鹽水濃縮技術（熱法、膜法）市場現狀分析與前景展望

據GWI微信公眾平臺2016年12月19日訊 傳統鹽水濃縮技術（如蒸發器、結晶器和反滲透）的新興替代技術在當前的市場中表現不一。本期推送為鹽水濃縮技術專題，共3個板塊，介紹鹽水濃縮技術市場。本文為您解答傳統技術和新技術各自的發展現狀。
市場綜述
油氣行業中，新興石油開采技術（比如水力壓裂技術）是推動鹽水濃縮技術發展的動力，油價的下跌使得該行業對鹽水濃縮技術的需求減少、阻礙了鹽水濃縮新技術的發展和采用。雖然熱法鹽水濃縮和結晶器造價高昂且運行操作復雜棘手，但要在零排放市場中找到替代方案還是比較困難的。Third Bay咨詢公司負責人基思·明尼克（Keith Minnich）告訴GWI：“大家都在尋找新的技術，但是這些新技術卻表現得不盡如人意。在嘗試了所有的新技術后，最后發現只有垂直管降膜蒸發器（VTFF）的工作效果令人滿意。”
垂直管降膜蒸發器（VTFF）工作原理
在降膜蒸發器中，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。蒸汽和濃縮液之后進入氣/液分離室，蒸發器中釋放的蒸汽被機械壓縮再次壓縮并回用。在用作鹽水濃縮器的晶種法VTFF中，通過在循環液體中保留額外的硫酸鈣晶種來預防蒸發管中的結垢。這些晶種作為污垢優先沉積的晶核，從而污垢不會在熱交換表面上形成。由于蒸發器液體中的固體濃度升高，為了之后的濃縮或排放，一小股排污水會被去除。(來自“技術系列－零排放技術”)
盡管大宗商品價格低迷帶來了風險規避情緒，還是有些新技術正在開始向市場證明其自身價值。鹽水濃縮主要有兩大功能：一是通過蒸餾反滲透處理系統中的高鹽度副產物來增加回收率；二是用于處理總溶解固體（TDS）濃度高的工業廢水，如油氣行業中反滲透膜無法處理的采出水。除了油氣行業外，電力行業是另一個對鹽水濃縮需求較大的行業，煙氣脫硫廢水的處理需求正在增長。當燃煤電廠洗脫煙氣中的污染物時，會產生難以處理的廢水，如果發電廠需要按照規定執行零排放標準，那么它就需要用到鹽水濃縮技術。
采用晶種法的鹽水濃縮器于1970至1980年間發展起來，現在已經是電力行業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他們的鹽水濃縮能力，但是反滲透膜因結垢和膜污染問題，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（即給水經過去結垢預處理）也只能達到類似的水平，無法超越蒸發器的效果。因此，市場上出現了多個基于膜處理或基于加濕/除濕的方法來替代高能耗、高費用的VTFF及強制循環蒸發器。據明尼克介紹，VTFF最大的問題是管理熱傳遞過程的成本太高以及操作復雜。如果在熱傳遞過程中操作不當，將花費大量時間和金錢來解決熱傳遞元件表面的結垢問題。

圖一：各鹽水濃縮減量方法的比較

技術概覽
鹽水濃縮領域有多種濃鹽水濃縮的新興技術，其中一些已經占據了一定的市場份額。
Oasys公司的正滲透膜鹽水濃縮器
隨著美國油氣行業停滯不前，Oasys公司將其研發的正滲透膜鹽水濃縮器(membrane brine concentrator，MBC)銷往中國，因為他們看到了中國電力行業正在實施越來越嚴格的排放標準（比如，所有新建及已經建成的發電廠中必須安裝煙氣脫硫系統）。同時，由于煤化工行業中的高污染廢水無法通過化學方法處理，因此需要強制執行零排放。Oasys目前正在建造一個處理量3200立方米/天的污水處理廠，該廠位于內蒙古，主要處理煤制烯烴（CTO）項目產生的工藝廢水。此外，它還有一個小型的CTO復合物污水處理廠以及一個處理量為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
得益于德克薩斯州頁巖氣項目的成功，Gradiant公司與其中國合作伙伴兼投資者上海電氣共同建造6個位于中國的鹽水濃縮項目。這些項目中將使用載氣提取（Carrier Gas Extraction）加濕-除濕技術處理煙氣脫硫廢水及采出水。值得一提的是，其中一個項目的蒸餾能力將達到36000立方米/天。業內的傳統技術或者新興技術很少能達到這種處理能力。Gradiant位于美國的最大處理量是2000立方米/天。
其他公司及技術
其它有很大應用前景的技術，如膜蒸餾（membrane distillation）發展地并不順利。膜蒸餾技術的早期實踐者memsys在其主要股東因投資戰略改變而撤資后，面臨破產。一家中國投資公司因此將其買入，借此希望將膜蒸餾技術應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。memsys在陷入財務危機之前，正與GE一起將膜蒸餾技術應用到美國的非常規油氣市場。據GE方面透露，該合作關系依然有效存在。
位于新墨西哥州的Altela曾擁有亞利桑那州立大學研發的露點蒸發技術的使用權，但在運行科羅拉多Greatrock 北部水及衛生區的反滲透廢水濃縮項目時，雙方因特許權使用費發生了糾紛，Altela在2015年末失去了該技術的使用權。露點蒸發技術在位于馬塞盧斯頁巖（marcellusshale）層的一個采出水處理廠的使用中已經出現了問題，該采出水廠已關閉。

雖然諸如GE 、威立雅、Aquatech等傳統熱法技術商已經開始關注新興技術（高效反滲透，正滲透以及膜蒸餾等），但他們并不認為這些技術將取代傳統技術，搶奪市場份額。水務市場一直很保守，引進新的水處理技術本就存在一定的難度，新的鹽水濃縮技術因為不同項目間巨大的差異在進入市場時面臨著更大的難度。
威立雅HPD業務開發經理馬克·尼科爾森（Mark Nicholson）告訴GWI：“現在往往是先研發技術，再考慮投入應用，而不是先了解市場需求再去研發技術。”在某些行業中（比如油氣及電力行業），因場地（地質等）不同導致水處理情況（水化學）也不盡相同，這意味著要足夠充分地證明一個技術是非常困難的。
GE Water熱法處理產品中心總經理比爾·海因斯（Bill Heins）告訴GWI：“由于新技術并不與當前的先進技術間存在巨大差異，因此我覺得市場接受（新技術）的速度并不比預期中的慢。人們在慢慢地開展對這些技術的研究，隨著時間的推移市場會重新洗牌。”
確定性及可靠性也阻礙了新技術的使用。由于脫鹽市場受政策驅動，即使蒸發器技術已經很成熟，系統故障也會很快地使工廠因違規而面臨巨額罰款。另外，工廠的生產運行時間也會受到很大的影響。
只有當解決方案非常便宜時價格競爭才可能成功。Gradaint CEO阿努拉·巴杰帕伊（Anurag Bajpayee）在接受GWI采訪時，就曾直言不諱地表示：“我們就是通過非常低的價格來獲得市場份額。因為我們的客戶是大型保守的組織機構，即便我們提供低于市場5～10%的報價對他們也是沒有吸引力的。”
新技術的出現還是未能解決熱法鹽水濃縮技術的兩大難題：結垢以及能耗。正滲透也遇到了能耗的問題，這會抵消固定投資上降低的成本對客戶的吸引力，膜的結垢問題也是另一個一個痛點。
熱法處理技術商在持續關注新技術的同時，也在不斷改進蒸發器技術。Aquatech正在研究新型金屬材料來代替昂貴的傳統合金，以節約蒸發器制造成本。GE Water，2015年收購擁有噴霧干燥蒸發技術的Alstom公司。海因斯說道：“這項技術可與我們現有的鹽水濃縮技術相匹配，同時使用這兩項技術將是一個非常經濟的方法。”
膜處理技術的前景
明尼克說到：“膜處理系統是不需加熱的操作，鹽水濃縮器則需加熱，低溫操作帶來的便利是不言而喻的。”雖然與熱法技術相比，高效反滲透的操作比較簡單，但它的應用還是有一定局限性的。
Desalitech的半間歇式閉路脫鹽系統（Closed Circuit Desalination ，CCD)獲得了市場的追捧，它將反滲透出水作為進水循環使用，直至出水達到了一定含鹽度（處理工藝詳見技術以何種形式營銷最賺錢？）在與熱法技術的競爭中，有些人非常看好反滲透技術。尼科爾森說到：“20年前，我們不會考慮用膜處理工業廢水，但現在反滲透技術已經取代了部分熱法技術的市場。反滲透已經從熱法技術手里搶到了部分市場。我個人認為，膜處理技術比其他新興技術更有市場潛力，因為后者被處理水量所限制。”
New Logic Research這家公司在過去十年一致專注振動剪切強化膜過濾（VSEP）技術。這種技術利用膜的扭轉振動以在膜的表面產生高剪切能量，從而將附著在膜表面的污染物浮起，避免膜的阻塞。據悉，這項技術在處理反滲透濃水時取得了巨大的成功，并在瓶裝水、半導體和電力行業等多個不同工業行業中使用。
市場中成熟的公司已經嘗試過增強型反滲透技術，即反滲透技術與其它技術的疊加使用。Aquatech在2000年收購熱法脫鹽先鋒企業Aqua-Chem，將它的熱法技術與自身的高效反滲透技術結合。比約克隆（Bjorklund）告訴GWI：“通過這次收購，我們贏得了一些項目。這些項目中我們將高效反滲透系統與小型熱法處理后端相結合，以代替大型鹽水濃縮器。”同時，他補充說道直接將高效反滲透技術與結晶器結合“是零排放市場上一個相當大的變化。”
前沿技術
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商提供了機遇。
在中國，無論是如Oasys和Gradiant這樣的新技術公司，還是傳統熱法技術公司，他們都在競爭項目。中國市場對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，因此他們對需要填埋的鹽類有很高的純度要求。“因此，在中國，需要通過一個高質量的鹽水濃縮預處理系統來確保最終獲得符合濃度要求的鹽產品。
另一個鹽水濃縮技術商眼中的淘金點是美國煙氣脫硫市場。2015年，美國環保署(Environmental Protection Agency, EPA)規定了煙氣脫硫廢水處理的最低標準，這一規定影響了美國132家蒸汽發電廠（全美約1100家），也使得發電行業成為零排放市場最有望的應用領域。雖說蒸發器和結晶器主導零排放市場，但新技術公司對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為期兩個月的中試項目，以研究Oasys的MBC系統的性能。Oasys市場部經理約翰·特雷西（John Tracy）告訴GWI：“Oasys和電力研究所合作中試項目的很重要的一個原因是對于擁有一到兩個燃煤設施的中大型電站來說，都有使用MBC系統的潛力。”
然而，在蒸發器供應商的眼中，新技術進入這個市場會遇到強大的阻力。海因斯告訴GWI：“這個行業中存在很多與化學有關的難題。脫硫廢水中含有非常高濃度的硫酸鈣以及二氧化硅，因此設計的時候你需要考慮到結垢的問題。新技術在應對這方面的問題以及廢水化學性質波動方面的問題時會面臨一定的挑戰。“
對新興技術而言，他們必須要有能力面臨和處理廢水水質波動的情況，從而才能獲得煙氣脫硫和油氣采出水市場中的份額。據特雷西所說，季節變換、發電廠運行速率以及煙氣洗滌過程中的輪班制都會導致煙氣脫硫廢水的水質不穩定。“這些因素使得煙氣脫硫廢水水質比其他行業（比如油氣采出水、煤化工行業）的廢水水質波動更大。”
在油氣行業有多年水處理經驗的Gradiant公司并不覺得水質波動是個問題。巴杰帕伊告訴GWI：“我們在過去兩三年的時間里對煙氣脫硫市場進行了細致的調研。我們發現煙氣脫硫廢水水質并不是那么不穩定；與采出水相比，他們顯得更穩定。”
由于石油價格的回升，從長遠來看油氣行業的頁巖回流和采出水處理領域將有很好的前景。
在斯帕羅（Sparrow）看來“由于油氣行業降低了貨運及處理成本，因此拖累了整個鹽水濃縮市場。”然而，許多業內公司覺得市場會很快復蘇。特雷西預測市場復蘇的時間在2017年中或2018年初。馬塞盧斯頁巖層（Marcellus）缺乏廢水處理手段、正在進行的力求減少（濃鹽水）處置井的審查活動（比如俄克拉荷馬州的地震活動就被認為是與油氣田濃鹽水處置井有關）都將推動鹽水濃縮市場的發展。
未來展望
雖然一些公司及技術目前存在爭議，但是市場上并沒有出現明顯震蕩的跡象，市場中并沒有出現能完全取代傳統熱法鹽水濃縮的新技術。研究還在繼續，蒸發器公司也開始研究其他技術的可能性。
Saltworks作為近期發展地最好的公司之一，嘗試針對特定行業的問題進行相應的技術開發。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Saltworks研發的人。”
用于處理低溶解性總固體值廢水的技術也在開發中，但其對回收率要求也比較高。目前普遍采取的做法是：使用反滲透進行預濃縮，之后使用熱法或新技術處理。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，據它所說這套系統能更有效地使用能源，并且將目標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。
頻繁倒極電滲析技術（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（以前稱為Aquasel），一種將EDR與晶種法相結合的技術，應用到加州東部城市水區的鹽水濃縮項目上。此外，Saltworks正在將ElectroChem EDR 應用到反滲透濃水中，這種技術可以通過有針對性的離子選擇，將含有易結垢的硫酸鈣廢水分成不會結垢的氯化鈣和硫酸鈉廢水。
對于未來而言，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是有潛在發展空間的。據明尼克所說，現有膜技術以及加濕/除濕技術可以很穩定地將廢水處理至100000 TDS。他表示：“對那種不依賴VTFF鹽水濃縮器、閃蒸結晶器或者兩者間的組合，而能夠將100000 TDS的廢水處理到可接受程度的技術的研究，還剛剛起了個有趣的開頭。此外，現在的挑戰是在進行濃鹽水分離時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
GWI獨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品線，有的則專注于某一特定技術。GWI現將各公司的看家技術及對應的最大單位處理水量、進水總含鹽量、最大固體濃度、使用能源一一列出，并且每種技術后面都有GWI對該技術的獨家評論及技術成熟度分析。

（本文選自GWI英文雜志11月刊）