液化天然氣在汽化的過程中會放出大量的冷能，目前對該種能量的利用主要有：空氣分離、低溫粉碎、海水淡化、制造干冰、低溫冷庫、冷能發(fā)電和輕烴分離等。伴隨著淡水資源的短缺，把LNG冷能用于海水淡化正越來越受到關(guān)注。
目前海水淡化技術(shù)主要有三種類型：膜法、蒸餾法、冷凍法。
膜法海水淡化的基本原理是使用具有一定孔徑的半滲透膜使水分子通過，同時將其他離子阻隔在外，從而達(dá)到凈化的目的。海水經(jīng)預(yù)處理后，進入一級反滲透裝置（前段RO膜），一般情況下出水水況可達(dá)工業(yè)用水要求，然后進入二級反滲透裝置（后段RO膜），可得到去離子水。以大港海洋石化園區(qū)為例，新加坡HYFLUX公司以DBOO方式（即設(shè)計、建設(shè)、運營、擁有）建設(shè)日產(chǎn)15萬t的海水淡化廠，該廠以略高于運營成本的價格實現(xiàn)盈利，其淡水產(chǎn)品含鹽量約300～500mg/L，明顯低于北方自來水含鹽量（1000mg/L）。
蒸餾法是最古老的一種海水淡化方法，即加熱海水，淡水蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽冷凝得到淡水。目前主流的蒸餾法主要采取多級閃蒸法，即建造一系列串連的真空蒸發(fā)室，形成多級閃蒸海水淡化裝置。該方法產(chǎn)量高，適合與熱電廠配套，以便降低能耗與成本。
冷凍法海水淡化的傳統(tǒng)方法有直接接觸法、真空法和間接法。其基本原理都是通過一系列的過程將高鹽度的海水冷凍，冰晶排鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯邮褂玫牡蚩娠嬘盟＠鋬龇êＫに囍饕ūУ男纬�、洗滌、分離、融化等過程。如果能將LNG冷能利用與傳統(tǒng)的冷凍法海水淡化工藝相結(jié)合，則能降低裝置電耗，簡化工藝流程，使冷凍法海水淡化技術(shù)呈現(xiàn)新的活力。
1冷凍法海水淡化原理
冰是單礦巖，不能和其他物質(zhì)共處，所以水在結(jié)晶過程中，會自動排除雜質(zhì)，以保持其純凈，冷凍法海水淡化正是利用這一原理。凍結(jié)海水時，鹽分被排除在冰晶以外，冰晶形成時間越長，鹽分就越少，這是由于海水凍結(jié)的過程中會使一些鹽分以鹽胞的方式夾雜在冰晶之間，冰晶外壁也會黏附上一些鹽分，隨著時間的推移鹽分會在冰體之間形成鹵道，殘留的高濃度鹽水會沿鹵道慢慢向外排出。冰晶經(jīng)過洗滌、分離、融化后即得到淡水。
2傳統(tǒng)冷凍法海水淡化方法
傳統(tǒng)冷凍法海水淡化分為直接接觸法、真空冷凍法和間接冷凍法。
2.1直接接觸法
直接接觸法的基本原理是以不溶于水、沸點接近于海水冰點的冷凍劑（如正丁烷、異丁烷等）與預(yù)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，冷凍劑氣化吸熱，使冷凍室內(nèi)溫度維持在-3℃左右，海水冷凍結(jié)冰。冷凍劑蒸汽經(jīng)壓縮機加壓至大氣壓以上，進入融化器與冰直接接觸，冷凍劑蒸汽液化，冰融化，形成了水-冷凍劑不互溶體系，由于密度不同而分離。水作為產(chǎn)品流出，冷凍劑循環(huán)使用。冷媒直接接觸冷凍法流程如圖1所示。
冷凍劑的選取是此方法的核心，直接影響整個流程的冷能利用率。該方法有明顯缺陷，由于冷媒循環(huán)使用，要求系統(tǒng)必須嚴(yán)格密封，否則會因泄漏而使冷凍劑局部積累，帶來安全隱患。另外，雖然冷凍劑與水不互溶，但若分離不完全，淡水會受到污染而含有少量冷凍劑。
2.2真空冷凍法
因為在水的三相點（約610.75Pa，273.16K）附近，氣、液、固三相并存。真空冷凍法正是利用這一原理，將海水控制在三相點附近，則海水的蒸發(fā)與結(jié)冰同時進行，再將冰與蒸汽分別融化和冷凝得到淡水。該方法的關(guān)鍵技術(shù)在于如何移走產(chǎn)生的蒸汽。按照蒸汽移除的方式可分為真空冷凍蒸汽壓縮法和真空冷凍蒸汽吸收法。
2.2.1真空冷凍蒸汽壓縮法
海水預(yù)冷至攝氏零度左右后，噴入真空冷凍室中，部分水汽化吸熱，使剩余海水冷凍而析出冰晶（水本身是冷凍劑）。形成的冰晶鹽水淤漿經(jīng)分離洗滌后，除去冰晶表面附著及內(nèi)部包藏的鹽分，融化后得到淡水，產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)壓縮后進入融化器冷凝，冰融化和蒸汽冷凝所得的淡水，一部分用作洗滌水，其余為產(chǎn)品放出。由于水汽化成水蒸汽后，體積增大數(shù)倍，又需要將這些蒸汽及時移除，這就對壓縮機的功率和材質(zhì)提出了更高的要求。真空冷凍蒸汽壓縮法的流程如圖2所示。
2.2.2真空冷凍蒸汽吸收法
以吸收劑（如R32、R410A等）吸收冷凍室產(chǎn)生的水蒸汽，從而使海水不斷汽化與冷凍結(jié)冰。稀釋后的吸收劑經(jīng)濃縮再生后循環(huán)使用，故需要有吸收劑回收裝置。該工藝除了以吸收系統(tǒng)代替壓縮機外，其他與真空冷凍蒸汽壓縮法相同〔2〕。真空冷凍蒸汽吸收法的流程如圖3所示。
真空冷凍蒸汽壓縮法和真空冷凍蒸汽吸收法相比較，前者缺點在于轉(zhuǎn)移水蒸汽的壓縮機能耗偏高并且選取困難，但其工藝流程簡單。后者則利用了吸收劑，工藝中增加了一套換熱設(shè)備，流程相對復(fù)雜。
2.3間接冷凍法
間接冷凍法是基于界面漸進原理的連續(xù)式海水淡化方法，該方法具有易于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)、淡化水中含鹽量易控制、能源消耗低等特點〔3〕。其流程主要由主冷凝器、制冷壓縮機、轉(zhuǎn)筒式冷凍淡化器、節(jié)流閥等組成。轉(zhuǎn)筒的大部分外表面浸沒在海水之中，筒內(nèi)的低溫制冷劑使得筒外的海水逐漸結(jié)冰，伴隨著筒的旋轉(zhuǎn)，冰層越來越厚，最后被刮下融化后得淡水。間接法海水淡化流程如圖4所示。
界面漸進冷凍法優(yōu)點是流程簡單、投資少、成本低、能耗小。缺點是通過換熱管壁傳熱，傳熱效率比直接法低，刮刀在剝離層狀冰過程中穩(wěn)定性不佳。
3LNG冷能淡化海水方法
開采出的天然氣在常溫下不便于貯存和遠(yuǎn)距離運輸，經(jīng)膨脹制冷處理后，天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)?162℃的液化天然氣。在作為燃料或化工原料之前，LNG再通過熱交換，氣化為常溫氣體。在這個氣化過程中將產(chǎn)生大量的冷能，如果能將LNG的冷能應(yīng)用于海水淡化過程，不但解決了排放過冷海水對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，還能緩解接收站附近淡水缺乏問題。主流的LNG冷能淡化海水方法大多是LNG冷能與傳統(tǒng)冷凍法相結(jié)合，但近些年該技術(shù)又有了新的動向，即LNG冷能冷凍與其他技術(shù)相結(jié)合的綜合脫鹽方法。
3.1LNG冷能應(yīng)用于海水淡化
美國的E.G.Cravalho等〔4〕首先提出回收LNG冷能用于海水淡化的零凈功耗系統(tǒng)后，A.Antonelli〔5〕也提出了采用正丁烷為中間冷媒，利用LNG冷能海水淡化的蒸發(fā)冷凍工藝即直接接觸法淡化海水，該方法的原理與傳統(tǒng)冷凍法相似，引入LNG冷能將海水預(yù)冷并且控溫冷凍室。其優(yōu)勢在于工藝原理可靠，流程簡單，在預(yù)冷過程中能充分利用LNG氣化過程中的冷能。在真空冷凍吸收法與間接冷凍法上，LNG冷能主要為循環(huán)下來的冷媒提供換冷冷量，其次更低品位的冷能可以輔助結(jié)晶室控溫以及預(yù)冷進料海水�？傊�，LNG冷能應(yīng)用于傳統(tǒng)冷凍法，就是利用LNG氣化過程中放出的冷能，替代了傳統(tǒng)方式的制冷機，在無能耗的基礎(chǔ)上額外提供了低品位冷量用于預(yù)冷和控溫。
3.2LNG冷能冷凍法新趨勢
近年國際上從事海水淡化的研究機構(gòu)提出了許多利用LNG冷能的創(chuàng)新性技術(shù)，這些技術(shù)引入了多種方法相結(jié)合的概念。
3.2.1LNG冷能冷凍法與低溫蒸餾膜相結(jié)合
該方法采用了混合脫鹽工藝，包括冷凍法淡化海水和膜蒸餾脫鹽（MD）過程。利用LNG汽化過程釋放的冷量通過冷媒將海水凍結(jié)，經(jīng)過固液分離器得到固態(tài)冰，海冰經(jīng)過洗滌、融化后得到淡水，所產(chǎn)生的鹵水被輸送到低溫蒸餾膜原料儲罐內(nèi)，在儲罐系統(tǒng)內(nèi)通過低溫膜蒸餾，得到超純水，同時，鹵水被進一步濃縮。在系統(tǒng)的另一側(cè)LNG汽化器所產(chǎn)生的冷能冷卻冷凍流程與MD膜冷凝流程如圖5所示。
在該方法的研究過程中，采用了一種新型的MD低溫蒸餾膜，該膜蒸餾工藝是一種基于氣液平衡與傳熱傳質(zhì)原理的熱驅(qū)動過程，相對高溫的鹵水產(chǎn)生的蒸汽透過疏水膜微孔，在另一側(cè)被低溫冷凝為液態(tài)水，由于該膜為疏水結(jié)構(gòu)，從而使得液態(tài)水更容易被收集，最終得到高純度的淡水。該膜被一些科研人員認(rèn)為是一種十分適合于海水淡化的過濾膜。
通過LNG冷能冷凍與低溫蒸餾膜相結(jié)合的海水淡化法，采用優(yōu)化運行參數(shù)后，其淡水回收量高達(dá)71.5％，水質(zhì)可以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3.2.2LNG冷能冷凍法與其他膜法聯(lián)用
海水經(jīng)前段LNG冷能初步冷凍后，后段配合納濾膜或反滲透膜的方法，這也是近年提出的一種新理論。此方法的流程與LNG冷能冷凍與低溫蒸餾膜相結(jié)合的海水淡化法相似，區(qū)別在于后處理階段使用的納濾膜、反滲透膜均為目前的成熟技術(shù)，是目前最具可行性的冷凍法海水淡化技術(shù)。
4結(jié)論
以LNG冷能冷凍法海水淡化為研究背景，闡述了傳統(tǒng)冷凍法的各種優(yōu)缺點，并得到了以下結(jié)論：（1）由于單一直接接觸法的冷媒選擇、真空冷凍法壓縮機的高能耗、間接法的設(shè)備選型及穩(wěn)定性等硬性缺陷，特別是上述方法的設(shè)備均為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，現(xiàn)有制造業(yè)水平很難滿足需求，導(dǎo)致這些概念提出已久但至今仍未工業(yè)化。
（2）采用混合脫鹽工藝即LNG冷能冷凍與低溫蒸餾膜相結(jié)合或LNG冷能冷凍法與其他膜法聯(lián)用是當(dāng)今利用LNG冷能淡化海水的新技術(shù)發(fā)展方向，并將節(jié)省大量能量和運營成本。只要方法科學(xué)、工藝設(shè)備選取得當(dāng)，LNG冷能將會創(chuàng)造出可觀的價值。
（3）與常規(guī)的生產(chǎn)工藝技術(shù)相比，利用LNG冷能淡化海水需要開發(fā)相應(yīng)的新工藝技術(shù)。研發(fā)最佳制冰工藝、開發(fā)經(jīng)濟高效冷媒將是未來技術(shù)攻關(guān)的主要方向。現(xiàn)階段，從科學(xué)研究轉(zhuǎn)變到工程化需要進一步的開發(fā)，實現(xiàn)真正的工業(yè)化，還需要通過國內(nèi)各科研院所和生產(chǎn)企業(yè)等相關(guān)方面的共同努力。
