淡化水固定成本分析报告中提出了热法膜法系统固定资产投资成本分析比较修正系数，简称：

热膜固本修正系数，我们通过数年的统计分析和计算得出目前阶段“热膜固本修正系数”设定为0.8为宜；我们用两种淡化方法进行方案的论证和比较时，必须对固定资产投资进行修正后结论才具备科学性，否则我们的方案只能是理想状态，严重脱离实际。

在万吨级热法膜法淡化系统投资额相当的情况下，由于膜法的实际出水量与设计出水量约差20%，所以在同等规模的淡化系统中，膜法系统固定费用要多承担20%的固定资产折旧，必须对膜法的固定费用进行合理修正，这样才能核算出膜法淡化系统造水的实际成本，使得海水淡化技术方案更加公正、科学和合理。

装置投运率影响因素：

海水淡化在客观上要求系统必须具备与之相适应的耐腐蚀性和严密性，这是系统的技术特点也是日常维护管理的重点、难点。

在海水淡化技术已经相当普及的今天要保证系统运行安全可靠，除了按着技术规范的要求严格把好系统元件的材质关外，大量的工作还是集中在日常的维护与管理上，下表为东北某电厂海水淡化系统投产以来的可靠性及系统停运时间表：

项目

02年

03年

04年

05年

06年

07年

08年

09年

停运小时

1656

2030

797

1814

576

851

1446

2270

停运率（%）

18.9

23.2

9.1

20.7

6.6

9.7

16.5

26.0

我们的统计资料表明：

膜法系统的故障点均集中在高压泵、变频器和管路的腐蚀与漏泄上。

其中2005、2009年因设备计划检修分别停运816、912小时。

必须承认：

平均80%的利用率远不能满足大型火电企业的可靠性和供水要求。

热法淡化装置实际上等同于电厂凝汽器的换热设备，低温低压、安全可靠、运行便利、维护方便，我们只要按照运行规程操作的话，低温多效热法淡化装置的年利用率平均在95%以上，所以热法最大的特点就是安全可靠。

在固定资产的折旧一项的实际核算中我们还需要认真考虑膜法设备的投运率这个数据，根据收集到的多个电厂膜法装置的停运数据，我们确定膜法装置投运率系数为0.8，如果我们核算膜法淡化装置的实际运行参数，膜法装置实际工作效率需要修正为：

实际工作效率=热膜固本修正系数×膜法装置投运率

=0.8×0.8=0.64

在有些运行和管理状况不好的电厂，膜法装置实际分摊的固定成本还要高，甚至超过了80%以上，所以固定成本已经成为淡化水核算水成本的主要部分和最大影响因子。

1.2造水成本分析表

序号

内容

膜法

热法

1

装置型式

反渗透膜（SWRO）

低温多效（LT-MED）

2

产水量

10000m3/d

10000m3/d

3

产品水质

TDS=120-400ppm

TDS≤5ppm

4

占地

6000m2

5500m2

5

动力

电

蒸汽+电

6

静态投资

8000～9000万

8500～9500万

制水成本（元/吨）

7

蒸汽费

0.00

2.14

8

活性炭药剂日常维

0.39

0.162

9

膜更换及大修费

1.20

0.00

10

电费

1.985（5*0.397）

0.48（1.2*0.397）

11

人工费

1.47

0.152

12

检修费

1.90

0.10

13小计

经营成本

6.972

2.90

14

设计运行年限

20年

30年

15

折旧费

1.26

1.28（按20年折旧）

16

财务成本

0.62

0.68

17

其他费用

0.03

0.05

18

摊销费

0.01

0.01

19

总成本费用

8.892

4.92

1.3造水成本修正（实际指标）：

《造水成本分析表》为设计数据，也称为理想设计，在实际工程系统中、特别是涉及海水淡化工艺选择方案的决策中必须对相关数据进行修正，否则数据的所报数据与实际运行不符。

（1）产水指标修正：

《造水成本分析表》中为了统一比较，我们只给出了热法膜法系统产出水指标数值，没有考虑在后续的化学水单元继续处理所需要的费用。

如果海水淡化系统所产淡水直接为市政管网供水的话，热法膜法的出水都已达到饮用标准，无需再处理，如果海水淡化系统所产水用于电厂锅炉补水，则膜法和热法的产水指标对电厂化学水处理单元的继续处理费用有较大影响。

东北某电厂的化学水单元取水有两种方式：

市政管网取水和海水淡化装置取水。

由于市政管网水经过化学水处理单元的预处理后的水质与淡化水水质差距较大，所以化学水处理单元在处理这两种不同水质的水时实际消耗的费用就存在很大差别。

化学水单元在处理市政水并达到电厂锅炉补水用水标准的费用在7～9元，而处理膜法淡化装置所产水（TDS=120-400ppm）费用在4～6元之间，如果加上淡化水的淡化费用8.895元的话，膜法淡化水作为电厂锅炉补给水的实际费用为12元左右。

热法系统淡化水就是蒸馏水，水指标为TDS≤5ppm。

目前我国火电厂35万机组的锅炉补水指标为TDS≤0.1ppm，膜法出水指标为150～200ppm之间，与电厂锅炉补水指标相差近2000倍，而热法系统的淡化水指标与锅炉补水只差50倍，使热法淡化水继续深度处理成为锅炉补水的用费大为降低，热法淡化水可以直接进入电厂锅炉补水的精密处理单元，计算处理费用不到1元，膜法为4～6元，淡化水作为电厂锅炉补水，热法与膜法相比具有明显的价格优势。

（2）膜更换时间修正：

《造水成本分析表》中对膜的更换是理想设计数据（美国陶氏标准），该标准对膜法系统的预处理系统建设及运行有着严格要求，但是在我们的实际工作中很难达标。

我们通过调查发现，就目前中国海域的水质条件，管理一流的电厂也没能实现五年才换一次膜的设计要求，管理比较好的电厂也是四年才换一次膜，如果坚持按照设计规范五年更换一次膜的话，淡化装置造水也是建立在能耗大幅上升基础上。

电厂在需要大笔资金进口反渗透膜和与推迟换膜从而增加造水能耗这两者之间左右权衡。

不管膜换与不换，随着膜的污染加重，膜法的造水能耗也在不断提高，但我们在《造水成本分析表》中假设膜法的造水电耗是个常数，根据实际需要进行修正。

《造水成本分析表》中第9项膜更换年限修正后为：

0.97×5/4=1.2125元。

该表中膜法造水能耗的增加值没有考虑，我们通过对实际造水电耗数据进行统计发现，造水能耗的增加值与反渗透膜透过率的下降值基本吻合。

（3）实际产水量的修正：

膜法工艺由于工作方式的限制，其反渗透膜的工作效率每年平均下降10%左右，从投运开始就不能按照设计出水量造水，如果我们按照五年更换一次膜的话，到更换反渗透膜时装置的实际造水量只能达到设计值的50%。

反渗透膜的透过率与海水温度有直接关系，一般要求海水温度在15～30℃范围之间，若低于15℃，反渗透膜组的产水降低，运行压力明显增高，耗电量增大。

实际上海水温度每下降1°膜的透过率下降3%。

若超过30℃，产水电导度将升高，膜组脱盐率下降，膜的污染程度加快。

因此，海水温度最好控制在20～25℃。

综上所述，膜法装置的实际造水量最多只能达到设计值的80%，设计1万吨/小时系统，我们只能按照8000吨的实际数据统计和成本核算：

上表中第15项折旧费修正后为：

1.26×1.25=1.575元；

按照装置投运率对折旧费再修正为：

1.575×1.25=1.969元。

下表为东北某电厂万吨级膜法海水淡化实际运行数据：

内容

设计值

实际值

出水率

夏季值出水量

400吨/小时

360

90%

冬季值出水量

400吨/小时

180

45%

（4）造水其他成本：

由于膜的寿命和膜装置的限制，使得膜法在大规模处理海水中仍处于不利地位。

因为反渗透法的制水成本受膜寿命和装置规模的不利影响超过了膜法装置低能耗所带来的好处，一般认为海水淡化装置容量超过日产6000t淡水时，热法比膜法要更经济。

我们进一步分析如下：

海水的预处理

进入蒸馏装置的海水无需进行预处理，仅设置海水过滤网即可。

而进入海水反渗透装置的海水需进行絮凝澄清、过滤和加氯等预处理。

并且由于反渗透的水利用率低，所以预处理系统庞大，投资也较高，占地面积也大。

其他配套设施

对于新建电厂，热法需要启动蒸汽，因此启动锅炉的容量应该考虑满足淡化设施的需要，启动锅炉的补充水应考虑一套单独的水处理设施用于启动；另外，由于没有备用设备，需要淡水水源作为工业用水的备用水源。

而膜法不需要启动蒸汽，机组启动时，给水水温较低，对淡化设备出力稍有影响，并不影响机组的启动用水，不需要考虑额外的启动设施；淡化设备考虑有足够的备用出力，可以满足设备检修时的用水的需要。

化学药品消耗

热法加入聚磷酸盐类阻垢分散剂5ppm/吨，水的回收率为50%，每吨淡水消耗阻垢分散剂10.0克，每吨淡水消耗阻垢分散剂0.10元。

周期性的加入液氯作杀生剂，平均加量以1ppm计，杀生剂价格1000元/吨，每吨淡水消耗杀生剂0.002元。

热法装置每年清洗一次，清洗剂的消耗量根据结垢程度决定，根据原料水条件以及国内外清洗剂消耗量的经验，清洗剂的消耗平均以3000公斤/年计算，其价格以15000元/吨计算，每吨淡水消耗清洗剂0.06元。

热法化学药品费用合计：

0.162元。

膜法装置的化学药品加入量为：

聚合氯化铁5ppm，次氯酸钠4ppm，亚硫酸氢钠5ppm，阻垢缓蚀剂（FLOCON/SHMP）2ppm。

水的回