海水淡化+風能發電+海鹽生產一種三位一體的清潔生產技術構想

http://www.dcyhziu.cn 2007/6/18 源自:中華職工學習網　【字體：

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1序言

　　就全球經濟發展戰略而言，21世紀是可持續發展戰略行將貫徹落實的時代。中國在實施可持續發展戰略中，水的可持續利用問題日益突出。換句話說，水已經成為制約我國經濟和社會發展的重要因素。因此，水的問題引起了政府部門、社會各界的高度重視。各行各業圍繞水的發展戰略、管理體制、技術路線、市場開發等已開始全方位深入研究。

　　世紀之初，中國行將實施的新水價機制正向著市場經濟方向邁進，說明水經濟時代將在21世紀的中國成為熱點。這意味著水經濟的背后蘊藏著水管理體制的巨大改革和對一些技術應用限制的突破。面對新的機遇和挑戰，仁者見仁，智者見智。本文結合可持續發展中全球普遍倡導的生態經濟特點，提出一種將水業、能源、鹽業三個業已成熟的行業有機結合而形成的一種三位一體的清潔生產技術構想。技術擬應用的范圍主要涉及沿海與海島區域，同時也適用于苦咸水地區。

　　2三位一體的清潔生產技術構想

　　到2025年，全世界將有近1/3的人口面臨缺水問題，波及的國家和地區多達40多個。目前我國617個城市中，有300個城市缺水，其中110個城市嚴重缺水。沿海地區也不例外，水已經成為這些地區經濟發展的瓶頸。按國際慣例，一個國家用水量達到水資源可利用量的20％便會產生水危機，而到本世紀中葉，我國總用水量將增至8000多億m3，占我國可利用水資源的28％。因此，對我國來說，淡水資源問題的確是到了迫在眉睫、非解決不可的地步。

　　我國海岸線的總長為32 647公里，當屬海洋大國，向海洋要水，開發利用海水資源，進行海水淡化不失為一種解決沿海地區與海島區域淡水緊缺的有效戰略途徑。當今，發展海水淡化技術，向大海要淡水業已經成為世界各國的共識。

　　海水淡化，亦稱海水脫鹽，一般是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。無論是反滲透還是蒸餾法最主要的運行管理費用表現為電耗。化石燃料（如，煤）發電所提供的能量非清潔能源，即使再便宜也存在著發電過程排放CO2，從而污染大氣的問題。事實上，沿海和海島區域蘊藏著豐富的風力資源，風力發電無疑是一種被全球普遍看好的可持續清潔能源。所以，就近利用風電進行海水淡化不失一種理想的技術組合。海水淡化以目前使用較多的反滲透技術而言，淡水產水率約為處理海水量的2/3，而余下的1/3則形成含鹽量極高的所謂“濃縮液”。一般而言，濃縮液通常被作為副產品或“廢棄物”而排回大海。如果濃縮液被當作海鹽生產的原料，這無形中等于減少了2/3的海水蒸發量，即，縮短了2/3的曬鹽時間進程。因此，將風能發電、海水淡化、海鹽生產這三個業已成熟的技術有機結合則可能會產生一個完全沒有廢棄物與污染物、且完全符合生態經濟學原理的新興產業。這種三位一體的清潔生產技術構想可用圖1來表述。

　　3海水淡化現狀與未來

　　海水淡化技術主要有蒸發法，膜法（反滲透、電滲析）和冷凍法。與蒸發相比，膜法淡化海水具有投資省、能耗低（7 kW×h/m3，而蒸發法為65 kW×h/m3）[1]，占地少、建設周期短、操作簡便、易于自控、啟動迅速等優點。膜法主要指反滲透（RO）技術，它利用半透膜，在壓力下允許水透過而使鹽分和雜質被截留的技術。因此，膜法，特別是以反滲透（RO）技術為主的膜技術，自30年前進入海水淡化技術市場以來，其工程應用一直呈上升趨勢。以亞洲地區的日本為例，目前全日本已安裝的海水淡化裝置總生產能力為1.09´106 m3淡水/日,其中，反滲透裝置生產能力便占了90%。近年來，日本每年平均以新建一座生產能力為50,000-60,000 m3淡水/日的速度發展反滲透海水淡化技術[2]。日本現有187座用于海島飲用水的反滲透海水淡化裝置，總生產能力為123 ,000 m3淡水/日。到目前為止，于1996-1997年間建成的一座最大的反滲透海水淡化工廠處理能力為40 000 m3淡水/日。預計到2005年底，一座正在建設中有著更大生產能力（50,000 m3淡水/日）的反滲透海水淡化工廠將投入運行。

　　海水淡化是當今世界競相研究與應用的高新技術，除上述提及的亞洲日本外，北美的美國，歐洲的英國、西班牙、法國等國，以及中東的以色列等國的反滲透技術也已經相當發達，并且相繼形成了海水淡化產業。目前，英國的反滲透技術正以8-10%的年增長速度快速發展[3]。在英國，因為膜技術在水處理行業的廣泛應用，已出現許多專門從事膜清洗的專業性公司。英國一家膜清洗公司從他們飛速發展的業務中預測，再經過50年的時間，今后人類所有的飲用水恐怕都要經過膜處理后才能飲用[3]。這不僅僅是因為膜能夠截留像鹽分這樣的化學物質，而且它也能截留病原菌與病毒。

　　相形之下，我國的海水淡化技術雖研究始于上世紀的50年代，經過近半個世紀的發展也有了長足進展和一些經驗，但由于國人對反滲透等淡化技術應用的認識僅停留在過高的生產成本上，所以，目前以反滲透為主的海水淡化技術在國內還沒有形成大規模應用的局面。

　　能耗是決定反滲透海水淡化技術生產成本的關鍵。然而，反滲透的能量消耗已比傳統蒸發法低若干倍（如上所述）。如果考慮將反滲透膜料液側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，從而使反滲透脫鹽的能量消耗節省35%左右。雖然反滲透海水淡化的綜合成本估計為5--10元/m3淡水[4],但與專家目前估計的“南水北調”5-20元/m3的綜合成本相比較，反滲透海水淡化技術的優勢在經濟上初露端倪。況且，此處述及的反滲透海水淡化是與風能、產鹽綜合為一體的生態經濟或清潔生產技術。事實上，美國有資料認為，遠程調水超過40公里，成本將超過海水淡化[4]。

　　綜上所述，可以看到海水淡化具有廣闊的應用前景。我們還應該看到，在海水淡化綜合成本逐漸下降的同時也應注意到海水淡化所需的動力消耗主要來源于化石燃料，如，煤，石油。換句話說，傳統海水淡化技術正在用一種不可再生的非清潔能源來換取另一種資源的使用。顯然，現在的工業化經濟模式已不能維持經濟的進步。當我們目光短淺的為保持現行經濟模式而努力的時候，我們正在耗盡地球的有限資源，同時也污染著生存的環境。可以說，目前經濟繁榮的同時也暗示著現行經濟發展模式的長遠前景是生態赤字[5]。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域水資源匱乏的一項行之有效的技術措施。

　　4風能——潛在的清潔能源

　　上述分析得知，未來我們將需要海水淡化，我們更需要為海水淡化提供清潔能源。那么，在沿海與海島區域蘊藏著巨大的風能便是一種潛在的清潔能源。

　　4.1世界風力發電的現狀

　　現代風能工業于20世紀80年代初在加利福尼亞誕生。到了90年代對環境保護的要求日益嚴格，特別是要兌現減少排放CO2等溫室氣體的承諾，風電的發展進一步受到鼓勵。1999年10月5日，歐洲風能協會的一項國際能源研究報告指出，到2020年，風能可提供世界電力需求的10％，并為此創造170萬個就業機會，同時在全球范圍減少100多億噸CO2廢氣排放[5]。風電技術經過20年的開發日臻成熟，商業化風電價格已經下降了80％，風電成本已從20美分/kW×h持續下降到3美分/kW×h[6]。

　　全球風電發展在近十年有極快速的進展，每年以近40％的速度增長。根據歐洲風能協會的統計，2002年全球新增風電裝機容量為686.8萬kW，從而使世界累計風電裝機容量超過3100萬kW[7]。其中以德國與丹麥最為突出。丹麥是開發風電最早的國家且在風電機組技術和生產方面仍處于領先地位；德國風電裝機總量8753 Mw[8]，居世界第一。歐盟風電發展規劃目標是2010年要達到40 Gw，2020年達到100 Gw，屆時風電的比例將超過10%[6]。亞洲的風電到2002年初，裝機總容量已達到2220 Mw,占世界風電裝機總容量的9.1％。

　　4.2我國風力資源

　　圖2 日本新近研發的垂直軸風車

　　我國幅員遼闊，風能資源較為豐富。根據全國氣象臺部分風能資料的統計和計算，中國風能分區及占全國面積的百分比見表1[6]。

　　據中國氣象科學研究院估算，全國風功率密度為100 W/m2，風能資源總儲量約3226 Gw，可開發和利用的陸地上風能儲量有253 Gw (依據陸地上離地10 m高度資料計算)；每年風速在3 m/s以上的時間近4000 h左右，一些地區年平均風速可達7 m/s以上，具有很大的開發利用價值[6]。

　　據最新科技報道[9]，日本已開發出垂直軸風車，（見圖2）。該風車最大特點是可以利用各個方向的風，在風速達到3 m/s時即可發電。這樣一來，風速需達≥6 m/s時才適合經濟發電的傳統認識便受到挑戰。換句話說，這種新型風力發電機的問世會使得我國可利用的風力發電資源至少增加1倍。該風電機組由于采用靜音設計，所以也適合于住宅密集區。可見，隨著科技的不斷進步，人類利用風能的能力將不斷加強。

　　表1 中國風能分區及占全國面積的百分比

指標　　豐富區　　較豐富區　　可利用區　　貧乏區

年有效風能密度(W/m2) >200 200～150 <150～50 <50

年≥3 m/s累計小時數(h) >5000 5000～4000 <4000～2000 <2000

年≥6 m/s累計小時數(h) >2200 2200～1500 <1500～350 <350

占全國面積的百分比(%) 8 18 50 24

　　4.3我國風電發遠景規劃

　　我國并網型風力發電機組逐漸發展起來，到2001年底裝機容量為399.9 Mw。 “十五”期間，風力發電發展重點是:一是新建設100 Mw風電場約3～5座(包括海上風電場),并取得規模效益；二是鼓勵有風能資源但還未建設一座風電場地區的電力企業或非電力企業開發風電項目[10]。預計21世紀將是我國風能大發展時期，風力發電總裝機目標：2005年達到全國電力工業總裝機容量的0.5％，即1500 Mw左右。2010年爭取達到3000 Mw。有些部門預測以2000 Mw為目標值，按現在1.05萬元/kW的設備價值計算，風力發電新的設備產值將是210億人民幣[11]。

　　4.4有關風電的政策扶持

　　我國政府近年來對風力發電事業，提供的一系列優惠政策，為中國的風力發電發展提供著的新動力。如國家計委于1996年提出“乘風計劃”。支持風電立項，協調各方關系，并積極著手制訂風電發展優惠政策，力圖解決風電并網、風電電價、設備進口關稅和增值稅問題；國家計委和科技部于1999年1月以“計基礎[1999]44號”文發出《關于進一步支持可再生能源發展有關問題的通知》。文件規定對于銀行安排基本建設貸款的項目給予2％的財政貼息 [6]；國家經貿委與財政部、國家稅務總局協調后，2002年經國務院批準，決定給予風力發電減半征收增值稅的優惠（即由17％降至8.5％）（2002年4月29日《北京日報》）。

　　4.5對于風電產業可持續發展的一些思索

　　一種新能源的出現能否打破原有的能源框架的束縛，這在很大程度上取決于該種能源的市場競爭能力，即生產成本。據統計，“我國目前風力發電的成本為0.42～0.72元／kW×h[11]，在沒有優惠政策及補貼的前提下，尚無法與火力發電競爭。”但這里需要特別指出的是我們在計算一種能源的綜合成本時主要運用的是經濟方法而忽略了它在生態方面的價值。如將風力發電和燃煤發電加以比較。風力發電的成本，反映了渦輪機的制造、安裝和維修以及向用戶的電力輸送。燃燒煤炭發電的成本，包括建造發電廠、開采煤炭、運輸煤炭到發電廠和向用戶輸送電力。這里沒有包括的成本是，燃燒煤炭所排放的CO2對氣候的破壞——無論是破壞性更大的風暴、冰蓋的融化、海平面的上升，或者是創紀錄的熱浪。這個成本計算也沒有酸雨對淡水湖和森林的破壞，或者由于空氣污染引起呼吸系統疾病的醫療費用。因此，燃煤發電廠的市場價格，大大低估了它們的成本。

　　另外我國能源分布狀況和能源使用狀況的特點是：能源和電力資源多分布在中西部，而能源消耗和使用多分布在東南沿海和中部，這樣就造成了大量的電力輸送和電力輸送設備的建設投資和運行，而東南沿海豐富的風力資源卻沒有很好的利用來進行風力發電。我國廣大的沿海地區儲有極其豐富的風能，其穩定性和風速遠高于陸地。在海洋環境中，風更穩定，更少紊流，也更少剪切力的風，因而可設計安裝較便宜而壽命更長的風力滑輪發電機組[12]。使用風力發電不但可以解決能源短缺的問題，既可以節省大量的輸送設備，又可以實現能源生產的本地產業化。

　　5曬鹽——傳統海鹽生產方式

　　食鹽是人的日常生活中不可缺少的物質。目前制鹽的技術主要有鹽田法，蒸餾法、電滲析法或冷凍法制鹽，還有真空法制鹽。就其本質來說制鹽的關鍵就是要去除過多的水分，使其濃縮。海水制鹽在各種鹽業資源中是最具優勢的生產方式。首先，海鹽的原料是海水，取之不盡，用之不竭，而井、礦、湖鹽資源都是有限資源。其次，中國沿海有廣闊的適合建立鹽場的灘涂，目前共有500多萬畝鹽田。由于鹽田法節約燃料、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量最多的國家，也是鹽田面積最大的國家，年產海鹽1500萬噸左右，約占全國原鹽產量的70%，占世界原鹽總量30%（目前海鹽的世界總年產量約5000萬噸）[13]。

　　海鹽生產為節約能源而通常靠日曬蒸發水分。這樣一來便導致用原海水曬鹽生產周期長、效率低下的缺陷。如果應用反滲透技術淡化海水，一方面能產生我們所需要的主產品——淡水，另一方面還會產生曬鹽所希望的海水濃縮液。以海水淡化后的淡水回收率為60～70％計算，其濃縮液如果被用于曬鹽便相當于已蒸發掉60～70％的水分，也就等于縮短海鹽生產約2/3的生產周期，或提高約70%的生產效率。這樣以來，也可極大地緩解海水曬鹽場用地的供需矛盾。事實上，膜法正是現代海鹽生產的一種高效方式，只不過所強調的主體有所不同而已。

　　除此之外，借助于反滲透海水淡化產生濃縮液的同時，還可以積極開展對海水中化學物質的提取。海水中化學物質提取是有無限前景的新興產業，溶解于海水的3.5％的礦物質是自然界給人類的巨大財富。不少發達國家已在這方面獲取了很大利益。我國對海水化學元素的提取，目前形成規模的有鉀、鎂、溴、氯、鈉、硫酸鹽等[14]。在某種程度上，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能發電、海水淡化與淡化后濃縮液曬鹽這種三位一體的生態經濟或清潔生產技術構想應該具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]許振良編著(2003),膜法水處理技術。化學工業出版社，環境科學與工程出版中心.北京

　　[2]T. Uemura and Y. Kondou (2003), Membranetechnology progress in Japan. Water 21, August 2003,37-39, IWA.

　　[3]L.Stedman (2003), Cleaning: a must for membranes. Water 21, August2003,25-26, IWA.

　　[4]戴廣華，淺談淡水危機的解決方法。工業水處理網絡版. http://www.iwt.ac.cn/pages/wangluoban/6.htm

　　[5]L. R. Brown （2002），Eco-Economy Building anEconomy for the Earth. Earth Policy Institute.

　　[6]武健孟慶和董茜，清潔能源綠色風電－國內外及華北地區風力發電基本情況調研報告http://www.nckm.com/fengb

　　[7]通用電氣公司　 http://www.ge-china.com/pressroom/read.asp?newsid=534

　　[8]歐洲風能協會　 http://www.ewea.org/src/europe.htm

　　[9]日經新聞網http://210.5.4.91/gate/big5/china.nikkeibp.co.jp/china/news/index.html

　　[10]曉冰. 我國確定“十五”風力發電目標.電工技術雜志.2001.3