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海水淡化技术之方法解析

2019-10-13 作者:移动互联   |   浏览(57)

(文/Tom Murphy)在我看来,本世纪人类面临的最大挑战,就是适应没有充足廉价化石能源的生活。化石燃料已经成为我们社会的血液,而且还被开发出种种奇妙的功用。现在我们对是否能找到性能、价格都合适的替代能源仍在犹豫不决,可新的挑战已经在另一头冒起来了。水就是新世纪的挑战之一。水和能源两者是有密切关系的,这种关系有一个专门的称呼:能量-水联结(Energy-Water Nexus)。下面我们会探讨这个关系的各个方面,包括给用水过程中的能耗、能量生产过程中的耗水量以及海水淡化的能耗。

20世纪60年代初,多级闪蒸海水淡化技术应运而生,现代海水淡化产业也由此步入了快速发展的时代。

为了方便下面的阅读,这里给出一些换算的等式: 一加仑(gal)= 3.785升;1 立方米= 264 加仑;100 立方英尺(hcf)= 2.83 立方米

海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区,但并不局限于该地区。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域,因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。最新资料表明,到2003年止,世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡化厂,其生产能力达到日产淡水3600万吨。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区,淡化水大约养活世界5%的人口。海水淡化,事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题,普遍采用的一种战略选择,其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。

用水过程中的能耗

美国地质勘探局(USGS)每5年会发布一次全美用水评估报告。2005年时的数据是每日4100亿加仑,也就是每人每天1330加仑的用水量(编注:家庭饮用桶装水的体积一般是5加仑[18.9L],1330加仑相当于饮用桶装水266桶)。其中,发电厂冷却用水占了一半。加州的用水有81%是在发电厂和灌溉上,剩下的平均到每人每天的用水是240加仑(相当于48桶水)。

2006年的一份报告指出,加州与水有关的能量总消耗为每年520亿千瓦时。算下来的持续消耗功率是6GW(60亿瓦特),也就是每人平均消耗160瓦特。这可不是什么小数目。在这520亿千瓦时中,有320亿千瓦时是最终用户消耗的,用于水的加热、冷却、移动、过滤或加压。剩下的另200亿千瓦时则是用于将水抽送到全加州各地,包括山地地区。这笔能量消耗就占了整个加州用电需求的8%!

让我们假想一下,如果将520亿千瓦时的能量注入到加州全年用水(4000万英亩英尺的水,约合493亿立方米)里头,能够把这些水加热到什么程度呢?答案是:大约增温1°C。没多少吧。但这也说明了,我们因为冲澡而加热40°C的水和因为煮意面而加热80°C的水比起其余的水是多么的有价值。

我们再来探讨能量消耗和用水体积的另一种关系:加州的每用1加仑水要消耗0.004千瓦时的能量,所以它的“能量价格”是0.004千瓦时。如果只算抽水送水的“能量价格”则是0.0015千瓦时。也就是说每一百立方英尺的水需要耗费1千瓦时来输送。

反渗透法:

能量生产过程中的耗水量

水和能量的关系还有另一个层面。发电厂需要用水来散发多余的热量,它们的用水量比美国任何其他的用水单位,甚至农业用水,都要多得多。根据美国国家环境保护局(EPA)的说法,输送每1千瓦时的能量需要用到25加仑的水。其中的大部分都会流回取水源(据我计算温度大概增加了17°C)或者在封闭系统中循环使用,但是平均有2加仑水将会损失掉。

水力发电是水和能量的另一个明显交汇点。干旱的时候,政府可能常常会遇到这样的问题:水库里的水应该用来供水,还是用来发电呢?有趣的是,根据迈克尔•韦伯(Michael Webber)的估算,水力发电时每产生1千瓦时的能量需要消耗18加仑的水。这是因为水在垂直落下提供发电动力的时候会比在正常的河流里蒸发得更快。所以,水力发电消耗的水量要比热力发电厂消耗的多得多。

生产和加工化石能源产品的时候,也需要用到水。生产单位体积的汽油需要的数倍体积的水,不过以每加仑汽油相当于36.6千瓦时的能量来计算,生产出每千瓦时的能量所消耗的水量还是很少的。因此比起使用汽油的车子,电动力车其实才更加消耗水资源。毕竟生产每1千瓦时的电力需要数加仑的水。以含油沙来说,从中每提炼1加仑汽油需要消耗5加仑水,算上精炼的话还要更多。从油页岩提取石油所需的水量也差不多,不过在美国,油页岩主要产于水资源稀缺的干旱地区。

以“水力压裂法”获取天然气的耗水量是10升每吉焦(GJ,10的9次方焦耳)。能够产生和1加仑汽油同等能量的天然气,只需要消耗差不多1升的水,这比利用含油沙和油页岩生产汽油所需的水都要少。也许是因为天然气是气体,可以自己往上飘,不用耗费太多水力抽出来吧:水只要用来制造裂缝就好。不过,天然气和水之间还有另外的关系,就是地下水的污染问题。压力会导致天然气渗入本来可饮用的地下水,造成严重的污染问题,有些住户抱怨他们甚至能点着厨房水龙头里流出来的“水”。

不过,最耗水的能源还是生物燃料能源(biofuels)。生产1加仑的生物燃料大概需要1000加仑的水(根据地区会有不同),换算成之前的单位就是每1千瓦时耗水25加仑。当然,生物燃料耗水的多少还是取决于使用人工灌溉还是依靠自然降水。我认为提炼处理生物燃料的过程所耗的水量应该和提炼处理汽油差不多,所以不应该在总耗水量中占多少比重。

通常又称超过滤法,是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开的。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。因此,从1974年起,美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。

海水淡化的能耗

水与能量之间的另一个联系是水的淡化处理问题。《纽约时报》最近公布了在圣地亚哥北部地区建造海水淡化设施的计划。淡化设施建成后,每天可以提供5000万加仑的水,到2020年可以满足本地需求的7%。建造费用大约是10亿美元。均摊下来,就是说每天增加1加仑水的转换费用为20美元。预计的开销是4.8美元每百立方英尺,这个价格比现在个人用户交的水价要高。但我想要讲的可不是价格的问题,没有了美妙的化石能源,我们将来要面对的很可能会是许多更加昂贵的选项。

从能量的角度来看,最直接的海水淡化方法是蒸馏法:将水蒸发后,收集水蒸汽冷凝得到的淡水。具体做法是将咸水(或任何潮湿的东西)放在底部和四周不透光的容器里,只在上部以浅色塑料或玻璃掩盖,然后置于阳光下。容器内部会变热,导致水分蒸发,并在温度较低的塑料/玻璃掩板上凝结。可以将掩板形状设为朝两侧倾斜,以便于收集冷凝的淡水。

每克(毫升)水在蒸发的时候会吸收2257焦耳的能量。这是一份不小的能量,1克水加热1°C只吸收4.18焦耳——所以想煮干一锅沸水是很耗时间的,以这种方式蒸馏出一加仑水需要花的能量是2.4千瓦时,也就是每立方米633千瓦时! 在认真动手计算以前,我总梦想着可以将海水引导入一个封顶的狭长沟槽里,然后就可以得到新鲜的蒸馏冷凝水。这样技术含量低,又可以利用太阳能,多棒!乐观地估计,这种方法能够利用到50%的入射到集热沟槽中的光能,假设每平方米能够接到5千瓦时/日的入射能量,那么每日就可以产出1加仑水。这样如果要产出全加州需水量的10%,需要的沟槽面积是3600平方千米(※此处已修改),直观一点说,就是沿加州全海岸线的2.5公里宽的带状地域的面积。好吧,这是无法实现的,我杯具了。

不过现实中有更好的办法。比如说,发电厂(包括核电厂)的高温废水可以用作蒸馏的补充热源(热电联产的一种模式)。同时在大多数减压设备里,只要将压强降到大气压强的1/40左右(大约20托),水就能在室温下沸腾蒸发了。这种方案下,得到1000升(1立方米)水只需要34千瓦时的能量,比起直接加热633千瓦时的耗能,减压法可是省多了。

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图片:gasqk.com

大部分海水淡化厂使用的是一种叫做多级闪蒸的方法,不仅用到多个低压室,而且水蒸汽会回流过新入海水旁边,利用冷凝释放的热量为新入海水加热,以提高能量使用效率。这样的设备比单纯用减压室更加节省热能,最后能达到每立方米18-25千瓦时的能耗,比起直接加热就更是大大的节约了。此外还有一招叫逆渗透法(reverse osmosis,简称RO)。一般来说,将淡水和咸水用只允许水分子通过的半透膜隔开,水分子会从淡水一侧流向咸水一侧,直到两边张压相等,这就是自然渗透。但如果在盐水一侧施加压力,可以迫使水分子从咸水一侧流向淡水一侧,就是逆渗透法。典型的逆渗透装置可以达到每立方米5-7千瓦时的热能消耗,不过渗透方法需要用到电能,假设使用热力发电,反渗透法生产出1立方米的淡水的总耗能是17千瓦时。所以说,最为常用的几种淡化海水方法在热能消耗上其实并没有太大的差别。不过RO法因使用的海水需要经过预处理和过滤,以及使用半透膜等等,可能会显得比较麻烦。然而,如果RO使用的电能是通过非热能的方式产生的(比如风力发电、太阳能发电或水力发电等等),那么RO在热能消耗这一点上就稳赢其它方法。

通过以上的介绍,各位对海水淡化已经有了大概的了解。那么如果加州要用海水淡化的方式来获得一部分的供水,从能量消耗的角度上来看意味着什么呢?以下我会用每立方米20千瓦时来估计海水淡化的能耗。

圣地亚哥市计划要用一座日产淡水5000万加仑的淡化厂来提供其日需水量的7%,这等于要消耗平均1.6亿瓦特的功率。该地区总的用电功率是23亿瓦特,所以淡化海水的功率可不算小了。而如果想完全用海水淡化来供水的话,需要消耗的平均热功率也是23亿瓦特,这意味着圣地亚哥地区的总能耗会大幅增加。具体到价钱上,预计每百立方英尺水4.80元的价格中,有大约一半是能耗成本,假设水费一直不变,要15年才能返还海水淡化厂的建造成本。

再来看看整个加州范围的情况。圣地亚哥并不是加州的农业重镇,所以如果考虑到全加州、乃至全美国范围的粮食供应问题,供水难的问题就更加凸显了。加州每日的需水量是460亿加仑。如果要用海水淡化技术来供应其中的25%,就需要等价于360亿瓦的热功率。加州实际的电功率是300亿瓦,美国总的电力预算是2620亿瓦(热当量,包括石油、天然气、燃煤、水能、核能等,数据来自美国能源信息管理局)。仅仅满足我们25%的水需求就得消耗如此大量的能量!

这个问题可以用另外一个角度来看:我们来算算,如果把现在全美国用来抽水的能量都用来给加州的海水淡化工厂使用,那么它们能提供加州需水量的百分之几。全国每年用来抽水输水的电能是200亿千瓦时,也就是平均65亿瓦的功率。这么多的热功率提供给海水淡化工厂,可以满足全加州需水量的4.5%。我们现在用全部电力的8%,满足了全国100%的需水量,可用在海水淡化上,就只能达到加州水需求的4.5%:我们现在可以感受到海水淡化有多扯了。

反渗透海水淡化技术发展很快,工程造价和运行成本持续降低,主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力,提高反渗透系统回收率,廉价高效预处理技术,增强系统抗污染能力等。

能量与水:新的难题?

看了以上那么多,各位也许会很惊讶——没错,这个世界比我们想象中的还要错综复杂。水和能量之联系的重要性不仅止于学术研究的意义,水对于我们的实际生活是必不可少的,而能量则是我们社会发展的基石。这两者之间有着千丝万缕的联系,如果两者之一出现了不足,可能会导致两者都产生短缺的情况。在这个人口压力越来越大、气候变化影响越来越大的世界,水和能量的紧密关系似乎成为了一个麻烦的问题。

面对这种情况,我们应当时常反省一下,自己每天使用这么多的电、水以及其他各种资源是不是必须的。经济学家告诉我们,无形的大手会发挥应有的作用,将价格节节拔高。作为应对,人们自然也就会大量节约能源。我坚信,必要的时候,即便圣地亚哥的供水大幅减少,也不会有什么大问题。只要有60平方英尺的屋顶,就能在一年中平均每天收集到一加仑的雨水(每1.4平方米每天可以收集到1升)。换句话说,就算是圣地亚哥的近百万人口,凭着雨水也不至于渴死。所以,缺水导致的唯一重要后果,就是我们习以为常的生活方式需要改变了。

不过,我们的社会似乎也只有在被经济学定律逼迫的时候,才会开始应对这个问题。而到那时,我们已经损失了用来准备和适应的宝贵时间。我们总要等到证实问题确实存在了,才开始匆匆改变。在我看来,这可不是最好的方法。很讽刺的是,所谓的“保守派”人士却是最反对“保守”自然的资源或以保守谨慎的方式对待未来的发展。他们总认为,发展才是硬道理。也许在思考问题的逻辑上,我与他们最关键的矛盾,就在于发展到底是解决了问题(比如负债、饥饿、失业等)还是创造了问题。我们也许会看到,所谓的“发展解决问题”的看法会慢慢演变到“发展才是问题”上。我觉得大众的态度已经在向这个方向转变了。

编译自: Do the Math The Energy-Water Nexus
题图来源: tridentinnovation.in

多级闪蒸:

所谓闪蒸,是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下,部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水,依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发,将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大,技术最成熟,运行安全性高弹性大,主要与火电站联合建设,适合于大型和超大型淡化装置,主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠,主要发展趋势为提高装置单机造水能力,降低单位电力消耗,提高传热效率等。

露点蒸发法:

露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理,同时回收冷凝去湿的热量,传热效率受混合气侧的传热控制。

水电联产:水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本,水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力,从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的,这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。

热膜联产:热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式(即MED-RO或MSF-RO方式),满足不同用水需求,降低海水淡化成本。目前,世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂,日产海水淡化水量为45.4万立方米,其中,MSF日产水28.4万立方米,RO日产水17万立方米。其优点是:投资成本低,可共用海水取水口。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。

此外,以上方法的其他组合也日益受到重视。在实际选用中,究竟哪种方法最好,也不是绝对的,要根据规模大小、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。

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