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阮国岭解读海水淡化对保障水资源可持续利用的重要意义

2016-7-21 09:30| 发布者: spark| 查看: 532| 评论: 0|原作者: 阮国岭|来自: 中国腐蚀与防护网

  海水淡化是一种解决沿海缺水问题的水资源增量技术,其应用范围和规模逐年增加。海洋工程材料是构建淡化装备的基础,发展海洋工程材料,是保障海水淡化技术和产业发展的关键。2016年6月24日,由中国工程院“海洋工程中关键材料发展战略研究”重点咨询项目组发起“中国海洋材料产业技术创新联盟”成立大会在武汉洪山宾馆隆重召开,会议期间,中国腐蚀与防护网记者有幸采访到与会专家、国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所阮国岭总工程师,阮总工就国内外海水淡化技术和产业的发展现状、技术装备选材、腐蚀应对措施、发展建议等多方面做了一系列的精彩解读。

图:国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所总工程师阮国岭


  应对全球水资源危机发展海水淡化产业

  联合国教科文组织主持制定的水资源标准:人均水资源低于3000m3为轻度缺水,低于2000m3为中度缺水,低于1000m3为重度缺水,低于500m3为极度缺水,300m3为维持当地可持续发展的最低水资源量,即适当人口生存的最低标准。以此标准,到2030年全球半数人口将生活在缺水的环境中。寻求新的水源,通过海水淡化增加淡水供应量,已逐渐成为全世界的共识和通用做法,目前已解决全球2亿人的用水问题。

  我国水资源总量近2.84万亿m3,居世界第六位,但人均量仅为世界平均水平的1/4,排在第110名之后。而且我国水资源分布不均,16省人均用水量低于重度缺水线,部分北方地区甚至低于世卫组织规定的最低人均水资源标准,靠本地水已难保证人口生存及生态维系的用水需求。除北方资源型缺水外,南方水质型缺水以及沿海地区地下水超采导致的海水入侵等问题,使国家供水安全保障面临更为严峻的形势。跨流域调水已不能解决我国水资源短缺的根本性问题,根据水利部《全国水资源综合规划》,到2030年,考虑南水北调,沿海地区年缺水量仍将达到214亿m3。

  阮总工表示,海水淡化是增加淡水供给的开源之举,是水资源的重要补充和战略储备。发展海水淡化产业,对缓解沿海缺水地区和海岛水资源短缺状况,促进中西部地区苦咸水、微咸水淡化利用,优化用水结构,保障水资源可持续利用具有重要意义,也有利于培育形成新的经济增长点,推动发展方式转变。

  膜法与热法并驾齐驱为海水淡化插上双翼

  国际脱盐协会最新的统计显示,全球淡化装机容量在过去5年内以平均每年12%的速度增长,而且增长速率有逐年上升趋势。截至2014年9月,全球淡化厂超过18000个,分布在150多个国家和地区,累计装机容量8530万m3/d,在建及合同装机容量678万m3/d。

  RO、MSF、MED是国际三大主流商业化海水淡化技术,其中膜法海水淡化技术(RO)的市场占有率最高(达到44%),但包括MSF和MED的热法海水淡化技术,市场保有量大且发展稳定,因此市场占有率与膜法技术相当;从用途上看,63.1%的淡化水用于市政供水,解决了城市大规模生活用水需求,其余为满足工业、农业、旅游业及军事等方面需求。我国经过20多年技术攻关,形成MED与RO并驾齐驱的海水淡化技术发展战略。截至2014年底,投建海水工程112个,总规模92.7万m3/d,其中MED占34.6%,RO占64.69%,主要分布北方沿海,天津产业发展位列全国之首。但我国淡化水用途单一,工业应用为主,规模58.7万m3/d。

  阮总工说,加大大型热法膜法海水淡化、大型海水循环冷却等关键技术,实现反渗透海水淡化膜组件、高压泵、能量回收等关键部件和热法海水淡化核心部件的国产化,提高海水淡化装备材料生产质量控制技术和相关产品检验检测技术的研发力度;同时,鼓励开发海水淡化新技术,增强自主创新能力和配套能力,这包括积极研发电厂余热高效利用技术,鼓励沿海有条件的发电企业实行电水联产,大力发展与核能、风能、太阳能和海洋能等可再生能源耦合的新能源海水淡化技术。此外,还需研究建立国家级工程技术中心等科技创新服务平台,加强国际技术交流与合作,提高海水淡化关键设备、成套装置研制能力和技术集成水平。这些都是加快发展海水淡化产业的关键。

  在热法淡化领域,经过20多年努力,我国在关键技术、工程设计、装备研制、建设运营等方面取得了重要进展,具备产业化发展的基本条件。但与国外相比,自主技术由于缺少大规模应用示范,国际竞争力不足;相关企业普遍技术实力较弱,对新材料、新工艺的应用开发投入不足,无法实施差异化竞争战略。

  国内膜法海水淡化领域初步具有工艺设计、装备集成、工程建设能力,部分企业具备RO海水淡化项目EPC能力。但与国外相比,尚缺乏金融支持渠道及高水平运营技术,运作BOT项目的能力较弱;在RO膜与能量回收等关键部件开发方面取得一定突破,但与国外产品存在差距,市场表现不佳。

  阮总工表示,由于热法淡化只适合一些有废热可以利用的场合,因此发展空间比膜法要小;膜法应用范畴不光是海水,在苦咸水、废水方面发展应用范围比较广,从长远来,可能全世界共同看好的是膜法。

  发挥“钛”优势助力海水淡化产业前行

  提及钛材在海水淡化工程中的优势及应用,阮总工指出,相对各种铜合金材料,钛管耐冲刷腐蚀性能更强,应用于多级闪蒸可提高热回收效率,应用于多效蒸馏可降低对海水预处理技术要求(主要是固体悬浮物含量),并降低后期维护成本。按成本因子法估算,采用传统铜合金传热管,一套万吨级蒸馏海水淡化装置的吨水投资成本为8097元/(t/d),采用TA2钛管吨水投资也仅为8333元/(t/d),应用经济性相当。钛材在高温、高盐及低pH海水环境下具有较强的耐蚀性能,这为在高浓缩倍率蒸馏淡化及工业废水浓缩方面的应用提供更佳的安全保障。

  从降低装备投资成本和运营维护成本考虑,海水淡化用钛材还需在以下方面开展工作:

  一是低成本薄壁卷焊钛传热管的开发。钛密度约为铜的1/2,以当前钛传热管市场价格,与铜管应用成本相当,但从降低热阻、提高传热效率考虑,仍需开发超薄壁钛传热管。这就需要上下游进一步开展合作攻关,在钛材熔炼、大卷重钛板、薄壁钛管高效快速卷焊以及超薄壁钛管工程应用方面进行技术研发,缩短工艺流程、降低生产损耗、提高生产效率、保障钛管安全应用,从而进一步提升超薄壁钛传热管的应用经济性和可靠性。

  二是全钛蒸发器的开发。国际主流的热法淡化蒸发器筒体选材方案主要为两种,一是以316L不锈钢、2205双相钢为主的低维护方案,二是以碳钢+防腐涂料为主的低成本方案。开发钛钢复合板蒸发器可兼顾两者的优势,是未来热法淡化装置筒体材料的重要方向,但复合板的结构特点也为蒸发器及其内构件设计带来更大挑战,这就需要上下游企业在复合板蒸发器结构设计及工程应用保障技术方面开展合作攻关,以实现新材料的工程应用。

  三是RO海水淡化用钛制高压管路系统。钛材在高速海水冲击环境下,耐蚀性能优于C276镍基合金钢和254SMO奥氏体钢,开发RO用钛制能量回收、高压泵、增压泵、阀门,可有效提升上述装备过流部件的应用可靠性、降低运行维护费用;开发针对百吨级、千吨级、万吨级RO海水淡化高压管路系统的钛及钛合金管路、连接件、工艺泵、阀门、仪表安装座等系列化产品,完善工程配套能力,促进钛材在RO海水淡化中的应用;开发退役钛材回收再利用技术,降低钛制高压管路系统的应用成本。

  放眼全局未来将多方位强强联合

  从我们国家战略需求来讲,十八大明确建设海洋强国。海水淡化是建设海洋强国的重要资源环境技术,在国家海洋局推进海洋强国建设的30项任务中,海水利用在八大海洋产业中位列第二,且在战略性新兴产业等任务中多次提及。

  放眼国际,中东、亚洲及非洲地区的市场需求将带动全球海水淡化发展。基于各国官方数据统计和用水供需情况分析,未来5年全球新增产能预计4000万m3/d;估算对蒸馏海水淡化传热材料的需求约为40万吨,对蒸发器壳体材料及RO高压管路材料的需求量超过50万吨;在RO膜方面,目前全球海水淡化和苦咸水淡化反渗透膜年产能已达1.2亿平方米,未来需求量也将急剧增大。

  阮总工表示海水淡化可能会成为应对气候变化的一个很重要的技术措施。海水淡化不仅仅指处理海水,也包括处理其他的水,用淡化技术处理水的过程,会成为应对气候变化的非常重要的技术措施。我们国内海水淡化到现阶段已经不是技术制约了,更多的是叫政策制约。如果说全球的海水淡化能发展的起来,很大的程度上都有一个叫价格的形成机制,我们国家在此领域还不不太完善。但从技术本身来说,我们国家与世界其他发达国家几乎处于相同水平,如果我们国家的水价政策放开之后,我国海水淡化产业会以速度惊人的发展甚至超越他们。

  对于未来海水淡化装备用的新材料,在选材上、在设计和建造过程可能会更加倾向于选择耐蚀性能更好的材料、注重循环性能更好的材料、注重金属材料和非金属材料之间更合理的搭配。

  阮总工强调,海水淡化产业未来的发展要做好以下几点:

  一是建立科学的法规政策框架。以建设海洋强国为契机,构建科学的政策框架,为海水淡化提供市场发展空间。制定出台淡化水政府补贴具体方案和细则,明确不同区域、不同淡化技术淡化水的吨水补贴方案;制定给予淡化项目在税收、融资、土地使用等方面的优惠政策;国家层面明确淡化工程的投资、建设、运营管理机构及机制,避免各部门扯皮,多头管理的情况;国家出台鼓励政策,加大对自主技术的推广,提高自主技术成熟度。

  二是加大科研投入。设立海洋工程材料研发、应用专项,促进装备与材料开发的有机结合,满足业主的不同需求,提升国产装备的市场竞争力。钛钢复合板蒸发器和薄壁卷焊钛管低成本加工技术、钛制蒸发器的工程应用技术研究,这些是热法淡化可开展的工作。钛制高压管路系统及其相关部件的成套开发、钛材在海水淡化高压系统的示范应用,这些是膜法淡化可开展的工作。

  三是亟待解决的关键技术问题及关键材料。基于钛复合板材的蒸发器优化设计与材料应用配套技术、超薄壁钛传热管的低成本加工及工程应用技术、针对DN120及以上规格钛制高压管路的标准建设、面向不同规模RO海水淡化应用的钛制高压管路系统及配件的成套化和系列化,这些是要重点解决的关键技术及材料问题。在基础研究工作方面,要加强海水淡化用材的基础研究,建立包括海水淡化材料机械、腐蚀等各项性能的数据库,为加快新材料的推广应用、优化我国淡化装备选材技术标准体系、提升自主装备的技术水平和国际竞争力奠定基础。

  后记:发展海水淡化产业是一项系统工程,也是一项造福于民的伟大工程。在工程建设的实践过程中,大家行动起来,积极探索、务实创新,为我们伟大祖国的美好明天贡献力量吧!

  人物简介

  阮国岭,现任国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所总工程师、教授级高工,上海交通大学、中国海洋大学、青岛科技大学、南京理工大学兼职教授、博导。

  1990年于浙江大学毕业,获得博士学位,进入国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所。1993年10月,他被破格评为高级工程师。1995年10月,他被国家海洋局破格评为研究员。2002年,他被任命为海水淡化与综合利用研究所所长助理。现任研究所总工程师。在海水淡化技术的主要方面,目前已申报国家发明和实用新型专利21项,其中的10项已获得证书和公示。阮国岭成为国内“低温蒸馏海水淡化技术”和“热法及膜法海水淡化”的领军人物,在国际学术界也有着较大的影响。

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