反渗透海水淡化厂的地热能集成：满足多变用水需求的灵活设计与清洗维护计划

《Journal of Cleaner Production》：Integration of geothermal energy in RO desalination plant: Flexible design meeting variable water demand with cleaning and maintenance schedule

　　

摘要：海水淡化技术被用于满足全球日益增长的淡水需求，但无论是热法工艺还是膜法工艺，都是极度耗能的过程。近年来，由于世界部分地区发生战争，全球以化石燃料为基础的能源供应经历了动荡，因此考虑为海水淡化提供替代和可再生能源来源显得极为重要。本研究探讨了低焓地热资源为一座三阶段反渗透(RO)海水淡化厂提供部分所需能源的潜力，该厂旨在为阿联酋马斯达尔城4万人口提供淡水。由于淡水需求在全年各时段不断变化，该厂灵活设计，配备储罐，并使用可拆卸压力容器(PV)在全年进行清洗和维护（计划性维护），而无需在任何时候停机。为避免使用庞大的储罐，RO厂在每个月末运行以产生最小量的剩余水，从而确保每个月至少清洗一次储罐。本研究使用ASPEN HYSYS软件设计了有机朗肯循环(ORC)发电厂，该电厂利用马斯达尔城的地热田产生1兆瓦电力，效率为10%，随后用于满足RO厂部分电力需求。研究表明，将低焓地热能与RO厂整合可减少化石燃料依赖，通过抵消运行RO系统所需的外部电力来实现。结果显示，地热能可提供相当大的化石燃料替代效果，在淡水需求高峰期可占所需外部能源的28.87%，在淡水需求低谷期可达55%。

引言：全球变暖的加剧正显著影响着淡水地表水的可用性，导致供应链和农业生产受到干扰。此外，人口的快速增长和对生活质量改善需求的增加对有限的淡水可用水量构成了巨大压力。在每年世界人口增加约8000万人的同时，淡水需求以每年640亿立方米的速度增长，到2030年需要每年6900亿立方米的淡水(Mujtaba和Sowgath, 2022)。为解决全球淡水短缺问题，海水淡化技术已成为生产饮用水的可行且可靠的技术。2021年全球调查显示，全球有超过20,000座海水淡化厂，每天生产超过1亿立方米的水，为数亿人口提供饮用水、工业用水和灌溉用水(MOSCHINI, 2023)。最常用的海水淡化技术是热法技术和膜法技术(Lawal等, 2023)。近年来，涉及同时使用热法和膜法来淡化水的混合海水淡化工艺在工艺设计和最优运行方面取得了显著进展(Al-Hotmani等, 2019; Al-Obaidi等, 2024a, 2024b)。事实上，当前的主题是海水淡化的可持续性是通过将其视为详细的能源-资源系统的一个组成部分来实现的，而不是作为一个孤立的生产淡水过程。在这方面，(i) 海水淡化由低碳或替代热能驱动；(ii) 有用能的回收允许减少化石燃料消耗；(iii) 通过闭环技术避免盐水的处置(Moharram等, 2021, 2024, 2025)。

传统海水淡化技术消耗大量能源来运行相关系统，其中大部分依赖化石燃料作为主要能源来源(Al-Hotmani等, 2021)。2008年的报告指出，沙特阿拉伯约四分之一的石油总产量被用于运营海水淡化厂，造成了大量环境污染和碳排放(Goosen等, 2010)。然而，预计全球石油储量将在长期内显著下降(Mustapha, 2018)。此外，近年来世界各地的战争，特别是在中东地区，使基于化石燃料的能源供应变得更加昂贵和不稳定。因此，有必要更快地过渡到在海水淡化厂中利用和整合可再生能源，以实现可持续的供水。在海水淡化过程中利用可再生能源有两种形式，即通过(i)向热法海水淡化厂提供热量，和(ii)提供电力以制取加热蒸汽和泵送压力来分离水和盐。海水淡化过程中最常用的可再生能源包括太阳能热、光伏(PV)、风能和地热能(Prajapati等, 2021)。目前，全球各地大约有23,000座依赖可再生能源的海水淡化厂(Takabatake等, 2021)。

基于地能的能源系统近年来越来越受到关注。地热能是一种自然且持续可用的能源，主要从地球内部流向地表。地下温度以及地热能在地表以下一定深度处达到稳定值，因此不需要热能储存系统(Loutatidou和Arafat, 2015)。地热能可以提供稳定的能源供应，确保海水淡化过程可以持续运行而不会中断，而太阳能或风能则是间歇性的能源来源(Alsarayreh等, 2021; Rashid等, 2022)。

地热能可用于水进入淡化过程前的预热，从而提高淡化过程的效率(Gude等, 2010)。它还可以提供稳定的能源来源，为反渗透(RO)海水淡化过程中的高压泵供电，从而减少对传统电力来源的依赖。

地热资源的可行性由多个因素决定，包括地下水温度、地下水深度、岩石结构的化学成分和水动力学参数(Shah等, 2018)。地热资源的地点、几何结构和地下水成分对地热梯度有显著影响。地热井的温度梯度是地热资源评估中最关键的参数之一。典型梯度在每100米井深2.5到3.0°C之间变化(Loutatidou和Arafat, 2015)。事实上，地热资源的焓水平是根据地热资源温度来确定的。相应地，地热资源可分为三类：i) 高温地热资源，温度超过200°C；ii) 中温地热资源，温度在150°C到200°C之间；以及iii) 低温地热资源，温度低于150°C(Dickson和Fanelli, 2013)。地热能的成功利用受资源类型控制(Christ等, 2017)。例如，高温地热资源主要通过蒸汽驱动的地热系统发电。然而，由于水温相对较低难以产生蒸汽，利用低温地热资源发电具有挑战性。因此，采用ORC或卡琳娜循环的二元循环成功用于利用低温地热资源发电(Sharmin等, 2023)。

利用地热资源发电的可行性已被几个国家的多位研究人员进行了批判性分析。例如，在切纳温泉(Geothermal Power Plant)使用74°C(306 kJ/kg)的地下水温度安装并使用了地热发电厂，产生了400千瓦的电力(Erkan等, 2008)。Amoatey等(2021)评估了十三个中东国家的地热潜力，特别关注地热储层的性质及其热能电力。研究表明，大多数地热资源属于低到中温。中东地区被认为具有显著的地热潜力，因为它们靠近地球的构造边界，在一定范围内可以观察到火山活动(Loutatidou和Arafat, 2015)。在阿联酋(UAE)，Ain Khatt、Air Fiada和Mubazzarah等地区报道了低焓地热资源(Saibi, 2018)，预计在Ain Khatt可产生216千瓦电力，在Air Fiada和Mubazzarah可产生约11.5兆瓦电力。Jamil等(2016)确定了阿联酋马斯达尔城另一地热田的发电能力为5兆瓦。

公开文献中可以找到多项成功利用地热资源进行海水淡化的研究。例如，2004年在希腊米洛斯岛建造了一个多效蒸馏(MED)系统，利用太阳能和低焓地热资源淡化海水。该系统以7%效率的有机朗肯循环(ORC)运行，产生470千瓦能量来加热盐水。系统产水量为80立方米/小时，每立方米水的生产成本平均为2美元(Christ等, 2017)。Gude(2016)提出了一种混合多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED)系统的设计，利用80°C的地热能源运行并淡化墨西哥下加利福尼亚州的咸水。2018年，对使用100°C低温地热水资源在阿拉伯海湾合作委员会(GCC)国家设计RO和MED海水淡化厂以日产30,000立方米进行了专项经济评估(Abdelkareem等, 2018)。该研究表明，成功应用了RO和MED方法，结合低温地热资源生产淡水。Shah等(2023)对地热资源如何为海水/咸水淡化发电进行了全面评估，在可持续发展方面调查了此类资源进一步部署的主要风险、机遇和限制。结果表明，地热海水淡化有潜力以比化石燃料技术更环保的方式解决全球水资源短缺问题，其可能的优势包括整体过程的更低能耗和减少的CO2排放。然而，地热资源的具体特征和场址特征至关重要，此外还有运营风险和系统限制问题。另一项研究由Siddiqui和Ishaq(2023)进行，他们设计并热力学评估了一个地热驱动的集成三联供系统，同时产生电力、淡化和热水。在这方面，研究人员开发了一种二元地热配置，将基于异丁烷的ORC用于发电，与闪蒸蒸馏系统用于海水淡化相结合，同时利用剩余的地热热通过额外换热提供热水。结果表明，涡轮机输出功率为2262千瓦，淡水生产率为11.09千克/秒，总能量效率达到23.5%，?效率为28.9%。具体而言，ORC贡献7.9%(能量)和51.1%(?)的效率，而闪蒸蒸馏子系统的效率为9.3%(能量)和2.7%(?)。

2025年，Zoromba等(2025)开发了一种混合系统，利用地热能同时通过ORC技术与多效蒸馏(MED)工艺结合进行海水淡化来产生电力和淡水。此外，研究人员还使用平准化成本组件(水的LCOW和电力的LCOE)提供了财务可行性分析。结果表明，地热资源温度的升高对发电和海水淡化的效率都有提升作用。淡水产量约为每天4708至4750立方米，涡轮机在最高温度150°C时效率达到最大约1800千瓦。然而，由于热力学损失，ORC在高温下效率下降。此外，混合系统的电力成本约为每千瓦时0.07美元，海水淡化成本约为每立方米1.05美元，表明地热热可以成功地用于能量和淡水的集成生产。

尽管已有几篇关于多级RO工艺海水淡化的设计、运行和优化方面的研究发表(Mujtaba和Sowgath(2022)列举了其中一些)，但没有特别关注可再生能源地热资源的整合和/或生产电力以运行RO过程。此外，缺乏使海水淡化厂持续运行并内置清洗和维护实践的研究。此外，值得注意的是，关于设计海水淡化厂以满足全年变化需求以及在可变海水温度下运行的文献较为稀缺。Hawaii和Mujtaba(2011c)考虑了MSF工艺在满足一年四个不同季节(夏、秋、冬、春)变化需求的最佳运行，采用一个储罐来满足需求。

Said等人（2013年）和Sassi与Mujtaba（2013年）分别考虑了多效闪蒸（MSF）和反渗透（RO）工艺的最优运行问题，但其研究中仅设置一个储水箱来满足24小时内的可变需求，并未考虑全年需求的变化。Sassi与Mujtaba（2013年）考虑了每日对反渗透压力容器（PV）进行维护，这在实践中可能不切实际。可以合理地认为，上述研究均未考虑储水箱的清洗问题。具体而言，本研究旨在解决现有技术文献中的一些关键空白，提出一种灵活的反渗透工厂方案，该方案能够全年连续运行，并内置维护和清洗的时间窗口。所提出的系统利用低焓地热资源生产饮用水，其淡水盐度约为500 ppm，符合世界卫生组织（WHO）的指南标准。该工厂设计为能够满足阿联酋马斯达尔城40,000人口的饮用水需求，按每人每天500升的用水量计算（Hilal，2022年）。此外，所提出的工厂还设计为每月生产少量的多余水量，以避免使用大规模且高成本的储水箱。为系统地开展本研究，开发了一种有机朗肯循环（ORC）的仿真模型，用于利用阿联酋的低焓地热资源并产生电能以驱动反渗透海水淡化工厂。有机朗肯循环的仿真采用Aspen HYSYS软件进行，根据输入数据和工厂所需发电量选择最高效的工作流体和运行参数。有机朗肯循环模型与Al-Obaidi等人（2022年）开发的反渗透模型进行了集成，从而形成了用于集成工艺的混合模型。为确保有机朗肯循环-反渗透混合系统的可行性，将利用地热能的反渗透工厂与以国家电网电力满负荷运行的单一反渗透工厂在节能方面进行了对比。

**各章节摘要**

**反渗透海水淡化工艺描述**

Al-Obaidi等人（2022年）设计的多级反渗透海水淡化工厂配置如图1所示。在该设计中，原水进入第一阶段，浓缩液作为进料进入第二阶段。最后，第一阶段和第二阶段的渗透液汇合后作为淡水从工厂输出。该方法已在海水处理领域得到实际应用，因其具有较高的回收率。当前研究采用了相同的多级反渗透配置。

**饮用水需求**

图3展示了意大利某特定地点全年不同月份的用水量变化情况（Alvisi等人，2007年；Hawaidi，2011年）。结果表明，夏季用水量较高，与气温升高有关。阿联酋普通居民的最高用水量每天为500升（Hilal，2022年），约为全球平均水平的一半。该工厂设计用于满足40,000人口的供水需求，在用水量高峰期为20,000立方米/天。

**结果与讨论**

本节重点展示多级反渗透过程的仿真结果（如图6所示），同时研究运行温度、进料流量、压力容器（PV）数量和运行压力对反渗透工艺指标的影响，即产品水盐度、淡水产量和比能耗。此类评估有助于合理选择适当的压力容器数量和运行参数，以满足每月的用水需求。

**结论**

由于近期世界各地战事的爆发，化石燃料能源的稳定供应变得更加不确定。在世界大多数地区，采用不同技术对海水和微咸水进行淡化已成为不可避免的选择，但这些技术高度耗能。因此，利用替代和可再生能源进行海水淡化显得极为重要。作为一种能源来源，地热能在驱动反渗透海水淡化工厂方面具有很大的吸引力，因为它是……

**CRediT作者贡献声明**

Abdelrahman Nosir：撰写—初稿，研究方法，调查研究。Mudhar Al-Obaidi：撰写—审阅与编辑，软件。Mostafa H.A. Mohamed：撰写—审阅与编辑，概念构思。Iqbal M. Mujtaba：撰写—审阅与编辑，监督，研究方法，概念构思。

**资金**

本研究未获得任何资金资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Abdelrahman Nosir | Mudhar Al-Obaidi | Mostafa H.A. Mohamed | Iqbal M. Mujtaba