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1、1、水资源问题2、海水基本性质3、海水淡化方法,二、蒸馏法海水淡化技术,1、多效蒸发技术2、多级闪蒸技术,一、概论,1、RO海水淡化预处理工艺2、RO海水淡化技术的优化设计3、RO海水淡化系统中的能量回收装置,四、高性能不锈钢在海水淡化的应用,三、反渗透海水（RO）淡化技术,1.1、水资源问题,世界上的水对于人类来说，似乎发生和存在于错误的时间、错误的地点和错误的质量。降水都集中在雨季，并且大量流失；绝大多数水存在于大海，其次是冰山。地球上97.5%的水是咸水，只有2.5%是淡水。淡水中，近70%冻结在南极冰盖和高山冰川中，其余大部分是土壤中的水分或深层地下水，难以开采利用。江河、湖泊、水库及
2、浅层地下水等较易于开采供人类直接使用，但其数量不足世界淡水的1%，约占地球上全部水的0.007%。,一、概论,1983 年竣工的“引滦入津”工程，通过三次加压将滦河水引入天津，极大的缓解了天津市的工业生产和生活用水紧缺；大连市完成的“引碧入连”工程，将碧流河水引入大连缓解了大连市的用水紧张；山东青岛的“引黄济青”工程，每年为青岛提供黄河水 1 亿多立方米，为青岛市的经济发展和生活水平提高提供了保障。以上措施的采取，使我国的沿海城市和地区的供水状况得到较大改善，但是，由于我国沿海经济的快速发展以及人民生活水平的较大提高，部分沿海城市的供水仍然不能满足发展需要。,渤海能解内蒙古之渴吗？干旱，缺水，
3、风沙，已成为内蒙古气候的写照，严重制约着当地的工农业生产和经济发展。锡林郭勒，在蒙语中意为丘陵地带的河，历史上也确曾是水草茂盛的好地方，如今却面临严重的沙化现象。在额济纳旗，年降水量仅37毫米，原本处于额济纳盆地底部的居延海居然全部干涸，昔日的额济纳绿洲正逐渐消失在人们的视野中，等待它的命运也许就是下一个罗布泊。中国地图给人们提供了新的信息希望。在中国的大陆的东面是海洋渤海、黄海、东海。而渤海离锡林郭勒最近，直线距离不到500千米我们为什么不能把渤海的水引入蒙古高原，甚至西部内陆呢？“海水西送”终究只是痴人说梦，还是有可能变成现实的梦想呢？,图1 中国地理环境,筑龙给排水,1.2、海水基本性质
4、,1.3、海水淡化方法,海水淡化方法：将海水中的盐分和水分进行分离，生产生活或工业用水的过程。其主要方法如下：,图3 海水淡化方法,蒸馏法（又称热法）：原理是加热-蒸发-冷凝。除了多效蒸发和多级闪蒸之外，蒸馏法还有蒸汽压缩法VC法是将蒸发过程自身产生的二次蒸汽，经压缩提高温度，再作为加热蒸汽使用，其设计思想是为了提高热效率。海水经泵提升压力后供人冷凝器作为冷却水冷凝蒸发器中获得的蒸汽，此时海水温度升高，作为蒸发器给水供人蒸发器，工作蒸汽进人蒸汽喷射器与部分蒸发器内获得的蒸汽混合后从喷射器排出，排出后的压缩蒸汽作为热源进人蒸发器内的蒸发管中，加热蒸发器内的海水，使其蒸发获得二次蒸汽，原蒸汽在冷凝
5、器内冷凝后即得到淡水。蒸发器内未蒸发的海水通过泵排出。二次蒸汽作为下一过程的热源，如此循环。,二、蒸馏法海水淡化技术,蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸馏法海水淡化技术是最早投人工业化应用的淡化技术，特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高。与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大，是当前海水淡化的主流技术之一。,2.1、多效蒸发技术,多效蒸发是最古老的淡化方法之一，在多级闪蒸诞生以前一直是淡化市场的主导。多效蒸馏是由单效蒸发组成的系统。将前一蒸发器产生的二次蒸汽引入下一蒸发器作为
6、加热蒸汽，并在下一有效蒸发器中冷凝成蒸馏水，如此依次进行。图4为竖管降膜多效蒸发流程。从冷凝器后分流出来的原料海水经过预处理后，由泵依次送入预热器进行预热，然后进入第1效蒸发器的顶部，并按要求分配到传热管的内壁，管外为加热蒸汽。蒸发出来的二次蒸汽同下降的盐水在分离室中实现汽液分离，二次蒸汽经过除沫器后引至下一效加热。剩下的盐水则因两效间的压差作用而流入下一效蒸发器。各效所生成的蒸馏水也沿压力温度降低的的方向流经各效管间，同时回收热量，直到最后的冷凝器K，形成产品水抽出。最后的浓盐水从末端Dn的底部排出。,筑龙给排水,图4 竖管降膜多效蒸发流程,2.1、多效蒸发技术的优缺点,虽然多效蒸馏法是最早
7、使用的海水淡化技术，但由于结垢和腐蚀等问题，一直未得到广泛的应用。随着低温多效蒸馏技术的出现和发展，其所占的市场份额正不断扩大。与多级闪蒸相比，多效蒸馏法具有以下的优点：.传热系数高，所需的传热面积少；.动力消耗低；.操作弹性大；.热利用效率高。而其主要缺点有：.由于海水在加热表面上沸腾，容易在传热管壁上结垢，需要经常进行清洗和采用严格的防垢措施。.设备的结构比较复杂。,2.1、低温多效蒸发技术,图5 低温多效蒸发流程,进料海水在排热冷凝器中被预热和脱气，之后被分成两股物流。一股物流作为冷凝液排弃并排回大海，另外一股物流变成蒸馏过程的进料液。料液经加入阻垢分散剂之后被引入到热回收段各效温度最低
8、的一组中。喷淋系统把料液喷淋分布到各蒸发器中的顶排管上，在沿顶排管向下以薄膜形式自由流动的过程中，一部分海水由于吸收了在蒸发器内冷凝蒸汽的潜热而汽化。被轻微浓缩的剩余料液用泵打入到蒸发器的下一组中，该组的操作温度要比上一组高一些，在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液接着往前打，直到最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开该效组。生蒸汽输入到温度最高一效的蒸发管内部，在管内发生冷凝的同时，管外也产生了与冷凝量基本相同的蒸发。产生的二次蒸汽在穿过浓盐水液滴分离器以保证蒸馏水的纯度之后，又引入到下一效的传热管内，第二效的操作温度和压力要略低于第一效。,这种蒸发和冷凝过程沿着一串蒸发器的各效一
9、直重复，每效都产生了相当数量的蒸馏水，到最后一效的蒸汽在排热段被海水冷却液冷凝。第一效的冷凝液被收集起来，该蒸馏水的一部分又返回到蒸汽发生器，超过输入的生蒸汽量的部分流入到一系列特殊容器的首个容器中，每一个容器都连接到下一低温效的冷凝侧。这样使一部分蒸馏水产生闪蒸并使剩余的产品水冷却下来，同时把热量传给热回收效的主体中去。如此产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却。放出的热量提高了系统的总效率，被冷却的蒸馏水最后用产品水泵抽出并输入到储液罐中。,这样生产出的产品水是完全的纯水，它不含任何污染物，平均含盐量小于。如果安装两级捕沫网，产品水盐含量可小于。像蒸馏水一样，浓缩海水从第一效呈阶梯状流入一系列
10、的浓盐水闪蒸罐中，闪蒸冷却以回收其热量。经过冷却之后，浓盐水经浓盐水泵打入大海。不凝性气体从每一根冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。这些不凝性气体最后在排热冷凝器的最冷端富集，并用蒸汽喷射器或机械式真空泵抽出。,图6 IDE公司维京群岛工程,2.2、多级闪蒸技术,闪蒸是指一定温度的水在环境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时发生的骤然蒸发现象。闪蒸后的水温度降低以使其饱和蒸汽压与环境压力平衡。也是利用了这个原理，使加热至一定温度的盐水依次在一系列压力逐渐降低的容其中闪蒸汽化，蒸汽冷凝后得到淡水的过程。该方法是在多效蒸馏的基础上发展而来的。相比多效蒸馏法多级闪蒸减少了垢的形成。由于多级闪蒸法得到淡
11、水价格相对反渗透法的低，所以在全世界还有很多国家和地区使用该种方法。但是该方法只能用于海水淡化，并不适用于苦咸水淡化。,图7 多级闪蒸技术流程,2.2、多效蒸发技术的优缺点,多级闪蒸与其他淡化技术相比，具有如下的优点:.由于此方法加热与蒸发过程分离，并未使海水真正沸腾(仅是表面沸腾)，从而大大改善了一般蒸馏的结垢问题；.技术成熟可靠，运行安全性高，特别适合于大型的海水淡化应用；.设备机构简单，投资成本较低。而其主要缺点有:.大量海水的循环和流体的输送，导致操作成本升高；.与多效蒸馏法相比，需要较大的热传面积；.总是与发电站联合使用。,三、反渗透(RO)海水淡化技术,反渗透是利用压力使溶液中的水
12、通过半透膜而分离出来，因为它和自然渗透的方向相反，故称为反渗透。与蒸馏法相比，反渗透法具有以下突出的优点:.反渗透海水淡化过程不发生相变化，所以，它是最节能的海水淡化方法；.设备简单，效率高；.占地面积小；.操作方便，控制容易；设备投资低，建设周期短。其主要缺点是对进水水质要求较高。,图8 RO海水淡化流程图,3.1、RO海水淡化预处理工艺,1、海水预处理的目的 2、SWRO中传统预处理方法存在的问题3、新型海水预处理技术（1）微滤(MF)技术（2）超滤(UF)技术（3）纳滤(NF)技术（4）纳滤集成技术,1、海水预处理的目的,海水中悬浮物、胶体物质和可溶性有机高分子聚集在膜表面会使膜受到污染
13、；微生物和细菌会使膜受到侵袭；微生物和细菌的残体还会以固体形式析出，使膜性能变坏；水的温度、pH值、余氯含量、压力等参数的劣化会引起膜水解、氯化；由溶质引起的膜结构变化还会导致膜的透水率下降。通过预处理去除海水中悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌及某些有害物质(如铁、锰、钙等)，可以减缓膜污染，延长膜的寿命，保证反渗透系统长期稳定运行。,2、SWRO中传统预处理方法存在的问题,1）为去除海水中存在各种细菌和海藻类物质，SWRO系统常规预处理工艺为石英砂过滤(或无烟煤、锰砂等多个介质过滤)、活性炭过滤、3m10m精密过滤，有时还有软化器。去除细菌的效果不理想，不能确保RO给水无菌。有时被活性
14、炭吸附的有机物还含有细菌繁殖的温床。2）为了控制海水中各种微生物的繁殖，常增设NaClO发生器，有时还加CuSO4 控制海藻。但是聚酰胺(PA)RO 膜对氯敏感，易被氯氧化而降解。醋酸纤维素(CA)RO膜耐氯虽好些，但在某些金属离子存在时，也易被氯氧化而降解。而且CA膜还易被细菌污染，并成为细菌的培养源和繁殖地。因此，这两类膜组件的给水均需除氯处理，通常采用NaHSO3 去氯，3）常规预处理方法的工艺冗长，先是对给水间歇式加氯，再加絮凝剂和凝聚剂，然后经二级压力多介质过滤器去除已絮凝的液体物质，接着添加阻垢剂和NaHSO3，再经过保安过滤器，这样就造成处理工艺冗长和处理成本增加。,3、新型海水
15、预处理技术（1）微滤(MF)技术（2）超滤(UF)技术（3）纳滤(NF)技术（4）纳滤集成技术,（1）微滤(MF)技术MF技术是一种新型膜处理技术，以连续微滤(Continuous Microfiltration)CMFPRO 为代表，采用0.2m孔径的中空纤维膜，材质为聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纤维，由内向外死端过滤。该膜可使胶体颗粒和细菌数量减少几个数量级，提高净化水的水质，并可在很低的横流速下运行。采用连续微滤CMF代替传统的单介质或多介质过滤器、活性炭过滤器等进水的预处理方法，不需加入絮凝剂、杀菌剂和余氯脱除剂等化学药品，不但免除了介质和活性炭的频繁更换，而且也省去了保安过滤器，并且连续
16、膜过滤的出水的SD I值小于3，浊度小于0.2NTU，TSS小于1mgPL，大肠杆菌小于3个PL，颗粒粒径 0.2m，能够达到反渗透系统对进水水质的要求。与传统预处理方法相比，采用连续微滤技术改进了反渗透系统的进水水质，延长了反渗透膜的使用寿命，提高了系统的回收率，大大减少设备占地面积，减少操作费用，降低劳动强度，并可以有效的实现微滤过程的自动化控制。,（2）超滤(UF)技术超滤技术是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力的膜分离技术。它的筛分孔径小，可截留水中的细菌、病毒、胶体、大有机分子、油脂、蛋白质、悬浮物等。超滤技术有中空、卷式、平板、管式等几种组件类型，其中中空纤维膜是超滤技
17、术中最为成熟与先进的一种形式，这种新型的毛细管型UF膜(中空纤维膜)可以处理高度污染的表层海水。该型UF膜器的特点是具有频繁、短时、自动清洗毛细管膜的功能，且具有在较低的错流流速下运行的能力。该UF膜截留分子质量为(150 200)103 u，可确保RO在高通量和高截留率下操作，低压过滤和反洗，反洗水更容易处理，水回收率为65%，产水量提高10%，过滤水质显著提高，减少运行费用，减少了化学药剂投加量，该预处理能耗低 13，14。B rehant 15 等用中空纤维UF膜预处理表层海水，其UF出水SD I 1，且出水水质非常稳定，而传统的双重介质过滤仅能降到2.5左右，且水质不稳定。,（3）纳滤
18、(NF)技术纳滤(NF)技术是一种新型分子级膜分离技术。其膜材料可采用多种材料，如醋酸纤维素、醋酸三醋酸纤维素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺复合材料和无机材料等，孔径在1nm 以上，一般在1nm2nm；截留相对分子量2001000；对NaCl的截留率小于90%，截留二价的Ca2+、Mg2+和SO2-4 离子，大幅度降低了进料水的浊度、硬度和TDS的含量，解决了传统海水淡化过程中存在结垢污染等许多问题，保证膜组件的安全稳定运行，并大幅度提高水的回收率。NF膜的最大特点是膜本体带有电荷，因而对有机物具有良好的去除效果。其对有机物的去除可用优先吸附毛细管流原理解释。膜本体带有电荷，这也使它在很低
19、操作压力下(仅0.5MPa)仍具有较高的脱盐率。另外，NF膜还对无机离子进行选择性分离，使得它特别适合于海水的脱盐处理。有研究表明 19，NF膜对细菌和病毒等也具有好的去除性能；且不需添加剂；对色度的去除也非常有效。,（4）纳滤集成技术近年来，国外成功开发了将NF作为RO及MSF的预处理，组成了NF-RO，NF-MSF 及NF-SWRO-MSF集成淡化技术。海水经NF技术处理后，去除了80%以上的硬度，TDS下降了40%左右，且去除了所有的有机污染物，从而提高了SWRO的操作压力和整个系统的回收率(回收率可达60%左右)，且能保证SWRO 膜组件的安全，长期稳定运行。沙特阿拉伯盐水转化公司(S
20、alineWater Conver2sion Corporation，SWCC)，进行的NF-SWRO集成海水淡化实验，采用440的NF膜元件，与无NF预处理的SWRO相比，集成过程的SWRO 水回收率，在4.0MPa压力下为48%，为相同压力下前者的3倍，在516MPa压力下为50%左右，为相同压力下前者的2倍，且经过NF处理过的SWRO进料中TDS浓度已经很低。表明采用纳滤预处理操作压力可有较大幅度的降低，水回收率可有较大幅度的提高。,3.2、RO海水淡化技术的优化设计,1、采用反渗透技术进行海水淡化脱盐率较高、产水量较大；2、系统回收率的优化；3、泵效率、电机效率以及能量回收装置效率的提
21、升；4、单支压力容器的膜元件数量的增加；5、越来越严格的产水水质要求，包括对硼含量的要求；6、更加有效的两级设计；7、采用海水直冷电厂的排放海水作为海水淡化系统的给水；8、膜法预处理技术，例如：微滤、超滤和纳滤。,图9 海水淡化RO系统通量分布,3.3、RO海水淡化系统中的能量回收装置,反渗透海水淡化系统浓缩水具有较高的压力，流量较大，含有巨大的能量。如何高效的回收这部分能量对于减低系统能耗是非常重要的。目前的能量回收装置主要有:涡轮透平、涡轮增压器(turbocharger)和压力(功)交换器，其中涡轮透平的能量回收效率为35-70%，涡轮增压器的能量回收效率为45-83%，而压力(功)交换
22、器的能量回收效率达到了95%左右。压力(功)交换器的出现是反渗透海水淡化技术的一个重大突破。,图10 ERI能量回收装置,四、高性能不锈钢在海水淡化的应用,1、不锈钢腐蚀的种类2、合金元素对于不锈钢耐腐蚀性的影响（1）铬元素（2）镍元素（3）氮元素（4）为了增加其耐局部腐蚀的能力要增加铬、钼、氮元素的含量3、影响海水淡化用不锈钢腐蚀的因素（1）水质（氯离子浓度，预处理工艺水平）（2）运行温度（3）结构（4）加工过程,4、在海水淡化上使用的双相不锈钢的特性双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相所组成，它在一定程度上兼有奥氏体和铁素体钢的特征。1）耐全面腐蚀性能2）耐晶间腐蚀性能3）耐应力腐蚀断裂性能,1
23、）耐全面腐蚀性能众所周知，异相共存易形成微电池并加速腐蚀，但双相不锈钢，却很少发生这种腐蚀。这是因为在双相不锈钢中含有较高的铬和一定量的镍、钼、铜等元素，在一定温度下，钢中固溶的元素在两相的分布相应地平衡，而且还与相比例有关。双相不锈钢的耐蚀性，主要取决于钝化元素的含量及在两相中的分配。,2）耐晶间腐蚀性能与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢对晶间腐蚀敏感性小，具有优良的耐晶间腐蚀性能。这与存在均匀分布的铁素体相有关。一般来说，奥氏体形成元素，如碳、氮、镍等多富集于相中；而铁素体形成元素，如铬、钼等多富集于相中。当敏化加热时，富铬的碳化物(Cr23C6)优先在于/相界相的一侧析出，铬在铁素体相中含量高，扩散速度快，析出碳化铬所造成的贫铬区很快得到铬的补充而容易消除。由贫铬区造成的晶间腐蚀也就减少，以致于不发生。,3）耐应力腐蚀断裂性能原因：双相不锈钢具有比奥氏体不锈钢更高的屈服强度，因此它在腐蚀环境中所能承受的断裂应力也相应提高；第二相的存在对裂纹的扩展有机械阻碍作用。如裂纹起源于奥氏体基体，一旦扩展到相，在低应力作用下，铁素体内难以产生滑移，裂纹的扩展被阻止；而在高应力作用下，裂纹容易贯穿铁素体相，失去阻碍效果；铁素体相比奥氏体相电位较负，对奥氏体起了电化学牺牲阳极保护作用。,
