海南地?zé)崮芎Ｋ尚行蕴接?/h1>
2020-02-07 17:55:44劉睿賢
海洋科學(xué) 2020年1期
劉睿賢 , 田 紅 , 竇 斌
(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心, 湖北 武漢 430074)
海南省位于我國(guó)南端, 是僅次于臺(tái)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(wàn)人, 人均擁有水資源量5 342 m3, 人均綜合用水量490 m3, 位于國(guó)內(nèi)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(zhǎng)遠(yuǎn)考慮, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 以及面臨的缺水少水和干旱問題, 海南省需構(gòu)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(duì)改善海南用水情況發(fā)揮至關(guān)重要的作用。隨著科技的不斷進(jìn)步, 當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域?qū)⑹褂每稍偕茉催M(jìn)行海水淡化作為研究的前沿方向。地?zé)崮茏鳛橐环N海水淡化的新能源方式, 近年來已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)關(guān)注, 海南可以考慮通過開發(fā)其地?zé)豳Y源來支持海水淡化過程并為省內(nèi)工業(yè)和農(nóng)業(yè)部門供應(yīng)淡水, 以減輕水資源緊張的局面。本文基于海南水資源和地?zé)豳Y源分布情況, 對(duì)地?zé)崮芎Ｋ鹘?jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性探討, 指出其中存在的問題, 并提出推進(jìn)地?zé)崮芎Ｋ南嚓P(guān)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(dá)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(shí)空分布極不均勻, 導(dǎo)致了冬春干旱時(shí)常發(fā)生(圖2), 嚴(yán)重影響了居民的生產(chǎn)和生活[3]。再加上需水高峰與枯水期疊加、水資源浪費(fèi)及臺(tái)風(fēng)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年海口在用水高峰季節(jié)每天需量短缺6萬(wàn)~8萬(wàn)t; 且近5年來, 需水量年均保持約3.5%的增長(zhǎng)速度, 使得?？诿媾R十分嚴(yán)峻的供水保障形勢(shì)。
圖1 2016年海南省年降水量(改自2016年海南風(fēng)洪旱災(zāi)害公報(bào), 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(shí)所達(dá)級(jí)別分布 Fig. 2 Grade distribution of meteorological drought in all cities and counties of Hainan Province in 2016
2 海南地?zé)崮苜Y源分布
地?zé)崮苁且环N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?zé)豳Y源以水熱型為主, 全島水熱資源受地質(zhì)構(gòu)造、巖石地層及地貌的控制, 總體可分為兩類, 分別為基巖構(gòu)造裂隙帶狀熱水型和孔隙層狀熱水型[6]。已發(fā)現(xiàn)的構(gòu)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(chǔ)量約為10萬(wàn)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(nèi)埋藏較深, 西南部自流盆地內(nèi)埋藏相對(duì)較淺, 水溫相對(duì)低, 呈現(xiàn)不連續(xù)的薄層狀。
此外, 海南省北部深層地?zé)岬刭|(zhì)條件良好, 瓊州裂谷南側(cè)的瓊北擁有優(yōu)質(zhì)的干熱巖地?zé)崮苜Y源。2018年3月23日, 中國(guó)第一口具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干熱巖開發(fā)實(shí)驗(yàn)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(cè)溫), 成為我國(guó)第一口進(jìn)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(zhì)干熱巖。
依據(jù)海南地?zé)豳Y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(lì)開采區(qū)3類, 在大多數(shù)情況下, 海南地?zé)衢_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(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源中獲益的可能。
3 地?zé)崮芎Ｋ尚行苑治?/h2>3.1 地?zé)崮芎Ｋ椒?/h3>
海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等分離出來從而獲得淡水的過程。目前國(guó)際上使用的傳統(tǒng)海水淡化的主要方法包括膜法、結(jié)晶法和蒸餾法等, 而我國(guó)海水淡化工程多采用低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透(RO)技術(shù)。
由于低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)具有操作溫度低、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn), 使得其成為我國(guó)第二代海水淡化廠的主流技術(shù)之一[9]。采用低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí), 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(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的低溫多效蒸餾海水淡化方法時(shí), 地?zé)崴赏ㄟ^換熱器將海水加熱到淡化時(shí)所需要的溫度。因此, 通過地?zé)崮芙鉀Q低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)所需的熱源問題, 在技術(shù)上具有可行性。
反滲透海水淡化方法, 是以壓差推動(dòng)的海水淡化過程。截至2015年底, 我國(guó)已建成海水淡化工廠121座, 其中應(yīng)用反滲透技術(shù)的為107座, 占88.43%,處于主流位置[10]。采用反滲透技術(shù)時(shí), 膜通量對(duì)海水溫度有較高的敏感性, 尤其是當(dāng)冬季水溫低時(shí), 會(huì)導(dǎo)致膜通量大幅下降。這是因?yàn)榈蜏剡M(jìn)料水具有較高的黏度和較高的通過膜的阻力, 而高溫進(jìn)料水具有較低的黏度而產(chǎn)生較高的產(chǎn)量。依據(jù)相關(guān)研究[11], 當(dāng)進(jìn)料海水溫度從25℃增加到35℃時(shí), 滲透通量增加了34%; 而當(dāng)進(jìn)料海水溫度從20℃升高到40℃時(shí), 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(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的反滲透海水淡化方法時(shí), 利用地?zé)崴訜岷Ｋ? 可以提升膜通量, 進(jìn)而提升產(chǎn)量; 此外, 反滲透的膜過程需要更高的機(jī)械能來在冬季泵送冷海水, 以滿足日常生產(chǎn)率, 而依靠干熱巖發(fā)電技術(shù)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(shí)現(xiàn)熱-電-水聯(lián)產(chǎn)。
選擇程序后，對(duì)話框關(guān)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(dòng)傳遞到輸入歷史框里。與此同時(shí)，執(zhí)行的程序?qū)?yīng)的刀軌按照插補(bǔ)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(biāo)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(zhuǎn)速30 r/min，進(jìn)給0.2 mm/r，程序沿前進(jìn)方向右偏置。通過鼠標(biāo)滾輪的縮放并CAD的測(cè)量功能，可以測(cè)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?zé)岷Ｋ療嵩? 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(yùn)行成本低于地?zé)釤嵩?。使用廢棄油氣井的兩個(gè)前提包括: 首先, 它們對(duì)環(huán)境友好且不產(chǎn)生任何排放; 其次, 這些油井已經(jīng)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(jìn)可持續(xù)發(fā)展。油氣井熱源通常被稱為“低溫地?zé)釤嵩础? 具有寶貴的能源潛力。利用廢棄的油氣井進(jìn)行海水淡化, 需要利用經(jīng)過設(shè)計(jì)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(dá)到接近100℃并返回到地表, 進(jìn)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(fù)熱量, 從而實(shí)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?zé)崮芎Ｋ?jīng)濟(jì)性分析
依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[13], 2016年我國(guó)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(hù)成本等。其中, 日產(chǎn)水能力在萬(wàn)噸級(jí)和千噸級(jí)的淡化工廠, 產(chǎn)水成本分別為7.2元/t和6.22元/t。
趙建康等[14]對(duì)地?zé)崮芎Ｋ胁捎玫蜏囟嘈д麴s法進(jìn)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(jí)和千噸級(jí)的淡化裝置的綜合成本分別下降81.3%和99.3%, 具有相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。Loutatidou等[15]研究了海灣地區(qū)的兩個(gè)基于低溫多效蒸餾和反滲透方式的地?zé)崮芎Ｋ瘡S, 指出雖然低溫多效蒸餾方法直接利用地?zé)? 但卻相當(dāng)耗能, 低溫多效蒸餾需要的地?zé)崮芰勘确礉B透大約多34%, 由此也使得地?zé)崽锸褂贸杀靖叱?8%。然而, 由于規(guī)模經(jīng)濟(jì), 使得采用低溫多效蒸餾的地?zé)崽锍杀颈确礉B透少3%, 因而具有成本優(yōu)勢(shì)。另一方面, 使用反滲透方式的主要能耗貢獻(xiàn)者是高壓泵, 幾乎占總能耗的74%, 如果使用地?zé)崮? 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(dǎo)致了飲用水成本的大幅降低。其中每1℃進(jìn)料溫度增加, 膜生產(chǎn)率增加約2%~3%, 從而提高淡水產(chǎn)量, 減少成本。
4 地?zé)崮芎Ｋ瘍?yōu)勢(shì)
地?zé)崮苁且环N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(yīng), 非常適合海水淡化。對(duì)于海南各種家庭和工農(nóng)業(yè)用水而言, 使用地?zé)嵩春Ｋ腥缦潞锰?
地?zé)崮芸商峁┓€(wěn)定可靠的供熱, 確保熱脫鹽和反滲透過程的穩(wěn)定性。地?zé)崮芸商峁└采w恒定的電力需求, 如負(fù)荷海水淡化廠。
地?zé)嵘a(chǎn)技術(shù)(從地下含水層中提取熱水)已經(jīng)成熟。它不受季節(jié)變化和天氣波動(dòng)的影響。
海南大多數(shù)地區(qū)的典型地?zé)嵩礈囟仍?0~90℃范圍內(nèi), 這對(duì)于低溫多效淡化是理想的; 而高于100℃的地?zé)嵩纯捎糜诎l(fā)電并為反滲透過程提供電力。
地?zé)岷Ｋ哂谐杀拘б? 可以同時(shí)進(jìn)行電力和水的生產(chǎn)。其熱能供應(yīng)的自給自足和電能供應(yīng)的潛在自給自足相較其他淡化方式是一大優(yōu)勢(shì)。
地?zé)岷Ｋ黔h(huán)保的, 因?yàn)樗窃撨^程中使用的唯一可再生能源, 不會(huì)排放與化石燃料有關(guān)的空氣污染物和溫室氣體。地?zé)岷Ｋ瘻p少了進(jìn)口化石燃料的使用, 改善了當(dāng)?shù)氐哪茉窗踩铜h(huán)境可持續(xù)性。
5 地?zé)崮芎Ｋ媾R的問題
當(dāng)前海南利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化時(shí), 還面臨如下問題:
認(rèn)識(shí)問題。利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化, 首先需要摸清地?zé)豳Y源分布。而當(dāng)前海南地?zé)豳Y源開發(fā)利用中存在的首要問題便是資源摸底不清, 對(duì)全島地?zé)豳Y源儲(chǔ)量缺乏準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 從而導(dǎo)致無法量化用于海水淡化的具體前景。
技術(shù)問題。由于我國(guó)海水淡化技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比存在一定的差距, 導(dǎo)致海水淡化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率不高, 海水淡化裝置中70%的核心設(shè)備需要進(jìn)口。此外, 海水淡化過程中存在的技術(shù)問題, 例如, 降低淡化水中硼含量的問題, 仍需進(jìn)行大量科研公關(guān)。
價(jià)格問題。我國(guó)長(zhǎng)期實(shí)行一個(gè)水價(jià)補(bǔ)貼政策使得多地方有較便宜的水價(jià)。而對(duì)于從一開始就完全按照市場(chǎng)化方式運(yùn)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(shè)和運(yùn)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(guó)海水淡化技術(shù)是在國(guó)家和各級(jí)政府支持下發(fā)展起來的, 與擁有先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家相比, 不僅缺乏足夠的研發(fā)資金, 也缺少創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。
社會(huì)問題。要成功實(shí)施地?zé)崮芎Ｋ? 還需要考慮其它一些重要因素。主要涉及土地利用, 地質(zhì)災(zāi)害, 廢熱, 大氣排放, 水足跡, 噪聲和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題, 這需要綜合考慮, 制定可行方案。
6 結(jié)語(yǔ)
海水淡化是水資源的開源增量技術(shù), 由于其不受氣候條件影響, 因而具有供水穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良等特性。處于我國(guó)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(dāng)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(qū)動(dòng)的海水淡化方式中, 常規(guī)化石燃料消耗大量能量并且對(duì)環(huán)境具有高度破壞性的影響, 而地?zé)崮苁菫楝F(xiàn)代海水淡化過程提供動(dòng)力的有前景的替代選擇。
雖然基于地?zé)崮艿暮Ｋ^程仍存在影響其發(fā)展的技術(shù)和社會(huì)因素, 但依托國(guó)內(nèi)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?zé)豳Y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(huì)問題, 并提高淡水產(chǎn)量, 降低生產(chǎn)成本。
在推動(dòng)地?zé)崮芎Ｋ眠M(jìn)程中, 除了應(yīng)加大扶持力度, 解決關(guān)鍵技術(shù)外, 還應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn), 選取若干缺水和用水量較大的市縣進(jìn)行試點(diǎn), 逐步推進(jìn)檢驗(yàn)合格的海水淡化水進(jìn)入供水管網(wǎng), 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。
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從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 以及面臨的缺水少水和干旱問題, 海南省需構(gòu)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(duì)改善海南用水情況發(fā)揮至關(guān)重要的作用。隨著科技的不斷進(jìn)步, 當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域?qū)⑹褂每稍偕茉催M(jìn)行海水淡化作為研究的前沿方向。地?zé)崮茏鳛橐环N海水淡化的新能源方式, 近年來已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)關(guān)注, 海南可以考慮通過開發(fā)其地?zé)豳Y源來支持海水淡化過程并為省內(nèi)工業(yè)和農(nóng)業(yè)部門供應(yīng)淡水, 以減輕水資源緊張的局面。本文基于海南水資源和地?zé)豳Y源分布情況, 對(duì)地?zé)崮芎Ｋ鹘?jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性探討, 指出其中存在的問題, 并提出推進(jìn)地?zé)崮芎Ｋ南嚓P(guān)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(dá)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(shí)空分布極不均勻, 導(dǎo)致了冬春干旱時(shí)常發(fā)生(圖2), 嚴(yán)重影響了居民的生產(chǎn)和生活[3]。再加上需水高峰與枯水期疊加、水資源浪費(fèi)及臺(tái)風(fēng)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年海口在用水高峰季節(jié)每天需量短缺6萬(wàn)~8萬(wàn)t; 且近5年來, 需水量年均保持約3.5%的增長(zhǎng)速度, 使得?？诿媾R十分嚴(yán)峻的供水保障形勢(shì)。
圖1 2016年海南省年降水量(改自2016年海南風(fēng)洪旱災(zāi)害公報(bào), 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(shí)所達(dá)級(jí)別分布 Fig. 2 Grade distribution of meteorological drought in all cities and counties of Hainan Province in 2016
2 海南地?zé)崮苜Y源分布
地?zé)崮苁且环N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?zé)豳Y源以水熱型為主, 全島水熱資源受地質(zhì)構(gòu)造、巖石地層及地貌的控制, 總體可分為兩類, 分別為基巖構(gòu)造裂隙帶狀熱水型和孔隙層狀熱水型[6]。已發(fā)現(xiàn)的構(gòu)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(chǔ)量約為10萬(wàn)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(nèi)埋藏較深, 西南部自流盆地內(nèi)埋藏相對(duì)較淺, 水溫相對(duì)低, 呈現(xiàn)不連續(xù)的薄層狀。
此外, 海南省北部深層地?zé)岬刭|(zhì)條件良好, 瓊州裂谷南側(cè)的瓊北擁有優(yōu)質(zhì)的干熱巖地?zé)崮苜Y源。2018年3月23日, 中國(guó)第一口具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干熱巖開發(fā)實(shí)驗(yàn)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(cè)溫), 成為我國(guó)第一口進(jìn)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(zhì)干熱巖。
依據(jù)海南地?zé)豳Y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(lì)開采區(qū)3類, 在大多數(shù)情況下, 海南地?zé)衢_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(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源中獲益的可能。
3 地?zé)崮芎Ｋ尚行苑治?/h2>3.1 地?zé)崮芎Ｋ椒?/h3>
海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等分離出來從而獲得淡水的過程。目前國(guó)際上使用的傳統(tǒng)海水淡化的主要方法包括膜法、結(jié)晶法和蒸餾法等, 而我國(guó)海水淡化工程多采用低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透(RO)技術(shù)。
由于低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)具有操作溫度低、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn), 使得其成為我國(guó)第二代海水淡化廠的主流技術(shù)之一[9]。采用低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí), 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(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的低溫多效蒸餾海水淡化方法時(shí), 地?zé)崴赏ㄟ^換熱器將海水加熱到淡化時(shí)所需要的溫度。因此, 通過地?zé)崮芙鉀Q低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)所需的熱源問題, 在技術(shù)上具有可行性。
反滲透海水淡化方法, 是以壓差推動(dòng)的海水淡化過程。截至2015年底, 我國(guó)已建成海水淡化工廠121座, 其中應(yīng)用反滲透技術(shù)的為107座, 占88.43%,處于主流位置[10]。采用反滲透技術(shù)時(shí), 膜通量對(duì)海水溫度有較高的敏感性, 尤其是當(dāng)冬季水溫低時(shí), 會(huì)導(dǎo)致膜通量大幅下降。這是因?yàn)榈蜏剡M(jìn)料水具有較高的黏度和較高的通過膜的阻力, 而高溫進(jìn)料水具有較低的黏度而產(chǎn)生較高的產(chǎn)量。依據(jù)相關(guān)研究[11], 當(dāng)進(jìn)料海水溫度從25℃增加到35℃時(shí), 滲透通量增加了34%; 而當(dāng)進(jìn)料海水溫度從20℃升高到40℃時(shí), 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(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的反滲透海水淡化方法時(shí), 利用地?zé)崴訜岷Ｋ? 可以提升膜通量, 進(jìn)而提升產(chǎn)量; 此外, 反滲透的膜過程需要更高的機(jī)械能來在冬季泵送冷海水, 以滿足日常生產(chǎn)率, 而依靠干熱巖發(fā)電技術(shù)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(shí)現(xiàn)熱-電-水聯(lián)產(chǎn)。
選擇程序后，對(duì)話框關(guān)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(dòng)傳遞到輸入歷史框里。與此同時(shí)，執(zhí)行的程序?qū)?yīng)的刀軌按照插補(bǔ)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(biāo)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(zhuǎn)速30 r/min，進(jìn)給0.2 mm/r，程序沿前進(jìn)方向右偏置。通過鼠標(biāo)滾輪的縮放并CAD的測(cè)量功能，可以測(cè)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?zé)岷Ｋ療嵩? 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(yùn)行成本低于地?zé)釤嵩?。使用廢棄油氣井的兩個(gè)前提包括: 首先, 它們對(duì)環(huán)境友好且不產(chǎn)生任何排放; 其次, 這些油井已經(jīng)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(jìn)可持續(xù)發(fā)展。油氣井熱源通常被稱為“低溫地?zé)釤嵩础? 具有寶貴的能源潛力。利用廢棄的油氣井進(jìn)行海水淡化, 需要利用經(jīng)過設(shè)計(jì)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(dá)到接近100℃并返回到地表, 進(jìn)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(fù)熱量, 從而實(shí)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?zé)崮芎Ｋ?jīng)濟(jì)性分析
依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[13], 2016年我國(guó)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(hù)成本等。其中, 日產(chǎn)水能力在萬(wàn)噸級(jí)和千噸級(jí)的淡化工廠, 產(chǎn)水成本分別為7.2元/t和6.22元/t。
趙建康等[14]對(duì)地?zé)崮芎Ｋ胁捎玫蜏囟嘈д麴s法進(jìn)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(jí)和千噸級(jí)的淡化裝置的綜合成本分別下降81.3%和99.3%, 具有相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。Loutatidou等[15]研究了海灣地區(qū)的兩個(gè)基于低溫多效蒸餾和反滲透方式的地?zé)崮芎Ｋ瘡S, 指出雖然低溫多效蒸餾方法直接利用地?zé)? 但卻相當(dāng)耗能, 低溫多效蒸餾需要的地?zé)崮芰勘确礉B透大約多34%, 由此也使得地?zé)崽锸褂贸杀靖叱?8%。然而, 由于規(guī)模經(jīng)濟(jì), 使得采用低溫多效蒸餾的地?zé)崽锍杀颈确礉B透少3%, 因而具有成本優(yōu)勢(shì)。另一方面, 使用反滲透方式的主要能耗貢獻(xiàn)者是高壓泵, 幾乎占總能耗的74%, 如果使用地?zé)崮? 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(dǎo)致了飲用水成本的大幅降低。其中每1℃進(jìn)料溫度增加, 膜生產(chǎn)率增加約2%~3%, 從而提高淡水產(chǎn)量, 減少成本。
4 地?zé)崮芎Ｋ瘍?yōu)勢(shì)
地?zé)崮苁且环N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(yīng), 非常適合海水淡化。對(duì)于海南各種家庭和工農(nóng)業(yè)用水而言, 使用地?zé)嵩春Ｋ腥缦潞锰?
地?zé)崮芸商峁┓€(wěn)定可靠的供熱, 確保熱脫鹽和反滲透過程的穩(wěn)定性。地?zé)崮芸商峁└采w恒定的電力需求, 如負(fù)荷海水淡化廠。
地?zé)嵘a(chǎn)技術(shù)(從地下含水層中提取熱水)已經(jīng)成熟。它不受季節(jié)變化和天氣波動(dòng)的影響。
海南大多數(shù)地區(qū)的典型地?zé)嵩礈囟仍?0~90℃范圍內(nèi), 這對(duì)于低溫多效淡化是理想的; 而高于100℃的地?zé)嵩纯捎糜诎l(fā)電并為反滲透過程提供電力。
地?zé)岷Ｋ哂谐杀拘б? 可以同時(shí)進(jìn)行電力和水的生產(chǎn)。其熱能供應(yīng)的自給自足和電能供應(yīng)的潛在自給自足相較其他淡化方式是一大優(yōu)勢(shì)。
地?zé)岷Ｋ黔h(huán)保的, 因?yàn)樗窃撨^程中使用的唯一可再生能源, 不會(huì)排放與化石燃料有關(guān)的空氣污染物和溫室氣體。地?zé)岷Ｋ瘻p少了進(jìn)口化石燃料的使用, 改善了當(dāng)?shù)氐哪茉窗踩铜h(huán)境可持續(xù)性。
5 地?zé)崮芎Ｋ媾R的問題
當(dāng)前海南利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化時(shí), 還面臨如下問題:
認(rèn)識(shí)問題。利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化, 首先需要摸清地?zé)豳Y源分布。而當(dāng)前海南地?zé)豳Y源開發(fā)利用中存在的首要問題便是資源摸底不清, 對(duì)全島地?zé)豳Y源儲(chǔ)量缺乏準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 從而導(dǎo)致無法量化用于海水淡化的具體前景。
技術(shù)問題。由于我國(guó)海水淡化技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比存在一定的差距, 導(dǎo)致海水淡化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率不高, 海水淡化裝置中70%的核心設(shè)備需要進(jìn)口。此外, 海水淡化過程中存在的技術(shù)問題, 例如, 降低淡化水中硼含量的問題, 仍需進(jìn)行大量科研公關(guān)。
價(jià)格問題。我國(guó)長(zhǎng)期實(shí)行一個(gè)水價(jià)補(bǔ)貼政策使得多地方有較便宜的水價(jià)。而對(duì)于從一開始就完全按照市場(chǎng)化方式運(yùn)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(shè)和運(yùn)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(guó)海水淡化技術(shù)是在國(guó)家和各級(jí)政府支持下發(fā)展起來的, 與擁有先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家相比, 不僅缺乏足夠的研發(fā)資金, 也缺少創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。
社會(huì)問題。要成功實(shí)施地?zé)崮芎Ｋ? 還需要考慮其它一些重要因素。主要涉及土地利用, 地質(zhì)災(zāi)害, 廢熱, 大氣排放, 水足跡, 噪聲和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題, 這需要綜合考慮, 制定可行方案。
6 結(jié)語(yǔ)
海水淡化是水資源的開源增量技術(shù), 由于其不受氣候條件影響, 因而具有供水穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良等特性。處于我國(guó)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(dāng)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(qū)動(dòng)的海水淡化方式中, 常規(guī)化石燃料消耗大量能量并且對(duì)環(huán)境具有高度破壞性的影響, 而地?zé)崮苁菫楝F(xiàn)代海水淡化過程提供動(dòng)力的有前景的替代選擇。
雖然基于地?zé)崮艿暮Ｋ^程仍存在影響其發(fā)展的技術(shù)和社會(huì)因素, 但依托國(guó)內(nèi)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?zé)豳Y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(huì)問題, 并提高淡水產(chǎn)量, 降低生產(chǎn)成本。
在推動(dòng)地?zé)崮芎Ｋ眠M(jìn)程中, 除了應(yīng)加大扶持力度, 解決關(guān)鍵技術(shù)外, 還應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn), 選取若干缺水和用水量較大的市縣進(jìn)行試點(diǎn), 逐步推進(jìn)檢驗(yàn)合格的海水淡化水進(jìn)入供水管網(wǎng), 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。
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