李偉，楊易嘉，顧亞京，劉宏偉，林勇剛，張南強(qiáng)

（浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

一、研究背景

海洋能根據(jù)存在形式的不同，可以分為潮汐能、潮（洋）流能、波浪能、鹽差能、溫差能等，這些狹義海洋能的理論儲(chǔ)量高達(dá)2.1×106TWh/a [1]，大大超出了目前人類利用各種能量（功率）的總和。此外還有廣義的海洋能，如海上風(fēng)能、海洋生物質(zhì)能、海洋地?zé)崮艿取Ｉ鲜霆M義或廣義海洋能均為可再生的清潔能源。然而，在海水中還蘊(yùn)含了數(shù)量巨大的“海洋（水）化學(xué)能”。有效利用這種特殊的能量并將海量的海水“資源化”，是本文擬提出的研究新領(lǐng)域、技術(shù)新問題。具體而言，本文將著重討論一個(gè)有研究?jī)r(jià)值的海洋能、海水淡化、海水資源綜合利用新方案，即通過海洋能發(fā)電進(jìn)行海水淡化，在獲得寶貴淡水資源的同時(shí)，進(jìn)一步利用海洋能轉(zhuǎn)化的電力完成制淡副產(chǎn)品濃鹽水的電解制氫、制堿工藝，從海水中直接獲取氫氣、氯氣、純堿、燒堿等化學(xué)制品，從而完成向大海要能源、向大海要淡水、向大海要資源的全過程，開拓海洋能與海水資源綜合利用的新途徑。

海水制淡是解決沿海（近海）地區(qū)淡水資源短缺的現(xiàn)實(shí)選擇，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，海水淡化技術(shù)本身產(chǎn)業(yè)已成熟。利用海洋能實(shí)現(xiàn)海能海用、就地取能、就近發(fā)電，實(shí)現(xiàn)沿海缺水地區(qū)或無水島嶼、島礁的海水淡化供給，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了海上可再生能源技術(shù)與海水淡化技術(shù)的融合，拓展了產(chǎn)業(yè)鏈，可望進(jìn)一步降低海水淡化的成本。海水淡化后的濃鹽水中的氯化鈉濃度與電解鹽工藝溶液中氯化鈉的濃度已經(jīng)非常接近。在海洋能發(fā)電技術(shù)方面，包括浙江大學(xué)、中國科學(xué)院廣州能源研究所等單位在內(nèi)的國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在海洋能發(fā)電領(lǐng)域做了長(zhǎng)期的、大量的工作，潮流能、波浪能等發(fā)電裝備與技術(shù)日趨成熟。但是同時(shí)利用海洋能產(chǎn)生的電力和海水制淡產(chǎn)生的副產(chǎn)品濃鹽水，來完成通常在內(nèi)陸廠家消耗大量電力的電化工生產(chǎn)過程是一個(gè)新概念，目前尚無直接、具體的研究和實(shí)施案例。因此下文將分析上述方案中的利用海洋能發(fā)電和海水制淡剩余濃鹽水（通?；貤壌蠛＃﹥煞N海上資源，通過電解制氫及生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的工藝、成本及應(yīng)用技術(shù)等問題，探討這一方案的可行性、有效性，評(píng)估其潛在的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

二、海水淡化與其濃鹽水副產(chǎn)品資源化利用可行性分析

中國是一個(gè)淡水資源缺乏的國家，在全國660 多個(gè)城市中，有400 多個(gè)城市缺水，其中108 個(gè)為嚴(yán)重缺水城市[2]。水資源缺乏已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。利用海水淡化技術(shù)獲取淡水可以不受時(shí)空和氣候影響，水質(zhì)好、價(jià)格合理，可以為沿海地區(qū)提供穩(wěn)定的市政供水與工業(yè)用水。然而隨著大規(guī)模反滲透膜法海水淡化工程的實(shí)施，其副產(chǎn)品濃海水的排放問題引起了廣泛關(guān)注。濃海水不僅含鹽量高，而且在海水預(yù)處理過程中會(huì)引入一些化學(xué)物質(zhì)，如果處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響甚至污染[3]，特別是對(duì)（半）封閉海域生態(tài)環(huán)境的影響尤為突出。因此，中國政府高度重視海水綜合利用，在《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》（國辦發(fā)〔2012〕13 號(hào)）總體思路中，明確提出“海水淡化處理與資源綜合利用相結(jié)合”。當(dāng)2020年海水淡化6×106～ 8×106t/d 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，濃海水資源化產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到370 億元以上，不僅可獲得很好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，而且將為解決國內(nèi)急缺礦物的來源，以及保護(hù)海洋環(huán)境做出重要貢獻(xiàn)，其前景非常廣闊。以某1×105t/d 海水淡化裝置為例，每天排出的濃海水約為6×104t，其中含鹽量約為6×103t，如果作為副產(chǎn)品提取就可以使海水淡化成本降低20% [4]。該裝置一年排出的濃海水約為2.19×107t，其中化學(xué)資源總量將超過2×106t 。綜上可見，直接將濃海水回放入海將造成資源的浪費(fèi)和海域的污染，而利用制淡濃海水則不僅是海水資源綜合利用鏈的延伸，也完全具備技術(shù)上的可行性和創(chuàng)造新價(jià)值的潛力。

三、基于潮流能或洋流能的海水資源綜合利用方案

潮流能或洋流能是指海水在水平方向上流動(dòng)所具有的動(dòng)能，兩者成因不盡相同。前者在海岸或者島嶼附近最為集中，對(duì)應(yīng)流速大，能量密度大。后者在廣闊大洋普遍存在，通常流速偏小但總量極大。潮流能或洋流能規(guī)律性強(qiáng)，對(duì)海洋環(huán)境的影響較小，很適合進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)[5]。因此，在海岸或者島嶼上開展以潮流能發(fā)電為基礎(chǔ)的海水資源綜合利用，便于就地取能、海能海用，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和可能性。

（一）基于潮流能的海水資源利用方式

1.基于潮流能發(fā)電的海水淡化

對(duì)于絕大部分遠(yuǎn)離大陸的海島而言，缺乏淡水資源是一個(gè)普遍的問題。常規(guī)的海水淡化方式離不開電能的支持，而島嶼的長(zhǎng)距離輸電往往有諸多限制，有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。而這些海島附近往往具有天然的潮流能或洋流能。因此，通過潮（洋）流能發(fā)電設(shè)備將其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置獲得淡水，是解決遠(yuǎn)離大陸海島淡水問題的有效方案。

2.基于潮流能發(fā)電的海水濃鹽水處理

前已敘及，若將海水淡化所得的濃海水直接排入大海中，不僅會(huì)對(duì)周圍海域造成污染，而且還會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。海水中含有豐富的氯化鈉，是制備燒堿的重要原料。氫氣、氯氣作為制備燒堿的副產(chǎn)物，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是氫氣作為氫燃料電池、氫能新能源汽車的能量來源，其重要價(jià)值不言而喻。

氯堿工業(yè)的核心部分為電解工序。據(jù)測(cè)算在整個(gè)生產(chǎn)過程中，電解工序所消耗的電能占到整體能耗的53.2%，許多制堿廠曾自備小型發(fā)電廠，在滿足生產(chǎn)過程中對(duì)電能消耗的同時(shí)又降低了生產(chǎn)成本[6]。然而自備電廠多為火力發(fā)電廠，在發(fā)電過程中對(duì)環(huán)境影響大，電能消耗逐漸成為影響燒堿制備的限制性因素。

這為將潮（洋）流能發(fā)電和氯堿工業(yè)相結(jié)合提供了可能，也為濃海水用于氯堿生產(chǎn)提供了便利。將潮流能發(fā)電、海水淡化以及氯堿生產(chǎn)就地或就近結(jié)合，從而形成一套新的海洋能綜合利用體系，應(yīng)是海洋能開發(fā)利用歷程上的重要一步。

（二）基于潮（洋）流能的海水資源綜合利用流程分析

圖1 為海水資源化綜合利用流程圖。原海水取水經(jīng)過一系列處理流程得到淡水、固堿產(chǎn)品、氫氣、氯氣和濃鹽酸等產(chǎn)物，流程中電能均由潮（洋）流能發(fā)電裝備提供。

圖1 海水資源化綜合利用流程圖

首先，用反滲透膜法將預(yù)處理后的海水進(jìn)行淡化獲得氯化鈉濃度為6%～8%的濃海水[7]，反滲透膜法具有投資低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[8]。

然后，將得到的濃海水用電滲析法得到精致濃海水。工業(yè)上通常采用電解飽和氯化鈉溶液的方法制備燒堿、氯氣和氫氣[9]，故需要進(jìn)行濃海水精制提高溶液中氯化鈉的含量。電滲析法作為成熟的海水濃縮方法[10]，可提高濃海水中氯化鈉的濃度以達(dá)到制堿的要求。

最后，電解飽和氯化鈉溶液制備燒堿、氯氣和氫氣。在電解工序中，精制濃海水從陽極側(cè)進(jìn)入離子膜電解槽，陰極側(cè)加入部分海水淡化所得的淡水，經(jīng)電解后在陽極側(cè)得到淡鹽水和氯氣，在陰極側(cè)得到電解液和氫氣。

陽極生成的淡鹽水和氯氣經(jīng)過鈦冷卻器冷卻后再氣液分離。流出的淡鹽水經(jīng)脫氯環(huán)節(jié)去除其中的次氯酸，可以在濃海水精制環(huán)節(jié)重復(fù)利用。氯氣冷卻干燥后，可以液化儲(chǔ)存，也可以與陰極生成的氫氣合成鹽酸，供電解工序使用。氫氣干燥后可進(jìn)入高壓儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存?zhèn)溆?，也可進(jìn)入鹽酸生產(chǎn)工序。此外，將陰極所得的電解液蒸發(fā)，便可獲得固體燒堿產(chǎn)品。

（三）工藝運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型分析

結(jié)合潮（洋）流能發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，本文以產(chǎn)能2.5×103t/d 的海水淡化設(shè)備為例，10 a 為運(yùn)行時(shí)間期限，進(jìn)行整套工藝流程的成本評(píng)估。本文所提海水淡化工藝為目前成熟的反滲透膜法，故其運(yùn)行成本與常規(guī)海水淡化設(shè)備無異。設(shè)備運(yùn)行成本由固定成本和經(jīng)營成本兩部分組成。海水淡化設(shè)備的固定成本包括折舊、財(cái)務(wù)費(fèi)用和其他費(fèi)用；經(jīng)營成本主要包括電費(fèi)、維修費(fèi)、膜更換費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)等[11]。

海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與潮流能發(fā)電系統(tǒng)在投資運(yùn)維上有諸多相似之處，故本文以海上風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)來預(yù)估潮流能上網(wǎng)電價(jià)來進(jìn)行成本計(jì)算具有較強(qiáng)的參考性。由文獻(xiàn)[12]可知，根據(jù)《國家發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于調(diào)整光伏發(fā)電陸上風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)的通知》（發(fā)改價(jià)格〔2016〕2729 號(hào)）近海風(fēng)電項(xiàng)目標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.85 元/kW·h。結(jié)合文獻(xiàn)[11]中的運(yùn)行成本計(jì)算可知，在本文設(shè)計(jì)的條件下，海水淡化的成本為12.4 元/t。

采用電滲析法來濃縮經(jīng)海水淡化后的濃海水，折合成氯化鈉計(jì)算其用電量為170 kW·h/t [13]，以0.85 元/ kW·h 電價(jià)來計(jì)算，則獲得氯化鈉的用電成本為144.5 元/t。而目前氯堿工業(yè)生產(chǎn)的原鹽價(jià)格在250 元/t 左右，故利用濃縮后的濃海水作為氯堿生產(chǎn)的原液從一定程度上可降低原料成本。

產(chǎn)能為2.5×103t/d 的海水淡化設(shè)備每天能產(chǎn)生3×103t 濃海水，故需要充分利用濃海水，燒堿產(chǎn)能需為5×104t/a。根據(jù)文獻(xiàn)[14] ，離子膜電解法制燒堿每噸電耗為2340 kW·h、蒸汽消耗為0.9 t，氯化鈉消耗為1.6 t，結(jié)合前文對(duì)電價(jià)和氯化鈉價(jià)格的折算，得每噸燒堿的能耗成本為2310 元。以10 a 為時(shí)間期限，加上設(shè)備折舊費(fèi)及經(jīng)營成本，折算每噸燒堿總成本約為2594 元。

本文提出基于潮（洋）流能發(fā)電的海洋化學(xué)能綜合利用方案，其海水淡化成本為12.4 元/t，制燒堿成本為2594 元/t。而根據(jù)文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[14]中海水淡化和制燒堿的成本計(jì)算，可知常規(guī)條件下海水淡化成本為8.808 元/t，制燒堿成本為1281 元/t。與常規(guī)的海水淡化、制燒堿工藝相比，兩者目前成本差距的主要原因在于用電價(jià)格。而隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大，潮流能發(fā)電成本的降低和此方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

四、海水資源的下游應(yīng)用

飽和食鹽水經(jīng)電解能生成氫氣、氯氣、燒堿，三者均是重要的化工原料。燒堿是氯堿工業(yè)的主要產(chǎn)品，具有重要的工業(yè)價(jià)值，被譽(yù)為“化工之母”。氯氣和氫氣是氯堿工業(yè)重要的聯(lián)產(chǎn)品，對(duì)于氯堿工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

燒堿廣泛應(yīng)用于洗滌劑、肥皂、造紙、印染、紡織、醫(yī)藥、染料、金屬制品、基礎(chǔ)化工及有機(jī)化工行業(yè)。國內(nèi)燒堿需求結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，下游消費(fèi)市場(chǎng)仍以氧化鋁、造紙、印染、化纖等傳統(tǒng)行業(yè)為主[15]。

氯氣是氯堿工業(yè)重要的聯(lián)產(chǎn)品，應(yīng)用十分廣泛，是重要的自來水消毒劑，也是漂白粉、漂白劑的主要原料，在電子工業(yè)大量應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路制造。氯氣下游產(chǎn)品也相當(dāng)豐富。以氯氣為源頭，可氯醇化生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，下游生產(chǎn)聚醚和四氯乙烯，四氯乙烯可以部分生產(chǎn)制冷劑外售；可生產(chǎn)氯丙烯、環(huán)氧氯丙烷；可生成光氣，再生產(chǎn)二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），與另一條生產(chǎn)線的產(chǎn)品配合可以進(jìn)一步生產(chǎn)聚氨酯；可以單獨(dú)生產(chǎn)三氯乙烯直接外售[16]。

氫氣在煉油方面和燃料電池方面應(yīng)用廣泛。其對(duì)于提高輕油收率、改善油品品質(zhì)具有重要的作用。2017年我國的煉油總量達(dá)7.7×108t，耗氫量約為6.16×106～1.078×107t [16]。燃料電池具有巨大的商業(yè)價(jià)值，在交通、能源、軍事和航天等領(lǐng)域前景廣闊。而氫燃料電池是燃料電池應(yīng)用的重點(diǎn)方向。以氫燃料電池為核心的氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、應(yīng)急電源等產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初現(xiàn)端倪[17]。

此外，氫氣在深遠(yuǎn)海軍民兩用基地也發(fā)揮著巨大的作用。據(jù)悉中國航天科技集團(tuán)組建成立我國首個(gè)軍民融合氫能工程技術(shù)研發(fā)中心。若按本文提出的海洋能制淡、制冰、制氣和海水動(dòng)能、化學(xué)能資源化利用方案，在包括我國近海和深遠(yuǎn)海依托海洋能豐富的海島島礁完成發(fā)電、制淡、制氫裝備系統(tǒng)，使其成為深遠(yuǎn)海自動(dòng)化，移動(dòng)化，無人化充電、充水、充氣的前沿供給基地和海水化工原材料、漁業(yè)用冰生產(chǎn)儲(chǔ)存基地，不僅能推動(dòng)可再生海洋能、氫能利用等前沿領(lǐng)域高端技術(shù)裝備的研究開發(fā)和工程應(yīng)用，同時(shí)也能為維護(hù)我國海疆安全和海洋權(quán)益發(fā)揮重大支撐保障作用。

五、結(jié)語

將潮流能發(fā)電和海水淡化、氯堿生產(chǎn)相結(jié)合，因地制宜，可充分利用海洋資源，可減輕對(duì)陸地能源的依賴，并為在海島和海上建立相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了可能。

增加了潮流能的使用范圍，為潮流能使用提供了重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為潮流能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展增添了新的驅(qū)動(dòng)力。

海水淡化獲得的淡水可以為氯堿生產(chǎn)服務(wù)，可以為海島提供生活用水，也可以進(jìn)行儲(chǔ)存，作為淡水補(bǔ)給站為來往船只提供淡水。

將濃海水就地利用，不但減少了海水淡化副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的污染，降低氯堿生產(chǎn)的成本，又可充分利用海洋化學(xué)能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。從海洋中獲取氫氣是未來氫工業(yè)的發(fā)展方向之一，通過本文中提出的海洋化學(xué)能利用方案，可制得高純度氫氣，為建設(shè)海上補(bǔ)氫站提供可能。