基于能值理論的海水淡化系統對比分析

鄒川玲，劉淑靜，張拂坤

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

我國海水淡化產業發展迅速，根據《2015年全國海水利用報告》，截至2015年底，全國已建成海水淡化工程121個，總裝機容量100.88萬t/d。目前商業化應用的海水淡化技術主要是反滲透、低溫多效和多級閃蒸，每一種技術都有各自優缺點及適用范圍，不同技術的對比研究一直是海水淡化領域研究方向之一，已有學者從技術原理及特點、能耗、經濟成本等多個角度對不同海水淡化技術進行了對比研究[1-6]。其中技術原理及特點的對比多為定性分析；能耗分析通常只比較系統消耗的電力、蒸汽熱能，而海水、設備材料、化學藥劑等所包含的能量一般不予考慮；經濟成本分析中的輸入輸出只包含了材料、能源等的社會屬性，即以資金形式體現的部分。實際上，海水，設備材料、化學藥劑等物資，電力和蒸汽能源以及資金都是海水淡化系統的投入，并且其自然屬性部分在生產過程中也做出了貢獻。因此若要很好地衡量系統投入和產出的真實價值，必須在考慮資金投入的同時，計入海水、材料、能源的自然屬性產生的價值。但由于物質、資金、能源、勞動力等性質不同，表達、計量方式也不同，其長期處于不可比較的狀態。

能值分析[7]方法是一種新的環境-經濟系統分析方法，以太陽能為基準，把不同類型的能量、物質、信息等轉換成統一標準，能夠全面分析系統中不同來源與性質的自然環境資源與經濟活動價值投入，從而定量評價經濟價值、生態價值和可持續發展水平。筆者運用能值分析方法，開展海水淡化系統的投入產出分析及可持續發展評價，并對比反滲透、低溫多效、多級閃蒸3種技術海水淡化系統。

1 研究方法

能值分析的理論方法由美國著名生態學家Odum創立。能值是某種產品或服務在其生產過程中所消耗的另一種能量的總和，體現了產品或服務在生產過程中所消耗能量的歷史積累[7]。通常以太陽能作為基準，用太陽能焦耳為單位度量不同類型能量、物質、信息等的能值。單位物質或能量所具有的能值稱為能值轉換率，其能夠體現能量的能質等級和系統的生產效率，單位sej/g或sej/J。數量乘以相應能值轉換率就可以得到某一確定數量物質或能量的能值。

能值分析為評價環境、資源、人類勞務、信息提供了一種統一的衡量標準，使不同類別的能量具有了可比性。同時，能值分析在計量自然資源的價值時考慮了免費的自然環境的貢獻，反映了其真正的價值。因其能夠正確地分析自然與人類、環境資源與經濟社會的價值和相互關系，在生態環境影響及可持續發展研究中有廣泛應用。能值分析方法的應用領域，在空間尺度上大到國家、流域，小到城市、鄉村、企業；在生態系統類型上，既可以是自然生態系統或農業生產系統，也可以是工業生產系統，甚至是信息或服務系統[8]。

能值分析基本方法通常包括5個步驟[9]：收集資料，分析研究對象的輸入輸出種類；繪制系統能流圖；編制能值分析表，計算各能流能值；建立能值評價指標，計算能值指標；系統發展評價。系統能流輸入種類確定后一般將能流按來源類型進行分類，對于海水淡化系統，主要為3個方面的輸入：本地可更新資源輸入(R)，即海水；購買的不可更新資源輸入(P)，即設備材料、化學藥劑等；資金輸入(S)。由于沒有煤、金屬礦物等直接使用的不可更新資源輸入，因此系統本地不可更新資源輸入(N)為零。筆者采用能值分析常用的評價指標包括：凈能值產出率、環境負載率、能值可持續性指標。

1.1 凈能值產出率(εEYR)

系統產出能值Y與經濟反饋能值F之比。反饋能值F來自人類社會經濟，包括燃料和各種生產資料及人類勞務。即

(1)

凈能值產出率是表征系統產出對經濟貢獻大小的指標，與經濟分析中“產投比”(產出/投入)相似，是衡量系統生產效率的一種標準。εEYR越高，表明系統投入一定經濟能值產出的產品能值越高，即系統的生產效率越高。

1.2 環境負載率(εELR)

系統不可更新資源投入能值總量與可更新資源投入能值總量之比。對于海水淡化系統，無本地不可更新資源能值輸入，因此

(2)

εELR描述了系統在自身生產運行過程中對本地環境生態系統的影響，可用于評價系統對周圍生態系統的環境壓力，εELR越高，表明系統對環境的壓力越大。

1.3 能值可持續性指標(εESI)

能值指標體系中，εEYR用以評價系統的產出效率，εELR用以評價系統的環境壓力。兩者分別評價系統可持續發展性能的2個方面。為填補原有指標體系中評價系統可持續發展性能的綜合指標空缺，美國生態學家Brown等[10]于1998年提出了能值可持續指標εESI，并定義為系統能值產出率與環境負載率之比，即

(3)

εESI反映了系統在一定環境負荷下的能值產出效率，其值越高意味著單位環境壓力下的社會經濟效益越高，系統可持續性越好。

2 研究對象

以我國南方某擬建的5.1萬t/d反滲透海水淡化工程、5.1萬t/d低溫多效海水淡化工程以及已建的0.6萬t/d多級閃蒸海水淡化工程為例，開展海水淡化系統能值分析研究。反滲透海水淡化系統采用超濾預處理，兩級反滲透設計，產品水TDS為10ppm左右，反滲透膜采用芳香聚酰胺膜，壓力容器材質為玻璃鋼，能量回收裝置外殼為玻璃鋼、轉子為陶瓷材質。低溫多效海水淡化系統為3套裝置，每套產水量1.7萬t/d，7效蒸發器設計，造水比為10，傳熱管采用鋁黃銅管和鈦管。多級閃蒸海水淡化系統為大港電廠海水淡化工程，2套裝置，每套產水量0.3萬t/d，1992年投運，39級蒸發器設計，造水比為10，傳熱管采用鋁黃銅管和鈦管。

3 海水淡化系統能流分析

海水淡化系統的輸入主要包括：①海水。②設備及建材。其材質類型有鋼鐵、樹脂/塑料、玻璃鋼、混凝土、陶瓷等。③化學藥劑，包括混凝劑、殺菌劑、阻垢劑、消泡劑、清洗劑等。④能源。反滲透海水淡化系統能源為電力，低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統的能源除電力外還需蒸汽熱能。⑤資金投入。用于購買設備、生產材料、能源，以及建設、運行期間支付勞動力工資等[11]。海水淡化系統產品是淡化水，同時還產生濃海水排放到環境或用于綜合利用。應用能值語言，繪制海水淡化系統的能流圖，如圖1所示。

圖1 海水淡化系統能流示意圖

按來源類型對海水淡化系統的輸入輸出進行分類。其中可更新資源為海水，無本地不可更新資源，購買的不可更新資源為設備材料及建材、化學藥劑、能源等，此外還有建設投資、運行費用等資金投入。產出僅為產品水，本研究假定濃鹽水直接排放，不產生新的價值。

表1、表2、表3為反滲透、低溫多效、多級閃蒸海水淡化系統能值分析計算表，其定量描述了各種能流輸入輸出的能值具體數據。

對比分析3種海水淡化系統的能流。從能流種類角度分析，海水、鋼鐵、樹脂/塑料、化學藥劑、電力以及資金是各系統均有的能值投入。根據各自的技術原理特點，反滲透增加了陶瓷的輸入，其是能量回收裝置中轉子的材料；作為蒸餾法海水淡化技術，低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統中有銅、鈦的傳熱管材料輸入以及作為熱源的蒸汽輸入。從能值總輸入角度分析，生產相同產量的海水淡化水，低溫多效海水淡化系統的能值總輸入明顯高于反滲透海水淡化系統；本研究中多級閃蒸海水淡化系統產水量僅為0.6萬t/d，若按比例擴大至反滲透、低溫多效海水淡化系統相同的規模，能值總輸入將達到 4.47×1020sej，高于低溫多效海水淡化系統的能值總輸入。

表1 反滲透海水淡化系統能值分析[8，12-14]

注：1. 假定系統生命周期為30年；2. 反滲透膜元件及超濾膜元件更換周期為5年。

表2 低溫多效海水淡化系統能值分析[8，12-15]

注：假定系統生命周期為30年。

表3 多級閃蒸海水淡化系統能值分析[8，12-13，15-17]

注：1. 假定系統生命周期為30年；2. 年固定資產投入和年運行支出以1996年測算值為基準。

將系統的輸入分為海水、設備及建材、化學藥劑、能源以及資金五類，計算單位產品水中包含的各類輸入能值以及總能值，如圖2所示。結果顯示，3個系統產品水中包含的能值，能源均為最主要的能值來源，占比超過了70%，其次為資金投入。低溫多效和多級閃蒸海水淡化技術由于有相轉變，能源消耗遠高于反滲透海水淡化技術，導致單位產品水的總能值也明顯較高。因此從能值角度，低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統能源消耗遠高于反滲透海水淡化系統。同時，對比能流分析表(表2、表3)中數據，2種蒸餾法海水淡化系統，即低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統，蒸汽能值均遠高于電力能值，其在輸入總能值中占比分別達到了84.64%和74.20%，是熱法海水淡化系統最主要的能值投入。

圖2 海水淡化系統單位產品水能值分析

輸入總能值與產水量的比值為單位產品水的能值，也即產品水的太陽能值轉換率。太陽能值轉換率反映了商品在能量等級中的位置以及生產該商品的效率，其值越低，生產過程的效率越高。不同海水淡化系統產品水的太陽能值轉換率，反滲透系統最低，為3.32×1012sej/m3，低溫多效系統其次，為2.06×1013sej/m3，多級閃蒸系統最高，為 2.40×1013sej/m3。由此表明從能值分析角度，不同技術海水淡化系統的生產效率由高到低依次為反滲透、低溫多效、多級閃蒸。

4 海水淡化系統能值評價指標分析

各海水淡化系統能值評價指標的計算結果如表4所示。

a.εEYR：εEYR反映了系統的生產效率，其值越大表示系統單位經濟能值投入得到的能值產出越大，由此系統生產效率越高，競爭力越強。相比于低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統，反滲透海水淡化系統設備及建材少，不需要蒸汽熱源，經濟能值投入較低，因此能值產出率最高。

表4 不同技術海水淡化系統的能值評價指標

b.εELR：εELR描述了系統對本地生態環境帶來的影響，用于評價系統的環境壓力。εELR大表示系統對環境的壓力較大，εELR小則對周圍環境的壓力較小。筆者研究的3種海水淡化系統，可更新資源均只有海水，其余為資金投入及購買的不可更新資源，均沒有本地不可更新資源輸入。因此，系統海水能值輸入越多，資金及購買資源能值輸入越少，則系統εELR越低。反滲透海水淡化系統由于購買的不可更新資源能值投入相對較低，因此其εELR低于低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統，為94.90，其對周圍環境的壓力較小。與低溫多效海水淡化系統相比，多級閃蒸海水淡化系統級數多導致設備及建材投入多，動力消耗大，化學藥劑消耗多，即系統購買的不可更新資源能值輸入多，因而其εELR高于低溫多效海水淡化系統。

c.εESI：εESI是一個復合指標，用于評價系統的可持續發展性能，其值越高，可持續性能越好。與普通化學處理生產飲用水系統[18]和污水處理系統[19]相比，筆者研究的3個海水淡化系統的εESI均較低，其中反滲透海水淡化系統最高，多級閃蒸海水淡化系統最低，即反滲透海水淡化系統的可持續性最高，多級閃蒸海水淡化系統的可持續性最低。根據能值分析的結果，從可持續發展角度，相比于低溫多效和多級閃蒸海水淡化技術，反滲透海水淡化系統能值產出率高，環境負載率低，能值可持續性指標，因此建議新建海水淡化項目優先采用反滲透海水淡化技術。

5 結 論

應用能值分析理論開展了反滲透、低溫多效、多級閃蒸海水淡化系統的能值分析及可持續發展評價。與傳統的經濟分析或能耗分析不同，能值分析不僅涉及經濟投資所產生的價值，還考慮了海水、設備材料、能源等的自然屬性在海水淡化水生產過程中所做的貢獻。能值分析計算結果顯示，能源是海水淡化系統最主要的輸入能流，其中反滲透海水淡化系統能源輸入僅為電力能值，低溫多效和多級閃蒸海水淡化系統能源輸入中蒸汽能值遠高于電力能值。對比3種海水淡化系統，反滲透海水淡化系統單位產品水的太陽能值轉換率最高，表明該系統生產效率最高；多級閃蒸海水淡化系統產品水太陽能值轉換率最低，生產效率最低；由于反滲透海水淡化系統設備投入相對較少，無蒸汽熱能輸入，其εEYR最高，而εELR最低，由此εESI最高。因此從能值分析和可持續發展角度，新建海水淡化項目可優先采用反滲透海水淡化技術。

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