鹽水濃縮技術(shù)（熱法、膜法）市場現(xiàn)狀分析與前景展望

據(jù)GWI微信公眾平臺(tái)2016年12月19日訊 傳統(tǒng)鹽水濃縮技術(shù)（如蒸發(fā)器、結(jié)晶器和反滲透）的新興替代技術(shù)在當(dāng)前的市場中表現(xiàn)不一。本期推送為鹽水濃縮技術(shù)專題，共3個(gè)板塊，介紹鹽水濃縮技術(shù)市場。本文為您解答傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)各自的發(fā)展現(xiàn)狀。
市場綜述
油氣行業(yè)中，新興石油開采技術(shù)（比如水力壓裂技術(shù)）是推動(dòng)鹽水濃縮技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，油價(jià)的下跌使得該行業(yè)對(duì)鹽水濃縮技術(shù)的需求減少、阻礙了鹽水濃縮新技術(shù)的發(fā)展和采用。雖然熱法鹽水濃縮和結(jié)晶器造價(jià)高昂且運(yùn)行操作復(fù)雜棘手，但要在零排放市場中找到替代方案還是比較困難的。Third Bay咨詢公司負(fù)責(zé)人基思·明尼克（Keith Minnich）告訴GWI：“大家都在尋找新的技術(shù)，但是這些新技術(shù)卻表現(xiàn)得不盡如人意。在嘗試了所有的新技術(shù)后，最后發(fā)現(xiàn)只有垂直管降膜蒸發(fā)器（VTFF）的工作效果令人滿意?！?span>
垂直管降膜蒸發(fā)器（VTFF）工作原理
在降膜蒸發(fā)器中，含鹽污水或液體被泵送到一系列垂直管的頂部，并以薄膜的形式從管內(nèi)部下降。這些液體從管外的蒸汽中吸收熱量，一部分水被蒸發(fā)。蒸汽和濃縮液之后進(jìn)入氣/液分離室，蒸發(fā)器中釋放的蒸汽被機(jī)械壓縮再次壓縮并回用。在用作鹽水濃縮器的晶種法VTFF中，通過在循環(huán)液體中保留額外的硫酸鈣晶種來預(yù)防蒸發(fā)管中的結(jié)垢。這些晶種作為污垢優(yōu)先沉積的晶核，從而污垢不會(huì)在熱交換表面上形成。由于蒸發(fā)器液體中的固體濃度升高，為了之后的濃縮或排放，一小股排污水會(huì)被去除。(來自“技術(shù)系列－零排放技術(shù)”)
盡管大宗商品價(jià)格低迷帶來了風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避情緒，還是有些新技術(shù)正在開始向市場證明其自身價(jià)值。鹽水濃縮主要有兩大功能：一是通過蒸餾反滲透處理系統(tǒng)中的高鹽度副產(chǎn)物來增加回收率；二是用于處理總?cè)芙夤腆w（TDS）濃度高的工業(yè)廢水，如油氣行業(yè)中反滲透膜無法處理的采出水。除了油氣行業(yè)外，電力行業(yè)是另一個(gè)對(duì)鹽水濃縮需求較大的行業(yè)，煙氣脫硫廢水的處理需求正在增長。當(dāng)燃煤電廠洗脫煙氣中的污染物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生難以處理的廢水，如果發(fā)電廠需要按照規(guī)定執(zhí)行零排放標(biāo)準(zhǔn)，那么它就需要用到鹽水濃縮技術(shù)。
采用晶種法的鹽水濃縮器于1970至1980年間發(fā)展起來，現(xiàn)在已經(jīng)是電力行業(yè)中最廣泛的用于處理冷卻塔污水的方法。反滲透公司也在試驗(yàn)他們的鹽水濃縮能力，但是反滲透膜因結(jié)垢和膜污染問題，很難將鹽水濃縮至TDS大于60000mg/L（見圖一）。即使是高效反滲透膜（即給水經(jīng)過去結(jié)垢預(yù)處理）也只能達(dá)到類似的水平，無法超越蒸發(fā)器的效果。因此，市場上出現(xiàn)了多個(gè)基于膜處理或基于加濕/除濕的方法來替代高能耗、高費(fèi)用的VTFF及強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。據(jù)明尼克介紹，VTFF最大的問題是管理熱傳遞過程的成本太高以及操作復(fù)雜。如果在熱傳遞過程中操作不當(dāng)，將花費(fèi)大量時(shí)間和金錢來解決熱傳遞元件表面的結(jié)垢問題。

圖一：各鹽水濃縮減量方法的比較

技術(shù)概覽
鹽水濃縮領(lǐng)域有多種濃鹽水濃縮的新興技術(shù)，其中一些已經(jīng)占據(jù)了一定的市場份額。
Oasys公司的正滲透膜鹽水濃縮器
隨著美國油氣行業(yè)停滯不前，Oasys公司將其研發(fā)的正滲透膜鹽水濃縮器(membrane brine concentrator，MBC)銷往中國，因?yàn)樗麄兛吹搅酥袊娏π袠I(yè)正在實(shí)施越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)（比如，所有新建及已經(jīng)建成的發(fā)電廠中必須安裝煙氣脫硫系統(tǒng)）。同時(shí)，由于煤化工行業(yè)中的高污染廢水無法通過化學(xué)方法處理，因此需要強(qiáng)制執(zhí)行零排放。Oasys目前正在建造一個(gè)處理量3200立方米/天的污水處理廠，該廠位于內(nèi)蒙古，主要處理煤制烯烴（CTO）項(xiàng)目產(chǎn)生的工藝廢水。此外，它還有一個(gè)小型的CTO復(fù)合物污水處理廠以及一個(gè)處理量為370立方米/天的煙氣脫硫廢水處理廠。
Gradiant公司的Carrier GasExtraction增濕/去濕技術(shù)
得益于德克薩斯州頁巖氣項(xiàng)目的成功，Gradiant公司與其中國合作伙伴兼投資者上海電氣共同建造6個(gè)位于中國的鹽水濃縮項(xiàng)目。這些項(xiàng)目中將使用載氣提?。?span>Carrier Gas Extraction）加濕-除濕技術(shù)處理煙氣脫硫廢水及采出水。值得一提的是，其中一個(gè)項(xiàng)目的蒸餾能力將達(dá)到36000立方米/天。業(yè)內(nèi)的傳統(tǒng)技術(shù)或者新興技術(shù)很少能達(dá)到這種處理能力。Gradiant位于美國的最大處理量是2000立方米/天。
其他公司及技術(shù)
其它有很大應(yīng)用前景的技術(shù)，如膜蒸餾（membrane distillation）發(fā)展地并不順利。膜蒸餾技術(shù)的早期實(shí)踐者memsys在其主要股東因投資戰(zhàn)略改變而撤資后，面臨破產(chǎn)。一家中國投資公司因此將其買入，借此希望將膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用到中國的零排放市場。這是中國公司繼Gradiant與上海電氣合作，北京沃特爾投資Oasys后，再次投資新的鹽水濃縮技術(shù)。memsys在陷入財(cái)務(wù)危機(jī)之前，正與GE一起將膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用到美國的非常規(guī)油氣市場。據(jù)GE方面透露，該合作關(guān)系依然有效存在。
位于新墨西哥州的Altela曾擁有亞利桑那州立大學(xué)研發(fā)的露點(diǎn)蒸發(fā)技術(shù)的使用權(quán)，但在運(yùn)行科羅拉多Greatrock 北部水及衛(wèi)生區(qū)的反滲透廢水濃縮項(xiàng)目時(shí)，雙方因特許權(quán)使用費(fèi)發(fā)生了糾紛，Altela在2015年末失去了該技術(shù)的使用權(quán)。露點(diǎn)蒸發(fā)技術(shù)在位于馬塞盧斯頁巖（marcellusshale）層的一個(gè)采出水處理廠的使用中已經(jīng)出現(xiàn)了問題，該采出水廠已關(guān)閉。

雖然諸如GE 、威立雅、Aquatech等傳統(tǒng)熱法技術(shù)商已經(jīng)開始關(guān)注新興技術(shù)（高效反滲透，正滲透以及膜蒸餾等），但他們并不認(rèn)為這些技術(shù)將取代傳統(tǒng)技術(shù)，搶奪市場份額。水務(wù)市場一直很保守，引進(jìn)新的水處理技術(shù)本就存在一定的難度，新的鹽水濃縮技術(shù)因?yàn)椴煌?xiàng)目間巨大的差異在進(jìn)入市場時(shí)面臨著更大的難度。
威立雅HPD業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理馬克·尼科爾森（Mark Nicholson）告訴GWI：“現(xiàn)在往往是先研發(fā)技術(shù)，再考慮投入應(yīng)用，而不是先了解市場需求再去研發(fā)技術(shù)?！痹谀承┬袠I(yè)中（比如油氣及電力行業(yè)），因場地（地質(zhì)等）不同導(dǎo)致水處理情況（水化學(xué)）也不盡相同，這意味著要足夠充分地證明一個(gè)技術(shù)是非常困難的。
GE Water熱法處理產(chǎn)品中心總經(jīng)理比爾·海因斯（Bill Heins）告訴GWI：“由于新技術(shù)并不與當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)間存在巨大差異，因此我覺得市場接受（新技術(shù)）的速度并不比預(yù)期中的慢。人們?cè)诼亻_展對(duì)這些技術(shù)的研究，隨著時(shí)間的推移市場會(huì)重新洗牌?！?span>
確定性及可靠性也阻礙了新技術(shù)的使用。由于脫鹽市場受政策驅(qū)動(dòng)，即使蒸發(fā)器技術(shù)已經(jīng)很成熟，系統(tǒng)故障也會(huì)很快地使工廠因違規(guī)而面臨巨額罰款。另外，工廠的生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間也會(huì)受到很大的影響。
只有當(dāng)解決方案非常便宜時(shí)價(jià)格競爭才可能成功。Gradaint CEO阿努拉·巴杰帕伊（Anurag Bajpayee）在接受GWI采訪時(shí)，就曾直言不諱地表示：“我們就是通過非常低的價(jià)格來獲得市場份額。因?yàn)槲覀兊目蛻羰谴笮捅Ｊ氐慕M織機(jī)構(gòu)，即便我們提供低于市場5～10%的報(bào)價(jià)對(duì)他們也是沒有吸引力的?！?span>
新技術(shù)的出現(xiàn)還是未能解決熱法鹽水濃縮技術(shù)的兩大難題：結(jié)垢以及能耗。正滲透也遇到了能耗的問題，這會(huì)抵消固定投資上降低的成本對(duì)客戶的吸引力，膜的結(jié)垢問題也是另一個(gè)一個(gè)痛點(diǎn)。
熱法處理技術(shù)商在持續(xù)關(guān)注新技術(shù)的同時(shí)，也在不斷改進(jìn)蒸發(fā)器技術(shù)。Aquatech正在研究新型金屬材料來代替昂貴的傳統(tǒng)合金，以節(jié)約蒸發(fā)器制造成本。GE Water，2015年收購擁有噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)的Alstom公司。海因斯說道：“這項(xiàng)技術(shù)可與我們現(xiàn)有的鹽水濃縮技術(shù)相匹配，同時(shí)使用這兩項(xiàng)技術(shù)將是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)的方法。”
膜處理技術(shù)的前景
明尼克說到：“膜處理系統(tǒng)是不需加熱的操作，鹽水濃縮器則需加熱，低溫操作帶來的便利是不言而喻的。”雖然與熱法技術(shù)相比，高效反滲透的操作比較簡單，但它的應(yīng)用還是有一定局限性的。
Desalitech的半間歇式閉路脫鹽系統(tǒng)（Closed Circuit Desalination ，CCD)獲得了市場的追捧，它將反滲透出水作為進(jìn)水循環(huán)使用，直至出水達(dá)到了一定含鹽度（處理工藝詳見技術(shù)以何種形式營銷最賺錢？）在與熱法技術(shù)的競爭中，有些人非常看好反滲透技術(shù)。尼科爾森說到：“20年前，我們不會(huì)考慮用膜處理工業(yè)廢水，但現(xiàn)在反滲透技術(shù)已經(jīng)取代了部分熱法技術(shù)的市場。反滲透已經(jīng)從熱法技術(shù)手里搶到了部分市場。我個(gè)人認(rèn)為，膜處理技術(shù)比其他新興技術(shù)更有市場潛力，因?yàn)楹笳弑惶幚硭克拗??！?span>
New Logic Research這家公司在過去十年一致專注振動(dòng)剪切強(qiáng)化膜過濾（VSEP）技術(shù)。這種技術(shù)利用膜的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以在膜的表面產(chǎn)生高剪切能量，從而將附著在膜表面的污染物浮起，避免膜的阻塞。據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)在處理反滲透濃水時(shí)取得了巨大的成功，并在瓶裝水、半導(dǎo)體和電力行業(yè)等多個(gè)不同工業(yè)行業(yè)中使用。
市場中成熟的公司已經(jīng)嘗試過增強(qiáng)型反滲透技術(shù)，即反滲透技術(shù)與其它技術(shù)的疊加使用。Aquatech在2000年收購熱法脫鹽先鋒企業(yè)Aqua-Chem，將它的熱法技術(shù)與自身的高效反滲透技術(shù)結(jié)合。比約克?。?span>Bjorklund）告訴GWI：“通過這次收購，我們贏得了一些項(xiàng)目。這些項(xiàng)目中我們將高效反滲透系統(tǒng)與小型熱法處理后端相結(jié)合，以代替大型鹽水濃縮器。”同時(shí)，他補(bǔ)充說道直接將高效反滲透技術(shù)與結(jié)晶器結(jié)合“是零排放市場上一個(gè)相當(dāng)大的變化?！?span>
前沿技術(shù)
中國的電力、煤化工板塊以及美國電力板塊的煙氣脫硫部分為鹽水濃縮技術(shù)商提供了機(jī)遇。
在中國，無論是如Oasys和Gradiant這樣的新技術(shù)公司，還是傳統(tǒng)熱法技術(shù)公司，他們都在競爭項(xiàng)目。中國市場對(duì)于零排放有額外的要求。Henis告訴GWI：“在零排放過程中，你必須生產(chǎn)出純度很高的鹽。由于中國沒有和美國一樣的泄漏檢測系統(tǒng)，因此他們對(duì)需要填埋的鹽類有很高的純度要求?！耙虼?，在中國，需要通過一個(gè)高質(zhì)量的鹽水濃縮預(yù)處理系統(tǒng)來確保最終獲得符合濃度要求的鹽產(chǎn)品。
另一個(gè)鹽水濃縮技術(shù)商眼中的淘金點(diǎn)是美國煙氣脫硫市場。2015年，美國環(huán)保署(Environmental Protection Agency, EPA)規(guī)定了煙氣脫硫廢水處理的最低標(biāo)準(zhǔn)，這一規(guī)定影響了美國132家蒸汽發(fā)電廠（全美約1100家），也使得發(fā)電行業(yè)成為零排放市場最有望的應(yīng)用領(lǐng)域。雖說蒸發(fā)器和結(jié)晶器主導(dǎo)零排放市場，但新技術(shù)公司對(duì)這塊市場也是興趣滿滿。10月末，Oasys與美國電力研究所（EPRI）共同完成了佐治亞州水研究中心一個(gè)為期兩個(gè)月的中試項(xiàng)目，以研究Oasys的MBC系統(tǒng)的性能。Oasys市場部經(jīng)理約翰·特雷西（John Tracy）告訴GWI：“Oasys和電力研究所合作中試項(xiàng)目的很重要的一個(gè)原因是對(duì)于擁有一到兩個(gè)燃煤設(shè)施的中大型電站來說，都有使用MBC系統(tǒng)的潛力?！?span>
然而，在蒸發(fā)器供應(yīng)商的眼中，新技術(shù)進(jìn)入這個(gè)市場會(huì)遇到強(qiáng)大的阻力。海因斯告訴GWI：“這個(gè)行業(yè)中存在很多與化學(xué)有關(guān)的難題。脫硫廢水中含有非常高濃度的硫酸鈣以及二氧化硅，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候你需要考慮到結(jié)垢的問題。新技術(shù)在應(yīng)對(duì)這方面的問題以及廢水化學(xué)性質(zhì)波動(dòng)方面的問題時(shí)會(huì)面臨一定的挑戰(zhàn)?！?span>
對(duì)新興技術(shù)而言，他們必須要有能力面臨和處理廢水水質(zhì)波動(dòng)的情況，從而才能獲得煙氣脫硫和油氣采出水市場中的份額。據(jù)特雷西所說，季節(jié)變換、發(fā)電廠運(yùn)行速率以及煙氣洗滌過程中的輪班制都會(huì)導(dǎo)致煙氣脫硫廢水的水質(zhì)不穩(wěn)定。“這些因素使得煙氣脫硫廢水水質(zhì)比其他行業(yè)（比如油氣采出水、煤化工行業(yè)）的廢水水質(zhì)波動(dòng)更大?！?span>
在油氣行業(yè)有多年水處理經(jīng)驗(yàn)的Gradiant公司并不覺得水質(zhì)波動(dòng)是個(gè)問題。巴杰帕伊告訴GWI：“我們?cè)谶^去兩三年的時(shí)間里對(duì)煙氣脫硫市場進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)煙氣脫硫廢水水質(zhì)并不是那么不穩(wěn)定；與采出水相比，他們顯得更穩(wěn)定?！?span>
由于石油價(jià)格的回升，從長遠(yuǎn)來看油氣行業(yè)的頁巖回流和采出水處理領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫那熬啊?span>
在斯帕羅（Sparrow）看來“由于油氣行業(yè)降低了貨運(yùn)及處理成本，因此拖累了整個(gè)鹽水濃縮市場。”然而，許多業(yè)內(nèi)公司覺得市場會(huì)很快復(fù)蘇。特雷西預(yù)測市場復(fù)蘇的時(shí)間在2017年中或2018年初。馬塞盧斯頁巖層（Marcellus）缺乏廢水處理手段、正在進(jìn)行的力求減少（濃鹽水）處置井的審查活動(dòng)（比如俄克拉荷馬州的地震活動(dòng)就被認(rèn)為是與油氣田濃鹽水處置井有關(guān)）都將推動(dòng)鹽水濃縮市場的發(fā)展。
未來展望
雖然一些公司及技術(shù)目前存在爭議，但是市場上并沒有出現(xiàn)明顯震蕩的跡象，市場中并沒有出現(xiàn)能完全取代傳統(tǒng)熱法鹽水濃縮的新技術(shù)。研究還在繼續(xù)，蒸發(fā)器公司也開始研究其他技術(shù)的可能性。
Saltworks作為近期發(fā)展地最好的公司之一，嘗試針對(duì)特定行業(yè)的問題進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)。斯帕羅說道：“我們和2家大型油氣公司合作，以了解他們遇到的所有問題，他們是真正指導(dǎo)Saltworks研發(fā)的人?！?span>
用于處理低溶解性總固體值廢水的技術(shù)也在開發(fā)中，但其對(duì)回收率要求也比較高。目前普遍采取的做法是：使用反滲透進(jìn)行預(yù)濃縮，之后使用熱法或新技術(shù)處理。一些公司正嘗試將反滲透這步去掉，Oasys最近采用了MBC X技術(shù)，據(jù)它所說這套系統(tǒng)能更有效地使用能源，并且將目標(biāo)客戶定位為廢水鹽度較低（與難以處理的頁巖氣或煙氣脫硫相比）的行業(yè)。
頻繁倒極電滲析技術(shù)（EDR）在反滲透膜革命后再次回歸市場。如GE Water將其非熱法鹽水濃縮技術(shù)（以前稱為Aquasel），一種將EDR與晶種法相結(jié)合的技術(shù)，應(yīng)用到加州東部城市水區(qū)的鹽水濃縮項(xiàng)目上。此外，Saltworks正在將ElectroChem EDR 應(yīng)用到反滲透濃水中，這種技術(shù)可以通過有針對(duì)性的離子選擇，將含有易結(jié)垢的硫酸鈣廢水分成不會(huì)結(jié)垢的氯化鈣和硫酸鈉廢水。
對(duì)于未來而言，將含有100,000mg/l TDS的廢水直接處理成近乎干燥的固體的技術(shù)是有潛在發(fā)展空間的。據(jù)明尼克所說，現(xiàn)有膜技術(shù)以及加濕/除濕技術(shù)可以很穩(wěn)定地將廢水處理至100000 TDS。他表示：“對(duì)那種不依賴VTFF鹽水濃縮器、閃蒸結(jié)晶器或者兩者間的組合，而能夠?qū)?span>100000 TDS的廢水處理到可接受程度的技術(shù)的研究，還剛剛起了個(gè)有趣的開頭。此外，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是在進(jìn)行濃鹽水分離時(shí)如何掌控好不同鹽類的沉淀問題。”
鹽水濃縮市場主要參與者及他們的技術(shù)
GWI獨(dú)家整理出全球鹽水濃縮市場主要的參與公司，他們中有的擁有多條產(chǎn)品線，有的則專注于某一特定技術(shù)。GWI現(xiàn)將各公司的看家技術(shù)及對(duì)應(yīng)的最大單位處理水量、進(jìn)水總含鹽量、最大固體濃度、使用能源一一列出，并且每種技術(shù)后面都有GWI對(duì)該技術(shù)的獨(dú)家評(píng)論及技術(shù)成熟度分析。

（本文選自GWI英文雜志11月刊）