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盐水浓缩技术(热法、膜法)市场现状分析与前景展望
国际水务情报GWI 格鲁吉亚 / 时间:2016-12-20 07:08:36

  据GWI微信公众平台2016年12月19日讯 传统盐水浓缩技术(如蒸发器、结晶器和反渗透)的新兴替代技术在当前的市场中表现不一。本期推送为盐水浓缩技术专题,共3个板块,先容盐水浓缩技术市场。本文为您解答传统技术和新技术各自的发展现状。
  市场综述
  油气行业中,新兴石油开采技术(比如水力压裂技术)是推动盐水浓缩技术发展的动力,油价的下跌使得该行业对盐水浓缩技术的需求减少、阻碍了盐水浓缩新技术的发展和采用。虽然热法盐水浓缩和结晶器造价高昂且运行操作复杂棘手,但要在零排放市场中找到替代方案还是比较困难的。Third Bay咨询企业负责人基思·明尼克(Keith Minnich)告诉GWI:“大家都在寻找新的技术,但是这些新技术却表现得不尽如人意。在尝试了所有的新技术后,最后发现只有垂直管降膜蒸发器(VTFF)的工作效果令人满意。”
  垂直管降膜蒸发器(VTFF)工作原理
  在降膜蒸发器中,含盐污水或液体被泵送到一系列垂直管的顶部,并以薄膜的形式从管内部下降。这些液体从管外的蒸汽中吸取热量,一部分水被蒸发。蒸汽和浓缩液之后进入气/液分离室,蒸发器中释放的蒸汽被机械压缩再次压缩并回用。在用作盐水浓缩器的晶种法VTFF中,通过在循环液体中保留额外的硫酸钙晶种来预防蒸发管中的结垢。这些晶种作为污垢优先沉积的晶核,从而污垢不会在热交换表面上形成。由于蒸发器液体中的固体浓度升高,为了之后的浓缩或排放,一小股排污水会被去除。(来自“技术系列-零排放技术”)
  尽管大宗商品价格低迷带来了风险规避情绪,还是有些新技术正在开始向市场证明其自身价值。盐水浓缩主要有两大功能:一是通过蒸馏反渗透处理系统中的高盐度副产物来增加回收率;二是用于处理总溶解固体(TDS)浓度高的工业废水,如油气行业中反渗透膜无法处理的采出水。除了油气行业外,电力行业是另一个对盐水浓缩需求较大的行业,烟气脱硫废水的处理需求正在增长。当燃煤电厂洗脱烟气中的污染物时,会产生难以处理的废水,如果发电厂需要按照规定实行零排放标准,那么它就需要用到盐水浓缩技术。
  采用晶种法的盐水浓缩器于1970至1980年间发展起来,现在已经是电力行业中最广泛的用于处理冷却塔污水的方法。反渗透企业也在试验他们的盐水浓缩能力,但是反渗透膜因结垢和膜污染问题,很难将盐水浓缩至TDS大于60000mg/L(见图一)。即使是高效反渗透膜(即给水经过去结垢预处理)也只能达到类似的水平,无法超越蒸发器的效果。因此,市场上出现了多个基于膜处理或基于加湿/除湿的方法来替代高能耗、高费用的VTFF及强制循环蒸发器。据明尼克先容,VTFF最大的问题是管理热传递过程的成本太高以及操作复杂。如果在热传递过程中操作不当,将花费大量时间和金钱来解决热传递元件表面的结垢问题。


图一:各盐水浓缩减量方法的比较

图一:各盐水浓缩减量方法的比较


  技术概览
  盐水浓缩领域有多种浓盐水浓缩的新兴技术,其中一些已经占据了一定的市场份额。
  Oasys企业的正渗透膜盐水浓缩器
  随着美国油气行业停滞不前,Oasys企业将其研发的正渗透膜盐水浓缩器(membrane brine concentrator,MBC)销往中国,因为他们看到了中国电力行业正在实施越来越严格的排放标准(比如,所有新建及已经建成的发电厂中必须安装烟气脱硫系统)。同时,由于煤化工行业中的高污染废水无法通过化学方法处理,因此需要强制实行零排放。Oasys目前正在建造一个处理量3200立方米/天的污水处理厂,该厂位于内蒙古,主要处理煤制烯烃(CTO)项目产生的工艺废水。此外,它还有一个小型的CTO复合物污水处理厂以及一个处理量为370立方米/天的烟气脱硫废水处理厂。
  Gradiant企业的Carrier GasExtraction增湿/去湿技术
  得益于德克萨斯州页岩气项目的成功,Gradiant企业与其中国合作伙伴兼投资者上海电气共同建造6个位于中国的盐水浓缩项目。这些项目中将使用载气提取(Carrier Gas Extraction)加湿-除湿技术处理烟气脱硫废水及采出水。值得一提的是,其中一个项目的蒸馏能力将达到36000立方米/天。业内的传统技术或者新兴技术很少能达到这种处理能力。Gradiant位于美国的最大处理量是2000立方米/天。
  其他企业及技术
  其它有很大应用前景的技术,如膜蒸馏(membrane distillation)发展地并不顺利。膜蒸馏技术的早期实践者memsys在其主要股东因投资战略改变而撤资后,面临破产。一家中国投资企业因此将其买入,借此希翼将膜蒸馏技术应用到中国的零排放市场。这是中国企业继Gradiant与上海电气合作,北京沃特尔投资Oasys后,再次投资新的盐水浓缩技术。memsys在陷入财务危机之前,正与GE一起将膜蒸馏技术应用到美国的非常规油气市场。据GE方面透露,该合作关系依然有效存在。
  位于新墨西哥州的Altela曾拥有亚利桑那州立大学研发的露点蒸发技术的使用权,但在运行科罗拉多Greatrock 北部水及卫生区的反渗透废水浓缩项目时,双方因特许权使用费发生了纠纷,Altela在2015年末失去了该技术的使用权。露点蒸发技术在位于马塞卢斯页岩(marcellusshale)层的一个采出水处理厂的使用中已经出现了问题,该采出水厂已关闭。


盐水浓缩技术(热法、膜法)市场现状分析与前景展望


  虽然诸如GE 、威立雅、Aquatech等传统热法技术商已经开始关注新兴技术(高效反渗透,正渗透以及膜蒸馏等),但他们并不认为这些技术将取代传统技术,抢夺市场份额。水务市场一直很保守,引进新的水处理技术本就存在一定的难度,新的盐水浓缩技术因为不同项目间巨大的差异在进入市场时面临着更大的难度。
  威立雅HPD业务开发经理马克·尼科尔森(Mark Nicholson)告诉GWI:“现在往往是先研发技术,再考虑投入应用,而不是先了解市场需求再去研发技术。”在某些行业中(比如油气及电力行业),因场地(地质等)不同导致水处理情况(水化学)也不尽相同,这意味着要足够充分地证明一个技术是非常困难的。
  GE Water热法处理产品中心总经理比尔·海因斯(Bill Heins)告诉GWI:“由于新技术并不与当前的先进技术间存在巨大差异,因此我觉得市场接受(新技术)的速度并不比预期中的慢。人们在慢慢地开展对这些技术的研究,随着时间的推移市场会重新洗牌。”
  确定性及可靠性也阻碍了新技术的使用。由于脱盐市场受政策驱动,即使蒸发器技术已经很成熟,系统故障也会很快地使工厂因违规而面临巨额罚款。另外,工厂的生产运行时间也会受到很大的影响。
  只有当解决方案非常便宜时价格竞争才可能成功。Gradaint CEO阿努拉·巴杰帕伊(Anurag Bajpayee)在接受GWI采访时,就曾直言不讳地表示:“大家就是通过非常低的价格来获得市场份额。因为大家的客户是大型保守的组织机构,即便大家提供低于市场5~10%的报价对他们也是没有吸引力的。”
  新技术的出现还是未能解决热法盐水浓缩技术的两大难题:结垢以及能耗。正渗透也遇到了能耗的问题,这会抵消固定投资上降低的成本对客户的吸引力,膜的结垢问题也是另一个一个痛点。
  热法处理技术商在持续关注新技术的同时,也在不断改进蒸发器技术。Aquatech正在研究新型金属材料来代替昂贵的传统合金,以节约蒸发器制造成本。GE Water,2015年收购拥有喷雾干燥蒸发技术的Alstom企业。海因斯说道:“这项技术可与大家现有的盐水浓缩技术相匹配,同时使用这两项技术将是一个非常经济的方法。”
  膜处理技术的前景
  明尼克说到:“膜处理系统是不需加热的操作,盐水浓缩器则需加热,低温操作带来的便利是不言而喻的。”虽然与热法技术相比,高效反渗透的操作比较简单,但它的应用还是有一定局限性的。
  Desalitech的半间歇式闭路脱盐系统(Closed Circuit Desalination ,CCD)获得了市场的追捧,它将反渗透出水作为进水循环使用,直至出水达到了一定含盐度(处理工艺详见技术以何种形式营销最赚钱?)在与热法技术的竞争中,有些人非常看好反渗透技术。尼科尔森说到:“20年前,大家不会考虑用膜处理工业废水,但现在反渗透技术已经取代了部分热法技术的市场。反渗透已经从热法技术手里抢到了部分市场。我个人认为,膜处理技术比其他新兴技术更有市场潜力,因为后者被处理水量所限制。”
  New Logic Research这家企业在过去十年一致专注振动剪切强化膜过滤(VSEP)技术。这种技术利用膜的扭转振动以在膜的表面产生高剪切能量,从而将附着在膜表面的污染物浮起,避免膜的阻塞。据悉,这项技术在处理反渗透浓水时取得了巨大的成功,并在瓶装水、半导体和电力行业等多个不同工业行业中使用。
  市场中成熟的企业已经尝试过增强型反渗透技术,即反渗透技术与其它技术的叠加使用。Aquatech在2000年收购热法脱盐先锋企业Aqua-Chem,将它的热法技术与自身的高效反渗透技术结合。比约克隆(Bjorklund)告诉GWI:“通过这次收购,大家赢得了一些项目。这些项目中大家将高效反渗透系统与小型热法处理后端相结合,以代替大型盐水浓缩器。”同时,他补充说道直接将高效反渗透技术与结晶器结合“是零排放市场上一个相当大的变化。”
  前沿技术
  中国的电力、煤化工板块以及美国电力板块的烟气脱硫部分为盐水浓缩技术商提供了机遇。
  在中国,无论是如Oasys和Gradiant这样的新技术企业,还是传统热法技术企业,他们都在竞争项目。中国市场对于零排放有额外的要求。Henis告诉GWI:“在零排放过程中,你必须生产出纯度很高的盐。由于中国没有和美国一样的泄漏检测系统,因此他们对需要填埋的盐类有很高的纯度要求。“因此,在中国,需要通过一个高质量的盐水浓缩预处理系统来确保最终获得符合浓度要求的盐产品。
  另一个盐水浓缩技术商眼中的淘金点是美国烟气脱硫市场。2015年,美国环保署(Environmental Protection Agency, EPA)规定了烟气脱硫废水处理的最低标准,这一规定影响了美国132家蒸汽发电厂(全美约1100家),也使得发电行业成为零排放市场最有望的应用领域。虽说蒸发器和结晶器主导零排放市场,但新技术企业对这块市场也是兴趣满满。10月末,Oasys与美国电力研究所(EPRI)共同完成了佐治亚州水研究中心一个为期两个月的中试项目,以研究Oasys的MBC系统的性能。Oasys市场部经理约翰·特雷西(John Tracy)告诉GWI:“Oasys和电力研究所合作中试项目的很重要的一个原因是对于拥有一到两个燃煤设施的中大型电站来说,都有使用MBC系统的潜力。”
  然而,在蒸发器供应商的眼中,新技术进入这个市场会遇到强大的阻力。海因斯告诉GWI:“这个行业中存在很多与化学有关的难题。脱硫废水中含有非常高浓度的硫酸钙以及二氧化硅,因此设计的时候你需要考虑到结垢的问题。新技术在应对这方面的问题以及废水化学性质波动方面的问题时会面临一定的挑战。“
  对新兴技术而言,他们必须要有能力面临和处理废水水质波动的情况,从而才能获得烟气脱硫和油气采出水市场中的份额。据特雷西所说,季节变换、发电厂运行速率以及烟气洗涤过程中的轮班制都会导致烟气脱硫废水的水质不稳定。“这些因素使得烟气脱硫废水水质比其他行业(比如油气采出水、煤化工行业)的废水水质波动更大。”
  在油气行业有多年水处理经验的Gradiant企业并不觉得水质波动是个问题。巴杰帕伊告诉GWI:“大家在过去两三年的时间里对烟气脱硫市场进行了细致的调研。大家发现烟气脱硫废水水质并不是那么不稳定;与采出水相比,他们显得更稳定。”
  由于石油价格的回升,从长远来看油气行业的页岩回流和采出水处理领域将有很好的前景。
  在斯帕罗(Sparrow)看来“由于油气行业降低了货运及处理成本,因此拖累了整个盐水浓缩市场。”然而,许多业内企业觉得市场会很快复苏。特雷西预测市场复苏的时间在2017年中或2018年初。马塞卢斯页岩层(Marcellus)缺乏废水处理手段、正在进行的力求减少(浓盐水)处置井的审查活动(比如俄克拉荷马州的地震活动就被认为是与油气田浓盐水处置井有关)都将推动盐水浓缩市场的发展。
  未来展望
  虽然一些企业及技术目前存在争议,但是市场上并没有出现明显震荡的迹象,市场中并没有出现能完全取代传统热法盐水浓缩的新技术。研究还在继续,蒸发器企业也开始研究其他技术的可能性。
  Saltworks作为近期发展地最好的企业之一,尝试针对特定行业的问题进行相应的技术开发。斯帕罗说道:“大家和2家大型油气企业合作,以了解他们遇到的所有问题,他们是真正引导Saltworks研发的人。”
  用于处理低溶解性总固体值废水的技术也在开发中,但其对回收率要求也比较高。目前普遍采取的做法是:使用反渗透进行预浓缩,之后使用热法或新技术处理。一些企业正尝试将反渗透这步去掉,Oasys最近采用了MBC X技术,据它所说这套系统能更有效地使用能源,并且将目标客户定位为废水盐度较低(与难以处理的页岩气或烟气脱硫相比)的行业。
  频繁倒极电渗析技术(EDR)在反渗透膜革命后再次回归市场。如GE Water将其非热法盐水浓缩技术(以前称为Aquasel),一种将EDR与晶种法相结合的技术,应用到加州东部城市水区的盐水浓缩项目上。此外,Saltworks正在将ElectroChem EDR 应用到反渗透浓水中,这种技术可以通过有针对性的离子选择,将含有易结垢的硫酸钙废水分成不会结垢的氯化钙和硫酸钠废水。
  对于未来而言,将含有100,000mg/l TDS的废水直接处理成近乎干燥的固体的技术是有潜在发展空间的。据明尼克所说,现有膜技术以及加湿/除湿技术可以很稳定地将废水处理至100000 TDS。他表示:“对那种不依赖VTFF盐水浓缩器、闪蒸结晶器或者两者间的组合,而能够将100000 TDS的废水处理到可接受程度的技术的研究,还刚刚起了个有趣的开头。此外,现在的挑战是在进行浓盐水分离时如何掌控好不同盐类的沉淀问题。”
  盐水浓缩市场主要参与者及他们的技术
  GWI独家整理出全球盐水浓缩市场主要的参与企业,他们中有的拥有多条产品线,有的则专注于某一特定技术。GWI现将各企业的看家技术及对应的最大单位处理水量、进水总含盐量、最大固体浓度、使用能源一一列出,并且每种技术后面都有GWI对该技术的独家评论及技术成熟度分析。


盐水浓缩技术(热法、膜法)市场现状分析与前景展望


盐水浓缩技术(热法、膜法)市场现状分析与前景展望


  (本文选自GWI英文杂志11月刊)

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