海水淡化設備關鍵技術與材料的發展現狀
摘要：淡水資源短缺正逐漸成為制約人類社會可持續發展的全球性問題。海水淡化作為有望緩解淡水資源危機的重要手段，在過去的半個世紀取得了長足的進步，發展出了一批諸如多級閃蒸法、低溫多效蒸餾法、反滲透膜法等關鍵技術，同時帶動了設備建造所需關鍵材料與工藝的開發。概述了現有海水淡化技術與設備的原理，回顧了設備關鍵材料的發展歷程，為海水淡化設備建造和選材提供一定的參考。
關鍵詞：海水淡化；蒸發器；換熱管；關鍵材料；研究進展
水是孕育生命不可或缺的元素，人類社會的高速發展對淡水資源的過度使用導致地球上淡水的自循環平衡正在逐漸被打破，人類將不得不面對淡水資源短缺的危機。雖然地球表面70%的面積被水覆蓋，但能被人類直接利用的淡水僅占其中不足1%，于是從廣闊的海洋中汲取淡水成為人類向往的解決水資源短缺的途徑。進入21世紀后，淡水資源愈加匱乏使得海水淡化技術從缺水的中東地區逐漸擴展應用到世界主要沿海國家，海水淡化技術也從最初的單一蒸餾法逐步發展出冷凍法、氣體水化物法、滲透膜法、離子交換法等諸多方法。
1海水淡化關鍵技術的發展現狀
1.1蒸餾法
蒸餾法原理簡單，是最早被利用的海水淡化技術，采用將海水加熱蒸發再冷凝的方法除去海水中對人體有害的鹽分和雜質得到淡水。
1.1.1多效蒸餾法
多效蒸餾法將一系列蒸餾器串聯起來，熱源蒸汽（一般為工廠廢熱）從第一級進入將熱量傳遞到一級蒸餾室的海水中。海水在蒸餾室中負壓的作用下沸點降低，從而易于被低品位余熱蒸汽加熱氣化，氣化后的海水蒸汽又可作為第二級蒸餾的熱源。串聯的多級蒸餾室使得熱源的余熱被充分利用，產生遠大于熱源蒸汽量的蒸餾水，因此可應用于大規模海水淡化工程.低溫多效蒸餾法由于可利用工廠低品位余熱（熱源蒸汽溫度低于70℃），而被廣泛應用。首鋼京唐海水淡化項目即是鋼鐵生產流程低品位余熱利用的典型代表，其原理如圖2所示。利用鋼鐵流程低品位余熱作為熱源，鋼廠熱蒸汽從左側管道（紅色）進入第一級蒸餾室中的換熱管中。室頂的海水噴霧裝置將海水霧化噴出，從而增大水霧與換熱管的接觸面積。水霧吸收換熱管的熱量氣化為水蒸氣，冷凝之后匯入蒸餾水管道，濃鹽水流入收集槽。剩余蒸汽攜帶余熱進入下一級換熱管作為第二級的熱源，通過七級蒸餾室將鋼廠余熱蒸汽的熱量充分利用，蒸汽溫度由第一級的70℃左右下降到第七級的45℃左右。圖2中第七級蒸餾室處的空氣引射和蒸汽引射裝置使整個設備中產生負壓，從而降低水的沸點，加速氣化過程，同時該負壓作為整個系統中熱蒸汽從一級流向七級的驅動力。
1.1.2多級閃蒸法
多級閃蒸法是將海水預熱后導入閃蒸室，閃蒸室的壓力低于熱海水的飽和蒸氣壓，因此熱海水進入閃蒸室即迅速蒸發，將蒸汽冷凝后得到淡水。由于其安全可靠，中東產油國大多采用此方法，并將其與發電廠結合。例如，阿聯酋建造了世界上最大的發電廠-多級閃蒸海水淡化設備。此方法的最大優點在于淡化海水過程中整個容器的傳熱面與蒸發面相互分離，從而杜絕了結垢的產生。此外多級閃蒸法還具有工藝成熟、維護量小、對原水要求低、適用壽命長、出水品質好、熱效率高的優點，因此成為目前應用最廣泛的工藝。而缺點則是耗電量大，此方法的淡化水產量占世界總產量的70%以上，能耗一直維持在10kWh/m3以上。
1.2冷凍法
海水在結冰時鹽分被排除在冰晶以外，將冰晶洗滌、分離、融化后即可得到淡水，即為冷凍法。冷凍法工藝主要包括冰晶的形成、洗滌、分離、融化等。其中按冰晶形成的途徑不同可分為天然冷凍法和人工冷凍法，人工冷凍法又可分為直接冷凍法和間接冷凍法。但是間接冷凍法傳熱效率不高而且需要很大的傳熱面積從而限制了它的使用。
1.2.1冷媒直接接觸冷凍法
以不溶于水、沸點接近于海水冰點的正丁烷為冷凍劑，與預冷后的海水混合進入冷凍室中。在壓力稍低于大氣壓的情況下，正丁烷氣化吸熱使冷凍室內溫度維持在-3℃左右，海水冷凍結冰。
正丁烷蒸氣經壓縮機壓縮至1大氣壓以上，進入融化器與冰直接接觸，正丁烷蒸氣液化，冰融化形成水，正丁烷與水互不相溶，依靠密度的差異分離，水作為產品放出，正丁烷則在過程中循環使用。丁烷冷凍法方便、可靠，在目前的大中型海水淡化工廠中應用較普遍。但由于丁烷循環使用要求系統必須嚴格密封，否則會因泄漏而使冷凍劑局部積累帶來安全隱患，使投資費用增加。另外，雖然丁烷與水不互溶，若脫除不完全，水就不可避免地含有少量丁烷而受到污染。
1.2.2真空蒸發式直接冷凍法
真空蒸發式直接冷凍法是利用水的三相點原理的一種方法。在水的三相點附近氣、液、固三相共存，若將海水控制在三相點附近則海水的蒸發與結冰將同時進行，再將冰與蒸氣分別融化和冷凝得到淡水。真空蒸發式直接冷凍法的關鍵技術在于如何移走產生的蒸氣，按照蒸氣移去的方式可分為真空冷凍蒸氣壓縮法和真空冷凍蒸氣吸收法。海水淡化設備關鍵材料的應用現狀海水淡化設備的材料的選取需要綜合考慮成本、比強度、工藝性能以及在介質中的穩定性等多重因素。由于服役環境較為苛刻，材料一直是制約設備發展的重要因素。
2海水淡化設備關鍵材料的應用現狀
2.1蒸餾法設備的關鍵材料
蒸發器是蒸餾法淡化設備的核心部分，主要部件包括殼體、內件（管板支撐板、噴淋系統、內部管道）以及換熱管等。
2.1.1殼體及內件
殼體與內件在選材時需要重點關注材料耐海水腐蝕的能力。研究表明，海水腐蝕的主要因素是溶解氧濃度、pH值和平均鹽度，在三者的共同作用下導致金屬材料出現點腐蝕、縫隙腐蝕以及受力構件的應力腐蝕等，從而導致材料失效。
2.1.2換熱管組
換熱管組服役過程中要承受熱海水的噴淋和熱鹽霧的侵蝕，在選材時主要考慮導熱性能和耐腐蝕性能，強度為次要因素。目前，主要采用鈦及鈦合金、銅合金以及鋁合金3種材料。鈦合金耐腐蝕性能極佳，傳熱效率低于銅合金，成本較高。因此大多在換熱管組頂部若干排換熱管采用鈦合金，利用其耐噴淋沖蝕的作用，可以使管組達到免維護的可靠性級別。在多級閃蒸設備中，若注入氧化型殺菌劑去除海水中的細菌則需要全部采用鈦管。
2.2膜法設備的關鍵材料選取
膜法設備的殼體和管道的選材與蒸餾法相似，由于膜法設備需要高壓泵產生溶液從反透膜一側進入另一側的推動力，高壓泵材料的選擇成為關鍵的一環。1979年，首個大型膜法設備在沙特建成，其高壓泵采用316L，運行過程中產生較嚴重的縫隙腐蝕。1986年在中東建設的兩個膜法設備改用了317L，同樣產生了不同程度的腐蝕問題。隨后，904L和2205不銹鋼逐漸被使用，大多數情況下運行穩定，偶爾出現腐蝕問題。1991年阿聯酋Fujairah膜法設備采用254SMO超級奧氏體不銹鋼作為高壓泵的主要材質，在服役過程中十分穩定，于是254SMO逐漸成為大規模膜法設備高壓泵的首要選擇。20世紀后期，2507不銹鋼由于兼具優異的耐蝕性與較低的成本，取代254SMO成為高壓泵的主流材料。
3總結
經過半個多世紀的發展，低溫多效蒸餾法、多級閃蒸法與膜滲透法3種技術逐漸從諸多海水淡化技術中脫穎而出，成為應用廣泛、技術成熟的淡化方法。技術的成熟離不開新型耐蝕材料的出現和成本的不降低。蒸發器殼體及內件的選材從316L不銹鋼逐漸轉變為雙相不銹鋼，換熱管組形成了鈦合金-銅合金搭配使用的模式，高壓泵的選材從普通不銹鋼逐漸轉變為超級奧氏體不銹鋼。
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