《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Hybridization of Innovative Seawater Thermal Desalination Technologies up to ZLD with sCO2 Concentrated Solar Power Plants
编辑推荐：
该研究提出了一种对创新性热海水脱盐技术组合的深入洞察，该组合由从聚光太阳能电站（CSP）的超临界二氧化碳（sCO2）循环冷却器中回收的显热废热驱动。在正渗透（FO）装置中，研究人员采用热响应驱动剂，利用50至75°C的低品位显热，以89
该研究提出了一种对创新性热海水脱盐技术组合的深入洞察，该组合由从聚光太阳能电站（CSP）的超临界二氧化碳（sCO2）循环冷却器中回收的显热废热驱动。在正渗透（FO）装置中，研究人员采用热响应驱动剂，利用50至75°C的低品位显热，以89 kWhth/m3的热耗从海水中分离出60%的可用淡水。在高达90–100°C的温度下，研究人员将废热用于真空膜蒸馏（VMD）装置（采用创新布局），将盐水浓度提升至接近结晶点，热耗为187 kWhth/m3。最后，研究人员利用循环中的低温显热运行结晶器以沉淀盐分并回收其中一部分。该研究提出了一种串联多种热脱盐技术以达到零液体排放（ZLD）的新型集成方案，并将系统与下一代可再生聚光太阳能电站进行混合，展示了两种技术的技术吸引力。通过对塞维利亚一座100 MWel CSP电站的太阳能发电部分进行年性能模拟，研究人员评估的年淡水产量为3.39 Mm3/年，分离盐分32 kton/年，等效运行小时数为4040小时。所提出的配置导致总体比热耗为156 kWhth/m3，这在恒定输出产品条件下低于传统脱盐方案的水平，水回收率达到95%，从而减少了商业工厂中与盐水管理相关的问题。
**论文解读：创新海水热脱盐技术与sCO
2聚光太阳能电站的混合系统迈向零液体排放**
**1. 研究背景与问题**
21世纪淡水短缺是重大挑战，人口增长与气候变化加剧了这一危机。全球脱盐产能快速增长，但主流技术存在显著局限：反渗透（RO）依赖高压驱动，电耗约4 kWh
el/m
3，且水回收率（RR）仅40-50%；多效蒸馏（MED）等热驱动技术虽比热耗（STEC）较低（70-90 kWh
th/m
3），但受结垢限制，RR同样不高。这些技术共有的关键问题是产生大量高盐度浓盐水，因而近些年零液体排放（ZLD）概念备受关注。正渗透（FO）与膜蒸馏（MD）等新型热驱动膜过程可利用低品位热量（<100°C）运行，有望突破RR限制。与此同时，聚光太阳能电站（CSP）与脱盐过程的共生集成是一个有前景的路径：CSP的废热可驱动脱盐，但传统蒸汽Rankine循环的抽汽会显著降低电力输出。近年来，超临界二氧化碳（sCO
2）布雷顿循环因其高效率及在50-100°C范围内释放大量显热废热的特性，为水电共生开辟了新前沿。已有文献探讨了CSP与MED或FO的结合，但尚未将FO、VMD与结晶器串联以实现ZLD的系统集成纳入研究，这构成了显著的研究空白。为此，研究人员开展了此项研究，旨在提出一种全新的混合概念，充分利用sCO
2循环的显热废热，实现超过90%的RR并逼近ZLD，同时保持低于传统MED方案的整体比热耗。
**2. 关键技术与方法**
研究人员主要采用以下关键方法：（1）**正渗透（FO）装置**：使用热响应驱动剂Polycerin 55GI-2601，利用50-75°C低品位热进行液-液相分离，结合纳滤（NF）膜分离淡水与驱动剂；（2）**真空膜蒸馏（VMD）装置**：采用商用α-氧化铝陶瓷管状膜（IKTS公司），通过多级级联布局回收潜热，利用75-100°C热源处理高盐度盐水；（3）**结晶器与盐水浓缩器**：采用单级VMD与空气冷却，利用50-75°C热源沉淀盐分；（4）**CSP太阳能场与sCO
2布雷顿循环**：基于西班牙塞维利亚的太阳辐射数据，使用Solarpilot工具进行光学与热效率模拟，循环始终满负荷运行以确保脱盐单元输入温度恒定。所有膜传质传热模型均基于一维数值离散方法，并经文献实验数据验证。
**3. 研究结果**
**3.1 正渗透装置性能（Performance of the forward osmosis plant）**
通过敏感性分析确定了FO装置的最佳操作参数：驱动剂入口浓度45%，海水入口温度25°C，驱动剂侧温度45-75°C。结果显示，FO段的RR达到60.0%，STEC为89 kWh
th/m
3，平均水通量（J
w）为1.18 kg/m
2/h（0.6-1.9 kg/m
2/h变化）。纳滤膜因Polycerin分子尺寸大而实现无限选择性，电耗极低。
**3.2 真空膜蒸馏装置与结晶器性能（Performance of the VMD plant and crystallizer）**
VMD装置以FO出口盐水（盐度8.3%wt）为进料，最佳级间温差ΔT
STAGE为4°C，入口温度83°C。每级水通量从第一级的14.7 kg/m
2/h降至第六级的5.1 kg/m
2/h，最后两级因真空侧压力低而回升至13.7-18.8 kg/m
2/h，整体平均J
w为9.1 kg/m
2/h，STEC为189 kWh
th/m
3。结晶器将盐水从20%wt浓缩至27.55%wt，分离出6%的进料质量流作为盐分，42%作为淡水，剩余52%的饱和盐水（盐度26.61%wt）被排放至太阳能蒸发塘。
**3.3 CSP+D年度分析与关键性能指标：能源与淡水生产（CSP+D annual analysis and KPI: Energy and freshwater production）**
基于塞维利亚100 MW
el CSP电站的年模拟，太阳能场净发电量404 GW
el/年（容量因子46%，等效小时数4040 h），向脱盐部分提供576 GWh
th/年废热。整体系统STEC为156 kWh
th/m
3，总体RR为95.0%，年淡水产量3.39×10
6 m
3/年，盐分离量32.3×10
3 ton/年。辅助电耗仅占发电量的0.5%（2.0 GW
el/年），比电耗（SEEC）为0.59 kWh
el/m
3，比MVC电驱动方案低1-2个数量级。
**3.4 年度分析与关键性能指标：经济分析与系统占地面积（CSP+D annual analysis and KPI: Economic analysis and system footprint）**
初步经济分析显示，系统初始CAPEX约1.1亿欧元（包括间接成本与应急成本），其中约一半用于膜，另一半用于换热器（HX）。膜每5年更换一次。平准化水成本（LCOW）为5.8 �/m
3，其中45%来自前期资本，14%来自运维，41%来自膜更换。敏感性分析表明，LCOW在5.3-6.3 �/m
3范围内波动，说明结果稳健。系统占地面积指标：HX总面积指标161 m
2HX m
-3·10
3 year
-1，膜面积指标102 m
2Membrane m
-3·10
3 year
-1；VMD所用空冷HX面积远大于液体/蒸汽HX。设计条件下淡水比产率为0.302 liter/m
2Helio/hour，年比产率为2.65 m
3/m
2Helio/year。
**4. 结论总结**
该研究开发并展示了一种新型CSP+D混合电站配置，该配置与sCO
2循环及底部脱盐装置（直至ZLD）高度有效结合。系统整体STEC为156 kWh
th/m
3，回收率95%，充分利用了动力循环的所有废热。研究证明了Polycerin 55GI-2601作为FO驱动剂的优异性能（RR 60%，STEC 89 kWh
th/m
3），以及α-氧化铝陶瓷管状膜在VMD中处理高盐度盐水（20%wt）的高渗透通量（平均J
w 9.1 kg/m
2/h）。基于塞维利亚100 MW
el CSP电站的年度分析表明，年比水产量可达2.65 m
3/m
2Helio/年，盐分经济价值可观，且脱盐辅助电耗仅占年发电量的0.5%（SEEC 0.59 kWh
el/m
3）。初步经济评估显示LCOW约5.8 �/m
3，对于容量因子仅46%的脱盐电站而言极具潜力，更高容量因子的CSP电站可进一步降低成本。未来工作可扩展FO驱动剂与MD技术方案的研究，并开展与光伏-反渗透系统的对比分析。
