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广州团队研发国内首套柴油机废热海水淡化系统成功出水

2016-01-28 10:11:41
远水解不了近渴,地球上丰富的海水资源,何时又能一解人类淡水之渴?在位于伶仃洋上的桂山岛上,海水淡化示范项目出水现场,广州中国科学院先进技术研究所的工作人员,仅用2分钟左右就让苦涩的海水变成符合国家饮用水水质标准的淡水。

   海水淡化示范项目位于伶仃洋上的桂山岛上。 受访者供图

远水解不了近渴,地球上丰富的海水资源,何时又能一解人类淡水之渴?在位于伶仃洋上的桂山岛上,海水淡化示范项目出水现场,广州中国科学院先进技术研究所(简称广州先进所)的工作人员,仅用2分钟左右就让苦涩的海水变成符合国家饮用水水质标准的淡水。广州先进所水科学研究中心张凤鸣博士介绍,这次成功出水的海岛水电联产系统,是国内首套使用废热的低温多效蒸馏海水淡化系统。示范系统的运行数据显示,当柴油发电机发电功率在200-800千瓦时,一个小时可以产出淡水1到2.5立方米,这些水足够150人到300人一天的淡水需求了。“我们研发出的利用余热进行海水淡化的新技术,可用于海岛、远洋渔船、海上平台、沿海地区等,可大幅降低海水淡化实际能耗和成本”,虽然没有进行严格的成本核算,但张凤鸣预计说,使用废热发电较之目前常规的海水淡化技术,成本降低至少三分之一。

距离陆地一小时船程

一吨水运送成本需二三十元

现在国内最缺水的地方,除了西北、华北地区,就是靠近大陆线的海岛,如外伶仃岛、东澳岛,都有淡水需求,而且需求量比较大。很多正在开发中的热门海岛更是淡水紧缺,另外对于远洋渔船、科考舰船、海上采油平台来说,淡水也是稀缺的资源。现在技术条件下,他们大多自己用船运水。而在我国南沙岛屿,主要是靠运输解决淡水。对大多海岛来说,船运是一种“烧钱”的奢侈方法。

珠江口碧波万顷的伶仃洋上,如世外桃源般的桂山岛,是万山群岛里开发最完善、居住人口最多的岛屿。桂山岛上2100多常住人口,加上一大批为港珠澳大桥做预制设备的工程人员,其他工程项目的工人,加起来有6000多人。光每天的饮用水,就是一个很大的需求。2013年,广州先进所水科学研究中心张凤鸣博士初到海岛时很不适应,外面售价一元的瓶装水,在岛内最便宜也要3元一瓶。

桂山岛上居民和外来的工人用水,更多是依靠政府修建的小水库,百姓也自己收集雨水,但是质量很难保证。在岛上,尽管水价有政府的补贴,但一吨仍要卖10元钱,较陆地上要贵四五倍,如果遇到干旱不下雨,依靠船运的瓶装水水价就更贵。考察中张凤鸣博士发现,桂山岛距离陆地仅一小时船程,可一吨水的运送成本则需要二三十元运费。

缺淡水,有废热资源

桂山岛被选为示范基地

张凤鸣团队设计的海岛水电联产系统,是国内首套使用废热的低温多效蒸馏海水淡化系统,它包括柴油发电机系统、余热回收系统和海水淡化系统。丰富的废热资源、极度缺乏淡水的海岛,是张凤鸣团队研究新型水电一体化的“示范田”。张凤鸣团队研究的关键创新点,就在于使用的是没有成本的低品位废热,并对海水淡化的工艺、控制和装备进行相应的创新。

“缺乏淡水,急需淡水”,正是张凤鸣博士要找的海岛类型。他带着一份全新的海水淡化示范项目设计方案,想要寻找一个合适的场地,把实验室设想变为现实:将咸涩的海水,变成符合国家饮用水卫生标准的淡水。利用余热进行海水淡化示范项目得到了广东省科技重大科技专项经费支持,为了寻找缺水的海岛,张凤鸣和团队成员走了很多海岛。

在干渴的海岛上,还要寻找到合适的热源。珠海桂山岛被张凤鸣选中作为示范基地,除了因为淡水需求,还因为南方电网的海岛微电网项目正在启动,这为项目提供了合适的热源。现实中,很多海岛不可能通过内陆大电网输电过去,那样成本太高,海岛供电一般都要借助柴油发电机,渔船上也都有柴油机。在寻找废热过程中,张凤鸣将借热的对象选定为柴油发电机。最好的契机还在于,2013年,南方电网在桂山岛刚刚启动了包含3台1000kW的柴油发电机的电厂工程建设,张凤鸣团队开始在柴油机边建配套设备。

日产淡水60吨

水质达到饮用水标准

从2013年开始调研,2014年开始兴建调试,2015年初建完配套设备,已经两年多过去了。张凤鸣断断续续地,在海岛上待了好几个月。岛上利用收集的雨水做生活用水,不过收集的雨水没有经过处理不能直接饮用,喝的都是桶装或瓶装水,终于等到出水的那一天。张凤鸣和闻讯赶来的电厂工人一起,或用杯子,或者用手,分享着来之不易的清洁海水,“没有味道,太干净啦”。

设备运行几天后,出水数据逐渐稳定,广州先进所邀请具有检测资质的中国赛宝实验室(中国赛宝环境评估与监测中心),对柴油机余热低温多效蒸馏海水淡化系统出水进行检测。淡水产量达到60吨每天,海水淡化除盐率在99%以上,出水水质达到国家饮用水卫生标准(GB5749- 2006)。看着一项项“合格”的检测结果,张凤鸣并不意外。在做示范工程之前,广州先进所已经有过多年的技术储备,张凤鸣团队也经过各种实验,就在办公大楼一楼,还摆放着一套利用太阳能进行海水淡化的中试装置。

示范系统的运行数据显示,当柴油发电机发电功率在200-800千瓦时,一个小时可以产出淡水1到2 .5立方米,这些水足够150人到300人一天的淡水需求了。海水淡化装置已经试行了一段时间,但下游出来的淡水怎么使用,张凤鸣团队设计了两部分。首先保证发电厂的人员饮用,但施工期有三四十个员工,之后运行期只需要10余个员工,用水量并不多。另一方面是社会用水,目前正在引入运营企业,在附近修建灌装车间,做成灌装饮用水销售。

数据

2013年10月,时任国家海洋局海岛管理司司长吕彩霞在中国科技论坛上介绍说:“我国大大小小的海岛共有10000多个,由于海岛面积小、蒸发量大、绿化程度低,大多数因缺乏淡水水源而无法居住和开发,有常驻居民的近500个。这其中,除208个海岛靠大陆管线引水、船送饮水和海水淡化外,剩余的270个有居民海岛只能靠天吃水。”“海岛往往也是电力不足的区域,至今仍有50多个海岛靠柴油发电,每天两小时,这也直接影响到海水淡化工程的实施。”吕彩霞说,“深挖岛内地下水或者岛外输入淡水等方式,对离岸较远的海岛,因成本高、能耗大,难以实现。”

科普

海水淡化之法关键在于降成本

现代意义上的海水淡化技术,是在第二次世界大战以后才发展起来的。彼时人类的工农业发展和人口增长进入快速模式,淡水供应日渐紧张,以至于部分沿海城市也严重缺水。水资源危机对海水淡化提出了前所未有的需求。国外尤其是极度缺水的中东地区,海水淡化有大规模的应用。国外许多海岛倚重海水淡化,如西属大加那利岛,美属维尔京群岛和新加坡,再如马尔代夫,200多个有人岛上均有淡化站。

海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法等更高效的淡化技术,先后进入规模化生产阶段,在世界各地得到广泛应用。当前居于主流的是膜技术(包括反渗透、电渗析、电去离子等)和热技术(包括多效蒸馏和多级闪蒸等)。两种方法各有优缺点,但都有高能耗的问题。世界上许多国家都投入巨资,研发海水淡化技术、建立海水淡化工厂。

海水淡化成本过高,一度是企业不感冒的主要绊脚石。目前使用的膜法和热法,最大问题都是“费电、烧钱”。这个技术消耗的主要就是电,另外利用反渗透膜来截留杂质盐分。每隔一段时间,膜就需要清洗甚至更换,电耗和膜的维护更换是该技术高成本的关键难题。热法,简而言之就是蒸馏,如同家庭煲汤一样,常压下水达到100摄氏度蒸发。但海水不行,像煲汤一样进行常规蒸馏,就会出现厚厚的一层垢。工业上淡化海水一般采用负压蒸馏,水不需要100摄氏度,几十摄氏度就蒸发了。海水就不会发生结垢,这成为海水淡化的另一种可靠方法,但同样存在成本高昂的弱点。

目前,我国沿海多个万吨级和10万吨级海水淡化工程相继投产运营。今年1月15日,国家海洋局局长王宏在接受采访时介绍说,“十二五”期间,海水淡化设备国产化率由40%上升到现在的85%左右。“我们研发出的利用余热进行海水淡化的新技术,可用于海岛、远洋渔船、海上平台、沿海地区等,可大幅降低海水淡化实际能耗和成本”,虽然没有进行严格的成本核算,但张凤鸣预计说,使用废热发电较之另外两种技术,成本降低至少三分之一。

“技术原理并不是特别难”,张凤鸣介绍说,难的在于系统控制、工艺优化和装备设计,难的在于和电厂工程建设的协调和海岛的工作环境,一天只有两班船进岛,人员和设备的运输都受到限制,相应的工程费用比内地要高两三倍,运输、人力都很贵。他介绍,针对船上的海水淡化装备研发也正在进行,预计今年下半年将在船上进行示范。

海水淡化的新“水电组合”

柴油发电机的效率一般比较低,只有40%左右能量被有效利用来发电,剩下的60%一般以废热形式排掉。柴油机余热利用节能装置是通过一些换热设备及控制元件,将柴油机缸套冷却水的热量置换到海水淡化系统的热源回路,从而用于加热海水蒸发,实现海水淡化。

深入海边2米的立体潜水泵,持续地抽水进入厂房,普通过滤一下大颗粒杂质,就直接打到多效蒸馏器里面。最后出来两股无色的液体,只不过一半是淡水,一半是更为咸涩的浓海水。浓海水排掉,淡水就临时打到水箱里储存起来。

“我们用低温多效蒸馏,海水首先进入第一效蒸馏器,加热出来的蒸汽进入下一效蒸馏器。由于蒸汽冷凝是一个放热的过程,而海水蒸发需要吸热,这样用蒸汽冷凝放出的热去加热海水蒸发,这样海水一级级去蒸发,相当于把热一级级循环利用起来”,张凤鸣画的示范工程系统图并不复杂:热源是一台柴油发电机的缸套冷却水。热源以热水的方式进入系统,并在负压的环境下使海水蒸发脱盐。蒸汽进入下一效蒸馏器后冷凝成为淡水,冷凝时释放的潜热又用于下一效海水蒸发;这样的过程可进行多次。

海水淡化系统的核心设备为低温多效蒸馏器。安装在桂山岛发电厂内的蒸馏器已经投入使用,能够日产60吨淡水,这套系统是张凤鸣团队设计的4效塔式低温多效蒸馏器,它像一个巨大的钢铁塔箱一样,高耸在柴油发电机旁边。设备整体高4米,加上两米多底架,长宽尺寸为2.5×2.0米,总重约为6吨。主体设备材质为316L不锈钢,换热管采用钛合金管,使用寿命可达15年。“后续我们的系统会做成撬装式,对于空间有限的场合,有块10平方米的地方,就可以放下整套系统”,张凤鸣介绍说,海水淡化系统对于环境的要求并不高。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯 采写:南都记者 陈显玲