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把咸咸的海水变甜甜的三合一满分污水治理方案来袭

admin

1 月 15, 2024 #能源治理

海水淡化技术在我国经历了漫长的认识、质疑和认可的历程。如今,由于水资源不足和远距离运输的高昂成本,海水淡化技术的优势越来越显著。在中东等严重缺水的地区,大规模实施海水淡化技术,促进了技术的发展和进步,使海水淡化技术的“太昂贵”、“太能耗”之污名不复存在。现在,最先进的海水淡化技术使得1立方米淡水的成本和能耗分别低至2度电/立方米和2元/立方米,远低于南水北调的水资源。事实上,在南水北调项目开始前,我们就提出了沿海、近海(如北京)开展海水淡化的学术倡导,并提出了“风力发电+海水淡化+盐业化工”三合一的生态解决方案,这种方案可以“零排放”。虽然这个方案已有近20年的时间,但它似乎并没有过时,特别是在淡化卤水资源化方面有新的发展方向。卤水制盐只是其中最基础的方法之一,实际上,卤水中还含有稀有元素如锂、氘等。在锂电池市场需求日益增长的情况下,卤水提取锂已经在国内外开始实践。而对于氘这种未来能源需求的基本元素来说,在海水中是主要存在物质,它是核聚变不可或缺的反应物。因此,大多数人都不用担心淡化后产生的卤水处理问题,因为浓缩后的卤水比原始海水更容易提取稀有元素!为此,我在这里回顾一下2006年发表在《节能环保》(10,No. 148,25-28)上的文章——“海水淡化+风能发电+盐业化工:三位一体的清洁生产技术”,与各位分享。

文章亮点

·我国淡水危机迫在眉睫; 反渗透海水淡化技术是解决我国沿海和海岛地区水资源匮乏的有效技术措施之一;

·沿海和海岛地区的风能有着极高的应用价值,并且可以通过风力发电技术为海水淡化提供清洁能源。

·反渗透海水淡化技术的副产品——浓缩海水,可以提高约70%的海水晒盐生产效率;

·风电发电+反渗透海水淡化+浓缩卤水的技术应用可以更好地实现卤水的资源化利用。

在实现“零排放”的清洁生产技术方面,我认为海水晒盐“三位一体”清洁生产技术是一种非常有前途的解决方案。

前言

在可持续发展的背景下,我国水资源的可持续利用问题变得日益突出。水已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。同时,新水价机制的实施和普及也开启了我国水经济时代。水经济背后蕴藏着水管理体制的巨大改革和一些技术应用限制的突破,这将为各行业带来新的机遇和挑战。结合全球普遍倡导的生态经济特点,我认为将水业、能源和盐业这三个已成熟的行业有机结合起来,形成一种三位一体的清洁生产技术,是非常必要的。这种技术主要适用于沿海和海岛地区,同时也适用于苦咸水地区。

01 三位一体的清洁生产技术

面对淡水资源严重匮乏的问题,我认为发展海水淡化技术,向大海要淡水来解决沿海地区和海岛地区淡水紧缺的问题已经成为世界各国的共识。海水淡化技术可以与风能发电技术结合,提供清洁能源,实现清洁生产。而反渗透海水淡化技术的副产品——浓缩海水,可以用于提高海水晒盐生产效率,从而形成海水晒盐“三位一体”的清洁生产技术,实现“零排放”。

脱盐技术是指利用反渗透或蒸馏方式去除海水中的盐分以获得淡水的工艺过程。其中,电耗是最重要的运营管理成本。然而,明显地,使用化石燃料发电以提供能源并不是可持续的方法,还存在环境风险,例如温室气体排放。实际上,沿海和海岛区域拥有丰富的风力资源,因此以就近利用风力发电进行海水淡化是一种理想的技术组合。

此外,使用目前较为普遍的反渗透技术来处理海水时,所得到的淡水产出量约为处理海水总量的2/3,而余下的1/3则会形成高浓度的“浓缩液(卤水)”。如果将这些卤水作为海盐生产原料,则可以减少2/3的海水蒸发量,从而缩短2/3的晒盐时间的过程。因此,将风能发电、海水淡化和海盐生产这三个早已成熟的技术有机结合起来,可形成一个符合生态经济学原理的新兴产业,并且不会产生废弃物和污染物,如图1所示。

海水淡化有三种主要技术:蒸发法、膜法(反渗透、电渗析)和冷冻法。我觉得,与蒸发法相比,膜法淡化海水更具有优点,包括省钱、能源使用少(前者为65千瓦时/立方米,后者为7千瓦时/立方米)、占地少、建设时间较短、操作简单易懂、容易自控和启动迅速等方面。反渗透(RO)技术是目前最常用的一种膜法,它利用半透膜,在压力下允许水透过,同时截留盐分和杂质等物质。因此,在海水淡化应用中,膜法(特别是以RO技术为主的膜技术)被广泛采用。举例来说,日本反渗透设备产能已占海水淡化设备总产能(超过1,090,000立方米/日)的90%,并且每年以5到6万立方米/日的增长速度逐年上升。目前,日本最大的反渗透海水淡化厂的处理能力已经达到了50,000立方米/日。

除了日本,美国、英国、西班牙、法国和以色列等国家的反渗透技术也相当发达,并逐步形成海水淡化产业。尽管我国的海水淡化技术研究起步较晚,但在近年来已经取得了长足进展,相信在未来,我国的海水淡化技术也会迎来飞速发展。海水淡化技术于上世纪50年代就已出现,然而由于国内的生产成本太高,人们对反渗透等淡化技术的应用认知停留在表面,因此目前以反渗透为主的海水淡化技术在国内还未应用于大规模生产。

能源利用是决定反渗透海水淡化技术生产成本的关键。反渗透技术耗能比传统的蒸发法低多少倍,考虑到从反渗透膜料液侧排出的高浓缩液中回收的能量,例如滑轮和离心泵的带动能力,则可以回收其中80%~90%的能量,从而使反渗透脱盐消耗的能量减少约35%。虽然反渗透技术的海水淡化生产成本总体估计为5~10元/立方米,但相较于专家目前估计的“南水北调”项目5~20元/立方米的综合成本,反渗透技术在经济上具有优势。此外,提到的反渗透海水淡化技术还将海水淡化、风能、和盐综合起来,形成一种生态经济或清洁生产技术。实际上,美国的一些资料显示,调水距离超过40公里后,成本将超过海水淡化技术。

综上所述,海水淡化技术有着广阔的应用前景。此外,我们应该抛弃使用非可再生且非清洁的能源作为发电手段的想法,越早使用可持续发展的手段,我们的环境和经济就会变得越加健康。

传统海水淡化技术是为了维持社会经济的可持续发展而采用的,通过海水淡化来获得另一种资源。随着可再生的清洁能源问题解决,反渗透海水淡化技术成为了解决我国沿海与海岛区域水资源匮乏的一项有效措施,我相信这将会受到更多的关注。

除了需要海水淡化之外,我们更需要提供清洁能源来驱动该技术。在沿海与海岛地区,风能可以作为一种潜在的清洁能源提供支持。

20世纪80年代初,现代风能工业在加利福尼亚开始发展,随着对碳减排的需求增加,风电的发展也日益增长。我们现在已经看到了商业化风电价格下降了80%,风电成本从20美分/kWh下降到3美分/kWh。全球的风电发展也在以近40%的速度增长。根据全球风能委员会(GWEC)的《2023全球风能报告》(Global Wind)

根据全球的风能委员会(GWEC)发布的《2023全球风能报告》,到2024年,全球陆上风电的新增装机将首次突破100 GW,到2025年全球的海上风电新增装机也将再创新高,达到25 GW。未来五年,全球的风电新增并网容量将达到680 GW。这样的数据表明,风能作为一种可再生清洁能源的前景依然广阔。

我国幅员辽阔,风能资源相对较为丰富。根据全国气象台局部的风能数据统计和计算,我国的风能资源情况如表1所示。据中国气象科学研究院估算,全国的风能密度为100 W/m2,风能资源的总储量约为3226 GW。可开发和利用的陆地上风能储量有约253 GW(依据陆地上离地10米高度资料计算),每年风速在3m/s以及以上的地区可开发和利用的水平风能储量可达130 GW(依据陆地上离地60米高度资料计算)。这也说明了在我国,风能作为一种清洁的可再生能源拥有广阔的发展前景。

根据气象部门的数据统计,我国风能资源相对较为丰富。在我国的一些地区,年平均风速甚至可以达到7 m/s以上,开发利用风能的价值所在。据统计,一些地区的风能资源密度高达100 W/m2。这意味着在这些地区,我国可以开发和利用253 GW的陆地上风能储量。随着对风力发电技术的不断研究,诸如垂直轴风力发电机等更高效的风力发电形式正在被各国广泛开发和应用。这些新型风力发电机的最大特点便是可以利用各个方向的风,使风能的利用效率大大提高。并且,这些风力发电机在风速达到3 m/s时即可发电(PD: 传统风力发电的风速需求≥6 m/s),这意味着我国可利用的风力发电资源将至少增加1倍。更为重要的是,这些新型风力发电机采用静音设计,所以它们也适合于住宅密集区的应用。随着科技的不断进步,我相信人类利用风能的能力将会不断增强。我国的风力发电行业正在不断发展壮大。到2001年底,我国的并网型风力发电机组装机容量已经达到了399.9 MW。在“十五”期间,政府鼓励发展风力发电厂,可预计21世纪将是我国风能大发展时期,风力发电总装机目标为:2005年达到全国电力工业总装机容量的0.5%,即1500 MW左右。到2010年,将争取达到3000 MW的目标。也有部门预测以2000 MW为目标,按现在1.05万元/kW的设备价值计算,风力发电新的设备产值将达到210亿元人民币。为了促进风力发电事业的发展,我国政府近年来出台了一系列优惠政策。1996年,国家计委提出了“乘风计划”,而1999年1月,国家计委和科技部也发出了《关于进一步支持可再生能源产业发展的意见》。这些政策为我国的风力发电行业提供了新的动力。此外,近年来,我国的风电市场逐渐开放,使得外国的风力发电企业也开始在我国市场分享先机。这些政策和市场改革的推动下,我相信我国在风能领域的发展前景正变得越来越广阔。新能源对于解决能源发展问题至关重要。然而,一个新能源要想真正突破传统能源框架的限制,实现可持续发展,还需要具备市场竞争力。根据统计,目前我国的风力发电成本为每千瓦时0.42~0.72元,在没有任何优惠政策和补贴的情况下,还无法与火力发电相竞争。然而,如果我们考虑经济方法之外的生态价值,燃煤发电厂的市场价格及其运营成本也会进一步增加(包含煤矿开采、燃煤碳排放等生态成本)。因此,我们需要更多地考虑到新能源在长期的发展中,这种能源持续发展的生态优势和经济效益。除此之外,我国目前存在着“西产东耗,西电东送”的现象,既造成了大量电力输送和设备建设投资和运行成本,也浪费了东南沿海丰富的风能资源。相比内陆地区,我国广大的沿海地区拥有更高质量的风能资源。在海洋环境中,风更稳定、剪切力更小,也更少受到紊流的干扰,所以可设计出更加便宜和寿命更长的风力滑轮发电机组。因此,使用风力发电不仅可以解决东南沿海地区的用电需求,还对我国的能源结构调整和优化起到了积极的促进作用。总之,我相信只要我们不断努力优化风力发电的技术和经济效益,并且在政府的支持下,我们的风电产业一定可以持续发展,为我国的可持续发展做出积极贡献。能源问题给我们带来了很大的压力,同时也激发了我们积极寻找解决之道的动力。我认为风力发电技术的推广和使用可以非常有效地解决能源输送和储存成本的问题,同时也能实现能源生产的本地产业化,成为可持续发展的一个方向。在传统的盐业生产中,晒盐是一种非常常见的方式。海盐的生产是利用海水中的盐分来提取盐,优势在于可以取之不尽用之不竭,同时我国沿海地区有适宜建盐场的滩涂,是非常具有地域优势的生产方式。目前,我国的海盐产量约为1500万吨,占全国原盐产量的70%和世界原盐总量的30%。然而,晒制海盐的过程需要长时间的日晒蒸发,效率较低。如果将原海水直接晒制成海盐,则需要更多更长的时间,生产效率大大降低。通过创新技术,晒盐可以更加高效地生产。例如,采用太阳能智能控制的盐田系统,利用太阳能进行加热和蒸发,可以缩短生产周期,实现晒盐生产的自动化和智能化。这样的技术创新不仅可以提高效率,也可以更加环保地生产盐,减少能源浪费,同时也可以帮助打造更加智慧和绿色的盐业生态环境。因此,我认为晒盐工艺正处于技术创新的变革时期,我们可以通过深入地发展晒盐技术,让传统的盐业转型升级,实现生产工艺的智能化和节能环保。这既可以解决晒盐生产中的能源问题,也可以为实现我国盐业产业的可持续发展提供新的思路和方法。我认为利用反渗透技术淡化海水,并将海水浓缩液作为晒盐的副产品,是一种非常高效的海盐生产方式。根据海水淡化后的淡水回收率为60%~70%计算,相当于已经蒸发掉了60%~70%的水分,大大缩短了晒盐生产周期,提高了约70%的生产效率。这也能缓解海水晒盐场用地供需矛盾的问题。可以看出,反渗透技术是现代海盐生产的一种高效方式。除此之外,利用反渗透海水淡化产生的浓缩液,还可以积极提取海水中的化学物质,如钾、镁、溴、氯、钠、硫酸盐等。甚至未来可以提取海水中的锂、氘等元素,进一步降低海水淡化的成本。可以看出,这种反渗透技术不仅可以提高晒盐生产效率,还可以将生产过程转变为一种清洁、环保的生态经济方式。因此,我认为风能发电、海水淡化和使用淡化后的浓缩液晒盐,这种三位一体的生态经济或清洁生产技术构想具有广阔的应用前景。将技术创新和环保等因素结合起来,可以帮助我们开发和利用海水资源,并创造更多的社会经济效益。同时,这也是一种可持续发展的路径和方向,可以推动我国盐业产业的转型升级,成为推进经济可持续发展的一个方向。