陳棫端，呂東方，于開錄，李 崇，趙宴輝

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲056027)

0 引 言

海水淡化裝置是海軍艦艇長時(shí)間航行的重要保障，脫鹽淡水主要用于生活用水和動(dòng)力裝置補(bǔ)給水［1］。它們對(duì)脫鹽淡水的含鹽量要求不同，例如生活用水低于500 mg/L，鍋爐補(bǔ)給水應(yīng)小于10 mg/L，核動(dòng)力鍋爐補(bǔ)給水要求補(bǔ)水電導(dǎo)率小于1 μS/cm。通過蒸餾和反滲透等海水淡化技術(shù)，以及后續(xù)的離子交換和電去離子技術(shù)，能夠制取各種水質(zhì)的淡水［2］。本文對(duì)海水淡化及高純水制備在發(fā)展過程中的各種技術(shù)和裝備進(jìn)行總結(jié)和歸納，同時(shí)分析國外艦用海水淡化的發(fā)展現(xiàn)狀，最后闡述了艦用海水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 技術(shù)類型

1.1 海水淡化分類

海水淡化就是從海水中獲取淡水的技術(shù)和過程，按照從海水中取水或者除鹽的分離路線，海水淡化分為兩大類(見圖1)［3］。從海水中分離出淡水的方法分為蒸餾法、冷凍法、反滲透法、水合物法和溶劑萃取法;從海水中分離出鹽分的方法分為電滲析法和離子交換法。其中得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的是電滲析法、蒸餾法和反滲透法，后2 種在艦艇海水淡化中得到普遍應(yīng)用。

圖1 海水淡化的分類Fig.1 Desalination technologies

1)蒸餾法

根據(jù)熱源類型和加熱器的工藝結(jié)構(gòu)，蒸餾法又分為沸騰蒸餾和閃蒸。蒸餾法海水淡化裝置的產(chǎn)水水質(zhì)高，含鹽量(總固體溶解物)一般在5 mg/L 左右，與離子交換或電除離子電滲析(EDI)相結(jié)合產(chǎn)出的淡水可以直接滿足鍋爐補(bǔ)給水要求。目前部分以蒸汽輪機(jī)為動(dòng)力的艦船仍繼續(xù)采用蒸餾式海水淡化裝置。

①閃蒸。早期水面艦船上安裝的都是沸騰式蒸餾設(shè)備，海水中Ca和Mg 離子容易沉積到換熱器的表面，因此經(jīng)常對(duì)結(jié)垢進(jìn)行清洗。為了解決清洗頻繁的難題，提出了閃蒸海水淡化技術(shù)［5］。它的技術(shù)原理是:將加熱到一定溫度的海水輸入一定真空的容器內(nèi)，熱海水進(jìn)入容器時(shí)，由于溫度高于真空容器內(nèi)的飽和溫度，海水因過熱，使一小部分水分閃發(fā)成蒸汽?？梢钥闯觯Ｋ募訜岷驼舭l(fā)發(fā)生在不同的時(shí)間和不同的容器，加熱時(shí)不發(fā)生相變，閃發(fā)時(shí)無受熱表面，因此，加熱時(shí)結(jié)垢極其輕微;閃發(fā)時(shí)的結(jié)垢沉淀物黏附在非受熱表面的殼體上，對(duì)閃發(fā)的效果無任何影響。閃蒸分單級(jí)和多級(jí):單級(jí)經(jīng)過一個(gè)空間降溫閃發(fā);多級(jí)經(jīng)過逐級(jí)減壓空間降溫閃發(fā)(見圖2)。

圖2 多級(jí)閃蒸技術(shù)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of MSF technology

②沸騰蒸餾。20世紀(jì)50年代之前的絕大部分海水淡化裝置都采用沸騰蒸餾技術(shù)，其技術(shù)原理非常簡單:海水加熱到飽和沸騰溫度，使水分蒸發(fā)成蒸汽，與海水中的其他雜質(zhì)分離，蒸汽經(jīng)冷凝制得淡水。為了降低海水的沸騰溫度，降低能耗，需要將海水蒸發(fā)容器抽到一定真空。沸騰蒸餾技術(shù)按換熱器結(jié)構(gòu)分為立管、臥管、板式和薄膜蒸餾技術(shù)。海水蒸發(fā)屬于相變過程，需要額外供給熱源。對(duì)于各種水面艦船，加熱來源包括鍋爐蒸汽、柴油機(jī)夾套冷卻水和經(jīng)過機(jī)械壓縮二次蒸汽。最后一種適合只有電能、沒有蒸汽的水面艦船，即先通過電加熱將海水加熱沸騰，產(chǎn)生的二次蒸汽再經(jīng)過壓縮以提高溫度，重新加熱海水，整個(gè)過程不使用蒸汽。

根據(jù)蒸發(fā)器的數(shù)量，沸騰蒸餾可分為單效蒸餾和多效蒸餾。單效蒸餾設(shè)備的尺寸較小、造價(jià)較低，但它的造水比較低，即相同供熱條件下產(chǎn)水較少，主要原因是海水蒸發(fā)的二次蒸汽的潛熱沒有充分利用。多效蒸餾可以大幅度提高造水比，它的原理是將蒸餾產(chǎn)生的二次蒸汽再作為加熱蒸汽來對(duì)下一效溶液進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)所耗的熱能充分得到再利用，以降低能耗(見圖3)。

早期多效蒸餾操作溫度接近100℃，容易結(jié)垢，清洗困難?？紤]到在70℃以下無機(jī)鹽的結(jié)垢不是很明顯(見圖4)，以色列的IDE 公司開發(fā)了低溫多效蒸餾技術(shù)，避免和減緩設(shè)備的腐蝕及結(jié)垢，在低溫操作段也可以達(dá)到較高的造水比［6］。

圖3 多效蒸餾技術(shù)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of MED technology

圖4 硫酸鈣的溶解與結(jié)晶Fig.4 The dissolution and crystallization of CaSO4

多級(jí)閃蒸技術(shù)和低溫多效蒸餾技術(shù)是最主要的蒸餾法海水淡化技術(shù)，目前低溫多效蒸餾具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):一是低溫多效蒸餾是雙側(cè)相變傳熱(沸騰和冷凝)，傳熱系數(shù)很高，傳熱面積少于多級(jí)閃蒸;二是多級(jí)閃蒸過程中，海水循環(huán)量數(shù)倍于多效蒸餾技術(shù)，產(chǎn)水能耗很高;三是低溫多效蒸餾的操作彈性大(40% ～110%);四是低溫多效蒸餾操作溫度低，避免或減緩了設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢;五是低溫多效蒸餾的海水的預(yù)處理簡單，不需要加酸脫氣處理，只需要加入阻垢劑。

2)反滲透法

①技術(shù)原理。當(dāng)把相同體積的淡水和海水分別置于膜材料的兩側(cè)時(shí)，淡水會(huì)自然透過膜材料向海水一側(cè)流動(dòng)，該現(xiàn)象稱為滲透。如果在海水側(cè)施加一定壓力時(shí)，海水中水分子通過膜材料向淡水側(cè)反向流動(dòng)，而無機(jī)離子等雜質(zhì)被膜材料有選擇的截留，這就是海水反滲透淡化的技術(shù)原理(見圖5)。

圖5 反滲透技術(shù)原理示意圖Fig.5 Foundation of RO technology

②工藝路線。反滲透海水淡化工藝包括預(yù)處理、反滲透、后處理和清洗(見圖6)。為了保證反滲透淡化系統(tǒng)的安全運(yùn)行，延長膜的使用壽命，必須對(duì)海水進(jìn)行預(yù)處理，包括加氯消毒、凝聚過濾、加酸調(diào)節(jié)PH 值、投入聚磷酸鹽做阻垢劑、消除余氯以及微濾，消除海水中各種雜質(zhì)［7］。艦艇在世界各地航行，原料海水的水質(zhì)千差萬別，預(yù)處理應(yīng)該具有普適性。

反滲透裝置的主體由反滲透膜堆和高壓泵兩部分組成，高壓泵把海水升壓至特定壓力進(jìn)入膜堆，透過膜的作為初級(jí)產(chǎn)品水，而未透過膜的作為濃鹽水排放，得水率一般在30%左右。濃鹽水的壓力一般在4 ～7 MPa，如果直接排放，壓力能將直接浪費(fèi)，因此需要在濃鹽水排放管線上安裝能量回收裝置。反滲透膜組件在長時(shí)間運(yùn)行后，必須進(jìn)行清洗膜表面的結(jié)垢、金屬氧化物、微粒、膠體和細(xì)菌等，使膜組件恢復(fù)設(shè)定產(chǎn)量。

由于膜組件能夠截留CO2-3離子和HCO3-離子，不能截留海水中溶解的CO2，因此產(chǎn)品淡水呈弱酸性，不宜直接進(jìn)入供水管網(wǎng)和直接飲用，通常投加石灰、蘇打或火堿以提高淡水PH 值。“遠(yuǎn)望”號(hào)維修測量船上的反滲透海水淡化裝置在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮這一因素，造成供水管路腐蝕等現(xiàn)象［8］。如果用作飲用水，還必須添加次氯酸鈉或增設(shè)紫外殺菌設(shè)備。反滲透裝置的停機(jī)保養(yǎng)要求較高。當(dāng)反滲透裝置長時(shí)間不運(yùn)行時(shí)，為避免膜組件內(nèi)部細(xì)菌滋生、防止干裂，需要配置特殊溶液進(jìn)行沖洗和浸泡保存，并定期更換。

圖6 反滲透工藝流程簡圖Fig.6 Schematic diagram of RO technology

3)高純水的生產(chǎn)

高純水處理裝置是船舶上不可缺少的重要設(shè)備，為船舶動(dòng)力裝置、輔助鍋爐、蓄電池等設(shè)備提供高純水。核動(dòng)力水面艦船的鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)要求最高，通常需要對(duì)海水淡化產(chǎn)生的淡水進(jìn)一步處理，產(chǎn)水電導(dǎo)率在25℃時(shí)低于0.1us/cm，或者產(chǎn)水電阻高于12.5 MΩ。常用的高純水制備技術(shù)包括離子交換技術(shù)和電去離子技術(shù)［9］。

①離子交換技術(shù)。離子交換技術(shù)是一類特殊的固體吸附過程，能夠從電解質(zhì)溶液中吸取某種陽離子或陰離子，而把本身所含另外一種帶相同電荷的離子等當(dāng)量交換下來釋放到水中。離子交換劑包括無機(jī)離子交換劑、磺化煤和有機(jī)離子交換劑。H 型或Na 型離子交換劑可以將水中的Ca2+和Mg2+等陽離子進(jìn)行置換。經(jīng)過離子交換處理的高純水，電阻率達(dá)到18 MΩ 以上，能夠滿足特殊鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)要求。該技術(shù)的缺點(diǎn)是再生時(shí)間長，酸堿消耗量較大。

②電去離子技術(shù)。電去離子(Electrodeionization，EDI)技術(shù)是一種將離子交換樹脂和離子交換膜相結(jié)合、在電場作用下連續(xù)去除離子的水處理方法。EDI 借助離子交換樹脂的離子交換作用與陰、陽離子交換膜對(duì)陰、陽離子的選擇性透過作用，在直流電場的作用下，實(shí)現(xiàn)離子定向遷移，從而完成水的深度除鹽。它將離子交換樹脂填充在電滲析器的隔室中，將電滲析和離子交換過程合二為一，變電滲析過程中濃差極化的缺點(diǎn)為優(yōu)點(diǎn)，對(duì)樹脂起到再生作用，從而避免了酸堿的使用。

2 國內(nèi)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

艦用和陸用海水淡化裝置的技術(shù)原理相同，但由于淡水需求量、能力來源和運(yùn)行空間的不同，導(dǎo)致二者的發(fā)展過程和方向略有差異。長期以來，蒸餾法是艦船海水淡化的主要技術(shù)，主要包括常壓蒸餾和多級(jí)閃蒸技術(shù)［10］。在陸地上廣泛應(yīng)用的低溫多效蒸餾技術(shù)，由于出現(xiàn)時(shí)間晚，沒有在艦船上應(yīng)用。與其同時(shí)出現(xiàn)的反滲透技術(shù)，則因?yàn)椴僮鞣奖恪⒐ぷ髁啃〉葍?yōu)點(diǎn)而得到大規(guī)模應(yīng)用。

美國海軍大部分艦船建造時(shí)間較早，主要都安裝了蒸餾法海水淡化裝置。根據(jù)美國海軍艦船技術(shù)手冊(cè)，其技術(shù)類型包括蒸汽壓縮式、低壓蒸汽式(閃蒸式、浸沒式和籃筐式)和熱回收式，它們的最大區(qū)別是運(yùn)行過程中所使用的能量形式和操作壓力［11］。蒸汽壓縮式海水淡化裝置使用電動(dòng)壓縮機(jī)，操作壓力為常壓。低壓蒸汽式裝置使用鍋爐系統(tǒng)的蒸汽，熱回收裝置使用柴油機(jī)的冷卻水作為熱源。

蒸餾裝置的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，能夠連續(xù)運(yùn)行多年，只要熱平衡參數(shù)保持或接近于設(shè)計(jì)條件，就能不斷按額定容量產(chǎn)水。即使熱平衡條件嚴(yán)重偏離正常值，或換熱而被爐垢覆蓋，蒸餾器仍能生產(chǎn)符合水質(zhì)要求的淡水，只是產(chǎn)量較設(shè)計(jì)值稍低。蒸餾海水淡化裝置較反滲透淡化裝置更能經(jīng)受運(yùn)行中的疏忽、遺漏和濫用等情況。早期蒸餾裝置每隔一定時(shí)間就要清除結(jié)垢，現(xiàn)在的裝置都配置了更先進(jìn)的連續(xù)添加防垢劑設(shè)備，同時(shí)配置了更高效、對(duì)設(shè)備腐蝕更輕的檸檬酸清洗設(shè)備，使勞動(dòng)量大為減輕。根據(jù)美軍日常維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，蒸餾器全部問題有70%歸因于水泵和真空泵的故障。

多級(jí)閃蒸海水淡化裝置是美國海軍各類淡化裝置中使用最多的裝置，它有多種產(chǎn)品規(guī)格，單機(jī)產(chǎn)水容量從23 ～380 m3/d。缺點(diǎn)是能耗較高，原水與產(chǎn)水之比達(dá)到10 以上。 “尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航空母艦均配置4 個(gè)蒸餾海水淡化裝置(見圖7)，總產(chǎn)水量為1 500 m3/h，飲用水需要礦化，生產(chǎn)廠家為AQUA CHEM 公司。艦上有4 個(gè)水箱，儲(chǔ)存380 m3淡水，可以供應(yīng)全船人員4 h 使用。

圖7 AQUA CHEM 公司生產(chǎn)的艦用多級(jí)閃蒸海水淡化裝置Fig.7 Shipboard MSF seawater desalination apparatus of AQUA CHEM

蒸汽壓縮蒸餾的產(chǎn)水效率很高，但機(jī)械蒸汽壓縮蒸餾裝置的換熱面非常容易結(jié)垢，容積式壓縮機(jī)的可靠性也比較差。即便采用經(jīng)過改進(jìn)的離心式壓縮機(jī)和自動(dòng)給水化學(xué)處理系統(tǒng)后，操作溫度仍然為100℃左右，每隔250 h 仍要清洗。頻繁的酸清洗對(duì)管路、泵和其他部件造成腐蝕，清洗成本增加［12］。另外，受限于蒸汽壓縮機(jī)的規(guī)模限制，機(jī)械蒸汽壓縮蒸餾裝置的產(chǎn)量很難達(dá)到100 t/d 以上。

陸地上廣泛使用的低溫多效蒸餾裝置就可以克服以上缺點(diǎn)。其操作溫度低于70℃，在輔助添加阻垢劑的條件下，清洗頻率可以降低到1年，極大降低了裝置的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外通過高壓蒸汽壓縮最后一效的乏蒸汽，從而取代壓縮機(jī)，可以提高裝置的產(chǎn)水量，在船用條件下，單機(jī)產(chǎn)水量可達(dá)500 m3/d，體積和重量均低于多級(jí)閃蒸裝置。低溫多效蒸餾裝置可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

與蒸餾法相比，反滲透海水淡化裝置的工藝流程非常簡單，海水無需相變，也無需熱源，只需要電能，因此能夠避免蒸餾法固有的結(jié)垢問題。1988年美國海軍在“弗萊徹”號(hào)軍艦上安裝了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的反滲透裝置(見圖8)［12］。經(jīng)過測試，裝置能夠滿足艦船用水要求，而且不需要連續(xù)性觀察，維修工作量小，能耗低，穩(wěn)定性好，隨后大部分新建海軍艦船都安裝了反滲透裝置。

圖8 美國海軍列裝的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反滲透裝置Fig.8 Standard RO apparatus of US Navy

美國EUWP 二代演示項(xiàng)目正在試驗(yàn)，它由2 個(gè)框架組成，產(chǎn)量為1135.5 m3/d(見圖9)，計(jì)劃取代航母上2 個(gè)蒸餾海水淡化裝置［13］。

圖9 美國海軍最新研發(fā)的海水淡化裝置Fig.9 The newest desalination apparatus of US Navy

反滲透裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性要素是選擇結(jié)實(shí)而可靠的反滲透膜，膜一旦選定，其設(shè)計(jì)過程主要便是如何選擇過濾系統(tǒng)、高壓泵以及材料等問題，以便達(dá)到所期望的可靠性。

反滲透膜組件對(duì)海水質(zhì)量要求非常高，一旦海水預(yù)處理設(shè)備出現(xiàn)問題，就會(huì)給膜組件帶來嚴(yán)重影響。美國海軍普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)反滲透裝置NSRO，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)處理設(shè)備適用的水質(zhì)遠(yuǎn)離陸地、污染小的大洋海水。在此條件下，能夠保證4 ～6 星期更換保安過濾器(更換時(shí)間為1 ～6 h);3 ～5年更換反滲透膜組件(更換時(shí)間為4 ～12 h)。美國海軍大部分航行時(shí)間處于近海，此處海水的懸浮物濃度遠(yuǎn)高于大洋，污染物的種類也千差萬別，如果在近海使用反滲透裝置，膜組件產(chǎn)水量衰減嚴(yán)重。2003年，美國海軍開展了測試，試驗(yàn)從3月持續(xù)到7月，反滲透裝置累積運(yùn)行1 283 h，海水產(chǎn)量衰減了2/3，試驗(yàn)結(jié)束后直接更換膜組件［14］。

現(xiàn)在美國海軍正在開展先進(jìn)海水淡化FNC 項(xiàng)目，將反滲透適用海域擴(kuò)展到沿?；蚪＃_(dá)到勞動(dòng)工作量低、尺寸緊湊、化學(xué)添加劑少、能耗低等要求［15］。項(xiàng)目要求在外洋操作可能性大于99%，沿海操作可能性大于95%，每立方米裝置體積的產(chǎn)量是7 m3/d，每噸裝置重量的產(chǎn)量是17 m3/d，每立方米淡水的能耗是5.3 kWh。

3 結(jié) 語

沸騰蒸餾、閃蒸和反滲透是艦用海水淡化的3 種主流技術(shù)。對(duì)于小型海軍艦艇，淡水需求量較低，海水淡化裝置類型通常取決于動(dòng)力裝置提供的能源形式，包括蒸汽、電能、廢氣或氣缸套內(nèi)的熱水等。對(duì)于大型海軍艦船，淡水需求量較大，海水淡化裝置類型與能源提供形式的關(guān)聯(lián)較低，它主要取決于外形尺寸、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素。目前，大型海軍艦船大多安裝了多級(jí)閃蒸裝置，雖然其產(chǎn)水純度高，但也存在能耗高、外形尺寸大和穩(wěn)定性差等問題，美軍正在考慮將反滲透裝置替代部分多級(jí)閃蒸裝置。另外在陸地上廣泛應(yīng)用的低溫多效蒸餾裝置具有產(chǎn)水純度高、能耗低、重量輕和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也可以應(yīng)用到大型海軍艦船上。

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