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1、海水淡化工艺方案 Final revision by standardization team on December 10,2020.1 1 前言前言概况我国淡水资源极为匮乏，全国 660 多个城市中，有400 多个城市缺水，其中100 多个城市严重缺水。淡水资源短缺乃至水危机是我国经济社会可持续发展过程中的最大制约之一。电厂在生产电能的同时，可利用其廉价的热和电，进行海水淡化，不仅可满足其工业用水的需要，而且还可为周边地区提供淡水水源。在推动和利用海水淡化技术方面，电厂有着其得天独厚的有利条件。因此滨海电厂配套建设海水淡化装置已成发展趋势。水源及水质特点某电厂取水具有海域辽阔、水量充沛、海
2、水较清、悬浮物及有害微生物少等特点，可大大节省海水取水成本及原料海水预处理成本。海水水质分析报告如下：分分析析报报告告送样单位批号：样品类型：海水检测依据：检测环境：检测温度25.5 摄氏度湿度63%分析编号101238101239分析编号101238101239原号码头取水口原号码头取水口水温NO3-盐度NO2-色度未检出未检出HCO3-138140SS8078CO32-浊度 3 3Ba2+含沙量 kg/m3Sr2+DOMn2+高锰酸盐指数CODMnpHBOD5f CO2非碳酸盐硬度氨氮mmol/l104104碳酸盐硬度TOCmmol/l负 硬 度油mmol/l甲基橙碱度硫 化 物mmol/
3、l酚酞碱度化学需氧量(O2)mmol/lK+524436灼烧减量45823864Na+51865241酸度 mmol/lCa2+670664全硅量(SiO2)Mg2+14571421溶硅量(SiO2)Fe2胶硅量(SiO2)Fe3全固形物3675239156Al3溶解固形物3683239243总 硬 度NH3mmol/l105107Cl-1635216478SO42-34283596海水淡化规模根据建厂地区的缺水状况，电厂可针对性地提出水电联产的方案，目前可解决电厂的淡水用水，以后可根据需要适时配套建设大规模的海水淡化厂，为地方经济发展提供淡水资源保障。本项目结合 21000MW 发电机组的建
4、设规模，暂按配套建设 2104m3/d 规模的海水淡化装置设计；并对总规模为 40104m3/d 海水淡化厂作出展望。本专题报告按本期工程厂内自用的 2104m3/d 规模和规划容量的 40104m3/d 的海水淡化站分别进行比较论述。2 2 海水淡化技术概述海水淡化技术概述海水淡化技术的种类很多，但适于产业化的主要有蒸馏法（俗称热法）和反渗透法（俗称膜法）。蒸馏法主要有多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LTMED)技术。蒸馏法淡化技术2.1.1 多级闪蒸(MSF)MSF 是蒸馏法海水淡化最常用的一种方法，在 20 世纪 80 年代以前，较大型的海水淡化装置多数采用 MSF 技术。大港电厂二期
5、工程引进了美国的多级闪蒸(MSF)海水淡化装置，是我国第一套大型的海水淡化装置。MSF 的典型流程示意图见图 2-1。图 2-1 盐水再循环式多级闪蒸（MSF）原理流程多级闪蒸过程原理如下；将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分气化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。MSF 装置具有设备单机容量大、使用寿命长、出水品质好、造水比高、热效率高、寿命长等优点。但该装置海水的最高操作温度在 110120左右，对传热管和设备本体的腐蚀性较大，必须采用价格昂贵的铜镍
6、合金、特制不锈钢及钛材，因此设备造价高；设备的操作弹性小，多级闪蒸的操作弹性是其设计值的 80%110%，不适应于产水量要求可变的场合。2.1.2 低温多效蒸馏(LTMED)低温多效蒸馏海水淡化技术是指盐水最高温度不超过 70的淡化技术，是 20 世纪 80年代成熟的高效淡化技术。其特点是将一系列的喷淋降膜蒸发器串联布置。加热蒸汽被引入第一效，其冷凝热使几乎等量的海水蒸发，通过多次蒸发和冷凝，后面的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝液返回锅炉，而其他效及海水冷凝器的冷凝液收集后作为产品水。为提高热效率，目前多采用压汽蒸馏的淡化工艺
7、，压缩可采用蒸汽喷射器，称为热压缩（TVC）；或采用机械蒸汽压缩机，即机械压缩（MVC），由于受压缩机的限制，其单台装置的容量较其他蒸馏装置小。目前绝大多数低温多效蒸馏装置都采用热压汽蒸馏的方式来提高热能效率，即低温多效加蒸汽压缩喷射器（LTMEDTVC）工艺。图 2-2 是 LTMEDTVC 蒸馏装置的原理示意图。图 2-2 LTMEDTVC 蒸馏装置的原理示意图低温多效海水淡化装置的运行温度远远低于 MSF 装置的 110，所以其能耗和管壁腐蚀及结垢速率均较低。和 MSF 相比，其设备本体和传热管的材质要求较低，而热效率较高。多效蒸馏的操作弹性很大，负荷范围从 110%变到 40%，皆可正
8、常操作，而且不会使造水比下降。低温多效海水淡化装置可以用 70左右，的蒸汽作为热源，当提供的汽机抽汽参数高于低温多效加热蒸汽的压力和温度的要求时，可采用热压缩装置，可以进一步提高系统的热效率。国外近几年 MED 发展迅速，MED 单台最大产水量已达 40000t/d，技术是成熟的。海水反渗透(SWRO)淡化技术海水反渗透(SWRO)淡化技术在 20 世纪 70 年代后获得了很大发展。由于 RO 膜材料的不断改进，以及能量回收效率的不断提高，SWRO 技术越来越引起人们的关注，现也已成为蒸馏海水淡化系统的主要竞争对手。反渗透是用一种特殊的膜，在外加压力的作用下使溶液中的某些组分选择性透过，从而达
9、到淡化、净化或浓缩分离的目的。典型的海水反渗透处理工艺流程见图 2-3。预处理反渗透膜组件高压能量回浓水图 2-3典型的海水反渗透工艺流程图海水反渗透(SWRO)系统所需的能量决定于进水的含盐量、系统的浓缩倍率、进水温度及产品水的水质，其能耗一般为 910kWh/m3，若有能量回收装置，则所需能耗为6kWh/m3。海水反渗透 SWRO 设备除膜组件、高压泵、能量回收装置需要进口外，其它设备和器件均可以在国内加工制造，设备投资以及制水成本相对较低。海水淡化工艺主要技术性能对比常用的海水淡化工艺主要技术性能见表 2-1。表 2-1 海水淡化工艺技术比较海水淡化工艺比较 SWROLTMEDTVCMS
10、F产品水水质(mg/L)20050011012110电耗(kWh/m3)（有能量回收）1904004装置热耗190400（kJ/kg）进水预处理需设置完善的预处理系统要求进水浊度进水水质要求较低小于 20mg/L300mg/L海水利用率（或回收率）3555%2540（含冷却水量）排出海水的浓度原海水的倍原海水的倍原海水的倍最大单机产水量（m3/d）相对较小6819091000海水淡化工艺比较 SWROLTMEDTVCMSF操作弹性（）不限4011080110从表 2-1 可以看出，蒸馏法与反渗透法的主要技术区别在于：对进水水质的要求不同；单机产水量的不同；变工况能力的不同；能（热）耗的不同等。
11、蒸馏法在装置规模、预处理系统的要求、出水水质、运行可靠性以及电耗方面具有明显优势，但蒸馏法的总能耗比 SWRO 法高；从海水用量上看，由于 SWRO 法水的利用率高，因此取水量较少。在变工况能力上，SWRO 法则没有限制。与 LTMEDTVC 相比，MSF 装置单机容量大，对进水的水质要求低，但其变工况能力差，抽汽参数高，工作温度高，设备投资大，因而运行费用高。因此对于蒸馏法工艺推荐选用 LTMEDTVC 方案。本专题将对 SWRO 和 LTMEDTVC 两种工艺进行技术经济比较，结合各淡水用户的用水需求确定海水淡化工艺。3 3 电厂海水淡化方案选择电厂海水淡化方案选择海水淡化系统设计条件按满
12、足电厂自用的 2X104m3/d 海水淡化规模及向地方供水的 40X104m3/d 海水淡化规模分别进行比较。反渗透膜法（SWRO）海水淡化技术方案(方案一)3.2.1 海水反渗透预处理系统的选择海水反渗透，其预处理的目的是防止悬浮杂质、有机物、胶体物质、细菌、微生物等附着在膜表面或堵塞膜元件水流通道，防止海水膜表面结垢沉淀，确保海水膜免受机械和化学损失，使膜保持良好的性能和足够长的使用寿命。根据海水的取水方式不同、所处的水域水质不同，以及采用的海水淡化技术不同，采用的预处理方式不同。预处理系统的形式有：混凝、沉淀（澄清）、过滤（活性炭过滤器、多介质过滤器微滤、超滤、纳滤）等。常规的混凝澄清、
13、介质过滤的预处理方式在目前已运行的海水反渗透系统中应用较多、运行使用时间较长，但其占地面积大，系统复杂，操作费力，运行维护都需特别精心才能使反渗透膜不受到污染。超滤（微滤）预处理方式在水处理领域已应用多年，也有许多成功的经验。微滤（超滤）对海水中的胶体、悬浮颗粒、色度、浊度、细菌、大分子有机物具有良好的分离能力，其去除率好于常规的预处理方式，采用微滤(或超滤)作为海水反渗透的预处理，可以满足反渗透的进水水质要求。此技术由于改进了反渗透进水水质，不仅延长了海水反渗透的清洗周期、反渗透膜的使用寿命，而且有助于提高系统的回收率、降低运行费用。且新技术占地面积小，操作、维护简单。电厂一般情况下海水水质
14、较好、悬浮物及泥沙含量较少，根据相关工程的经验，海水反渗透淡化系统预处理可采用直接超（微）滤装置。3.2.2 海水淡化系统设置1）工艺流程海水自清洗过滤器超滤海水反渗透淡水箱用户2）SWRO 系统配置及设计参数制水规模：2X104m3/d；4X104m3/d单机容量：200m3/h；400 m3/h设备套数：5 套；50 套反渗透海水淡化的回收率：40%45%产品水水质：TDS(固体溶解物总量)300500mg/L设计水温：15353.2.3 淡化站布置海水淡化站建（构）筑物包括：超滤、反渗透设备间，设备间内设置控制室、加药间、过滤间、水泵间、配电间等，室外设置各类水箱(池)等设施。海水淡化站
15、占地分别约 105m50m，105mX400m。低温多效（LTMEDTVC）蒸馏法海水淡化技术方案(方案二)3.3.1 淡化工艺流程低温多效淡化装置对进水的水质要求不高，鉴于本工程取水海域水质较清、泥沙含量少，进入海水淡化站的海水水质较好。因此，本工程不设置预处理。为防止设备结垢，在进料液中加入聚磷酸盐类阻垢剂。为防止海生物孳生，设置次氯酸钠加药系统，以对进入的海水进行杀菌灭藻处理。工艺流程为：海水海水取水泵MED 装置淡水箱/池用户3.3.2 海水淡化系统配置及设计参数制水规模：2X104m3/d；4X104m3/d单机容量：10000 m3/d；25000 m3/d设备台数：2 台；16
16、台造水比：产品水水质：TDS(固体溶解物总量)5mg/L。抽汽量：两台机共 67t/h；1334t/h抽汽参数：压力为（暂定），温度为 3003.3.3 海水淡化站布置低温多效设备露天布置，另设控制室、加药间、配电间等。室外布置淡水池和水箱等设施。淡化站占地分别约 130m80m；180m560m。4 4 海水淡化方案的经济比较海水淡化方案的经济比较自用型海水淡化厂的经济比较对于与发电工程配套的自用型 20000 m3/d 海水淡化装置，热法耗汽量约为 67t/h，不影响电厂的发电量，所产淡水为电厂自用，因此两种海水淡化方案的经济比较仅针对其对发电厂本身的上网电价及煤耗的影响来进行。4.1.1
17、 比较计算的条件1）年发电量按发电年利用小时 5500h 计算，为 110108 kWh。2）厂用电厂用电包括发电厂用水电和淡化用电两部分，两个方案的发电厂用电率差别很小，均按 5考虑。反渗透方案耗电：淡化站电耗 h/m3，用于锅炉补给水处理的淡水反渗透 h/m3（为便于计算比较，淡水反渗透电耗按淡化站产淡水量进行了折算），总电耗 h/m3低温多效蒸馏方案耗电：淡化站电耗 h/m33）工程投资根据近期国内海水淡化项目的实施情况，LTMEDTVC 海水淡化装置投资约为 0 元 d/m3，SWRO 海水淡化装置为元 d/m3，淡水反渗透为 600650 元 d/m3。本报告暂按上限取值，即：方案一
18、取 5000 元 d/m3，方案二取 10000 元 d/m3。4）运行维护费用两个方案的发电部分维修费用基本相同。海水淡化装置的运行维护费用：反渗透方案取：药品及膜更换费元/m3淡水(包括淡水反渗透部分)低温多效蒸馏方案取：药品费元/m3淡水5）其它条件标煤价：1000 元/吨蒸汽价格：按元/吨计电费：厂用电价按元/kWh 计算。基本折旧费：低温多效设备属于热力设备，使用年限相对较长，因此其固定资产折旧年限取 25 年；海水反渗透设施使用年限相对低温多效设备较短，因此其固定资产折旧年限取 20 年。按电厂实际耗水量计算运行费用4.1.2 主要经济指标按上述条件，两个方案的经济指标计算结果见表
19、 4-1。表 4-1海水淡化方案经济指标项目单位方案一方案二海水淡化站投资万元1289022890制水成本(元/吨)从表 4-1 数据可以看出：与方案二相比，方案一具有投资省、制水成本低的优点。外供型海水淡化方案的经济比较经济比较模式外供淡水时，海水淡化方案的经济比较方法有两种。一种是仅就不同的淡化装置方案计算其投资、成本，在相同的资本金内部收益率的条件下，计算出不同方案的水价。此方法存在两个问题，第一是对于蒸馏法的热价如何确定。热价是影响蒸馏法水价的主要因素，而热价的确定涉及到热电联产带来的效益以及固定资产折旧在热和电中两种产品如何分摊，带有很大的人为因素。第二是热价的高低以及发电量的不同对
20、发电部分（厂）的经济效益的影响没有考虑。基于上述分析，本报告提出第二种比较模式，即将发电部分与制淡水部分捆成一个厂来进行分析计算，即电厂有两种产品：电和淡水。不同方案在锅炉蒸发量、年供淡水量以及投资方内部收益率相同的条件下，通过财务分析，假定电价计算水价，或假定水价计算电价，取其低者为优。此种比较模式就避免了前述第一种方法的问题。4.2.2 比较计算的条件4.2.2.1 汽轮发电机组在凝汽工况和抽汽工况下不同负荷率的热耗和出力按汽轮机厂提供的 1000MW 机组热平衡图为依据。4.2.2.2 年发电量按发电年利用小时 5500h 计算。年供淡水量按淡化装置年利用小时 7600h 计算。4.2.
21、2.3 厂用电率1）方案一：发电厂用电率 5%淡化厂用电率 h/m32）方案二：发电厂用电率%淡化厂用电率 h/m4.2.2.4 财务分析的其它条件3标煤价：650 元/吨（2008 年惠安电厂煤价）投资方内部收益率：10假定水价（不含税）从、元/m3计算相应的电价 4X104m3/d 经济比较计算结果按上述条件，两个方案的技术指标计算结果见表 4-2。表 4-2技术指标项目单位方案一（SWRO）方案二（LT-MED-TVC）总投资发电部分万元海水淡化部分万元合计万元发电出力MW210002年发电量108 kWh110年供电量108 kWh年供淡水量104 m3平均发电标煤耗kg/kWh制淡水
22、能（标煤）耗kg/m3供电部分104 t/a年耗煤量供淡水部分104 t/a合计104 t/a表 4-3方案一（SWRO）财务分析计算成果表水价电价（元/MWh）（元/m3）（）不含税含税不含税含税（年）投资方内部收益率投资回收期备注10101010101010注注：本行数据是以假定本工程不设海水淡化时的电厂计算电价来计算水价。表 4-4方案二（LT-MED-TVC）财务分析计算成果表水价电价（元/MWh）（元/m3）（）不含税含税不含税含税（年）投资方内部收益率投资回收期备注10101010101010注注：本行数据是以假定本工程不设海水淡化时的电厂计算电价来计算水价。SWRO方案45043
23、0LT-MED-TVC方案电价（不含税，元/MWh）4103903703503303102902702504.505.005.506.0036.507.00水价（不含税，元/m）图 4-1水价与电价关系曲线上述计算结果说明，两个方案在经济效益相同的条件下，随着水价上升，电价随之下降；在相同的水价下，方案一的电价明显低于方案二的电价，或者说，在相同的电价下，方案一的水价明显低于方案二的水价；由于方案二的制水能耗远大于方案一的制水能耗，两个方案在年供水量相同，方案二的供电量比方案一少108 kWh 的情况下，方案二年用煤量比方案一多104t（标煤），相应多排放二氧化碳约104 t。现电厂标煤价为
24、1000 元/吨，从上面的趋势可以看出，方案二的水价会更高，即与方案一的水价差距会更大。5 5 海水淡化工程实例海水淡化工程实例近年来，随着电厂的建设，我国陆续投产了多项配套的海水淡化工程，表 5-1 列出了部分蒸馏法海水淡化工程实例，表 5-2 列出了部分反渗透法海水淡化工程实例。表 5-1 蒸馏法海水淡化工程实例项目名称单机容量总容量海水淡化工艺海水预处理工艺（m3/d）（m3/d）大港电厂海水淡化工程30006000MSF仅加酸、脱气黄岛电厂海水淡化工程30003000LT-MED-TVC无预处理黄骅电厂一期海水淡化工程1000020000LT-MED-TVC混凝沉淀首钢京唐钢铁厂海水淡
25、化工程1250050000LT-MED-TVC混凝沉淀天津北疆发电厂一期海水淡化工程25000200000LT-MED-TVC微砂加速混凝沉淀表 5-2 反渗透法海水淡化工程实例项目名称单机容量（m3/d）总容量（m3/d）海水淡化工艺海水预处理工艺黄岛电厂海水淡化工程3000/100003000/10000SWRO自清洗过滤器+超滤河北王滩电厂海水淡化工程360010800SWRO自清洗过滤器+超滤“微旋涡”折板华能玉环电厂海水淡化工程5760没式超滤34560SWRO式反应沉淀池+浸浙能乐清电厂海水淡化工程21600SWRO混凝澄清装置+超滤华能营口电厂海水淡化工程24009600SWRO
26、反应沉淀池+多介质过滤+细砂过滤大连庄河电厂海水淡化工程海水淡化424012720SWRO反应沉淀池+超滤工程福建宁德核电厂海水淡化工程363014520SWRO混凝沉淀+均粒 V型砂滤+细砂过滤6 6 结论结论综合比较的结论如下：1）从经济、环境和社会效益三方面综合考虑，海水反渗透方案都有优势。2）对于 2104m3/d 海水淡化系统，为节省投资、缩短工期、减少占地面积，推荐采用海水反渗透方案。3）对于 4010 m/d 海水淡化系统，可以采用热膜结合的淡化制水方案，以满足用户的不同用水水质需求，同时还可减少因热法大量抽汽对发电的影响。434）无论采用何种方案，海水淡化装置均为模块组成，可分期建设，不影响电站主机设备的选型和订货。海水淡化装置的建设规模、进度及方案组成均可根据社会需求而定。