海水淡化设备关键技术与材料的发展现状

摘要：淡水资源短缺正逐渐成为制约人类社会可持续发展的全球性问题。海水淡化作为有望缓解淡水资源危机的重要手段，在过去的半个世纪取得了长足的进步，发展出了一批诸如多级闪蒸法、低温多效蒸馏法、反渗透膜法等关键技术，同时带动了设备建造所需关键材料与工艺的开发。概述了现有海水淡化技术与设备的原理，回顾了设备关键材料的发展历程，为海水淡化设备建造和选材提供一定的参考。

关键词：海水淡化；蒸发器；换热管；关键材料；研究进展

水是孕育生命不可或缺的元素，人类社会的高速发展对淡水资源的过度使用导致地球上淡水的自循环平衡正在逐渐被打破，人类将不得不面对淡水资源短缺的危机。虽然地球表面70%的面积被水覆盖，但能被人类直接利用的淡水仅占其中不足1%，于是从广阔的海洋中汲取淡水成为人类向往的解决水资源短缺的途径。进入21世纪后，淡水资源愈加匮乏使得海水淡化技术从缺水的中东地区逐渐扩展应用到世界主要沿海国家，海水淡化技术也从最初的单一蒸馏法逐步发展出冷冻法、气体水化物法、渗透膜法、离子交换法等诸多方法。

1海水淡化关键技术的发展现状

1.1蒸馏法

蒸馏法原理简单，是最早被利用的海水淡化技术，采用将海水加热蒸发再冷凝的方法除去海水中对人体有害的盐分和杂质得到淡水。

1.1.1多效蒸馏法

多效蒸馏法将一系列蒸馏器串联起来，热源蒸汽（一般为工厂废热）从第一级进入将热量传递到一级蒸馏室的海水中。海水在蒸馏室中负压的作用下沸点降低，从而易于被低品位余热蒸汽加热气化，气化后的海水蒸汽又可作为第二级蒸馏的热源。串联的多级蒸馏室使得热源的余热被充分利用，产生远大于热源蒸汽量的蒸馏水，因此可应用于大规模海水淡化工程.低温多效蒸馏法由于可利用工厂低品位余热（热源蒸汽温度低于70℃），而被广泛应用。首钢京唐海水淡化项目即是钢铁生产流程低品位余热利用的典型代表，其原理如图2所示。利用钢铁流程低品位余热作为热源，钢厂热蒸汽从左侧管道（红色）进入第一级蒸馏室中的换热管中。室顶的海水喷雾装置将海水雾化喷出，从而增大水雾与换热管的接触面积。水雾吸收换热管的热量气化为水蒸气，冷凝之后汇入蒸馏水管道，浓盐水流入收集槽。剩余蒸汽携带余热进入下一级换热管作为第二级的热源，通过七级蒸馏室将钢厂余热蒸汽的热量充分利用，蒸汽温度由第一级的70℃左右下降到第七级的45℃左右。图2中第七级蒸馏室处的空气引射和蒸汽引射装置使整个设备中产生负压，从而降低水的沸点，加速气化过程，同时该负压作为整个系统中热蒸汽从一级流向七级的驱动力。

1.1.2多级闪蒸法

多级闪蒸法是将海水预热后导入闪蒸室，闪蒸室的压力低于热海水的饱和蒸气压，因此热海水进入闪蒸室即迅速蒸发，将蒸汽冷凝后得到淡水。由于其安全可靠，中东产油国大多采用此方法，并将其与发电厂结合。例如，阿联酋建造了世界上最大的发电厂-多级闪蒸海水淡化设备。此方法的最大优点在于淡化海水过程中整个容器的传热面与蒸发面相互分离，从而杜绝了结垢的产生。此外多级闪蒸法还具有工艺成熟、维护量小、对原水要求低、适用寿命长、出水品质好、热效率高的优点，因此成为目前应用最广泛的工艺。而缺点则是耗电量大，此方法的淡化水产量占世界总产量的70%以上，能耗一直维持在10kWh/m3以上。

1.2冷冻法

海水在结冰时盐分被排除在冰晶以外，将冰晶洗涤、分离、融化后即可得到淡水，即为冷冻法。冷冻法工艺主要包括冰晶的形成、洗涤、分离、融化等。其中按冰晶形成的途径不同可分为天然冷冻法和人工冷冻法，人工冷冻法又可分为直接冷冻法和间接冷冻法。但是间接冷冻法传热效率不高而且需要很大的传热面积从而限制了它的使用。

1.2.1冷媒直接接触冷冻法

以不溶于水、沸点接近于海水冰点的正丁烷为冷冻剂，与预冷后的海水混合进入冷冻室中。在压力稍低于大气压的情况下，正丁烷气化吸热使冷冻室内温度维持在-3℃左右，海水冷冻结冰。

正丁烷蒸气经压缩机压缩至1大气压以上，进入融化器与冰直接接触，正丁烷蒸气液化，冰融化形成水，正丁烷与水互不相溶，依靠密度的差异分离，水作为产品放出，正丁烷则在过程中循环使用。丁烷冷冻法方便、可靠，在目前的大中型海水淡化工厂中应用较普遍。但由于丁烷循环使用要求系统必须严格密封，否则会因泄漏而使冷冻剂局部积累带来安全隐患，使投资费用增加。另外，虽然丁烷与水不互溶，若脱除不完全，水就不可避免地含有少量丁烷而受到污染。

1.2.2真空蒸发式直接冷冻法

真空蒸发式直接冷冻法是利用水的三相点原理的一种方法。在水的三相点附近气、液、固三相共存，若将海水控制在三相点附近则海水的蒸发与结冰将同时进行，再将冰与蒸气分别融化和冷凝得到淡水。真空蒸发式直接冷冻法的关键技术在于如何移走产生的蒸气，按照蒸气移去的方式可分为真空冷冻蒸气压缩法和真空冷冻蒸气吸收法。海水淡化设备关键材料的应用现状海水淡化设备的材料的选取需要综合考虑成本、比强度、工艺性能以及在介质中的稳定性等多重因素。由于服役环境较为苛刻，材料一直是制约设备发展的重要因素。

2海水淡化设备关键材料的应用现状

2.1蒸馏法设备的关键材料

蒸发器是蒸馏法淡化设备的核心部分，主要部件包括壳体、内件（管板支撑板、喷淋系统、内部管道）以及换热管等。

2.1.1壳体及内件

壳体与内件在选材时需要重点关注材料耐海水腐蚀的能力。研究表明，海水腐蚀的主要因素是溶解氧浓度、pH值和平均盐度，在三者的共同作用下导致金属材料出现点腐蚀、缝隙腐蚀以及受力构件的应力腐蚀等，从而导致材料失效。

2.1.2换热管组

换热管组服役过程中要承受热海水的喷淋和热盐雾的侵蚀，在选材时主要考虑导热性能和耐腐蚀性能，强度为次要因素。目前，主要采用钛及钛合金、铜合金以及铝合金3种材料。钛合金耐腐蚀性能极佳，传热效率低于铜合金，成本较高。因此大多在换热管组顶部若干排换热管采用钛合金，利用其耐喷淋冲蚀的作用，可以使管组达到免维护的可靠性级别。在多级闪蒸设备中，若注入氧化型杀菌剂去除海水中的细菌则需要全部采用钛管。

2.2膜法设备的关键材料选取

膜法设备的壳体和管道的选材与蒸馏法相似，由于膜法设备需要高压泵产生溶液从反透膜一侧进入另一侧的推动力，高压泵材料的选择成为关键的一环。1979年，首个大型膜法设备在沙特建成，其高压泵采用316L，运行过程中产生较严重的缝隙腐蚀。1986年在中东建设的两个膜法设备改用了317L，同样产生了不同程度的腐蚀问题。随后，904L和2205不锈钢逐渐被使用，大多数情况下运行稳定，偶尔出现腐蚀问题。1991年阿联酋Fujairah膜法设备采用254SMO超级奥氏体不锈钢作为高压泵的主要材质，在服役过程中十分稳定，于是254SMO逐渐成为大规模膜法设备高压泵的首要选择。20世纪后期，2507不锈钢由于兼具优异的耐蚀性与较低的成本，取代254SMO成为高压泵的主流材料。

3总结

经过半个多世纪的发展，低温多效蒸馏法、多级闪蒸法与膜渗透法3种技术逐渐从诸多海水淡化技术中脱颖而出，成为应用广泛、技术成熟的淡化方法。技术的成熟离不开新型耐蚀材料的出现和成本的不降低。蒸发器壳体及内件的选材从316L不锈钢逐渐转变为双相不锈钢，换热管组形成了钛合金-铜合金搭配使用的模式，高压泵的选材从普通不锈钢逐渐转变为超级奥氏体不锈钢。

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