• 周六. 5 月 25th, 2024

编者注:海水淡化已经走过数十年的坎坷历程,经历了认知、质疑、认可、突破的长青岁月。如今,挥别“太昂贵”、“太耗能”的标签,海水淡化以其应对水资源短缺的巨大潜力和低成本高效率的技术优势愈发引人注目。

在中东等严重缺水地区,最先进的海水淡化技术早已被大规模应用,使得人们获得1m3淡水所消耗的能源和成本均降至仅为2度电/m3和2元钱/m3。相较南水北调工程,海水淡化技术更加经济实用,成为促进海岸线及近海地区生态发展、水资源保障的极佳途径。

早在本世纪初的南水北调工程开始前,我们就在学术研究层面提出,通过 “风力发电 + 海水淡化 + 盐业化工”三合一的”零排放”生态治理方案,促进沿海甚至近海地带的可持续发展。虽然时光荏苒已近20载,但是这一方案依然活跃在学术界的一线,尤其是在淡化卤水资源化领域,这一理念也正逐渐得到落地,为保障水资源同时促进经济发展创造新的可能。

正如文章所言,卤水资源并非简单的盐分水平衡,其中蕴藏着各种珍贵的稀有元素,如锂、氘等。现如今,卤水资源化再掀高潮,人们也逐渐认识到了这一潜力巨大的时期,希望它们以更多样化的姿态,为人类发展进程注入源源不断的能量,塑造更加宜居的环境和未来。

海水=生态友好的三部曲。在锂电池需求量日益激增的今天,使用卤水提锂已逐渐成为全球热点,而氘更是未来能源潜力的重要组成部分,它作为核聚变反应的重要物质储存在海水中,极具潜在价值。因此,担心洁净化后卤水的处理已经成为过去,批量浓缩的卤水只需要简单提炼就能轻松提取珍贵的稀有资源。正因如此,我们回顾2006年发表于《节能与环保》杂志(10,No. 148,25-28)的文章:海水淡化+风能发电+盐业化工——三位一体的清洁生产技术,与读者分享。

闪光点

·我国面临着淡水短缺的严酷现实;反渗透海水淡化技术是缓解我国沿海和海岛地区水资源匮乏的有效措施之一;

·沿海和海岛地区的风能优势十分明显,并且可以为海水淡化提供清洁能源,风力发电技术发挥重要作用;

·反渗透海水淡化的副产物,也就是浓缩海水,可以提高约70%的海水晒盐生产效益;

·风能发电+反渗透海水淡化+浓缩海水工艺,三者高度相关,成为塑造可持续发展环境下的最佳选择,同时也是推动世界向更加现代、环保、可持续方向迈进的必由之路。

晒盐“三位一体”清洁生产技术可谓是可持续发展战略中的一颗瑰宝。在当今水利经济时代,水资源问题摆在了经济与社会发展的核心位置,水价机制开创了水经济新纪元,同时也提供了新的机遇与挑战。本文提出的三位一体的清洁生产技术,将水、能源和盐业三大行业有效结合,以此应对当今水利资源严重短缺和生态经济的发展需求。

尤其针对沿海地区和海岛地区淡水的匮乏和盐水的丰富,海水淡化/海水晒盐“三位一体”技术方案正是一种有效的应对方式。借助先进海水淡化技术,我们可以将广袤的海洋资源转化为可持续利用的淡水资源,也可以从海水中提取所需的氢氧化锂等珍贵元素。此外,浓缩后的卤水可被循环利用,促进高效化盐业生产,实现“零排放”清洁生产目标。

因此,三位一体的清洁生产技术不仅可以解决淡水资源紧缺和盐业生产低效等问题,更是助力实现经济发展与生态建设的双赢。

脱盐是通过反渗透或蒸馏法除去海水中盐分,获得清爽淡水的工艺过程。然而,这一技术的关键在于持续供应高质量的电力。不过,通过燃烧化石燃料来满足电力需求并不具备可持续性,这样做可能会带来环境风险和温室气体排放等问题。幸运的是,沿海和海岛地区拥有丰富的风力资源,这为利用风能进行海水淡化提供了理想的条件。

此外,在使用反渗透技术的过程中,只有处理海水量的2/3可以变成清洁淡水,而剩下的1/3则变成了高盐濃度的“浓缩液(卤水)”。尽管这些浓缩液可以作为生产海盐的材料,但和处理海水量相比,它们消耗的时间和资源更多。将风能发电、海水淡化和海盐生产三个已经成熟的技术有机结合起来,就像图1所示,形成了一个没有废弃物和污染物,符合生态经济学原则的新兴产业。

因此,将风力发电、海水淡化和海盐生产这三种技术有机地结合起来,可以一举解决多个难题,并且为生态环境的建设和可持续的发展道路带来希望。海水淡化技术,是人间科技的奇迹之一。蒸发法、膜法(反渗透、电渗析)和冷冻法等多种技术被用来淡化海水。相对于蒸发法,膜法海水淡化更加经济实用。它省却了高昂的投资成本、减少了能源消耗(7 kWh/m3,而蒸发法却需要65 kWh/m3),占地面积少、建设周期短、操作简便、易于自控,而且启动迅速。其中,反渗透(RO)技术尤其得到了广泛采用,这种技术是利用一种半透膜,通过加压让水分子通过膜而拦截盐分和杂质。

现在,反渗透技术已在海水淡化工程中得到广泛运用。以日本为例,反渗透设备已占海水淡化机组产能的90%(总产能超过109万m3/d),并且每年以5~6万m3/d的速度在增长。如今,日本最大的反渗透海水淡化厂已可以处理5万m3/d。

除了日本,美国、英国、西班牙、法国和以色列等国家也相应地开发了先进的反渗透技术,并建立了自己的海水淡化工业体系。尽管我国的海水淡化技术研究处于起步阶段,但相信在不久的将来,我国的科学家们也可以涌现出更多更好的海水淡化技术,为人类的可持续发展做出更大的贡献。上个世纪50年代,海水淡化技术就已经面世。然而,由于人们普遍认为反渗透等技术成本过高,因此以反渗透技术为主的海水淡化技术在国内并没有形成大规模应用。

海水淡化所需的能耗是影响其生产成本的主要因素。反渗透技术比传统的蒸发法用电量低得多。并且,如果能在反渗透膜料液侧排出的高浓缩液中回收能量,例如使用水轮机、多级离心泵,就能回收其中80%~90%的能量,同时反渗透脱盐过程中的能量消耗也会相应减少35%左右。虽然反渗透海水淡化成本看似较高,大约为5~10元/m3,但与专家目前估计的“南水北调”5~20元/m3的综合成本相比较,反渗透海水淡化技术的经济优势已经初露端倪。况且,还有生态经济或清洁生产技术——将反渗透海水淡化、风能、海盐生产有机结合在一起,形成了一种更为可持续和环保的产业。据美国的一项调研,如果将水从远距离运输超过40 km的话,成本已经超过了海水淡化处理。

综上所述,海水淡化技术具有广阔的应用前景。此外,我们也应该摒弃不可再生的、非清洁能源,充分利用可再生能源,发展清洁能源,从而实现发展和生态环境的双赢。海水淡化技术是为了解决水资源匮乏,促进社会经济持续发展的重要技术手段。随着清洁可再生能源问题的逐渐解决,反渗透海水淡化技术便成为了我国沿海和海岛地区的有效水资源利用方式。

03 风能——探索清洁可再生能源

除了海水淡化,清洁能源也是加速发展的必须之路。在沿海和海岛地区,风能资源丰富,成为了一种潜在的清洁能源。

3.1 全球风能发展的趋势

现代风电产业诞生于上世纪80年代初期的加利福尼亚。随着对碳减排的要求越来越高,风能得到了越来越多的关注。如今,商业化风电成本下降了80%,每度电的价格也从20美分/kWh下降到3美分/kWh。全球风电的发展速度每年高达40%。根据全球风能委员会发布的《2023全球风能报告》,到2023年,全球风电装机容量将比2018年时增加了56%。

可以预见,未来风能和海水淡化等清洁能源技术将会更加成熟和普及,为我们创造更加美好的生活和环境。让我们行动起来,共同推动清洁能源事业的发展!

到2024年,全球陆地风电新增装机容量将首次突破100 GW;到2025年,全球海上风电新增装机也将再创新高,达到25 GW,未来五年全球风电并网容量将达到680 GW。

3.2 神奇的中国风力资源

我们拥有广袤的国土,也赋有丰富的风能资源,据全国气象台的计算,我国风能分区及占全国面积的百分比可参见表1。中国气象科学研究院的估算为,全国风能储量总计为3226 GW,其中陆地上风能储量有253 GW(依据陆地上离地10 m高度资料计算);每年风速在3 m/s以上的地区风能资源总量相当于2.4亿吨标准煤。我们可以说,只有愿意,没有不能!

随着技术的不断发展与推广,相信我们的农村、城市、海岛和偏远山区等各处角落都可以善用风能这一清洁、可再生的宝贵资源,实现生态与经济的双赢。加油,中国!

经过长时间的积淀,我们终于发现风能这一宝贵的资源。在一些地区,年平均风速可达7 m/s以上,这意味着这些地方的风能资源价值无限。

让我们来探寻风力发电技术的更高境界。比如说垂直轴风力发电机,这个风车最大特点是可以利用各个方向的风,当风速达到3 m/s时便可发电。而传统风力发电机要求风速≥6 m/s时才能发电。这意味着,我们的利用效率至少将增加1倍。此外,这种静音设计的风机组,还能适用于住宅密集区。这一切,都要归功于科技不断的进步和提高。

因为政府的优惠政策,风力发电事业收获了新动力。例如,国家计委早在1996年就提出了“乘风计划”,而科技部也在1999年1月发出文件支持和鼓励可再生能源技术的发展。我们相信,风能将成为我们展翅飞翔的翅膀,为我们美丽中国的未来带来更多光明。一缕清风,一轮风轮,我们期待着一种新能源的到来,它能否打破传统能源的桎梏,很大程度上取决于它的成本和市场竞争力。据统计,目前我国风力发电的成本为0.42~0.72元/kWh,尚无法与火力发电的竞争相媲美。但是,如果我们从生态价值的角度出发,加以计算和考虑,我们会发现燃煤发电的市场价格与成本不断攀升,其中包括煤矿开采、碳排放等生态成本。此外,我们国家的能源分布和使用面临“西产东耗,西电东送”的局面,这不仅浪费了东南沿海丰富的风能资源,还需要大量的电力输送和设备投资。与内陆地区相比,我国广大的沿海地区拥有更加丰富的风能储备。在海洋环境下,风更加稳定,更少衍流和剪切力,因此可以设计和安装较为廉价且寿命更长的风力滑轮发电机组。使用风力发电,不仅可以解决我们的能源短缺问题,也可以实现更加清洁、低碳、可持续的发展道路。碧海蓝天,一缕阳光,海盐映出了我们的日常生活,食盐是人们生活中必不可少的物质。目前,制盐技术主要有盐田法、蒸馏法、电渗析法、冷冻法制盐、真空法制盐等。制盐的关键在于去除多余的水分,使之浓缩。海水制盐是最优秀的生产方式之一,不仅原料充沛而且中国沿海还拥有广阔的适宜建立盐场的滩涂。

盐田法是一种有效节省能源的生产方式,工艺简单,因此在我国被广泛地采用。中国有着广阔的海岸线,在节约燃料、提高生产效率方面具有巨大的优势。因此,我国是海盐产量最高、盐田面积最大的国家,年产量达到1500万吨左右,占全国原盐产量的70%和世界总量的30%(目前海盐的世界总年产量约为5000万吨)。为了节约能源,海盐生产通常需要通过日晒蒸发的方式来去除水分,但是这种方式具有周期长、效率低下的缺陷。如果应用先进的技术,如太阳能或风能来蒸发海水,则更加节约能源,同时还能实现盐业的本地产业化,减少大量的输送设备。这不仅能够为改善我们的生活环境做出贡献,也能够让人们更加自然地释放出心灵的压力。碧海蓝天,海浪拍打着礁石,用反渗透技术淡化海水,所生产的副产品——海水浓缩液则成为了一种宝贵的资源,能够被用来制作晶莹剔透的海盐。使用此技术淡化后的淡水回收率高达60%~70%,相当于已蒸发掉60%~70%的水分,这就意味着可以缩短海盐生产的约2/3的生产周期或提高约70%的生产效率。这不仅可以有效地缓解海水晒盐场用地的供需矛盾,而且还可以实现清洁生产,满足了我们对环境友好的期望。

膜法是现代海盐生产的一种高效方式,通过反渗透海水淡化产生浓缩液,我们还可以积极开展对海水中化学物质的提取。我们可以从中提取钾、镁、溴、氯、钠、硫酸盐等常见元素,甚至提取锂和氘等元素,这些都是未来海水资源开发的方向之一。这也有助于海水淡化成本的进一步降低。

综上所述,我们将风能发电、海水淡化与淡化后浓缩液晒盐这种生态经济或清洁生产技术构想提出,具有广阔的应用前景。我们在尊重自然的同时,也在践行可持续发展的理念,实现了经济效益和社会效益的双重受益。