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水热联供:“零能耗”海水淡化新方向

2020-10-28 10:05:28 中国科学报   作者: 李惠钰  

随着城镇化建设带来的人口聚集和社会经济的飞速发展,生产、生活和生态用水量持续增加,导致我国北方沿海地区淡水资源愈发匮乏。

目前,海水淡化是解决淡水资源短缺的主要途径。然而,由于节能和低碳发展的要求,使得我国很难通过大规模蒸馏法进行海水淡化。

对此,清华大学建筑节能研究中心提出“水热联供”的概念,即利用北方东部沿海地区火电与核电余热为动力,采用新的蒸馏方式,将海水制取为温度为100℃~120℃的热淡水。

这些热淡水可通过单管长途输送,不仅能用于建筑供暖,还能在终端分离出常温淡水,满足城市淡水的需求。

“由于该技术消耗的余热量与供热热量相同,所以实现了零能耗海水淡化。”

中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿告诉《中国科学报》,从连云港到大连沿海地区的1亿千瓦火电和核电,可满足这一地区40亿平方米建筑冬季供热需求,占我国北方城镇未来供热建筑总量的四分之一;在供暖期产生的35亿吨淡水,还能满足这一地区20%的淡水供应需求。

不久前,清华大学建筑节能研究中心针对水热联供组织了一场专家研讨会。

会上,中国工程院院士张建云、王浩、马军等专家一致认为,我国沿海城市基本均为缺水城市,水热联供项目可有效利用沿海火电和核电余热,并开辟出非常规水资源,对节能减排、低碳发展、提高供水安全性、实现可持续发展都有重要作用。

北方沿海地区供水供能困境

上世纪八九十年代,为了满足日益增长的水需求,超采地下水导致一些地区地下水位持续下降,生态环境遭受不同程度的破坏。

进入本世纪,南水北调、引黄济冀等工程使得地下水超采有所缓解,但江亿认为,完全依靠调水并不能实现淡水供应的长治久安,只有多源头供水才能有效应对各种自然和人为灾害导致的供水安全问题。

当前,全球很多缺水地区都把海水淡化作为解决水资源不足问题的重要途径。在中东地区,海水淡化占其淡水来源的40%以上。然而,我国海水淡化提供的淡水量还不足南水北调的2%。

“原因之一就是,我国沿海海水中硼含量较高,采用膜分离法很难去除这些有害成分,所制备的淡水无法满足生活用水,尤其是饮用水的要求。”江亿告诉记者,若采用真空加热蒸馏的方法制取蒸馏水,虽然可有效去除海水中各类有害物质,得到高质量淡水,但却需要消耗大量热能,也难以满足国内低碳发展的要求。

实际上,在我国北方东部沿海地区,从吉林丹东沿渤海、黄海至连云港,布满了核电和火电。

这些发电厂通过海水冷却方式在生产8000万千瓦电力的同时,也向海水排放了超过12000万千瓦的低品位余热量。仅有部分电厂在冬季回收其排放的余热,为周边城镇建筑供暖。

不过,江亿表示,由于热量输送的经济距离为50~80公里,而北方东部沿海地区的很多电厂,尤其是核电厂,大多与建筑密集的城镇距离超过100~150公里,因此就很难利用这些电厂的余热在冬季为远距离的城镇供热。

水热联供的创新

三年前,清华大学建筑节能研究中心就提出“水热联供”的概念。该技术主要由水热联产、水热同送、水热分离三个关键环节构成。

水热联产是利用核电厂或火电厂发电后的蒸汽余热,通过蒸馏方式用海水制备热淡水。

江亿给出的数据显示,1兆瓦130℃蒸汽余热可制备7.5吨/时的120℃热淡水;一台30万千瓦燃煤火电机组产生的余热,可以把6000吨/时3%盐分、5℃的海水分离为2300吨、温度为120℃的热淡水和3700吨、盐分约为5%、温度为8℃的浓海水。

水热同送,即利用单管实现长途输送热淡水,其功能相当于通过循环水输送热量的两根热水管道和一根输送常温淡水的管道。

“三管变一管,管道初投资可降低到原来的一半以下,驱动水泵的耗电量则降低到原来的1/3。这样一来,输送热量的经济距离就从原来的50~80公里增加到150~200公里。”江亿说,我国北方东部沿海地区大型、超大型城市,与附近沿海的核电或火电厂的距离,正好处于这一范围之内。

水热分离,即在城市热网接入处通过换热器把热淡水的热量传递给城市集中供热网的循环水。

据江亿介绍,城市热网循环水供回水温度为115/40℃时,淡水温度通过换热后可降低到45℃。

此时,再通过电动热泵进一步把淡水温度降低到10℃~15℃,所获取的热量同样可以作为供热热源。若城市热网采用了低回水温度技术,供回水温度为115/15℃的话,则在城市热网接入处直接换热就可以把淡水温度降低到20℃。

通过安装少量热泵,还可进一步把水温降低到10~15℃,从而再多提取10%的热量。

江亿告诉记者,若进入系统的海水温度为5℃,排出的浓海水为8℃,最终在城市终端输出的淡水温度是10℃,则系统的热效率为92%,同时在水热分离处热泵还要消耗总热量3%左右的电力。

这就意味着,系统的用能水平与常规热电联产相当。如果所消耗的热能全部计入供暖能耗的话,则相当于实现了零能耗的蒸馏法海水淡化。

社会和经济效益显著

在我国北方东部沿海长达1500公里的海岸线上,目前已建成装机容量为8000万千瓦的核电和火电。

根据规划,未来将建成约1亿千瓦的核电和调峰火电。如果全部按照水热联供方式回收这些电厂的发电余热,则可形成1.2亿千瓦的供热能力和日产淡水2246万吨/日的海水淡化能力。

需要强调的是,“海水淡化尽管是利用核电余热,但核岛热量是在其输出后又经过三个换热环节才接触到所处理的海水,且海水侧接近真空态的低压,因此,即使在事故状况下,也不会对所制备的淡水造成任何放射性污染。”江亿说。

从节能减排的角度,根据初步分析计算,大规模推广水热联供技术,每年可减少二氧化碳排放1.7亿吨,接近我国目前化石能源燃烧所造成的二氧化碳排放总量的2%。

同时,每提供1兆瓦的热量对应的电耗不到200千瓦时,远低于采用各类热泵时的电耗。

1.2亿千瓦的热量就可以为40亿平方米建筑提供冬季供暖的基础负荷,基本满足这一地区城镇建筑供暖的需要。


而从投资成本的角度来讲,水热联供的供热能耗和热电联产相同,初投资与热法海水淡化制水相同,制水相当于零能耗。即使把输送成本全部摊入输热,水热同送输热成本也比传统长输供热低40%。

北方沿海地区若实施水热联供项目,总投资约6700亿元,其中装备投资4200亿元(主要是钢铁材料,可消纳钢铁过剩产能),土建安装投资1500亿元。

与会专家一致认为,项目的实施,不仅可作为经济内循环的新增长点,也将成为扩大有效投资、拉动就业、保障国计民生的重要举措。

目前水热联供技术已经具备示范条件,为促进该技术的发展与应用,张建云等人建议,该项目应作为疫情后的“新基建”内容列入国家相关计划,“十四五”期间尽快建成1个示范项目,以示范工程拉动工程技术研发应用,并进一步在北方沿海地区推广建成2~3个重点工程,到2035年全面实现北方沿海城市35亿吨水资源供应和40亿平方米的建筑清洁供热。

此外,专家们还建议由科技部、国家发展改革委等部委牵头,设立国家科技重大专项,针对技术实施的关键问题展开联合科研攻关,推动示范项目,促进技术推广。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 水热联供

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