劉睿賢 , 田 紅 , 竇 斌

(1. 中國地質大學(武漢)工程學院, 湖北 武漢 430074; 2. 中國地質大學(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心, 湖北 武漢 430074)

海南省位于我國南端, 是僅次于臺灣島的第二大島嶼, 全島處于熱帶和亞熱帶地區(qū), 年平均氣溫22~27℃; 四面環(huán)海, 水資源豐富, 年降水量在1 000~ 2 600 mm[1]。2016年, 海南全省人口917萬人, 人均擁有水資源量5 342 m3, 人均綜合用水量490 m3, 位于國內前列[2]。但是, 表面上擁有豐厚水量的海南, 卻面臨著比較突出的缺水問題。

從長遠考慮, 隨著社會經濟發(fā)展, 以及面臨的缺水少水和干旱問題, 海南省需構建水資源可持續(xù)利用的多方式供水體系。作為水資源開源增量的有效途徑, 海水淡化可有效緩解水資源短缺問題, 對改善海南用水情況發(fā)揮至關重要的作用。隨著科技的不斷進步, 當前海洋工程領域將使用可再生能源進行海水淡化作為研究的前沿方向。地熱能作為一種海水淡化的新能源方式, 近年來已經引起國內關注, 海南可以考慮通過開發(fā)其地熱資源來支持海水淡化過程并為省內工業(yè)和農業(yè)部門供應淡水, 以減輕水資源緊張的局面。本文基于海南水資源和地熱資源分布情況, 對地熱能海水淡化作經濟和技術可行性探討, 指出其中存在的問題, 并提出推進地熱能海水淡化的相關建議。

1 海南水資源概況

海南降雨量空間分布不均(圖1), 島中部及東北部雨量多, 西南部雨量少, 降水量年際變化大, 豐水年和枯水年相差可達數(shù)倍。此外, 海南島地形中高周低, 河短坡少, 水系呈均勻放射狀, 源短流急, 暴漲暴落, 開發(fā)利用難度大, 時空分布極不均勻, 導致了冬春干旱時常發(fā)生(圖2), 嚴重影響了居民的生產和生活[3]。再加上需水高峰與枯水期疊加、水資源浪費及臺風等因素的影響, 使得海南用水問題更為突出。

上述數(shù)據(jù)表明: 海南中部山區(qū)擁有較充沛的降水量, 但水資源開發(fā)利用率較低; 而降水量較少的東北部、西北部和南部, 卻有著較高的水資源開發(fā)利用率, 且面臨一定的缺水情況。以北部的?？跒槔? 2018年?？谠谟盟叻寮竟?jié)每天需量短缺6萬~8萬t; 且近5年來, 需水量年均保持約3.5%的增長速度, 使得?？诿媾R十分嚴峻的供水保障形勢。

圖1 2016年海南省年降水量(改自2016年海南風洪旱災害公報, 圖2同) Fig. 1 Annual precipitation in Hainan Province in 2016 (Revised from Hainan Provincial Bulletin on Wind, Flood and Drought in 2016,Fig.2 as well)

圖2 2016年海南省各市縣氣象干旱最重時所達級別分布 Fig. 2 Grade distribution of meteorological drought in all cities and counties of Hainan Province in 2016

2 海南地熱能資源分布

地熱能是一種綠色環(huán)保、持續(xù)穩(wěn)定、利用率高的可再生能源, 是取之不盡, 用之不竭的, 具有極大的開發(fā)潛力。

海南地熱資源以水熱型為主, 全島水熱資源受地質構造、巖石地層及地貌的控制, 總體可分為兩類, 分別為基巖構造裂隙帶狀熱水型和孔隙層狀熱水型[6]。已發(fā)現(xiàn)的構造裂隙帶狀型熱礦泉(溫泉)32處, 總體呈環(huán)島分布格局, 估算儲量約為10萬m3/d?？紫秾訝顭崴? 主要分布在瓊北及西南部自流盆地中, 其中瓊北斷陷盆地內埋藏較深, 西南部自流盆地內埋藏相對較淺, 水溫相對低, 呈現(xiàn)不連續(xù)的薄層狀。

此外, 海南省北部深層地熱地質條件良好, 瓊州裂谷南側的瓊北擁有優(yōu)質的干熱巖地熱能資源。2018年3月23日, 中國第一口具有獨立知識產權的干熱巖開發(fā)實驗井在海南北部完鉆, 該井在4 387 m深度處獲得超過185℃的干熱巖(非穩(wěn)態(tài)測溫), 成為我國第一口進入開發(fā)階段的干熱巖鉆井[7], 表明海南北部存在可用于商業(yè)化的優(yōu)質干熱巖。

依據(jù)海南地熱資源分布及勘查與開發(fā)規(guī)劃[8], 可將海南島劃分為限制開采區(qū)、允許開采區(qū)以及鼓勵開采區(qū)3類, 在大多數(shù)情況下, 海南地熱開發(fā)區(qū)與缺水少水地區(qū)以及用水量巨大、主要集中于西北和北部的工業(yè)地區(qū)相匹配。這表明, 這些地區(qū)存在從當?shù)氐責豳Y源中獲益的可能。

3 地熱能海水淡化可行性分析

3.1 地熱能海水淡化方法

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質鹽分、有機物、細菌和病毒等分離出來從而獲得淡水的過程。目前國際上使用的傳統(tǒng)海水淡化的主要方法包括膜法、結晶法和蒸餾法等, 而我國海水淡化工程多采用低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透(RO)技術。

由于低溫多效蒸餾海水淡化技術具有操作溫度低、動力消耗小等優(yōu)點, 使得其成為我國第二代海水淡化廠的主流技術之一[9]。采用低溫多效蒸餾法進行海水淡化時, 海水的最高溫度只需70℃, 而海南地下熱水溫度一般在32~97℃。當采用與地熱能相結合的低溫多效蒸餾海水淡化方法時, 地熱水可通過換熱器將海水加熱到淡化時所需要的溫度。因此, 通過地熱能解決低溫多效蒸餾法進行海水淡化時所需的熱源問題, 在技術上具有可行性。

反滲透海水淡化方法, 是以壓差推動的海水淡化過程。截至2015年底, 我國已建成海水淡化工廠121座, 其中應用反滲透技術的為107座, 占88.43%,處于主流位置[10]。采用反滲透技術時, 膜通量對海水溫度有較高的敏感性, 尤其是當冬季水溫低時, 會導致膜通量大幅下降。這是因為低溫進料水具有較高的黏度和較高的通過膜的阻力, 而高溫進料水具有較低的黏度而產生較高的產量。依據(jù)相關研究[11], 當進料海水溫度從25℃增加到35℃時, 滲透通量增加了34%; 而當進料海水溫度從20℃升高到40℃時, 滲透通量增加了60%, 即每2℃的溫差大約增加6%的滲透流量。因此, 當采用與地熱能相結合的反滲透海水淡化方法時, 利用地熱水加熱海水, 可以提升膜通量, 進而提升產量; 此外, 反滲透的膜過程需要更高的機械能來在冬季泵送冷海水, 以滿足日常生產率, 而依靠干熱巖發(fā)電技術所建立的發(fā)電廠可以滿足反滲透裝置的電力需求, 從而實現(xiàn)熱-電-水聯(lián)產。

選擇程序后，對話框關閉，程序開始仿真，仿真過程如圖6所示，每按下一次空格，軟件讀取一條程序段顯示在命令行的輸入框，并將已執(zhí)行完畢的程序段自動傳遞到輸入歷史框里。與此同時，執(zhí)行的程序對應的刀軌按照插補方式的不同以圖層區(qū)分并繪制在工件輪廓圖上。仿真完畢后，將鼠標放在刀具軌跡線上方，即可通過“超鏈接”[3]方式顯示出該段程序的輔助信息。如圖6所示的超鏈接信息“S30 F0.2 G42”，表示轉速30 r/min，進給0.2 mm/r，程序沿前進方向右偏置。通過鼠標滾輪的縮放并CAD的測量功能，可以測量刀具軌跡與工件輪廓的任意方向的距離，以此得到任意方向的過切量或殘留量。

海南還存在一種地熱海水淡化熱源, 即廢棄的油氣井。廢棄的油氣井可以用作熱源, 由于不需要鉆井, 運行成本低于地熱熱源。使用廢棄油氣井的兩個前提包括: 首先, 它們對環(huán)境友好且不產生任何排放; 其次, 這些油井已經無法再開采油氣。因此, 使用廢棄的油氣井是化石燃料的良好替代品, 可以促進可持續(xù)發(fā)展。油氣井熱源通常被稱為“低溫地熱熱源”, 具有寶貴的能源潛力。利用廢棄的油氣井進行海水淡化, 需要利用經過設計的井下?lián)Q熱器以提取可用的熱量。過程如下[12]: 將水泵入廢棄的油氣井中, 在井中, 水的溫度達到接近100℃并返回到地表, 進行多效淡化或反滲透的加熱過程。此后, 將冷水再次泵送到井中以恢復熱量, 從而實現(xiàn)循環(huán)過程。在海南北部, 如福山凹陷地區(qū), 有很多被遺棄的油氣井, 可以作為海水淡化的熱源重新使用。

3.2 地熱能海水淡化經濟性分析

依據(jù)相關統(tǒng)計[13], 2016年我國海水淡化水年成本在5~8元/m3, 主要包括電力消耗成本、藥劑消耗成本、蒸汽消耗成本以及維護成本等。其中, 日產水能力在萬噸級和千噸級的淡化工廠, 產水成本分別為7.2元/t和6.22元/t。

趙建康等[14]對地熱能海水淡化中采用低溫多效蒸餾法進行了成本分析。指出與采用工業(yè)余熱相比, 利用低溫多效蒸餾方法, 百噸級和千噸級的淡化裝置的綜合成本分別下降81.3%和99.3%, 具有相當顯著的經濟效益。Loutatidou等[15]研究了海灣地區(qū)的兩個基于低溫多效蒸餾和反滲透方式的地熱能海水淡化廠, 指出雖然低溫多效蒸餾方法直接利用地熱, 但卻相當耗能, 低溫多效蒸餾需要的地熱能量比反滲透大約多34%, 由此也使得地熱田使用成本高出58%。然而, 由于規(guī)模經濟, 使得采用低溫多效蒸餾的地熱田成本比反滲透少3%, 因而具有成本優(yōu)勢。另一方面, 使用反滲透方式的主要能耗貢獻者是高壓泵, 幾乎占總能耗的74%, 如果使用地熱能, 則可以顯著降低成本。例如, 位于加利福尼亞州南部的海水反滲透工廠的給水溫度的提高導致了飲用水成本的大幅降低。其中每1℃進料溫度增加, 膜生產率增加約2%~3%, 從而提高淡水產量, 減少成本。

4 地熱能海水淡化優(yōu)勢

地熱能是一種有前途的可再生能源, 由于其擁有可靠且極其穩(wěn)定的能量供應, 非常適合海水淡化。對于海南各種家庭和工農業(yè)用水而言, 使用地熱源海水淡化有如下好處:

地熱能可提供穩(wěn)定可靠的供熱, 確保熱脫鹽和反滲透過程的穩(wěn)定性。地熱能可提供覆蓋恒定的電力需求, 如負荷海水淡化廠。

地熱生產技術(從地下含水層中提取熱水)已經成熟。它不受季節(jié)變化和天氣波動的影響。

海南大多數(shù)地區(qū)的典型地熱源溫度在70~90℃范圍內, 這對于低溫多效淡化是理想的; 而高于100℃的地熱源可用于發(fā)電并為反滲透過程提供電力。

地熱海水淡化具有成本效益, 可以同時進行電力和水的生產。其熱能供應的自給自足和電能供應的潛在自給自足相較其他淡化方式是一大優(yōu)勢。

地熱海水淡化是環(huán)保的, 因為它是該過程中使用的唯一可再生能源, 不會排放與化石燃料有關的空氣污染物和溫室氣體。地熱海水淡化減少了進口化石燃料的使用, 改善了當?shù)氐哪茉窗踩铜h(huán)境可持續(xù)性。

5 地熱能海水淡化面臨的問題

當前海南利用地熱能進行海水淡化時, 還面臨如下問題:

認識問題。利用地熱能進行海水淡化, 首先需要摸清地熱資源分布。而當前海南地熱資源開發(fā)利用中存在的首要問題便是資源摸底不清, 對全島地熱資源儲量缺乏準確的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 從而導致無法量化用于海水淡化的具體前景。

技術問題。由于我國海水淡化技術與世界先進水平相比存在一定的差距, 導致海水淡化設備的國產化率不高, 海水淡化裝置中70%的核心設備需要進口。此外, 海水淡化過程中存在的技術問題, 例如, 降低淡化水中硼含量的問題, 仍需進行大量科研公關。

價格問題。我國長期實行一個水價補貼政策使得多地方有較便宜的水價。而對于從一開始就完全按照市場化方式運作海水淡化工程, 其資金來源大多依賴銀行貸款和自籌, 使得海水淡化不僅需要考慮建設和運行成本, 還要考慮投資效益, 這便加大了淡化水推廣的難度。

研發(fā)資金投入問題。我國海水淡化技術是在國家和各級政府支持下發(fā)展起來的, 與擁有先進技術的國家相比, 不僅缺乏足夠的研發(fā)資金, 也缺少創(chuàng)新和技術研發(fā)平臺。

社會問題。要成功實施地熱能海水淡化, 還需要考慮其它一些重要因素。主要涉及土地利用, 地質災害, 廢熱, 大氣排放, 水足跡, 噪聲和社會經濟問題, 這需要綜合考慮, 制定可行方案。

6 結語

海水淡化是水資源的開源增量技術, 由于其不受氣候條件影響, 因而具有供水穩(wěn)定、水質優(yōu)良等特性。處于我國南端的海南雖然有充沛的降雨量和水資源, 但由于地理和氣候等因素的影響, 仍面臨區(qū)域性、工程性和季節(jié)性缺水問題。而解決海南存在的缺水問題, 海水淡化是一條重要途徑。當前海南需要大力發(fā)展海水淡化, 提高供水保障率。在各種能源驅動的海水淡化方式中, 常規(guī)化石燃料消耗大量能量并且對環(huán)境具有高度破壞性的影響, 而地熱能是為現(xiàn)代海水淡化過程提供動力的有前景的替代選擇。

雖然基于地熱能的海水淡化過程仍存在影響其發(fā)展的技術和社會因素, 但依托國內目前主要采用的兩種海水淡化方式, 即低溫多效蒸餾和反滲透方式, 利用水熱資源、干熱巖地熱資源和廢棄的油氣井, 來提供淡化過程所需的熱源和電力, 可有效減少傳統(tǒng)能源所帶來的環(huán)境和社會問題, 并提高淡水產量, 降低生產成本。

在推動地熱能海水淡化利用進程中, 除了應加大扶持力度, 解決關鍵技術外, 還應借鑒國外先進經驗, 選取若干缺水和用水量較大的市縣進行試點, 逐步推進檢驗合格的海水淡化水進入供水管網, 并在高耗水企業(yè)積極推廣海水淡化水, 從而有效緩解海南存在的缺水問題。