可再生能源用于海水淡化的研究

江才俊，潘天國(guó)，史 覬，袁 倩

（1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳518000；2.中國(guó)廣核新能源控股有限公司，廣東 深圳518000）

1 太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)

利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化已經(jīng)有了很長(zhǎng)時(shí)間的歷史，圖1是太陽(yáng)能與海水淡化技術(shù)的幾種耦合工藝方案。

圖1 太陽(yáng)能與海水淡化耦合方案

1.1 太陽(yáng)能蒸餾裝置

太陽(yáng)能蒸餾裝置是指利用太陽(yáng)采集的熱量直接加熱海水，使海水蒸發(fā)產(chǎn)生相變過(guò)程形成水蒸氣，再使水蒸氣冷凝形成淡水的裝置。其優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材方便，不受原海水濃度限制，所獲淡水純度高。缺點(diǎn)也很明顯，主要是裝置占地面積較大，單位面積產(chǎn)水量較低，例如被動(dòng)式蒸餾裝置，性能較好的盤式蒸餾器日產(chǎn)水量也只有3.5L/m2，主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾雖然增加了附屬設(shè)備提高了熱能利用率和產(chǎn)水量，但是同時(shí)也增加了設(shè)備投資，而且產(chǎn)水回收率仍無(wú)法與常規(guī)淡化工藝相比。

1.2 太陽(yáng)能-熱能-MSF/MED

在傳統(tǒng)的熱法海水淡化技術(shù)中，有相對(duì)成熟的方案、措施、材料和管理經(jīng)驗(yàn)，如多級(jí)閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）。近年來(lái)，隨著中溫太陽(yáng)能集熱器的應(yīng)用日益普及（比如真空管型、槽形拋物面型集熱器以及中溫大型太陽(yáng)池等），使建立在較高溫度段（≥75℃）運(yùn)行的太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)成為可能，將太陽(yáng)能集熱裝置與MSF、MED裝置結(jié)合起來(lái)，利用太陽(yáng)能加熱海水，被加熱的海水進(jìn)入MSF、MED淡化裝置中進(jìn)行淡化。

1.3 太陽(yáng)能-電能-RO

該方案首先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，再由電能驅(qū)動(dòng)反滲透（RO）海水淡化裝置生產(chǎn)淡水。近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏（PV）發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展成熟，已經(jīng)有大量的商業(yè)化應(yīng)用。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能不存在太多的技術(shù)難點(diǎn)，而反滲透技術(shù)早已經(jīng)是成熟的淡化技術(shù)，所以這種方案在技術(shù)上沒(méi)有太大難度。在太陽(yáng)能資源豐富且常規(guī)電價(jià)較高的地區(qū)，可以采用太陽(yáng)能-電能-RO方案解決該地區(qū)能源、水資源短缺問(wèn)題。

2 風(fēng)能海水淡化技術(shù)

根據(jù)風(fēng)能的能源轉(zhuǎn)化利用方式不同，風(fēng)能海水淡化分為直接風(fēng)能海水淡化和間接風(fēng)能海水淡化。以下對(duì)風(fēng)能海水淡化技術(shù)優(yōu)劣、耦合難點(diǎn)和對(duì)策進(jìn)行闡述。

2.1 風(fēng)能-機(jī)械能-RO/MVC

此結(jié)構(gòu)直接將風(fēng)力的機(jī)械能用于驅(qū)動(dòng)反滲透（RO）淡化裝置的高壓泵或MVC淡化裝置的壓縮機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是避免了風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，再由電能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能的二次能量轉(zhuǎn)換的損失，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)是風(fēng)力的波動(dòng)將直接影響高壓泵的流量和壓縮機(jī)的穩(wěn)定性，從現(xiàn)在的研究現(xiàn)狀來(lái)看，基本都停留在實(shí)驗(yàn)階段，該項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟。

2.2 風(fēng)能-電能-MVC

機(jī)械壓汽蒸餾（MVC）裝置與風(fēng)能發(fā)電裝置進(jìn)行耦合時(shí)，能夠適應(yīng)變化的能量供給，適合于中、小規(guī)模海水淡化，但如果單純應(yīng)用孤立風(fēng)電系統(tǒng)供電，沒(méi)有其他能源提供電力，一旦風(fēng)速無(wú)法達(dá)到風(fēng)電設(shè)備啟動(dòng)要求，MVC裝置就需要長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，非常容易造成MVC裝置的結(jié)垢，一旦結(jié)垢就需要經(jīng)常進(jìn)行耗時(shí)的維護(hù)。

2.3 風(fēng)能-電能-RO

反滲透（RO）工藝是比較成熟的淡化技術(shù)，其單位能耗較低，設(shè)備模塊化程度高，適用于不同規(guī)模的淡化工程，而且在與風(fēng)能發(fā)電裝置耦合時(shí)可通過(guò)關(guān)閉和啟動(dòng)部分反滲透處理單元來(lái)適應(yīng)風(fēng)力輸出的能量變化，維持淡化單元運(yùn)行參數(shù)的恒定，因此該工藝在風(fēng)能海水淡化技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)研究也較多。

3 某可再生能源海水淡化項(xiàng)目應(yīng)用介紹

3.1 概述

本項(xiàng)目所在廠址區(qū)域位于東經(jīng)14°31′32.32″，南緯22°35′27.88″，海拔高度為1000-2000米，干旱少雨，屬亞熱帶、半沙漠性氣候，年均300天為晴天，是撒哈拉以南最干旱的國(guó)家之一。該地區(qū)年均降雨量為270mm，除最南部在冬季（6-9月）降雨外，全國(guó)70%的降雨集中在11月到次年的3月。因地勢(shì)較高，氣溫略低于世界上同緯度的其他地區(qū)，終年溫和，晝夜溫差較大。

3.2 太陽(yáng)能資源

太陽(yáng)能資源分布與緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件等因素相關(guān)，本項(xiàng)目地理坐標(biāo)：東經(jīng)14°31′32.32″，南緯22°35′27.88″。該地區(qū)太陽(yáng)能資源異常豐富，是世界上太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一。根據(jù)SolarGIS公開(kāi)輻照資源數(shù)據(jù)測(cè)算，地區(qū)輻照量在2118kWh/m2-2483kWh/m2之間。

3.3 風(fēng)資源

根據(jù)MERRA2再分析數(shù)據(jù)提供的1995～2018年50m高度層風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，分析得出2005年為風(fēng)速平風(fēng)年，具有代表性。

50m輪轂高度處年平均風(fēng)速4.45m/s，7月份平均風(fēng)速最大為5.83m/s，12月份平均風(fēng)速最小為3.78m/s，全年平均風(fēng)速較大的月份出現(xiàn)在7-11月份。

80m輪轂高度處年平均風(fēng)速5.04m/s，7月份平均風(fēng)速最大為6.97m/s，12月份平均風(fēng)速最小為4.16m/s，全年平均風(fēng)速較大的月份出現(xiàn)在7-11月份。

根據(jù)風(fēng)向玫瑰圖，廠址區(qū)域全年風(fēng)向以偏SSW風(fēng)為主，其次是SW。全年較大風(fēng)速出現(xiàn)在E和ENE方向。

3.4 工藝比選

3.4.1 低溫多效蒸餾法（MED）

低溫多效蒸餾分為MED和TVC-MED兩種工藝形式。MED工藝裝置可以由壓力很低的蒸汽（0.03~0.1MPa.a）或70℃以上的熱水作為驅(qū)動(dòng)熱源。TVC-MED工藝裝置的動(dòng)力蒸汽一般為0.25MPa.a以上的蒸汽，可以顯著提高設(shè)備的性能（造水比）。

本項(xiàng)目3萬(wàn)噸/日的低溫多效海水淡化裝置的熱源來(lái)源考慮有：太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能熱水。熱源分別按照蒸汽和熱水兩種形式考慮。中低壓蒸汽參數(shù)為：1.0MPa.a，183℃，108t/h；低溫?zé)崴畢?shù)為：95℃，4700t/h。

本項(xiàng)目海水淡化制水成本主要包括：化學(xué)藥品消耗、電力消耗、人工工資、福利及管理費(fèi)用、維修費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用等，具體詳見(jiàn)表1。

表1 各種不同技術(shù)路線制水成本比較

由表1可以看出，太陽(yáng)能熱水制水成本低于太陽(yáng)能光熱。

3.4.2 反滲透膜法（RO）

反滲透海水淡化裝置僅耗電，不需要蒸汽。本項(xiàng)目3萬(wàn)噸/日的反滲透海水淡化裝置的電源來(lái)源考慮有：市電、太陽(yáng)能光伏、風(fēng)電。設(shè)計(jì)參數(shù)為：制水能耗＜3.96kWh/t、TDS≤500mg/L、產(chǎn)品水水溫≤29℃、海水設(shè)計(jì)溫度29℃、所需原海水量3130t/h（10-29℃）、海水排放水量1880t/h。

本項(xiàng)目海水淡化制水成本主要包括：電力消耗、藥品消耗、膜/濾芯更換費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)用等，具體詳見(jiàn)表2。

表2 各種不同技術(shù)路線制水成本比較

由表2可以看出，全市電方案制水成本最高，風(fēng)光互補(bǔ)+市電方案制水成本最低。

3.5 制水成本比較

從表3的制水成本比較中可以看出，熱法總體上制水成本都高于膜法，膜法中風(fēng)光互補(bǔ)+市電方案制水成本最低。本項(xiàng)目推薦采用風(fēng)光互補(bǔ)+市電膜法制水方案。

表3 各種不同技術(shù)路線制水成本比較

4 結(jié)論

基于當(dāng)前太陽(yáng)能光伏、風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)及價(jià)格發(fā)展水平，在太陽(yáng)能資源或風(fēng)資源豐富且常規(guī)能源電價(jià)較高的地區(qū)，采用太陽(yáng)能或風(fēng)能-電能-RO方案可有效解決該地區(qū)能源、水資源短缺問(wèn)題，不僅可以節(jié)約寶貴的不可再生能源，更為海水淡化產(chǎn)業(yè)的推廣提供了更好的前景。