三位一体的海水淡化生态解决方案
编者按：海水淡化在我国经历了数十年认识、质疑、认可的漫长过程。如今因水资源日益短缺以及远距离调水高昂成本、输送能耗以及相应的碳排放使得海水淡化优势日逐明显。特别是海水淡化技术在严重缺水的中东等地大规模工程应用带来的技术进步让海水淡化“太昂贵”、“太耗能”之印记已成为历史。目前，最先进的海水淡化技术已使获得1 m3淡水的能耗与成本分别低至2度电/m3和2元钱/m3，远低于南水北调之水。实际上，早在南水北调本世纪初正在进行时，我们便提出了沿海乃至近海（如，北京）发展海水淡化的学术倡导，并提出了“风力发电+海水淡化+盐业化工”三位一体的“零排放”生态解决方案。虽然时间已过去近20年，但这一方案似乎并未落伍，特别是有关淡化卤水资源化又有了新的发展方向。卤水制盐只是最低级的资源化方法，实际上卤水中亦含有锂、氘等稀有元素。在锂电池需求量日益激增的情况下，卤水提锂在国内外均已开始实践。而氘更是未来能源需求的基本元素，是核聚变不可多得的反应物，且主要存在于海水之中。因此，对多数人担心淡化后卤水的处置问题已不必多虑，浓缩后的卤水远比原海水更容易提取稀有元素！为此，本期回顾发表于2006年《节能与环保》（10，No. 148，25-28）上的文章：海水淡化+风能发电+盐业化工——三位一体的清洁生产技术，以飨读者。
文章亮点
·我国淡水危机迫在眉睫；反渗透海水淡化技术是解决我国沿海与海岛区域水资源匮乏的有效技术措施之一；
·沿海与海岛区域的风能极具应用价值，并可通过风力发电技术为海水淡化提供清洁能源；
·反渗透海水淡化的副产品——浓缩海水能够提高约70%的海水晒盐生产效率；
·风力发电+反渗透海水淡化+浓缩海水晒盐“三位一体”清洁生产技术可实现“零排放”。
前言
中国在实施可持续发展战略中，水的可持续利用问题日益突出。显然，水已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。同时，随新水价机制的施行与普及，中国水经济时代已拉开帷幕。水经济背后蕴藏着水管理体制的巨大改革和对一些技术应用限制突破将成为各行业新的机遇和挑战。本文结合可持续发展中全球普遍倡导的生态经济特点，提出一种将水业、能源、盐业三个业已成熟的行业有机结合而形成的一种三位一体的清洁生产技术。技术拟应用的范围主要涉及沿海与海岛区域，同时也适用于苦咸水地区。
01 三位一体的清洁生产技术
面对严峻的淡水资源危机，发展海水淡化技术，向大海要淡水以解决沿海地区与海岛区域淡水紧缺问题已经成为世界各国的共识。
海水淡化/海水脱盐是指通过反渗透或蒸馏法除去海水中盐分并获得淡水的工艺过程。其中，最主要的运行管理费用为电耗。显然，利用化石燃料发电提供能量并非可持续途径，存在温室气体排放等环境风险。事实上，沿海和海岛区域蕴藏着丰富的风力资源，就近利用风电进行海水淡化不失为一种理想的技术组合。此外，以目前使用较多的反渗透技术而言，淡水产水率约为处理海水量的2/3，而余下的1/3则形成高含盐量的“浓缩液（卤水）”。若将其作为海盐生产的原料无异于减少了2/3的海水蒸发量，即，可缩了2/3晒盐时间进程。因此，将风能发电、海水淡化、海盐生产这三个业已成熟的技术有机结合，则会产生一个没有废弃物与污染物且符合生态经济学原理的新兴产业，如图1所示。
02 海水淡化现状与未来
海水淡化技术主要有蒸发法、膜法（反渗透、电渗析）和冷冻法。与蒸发相比，膜法淡化海水具有投资省、能耗低（7 kWh/m3，前者为65 kWh/m3）、占地少、建设周期短、操作简便、易于自控、启动迅速等优点。膜法主要指反渗透（RO）技术，是利用半透膜在压力下允许水透过而截留盐分和杂质的技术。因此，在海水淡化工程应用中，膜法（特别是以RO技术为主的膜技术）受到广泛应用。以日本为例，反渗透装置生产能力已占海水淡化装置总生产能力（超过109万m3/d）的90%，并且以每年5~6万m3/d的速度逐年增加。目前，日本最大的反渗透海水淡化厂处理能力已达5万m3/d。
除上述提及的日本外，美国、英国、西班牙、法国以及以色列等国的反渗透技术也已经相当发达，并且相继形成了海水淡化产业。我国的海水淡化技术研究虽然始于上世纪50年代，但由于国人对反渗透等淡化技术应用的认识仅停留在过高的生产成本上，所以，目前以反渗透为主的海水淡化技术在国内还没有形成大规模应用局面。
能耗是决定反渗透海水淡化技术生产成本的关键。在反渗透能耗比传统蒸发法低若干倍的基础上。若考虑将反渗透膜料液侧排出的高浓缩液中的能量回收，如，带动水轮机、多级离心泵等，则可回收其中80%~90%的能量，从而使反渗透脱盐能量消耗节省35%左右。虽然反渗透海水淡化综合成本估计为5~10元/m3，但与专家目前估计的“南水北调”5~20元/m3的综合成本相比较，反渗透海水淡化技术优势在经济上初露端倪。况且，此处述及的反渗透海水淡化是与风能、产盐综合为一体的生态经济或清洁生产技术。事实上，美国有资料认为，远程调水超过40 km，成本将超过海水淡化。
综上所述，海水淡化具有广阔的应用前景。此外，我们应摒弃以一种不可再生的非清洁能源来换取另一种资源使用的传统海水淡化技术，以维持社会经济的可持续发展。因此，伴随着可再生的清洁能源问题解决，反渗透海水淡化不失为解决我国沿海与海岛区域水资源匮乏的一项行之有效的技术措施。
03 风能——潜在的清洁能源
我们不仅需要海水淡化，我们更需要为海水淡化提供清洁能源。在沿海与海岛区域蕴藏着巨大的风能便是一种潜在的清洁能源。
3.1 世界风力发电的现状
现代风能工业于20世纪80年代初在加利福尼亚诞生。随着碳减排需求的增加，风电的发展日趋向上。迄今，商业化风电价格已经下降了80%，风电成本已从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh。并且全球风电发展迅速，每年以近40%的速度增长。据全球风能委员会（GWEC）公布的《2023全球风能报告》（Global Wind Report 2023）预计，到2024年，全球陆上风电新增装机将首次突破100 GW；到2025年全球海上风电新增装机也将再创新高，达到25 GW。未来五年全球风电新增并网容量将达到680 GW。
3.2 我国风力资源
我国幅员辽阔，风能资源较为丰富。根据全国气象台部分风能资料的统计和计算，我国风能分区及占全国面积的百分比见表1。据中国气象科学研究院估算，全国风功率密度为100 W/m2，风能资源总储量约3226 GW，可开发和利用的陆地上风能储量有253 GW（依据陆地上离地10 m高度资料计算）；每年风速在3 m/s以上的时间近4000 h左右，一些地区年平均风速可达7 m/s以上，开发利用价值极大。
随着对风力发电技术研究的深入，诸如垂直轴风力发电机等更高效的风力发电形式受到各国的开发与应用。该风车最大特点是可以利用各个方向的风，在风速达到3 m/s时即可发电（传统风力发电的风速需求≥6 m/s）。这将使我国可利用的风力发电资源至少增加1倍。该风电机组由于采用静音设计，所以也适合于住宅密集区。可见，随着科技的不断进步，人类利用风能的能力将不断加强。
3.3 我国风电发远景规划
我国并网型风力发电机组逐渐发展起来，到2001年底装机容量为399.9 MW。“十五”期间亦鼓励风力发电厂的建设。预计21世纪将是我国风能大发展时期，风力发电总装机目标：2005年达到全国电力工业总装机容量的0.5%，即1500 MW左右。2010年争取达到3000 MW。有些部门预测以2000 MW为目标值，按现在1.05万元/kW的设备价值计算，风力发电新的设备产值将是210亿元人民币。
3.4 有关风电的政策扶持
我国政府近年来对风力发电事业提供的一系列优惠政策，为中国的风力发电发展提供了新动力。如国家计委于1996年提出“乘风计划”，国家计委和科技部于1999年1月发出《关于进一步支持可再生能源发展有关问题的通知》等。
3.5 对于风电产业可持续发展的一些思索
一种新能源的出现能否打破原有能源框架的束缚，在很大程度上取决于该种能源的市场竞争能力，即生产成本。据统计，我国目前风力发电的成本为0.42~0.72元/kWh，在没有优惠政策及补贴的前提下，尚无法与火力发电竞争。然而，若不仅以经济方法而是加之对其生态价值的考量与计算，燃煤发电厂的市场价格及成本则会进一步提高（包含煤矿开采、燃煤碳排放等生态成本）。此外，我国能源分布及使用状况呈现出“西产东耗，西电东送”的态势。这不仅造成大量的电力输送及其设备的建设投资和运行，且浪费了东南沿海丰富的风力资源。相比于内陆地区，我国广大的沿海地区储有更高质量的风能。在海洋环境中，风更稳定，更少紊流，也更少剪切力，因而可设计安装较便宜而寿命更长的风力滑轮发电机组。使用风力发电不但可以解决能源短缺的问题，既可以节省大量的输送设备，又可以实现能源生产的本地产业化。
04 晒盐——传统海盐生产方式
食盐是日常生活中人不可缺少的物质。目前制盐的技术主要有盐田法、蒸馏法、电渗析法、冷冻法制盐、真空法制盐等。就其本质来说制盐的关键就是要去除过多的水分，使其浓缩。海水制盐在各种盐业资源中是最具优势的生产方式。首先，海盐的原料是海水，取之不尽，用之不竭，；其次，中国沿海有广阔的适合建立盐场的滩涂。由于盐田法节约燃料、工艺简单，加之我国有广阔的海岸线，所以我国是海水晒盐产量最多的国家，也是盐田面积最大的国家，年产海盐1500万吨左右，约占全国原盐产量的70%，占世界原盐总量30%（目前海盐的世界总年产量约5000万t）。
海盐生产为节约能源而通常靠日晒蒸发水分。但若直接以原海水晒盐则会有生产周期长、效率低下的缺陷。如果应用反渗透技术淡化海水，所生产的副产品——海水浓缩液则能够用以晒盐。以海水淡化后的淡水回收率为60%~70%计算，这相当于已蒸发掉60%~70%的水分，也就等于缩短海盐生产约2/3的生产周期，或提高约70%的生产效率。这可极大地缓解海水晒盐场用地的供需矛盾。事实上，膜法正是现代海盐生产的一种高效方式，只不过所强调的主体有所不同而已。除此之外，借助于反渗透海水淡化产生浓缩液的同时，还可以积极开展对海水中化学物质的提取。可供提取的常规元素包括钾、镁、溴、氯、钠、硫酸盐等。此外，海水提锂，甚至氘等元素更是未来海水资源开发的方向之一。在某种程度上，这也有助于海水淡化成本的进一步降低。综上所述，我们提出的风能发电、海水淡化与淡化后浓缩液晒盐这种三位一体的生态经济或清洁生产技术构想应该具有广阔的应用前景。