海水淡化领域新能源的应用.docx
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海水淡化领域新能源的应用
新能源在海水淡化领域的应用
海水淡化是能量密集型产业,使用化石燃料在带来能源的同时也带来巨大的环境隐患,开发利用新能源进行海水淡化具有现实意义。
主要应用:
风能、核能、太阳能、波浪能、潮汐能、液化天然气(LND)、热能、生物质能、海洋温差等。
1.风能海水淡化
海上风资源丰富,具有风速大、相对稳定的特点,风能是海水淡化的重要能源选择。
国际上利用风能进行海水淡化的国家主要有西班牙、希腊、墨西哥、英国、澳大利亚、荷兰等(如表1.1所示)。
据国家气候中心测算,我国陆地上离地面10m高度层风能资源技术可开发量为2.548TW,在一些风能资源丰富,淡水资源匮乏的地区,特别是一些脱离大陆电网的孤岛地区非常具有优越性。
表1.1风能海水淡化示范工程不完全统计
地点
療水
脱盐技术
建成年份
规模/m1*d's
装机容量
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法国LflstourB
海水
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2002
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1.1风能海水淡化技术
风能海水淡化主要有两种形式:
(1)风电海水淡化(分离式);
(2)风力直接驱
动海水淡化(耦合式)。
分离式是先将风能转化为电能,然后再驱动脱盐单元进行海水淡化。
耦合式是将风能转化的机械能直接用于驱动脱盐单元进行海水淡化。
两者都必须采用相关的调节装臵解决风能的波动性问题。
分离式海水淡化的风电
可以并入电网,也可以不并网作为独立能源直接为海水淡化厂供电。
最近,美国
GE公司对这两种供电方式的风电海水淡化厂进行了系统的理论和实体模型研究,表明风力发电并入电网式的海水淡化厂成本更低。
风电的重要特点是其随机性(不连续性),风电并网后,会对电网产生负面影
响。
同样,即使风电不并网而直接为海水淡化厂供电,其淡水产量也不稳定,难以保证城市的稳定可靠供水。
解决方法主要有:
蓄水池法、电池法、抽水蓄能法等,以第一种方法为主。
最近,德国著名风电公司Enercon设计并生产出以反渗透海水淡化技术为基础的新型可变负荷运行的风电海水淡化装臵(工作原理如图1.1所示),成功地解决了因风电不稳定而在独立为海水淡化系统供电上的限制。
其成果和创新主要集
中在两个方面:
一是新型高效的能量回收装臵;二是负载功率和产水量可连续调节。
该项技术显著降低了海水淡化的能耗和成本,同时也大大降低了风电独立海水淡化的难度和技术风险。
该系统已经在挪威Utsira进行了运行测试。
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图1.1德国恩那康公司海水淡化设备工作原理
1.2目前工程应用实例
1.2.1西班牙加那利群岛海水淡化系统(CanaryIsland)
加那利群岛位于非洲西北,大西洋东部,由13个火山岛组成,面积7273km,人口约200万,是著名旅游胜地。
全境属亚热带地中海式气候,年平均降水量为300mm,蒸发量高,海水淡化是岛上日常淡水的主要来源。
从20世纪60年代
以来,全岛共建有采用不同技术的海水淡化厂34座,其中反渗透法30座,蒸馏法3座,电渗析法1座。
截至2001年,最大日淡化能力达331800m3。
21世纪初,在欧盟的资助下,兴建一座独立风电海水淡化厂,对比研究三种不同的海水淡化技术(RO法、压缩蒸汽法和电渗析法)对风电波动性和随机性的适应性问题,表明三种技术都可用于独立风电海水淡化,其中RO在技术和经济上最佳。
RO法共采用八组RO系统,每套RO系统产水能力为25m3/d。
该系统一个重要特点是它不需要柴油发电机、电池、抽水蓄能等常规储能装臵或设备来平衡和消除风电的随机性和波动性的影响,只需配备一定转动惯量的飞轮来抑制风机输出功率的快速波动,系统即可正常运行。
整个独立电网由两台230kw的风机供电,当风速达到启动风速时,风机开始启动,并优先加速飞轮。
同步电机与飞轮一起为独立电网提供基本频率保证。
当电网频率达到52Hz时,若风机输出功率足够大,将启动第一组RO系统;若发电功率仍足以支撑另一组RO系统,则启动下一组RO系统;依次类推,直到所有RO系统都已投入运行。
在系统运行过程中,若风电输出功率过剩,则优先通过加速飞轮蓄能;其次是调整迎风角以降低发电输出功率。
若风电输出功率仍过大,则关闭其中一台或多台风电机组。
当风速降低时,首先通过变桨增加风机输出功率;若输出功率仍偏小,则利用飞轮储能进行弥补。
当飞轮转速低至电网最低频率48Hz时,若风机输出功率仍不能维持已连接RO系统正常运行,则关闭其中一组RO系统;若还不能实现功率平衡,则继续关闭更多组RO系统,直到所有RO系统均已停止运行。
实验结果表明,采用以上运行策略的独立风电RO海水淡化系统在不进行能量回收情况下单位产水耗电量为7.5kWh/m3。
1.2.2挪威阿奇若岛(IslandofUtsira)风力海水淡化系统
挪威Utsira岛风力发电厂可能是目前世界上惟一的独立于电网的大型风力发电系统,建于2004年,由德国恩那康公司设计。
整个系统由四组反渗透膜(RO-Unit)组成,每组产水能力为7.5-15m3/h,系统最大产水能力为1440m3/d。
因系统采用Enercon专门设计的能量回收装臵,产水耗电量为2-2.8kWh/m3。
整个系统包括:
⑴Enercon风机;⑵柴油发电机组;(3)主同步装臵;⑷用于控制频率的飞轮蓄能装臵;(5)蓄电池装臵。
柴油发电机组主要用于当风速波动过大或风速过小而供电不足时保证电厂的正常供电。
主同步装臵和飞轮蓄能装
臵则尽可能减少柴油发电机组的启动。
一般主同步装臵和飞轮蓄能装臵可保证系统稳定运行,不需柴油发电机组投入工作。
对于引起风机功率快速波动的阵风,飞轮储能装臵可以起到稳定电网的作用。
蓄电池装臵主要用于平衡长周期的供电用电不匹配。
当用水(或用电)低谷时,多余的电用来为蓄电池装臵充电;而当用水(或用电)高峰时,仅靠风力发电不能满足供电要求蓄电池装臵会自动放电进行功率补充。
除了蓄电池装臵之外,作为试验,Utsira岛风力发电厂还安装了一套
电解槽装臵。
当风电过剩时,富余电力用于电解制氢,用于低风速时段发电。
整个系统比较复杂,由一套能源管理系统进行统一管理。
各部件的运行状态信息会及时传送到远在德国奥尔赤(Aurich)的Enercon公司控制中心,由该中心根据系统运行情况自动对其进行必要的调整和管理。
1.2.3澳大利亚珀斯风能海水淡化厂
珀斯海水淡化厂2006年底竣工,2007年初投入使用,是澳大利亚第一个大规模海水淡化装臵。
日最高产水量14.4万吨,占珀斯市供水总量的17%。
使用可再生能源风能作为能源,成为全球最大的使用清洁能源的海水淡化工厂,为全
球树立了一个新标杆。
工厂依据位于珀斯北部200公里的EmuDowns风力农场的发电量决定其电力需要。
83兆瓦的风力农场包含48台风轮机,每年为风力网贡献272吉瓦时电力,预计每年能为珀斯海水反渗透设备充分补偿180吉瓦时的电力要求。
此外,
用于连续监控设备排放量的仪器会在流量超标的情况下自动关闭工艺流程。
该设
备共有12组一级通道产量为160,000m3/d的海水反渗透机组以及6组最终产品流量为144,000m3/d的BWRO机组,拥有世界上最低的能源消耗率,这部分得益于美国能源回收公司的(ERI)PX压力交换器能量回收装臵的使用。
据悉,PX技术为珀斯海水淡化反渗透设备节约15.6兆瓦的能量。
表1.2珀斯项目实际情况一览表
一级通道的总容量(PX的桩基容量)160,000m3/d(350万加仑)
渗透水容量144,000m3/d(350万加仑)
SWRO设备处理能力
13,500m3/d(350万加仑)
SWRO设备数
12
膜水回收率
43%
SWRO能耗
3
2.32kwh/m3
工厂能耗总量
3.2-3.5kwh/m3
效率
96.7%
SWRO
2.9亿美元
发电
风力农场偏移
1.3风力海水淡化的前景
海水淡化是高耗能产业,海水淡化的远景规划应与能源的远景规划,尤其是海上风力发电规划协调制定。
将风力系统与反渗透系统相结合是目前比较成功的风力海水淡化案例。
海水淡化反渗透膜是海水淡化厂成本的重要组成部分,这方面我国研究和生产水平与国外有很大差距。
国外的经验表明,海水淡化成本与海
水淡化厂规模密切相关。
大规模海水淡化厂(日产水大于10万m3)可显著降低产水成本。
在原理与工艺试验取得成功后,首先在具有1000-10000人的缺乏淡水
水源、依靠柴油发电的海岛建设小型独立风电海水淡化厂。
取得经验后再在沿海
一带建一座具有一定规模的独立风力海水淡化厂。
2.太阳能海水淡化
太阳能海水淡化系统实际上是将太阳能利用装臵和传统海水淡化装臵相结合,用太阳能代替传统能源供给海水淡化装臵所需能量。
比较有前途的结合方式如表2.1所示。
表2.1太阳能海水淡化的方式
JkNKte利用方式
适用水质I
1
淡化力式
光热
海水
冬效
海水
多级闪蒸(MSF)
海亲/苦威亲
直接平板蒸馆
光伏
海水/苦咸水
反渗透
苦咸水
电渗析
由国外已建成、并使用的可再生能源海水淡化项目可见,有相当部分系统使用了太阳能(表2.2所示)。
虽然受自然条件限制较大、初期投资高、经济性仍不够理想,但由于技术成熟、系统可独立运行、不受电力和蒸汽的限制、无污染、可随机组合、适应性强,因此对于电力和蒸汽缺乏的海岛或沙漠地区,太阳能海
水淡化或苦咸水淡化具有竞争力。
表2.2太阳能海水淡化系统
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2002
太阳能海水淡化可以分为直接法和间接法。
直接法是将集能部分和脱盐部分结合,间接法则分开。
间接法主要是蒸馏和反渗透太阳能海水淡化装臵。
蒸馏装臵的关键技术是提高系统能源利用率。
反渗透装臵主要研究为光伏发电海水淡化,关键技术是研发低成本电池材料和解决太阳能供电稳定性。
2.1太阳能海水淡化主要技术
2.1.1槽式太阳能热海水淡化技术
槽式太阳能热系统具有规模大、寿命长、成本低等特点,是目前最成熟的大规模太阳能热利用技术。
近年来,世界许多科研机构都致力于研发直接用水作吸热介质的DSG(DirectStreamGeneration系统,并成功商业化。
2.1.1.1系统结构和基本原理
系统包括两个部分:
槽式太阳能聚光-集热子系统和传统的海水淡化子系统。
槽式太阳能聚光-集热系统是整个太阳能海水淡化的核心部件,包括抛物面反射镜、支架、追踪传动装臵以及直通式真空集热管。
传统的海水淡化子系统包括:
闪蒸分离器、MED或MSF蒸发器、海水预处理系统和浓盐水排放系统。
原理:
海水在集热管内流动、吸热,最后通过节流阀喷出进入闪蒸容器,闪蒸为蒸汽。
不断加入预处理的给水以保持闪蒸容器内的水位,同时过冷水在集热
管内再循环。
为了防止在集热管内沸腾,海水被加压到合适压强,这个压差由循环水泵提供。
通过选择合适的给水速度和海水淡化系统的给气压力,可以大大减
小水泵的耗能
2.1槽式太阳能闪蒸法原理图
2.1.1.2技术分类
1)闪蒸法
加压的海水在集热管中被加热,然后在独立的气室中闪蒸为蒸汽。
海水在集
海水在集热管内直接加热最终产生蒸汽,通过汽水分离装臵得到蒸汽。
这种方法会在集热管内产生汽-水两相流动
传热流体在集热管中循环,海水在另一个不与集热器直接接触的容器内,通过热交换器被加热并产生蒸汽。
直接蒸发法可能有运行稳定性的问题,流动不稳定性会导致受影响管段的流动损耗,甚至造成集热管过热和选择性吸收涂层的永久损坏。
间接蒸发法,系统
的主要缺点在于大部分导热流体难以制取、可燃、易分解等特殊性质。
而闪蒸系统可有效避免上述缺陷,且具有结构简单、运行稳定、效率较高、建造成本低等优点。
因此闪蒸系统适宜作为研究开发对象。
2.1.2光伏海水淡化技术
主要研究领域为光伏技术和RO技术的结合,具有不受有无电源困扰、运行成本低廉、无污染、无燥音等特点。
研究表明,太阳能较之柴油供电海水淡化系统效益明显,成本仅为柴油的29.4%(10年运行费用之比),按太阳能光伏电池使用寿命20年计算,成本仅为柴油的17.6%;按0.5元/升销售淡水,太阳能海水淡化系统的初期投资只需1.5年即可回收。
2.1.2.1大鱼山岛光伏太阳能海水淡化示范工程
2010年6月,在舟山市岱山县大鱼山岛建成一套5m3/d的光伏太阳能海水淡化示范工程,其工艺流程如图2.5所示,分为光伏发电系统、海水预处理、反渗透处理和系统控制四大部分。
太阳能光伏陈列布臵在海水淡化厂房楼顶,利用“光伏效应”将太阳光辐射能转化为直流电能,再通过逆变器将直流电能转换成交流电能,用来供给海水淡
化设备所需电能。
工程取水点位于大鱼山岛南海岸的灰鳖洋海域,通过海水取水
泵将海水(浊度约80-150NTU)泵入水力循环澄清池,经混凝沉淀处理后浊度下降低到5-10NTU,再经电抑菌海水箱灭菌处理,出水经海水增压泵增压(约0.32MPa)后泵入多介质过滤器进一步过滤处理,使其浑浊度降低到1NTU以下,污染指数
<3-5。
经过预处理的海水通过保安滤器后由海水高压泵进一步升压1.5-1.8MPa
左右,再经能量回收装臵增压至海水淡化额定操作压力(约4.5-5.5MPa)后进入反渗透膜组器,透过反渗透膜的淡化水(约30%)收集后从膜堆引出,再经pH调质处理后供给用户使用;其余的反渗透高压浓海水进入能量回收装臵,余压能交换
后排出系统。
2.5光伏太阳能系统工艺流程图
大鱼山岛是一个远离岱山本岛的小海岛,既缺水,又缺电。
缺水季节靠运输,
吨水总成本达30元左右。
如利用柴油发电机供电进行海水淡化,吨水制水成本约16.5元/t左右。
如采用光伏太阳能供电吨水成本约13.0元/t左右,还可依据
《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》,享受财政补助,实际成本约为9元/t左右。
无论从节能环保角度,还是从吨水成本角度考虑,光伏太阳能海水淡化优势明显。
2.1.2.2太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化系统
海水直接进入太阳能集热系统,然后输出到第一级闪蒸室。
避免中间的换热损失,使第一级蒸发温度提高,提高淡水产量。
同时,传统海水蒸馏淡化工艺中多级闪蒸要求负荷稳定,很难适应太阳能作为热源的不稳定条件,为此开发了闪蒸与低温多效相结合的新工艺。
即第一级是闪蒸段,后段为低温多效系统。
闪蒸段连接太阳能直接加热海水系统,低温多效系统解决条件不稳定的问题,使太阳能海水蒸馏淡化系统的总能效提高。
2.6太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化系统流程图
2.2太阳能海水淡化前景
在海水淡化中采用太阳能正变得经济可行。
在美国成本约为1.1美分/千克,
为一般纯净水价格的1/4;据估计,在我国治水价格大约也仅为0.1/千克,适合
我国目前的消费水平。
所以,利用太阳能海水淡化,在化石能源逐渐减少的情况下,是解决淡水资源缺乏的理想措施之一。
国外太阳能海水淡化技术已有发展,过去几十年内,建造了大量的太阳能海水淡化系统,部分仍在运行。
受光热光伏转换效率以及占地等因素的限制,目前太阳能海水淡化只适合没有电、汽,淡水需求量小的岛屿、海洋移动平台等。
采用先进的制造工艺和强化转热传质新技术,使其与太阳能的具体特点结合,达到优势互补,提高太阳能海水淡化装臵的经济性,才能被广大用户接受。
由于传统蒸馏装臵的缺点,单纯太阳能蒸馏技术基本处于停滞的状态,联合太阳能海盐生产、海水淡化、热发电等多目标产业综合系统的研究发展方向良好。
把膜技术和太阳能蒸馏系统结合起来的太阳能蒸馏系统随着膜技术的快速发展将可能成为今后太阳能海水淡化的主要发展方向。
3.核能海水淡化
核能海水淡化涉及三种技术,即核技术、淡化技术以及它们之间的连接技术。
可以是单一目的或水电联产。
涉及主要问题为反应堆的选择、核燃料循环方式、连接方式等方面。
核能海水淡化连接方式主要包括核电站和淡化装臵的连接、供热用核反应堆和淡化装臵的连接、水电联产核反应堆和淡化装臵的连接。
选择核能海水淡化必需考虑该地区的电水需求、核能淡化的经济性、安全性、可靠性和一定的运行弹性,保证产品水不被污染,电力和淡水的稳定供应,不对周围居民和环境产牛影响,同时核能海水淡化工程的建设、管理和运行是一个非常复杂的过程,需考虑各个方面凶素的影响。
3.1国外核电海水淡化项目
国外于20世纪60年代开始核能海水淡化的研究,国际原子能机构对核能海水淡化的研究起了重要的推动作用,日本、韩国、俄罗斯、哈萨克斯坦等对核能海水淡化进行了大量研究。
1973年哈萨克斯坦曾建成核能供热的低温多效海水淡化装臵,淡化能力80X103m3/d,并成功运行26年。
以色列也曾建造了核供热低温多效淡化装臵,淡化规模17.4X03m3/d,由于效率不高和高油价被迫于1983年关闭。
截止1998年,日本共建成10座核能海淡化厂,目前在运行的有8个,分别采用多级闪蒸、低温多效和反渗透工艺,规模从1000-2600m3/d不等。
国外
在该领域具有丰富的设计和运行经验,技术已经相对成熟。
3.2我国首个核能海水淡化项目—辽宁红沿河核电站海水淡化系统
红沿河核电海水淡化系统于2008年开工,2009年7月开始设备安装,2010年4月启动系统调试,是核电站辅助设施中最大的厂房,是我国核电站中首个海水淡化系统,开辟了核电站利用海水淡化技术提供淡水资源的先河。
该系统投用后,每天可提供约10.08kt淡水,满足红沿河核电一期工程4台GW级核电机组生产、生活用水需求。
海水淡化系统是通过预处理(混凝、沉淀、过滤)、反渗透脱盐等技术,将海水转化成符合生产、生活要求的淡水。
试验分析结果表明,该系统一级脱盐率达到99.6%(设计标准为99.3%),二级脱盐率达98.7%(设计标准为97.0%)。
所产淡水的电导率等指标优于当地自来水,完全满足电厂生产、生活需要。
不但大大缓解项目所在地水资源缺乏的状况,也为有效解决沿海核电站淡水资源问题开辟了新路,对后续核电项目建设有积极的参考意义。
辽宁红沿河核电站是东北地区第一座核电站和最大的能源建设项目规划建
设6台GW级压水堆核电机组,目前项目进展顺利。
一期工程4台机组已全面开工建设,是目前全球在建机组最多的核电项目。
3.3核能海水淡化发展前景核能是一种高效、清洁、安全的能源,代表着未来能源的发展方向,而且核能海水淡化在国外具有丰富的设计和运行经验,技术已经成熟。
在淡化规模加大时,相比于传统化石燃料作为能源的海水淡化工程,核能海水淡化的能源优势更加明显。
因此在缺乏淡水资源,同时又缺乏常规能源或常规能源运输不便的沿海地区,核能海水淡化技术具有很好的应用前景。
4.波浪能和潮汐能海水淡化波浪能是海洋表面所具有的动能和势能,是海洋能量中最不稳定的一种能源。
潮汐能是月球和太阳等天体的引力使海洋水位发生潮汐变化而产生的能量。
波浪能和潮汐能的研究重点在发电领域,关于海水淡化的研究不多。
印度建造了波浪能发电反渗透海水淡化装臵,爱尔兰则建造了波浪能转化为液压能驱动反渗透脱盐单元的海水淡化装臵,国内中科院广州能源所进行了波浪能海水淡化的研究。
4.1潮汐能太阳能多效蒸馏海水淡化装臵上海理工大学刘业凤根据潮汐能和太阳能的特点,并基于多效蒸馏技术,提出了一种新型的太阳能多效蒸馏海水淡化装臵。
该装臵利用了降膜蒸发和降膜凝结强化传热技术。
其主要特点是利用潮汐能代替用电力驱动的水泵和真空泵为系统给排水以及抽真空提供动力,从而降低了系统运行成本。
原理如图4.1所示。
给水蓄水池中的给水通过给水管进人冷凝器,再通过喷淋器喷淋在蒸发器的换热管上,蒸发冷凝器内淡化后的浓盐水通过排水管与浓盐水箱相连。
蒸发器、蒸发冷凝器和冷凝器处于同一箱体内并被放臵于高于海洋涨潮后水面约4m处,
给水蓄水池用于在海洋涨潮时蓄积海水,浓盐水池和淡水蓄水池壁足够高,保证
其与外界大气连通且海水在涨潮时不会入内。
从而便可以利用海水在涨潮和退潮的液位差即潮汐能使给水蓄水池与浓盐水蓄水池存在4-6m的液位差Aho
7
_1215
蒸发器蒸发冷凝器俯视剖面图
1•太阳集热器N蒸发器3*蒸发冷凝器4冷凝器9喷淋器
6.淡水连通管工盐水连通管乩给水蓄水池9•淡水池
浓盐水集水池1L给水管12•淡水收集管1玄排水管
14给水调节阀15淡水流量调节阀16.排水调节阀
图4.1装臵运行原理图
4.2核能海水淡化发展前景
调查显示我国波浪能和潮汐能的蕴藏总量分别达到70和110GW。
波浪能、潮汐能海水淡化技术还需进一步完善,距离规模化的应用还有一段距离,但对于波浪能和潮汐能较丰富但淡水资源匮乏的沿海或海岛地区,该技术具有很大的吸引力。
5.液化天然气(LNG)海水淡化
天然气是三大主要能源之一,由于其高效和清洁而被广泛使用。
为了便于远洋运输,天然气开采后通常要经过脱酸、脱水处理,通过低温工艺将其液化转变为LNG,每生产一吨LNG的动力消耗约为850kWh,而LNG在接收站气化成常温气体供给用户的过程中将释放出大量冷能,为830-860kJ/kg。
这部分冷能通常被海水或
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