海水淡化厂的处理能力与能量回收对其运行性能的影响

《Energy》：Effect of desalination plants’ capacity and energy recovery on their performance

　　摘要：优化海水淡化厂的规模与技术对于提升其可持续性至关重要。本研究探讨了运行中的海水淡化厂的处理能力以及能量回收装置的应用对其能源、经济和环境性能的影响。以摩洛哥的11座反渗透海水淡化厂为研究对象，根据其处理能力将其分为小型、中型和大型三类。基于实际数据，通过关键指标对这些工厂的3E性能进行了评估。装有能量回收装置的工厂的模拟结果显示，随着处理能力的提升，其3E性能也有所改善。大型工厂的特定电能消耗率分别比中型和小型工厂低5.44%和10.67%。在淡化水成本方面，大型工厂相比中型和小型工厂分别具有27.06%和74.80%的成本优势。从环境角度而言，碳足迹指标的评估显示，大型工厂的环境友好性比中型和小型工厂高0.76%和5.76%。此外，当工厂配备能量回收装置时，其特定电能消耗率、成本和碳足迹可分别平均降低53.83%、79.93%和53.33%。本研究有望为相关设计机构和管理者提供实用指导，帮助他们根据实际需求调整工厂运营规模，降低长期运营成本，并提前应对未来的市场趋势和监管变化。

引言：由于气候变化[1]，全球平均气温在1900年至2020年间上升了1.1°C，加之人口增长和工业化导致传统淡水资源日益枯竭，人们不得不寻求替代方案来满足水资源需求。这种情况要求我们采取紧急、有计划且全面的行动，同时考虑可持续性的所有方面[2]。鉴于海洋是全球最大的水体来源[3]，海水淡化是一种极具前景的方法，该方法通过去除海水中的盐分和其他污染物来获取饮用水[4]。预计到2050年，全球水资源需求将增加67–134%，而到2095年这一数字还将上升至31–242%。一项最新研究指出了一个令人担忧的趋势：到2050年，全球所需的水量将超过可持续供应量的50%，其中热电厂的用水量将达到约1.7立方米/兆瓦时，这进一步凸显了全球淡水资源的压力[5]。尽管海水淡化技术早在1560年就有人开始研究，当时世界上最早的陆上海水淡化厂就已建成[6]，但这一过程虽然能够产出高质量的水，却属于高能耗工艺[7]，其大部分能源需求都来自化石燃料。海水淡化技术的发展受到传统能源的可用性、潜在枯竭程度、成本以及环境影响（如二氧化碳排放）等方面的制约[8]。在全球经济持续发展的背景下，能源需求也在不断上升，这一增长主要源于人口增长以及各行业的社会经济发展[9]。国际能源署最近发布的一份报告表明，这一趋势仍将持续，全球电力需求将呈现逐年上升的态势。据估计，2024年全球电力需求的年均增长率将为3.2%，高于2023年的2.6%[10]。能源消耗是导致碳足迹增加的主要因素，而这又阻碍了海水淡化的更广泛应用[11]。在那些缺乏传统能源或传统能源价格过高的沙漠和偏远地区，人们建议使用可再生能源来推动海水淡化进程[12]。这凸显了可再生能源在解决地球未来面临的重大挑战中所发挥的关键作用[13]。在基础设施较为匮乏的偏远地区，使用可再生能源进行海水淡化更具竞争力[14]。此外，研究还表明，可再生能源在工业海水淡化过程中能够将能源成本降低75-80%，且投资回报期通常在五年以内[15]。可再生能源还有助于创造就业机会，尤其是在发展中国家，它能够推动微型企业的发展[16]。最重要的是，它们还能降低与水资源短缺相关的经济风险[15]。因此，利用可再生能源的海水淡化技术有助于实现饮用水的可持续生产[17]。不过，这类能源的运用成本通常高于传统海水淡化方法，而且成本还会受到地理位置、水质、淡水需求、可再生能源的可用性以及电网接入条件等多种因素的影响。对现有文献的全面分析表明，太阳能是最具经济性和高效性的选择。在理想条件下，太阳能的转化率可达22%至34%，甚至能达到40%[14]。在最佳条件下，每平方米每天可通过太阳能产生5至7升水[14]。显然，在这种背景下，太阳能热能、太阳能光伏能、风能和地热能等技术尤为重要[18]。还有其他研究也采用了可再生能源，比如[19]中提到的研究，该研究旨在为突尼斯的一座大型海水淡化厂寻找最佳的混合能源系统配置。研究人员认为，最佳的配置方案是将60.51兆瓦的并网太阳能电池板与13.64兆瓦的风力涡轮机结合，并利用电池储存能量。此外，采用这种混合系统可使成本大幅降低约29%，同时由于排放量减少，环境效益也会提升，二氧化碳排放量可从7,700吨降至7,142.48吨。 [20]中的研究则旨在评估光伏-热能混合系统与反渗透海水淡化装置结合后的技术性能和经济可行性。研究结果表明，该系统能够很好地满足能源需求，且经济回报期为六年。

摩洛哥的地理条件十分特殊：北部地区属于地中海气候，而阿特拉斯山脉以南的南部和东南部地区则属于干旱气候。该国有两个明显的季节：炎热干燥的季节和寒冷湿润的季节[21]。这些气候特征使得水资源相对匮乏，降雨分布也不均匀，全国范围内存在较大的差异。摩洛哥采取了水资源管理策略，重点在于探索新的水源，尤其是海水淡化技术。由于摩洛哥拥有长达3,500公里的沿海岸线，分布在大西洋和地中海沿岸，而这些地区又面临着快速的城市化、经济发展和旅游业发展带来的压力，因此这一需求更为迫切。这凸显了在这些地区实现可靠水资源管理的重要性[22]。正因如此，摩洛哥一直将海水淡化技术作为解决水资源短缺问题的重要手段。自20世纪70年代以来，国家水电局在海水淡化领域发挥了重要作用，目前该国的海水淡化日处理能力已达205,000立方米。摩洛哥在大型海水淡化方面取得了显著进展，阿加迪尔、拉尤恩、布吉杜尔和阿尔霍塞伊马等城市都建有了海水淡化设施。这些成就体现了该机构在解决水资源短缺问题上的决心。萨菲市的扩建项目进一步证明了这种可持续水资源管理和均衡城市发展的战略方针的合理性[22]。目前，摩洛哥共有15座正在运行的海水淡化厂，其年度总处理能力为1.92亿立方米。这些设施分布在摩洛哥的沿海地区，确保了全国范围内都能获得稳定的淡水供应。除此之外，还有6座新海水淡化厂正在建设中，预计其年度处理能力将为4.383亿立方米。此外，还有13座新的海水淡化厂计划在未来建成[22]。在实现水和能源可持续发展的过程中，膜技术发挥着重要作用[23]。其中一些技术已经被应用于诸如反渗透技术等行业，而反渗透技术也是摩洛哥最常用的海水淡化技术，因为它具有较高的能源效率且成本相对较低[25]。在反渗透过程中，通过施加的压力超过水的自然渗透压，从而使含盐溶液能够透过半透膜。这样一来，反渗透膜就能让淡水通过，同时筛选出盐分和其他污染物[26]。这一过程会产生浓缩的盐水作为副产品[27]。与其他工艺相比，反渗透技术具有诸多优势，比如成本和能源消耗更低[28]，碳足迹也相对较小[29]。此外，与多级闪蒸和多效蒸馏技术相比，反渗透技术还能减少设备腐蚀问题，这可能与环境温度有关[30]。不过，这一技术仍然存在膜污染和水资源回收率不足等问题[31]。海水淡化厂的运行效果主要受技术、环境和运营因素的影响。为了选择最合适的海水淡化方法，有必要对各种关键参数进行评估[32]，比如土地成本、环保法规、与基础设施的布局关系以及面临自然灾害的风险程度等[32]。此外，进水水质，包括其温度以及进水系统的设计，也会影响工厂的运营效率和成本。如果水质不佳，可能就需要采取昂贵的预处理措施，这会对工厂的运营造成不利影响[32]。为避免出现资金超支和效率低下的情况，与选址和预处理方案设计相关的流程必须根据每个地区的具体情况进行调整。此外，为了符合相关法规要求，还需要采用先进的盐水排放和水资源储存方法。尽管这些方法会增加运营成本，但它们也能大大降低对环境的影响[33]。另外，还必须确保淡化后的水符合饮用标准。为此，需要在水分配之前对水的pH值和硬度进行调节。通过全面考虑这些因素，工厂运营者可以提高生产效率，降低成本，实现水资源的可持续生产。这种改进海水预处理和盐水处理的方法包括优化进水水质、遵循法规要求进行盐水管理以及优化后续处理流程[34]。在制定用于弥补水和能源成本的全面财务计划时，需要考虑多种因素，比如融资条件、摊销期限、通货膨胀率，以及土地和建筑成本上升、利率和行政开支等长期变量[32]。运营和维护成本，包括膜和设备的更换、熟练劳动力的需求以及员工培训费用，也至关重要。研究表明，合理的员工培训能够提高生产效率，减少停机时间，并优化消耗品的使用[35]。此外，在选择水采购合同时，还需要考虑合同条款、法规要求以及潜在的政治风险，因为这些因素都可能导致融资成本上升。通过全面考虑这些要素，项目规划者能够确保工厂在整个生命周期内的经济可持续性[32]。

前人研究及本研究的贡献：对现有文献的全面分析表明，目前还没有任何研究同时针对在同一地理、气候和经济环境下运行的、配备不同能量回收装置的海水淡化厂，探究其处理能力以及能量回收装置的应用对其能源、经济和环境性能的影响。正是为填补这一研究空白，本研究才得以开展。

摩洛哥的海水淡化状况：根据国家水电局的数据[44]，摩洛哥的供水行业在多个方面都面临挑战。对于那些位于水资源匮乏地区的城市来说，获取水资源十分困难，这种情况下往往需要从其他流域调水或依靠海水淡化厂来补充饮用水供应。例如，摩洛哥的一些大城市就需要通过跨流域调水或海水淡化来保障饮用水供应。而在农村地区，当地的水资源在数量上往往十分有限。

特定电能消耗：海水淡化过程属于高能耗工艺，不过其能源需求会受到多种因素的影响。这些因素包括项目设计、溪流水质、机械设备与技术以及系统安装容量[52]。ERD的引入使得可以重新利用渗余水，这些水随后会被送回进水流中。在进水流量保持恒定的情况下，可以进行更精确的计算。方法本研究采用的方法流程图如图3所示，重点展示了其中的各个关键步骤。第一步是从摩洛哥基于反渗透技术的运营工厂收集实际数据。当前的方法是根据截至2023年8月摩洛哥现有海水淡化厂的淡水生产能力对其进行了分类。这些工厂的规模被划分为以下几类：小型（小于10,000立方米/天）、中型。结果与讨论本部分旨在展示并分析对摩洛哥不同海水淡化厂应用3E指标后，海水淡化厂产能以及ERD安装对其整体性能影响的评估结果。结论与建议本研究探讨了海水淡化厂的产能及其配备ERD的设备对摩洛哥海水淡化厂3E性能的影响。首先，研究利用了从运营工厂收集的实际数据。之后，通过仿真模型评估了具有相同ERD配置的工厂在不同产能下的效果，以此来了解具有类似ERD特征的工厂的产能对其性能的影响。结果CRediT作者贡献声明Chaimae El younossi：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件使用，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。Abdellah El Fadar：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，指导监督，方法论，调查研究，形式分析，概念构建。数据可用性这些数据可应要求提供。利益冲突声明? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了摩洛哥国家科学技术研究中心“博士-联合奖学金——PASS”计划的支持。C. El younossi|A. El Fadar丹吉尔国家应用科学学院创新技术实验室