客观日本

海水淡化技术的普及与课题

2011年11月16日 科技交流

前言

《中国科技月报》第32期的专刊为“关于粮食可持续生产的研究”。本期同粮食一样,将每日不可欠缺的“水”作为特辑。

水除饮用水外,还在生活用水、农业用水、工业用水等诸多方面属于支撑人类生活的“资源”。能够满足人类多种需求的淡水仅占全球总水量的2.5%,绝大多数淡水是以南极和北极的冰以及地下水的形式存在的。据说剩余的0.01%存在于湖沼、河川、湿地、土壤、大气、生态等之中,其中的70%属于湖沼水。我们从自然生态系统得到的恩惠被称为“生态系统服务”。

“在这个有67亿人口生活于地球上的现代社会中,只有好好地保护管理生态系统,才能持续享受这种服务。”

(高村典子《湖,如何复苏?》“中国的水环境问题  开发导致的水不足”、67页、2009年)

尤其是水资源同粮食不同,无法“增产”。因此,随意的耗尽和污染会给我们带来严重后果。

本期特辑中,论文皆围绕中国和日本的水资源及与之相关的各种问题,请各领域的权威人士执笔。如果其中提到的各种事例和解决方法有助于诸位思考“水”和人类的未来,则甚感荣幸。

1. 淡水化方式与设置状况

此前开发的主要淡水化方式如图1所示。其中,在工厂实际采用的淡水化方式主要由多级闪蒸法、多重效用法、反浸透法构成。这些方式中,多级蒸馏法及多效蒸馏法属于蒸发法。其原理为对海水进行加热,产生水蒸气,使水蒸气凝结得到淡水。逆浸透法(RO)属于膜法的1种,其原理是对海水加压,使用特殊膜(水可以透过,但溶解在水中的盐类难以透过;称为半透膜)将受压海水中的净水滤出,得到淡水。另外,膜法中的另一种方法-电透析法是交替使用两种特殊膜(根据溶解成分的带电情况有选择地让其透过或阻止的2种电透析膜),在装入海水的专用箱两侧施加电位,海水将会分离成稀薄部分与浓缩部分,从稀薄部分取出净水的方式。其它方式有冷冻法、渗透汽化膜法(膜蒸馏法),但是,除了实验研究外,几乎没有实际应用的案例。

如上所述,作为淡水化系统的主要能源,蒸发法使用热能,反浸透法使用电能来驱动泵工作。

图 1  实用化的淡水化方式分类

图 1 实用化的淡水化方式分类

纵观淡水化工厂的历史,世界首家淡水化工厂于1944年在英国成立。现在,世界最大规模的海水淡化工厂是1985年整体竣工的位于沙特阿拉伯阿尔朱贝勒的46基100万m³/日产能的多级闪蒸法工厂。反浸透法工厂有:位于以色列阿什凯隆的40基约400,000m³/日产能的海水淡化工厂,位于阿尔及利亚总计达1,000,000 m³/日的海水淡化工厂从2007年至2008年一直进行生产。

2.世界状况

(1) 整体(以下是2005年末按照合同合计得到的数据)

海水淡化、碱水淡水化、超纯净水脱盐等淡水化需求,按照中东湾沿岸各国、地中海沿岸、北非等需求增加以及原有设施的更新需求,从1945年开始的累积容量2005年年末按合同达到了4,700万m³/日,2005年运营开始时,为4,000万m³/日。近年来,保持每年10%以上的增加率(每年200万m³/日以上)。今后,预计2010年前将保持12%的平均年增长率,2010年前产能达到6,300-6400万m³/日,2015年产能达到9,400-9800万m³/日。

图2 世界淡水化设施的地域比例

图2 世界淡水化设施的地域比例

 图3 世界淡水化设施合同实际产值的增长(累积)

图3 世界淡水化设施合同实际产值的增长(累积)

           表1 海湾沿岸各国与其它地域设置预测(2006年以后)

 

Gulf Countries

Rest of the World

Total

2006

17,621,894 m³/d

24,935,321 m³/d

42,557,214 m³/d

2007

19,031,645 m³/d

26,930,146 m³/d

45,961,791 m³/d

2008

21,505,759 m³/d

30,027,113 m³/d

51,532,872 m³/d

2009

24,516,565 m³/d

33,630,367 m³/d

58,146,932 m³/d

2010

26,725,428 m³/d

37,589,038 m³/d

64,314,466 m³/d

2011

28,863,462 m³/d

39,844,380 m³/d

68,707,843 m³/d

2012

30,595,270 m³/d

43,549,908 m³/d

74,145,178 m³/d

2013

32,736,939 m³/d

47,730,699 m³/d

80,467,638 m³/d

2014

35,355,894 m³/d

52,981,076 m³/d

88,336,970 m³/d

2015

38,350,428 m³/d

59,184,038 m³/d

97,534,466 m³/d

 特别是反浸透法的使用比例急速增加,现在(2005年年末),反浸透法(包含纳米膜)已超过蒸发法,占整体的52%。

图4 世界淡水化设施按不同方式的产能实绩

图4 世界淡水化设施按不同方式的产能实绩

 图5 淡水化的原水比例

图5 淡水化的原水比例

淡水化的原水如图5所示,使用海水与碱水(比海水淡)、河川水等,但海水与碱水占整体的78%。

(2)海水及碱水的淡水化

淡水化工程中,从以海水及碱水为原料的设施来看,各地域所占比例为:中东56%,北美、欧洲分别占12%,亚洲、非洲占7%。

从淡水化方式来看,MSF方式:中东地域占85%,所占比例很大,MED法及反浸透法:中东地域分别为39%、33%,北美、欧洲、亚洲占10~23%。

图6淡水化设施的各地域比例(全体)

图6淡水化设施的各地域比例(全体)

图7淡水化设施的各地域比例(MSF方式)

图7淡水化设施的各地域比例(MSF方式)

图8淡水化设施的各地域比例(RO)

图8淡水化设施的各地域比例(RO)

 图9淡水化设施的各地域比例(MED方式)

图9淡水化设施的各地域比例(MED方式)


3. 日本的状况

日本国内为有效利用温带台风、降雪、低气压等带来的水资源,在主要河川修建水库等设施,除部分地域外,从水源供需平衡的角度来看,对新水源的需求甚少。另一方面,以冲绳为首的西南诸岛、濑户内海地域的岛屿水源不足问题却一直存在,可以说,这些地域引进海水淡化工程后,能够维持良好的淡水供需平衡状态。

现在,国内民生用水(包含饮料水、休闲娱乐设施用水)供应设施共有65处,供水量为141,312m³/日,其中,以海水为原水的供应量为99,767m³/日;工业用水供应设施有29处,供水量为78,106m³/日,其中,以海水为原水的供应量为36,500m³/日。最初引进淡水化设施的是长崎县松岛炭坑池岛矿业所。1967年设立了生产水量为2,650m³/日的蒸发法-多级闪蒸法工厂,此工厂与日本生产商去年首次向国外提供的、在沙特阿拉伯竣工交付使用的海水淡化工厂属同类型工厂。

现在,日本最大规模的淡水化设施是于2005年5月开始投入使用的海中道奈多海水淡化中心(福冈地区水道企业团),供水量为5万m³/日,以及1996年2月开始使用的冲绳县企业局海水淡化中心,供水量为4万m³/日的反浸透法海水淡化工厂。

4. 世界淡水化事业

2006年以后开始运营的工厂中,阿尔及利亚产能为10~20万m³/日的RO工厂开始部分投产,沙特阿拉伯也设立了产能为20~80万m³/日的RO和MSF工厂。阿拉伯联合酋长国(UAE)也设立了产能为10~30万m³/日的RO和MSF工厂。其它海湾沿岸国家也都在研究设立大型海水淡化工厂。

这些未来计划几乎都属于双重功能工厂模式,即:在化石燃料发电工厂建设中加入淡水化设施建设。

表2  2006年以后开始运营的大型设施(10万m³/日以上)

 (参考資料)

(1) The 19th IDA Worldwide Desalting Plant Inventory, (Global Water Intelligence, ) ,August 2006,

(2) Desalination Markets 2007 , A Global Water Intelligence Publication

5.  日本企业的发展

中东地区发电、造水大型项目反映出私营化倾向,几个大型项目都是以日本商社为中心进行开发的,案例如下。

 (1)阿拉伯联合酋长国“乌姆阿尔纳发电、海水淡化项目”

是由东京电力(株式会社)、三井物产(株式会社)与英国International Power公司组成的国际财团受托的项目,在UAE首都阿布扎比市近郊的乌姆阿尔纳地区,收购输出功率85万kW的火力发电设备与日处理量75万吨的海水淡化工厂,同时,新建输出功率155万kW的火力发电设备与日处理量11万吨的海水淡化工厂。

①运营模式:20年时间的BOO(Build-Own-Operate)方式、

②水电销售方:阿布扎比电力公司(ADWEC)

③出资比例:投资公司(IP公司50%、东京电力35%、三井物产15%)出资40%,ADWEA出资60%,在阿布扎比设立项目公司(Arabian Power Company)。

④运行维护:运行维护公司(ITM O&M Company Limited)出资(东京电力30%、IP公司70%)

⑤竣工时期:2006年6月(部分工程于2005年6月竣工)

⑥工程总费用:2,500亿日元

⑦发电规模:85万kW+155万kW

⑧造水设施规模:75万m³/日+11万m³/日(新建工厂)

⑨淡化方式:SWRO

⑩淡化工厂建造商:日立造船(株式会社)[Toray(株式会社)]

 (2)阿布扎比、塔维拉发电造水项目

丸红(株式会社)、日挥(株式会社)、BTU公司(美国)以及Power Tech公司(马来西来)联合中标的项目,在阿布扎比、塔维拉地区(阿布扎比东北约80Km),收购已建成的100万kw火力发电设备及日处理量45万吨的造水设备,新建100万kw复合火力发电设备及日处理量30万吨的造水设备。

①运营模式:20年时间的IWPP方式、

②水电销售方:阿布扎比水电公司(ADWEA)

③出资比例:丸红、日挥联合出资40%、ADWEA出资60%

④竣工时期:2008年7月(部分工程的开始时间为2005年4月)

⑤工程总费用:30亿美元(约3,300亿日元)

总工程费中,国际合作银行及国际商业银行团(来自8个国家的15家银行参加)提供20亿美元。

国际合作银行提供12亿美元的融资。

从国际合作银行的项目金融案例的融资额来看,属历史最大融资额。

⑥发电规模:100万kW+100万kW

⑦造水设施规模:45万m³/日+30万m³/日(新建工厂)

⑧淡化方式:MSF

⑨淡化工厂建造商:Fisia Italimpianti

 (3)巴林国哈德发电造水项目

是住友商事(株式会社)、International Power公司(英国)、苏伊士特拉克泰尔贝尔公司(比利时)联合中标的项目,收购巴林国哈德地区正在运营的约1,000MW复合火力发电工厂及日处理量13.5万吨的造水工厂,增建日处理量27万吨的造水工厂。

①运营模式:20年时间的IWPP方式、

②水电销售方:巴林水电局

③出资比例:住友商事30%、International Power公司40%、苏伊士特拉克泰尔贝尔公司30%

④竣工时期:2007年11月

⑤工程总费用:13亿美元(约1430亿日元)

⑥发电规模:1000MW

⑦造水设施规模:40.5万m³/日

⑧淡化方式:MSF

⑨淡化工厂建造商:Fisia Italimpianti

 (4)卡塔尔、梅萨伊德工业地区发电造水项目

丸红(株式会社)卡塔尔石油及卡塔尔发电造水公司中标的项目,在位于卡塔尔的多哈市近郊的梅萨伊德工业地区新设立的2000MW(200万千瓦)的发电设备。

①运营模式:20年时间、IPP方式、

②电力销售方:卡塔尔水电公司

③出资比例:住友商事30%、International Power公司40%、苏伊士特拉克泰尔贝尔公司30%

④竣工时期:2010年4月

⑤工程总费用:23亿美元(约2,530亿日元)

⑥发电规模:2000MW(200万千瓦)

⑦造水设施规模:18.1万m³/日

⑧淡化方式:MSF

⑨淡化工厂建造商:Fisia Italimpianti

 (5) 沙特阿拉伯、拉比格造水项目

由丸红、日挥、伊藤忠商事及当地的独立发电运营商ACWA Power公司组成的企业联盟中标的项目,Saudi Aramco公司与住友化学共同经营的世界最大规模的石油提炼、石油化学工厂,将在未来25年时间里,供应电、水、蒸气。

发电造水设备建在拉比格地区(红海沿岸、吉达北部约140km)。60万kW火力发电设备、每小时生产470吨蒸气的重油焚烧炉9台、12万kW蒸气涡轮机5台、发电机5台、19.2万m³/日反浸透法工厂。

 ①运营模式:25年时间、电、水、蒸气的供应、BOOT

②销售方:拉比格石油精炼公司

③出资比例:丸红、日挥、伊藤忠商事及当地的独立发电运营商ACWA Power公司

④竣工时期:2008年6月

⑤工程总费用:不明

⑥发电规模:600MW(60万千瓦)

⑦造水容量:7,405吨/时(17.8 吨/日)

⑧蒸气:1,655吨/时

⑨淡化方式:反浸透膜方式

⑩淡化工厂建造商:三菱重工业(株式会社)

 (6)沙特阿拉伯、苏恰(Shuqaiq)造水项目

三菱商事、海湾投资公司(海湾沿岸各国共同出资的投资公司)以及阿克瓦Power公司(沙特阿拉伯的供水公司)3个公司联合中标的项目,在苏恰(邻近也门边境,红海沿岸城市)新建85万kW发电设备与17.8万m³/日海水淡化设备,从2010年开始的未来20年的时间里,将为沙特阿拉伯水电公司提供水电。

 ①运营模式:20年时间、水电供应、IWPP

②销售方:沙特阿拉伯水电公司

③出资比例:3家公司;60%、沙特阿拉伯政府:40%

④竣工时期:2010年

⑤工程总费用:20亿美元(约2,300亿日元)

⑥发电规模:850MW(85万千瓦)

⑦造水设施规模:17.8万m³/日(21.2万m³/日)

⑧淡化方式:反浸透膜方式

⑨淡化工厂建造商:三菱重工业(株式会社)

6. 反浸透法海水淡化设施普及的技术性课题

在世界海水淡化设施的最大市场-中东产油国,蒸发法(海水淡化方法)是主流方法,随着能源消耗及建设费少的多效蒸馏法(MED)采用案例的增多,有替代当前主流方法-多级闪蒸法(MSF)的倾向。另外,为改善水电供需平衡,最近,采用蒸发法与反浸透法混合方式的案例也不断增加。

另一方面,除中东产油国以外的世界其它各国,从投资额、能源消耗的角度考虑,相比蒸发法,更有优势的反浸透法占据了主导地位。至今仍受经济封锁的利比亚也开始关注反浸透法,这一点受到了欧美企业的关注。

如表1所示,虽然在中东及近东地区也设置了反浸透法(能源消耗方面占优势)海水淡化设施的大型工厂,但是,如上所述,总数仅为蒸发法(MSF+VC+MED)的1/3。原因还在于:该地区对反浸透法海水淡化设施的实际效果尚未认可。

7. 未来趋势

为促进海水淡化设施的普及,必须确保海水淡化成本低廉、工厂性能稳定、运行维护管理简便等要求,蒸发法与反浸透法相互竞争,从而推动了该领域的技术开发工作。

特别是中东和近东地区,海水浓度和水温都比标准海水高,对反浸透法而言,条件很苛刻,如何处理引起膜污染的微生物问题也是一项重要课题。

为了降低造水系统的成本,最近,蒸发法与膜法的混合方式受到关注,低于US 0.5 $/m³的造水成本促进了海水淡化设施的普及。

但是,原油价格昂贵、金属材料紧缺等是导致运行费、建设费上涨的主要原因,最近,造水成本超过了US 1.0 $ /m³,预计较低的造水成本今后将难以持续。

关于水资源供求现状和未来情况,由于存在地域差别,不能一概而论,但从全球角度来看,可以预测:随着人口数量急剧增加,社会文明不断进步,对水资源的需求将会持续增加,降水量减少及沙漠化将会导致水资源不足,水资源供求平衡将面临严峻形势,生活用水、工业用水依赖海水淡化工程的地域将会继续存在,这是未来不会改变的。

简历

平井  光芳(财团法人造水促进中心淡水化技术部部长)

1973年3月,神奈川大学工程学部应用化学系毕业

1975年4月,进入(财)造水促进中心工作

2004年4月起,任(财)造水促进中心淡水化技术部长

注∶造水促进中心从属淡水化技术部,进行以反浸透法淡化海水为中心的淡水化技术的开发事业,日本地方行政部门等的海水淡化计划,及海水淡化示范等普及工作。此外,还从事海外的海水淡化技术动向调查,海水淡化研究合作事业,海水淡化FS调查等。

专题网页