三位一體的海水淡化生態(tài)解決方案
編者按：海水淡化在我國經(jīng)歷了數(shù)十年認識、質(zhì)疑、認可的漫長過程。如今因水資源日益短缺以及遠距離調(diào)水高昂成本、輸送能耗以及相應(yīng)的碳排放使得海水淡化優(yōu)勢日逐明顯。特別是海水淡化技術(shù)在嚴重缺水的中東等地大規(guī)模工程應(yīng)用帶來的技術(shù)進步讓海水淡化“太昂貴”、“太耗能”之印記已成為歷史。目前，最先進的海水淡化技術(shù)已使獲得1 m3淡水的能耗與成本分別低至2度電/m3和2元錢/m3，遠低于南水北調(diào)之水。實際上，早在南水北調(diào)本世紀初正在進行時，我們便提出了沿海乃至近海（如，北京）發(fā)展海水淡化的學(xué)術(shù)倡導(dǎo)，并提出了“風(fēng)力發(fā)電+海水淡化+鹽業(yè)化工”三位一體的“零排放”生態(tài)解決方案。雖然時間已過去近20年，但這一方案似乎并未落伍，特別是有關(guān)淡化鹵水資源化又有了新的發(fā)展方向。鹵水制鹽只是最低級的資源化方法，實際上鹵水中亦含有鋰、氘等稀有元素。在鋰電池需求量日益激增的情況下，鹵水提鋰在國內(nèi)外均已開始實踐。而氘更是未來能源需求的基本元素，是核聚變不可多得的反應(yīng)物，且主要存在于海水之中。因此，對多數(shù)人擔心淡化后鹵水的處置問題已不必多慮，濃縮后的鹵水遠比原海水更容易提取稀有元素！為此，本期回顧發(fā)表于2006年《節(jié)能與環(huán)保》（10，No. 148，25-28）上的文章：海水淡化+風(fēng)能發(fā)電+鹽業(yè)化工——三位一體的清潔生產(chǎn)技術(shù)，以饗讀者。
文章亮點
·我國淡水危機迫在眉睫；反滲透海水淡化技術(shù)是解決我國沿海與海島區(qū)域水資源匱乏的有效技術(shù)措施之一；
·沿海與海島區(qū)域的風(fēng)能極具應(yīng)用價值，并可通過風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為海水淡化提供清潔能源；
·反滲透海水淡化的副產(chǎn)品——濃縮海水能夠提高約70%的海水曬鹽生產(chǎn)效率；
·風(fēng)力發(fā)電+反滲透海水淡化+濃縮海水曬鹽“三位一體”清潔生產(chǎn)技術(shù)可實現(xiàn)“零排放”。
前言
中國在實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，水的可持續(xù)利用問題日益突出。顯然，水已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。同時，隨新水價機制的施行與普及，中國水經(jīng)濟時代已拉開帷幕。水經(jīng)濟背后蘊藏著水管理體制的巨大改革和對一些技術(shù)應(yīng)用限制突破將成為各行業(yè)新的機遇和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合可持續(xù)發(fā)展中全球普遍倡導(dǎo)的生態(tài)經(jīng)濟特點，提出一種將水業(yè)、能源、鹽業(yè)三個業(yè)已成熟的行業(yè)有機結(jié)合而形成的一種三位一體的清潔生產(chǎn)技術(shù)。技術(shù)擬應(yīng)用的范圍主要涉及沿海與海島區(qū)域，同時也適用于苦咸水地區(qū)。
01 三位一體的清潔生產(chǎn)技術(shù)
面對嚴峻的淡水資源危機，發(fā)展海水淡化技術(shù)，向大海要淡水以解決沿海地區(qū)與海島區(qū)域淡水緊缺問題已經(jīng)成為世界各國的共識。
海水淡化/海水脫鹽是指通過反滲透或蒸餾法除去海水中鹽分并獲得淡水的工藝過程。其中，最主要的運行管理費用為電耗。顯然，利用化石燃料發(fā)電提供能量并非可持續(xù)途徑，存在溫室氣體排放等環(huán)境風(fēng)險。事實上，沿海和海島區(qū)域蘊藏著豐富的風(fēng)力資源，就近利用風(fēng)電進行海水淡化不失為一種理想的技術(shù)組合。此外，以目前使用較多的反滲透技術(shù)而言，淡水產(chǎn)水率約為處理海水量的2/3，而余下的1/3則形成高含鹽量的“濃縮液（鹵水）”。若將其作為海鹽生產(chǎn)的原料無異于減少了2/3的海水蒸發(fā)量，即，可縮了2/3曬鹽時間進程。因此，將風(fēng)能發(fā)電、海水淡化、海鹽生產(chǎn)這三個業(yè)已成熟的技術(shù)有機結(jié)合，則會產(chǎn)生一個沒有廢棄物與污染物且符合生態(tài)經(jīng)濟學(xué)原理的新興產(chǎn)業(yè)，如圖1所示。
02 海水淡化現(xiàn)狀與未來
海水淡化技術(shù)主要有蒸發(fā)法、膜法（反滲透、電滲析）和冷凍法。與蒸發(fā)相比，膜法淡化海水具有投資省、能耗低（7 kWh/m3，前者為65 kWh/m3）、占地少、建設(shè)周期短、操作簡便、易于自控、啟動迅速等優(yōu)點。膜法主要指反滲透（RO）技術(shù)，是利用半透膜在壓力下允許水透過而截留鹽分和雜質(zhì)的技術(shù)。因此，在海水淡化工程應(yīng)用中，膜法（特別是以RO技術(shù)為主的膜技術(shù)）受到廣泛應(yīng)用。以日本為例，反滲透裝置生產(chǎn)能力已占海水淡化裝置總生產(chǎn)能力（超過109萬m3/d）的90%，并且以每年5~6萬m3/d的速度逐年增加。目前，日本最大的反滲透海水淡化廠處理能力已達5萬m3/d。
除上述提及的日本外，美國、英國、西班牙、法國以及以色列等國的反滲透技術(shù)也已經(jīng)相當發(fā)達，并且相繼形成了海水淡化產(chǎn)業(yè)。我國的海水淡化技術(shù)研究雖然始于上世紀50年代，但由于國人對反滲透等淡化技術(shù)應(yīng)用的認識僅停留在過高的生產(chǎn)成本上，所以，目前以反滲透為主的海水淡化技術(shù)在國內(nèi)還沒有形成大規(guī)模應(yīng)用局面。
能耗是決定反滲透海水淡化技術(shù)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。在反滲透能耗比傳統(tǒng)蒸發(fā)法低若干倍的基礎(chǔ)上。若考慮將反滲透膜料液側(cè)排出的高濃縮液中的能量回收，如，帶動水輪機、多級離心泵等，則可回收其中80%~90%的能量，從而使反滲透脫鹽能量消耗節(jié)省35%左右。雖然反滲透海水淡化綜合成本估計為5~10元/m3，但與專家目前估計的“南水北調(diào)”5~20元/m3的綜合成本相比較，反滲透海水淡化技術(shù)優(yōu)勢在經(jīng)濟上初露端倪。況且，此處述及的反滲透海水淡化是與風(fēng)能、產(chǎn)鹽綜合為一體的生態(tài)經(jīng)濟或清潔生產(chǎn)技術(shù)。事實上，美國有資料認為，遠程調(diào)水超過40 km，成本將超過海水淡化。
綜上所述，海水淡化具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，我們應(yīng)摒棄以一種不可再生的非清潔能源來換取另一種資源使用的傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)，以維持社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，伴隨著可再生的清潔能源問題解決，反滲透海水淡化不失為解決我國沿海與海島區(qū)域水資源匱乏的一項行之有效的技術(shù)措施。
03 風(fēng)能——潛在的清潔能源
我們不僅需要海水淡化，我們更需要為海水淡化提供清潔能源。在沿海與海島區(qū)域蘊藏著巨大的風(fēng)能便是一種潛在的清潔能源。
3.1 世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀
現(xiàn)代風(fēng)能工業(yè)于20世紀80年代初在加利福尼亞誕生。隨著碳減排需求的增加，風(fēng)電的發(fā)展日趨向上。迄今，商業(yè)化風(fēng)電價格已經(jīng)下降了80%，風(fēng)電成本已從20美分/kWh持續(xù)下降到3美分/kWh。并且全球風(fēng)電發(fā)展迅速，每年以近40%的速度增長。據(jù)全球風(fēng)能委員會（GWEC）公布的《2023全球風(fēng)能報告》（Global Wind Report 2023）預(yù)計，到2024年，全球陸上風(fēng)電新增裝機將首次突破100 GW；到2025年全球海上風(fēng)電新增裝機也將再創(chuàng)新高，達到25 GW。未來五年全球風(fēng)電新增并網(wǎng)容量將達到680 GW。
3.2 我國風(fēng)力資源
我國幅員遼闊，風(fēng)能資源較為豐富。根據(jù)全國氣象臺部分風(fēng)能資料的統(tǒng)計和計算，我國風(fēng)能分區(qū)及占全國面積的百分比見表1。據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算，全國風(fēng)功率密度為100 W/m2，風(fēng)能資源總儲量約3226 GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量有253 GW（依據(jù)陸地上離地10 m高度資料計算）；每年風(fēng)速在3 m/s以上的時間近4000 h左右，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達7 m/s以上，開發(fā)利用價值極大。
隨著對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的深入，諸如垂直軸風(fēng)力發(fā)電機等更高效的風(fēng)力發(fā)電形式受到各國的開發(fā)與應(yīng)用。該風(fēng)車最大特點是可以利用各個方向的風(fēng)，在風(fēng)速達到3 m/s時即可發(fā)電（傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)速需求≥6 m/s）。這將使我國可利用的風(fēng)力發(fā)電資源至少增加1倍。該風(fēng)電機組由于采用靜音設(shè)計，所以也適合于住宅密集區(qū)?？梢?，隨著科技的不斷進步，人類利用風(fēng)能的能力將不斷加強。
3.3 我國風(fēng)電發(fā)遠景規(guī)劃
我國并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組逐漸發(fā)展起來，到2001年底裝機容量為399.9 MW。“十五”期間亦鼓勵風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)。預(yù)計21世紀將是我國風(fēng)能大發(fā)展時期，風(fēng)力發(fā)電總裝機目標：2005年達到全國電力工業(yè)總裝機容量的0.5%，即1500 MW左右。2010年爭取達到3000 MW。有些部門預(yù)測以2000 MW為目標值，按現(xiàn)在1.05萬元/kW的設(shè)備價值計算，風(fēng)力發(fā)電新的設(shè)備產(chǎn)值將是210億元人民幣。
3.4 有關(guān)風(fēng)電的政策扶持
我國政府近年來對風(fēng)力發(fā)電事業(yè)提供的一系列優(yōu)惠政策，為中國的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展提供了新動力。如國家計委于1996年提出“乘風(fēng)計劃”，國家計委和科技部于1999年1月發(fā)出《關(guān)于進一步支持可再生能源發(fā)展有關(guān)問題的通知》等。
3.5 對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一些思索
一種新能源的出現(xiàn)能否打破原有能源框架的束縛，在很大程度上取決于該種能源的市場競爭能力，即生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計，我國目前風(fēng)力發(fā)電的成本為0.42~0.72元/kWh，在沒有優(yōu)惠政策及補貼的前提下，尚無法與火力發(fā)電競爭。然而，若不僅以經(jīng)濟方法而是加之對其生態(tài)價值的考量與計算，燃煤發(fā)電廠的市場價格及成本則會進一步提高（包含煤礦開采、燃煤碳排放等生態(tài)成本）。此外，我國能源分布及使用狀況呈現(xiàn)出“西產(chǎn)東耗，西電東送”的態(tài)勢。這不僅造成大量的電力輸送及其設(shè)備的建設(shè)投資和運行，且浪費了東南沿海豐富的風(fēng)力資源。相比于內(nèi)陸地區(qū)，我國廣大的沿海地區(qū)儲有更高質(zhì)量的風(fēng)能。在海洋環(huán)境中，風(fēng)更穩(wěn)定，更少紊流，也更少剪切力，因而可設(shè)計安裝較便宜而壽命更長的風(fēng)力滑輪發(fā)電機組。使用風(fēng)力發(fā)電不但可以解決能源短缺的問題，既可以節(jié)省大量的輸送設(shè)備，又可以實現(xiàn)能源生產(chǎn)的本地產(chǎn)業(yè)化。
04 曬鹽——傳統(tǒng)海鹽生產(chǎn)方式
食鹽是日常生活中人不可缺少的物質(zhì)。目前制鹽的技術(shù)主要有鹽田法、蒸餾法、電滲析法、冷凍法制鹽、真空法制鹽等。就其本質(zhì)來說制鹽的關(guān)鍵就是要去除過多的水分，使其濃縮。海水制鹽在各種鹽業(yè)資源中是最具優(yōu)勢的生產(chǎn)方式。首先，海鹽的原料是海水，取之不盡，用之不竭，；其次，中國沿海有廣闊的適合建立鹽場的灘涂。由于鹽田法節(jié)約燃料、工藝簡單，加之我國有廣闊的海岸線，所以我國是海水曬鹽產(chǎn)量最多的國家，也是鹽田面積最大的國家，年產(chǎn)海鹽1500萬噸左右，約占全國原鹽產(chǎn)量的70%，占世界原鹽總量30%（目前海鹽的世界總年產(chǎn)量約5000萬t）。
海鹽生產(chǎn)為節(jié)約能源而通?？咳諘裾舭l(fā)水分。但若直接以原海水曬鹽則會有生產(chǎn)周期長、效率低下的缺陷。如果應(yīng)用反滲透技術(shù)淡化海水，所生產(chǎn)的副產(chǎn)品——海水濃縮液則能夠用以曬鹽。以海水淡化后的淡水回收率為60%~70%計算，這相當于已蒸發(fā)掉60%~70%的水分，也就等于縮短海鹽生產(chǎn)約2/3的生產(chǎn)周期，或提高約70%的生產(chǎn)效率。這可極大地緩解海水曬鹽場用地的供需矛盾。事實上，膜法正是現(xiàn)代海鹽生產(chǎn)的一種高效方式，只不過所強調(diào)的主體有所不同而已。除此之外，借助于反滲透海水淡化產(chǎn)生濃縮液的同時，還可以積極開展對海水中化學(xué)物質(zhì)的提取?？晒┨崛〉某Ｒ?guī)元素包括鉀、鎂、溴、氯、鈉、硫酸鹽等。此外，海水提鋰，甚至氘等元素更是未來海水資源開發(fā)的方向之一。在某種程度上，這也有助于海水淡化成本的進一步降低。綜上所述，我們提出的風(fēng)能發(fā)電、海水淡化與淡化后濃縮液曬鹽這種三位一體的生態(tài)經(jīng)濟或清潔生產(chǎn)技術(shù)構(gòu)想應(yīng)該具有廣闊的應(yīng)用前景。