引言
隨著世界環境的變化、人口的增加、生活水平的提高以及工業的快速發展，當今整個世界都面臨淡水資源嚴重短缺的局面。據有關國際組織預測，到2050年，生活在缺水國家的人口將增加到10.6億到24.3億之間，約占全球預測人口總數的13％ ～20％。
海水淡化是人類解決水資源危機的重要途徑。經過半個多世紀的發展，海水淡化技術已經比較成熟，并在世界各地廣泛應用。由于海水的腐蝕性很強，海水淡化設備的設計和制造必須考慮選用耐海水腐蝕的材料。由于鈦的耐腐蝕性能良好，尤其是在高溫下對氯離子具有很強的抗腐蝕性，因此鈦被譽為“海洋金屬”，是海水淡化裝置的理想用材。在過去40余年中，鈦材在海水淡化方面的應用已經取得巨大成功，隨著社會經濟的發展及淡化海水需求量的日益增大，其應用的深度和廣度都將日趨擴大 。
1、 海水淡化方法
海水淡化方法按分離過程可分為蒸發法、膜法、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等，其中應用廣泛的主要有蒸發法和膜法。
由于蒸發法對海水的預處理要求十分簡單，僅需進行過濾和簡單的加氯處理(或其他相應處理)，而且即使在懸浮物含量很高的情況下(例如數百ppm)，也可以對海水進行淡化。所以，在諸多海水淡化方法中，蒸發法約占世界海水淡化總量的60％。
蒸發法海水淡化裝置在選材合適、操作正確、維護正常的條件下，每年的有效工作時間超過800h，其使用壽命超過20年。蒸發法又可為多級閃蒸法、單級閃蒸法、立式多效法、橫式多效法、浸管法、蒸汽壓縮法等。其中的多級閃蒸方法是較早投入規模化應用并得到全世界推廣的方法，截止到2000年，其生產能力占世界海水淡化總產量的約42％ ，即使到現在，仍然占主導地位 。多效蒸發方法尤其是低溫多效蒸餾方法開發后，也在世界范圍內得到了較廣泛的應用。膜法分為電透析法、反滲透法，其裝置規模靈活性大，是近20年來發展最快的海水淡化技術。除海灣國家外，美洲、歐洲及亞洲其他國家大中型生產規模的海水淡化裝置都以反滲透技術為首選。反滲透法海水淡化裝置約占世界海水淡化裝置的38％。
在海水淡化的發展歷程中，特別是從20世紀80年代開始，已逐漸形成以多級閃蒸、多效蒸發和反滲透為代表的三大主流技術，也是目前應用最為廣泛、形成產業化規模的主要海水淡化方法。有關專家認為，今后多級閃蒸、多效蒸發和反滲透技術的發展將決定海水淡化的未來 。表1是這3種海水淡化方法的主要技術指標和成本指標 的對比。從表1可以看出，3種海水淡化方法的技術指標存在較大差異。從運行成本上看，低溫多效蒸餾法的運行成本最低；反滲透法的運行成本很大程度取決于海水預處理費用。從備投資上看，多級閃蒸法的設備成本較高，但近年來一直呈大幅下降的趨勢 ；蒸餾法的設備投資成本較高，但維護成本較低。下面重點介紹多級閃蒸、多效蒸發和反滲透法這3種海水淡化技術。
1.1 多級閃蒸
多級閃蒸是將加熱到一定溫度的海水，依次在多個壓力逐級降低的閃蒸室內急劇蒸發，蒸發的蒸汽用于加熱循環的海水并冷凝成淡水的過程。圖1為多級閃蒸的基本原理示意圖。多級閃蒸的海水淡化系統主要被分成兩個區域，一為加熱區，用于對進料海水進行預熱，一般多采用蒸汽作熱源，蒸汽冷凝后回到鍋爐；另一區域為閃化區域，包括多級的閃化與熱回收區，通常為16級至50級不等。各級蒸發室的壓力依次遞減，海水從一級到另一級不斷閃蒸，在此過程中不需要外加熱量。閃蒸蒸發的蒸汽上升與蒸發室上端盤管中的進料冷海水作熱交換而冷凝成為淡水。由于多級閃蒸加熱過程與蒸發過程分開進行，所以海水結垢傾向小。
多級閃蒸通常與火力發電站聯合建設與運行，以汽輪機低壓抽汽作為熱源，其大規模商業化生產淡水已有30多年歷史，技術成熟，具有維護量較小、整體性好、運行安全性高、使用壽命長以及對原水預處理要求低、出水品質好等優點，適合于大型及超大型淡化裝置。就淡化水量而言， 目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸占據份額最大，尤其是在海灣國家。但多級閃蒸也存在造水比低(一般在11左右)的問題，造成較大的能量消耗，使得多級閃蒸比一般方法成本高。
對多級閃蒸的研究目前主要集中在進一步提高裝置單機造水能力，開發對環境影響小、用量小的新型阻垢劑，研究新型傳熱材料以提高傳熱效率，降低單位電力消耗等方面，已取得如下成果。
(1)通過采用新型薄壁管材、優化管路設計以進行冷凝過程的改進，減少了熱交換面積，提高了熱交換量。WDI公司通過采用效率高達95％的蒸汽壓縮設備、以帶溝槽的薄壁鈦管作為傳熱材料及以特種混凝土作為蒸發器殼體等措施，使得海水淡化設備的使用壽命達到40年，顯著地降低了造水成本。
(2)成功實現多級閃蒸裝置大型化。根據LeonAwerbuch報道，位于阿布扎比(Abu Dhabi)的蘇威哈特廠(Shuwaihat)，其海水淡化單套裝置的設計規模為76000m3/d。
1.2 多效蒸發
多效蒸發是為了減少熱能消耗，降低成本，將加熱后的海水通人多個串接的單效蒸發器，前一效蒸發的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，從而使蒸汽的熱能進行循環并多次重復利用 。圖2為多效蒸發的基本原理示意圖。
多效蒸發中的基本組成單元是單效蒸發器，其原理是在一個絕熱的容器中裝置一組水平的管道，管道中通入熱的介質，經過預處理的海水從上方噴淋到管束的表面，在真空、內部低壓力以及管道內高溫介質的作用下，海水在較低溫度即開始沸騰。
沸騰的蒸汽在容器中的冷卻管束表面凝結成水，并經凝結器流下至底盤中， 由水泵抽出，而海水中剩余的濃鹽水也在容器底部收集，由鹽水泵抽出 。
多效蒸發包括兩種類型，一類是各效分列式，在20世紀七八十年代較盛行，其操作溫度一般較高，頂溫達到100～120℃ ，在歐洲和亞洲一些火電廠都有使用；另一類是低溫多效蒸餾(LT—MED)，是20世紀80年代開發出來的新技術，頂溫只需65—70℃ ，由于其存在諸多技術和應用優點，近年來發展迅速，裝置的規模日益擴大，相比各效分列式也更具競爭力，是蒸餾法中最節能的方法之一 。多效蒸發也主要與火電廠聯運，以期提高傳熱效果，便于系統優化。
低溫多效蒸餾技術原理是將一系列的水平管降膜蒸發器串聯起來并被分成若干效組，用一定量的蒸汽輸入通過多次的蒸發和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的過程，基于這種工作原理，其造水比高，可超過15，降低造水成本的潛力很大。低溫多效蒸餾法主要有以下特點。
(1)較低的水垢沉積率 多效蒸發器的鹽水最高溫度一般不超過70℃，熱蒸汽管簇上的濃鹽水在重力的作用下自然向下流動，在可靠的阻垢劑作用下，多效蒸發器的水垢沉積率非常低，其裝置的持續工作時間也會較長。
(2)使用、操作方便進料海水的預處理比較簡單，只需經過篩網過濾和加入5mg／L左右的阻垢劑即可，而多級閃蒸必須進行加酸脫氣處理，反滲透的預處理要求更高。低溫多效蒸餾法淡化裝置適應性高，高負荷時可以提供設計值110％的產品水，而低負荷時可以穩定地提供設計值40％的產品水。
(3)能耗更低 由于第1效的冷凝溫度不到70℃ ，所需加熱蒸汽壓力只有約35kPa，這有利于降低能耗。此外，由于取消了鹽水的循環泵，產品水的實際動力消耗只有0.9～1.2kWh/m ，同時，系統的熱效率高，30℃的溫差即可安排12以上的傳熱效數，從而達到l0左右的造水比 。
(4)水質更好 裝置中大部分蒸汽是在熱管簇上產生，而不是由鹽水的閃蒸形成的，蒸汽中攜帶的鹽水成分極為有限，因此可以產出純度很高的蒸餾水(含鹽量小于5 mg／L)。
目前低溫多效蒸餾法海水淡化技術正朝裝置規模超大型化發展。通過改進新工藝、解決結垢問題，力圖獲得單機組裝機容量超過60000m3。總效數超過30、造水比超過30的淡化裝置。同時，在采用新材料(鈦合金管或新型鋁合金管制成的傳熱管材、特種混凝土等殼體材料)、與核能等新能源的結合等方面可以獲得新的發展。
1.3 反滲透法
反滲透法是通過給海水加壓，使水透過選擇性滲透膜而淡化海水的方法 。其原理就是在鹽水的一側施加壓力，使之大于半透膜兩側的滲透壓力差，迫使水從高濃度溶液中析出并透過膜進入低濃度溶液的過程。圖3為反滲透法基本過程示意圖 。
反滲透法具有投資小、能耗低、建設周期短等優點，適用于大、中、小各種規模的海水淡化工程。自20世紀70年代后期，日本建造了第一座反滲透法海水淡化廠后，反滲透技術一直是最具競爭力的處理技術之一，并獲得了長足發展。但反滲透膜容易受到污染和結垢(CaCO3 、CaSO4 、BaSO4 )，易被氧化劑(Cl2 、HCIO)氧化而造成損害，因此反滲透法海水淡化裝置對水質要求較高，預處理較為嚴格。
目前反滲透法淡化海水的研究工作主要集中在開發新型反滲透膜，提高反滲透膜的透水率、脫鹽率，增加反滲透膜的抗氧化性能，研究新型能量回收裝置，提高回收率，優化工藝等方面。
2、我國海水淡化的現狀
目前，海水淡化產業已遍及全世界120多個國家和地區，主要分布在中東、美國等地，亞洲國家如日本、新加坡、韓國、印尼和中國等也都在積極發展海水淡化產業。至2010年，全球已有1.4萬座海水淡化廠，產能已達3500m3/d，其中80％用于飲用水，解決了全球一億多人的用水問題。隨著經濟水平的提高以及海水淡化成本的不斷降低和技術的日趨成熟，海水淡化總容量將以每年10％ 的速度遞增，海水淡化已成為一種獲取新的淡水資源的重要途徑，其有效性和可靠性已經得到越來越廣泛的認同，并不斷向前發展。圖4為2010年世界海水淡化裝置容量分布圖。從圖4可以看出，世界海水淡化設備主要分布在中東地區，僅沙特、阿聯酋、科威特、卡塔爾、巴林五國就占到全球總容量的44.3％ 。究其原因，中東各國氣候十分干旱，水資源嚴重匱乏，卻富有石油資源，經濟實力雄厚。在波斯灣的沿岸地區，有些國家的淡化海水量已經占到了本國淡水使用量的80％ ～90％ 。全球第一個現代海水淡化工廠的誕生地美國占到全球15％ 的份額，歐洲占到12％ 。
中國人均淡水資源占有量約2100m3 ，僅為世界平均水平的28％ 。目前，全國城市中約三分之二的城市缺水，在這些缺水城市中，又約有四分之一的城市屬嚴重缺水，水資源短缺已成為制約經濟社會持續發展的重要因素之一。隨著中國城鎮化率的提升、工業化進程的不斷加快和沿海工業對淡水需求的不斷增加，淡水資源短缺形勢將更加嚴峻。與先進國家相比， 中國的海水淡化裝置容量有很大的提升空間。從“十一五”開始，中國政府對海水淡化工程的支持力度逐步加大，海水淡化產業在中國得到快速發展，許多較大規模海水淡化工程紛紛啟動。根據中國脫鹽協會的統計，截至2012年底，中國海水淡化能力約為7×10m3/d，約占全球的1.6％ ，但這遠不能滿足缺水地區的需求，而且海水淡化產業 發展很不平衡。為此，國務院于2012年12月正式發布了《海水淡化產業發展“十二五”規劃》，目標到2015年，中國海水淡化產能將達到(2.2～2.6)×106m3/d，是現有產能的3～4倍。
我國已建成的海水淡化裝置中，以反滲透法和低溫多效法居多，多級閃蒸法雖在國際上尤其是中東地區占有較多份額，但在國內卻由于投資和能耗等方面原因，基本沒有被新建淡化廠采用。據不完全統計，截至2006年6月底，我國反滲透裝置共有45套， 占總裝置數量的86.5％ ，低溫多效裝置4套，占總數量的7.7％。截至2009年7月，我國已建海水淡化裝置總容量中，低溫多效約占34.8％ ，反滲透約占62.6％，多級閃蒸和其他方法約占2.6％。
中國海水淡化的發展采用自主研發和國外引進相結合的模式，已具備建設萬噸級海水淡化工程的能力。經過多個示范工程的嘗試，2007年，以國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所為支撐，黃島發電廠建設的104m3/d反滲透海水淡化裝置投產，標志著我國具備了單機規模萬噸級反滲透海水淡化工程的設計和建設能力。另外國內外一些水處理公司也分別在我國建設了不同規模的反滲透工程，其中規模最大的為2006年投產的浙江玉環發電廠3.5×104m3/d反滲透海水淡化工程 。
結合我國的實際情況來看，低溫多效+水電聯產在我國也有很大的應用空間。在引進方面，2006年河北國華滄東發電有限責任公司成功引進了法國SIDEM公司的2×10 4m3/d低溫多效海水淡化裝置。在自主研發方面，經國家“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”連續4個五年規劃的持續支持，已經達到或接近世界水平， 自主研發、設計、制造的 海水淡化裝置已經成功在國內得到應用并出口國外。2008年由國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所設計，眾和海水淡化工程公司制造的4臺3000t/d、2臺4500t/d低溫多效海水淡化裝置成功出口印度尼西亞，邁出國產低溫多效海水淡化技術及其裝備走向國際市場的第一步 引。2009年河北國華滄東發電有限責任公司在引進技術的基礎上自主建造1臺12 500m3/d低溫多效海水淡化裝置 。2010年10月10日，中國自行研發的“25000m3/d大型低溫多效蒸餾海水淡化中試裝置”在河北滄州黃驊電廠通過中國海水淡化與水再利用學會組織的專家評審，該裝置是黃驊海水淡化的擴建工程，旨在為我國建設大規模萬噸級的低溫多效海水淡化裝置替代進口做技術準備。
雖然中國的海水淡化起步較早，且已掌握了蒸餾法和膜法的設計和裝備制造技術，進入了產業成長期并表現出了良好的發展勢頭，但與發達國家以及國家需求相比，總體上仍有較大差距，主要體現在研究水平及創新能力、裝備的開發制造能力、系統的設計和集成能力等核心技術方面，關鍵設備和材料如反滲透膜仍依靠進口，日產萬噸以上蒸餾法項目的自主知識技術產權和成套能力還需提高。
3 、鈦材在海水淡化工程中的應用
3.1 海水淡化裝置用鈦分析
在多級閃蒸設備中，共有3個主要的熱交換區段。第一區段是熱排除部分，需要引入海水作為冷卻介質，換熱管溫度約為40 ℃，鈦具有必要的耐沖蝕和抗沖擊破壞能力，并且不受含氯、氮和硫化氫及其化合物的影響。第二區段是海水加熱器，需要承受最高達到120℃的高溫，并且管道內往往會沉積出鱗狀碳酸鈣。為了去除這類雜質，往往要使用一定的去除裝置，或者人為加入酸液，而鈦具有很好的耐氧化性酸腐蝕能力，是制作這類管道的首選材料。第三區段是熱回收系統，需要承受70℃ 以上的高溫，而海水中含有的一些氧和二氧化碳，對銅會造成危害，而對鈦完全不會產生不利影響。
低溫多效法海水淡化裝置主要由蒸發器、冷凝器、真空噴射系統、管道系統組成。各系統裝備可以用不同的材料制造。和多級閃蒸一樣，低溫多效常見的腐蝕包括氯離子腐蝕、重金屬腐蝕和電化學腐蝕等，所有與海水接觸的換熱管采用鈦管都是最可靠的選擇，但選材既要考慮功能需要，也要考慮價格因素。因此，與海水接觸的換熱管都采用鈦管，確保整個裝置的使用壽命，例如法國Sidem公司和美國WDI公司制造的海水淡化裝置中的冷凝器管束和蒸發器的上三排管束均使用鈦管。另外，與高速流動的海水相接觸的設備表面多采用鈦材料。而以色列的IDE公司的海水淡化裝置的蒸發器和冷凝器中的換熱管則采用鋁黃銅管或鋁管，采用鋁管時需要相應的配套工藝來防止鋁管腐蝕 。
3.2 海水淡化裝置用鈦的優勢
事實表明，在天然海水和各種含氯離子液體中，TA1和TA2工業純鈦具有很好的抗腐蝕能力；而TA8、TA9和TA10在溫度比較高的海水中具有較高的抗腐蝕能力，但是成本比較高。閃蒸器和加熱器的管板還可選用鈦鋼復合材，既能保證良好的抗海水腐蝕性，又能保證具有很好的剛性，且可降低裝置的造價。
在使用性能方面，鈦管最好且使用壽命更長。由于海水中常混有泥沙、海生物，它們在傳熱管內及管端附著，會侵蝕銅合金管，而鈦管就不會出現這種問題。特別是為了殺死海水中的細菌而不得不注入氧時，更需使用耐蝕性好的鈦管。鈦管在清潔流動的海水中，其腐蝕的臨界流動速度為20～30m/s，在高砂流動的海水中，其腐蝕的臨界速度大約為6～8 /s，而一般材料的設計流速在2～3/s。在這樣的流速下，鈦管基本上不受侵蝕。同時，由于鈦管表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱阻，使鈦的換熱性能顯著提高。在導熱性方面，雖然鈦的熱導率相比銅管小(鈦的熱導率為15.24w／(m·K)，B10／B90 白銅為41.63 w／(m·K)，B30/B70白銅為26 W／(m·K))，但由于傳熱管是小口徑的圓管，在滿足強度的前提下，銅合金管等壁厚一般為0.9～1.2 mm，而使用鈦管時壁厚要薄很多，因此比B30白銅具有更高的導熱性能。
在經濟性方面，鈦比銅更有性價比優勢。鈦的密度為4.51g/cm3 ，B30白銅為8.94/cm3，當鈦管的壁厚是銅管的一半時，相同傳熱面積的鈦管重量只有銅管的四分之一，也就是說鈦管的單價不超過銅管的四倍時，鈦管的成本就不會超過銅管的成本。按照目前的價格水平，薄壁鈦管的單價約為B30管的1.2倍、B10管的1.8倍，遠低于4倍的水平，這說明鈦管在性價比方面遠比銅管具有競爭力。
盡管鈦有很多優點，但在鈦的使用方面，也需要注意一些特殊情況的腐蝕現象發生，比如電化學腐蝕、縫隙腐蝕等。由于鈦的電位為負，與其他材料接觸時，易發生其他材料的加速腐蝕，一般采用犧牲陽極的陰極保護方法。同時，鈦管與管板的連接處在溫度為100℃、pH值為8的海水中易發生縫隙腐蝕，可以采用管段封焊的方法消除縫隙。另外，鈦在80℃以上的海水中，比其他材料的電位低，有可能發生吸氫現象，并產生氫脆。如鈦與鐵、鋅等金屬接觸時會發生吸氫現象，為此需要采用犧牲陽極法進行保護。鈦與銅合金、不銹鋼接觸時不會發生吸氫現象。
關于鈦焊管在海水淡化上的應用研究，起步最早也最成熟的是日本。早在1969年， 日本工業技術研究院就開始對海水淡化裝置進行開發，并使用了0.3 mm和0.4 mm壁厚的鈦焊管進行試驗。其后，三菱、川崎、日立、三井以及神戶制鋼等公司生產的海水淡化裝置逐步領先世界，并都使用了壁厚0.5～0.7 mm的鈦焊管。同時，日本薄壁鈦焊管的開發和應用也促使其建立了海水淡化和電站冷凝器鈦薄壁焊管用帶卷的批量生產體系，相應開發了薄壁焊管的生產技術。表2是日本鈦焊管在海水淡化設備上的部分應用情況。
通常用的鈦管尺寸為直徑16、19、22、25.4 mm，壁厚0.5～0.7 mm，其中冷凝器使用直徑19 mm居多；管長一般在6～20m范圍內，視長管式或短管式類型而定 。但隨著淡化設備設計水平和制造技術的提高，焊管生產工藝技術及裝備的優化，淡化裝置特別是多級閃蒸方法設備使用鈦管的直徑有的已經突破40 mm，長度突破25m。從用量上看，海 水淡化裝置用鈦量不太確定，取決于技術條件和經濟條件。對于海水含鹽量高、水溫高、水污染比較嚴重的地方，一般來說用鈦量較多。多級閃蒸每萬噸產水裝置需用50～100 t鈦焊管，低溫多效每萬噸產水裝置需用5～10 t鈦焊管。
中國的海水淡化方式由于以反滲透膜法為主，蒸發法所占比例不到40％，所以鈦材的應用相對還處于較低的水平。較早報道使用鈦材的海水淡化裝置是1981年6月在中國西沙永興島建成的一臺日產淡水200m3的淡化設備 。天津大港電廠于1987年引進的兩套3 000m3/d多級閃蒸海水淡化裝置中，熱放出部位使用了鈦焊管，規格是φ16 mm×0.6 mm× 18400 mm。該裝置在1999年停產檢修時，鈦管中間的碳鋼隔板已經嚴重腐蝕，但鈦管依舊完好無損。山東青島黃島電廠于2003年建成一臺3 00 3/d的低溫多效蒸餾裝置。裝置分10段，共有10個列管式熱交換器，大部分管子是白銅管，只在上部用了少量鈦管。10個熱交換器共用進口的φ19 mm×0.5mm×4 220mm鈦焊管2200支，重1.25 t。已建成的國內最大的低溫多效海淡項目——黃驊電廠配套海淡項目，一期引進和二期的國產化裝置都使用了大量的鈦管；三期項目正在實施中，首次采用了國產鈦焊管作為關鍵部位的傳熱管，5臺熱交換器共計使用由中船重工七二五所洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司提供的國產化φ19、西φ25.4 mm鈦焊管17 342支，這對于國產海淡裝置的規模應用起到很好的推動作用。
4 、展 望
就全球海水淡化而言，多級閃蒸和反滲透兩種方法應用最廣 ；從今后的發展趨勢來看，鑒于反滲透技術具有節省能源的特點，發展速度將會更快。
但是，由于中東地區特有的工況環境(最高達到40℃的高溫、含鹽量40000mg/L的高鹽度、高污染等)，以及其嚴重缺水的現狀，多級閃蒸技術依然是今后中東地區海水淡化首選的方式，而對于其他地區，如有電廠配套，且產水規模不大于2×105m3/d，低溫多效技術則顯得更有優勢。
中國是一個缺水的國家，海水淡化E日益受到重視。近年來，我國出臺了一系列政策措施鼓勵發展海水淡化產業。鑒于《海水淡化產業發展“十二五”規劃》，到2015年，我國海水淡化能力達到(2．2～2．6)×106m3/d，是2011年6.6×105m3 /d海水淡化能力的近4倍，也就是每年需要新增近5×105m3 /d的淡化能力。
目前中國的海水淡化技術也主要以反滲透膜法為主，今后還將得到快速發展。但與電廠配套的低溫多效法也將得到迅速發展。海水淡化產業發展“十二五”規劃提出，如果按每年新增海水淡化產能的30％采用蒸餾法技術，則每年新增1.5×105m3 /d的產能，將會使鈦的需求量大幅增加，從而拉動鈦帶材及鈦焊管產業的發展和海綿鈦的市場需求。同時也會促進國產鈦帶和鈦焊管的技術進步。正像專家預言的那樣，海水淡化將成為中國21世紀的朝陽產業，鈦及鈦合金也會隨著海水淡化行業的發展迎來美好的明天。
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