基于火电厂冷却水余热回收的太阳能蒸馏海水淡化系统：一种低泵耗机械动力工程方法

《Scientific Reports》：Waste heat recovery from power plants for solar desalination: a mechanical power engineering approach

　　

本研究提出了利用火电厂冷却水余热驱动太阳能蒸馏器（solar still）的热力设计。主要目标是借助太阳能蒸馏技术提升能量回收率，并最大限度地降低机械能耗。本文介绍了一种利用火电厂冷却水中的自由能进行海水淡化的创新方法。该冷却水除对环境产生有害影响外，也被视为一种废弃能量。通过将部分冷却水引入太阳能蒸馏器而非直接排入海中，可减少其热污染。研究以容量为1,300 MW、热排放量为45 m3/s、温差为10°C的Ain Sokhna火电厂为案例。研究方法如下：设计采用太阳能蒸馏器的海水淡化厂，并估算基于电厂冷却水流量的太阳能蒸馏器单元数量以及所需土地面积。研究人员利用电厂部分区域建造太阳能蒸馏单元区块，并使用部分电厂冷却水进行供水。设计了一条带开孔喷嘴的水管道，用于向各区块每一排供水。计算了供水管道沿程的总能量。利用自然界存在的地面高程模型，在无需提升泵的情况下依靠重力自由输水839 m，即超过管线总长度四分之三的距离，仅需在管线末端配置一台0.584 kW的泵。估算了温室气体（greenhouse gas, GHG）排放的减少量，并将常规海水淡化工艺与本研究的工艺进行了比较。产水量为212.6 m3/天，占地面积为50,344 m2，单元数量为12,505个，GHG减排量（与多级闪蒸（Multi Stage Flash, MSF）相比每年减少44.73吨CO₂，与反渗透（Reverse Osmosis, RO）相比每年减少7.16吨CO₂），平准化水成本（Levelized Cost of Water, LCOW）为0.657美元/m3。

**一、研究背景与问题提出**

埃及正面临日益严峻的水资源短缺问题。尼罗河供水能力有限，人口以每年约200万的速度增长，人均水资源占有量已从1962年高坝建成时的每年2,000 m3降至目前约500 m3，远低于每年1,000 m3的水贫困线。气候变化进一步加剧了压力，包括尼罗河三角洲沉降、海平面上升以及气温升高导致的蒸发损失。在此背景下，海水淡化被视为补充非传统水资源的关键途径，但传统淡化技术能耗高且依赖化石燃料，导致大量温室气体排放。热法工艺能耗约为1.5至12 kWh/m3，反渗透工艺能耗约为3至5.5 kWh/m3。与此同时，火电厂冷却水携带大量低品位余热，直接排放至海洋不仅造成能量浪费，还形成热污染。现有研究虽已探索太阳能与淡化工艺的集成，但大多集中于光伏耦合或能效改进，缺乏将火电厂冷却水余热与大规模太阳能蒸馏阵列相结合、并同时通过被动重力驱动最大限度降低泵送能耗的详细水力工程设计。该项研究正是针对这一空白，以埃及Ain Sokhna火电厂为案例，提出一种将余热回收、太阳能蒸馏与重力驱动输水集成的热力淡化新框架。

**二、研究内容与总体结论**

研究人员以Ain Sokhna 1,300 MW火电厂为研究对象，该电厂冷却水排放量为45 m3/s，温差为10°C。研究利用QGIS平台开发了专门算法工具，设计了由12,505个太阳能蒸馏单元组成的淡化厂，占地50,344 m2，日产淡水212.585 m3。供水管道系统通过利用自然地面高程，实现了839 m（超过管线总长四分之三）的重力自流输水，仅需在末端配置0.584 kW的辅助泵。系统回收余热约2.48 MW，与常规MSF和RO工艺相比，每年可分别减少44.73吨和7.16吨CO₂排放，平准化水成本为0.657美元/m3。该方案证明了利用电厂废弃热能进行低成本、近零排放海水淡化的技术可行性，为沿海干旱地区提供了可持续淡水供给的工程解决方案。

**三、主要关键技术方法**

该研究基于QGIS 3.22.10平台开发了专用算法工具，用于计算管道热损失、太阳能蒸馏器产水量、经济分析及CO₂排放。水力设计采用Hazen-Williams方程计算管道沿程摩擦损失，Darcy方程计算管件局部损失，Bernoulli方程确定净水头与泵功率。热损失评估采用Fourier导热定律与对流换热公式。利用自然地形高程模型实现重力驱动输水设计。通过敏感性分析（±10%参数变化）检验系统鲁棒性，并进行初步技术经济评估（资本支出CAPEX、运营支出OPEX及LCOW）。案例数据来自Ain Sokhna火电厂（苏伊士，距开罗125.09 km），全球水平辐照量为2,121 kWh/m2/年。

**四、研究结果**

**太阳能蒸馏装置布局与产水能力。** 研究在电厂区域内规划了四个蒸馏单元区块：第一区块长170 m、宽93 m，含47排、每排85个单元；第二区块长90 m、宽127 m，含64排、每排45个单元；第三区块长80 m、宽184 m，含92排、每排40个单元；第四区块长150 m、宽51 m，含26排、每排75个单元。四个区块合计12,505个单元，总产水量212.585 m3/天。系统设计为每日早晨一小时内完成注水，相应流量为0.059 m3/s（59 kg/s），由此回收的余热量为2.48 MW。

**管道水力设计与重力输水。** 供水主管从电厂冷却水出口引出，直径30 cm、长535 m，设有4个90°弯头和4个阀门；随后分四条支管分别向四个区块供水，直径分别为20 cm、17 cm、15 cm和10 cm，长度分别为166 m、138 m、196 m和48 m，共设置229个出水喷嘴。沿管道方向流量逐渐递减，每100 m减少约2%，确保各喷嘴供水均匀；流速从入口的0.9 m/s降至末端的0.3 m/s，水头损失逐渐累积至2.4 m。水力坡度线在839 m距离内始终高于管道剖面线，水流依靠重力自由流动；仅在该距离之后需0.584 kW泵功率补充水头以推动水流至管线末端。管道采用良好保温措施，使沿程水温剖面几乎保持恒定，保障了蒸馏效率。

**余热回收与GHG减排。** 与常规淡化工艺相比，若同等产水量由MSF工艺生产，需消耗25 kWh/m3能量，对应CO₂排放量44.73吨/年；若由RO工艺生产，需消耗4 kWh/m3，对应CO₂排放量7.16吨/年。本研究系统利用火电厂废弃余热与太阳能，实现了上述GHG排放的完全消除，年减排量分别为44.73吨CO₂（对比MSF）和7.16吨CO₂（对比RO）。

**Techno-economic assessment。** 初步技术经济评估涵盖了太阳能蒸馏器喷嘴等资本成本、年度运营成本及财务指标。计算得到的LCOW为0.657美元/m3，与传统海水淡化工艺相比具有竞争力，同时能耗和GHG排放显著降低。该结果初步验证了系统在经济上的可行性与吸引力。

**Brine disposal and environmental mitigation measures。** 针对系统产生的高温浓盐水，研究提出三项缓解措施：与冷却水混合稀释以降低盐度和温度；采用多孔扩散器系统增强与海水的混合；严格遵守埃及环境保护法第48/1982号，要求排放点温升不超过环境海水温度3°C、盐度增加不超过背景值10%，并监测pH、溶解氧和重金属指标。全面实施前需完成环境影响评估（EIA）。

**敏感性分析。** 对太阳辐射、进水温度和环境温度三个关键参数分别进行±10%变化测试。结果表明系统对进水温度最为敏感（产水量变化±14%），其次是太阳辐射（±9.2%），对环境温度敏感度最低（±6%）。这凸显了火电厂稳定余热供应对系统性能一致性的关键作用。

**五、总结讨论与研究结论**

讨论部分明确指出该研究仍处于概念设计阶段，所有性能指标（效率、产水量、LCOW）均为基于文献关联式的理论估算，尚需中试规模实验验证。51%效率提升的假设引自既有文献，产水量假设基于埃及典型太阳能蒸馏器性能，GHG计算基于标准排放因子，LCOW未包含潜在意外成本。此外，系统产水能力本质上依赖太阳辐射、环境温度和风速等气候条件。

研究结论可归纳为：本研究的核心贡献在于建立了一个将余热回收、太阳能利用与重力驱动流体输送相结合的热力淡化耦合框架。与传统淡化方法不同，该系统在通过有效能量再利用提升热效率的同时，将机械能耗降至最低，为沿海和干旱地区淡水生产提供了可持续的工程解决方案。主要理论发现包括：太阳能蒸馏淡化厂被设计为从Ain Sokhna火电厂取用部分热水从而减少热污染；可用土地面积50,344 m2上布置12,505个太阳能蒸馏单元，日产淡水212.585 m3；与MSF和RO工艺相比显著减少GHG排放；估算LCOW为0.657美元/m3，在提供更低能耗和GHG排放的同时具备与传统淡化方法相当的经济竞争力。研究建议在电厂附近具备盐水体条件的所有可用场地推广建设此类太阳能蒸馏厂，并强调在全面实施前需进行中试实验验证、CFD建模以及针对具体场址的环境影响评估。