【數據】2020年全球/中國海水淡化最新進(jìn)展
PART 1 全球海水淡化市場(chǎng)概況
在全球人口增長(cháng)和經(jīng)濟發(fā)展的背景下,淡水需求在未來(lái)幾十年呈增長(cháng)趨勢,氣候變化進(jìn)一步加劇了淡水的供需矛盾,制約了各地經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境發(fā)展。
據統計,自2010年至2019年底,全球已安裝的海水淡化容量以每年約7%的速度穩步增長(cháng),特大型工廠(chǎng)數量雖然很少,但是容量卻占到了全球海水淡化總容量的一大部分。對于過(guò)去未真正開(kāi)展海水淡化技術(shù)的地區,其海水淡化容量亦呈現出急劇上升的趨勢,包括歐洲和非洲在內。了解這些趨勢有助于對未來(lái)海水淡化項目和研究發(fā)展做出明智的選擇。
1.1 全球海水淡化發(fā)展
由于全球對性?xún)r(jià)比高的清潔水生產(chǎn)的需求,導致了海水淡化產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。1990年至2020年2月中旬,全球脫鹽水生產(chǎn)安裝容量為9 720萬(wàn)m3·d-1,其中以海水為給水水源的淡化容量為5540m3·d-1,占比約為57%。
圖1顯示了過(guò)去三十年的全球海水淡化的增長(cháng)趨勢,其中以海水為給水的海水淡化廠(chǎng)的全球累計裝機容量增加了813%。
圖1 不同給水水源的全球脫鹽安裝產(chǎn)能
在全球范圍內,越來(lái)越多的政府機構開(kāi)始參與并主導海水淡化項目,尤其是市政應用項目。
根據現有數據,沙特阿拉伯的海水淡化公司(SWCC)是一家半國營(yíng)性質(zhì)的機構,其擁有世界上最大的海水淡化能力,可生產(chǎn)超過(guò)550萬(wàn)m3·d-1淡水。
緊隨其后的是阿布扎比水電部(ADWEA,現為能源部)和科威特水電部,裝機容量分別超過(guò)了390萬(wàn)m3·d-1和290萬(wàn)m3·d-1。
阿拉伯聯(lián)合酋長(cháng)國迪拜水電部(DEWA)的裝機容量分別超過(guò)了230萬(wàn)m3·d-1,其它擁有大規模海水淡化能力的機構有以色列的Mekorot和阿曼水電采購公司(SAOC)。
大規模商業(yè)化海水淡化技術(shù)分為兩類(lèi):膜法海水淡化(主要是RO)和熱法海水淡化(MED和MSF)。
新興的海水淡化技術(shù)仍然處于研發(fā)階段,主要包括膜蒸餾(MD)、正滲透(FO)等。除了主要的單一型海水淡化技術(shù)以外,包括MSF-MED、MED-AD和RO-MSF在內的組合型技術(shù)目前正被考慮,通過(guò)結合每種技術(shù)的優(yōu)勢來(lái)提高海水淡化裝置的效率,從而使組合型技術(shù)能夠克服單一技術(shù)存在的不足。
迄今為止,RO技術(shù)是最廣泛的海水淡化技術(shù),累計裝機容量為3 060萬(wàn)m3·d-1。
MSF是工程容量排名第二的技術(shù),約為1530萬(wàn)m3·d-1。
使用MED及其他技術(shù)的海水淡化能力為330萬(wàn)m3·d-1。
圖2顯示了不同技術(shù)(用于處理不同的給水來(lái)源)對全球脫鹽能力的貢獻情況。
圖2 海水淡化廠(chǎng)用于處理不同給水來(lái)源的主要技術(shù)
1.2 海水(苦咸水)項目成本
圖3顯示了1990年至2019年使用海水和微咸水淡化法生產(chǎn)淡水的成本趨勢。據報道,2012年和2004年海水淡化的最高和最低平均價(jià)格分別為$1.87 m-3和$0.35 m-3。這些價(jià)格可能取決于當時(shí)供應給大多數現有工廠(chǎng)的海水的鹽度范圍。
圖3 淡化水生產(chǎn)價(jià)格
(a)所示的海水和苦咸水淡化的平均成本趨勢
(b)基于技術(shù)和工廠(chǎng)規模的淡化水價(jià)格
PART 2 我國海水淡化概況
2.1 2020年國內海水淡化工程狀況
據中國水利企業(yè)協(xié)會(huì )脫鹽分會(huì )不完全統計,截至2020年底,國內已建成日產(chǎn)淡化水百?lài)嵰陨虾K椖?76個(gè),產(chǎn)能達到180.34萬(wàn)立方米/日(圖5)。
圖5 2010-2020年全國已建成海水淡化工程累積產(chǎn)能
其中,2020年全國新建成海水淡化項目4個(gè)(表1),新增產(chǎn)能5.05 萬(wàn)立方米/日。依據《全國海水利用“十三五”規劃》目標,“十三五”末,全國海水淡化總規模達到220 萬(wàn)噸/日以上,現有的海水淡化產(chǎn)能規模距離目標值還有一定的差距。
表1 2020年全國新建成的海水淡化項目
國內已建成的海水淡化工程主要以反滲透和低溫多效蒸餾技術(shù)為主。
截至2020年底,已建成的海水淡化工程中,采用反滲透技術(shù)的工程項目有152個(gè),產(chǎn)能為121.64萬(wàn)立方米/日,占全國總產(chǎn)能的67.45%;采用低溫多效的工程項目有20個(gè),產(chǎn)能為58.02萬(wàn)m3/d,占全國總產(chǎn)能的32.17%(圖6)。
圖6 采用不同技術(shù)的海水淡化項目產(chǎn)能比較
沿海9個(gè)省市的海水淡化產(chǎn)能見(jiàn)(圖7),淡化水主要用于電力、石化和鋼鐵等高耗水行業(yè)、工業(yè)園區及缺水地區的市政供水(圖8)。
圖7 全國沿海省市海水淡化工程分布
圖8 已建成海水淡化項目產(chǎn)水用途
2.2 國內海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展
云南大學(xué)萬(wàn)艷芬、楊鵬等人設計并制備了一種新型的復合材料,包括具有等離子體效應的金(Au)納米錐、鉬酸鉍(Bi2MoO6)半導體和生物質(zhì)碳點(diǎn)(CDs)三種組分,這種三元復合材料實(shí)現了有效電荷轉移,提高了材料光熱轉換效率,這為高效光熱轉換材料的研究提供了重要實(shí)驗依據,同時(shí)也為海水淡化和新能源器件及系統研發(fā)帶來(lái)新思路。
由澳大利亞、美國和中國科學(xué)家組成的研究團隊制備出一種金屬有機框架材料,這種特殊的材料能夠模仿生物細胞膜的過(guò)濾功能,高效地過(guò)濾海水中的鹽以及分離海水中金屬離子。相比目前廣泛采用的反滲透膜技術(shù),新材料可以過(guò)濾特定離子,比傳統方法更加經(jīng)濟節能。
深圳先進(jìn)院喻學(xué)鋒研究員課題組以天然玄武巖為原料,設計并制備了一種便宜、穩定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜,用于光熱海水淡化以及水凈化領(lǐng)域。玄武巖纖維光熱膜在海水淡化方面中體現了出色的蒸發(fā)和分離性能,組裝的太陽(yáng)光蒸發(fā)系統可以連續有效地進(jìn)行海水淡化。
上海交大ITEWA創(chuàng )新團隊與麻省理工學(xué)院合作,研發(fā)的裝置在太陽(yáng)輻照條件下,創(chuàng )紀錄地實(shí)現了385%的效率和5.78 L m-2 h-1的海水淡化產(chǎn)水率。除此之外,該裝置可以通過(guò)毛細作用進(jìn)行被動(dòng)補水,通過(guò)鹽分在夜間的反向擴散實(shí)現被動(dòng)排鹽,保證長(cháng)效穩定的被動(dòng)式工作。
中科院化學(xué)所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗室科研人員與美國麻省理工學(xué)院的Nicholas Fang教授課題組合作,利用3D打印技術(shù)構造了三維錐形不對稱(chēng)結構蒸發(fā)體系,在高鹽度下實(shí)現了高效太陽(yáng)能利用和高速水蒸發(fā)。
2.3 2020年發(fā)布的海水淡化相關(guān)政策和標準
2020年8月山東省人民政府辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化與綜合利用產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)》。意見(jiàn)提出,計劃到2022年,全省海水淡化產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)噸/日??傮w布局是:一區、兩園、多點(diǎn)、群星。全省整體創(chuàng )建全國海水淡化與綜合利用示范區;建設青島百發(fā)、煙臺海陽(yáng)兩個(gè)具有輻射供水功能和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合性產(chǎn)業(yè)園;在東營(yíng)、煙臺、濰坊、威海、日照、濱州6市沿海工業(yè)園區配套建設14個(gè)海水淡化基地,在濰坊建設2個(gè)海水淡化與綜合利用基地,實(shí)現水鹽聯(lián)產(chǎn);根據需求在全省32處有居民海島建設海水淡化站,500余艘遠洋船舶配備海水淡化裝置。
2020年12月,由自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所牽頭編制的《海水淡化水后處理設計指南》(GB/T 39219-2020)、《海水淡化利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 39481-2020)、《多效蒸餾海水淡化系統設計指南》(GB/T 39222-2020)和《反滲透海水淡化阻垢劑阻垢性能試驗周期濃縮循環(huán)法》(GB/T 39221-2020)等4項國家標準,獲得國家標準化管理委員會(huì )批準并正式發(fā)布。標準的發(fā)布對于海水淡化工程的安全可靠設計及穩定運行提供了有力支撐,進(jìn)一步健全了海水利用標準體系。
雖然我國的海水淡化工程規模和海水淡化技術(shù)發(fā)展都取得了很大的進(jìn)展,但是總體利用規模還比較小,還存在一些卡脖子技術(shù)。今后應不斷完善政策標準,健全市場(chǎng)機制體制,繼續加大科技創(chuàng )新力度,突破關(guān)鍵核心技術(shù),強化示范推廣和應用,大力推進(jìn)海水淡化規?;瘧?,為推動(dòng)國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展最出貢獻。
(來(lái)源:《中國脫鹽》雜志,2021年01期《海水淡化最新進(jìn)展》)