海水淡化是能量密集型產(chǎn)業(yè),傳統(tǒng)的海水淡化過程需要燃燒煤炭等化石能源為其提供熱源或動力,在消耗不可再生能源的同時也增加了環(huán)境污染。開發(fā)和利用太陽能、風(fēng)能和核能等新能源進(jìn)行海水淡化具有現(xiàn)實(shí)意義。
太陽能海水淡化:閃蒸工藝可作為蒸餾法的研發(fā)對象
太陽能海水淡化系統(tǒng)實(shí)際上是將太陽能利用裝置和傳統(tǒng)海水淡化裝置相結(jié)合,用太陽能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源供給海水淡化所需能量,太陽能的主要利用方式有光熱和光伏兩種。
太陽能海水淡化可以分為直接法和間接法,直接法是將集能部分和脫鹽部分結(jié)合,而間接法則分開。
直接蒸餾法中,海水在集熱管內(nèi)直接加熱最終產(chǎn)生蒸汽,集熱管內(nèi)產(chǎn)生汽-水兩相流動,不穩(wěn)定的兩相流將增加管段的流動損耗甚至造成集熱管過熱和選擇性吸收涂層永久損壞,因此直接蒸餾法存在流動穩(wěn)定性問題;間接蒸餾法中,導(dǎo)熱流體在集熱管中循環(huán),海水在另一個不與集熱器直接接觸的容器內(nèi)通過熱交換器被加熱并產(chǎn)生蒸汽,這種方法的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱流體難以制取并且導(dǎo)熱流體具有燃燒和分解的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
閃蒸海水淡化也屬于蒸餾法的一種,加壓的海水在集熱管中被加熱,然后在獨(dú)立的氣室中閃蒸為蒸汽,海水在集熱管內(nèi)由于壓力較高保持單相流動,這種以海水直接作為導(dǎo)熱流體且單相流動的方法可有效避免上述問題,因此兼具直接法和間接法優(yōu)點(diǎn)的閃蒸技術(shù)比較適宜作為蒸餾法的研究和開發(fā)對象。
國外太陽能海水淡化技術(shù)發(fā)展已有幾十年,規(guī)模較大的是2002年建成的位于希臘可再生能源中心的130t/h太陽能反滲透海水淡化工程。我國浙江省舟山市岱山縣大魚山島于2010年建成一套5m3/d的光伏太陽能海水淡化示范工程,工程包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、海水預(yù)處理、反滲透處理和系統(tǒng)控制等四大部分,利用“光伏效應(yīng)”將太陽光輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能,再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電為海水淡化設(shè)備供電。
風(fēng)能海水淡化:非并網(wǎng)風(fēng)能反滲透法技術(shù)發(fā)展?jié)摿Υ?/strong>
風(fēng)能海水淡化主要有兩種形式:風(fēng)電海水淡化(分離式)和風(fēng)力直接驅(qū)動海水淡化(耦合式)。分離式是先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,然后再驅(qū)動脫鹽單元進(jìn)行海水淡化;耦合式是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能直接用于驅(qū)動脫鹽單元進(jìn)行海水淡化。
由于風(fēng)能具有間歇性與不可調(diào)度的特點(diǎn),高占比的風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)系統(tǒng)并接后將對電網(wǎng)安全及品質(zhì)造成一定的沖擊,因此海水淡化(含苦咸水淡化)也是有效利用風(fēng)能的又一途徑,但在應(yīng)用中須采用相關(guān)的調(diào)節(jié)裝置解決風(fēng)能波動性問題。風(fēng)能海水淡化特別適合于那些既缺電又缺淡水的脫離大陸電網(wǎng)的孤島。
建于西班牙加那利群島一座獨(dú)立風(fēng)電海水淡化廠,曾對比研究了反滲透法、壓縮蒸汽法和電滲析法對風(fēng)電波動性和隨機(jī)性的適應(yīng)性問題,研究表明反滲透法與風(fēng)能結(jié)合在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最佳。我國正在建設(shè)中的非并網(wǎng)風(fēng)能淡化海水示范項(xiàng)目位于江蘇省大豐港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),設(shè)計(jì)方案是將風(fēng)電直接輸送給反滲透海水淡化裝置,這種方式在減少對電網(wǎng)影響的同時還可提高風(fēng)能利用率,該方案中還包含有海水制氫的產(chǎn)業(yè)延伸計(jì)劃。
核能海水淡化:蒸餾法宜選擇多效蒸餾工藝
核能在海水淡化中的應(yīng)用主要是以核電站或低溫核反應(yīng)堆與海水淡化廠耦合的形式實(shí)現(xiàn)的,可以利用反應(yīng)堆直接產(chǎn)生的蒸汽和核電站汽輪機(jī)抽汽進(jìn)行蒸餾法海水淡化,也可以利用核電機(jī)組供電進(jìn)行膜法海水淡化。
與核電站相比,低溫核供熱反應(yīng)堆不發(fā)電僅供汽,適合與蒸餾法海水淡化耦合??紤]到多效蒸餾工藝中產(chǎn)品淡水側(cè)的壓力大于核反應(yīng)堆產(chǎn)生蒸汽側(cè)的壓力,蒸汽中可能含有的放射性物質(zhì)不容易滲透到產(chǎn)品淡水中,因此蒸餾法核能海水淡化應(yīng)優(yōu)先選擇多效蒸餾工藝。
國外在核能海水淡化領(lǐng)域具有豐富的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),技術(shù)已經(jīng)相對成熟。我國核電站中首個海水淡化系統(tǒng)于2010年在遼寧省大連市紅沿河核電廠投產(chǎn),該系統(tǒng)通過混凝、沉淀、過濾和反滲透脫鹽等技術(shù),每天提供約1萬噸淡水以滿足一期工程4臺GW級核電機(jī)組生產(chǎn)和生活用水需求。