基於海洋能的海水資源綜合利用研究

一、研究背景

海洋能根據存在形式的不同，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量高達 2.1×106 TWh/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，如海上風能、海洋生物質能、海洋地熱能等。上述狹義或廣義海洋能均為可再生的清潔能源。然而，在海水中還蘊含了數量巨大的「海洋（水）化學能」。有效利用這種特殊的能量並將海量的海水「資源化」，是本文擬提出的研究新領域、技術新問題。具體而言，本文將著重討論一個有研究價值的海洋能、海水淡化、海水資源綜合利用新方案，即通過海洋能發電進行海水淡化，在獲得寶貴淡水資源的同時，進一步利用海洋能轉化的電力完成制淡副產品濃鹽水的電解制氫、制鹼工藝，從海水中直接獲取氫氣、氯氣、純鹼、燒鹼等化學製品，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）地區淡水資源短缺的現實選擇，具有重要的社會意義和經濟價值，海水淡化技術本身產業已成熟。利用海洋能實現海能海用、就地取能、就近發電，實現沿海缺水地區或無水島嶼、島礁的海水淡化供給，進一步實現了海上可再生能源技術與海水淡化技術的融合，拓展了產業鏈，可望進一步降低海水淡化的成本。海水淡化後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非常接近。在海洋能發電技術方面，包括浙江大學、中國科學院廣州能源研究所等單位在內的國內外研究機構和企業在海洋能發電領域做了長期的、大量的工作，潮流能、波浪能等發電裝備與技術日趨成熟。但是同時利用海洋能產生的電力和海水制淡產生的副產品濃鹽水，來完成通常在內陸廠家消耗大量電力的電化工生產過程是一個新概念，目前尚無直接、具體的研究和實施案例。因此下文將分析上述方案中的利用海洋能發電和海水制淡剩餘濃鹽水（通常回棄大海）兩種海上資源，通過電解制氫及生產其他化工產品的工藝、成本及應用技術等問題，探討這一方案的可行性、有效性，評估其潛在的經濟、社會效益。

二、 海水淡化與其濃鹽水副產品資源化利用可行性分析

中國是一個淡水資源缺乏的國家，在全國660 多個城市中，有 400 多個城市缺水，其中 108 個為嚴重缺水城市 [2]。水資源缺乏已經成為制約社會經濟發展的重要因素。利用海水淡化技術獲取淡水可以不受時空和氣候影響，水質好、價格合理，可以為沿海地區提供穩定的市政供水與工業用水。然而隨著大規模反滲透膜法海水淡化工程的實施，其副產品濃海水的排放問題引起了廣泛關注。濃海水不僅含鹽量高，而且在海水預處理過程中會引入一些化學物質，如果處理不當會對環境造成影響甚至汙染 [3]，特別是對（半）封閉海域生態環境的影響尤為突出。因此，中國政府高度重視海水綜合利用，在《關於加快發展海水淡化產業的意見》（國辦發〔2012〕13 號）總體思路中，明確提出「海水淡化處理與資源綜合利用相結合」。當 2020 年海水淡化 6×106 ~ 8×106 t/d 目標實現時，濃海水資源化產業的產值將達到 370 億元以上，不僅可獲得很好的綜合經濟效益，而且將為解決國內急缺礦物的來源，以及保護海洋環境做出重要貢獻，其前景非常廣闊。以某 1×105 t/d 海水淡化裝置為例，每天排出的濃海水約為 6×104 t，其中含鹽量約為6×103 t，如果作為副產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2.19×107 t，其中化學資源總量將超過 2×106 t 。綜上可見，直接將濃海水回放入海將造成資源的浪費和海域的汙染，而利用制淡濃海水則不僅是海水資源綜合利用鏈的延伸，也完全具備技術上的可行性和創造新價值的潛力。

三、 基於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所具有的動能，兩者成因不盡相同。前者在海岸或者島嶼附近最為集中，對應流速大，能量密度大。後者在廣闊大洋普遍存在，通常流速偏小但總量極大。潮流能或洋流能規律性強，對海洋環境的影響較小，很適合進行大規模開發 [5]。因此，在海岸或者島嶼上開展以潮流能發電為基礎的海水資源綜合利用，便於就地取能、海能海用，具有極強的現實意義和可能性。

（一）基於潮流能的海水資源利用方式

1. 基於潮流能發電的海水淡化

對於絕大部分遠離大陸的海島而言，缺乏淡水資源是一個普遍的問題。常規的海水淡化方式離不開電能的支持，而島嶼的長距離輸電往往有諸多限制，有時難以實現。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）流能發電設備將其動能轉化為電能，再驅動海水淡化裝置獲得淡水，是解決遠離大陸海島淡水問題的有效方案。

2. 基於潮流能發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，不僅會對周圍海域造成汙染，而且還會造成資源的極大浪費。海水中含有豐富的氯化鈉，是製備燒鹼的重要原料。氫氣、氯氣作為製備燒鹼的副產物，具有十分重要的經濟價值，尤其是氫氣作為氫燃料電池、氫能新能源汽車的能量來源，其重要價值不言而喻。

氯鹼工業的核心部分為電解工序。據測算在整個生產過程中，電解工序所消耗的電能佔到整體能耗的 53.2%，許多制鹼廠曾自備小型發電廠，在滿足生產過程中對電能消耗的同時又降低了生產成本 [6]。然而自備電廠多為火力發電廠，在發電過程中對環境影響大，電能消耗逐漸成為影響燒鹼製備的限制性因素。

這為將潮（洋）流能發電和氯鹼工業相結合提供了可能，也為濃海水用於氯鹼生產提供了便利。將潮流能發電、海水淡化以及氯鹼生產就地或就近結合，從而形成一套新的海洋能綜合利用體系，應是海洋能開發利用歷程上的重要一步。

（二）基於潮（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。原海水取水經過一系列處理流程得到淡水、固鹼產品、氫氣、氯氣和濃鹽酸等產物，流程中電能均由潮（洋）流能發電裝備提供。

圖 1 海水資源化綜合利用流程圖

首先，用反滲透膜法將預處理後的海水進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、能耗低等優點 [8]。

然後，將得到的濃海水用電滲析法得到精緻濃海水。工業上通常採用電解飽和氯化鈉溶液的方法製備燒鹼、氯氣和氫氣 [9]，故需要進行濃海水精製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到制鹼的要求。

最後，電解飽和氯化鈉溶液製備燒鹼、氯氣和氫氣。在電解工序中，精製濃海水從陽極側進入離子膜電解槽，陰極側加入部分海水淡化所得的淡水，經電解後在陽極側得到淡鹽水和氯氣，在陰極側得到電解液和氫氣。

陽極生成的淡鹽水和氯氣經過鈦冷卻器冷卻後再氣液分離。流出的淡鹽水經脫氯環節去除其中的次氯酸，可以在濃海水精製環節重複利用。氯氣冷卻乾燥後，可以液化儲存，也可以與陰極生成的氫氣合成鹽酸，供電解工序使用。氫氣乾燥後可進入高壓儲氫罐儲存備用，也可進入鹽酸生產工序。此外，將陰極所得的電解液蒸發，便可獲得固體燒鹼產品。

（三）工藝運行經濟型分析

結合潮（洋）流能發電設備運行環境，本文以產能 2.5×103 t/d 的海水淡化設備為例，10 a 為運行時間期限，進行整套工藝流程的成本評估。本文所提海水淡化工藝為目前成熟的反滲透膜法，故其運行成本與常規海水淡化設備無異。設備運行成本由固定成本和經營成本兩部分組成。海水淡化設備的固定成本包括折舊、財務費用和其他費用；經營成本主要包括電費、維修費、膜更換費、藥劑費、人工費等 [11]。

海上風力發電系統與潮流能發電系統在投資運維上有諸多相似之處，故本文以海上風電的上網電價來預估潮流能上網電價來進行成本計算具有較強的參考性。由文獻 [12] 可知，根據《國家發展和改革委員會關於調整光伏發電陸上風電標杆上網電價的通知》（發改價格〔2016〕2729 號）近海風電項目標杆上網電價為 0.85 元 /kW · h。結合文獻 [11]中的運行成本計算可知，在本文設計的條件下，海水淡化的成本為 12.4 元 /t。

採用電滲析法來濃縮經海水淡化後的濃海水，折合成氯化鈉計算其用電量為 170 kW · h/t [13]，以 0.85 元 / kW · h 電價來計算，則獲得氯化鈉的用電成本為 144.5 元 /t。而目前氯鹼工業生產的原鹽價格在 250 元 /t 左右，故利用濃縮後的濃海水作為氯鹼生產的原液從一定程度上可降低原料成本。

產能為 2.5×103 t/d 的海水淡化設備每天能產生 3×103 t 濃海水，故需要充分利用濃海水，燒鹼產能需為 5×104 t/a。根據文獻 [14] ，離子膜電解法制燒鹼每噸電耗為 2340 kW·h、蒸汽消耗為 0.9 t，氯化鈉消耗為 1.6 t，結合前文對電價和氯化鈉價格的折算，得每噸燒鹼的能耗成本為 2310 元。以10 a 為時間期限，加上設備折舊費及經營成本，折算每噸燒鹼總成本約為 2594 元。

本文提出基於潮（洋）流能發電的海洋化學能綜合利用方案，其海水淡化成本為 12.4 元 /t，制燒鹼成本為 2594 元 /t。而根據文獻 [11] 和文獻 [14] 中海水淡化和制燒鹼的成本計算，可知常規條件下海水淡化成本為 8.808 元 /t，制燒鹼成本為 1281 元 /t。與常規的海水淡化、制燒鹼工藝相比，兩者目前成本差距的主要原因在於用電價格。而隨著技術的進步和規模的擴大，潮流能發電成本的降低和此方案的經濟價值將進一步顯現。

四、海水資源的下遊應用

飽和食鹽水經電解能生成氫氣、氯氣、燒鹼，三者均是重要的化工原料。燒鹼是氯鹼工業的主要產品，具有重要的工業價值，被譽為「化工之母」。氯氣和氫氣是氯鹼工業重要的聯產品，對於氯鹼工業的發展起著關鍵作用。

燒鹼廣泛應用於洗滌劑、肥皂、造紙、印染、紡織、醫藥、染料、金屬製品、基礎化工及有機化工行業。國內燒鹼需求結構基本保持穩定，下遊消費市場仍以氧化鋁、造紙、印染、化纖等傳統行業為主 [15]。

氯氣是氯鹼工業重要的聯產品，應用十分廣泛，是重要的自來水消毒劑，也是漂白粉、漂白劑的主要原料，在電子工業大量應用於超大規模集成電路製造。氯氣下遊產品也相當豐富。以氯氣為源頭，可氯醇化生產環氧丙烷，下遊生產聚醚和四氯乙烯，四氯乙烯可以部分生產製冷劑外售；可生產氯丙烯、環氧氯丙烷；可生成光氣，再生產二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），與另一條生產線的產品配合可以進一步生產聚氨酯；可以單獨生產三氯乙烯直接外售 [16]。

氫氣在煉油方面和燃料電池方面應用廣泛。其對於提高輕油收率、改善油品品質具有重要的作用。2017 年我國的煉油總量達 7.7×108 t，耗氫量約為6.16×106 ~1.078×107 t [16]。燃料電池具有巨大的商業價值，在交通、能源、軍事和航天等領域前景廣闊。而氫燃料電池是燃料電池應用的重點方向。以氫燃料電池為核心的氫燃料電池汽車、分布式發電、應急電源等產業已經初現端倪 [17]。

此外，氫氣在深遠海軍民兩用基地也發揮著巨大的作用。據悉中國航天科技集團組建成立我國首個軍民融合氫能工程技術研發中心。若按本文提出的海洋能制淡、製冰、制氣和海水動能、化學能資源化利用方案，在包括我國近海和深遠海依託海洋能豐富的海島島礁完成發電、制淡、制氫裝備系統，使其成為深遠海自動化，移動化，無人化充電、充水、充氣的前沿供給基地和海水化工原材料、漁業用冰生產儲存基地，不僅能推動可再生海洋能、氫能利用等前沿領域高端技術裝備的研究開發和工程應用，同時也能為維護我國海疆安全和海洋權益發揮重大支撐保障作用。

五、結語

將潮流能發電和海水淡化、氯鹼生產相結合，因地制宜，可充分利用海洋資源，可減輕對陸地能源的依賴，並為在海島和海上建立相關產業提供了可能。

增加了潮流能的使用範圍，為潮流能使用提供了重要的經濟價值，為潮流能發電產業化發展增添了新的驅動力。

海水淡化獲得的淡水可以為氯鹼生產服務，可以為海島提供生活用水，也可以進行儲存，作為淡水補給站為來往船隻提供淡水。

將濃海水就地利用，不但減少了海水淡化副產物對環境的汙染，降低氯鹼生產的成本，又可充分利用海洋化學能，提高經濟效益。

氫能是被公認的清潔能源，被譽為 21 世紀最具發展前景的二次能源。從海洋中獲取氫氣是未來氫工業的發展方向之一，通過本文中提出的海洋化學能利用方案，可製得高純度氫氣，為建設海上補氫站提供可能。