高效太阳能海水淡化系统可行性研究报告.doc

太阳能海水淡化系统可行性研究报告一、 项目意义淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一。人体的60 是液体，其中主要是水。水对人体健康至关重要，一旦失去体内水分10 ，生理功能即严重紊乱；失去水分20 ，人很快就会死亡。水对其他的生命也是如此，是一切生命之源。水对社会经济而言也不可或缺，农作物无水会枯死，工业生产无水会面临瘫痪。因此，水又是一切文明之源。地球表面积约为51亿平方公里，其中海洋面积就占据了它的708 。海洋的平均深度约为 3800米，所以地球上的总水量约有近14亿立方公里。若从地球上人均占有水量来看，水资源是十分丰富的，人类似乎不应有缺水之虞。然而，由于含盐度太高而不能直接饮用或灌溉的海水占据了地球上总水量的97 以上，仅剩的不到3 的淡水，其分布也极其不均，它的34被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中，其余的从分布上说，地下水也比地表水多得多(多37倍左右)。剩下的存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水已不足 036 。 就人均占有量来说，中国在水资源方面是一个穷国。据测算，我国人均占有水量只居世界的第 108位。我国海岸线长，一些岛屿和沿海盐碱地区以及内陆苦咸水地区均属缺乏淡水的地区。这些地区的人们由于长期饮用不符合卫生标准的水，产生了各种病症，直接影响着他们的身体健康和当地的 经济建设。因此，解决淡水供应不足是我国面临的一个严峻问题。 为了增大淡水的供应，除了采用常规的措施，比如就近引水或跨流域引水之外，一条有利的途径就是就近进行海水或苦咸水的淡化，特别是对于那些用水量分散而且偏远的地区更适宜用此方法。二、 传统方法和市场现状对海水或苦咸水进行淡化的方法很多，但常规的方法，如蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，都要消耗大量的燃料或电力。据报道，截至1990年，全世界已安装的海水淡化装置的产水能力为13，000，000立方米 天。到2000年，这个数字已经翻了一倍。淡化水的迅速增加，就会产生一系列的问题，其中最突出的就是能源的消耗问题。据估计，每天生产13，000，000立方米 的淡化水，每年需要消耗原油13亿吨。即使人们支付得起这笔燃料的费用，但地球的温室效应、空气污染等也告示人们必须谨慎从事。因此，寻求用太阳能来进行海水淡化，必将受到人们的青眯。 从中国国情出发，情况更是如此。我国广大农村、孤岛等地区至今仍普遍缺乏电力，因此在中国能源较紧张的条件下，利用太阳能从海水(苦咸水) 中制取淡水，乃是解决淡水缺乏或供应不足的重要途径之一。所以，利用太阳能进行海水淡化，有广泛的应用前景。 三、 行业背景太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。1、太阳能蒸馏器的历史人类利用太阳能淡化海水，已经有了很长的历史。人类最早有文献记载的太阳能淡化海水的工作，是15世纪由一名阿拉伯炼丹术士实现的。这名炼丹术士使用抛光的大马士革镜进行太阳能蒸馏。世界上第一个大型的太阳能海水淡化装置，是于1874年在智利北部的Las Salinas建造的。它由许多宽114米， 长6l米的盘形蒸馏器组合而成，总面积47000平方米 。在晴天条件下，它每天生产23 万升淡水(49升米 天)。这个系统一直运行了近40年。 人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。早期的太阳能蒸馏器由于水产量低，初期成本高，因而在很长一段时间里受到人们的冷落。第一次世界大战之后，太阳能蒸馏器再次引起了人们极大的兴趣。当时不少新装置被研制出来，比如顶棚式、倾斜幕芯式、倾斜盘式以及充气式太阳能蒸馏器等等，为当时的海上救护以及人民的生活用水解决了很大问题。 太阳能蒸馏器的运行原理是利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程，即产生蒸发与冷凝。运行方式一般可分为直接法和间接法两大类。顾名思义，直接法系统直接利用太阳能在集热器中进行蒸馏，而间接法系统的太阳能集热器与海水蒸馏部分是分离的。但是，近20 多年来， 已有不少学者对直接法和间接法的混合系统进行了深人研究，并根据是否使用其他的太阳能集热器又将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式两大类。 1. 基本信息2. 内容提要2、优点概括太阳能海水淡化系统与现有海水淡化利用项目相比有许多 新特点：（1） 首先是可独立运行不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗，运行安全稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的地区有很大应用价值；（2） 投资相对较少，产水成本低生产规模可有机组合，适应性好，具备淡水供应市场的竞争力。人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点。 人类利用太阳能淡化海水，已经有了很长的历史。人类最早有文献记载的太阳能淡化海水的工作，是15世纪由一名阿拉伯炼丹术士实现的。这名炼丹术士使用抛光的大马士革镜进行太阳能蒸馏。世界上第一个大型的太阳能海水淡化装置，是于1874年在智利北部的Las Salinas建造的。它由许多宽114米， 长6l米的盘形蒸馏器组合而成，总面积47000米 。在晴天条件下，它每天生产23 万升淡水(49升米 天)。这个系统一直运行了近40年。 3、系统介绍（1）被动式太阳能蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。目前，比较理想的盘式太阳能蒸馏器的效率约在35 ，晴好天时，产水量一般在 34kgm 左右。如果在海水中添加浓度为 1725ppm 的黑色萘胺， 蒸馏水产量可以提高约 30 。 （2）主动式太阳能蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的一个严重缺点是工作温度低，产水量不高，也不利于在夜间工作和利用其它余热。为此，人们提出了数十种主动式太阳能蒸馏器的设计方案，并对此进行了大量研究。 在主动式太阳能蒸馏系统中，由于配备有其它的附属设备，使其运行温度得以大幅提高，或使其内部的传热传质过程得以改善。而且，在大部分的主动式太阳能蒸馏系统中，都能主动回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，因而这类系统能够得到比传统的太阳能蒸馏器高一至数倍的产水量。4、国内发展现状中国对太阳能海水淡化技术的研究也有较好的基础，在这方面做过较多工作的有中国科学院广州能源研究所和中国科学技术大学等。还在上世纪 80年代初，广州能源研究所即开展了太阳能海水淡化技术的研究，完成了空气饱和式太阳能蒸馏器的试验研究，并于1982年左右在我国嵊泗岛建造厂一个具有数百平方米太阳能采光面积的大规模的海水淡化装置，成为我国第一个实用的太阳能蒸馏系统。接着，中国科学技术大学也进行了一系列的太阳能蒸馏器的研究，并在理论上进行了探讨。对海水浓度、海水中添加染料及装置的几何尺寸等因素对海水蒸发量的影响进行了实验，给出了有益的结果。 进入上世纪90年代后，天津大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也加入到了太阳能海水淡化技术研究的行列，提出了一系列新颖的太阳能海水淡化装置的实验机型，并对这些机型进行了理论和实验研究。比较有代表意义的有西北工业大学提出的“新型，高效太阳能海水淡化装置”；天津大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器”；中国科学技术大学提出的“降膜蒸发气流吸附太阳能蒸馏器”等等，使太阳能海水淡化技术有了较大进步。 进入本世纪之后，太阳能海水淡化技术进一步成熟。其中西安交通大学、北京理工大学等提出了 “横管降膜蒸发多效回热的太阳能海水淡化系统”，试制出了多个原理样机，并对样机进行实验测试和理论研究。清华大学等单位在借鉴国外先进经验的基础上，对多级闪蒸技术在太阳能海水淡化领域的应用进行了探索，试制出了样机，并在我国的秦皇岛市建立了主要由太阳能驱动的实际运行系统，取得有益的经验。 中国太阳能海水淡化技术的研究，走过了近 25年的历史，取得了可喜的成绩。综观整个研究过程，基本可分为3个阶段。第一阶段在上世纪整个 80年代至90年代初期。这个阶段是中国太阳能海水淡化技术研究的起步阶段也是中国太阳能热利用研究的起步阶段。那时，包括太阳能蒸馏器在内的许多太阳能应用技术，如太阳能干燥器、太阳能热水器、太阳能集热器、太阳房以及太阳能聚光器等都吸引了许多科学家进行研究。但由于是起步阶段，所以整个研究都处于较低的水平上，如对太阳能海水淡化技术的研究，基本都集中在单级盘式太阳能蒸馏器上。上面的讨论已经指出，这种蒸馏器具有取材方便、结构简单、无动力部件、建造和维修便利以及可以长期无故障运行等优势，因而受到广大用户的青睐。但这种装置由于其内部海水容量大，因而升温缓慢，致使海水蒸发动力不足，加之整个蒸馏过程中未能回收蒸汽的凝结潜热，所以一般系统的效率都不高， 约在35 以下。在晴好天气下。每平方米采光面积的产淡水量在354Okg 左右。 第二阶段在上世纪90年代初到90年代末。此阶段上，许多研究者逐步认识到了盘式太阳能蒸馏器的缺陷。在设法减少装置中海水的容量方面，采取了梯级送水、湿布芯送水以及在海水表层加海绵等方式，大大减小了装置中的海水存量，使装置中待蒸发的海水温度得到进一步提高，也使装置更快地有淡水产出，延长了产水时间，提高了装置的产水效率。在回收水蒸汽的凝结潜热方面，实验了多级迭盘式太阳能蒸馏器以及其他回收水蒸汽潜热的太阳能蒸馏器。采取这些措施之后，装置的总效率提高到了约50 。 上世纪90年代末至现在，对太阳能海水淡化技术的研究进入到了第三个阶段。在总结和分析了第二阶段的研究成果后，人们发现：尽管采取了许多被动强化传热传质措施，如减小装置中海水的容量、多次回收蒸汽的凝结潜热等，仍不能满足用户的要求，即太阳能蒸馏器的经济性仍然不够理想。分析发现，装置内自然对流的传热传质模式是限制装置产水率提高的主要因素。于是研究者纷纷选择了对主动式(加有动力，如水泵或风机等)的太阳能蒸馏器的研究。此期间出现了气流吸附式、多级降膜多效回热式、多级闪蒸式等许多新颖的太阳能海水淡化装置，装置的总效率也有了较大提高，达到 80 左右(包括电能的消耗)。 四、 目前海水淡化行业企业发展状况海水淡化既省钱又环保，我国是一个水资源严重短缺的国家，大力发展海水淡化和海水直接利用，这对于长远解决我国水资源短缺问题具有战略意义。向海洋要淡水，取之不尽、用之不竭，不受时空和气候影响，且水质好、供水稳定，而且海水淡化随着科技进步，成本还会降低，接近于自来水价格。海水淡化技术：低温多效蒸馏法和反渗透膜法是未来方向。目前全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。从大的分类来看，主要分为蒸馏法（热法）和膜法两大类，其中低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是全球主流技术。低温多效具有节能、海水预处理要求低、淡化水品质高等优点，反渗透膜法具有投资低、能耗低等优点，但海水预处理要求高。多级闪蒸法具有技术成熟、运行可靠、装置产量大等优点，但能耗偏高。低温多效蒸馏法和反渗透膜法是未来方向。1、海水淡化业务(1)蓝星清洗（000598）：公司拥有先进的水处理技术，公司的CMF连续微滤设备是全世界独一无二的空气反冲洗自清洗微滤膜系统，适用于高浊度的变化水质。在饮用水行业中已获得美国、日本、欧共体及澳大利亚政府的安全认证。公司在水处理方面有着不错的成绩，公司旗下的蓝星水处理技术公司是一家从事水处理及膜分离技术开发应用的大型国有专业化水处理工程公司，在膜法工业污水深度净化回用处理工程、膜法苦咸水淡化工程等领域处于全国领先地位。前期公司蓝星水处理BDA项目竣工投产，总处理水量30000m3/d，采用“微滤+反渗透”组合工艺，该工艺将BDA污水处理厂二级排放水经过深度处理后，达到高品质再生水水质要求，通过配套管网向开发区内工业企业提供生产用水。（2）青岛碱业（600229）： 公司是我国纯碱行业龙头之一，产销量和市场占有率均居行业前列。公司拟与BefesaCTAQINGDAOS.L.、青岛市海润自来水集团共同出资设立-青岛百发海水淡化有限公司，建设10万吨/天的海水淡化项目。项目淡化出水为居民生活饮用水，出水水质满足生活饮用水卫生标准的要求，项目所生产的淡化水将全部由青岛海润自来水集团收购。烟台市与清华大学合作建造日产8万吨高品质饮用水的核能海水淡化工程，预计吨成本可降至3.7元左右，这已与目前北京市的自来水价格相接近，而青岛碱业建设10万吨/天海水淡化项目，产量还大于烟台项目，全国领先，建成后可年产淡水3650万吨。2、海水淡化蒸馏设备 （1）双良股份（600481）：海水淡化主设备(蒸发器、冷凝器)海水淡化项目潜在盈利能力与现有溴冷机业务相当：海水淡化主设备(蒸发器、冷凝器)与公司主打产品溴化锂制冷机组(年销售约700台)真空换热设备无论从结构形式、工作原理都相类似，公司强大的科研实力、精良的工艺水平是制作海水淡化设备精品的保障。项目建成达产后，将形成年产LT-MED/12000低温多效海水淡化设备9套(海水淡化能力10.8万吨/天)的建设规模，正常年产值达6.75亿元，税后利润约1.4亿元，约合净利率21%，略低于现有溴冷机净利率，高于空冷器净利率。双良海水淡化项目正在建设，预计2010-2011年有望贡献盈利。 （2）中集集团（000039）：海水淡化装置中的蒸发器公司控股100%子公司大连中集重化装备有限公司注册资本为3370万美元。项目一期投资为3.5亿元，形成年9000吨的生产能力；预计2009年8月竣工并形成产能。主要产品范围包括煤气化装置中的煤气化炉，乙烯装置中的乙烯裂解炉，大型合成氨、化肥装置中的高压设备，炼油加氢、加氢裂化、甲醇装置中的关键设备，海水淡化装置中的蒸发器等。 （3）久立特材（002318）：海水淡化用钛、钛合金焊接管 公司的主营业务是工业用不锈钢管的生产、销售，主要产品为工业用不锈钢无缝管和不锈钢焊接管。2007年，公司开始实施建设“超超临界电站锅炉关键耐温、耐压件制造项目”。2007年公司各类工业用不锈钢管产量达3.2万吨，居于国内同行业第二位。2008年，公司开始实施建设“年产1万吨油气输送用中大口径不锈钢焊接管项目”和“年产1,000吨海水淡化用钛、钛合金焊接管技术改造项目”。 （4）、海亮股份（002203）：海水淡化装置用铜合金无缝管公司为中国最大铜管出口商，也是中国第二大铜管生产企业，已经成为业内公认中国铜管行业三大龙头企业之一，是中国最大铜及铜合金管出口企业，耐蚀合金管主要用于海水淡化和发电站建设等领域。公司加大新产品研发力度，如海水淡化装置用铜合金无缝管为国家重点新产品，舰船及海洋工程用高耐蚀大口径白铜管为国家火炬计划项目，铜合金管连续生产高效节能技术、立式连续铸造机列为省重大科技公关项目，同时，除公司的高附加值、高效节能、环保型产品如铝青铜管、无氧铜管、超长冷凝管投放市场外，像内螺纹管、合金管、海水淡化管以及一些小品种附加值高的产品产销比例上升。3、海水淡化反渗透膜（1）南方汇通（000920）：复合反渗透膜 公司控股42%子公司贵阳时代汇通膜科技有限公司是国内最大的复合反渗透膜生产基地，公司全套引进美国复合膜大规模生产线和工业化工艺技术，向客户提供高质量的膜元件，而且公司具备了较强的膜研发能力，有一个装备完善的膜实验室及一批膜技术专家，在产品不断拓展延伸的同时保证了向客户提供强大的技术支持。时代汇通的膜产品及技术广泛应用于食品饮料行业、医疗制药、市政供水处理、工业用高纯水、锅炉补水、海水淡化、电子行业超纯水、废水的处理与回用、物料浓缩提纯及农业灌溉等多种行业。 （2）深圳惠程（002168）：聚酰亚胺合成技术全国领先，反渗透膜核心材料深圳惠程2009年底提出了非公开定向增发方案，融资主要投向与中科院长春应用化学研究所合作的聚酰亚胺纤维产业化项目，项目产品主要应用于环保及国防军工领域，下游需求旺盛，同时可以实现进口替代，前景看好，若项目顺利实施，有望成为公司未来业绩增长的亮点。五、未来发展未来的太阳能海水淡化技术，在近期内将仍以蒸馏方法为主。利用太阳能发电进行海水淡化，虽在技术上没有太大障碍，但在经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比拟。比较实际的方法是，在电力缺乏的地区，利用太阳能发电提供一部分电力，为改善太阳能蒸馏系统性能服务。 由于中温太阳能集热器的应用日益普及，比如真空管型、槽形抛物面型集热器以及中温大型太阳池等，使得建立在较高温度段(75 )运行的太阳能蒸馏器成为可能。也使以太阳能作为能源，与常规海水淡化系统相结合变成现实，而且正在成为太阳能海水淡化研究中的一个很活跃的课题。由于太阳能集热器供热温度的提高，太阳能几乎可以与所有传统的海水淡化系统相结合(传统的以电能为主的海水淡化系统在此暂不考虑)。已经取得阶段性成果并有推广前景的主要有：太阳能多级闪蒸系统、太阳能多级沸腾蒸馏系统和太阳能压缩蒸馏系统等。例如，科威特已建成了利用220m：的槽形抛物面太阳能集热器及一个7000升的贮热罐为多达l2级的闪蒸系统供热的太阳能海水淡化装置，每天可产近l0吨淡水。该装置可在夜间及太阳辐射不理想的情况下连续工作，其单位采光面积每天的产水量甚至超过传统太阳能蒸馏器产水量的l0倍。可见，太阳能系统与常规海水淡化装置相结合的潜力是巨大的。理论计算表明，多级沸腾蒸馏比多级闪蒸系统具有更多的优点，在拥有相同性能系数的条件下，它所需的级数更少、耗能更低，所需的外界功量也更少。太阳能蒸汽压缩系统也具有广阔的前景，特别在电能相对便宜的地区。 有报道指出，在各类多级沸腾蒸馏系统中，多级堆积管式蒸发系统最适合以太阳能作为热源。这种装置有许多优点，其中最主要的一点是它能在输入蒸汽量为0100 之间的任何一点稳定运行，并能根据蒸汽量自动调整工作状态。而且它所需的供热温度在70IO0C之间，很容易用槽形抛物而或真空管型太阳能集热器达到。因此，很有必要对它做进一步的研究。 人们进一步认识到，太阳能海水淡化装置的根本出路应是与常规的现代海水淡化技术紧密结合起来，取之先进的制造工艺和强化传热传质新技术，使之与太阳能的具体特点结合起来，实现优势互补，才能极大地提高太阳能海水淡化装置的经济性，才能为广大用户所接受，也才能进一步推动我国的太阳能海水淡化技术向前发展。 六、 成本分析烟台市与清华大学合作建造日产8万吨高品质饮用水的核能海水淡化工程，预计吨成本可降至3.7元左右，这已与目前北京市的自来水价格相接近，而青岛碱业建设10万吨/天海水淡化项目，产量还大于烟台项目，全国领先，建成后可年产淡水3650万吨。