廣州科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年多，國內(nèi)首套柴油機(jī)廢熱海水淡化系統(tǒng)成功出水

遠(yuǎn)水解不了近渴，地球上豐富的海水資源，何時(shí)又能一解人類淡水之渴？在位于伶仃洋上的桂山島上，海水淡化示范項(xiàng)目出水現(xiàn)場，廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所（簡稱廣州先進(jìn)所）的工作人員，僅用2分鐘左右就讓苦澀的海水變成符合國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的淡水。廣州先進(jìn)所水科學(xué)研究中心張鳳鳴博士介紹，這次成功出水的海島水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，是國內(nèi)首套使用廢熱的低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)。示范系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電功率在200～800千瓦時(shí)，一個(gè)小時(shí)可以產(chǎn)出淡水1到2.5立方米，這些水足夠150人到300人一天的淡水需求了。“我們研發(fā)出的利用余熱進(jìn)行海水淡化的新技術(shù)，可用于海島、遠(yuǎn)洋漁船、海上平臺(tái)、沿海地區(qū)等，可大幅降低海水淡化實(shí)際能耗和成本?！彪m然沒有進(jìn)行嚴(yán)格的成本核算，但張鳳鳴預(yù)計(jì)說，使用廢熱發(fā)電較之目前常規(guī)的海水淡化技術(shù)，成本降低至少1/3。

距離陸地一小時(shí)船程一噸水運(yùn)送成本需二三十元

現(xiàn)在國內(nèi)最缺水的地方，除了西北、華北地區(qū)，就是靠近大陸線的海島，如外伶仃島、東澳島，都有淡水需求，而且需求量比較大。很多正在開發(fā)中的熱門海島更是淡水緊缺，另外對(duì)于遠(yuǎn)洋漁船、科考艦船、海上采油平臺(tái)來說，淡水也是稀缺的資源?，F(xiàn)在技術(shù)條件下，他們大多自己用船運(yùn)水。而在我國南沙島嶼，主要是靠運(yùn)輸解決淡水。對(duì)大多海島來說，船運(yùn)是一種“燒錢”的奢侈方法。

珠江口碧波萬頃的伶仃洋上，如世外桃源般的桂山島，是萬山群島里開發(fā)最完善、居住人口最多的島嶼。桂山島上2100多常住人口，加上一大批為港珠澳大橋做預(yù)制設(shè)備的工程人員，其他工程項(xiàng)目的工人，加起來有6000多人。光每天的飲用水，就是一個(gè)很大的需求。2013年，廣州先進(jìn)所水科學(xué)研究中心張鳳嗚博士初到海島時(shí)很不適應(yīng)，外面售價(jià)一元的瓶裝水，在島內(nèi)最便宜也要3元一瓶。

桂山島上居民和外來的工人用水，更多是依靠政府修建的小水庫，百姓也自己收集雨水，但是質(zhì)量很難保證。在島上，盡管水價(jià)有政府的補(bǔ)貼，但一噸仍要賣10元錢，較陸地上要貴四五倍，如果遇到干旱不下雨，依靠船運(yùn)的瓶裝水水價(jià)就更貴?？疾熘袕堷P嗚博士發(fā)現(xiàn)，桂山島距離陸地僅一小時(shí)船程，可一噸水的運(yùn)送成本則需要二三十元運(yùn)費(fèi)。

缺淡水，有廢熱資源桂山島被選為示范基地

張鳳嗚團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的海島水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，是國內(nèi)首套使用廢熱的低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)，它包括柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)。豐富的廢熱資源、極度缺乏淡水的海島，是張鳳鳴團(tuán)隊(duì)研究新型水電一體化的“示范田”。張鳳嗚團(tuán)隊(duì)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)，就在于使用的是沒有成本的低品位廢熱，并對(duì)海水淡化的工藝、控制和裝備進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新。

“缺乏淡水，急需淡水”，正是張鳳鳴博士要找的海島類型。他帶著一份全新的海水淡化示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，想要尋找一個(gè)合適的場地，把實(shí)驗(yàn)室設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：將咸澀的海水，變成符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的淡水。利用余熱進(jìn)行海水淡化示范項(xiàng)目得到了廣東省科技重大科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，為了尋找缺水的海島，張鳳鳴和團(tuán)隊(duì)成員走了很多海島。

在干渴的海島上，還要尋找到合適的熱源。珠海桂山島被張鳳鳴選中作為示范基地，除了因?yàn)榈枨?，還因?yàn)槟戏诫娋W(wǎng)的海島微電網(wǎng)項(xiàng)目正在啟動(dòng)，這為項(xiàng)目提供了合適的熱源?，F(xiàn)實(shí)中，很多海島不可能通過內(nèi)陸大電網(wǎng)輸電過去，那樣成本太高，海島供電一般都要借助柴油發(fā)電機(jī)，漁船上也都有柴油機(jī)。在尋找廢熱過程中，張鳳鳴將借熱的對(duì)象選定為柴油發(fā)電機(jī)。最好的契機(jī)還在于，2013年，南方電網(wǎng)在桂山島剛剛啟動(dòng)了包含3臺(tái)1000kW的柴油發(fā)電機(jī)的電廠工程建設(shè)，張鳳鳴團(tuán)隊(duì)開始在柴油機(jī)邊建配套設(shè)備。

日產(chǎn)淡水60噸水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)

從2013年開始調(diào)研，2014年開始興建調(diào)試，2015年初建完配套設(shè)備，已經(jīng)兩年多過去了。張鳳鳴斷斷續(xù)續(xù)地，在海島上待了好幾個(gè)月。島上利用收集的雨水做生活用水，不過收集的雨水沒有經(jīng)過處理不能直接飲用，喝的都是桶裝或瓶裝水，終于等到出水的那一天。張鳳嗚和聞?dòng)嵹s來的電廠工人一起，或用杯子，或者用手，分享著來之不易的清潔海水，“沒有味道，太干凈啦”。

設(shè)備運(yùn)行幾天后，出水?dāng)?shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定，廣州先進(jìn)所邀請(qǐng)具有檢測(cè)資質(zhì)的中國賽寶實(shí)驗(yàn)室（中國賽寶環(huán)境評(píng)估與監(jiān)測(cè)中心），對(duì)柴油機(jī)余熱低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)出水進(jìn)行檢測(cè)。淡水產(chǎn)量達(dá)到60噸每天，海水淡化除鹽率在99%以上，出水水質(zhì)達(dá)到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）?？粗豁?xiàng)項(xiàng)“合格”的檢測(cè)結(jié)果，張鳳鳴并不意外。在做示范工程之前，廣州先進(jìn)所已經(jīng)有過多年的技術(shù)儲(chǔ)備，張鳳鳴團(tuán)隊(duì)也經(jīng)過各種實(shí)驗(yàn)，就在辦公大樓一樓，還擺放著一套利用太陽能進(jìn)行海水淡化的中試裝置。

示范系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電功率在200～800千瓦時(shí)，一個(gè)小時(shí)可以產(chǎn)出淡水1到2.5立方米，這些水足夠150人到300人一天的淡水需求了。海水淡化裝置已經(jīng)試行了一段時(shí)間，但下游出來的淡水怎么使用，張鳳鳴團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩部分。首先保證發(fā)電廠的人員飲用，但施工期有三四十個(gè)員工，之后運(yùn)行期只需要10余個(gè)員工，用水量并不多。另外是社會(huì)用水，目前正在引入運(yùn)營企業(yè)，在附近修建灌裝車間，做成灌裝飲用水銷售。

數(shù)據(jù)

2013年10月，時(shí)任國家海洋局海島管理司司長呂彩霞在中國科技論壇上介紹說：“我國大大小小的海島共有10000多個(gè)，由于海島面積小、蒸發(fā)量大、綠化程度低，大多數(shù)因缺乏淡水水源而無法居住和開發(fā)，有常駐居民的近500個(gè)。這其中，除208個(gè)海島靠大陸管線引水、船送飲水和海水淡化外，剩余的270個(gè)有居民海島只能靠天吃水。”“海島往往也是電力不足的區(qū)域，至今仍有50多個(gè)海島靠柴油發(fā)電，每天兩小時(shí)，這也直接影響到海水淡化工程的實(shí)施?！眳尾氏颊f，“深挖島內(nèi)地下水或者島外輸入淡水等方式，對(duì)離岸較遠(yuǎn)的海島，因成本高、能耗大，難以實(shí)現(xiàn)?！?/p>

[觀察]

海水淡化之法關(guān)鍵在于降成本

現(xiàn)代意義上的海水淡化技術(shù)，是在第二次世界大戰(zhàn)以后才發(fā)展起來的。彼時(shí)人類的工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口增長進(jìn)入快速模式，淡水供應(yīng)日漸緊張，以至于部分沿海城市也嚴(yán)重缺水。水資源危機(jī)對(duì)海水淡化提出了前所未有的需求。國外尤其是極度缺水的中東地區(qū)，海水淡化有大規(guī)模的應(yīng)用。國外許多海島倚重海水淡化，如西屬大加那利島，美屬維爾京群島和新加坡，再如馬爾代夫，200多個(gè)有人島上均有淡化站。

海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法等更高效的淡化技術(shù)，先后進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)階段，在世界各地得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前居于主流的是膜技術(shù)（包括反滲透、電滲析、電去離子等）和熱技術(shù)（包括多效蒸餾和多級(jí)閃蒸等）。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都有高能耗的問題。世界上許多國家都投入巨資，研發(fā)海水淡化技術(shù)、建立海水淡化工廠。

海水淡化成本過高，一度是企業(yè)不感冒的主要絆腳石。目前使用的膜法和熱法，最大問題都是“費(fèi)電、燒錢”。這個(gè)技術(shù)消耗的主要就是電，另外利用反滲透膜來截留雜質(zhì)鹽分。每隔一段時(shí)間，膜就需要清洗甚至更換，電耗和膜的維護(hù)更換是該技術(shù)高成本的關(guān)鍵難題。熱法，簡而言之就是蒸餾，如同家庭煲湯一樣，常壓下水達(dá)到100攝氏度蒸發(fā)。但海水不行，像煲湯一樣進(jìn)行常規(guī)蒸餾，就會(huì)出現(xiàn)厚厚的一層垢。工業(yè)上淡化海水一般采用負(fù)壓蒸餾，水不需要100攝氏度，幾十?dāng)z氏度就蒸發(fā)了。海水就不會(huì)發(fā)生結(jié)垢，這成為海水淡化的另一種可靠方法，但同樣存在成本高昂的弱點(diǎn)。

目前，我國沿海多個(gè)萬噸級(jí)和10萬噸級(jí)海水淡化工程相繼投產(chǎn)運(yùn)營。今年1月15日，國家海洋局局長王宏在接受采訪時(shí)介紹說，“十二五”期間，海水淡化設(shè)備國產(chǎn)化率由40%上升到現(xiàn)在的85%左右。“我們研發(fā)出的利用余熱進(jìn)行海水淡化的新技術(shù)，可用于海島、遠(yuǎn)洋漁船、海上平臺(tái)、沿海地區(qū)等，可大幅降低海水淡化實(shí)際能耗和成本”，雖然沒有進(jìn)行嚴(yán)格的成本核算，但張鳳鳴預(yù)計(jì)說，使用廢熱發(fā)電較之另外兩種技術(shù)，成本降低至少1/3。

“技術(shù)原理并不是特別難?！睆堷P嗚介紹說，難的在于系統(tǒng)控制、工藝優(yōu)化和裝備設(shè)計(jì)，難的在于和電廠工程建設(shè)的協(xié)調(diào)和海島的工作環(huán)境，一天只有兩班船進(jìn)島，人員和設(shè)備的運(yùn)輸都受到限制，相應(yīng)的工程費(fèi)用比內(nèi)地要高兩三倍，運(yùn)輸、人力都很貴。他介紹，針對(duì)船上的海水淡化裝備研發(fā)也正在進(jìn)行，預(yù)計(jì)今年下半年將在船上進(jìn)行示范。

海水淡化的新“水電組合”

柴油發(fā)電機(jī)的效率一般比較低，只有40%左右能量被有效利用來發(fā)電，剩下的60%一般以廢熱形式排掉。柴油機(jī)余熱利用節(jié)能裝置是通過一些換熱設(shè)備及控制元件，將柴油機(jī)缸套冷卻水的熱量置換到海水淡化系統(tǒng)的熱源回路，從而用于加熱海水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)海水淡化。

深入海邊2米的立體潛水泵，持續(xù)地抽水進(jìn)入廠房，普通過濾一下大顆粒雜質(zhì)，就直接打到多效蒸餾器里面。最后出來兩股無色的液體，只不過一半是淡水，一半是更為咸澀的濃海水。濃海水排掉，淡水就臨時(shí)打到水箱里貯存起來。

“我們用低溫多效蒸餾，海水首先進(jìn)入第一效蒸餾器，加熱出來的蒸汽進(jìn)人下一效蒸餾器。由于蒸汽冷凝是一個(gè)放熱的過程，而海水蒸發(fā)需要吸熱，這樣用蒸汽冷凝放出的熱去加熱海水蒸發(fā)，這樣海水一級(jí)級(jí)去蒸發(fā)，相當(dāng)于把熱一級(jí)級(jí)循環(huán)利用起來。”張鳳鳴畫的示范工程系統(tǒng)圖并不復(fù)雜：熱源是一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的缸套冷卻水。熱源以熱水的方式進(jìn)入系統(tǒng)，并在負(fù)壓的環(huán)境下使海水蒸發(fā)脫鹽。蒸汽進(jìn)入下一效蒸餾器后冷凝成為淡水，冷凝時(shí)釋放的潛熱又用于下一效海水蒸發(fā)；這樣的過程可進(jìn)行多次。

海水淡化系統(tǒng)的核心設(shè)備為低溫多效蒸餾器。安裝在桂山島發(fā)電廠內(nèi)的蒸餾器已經(jīng)投入使用，能夠日產(chǎn)60噸淡水，這套系統(tǒng)是張鳳嗚團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的4效塔式低溫多效蒸餾器，它像一個(gè)巨大的鋼鐵塔箱一樣，高聳在柴油發(fā)電機(jī)旁邊。設(shè)備整體高4米，加上兩米多底架，長寬尺寸為2.5×2.0米，總重約為6噸。主體設(shè)備材質(zhì)為316L不銹鋼，換熱管采用鈦合金管，使用壽命可達(dá)15年?！昂罄m(xù)我們的系統(tǒng)會(huì)做成撬裝式，對(duì)于空間有限的場合，有塊10平方米的地方，就可以放下整套系統(tǒng)”，張鳳鳴介紹說，海水淡化系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的要求并不高。

本刊整理自《南方都市報(bào)》