核能海水淡化技术

2009-10-16 南沙的博客

目前，我国解决缺水的途径主要有实施区域性调水、蓄水工程、节水以及污水回用等。这些途径只能解决区域性缺水和季节性缺水问题，而不能从根本上解决资源性缺水问题。另外，投资和成本问题也是要考虑的重要因素。因此，调水、节水、中水利用只解决有限水资源的分配和利用问题，而海水淡化则是根本上增加淡水资源总量的重要途径。

目前的海水淡化技术有两类:

1.反渗透技术

渗透描述了水在生态系统中细胞半透膜间的扩散过程。在反渗透技术中,通过电泵施加的高压迫使海水流过人工膜,从而达到盐类和水分离的作用。这一过程消耗大量电能——每生产1立方米的淡水,就要消耗3-6千瓦时电能。

2.利用发电废热实现多效蒸馏和多级闪蒸。这一蒸馏过程需要 70-130℃品位的热量,每发25-200千瓦时的电能就可生产1立方米的水。同反渗透技术相比,这听上去似乎没有竞争力,但它只是一个涉及可利用热能和电能(通常来自燃烧化石燃料)的问题。据报道,一种新的多效蒸馏技术(MED-MVC)生产1吨水只需10千瓦时电能所产生的废热,这同反渗透技术相比是有竞争力的。

核能是一种清洁的能源，一座日产10万吨淡水的核能海水淡化厂每年消耗二氧化铀核燃料2.5吨左右，不存在化石燃料燃烧产生的有害气体对大气的污染问题，也不存在大量的燃料和排放物的储存、运输和处理问题。而采用化石燃料，则需要煤25万~30万吨，产生二氧化碳近百万吨，二氧化硫约4000吨。

作为一种新技术,核能海水淡化利用核反应堆,在综合性设备中将再生电能和海水淡化所用的热能结合起来。核能海水淡化有两项独特的优势:1.海水淡化耗费电能,而来自核反应堆的电能不会产生温室气体;2.由于石油和天然气价格上涨,以核能淡化海水同以化石燃料能源淡化海水相比具有竞争力。

按照惯例,核反应堆产生的大部分热能都浪费了,将其用在海水淡化上将是最佳选择。沿海小城市的小型和中型核反应堆也是海水淡化的好选择,它们可使用热电联产中的涡轮产生的低压蒸汽和最终冷却系统产生的高温海水。

国际原子能机构(IAEA)已在多个国家进行了大量研究和数据汇编。在法国为突尼斯进行的一项研究中,将循环式燃气轮机和4种核能利用方式进行对比,发现核能海水淡化的成本约为燃气轮机的一半。

综合性核能海水淡化装置的可行性已经得到了超过150反应堆年的实验证实——这主要是在哈萨克斯坦、印度和日本开展的。目前,世界范围内处于计划阶段的新设备还有50个,分布于韩国、俄罗斯、巴基斯坦、突尼斯、摩洛哥、埃及、阿尔及利亚、利比亚、伊朗、卡塔尔、约旦和阿根廷。这些设备在不同国家有不同的用途,例如日本将淡化后的海水用于冷却反应堆。

另一个利用热电联产的策略是使反应堆最大限度运行以满足输电网需要,但当需求降低时,将其中的一部分用于启动反渗透技术海水淡化。

根据国际原子能机构的说法,在中国,核能生产淡水同化石燃料生产淡水相比具有非常大的成本竞争力——约每立方米5.25元。中国计划在2012年每天生产250万立方米淡水。日本和中国在核能海水淡化方面有着最高的研发投入,将引领这一急速发展的未来市场

2001年，我国开始投入人力、物力开展核能海水淡化技术研究，并取得较大进展。而后期尚有大量基础科研工作等待开展，需要国家大力支持。但是目前，国家对后期工作的支持远远不够，在投入上仅为需求量的百分之几；在政策上，核能有国家规划，海水淡化有国家规划，但二者结合的核能海水淡化却没有国家规划；在项目审批上，对新技术的立项没有相应的措施。这些都未能体现核能海水淡化在解决战略水资源问题上的重要作用。

为此，全国政协常委杨岐曾提出以下建议：

1.核能海水淡化是解决淡水缺乏问题的重要途径，国家应予以高度重视和大力支持。国家发改委应制订利用核能进行海水淡化的规划或计划。

2.明确核能海水淡化的主管部门，统一领导、统一组织、统一部署，避免政出多门和相互脱节现象。

3.鉴于海水淡化技术开发项目的重要性，不能等同普通的民用技术开发和一般产业化项目。建议制订法规，与采用新能源一样，在立项审批、价格补贴和科研经验等方面给予大力扶持。

4.加大对安全性高、技术成熟、经济性好、进入市场快的海水淡化厂方案（如低温池一壳式常压堆海水淡化厂方案）的经费投入。

【相关信息】

2005年12月28日，北大青鸟集团在杭州与温岭市和中国核动力院共同签定了浙江省温岭日产10万吨核能海水淡化项目合作协议。

项目名称：北大青鸟核能海水淡化项目
项目简介/产品主要用途：
世界范围内的用水危机促进了海水淡化的发展。从20世纪70年代至今，世界范围内海水淡化的装机容量以每年 6%的速度增长，到2000年底，海水淡化的容量已经达到了日产2320万立方米。海水淡化需要提供大量的清洁能源。由于我国化石燃料人均储量很少,采用这种能源进行海水淡化的产业空间受到影响，解决清洁能源的最佳供应途径是开发民用核能。中国核动力研究设计院的低温常压池—壳式反应堆(简称：常压堆)专利技术，作为一种专用于海水淡化和城市供热的大型清洁能源，具有技术简单、安全性好、造价和运行费用低的特点，有较强的市场竞争力，是具备良好发展前景的新兴能源产业。通过对法国、德国、韩国及中国等国企业生产的海水淡化装置的调研、分析、比较，我们选择了能日产（单台）上万吨淡水的以色列IDE公司生产的LT-MED低温多效海水淡化大型装置，LT-MED大型装置有20-30年成功的运行历史，目前全世界有300多套正在运行的该装置。核能海水淡化厂（NDP）由常压堆供热系统、海水淡化站（WDS）两大部分组成。常压堆供热系统为一座热功率为245MWt的池-壳式低温常压反应堆，它以负压蒸汽为载体向低温多效海水淡化装置（LT-MED）提供低温热源，由LT-MED热法生产高纯度的淡化水。海水淡化站共设置了4台日产淡化水10万吨（每台2.5 万吨/日）的低温多效蒸馏海水淡化装置以及相应的取水及其预处理设施。热量在装置内的传输和装置工作过程为：在反应堆冷却剂出口温度100℃工况下将裂变能转换为热能。在一回路，堆芯的热能通过反应堆冷却剂的强迫循环导出，经主热交换器将热量传递给二回路，再由二回路水通过强迫循环将热量通过二次热交换器传递到三回路。在三回路，二次热交换器二次侧出口产生90℃的热水送至LT-MED闪蒸罐，90℃热水在闪蒸罐内负压下产生72℃饱和蒸汽供海水淡化装置作为热源，蒸汽在淡化装置内放出热量后冷凝为饱和水，并与闪蒸罐的疏水混合，再经给水泵加压送至二次热交换器二次侧进口。LT-MED在72℃饱和蒸汽作用下对海水进行热法多效蒸馏，从而源源不断地生产淡化水。

项目技术特点/主要技术指标：
核能海水淡化项目的优势主要体现在常压堆、海水淡化装置、二者的接口及其多用途的优势上，具体如下：
1. 常压堆
(1)使用成熟技术设计的燃料组件，保证了反应堆具有良好的固有安全性。
(2)采用低的冷却剂系统运行参数和水重力加压方式，消除压水堆存在的多种重大事故或减轻了事故的后果，为装置提供了良好的固有安全性。
(3)采用高体积比功率的板翅式热交换器作为主热交换器，显著减小了一回路主设备的尺寸和反应堆厂房尺寸。并保证了设备的可靠性。
(4)在一回路和三回路（用户回路）间设置二回路系统，保证了一回路和三回路系统的有效隔离。
(5)采用完全非能动的专设安全设施，靠蓄压水池的水容量和重位压头实现事故后的堆芯应急冷却；靠应急注水箱重力注水和空冷器自然循环通过主热交换器二次侧实现应急余热排出。
(6)反应堆本体和冷却剂系统设备布置在地面标高以下，主回路间相互隔离，保证了失水事故安全。
(7)采用池壳式总体布置结构，堆芯由一个低压密封的反应堆容器包容，蓄压水池独立设置，通过短管与反应堆容器连接，既保持了靠水重力加压的特点，又保证了放射性物质的包容，同时很好解决了燃料吊装运输和检修的问题。
(8)反应堆冷却剂系统采用强迫循环方式,反应堆冷却剂具有较高的自然循环能力,有利于事故时的应急余热排出。
(9)池壳式的总体布置为采用成熟的水下换料方式创造了有利条件，使换料工艺简化，减少故障，提高可用率。
(10)主要设备技术成熟，制造简单，可直接用于商业应用。
(11)常压堆核供热系统的这些特点保证了在设计基准事故下，甚至在超设计基准事故下，燃料元件不会烧毁，从而可以保证在任何情况下释放到周围环境的放射性都可以满足不需要厂外干预的要求。
(12)常压堆核供热系统全面的设计简化和采用成熟技术，降低了建造和运行费用，使采用核能海水淡化具有较好的经济性和现实性。
(13) 二次侧出口产生90℃的热水送至LT-MED闪蒸罐90℃热水在闪蒸罐内负压下产生72℃饱和蒸汽供海水淡化装置作为热源，并对海水进行热法多效蒸馏，从而产生淡水。IAEA认为低温多效蒸馏（蒸馏温度72℃）是目前最高商业利益的海水淡化装置。国家发改委也非常支持发展低温多效蒸馏海水淡化技术。
2. LT-MED低温多效海水淡化装置
通过对法国、德国、韩国及国内等国企业生产的海水淡化装置的调研、分析、比较，我们选择了能日产（单台）上万吨淡水的以色列IDE公司生产的LT-MED低温多效海水淡化大型装置，它的主要优点是：
(1)能大型化，为核能进行海水淡化形成综合规模经济，降低单位造水成本创造了条件。
(2) 只需要72℃的低品质蒸汽，这对降低反应堆的设计、运行参数，以及低参数反应堆与低温多效海水淡化装置进行直接耦合带来可能和方便---反应堆供热系统可以在较低的参数下提供热水闪蒸或直接提供蒸汽与LT-MED直接耦合，不需要设置如热泵降温等设施。(注：目前是三回路，IAEA认为可以由二回路直接向海水淡化装量供蒸汽或热水。今后核动力院可以在分析论证的基础上还可以使本方案进行简化)。
(3)LT-MED大型装置有20－30年成功的运行历史，目前全世界有300多套正在运行的该装置。
(4)72℃的蒸汽温度参数，又使海水淡化装置中的喷淋、蒸发管束可以采用铝合金，使该装置的材质要求降低，造价相对便宜，同时海水在这个温度范围恰好使管束不易腐蚀，不易结垢，运行寿命长，清洗维护方便。

3. 低温常压堆与低温多效海水淡化装置的组合，可以很好解决安全性和经济性问题，有望突破制约核能海水淡化产业发展的关键
(1)大容量低温多效海水淡化装置引进及国产化显著降低了淡化装置造价
低温多效海水淡化装置的最高运行温度在70℃以下，因此可以采用廉价的铝合金材料代替昂贵的钛合金材料，既解决了海水的腐蚀和结垢问题，又显著降低了设备的造价。目前，该项技术已经成熟，单台最大产水能力已达40000吨/天以上，一台25000吨/天的海水淡化装置造价可降低到1.5亿元左右，采用国产化制造后，其造价还可进一步降低。海水淡化装置设备造价降低，为降低淡水生产成本创造了有利条件。
(2)低温多效海水淡化装置低品质的热源需求使采用常压堆核供热系统成为可能
低温多效海水淡化装置所需的热源参数是72℃饱和蒸汽，因此，核供热系统的反应堆和冷却剂系统完全不必要采用核电站的高温高压，甚至也不需要供热堆的中温中压参数，而可以选取低温（100℃以下）常压运行参数。从而为解决核能海水淡化的安全和经济性矛盾问题创造了十分有利的条件。
(3)低温常压堆更有利于解决安全问题和满足更高的安全要求
低温常压堆是在温度低于100℃、压力为大气压或稍高于大气压的参数下运行，其热储能仅为高温高压参数条件下的四分之一，事故情况下的质能释放要小得多。此外，低参数条件下可以更多地采用水淹没、水重力以及自然对流等固有的物理特性和非能动措施保证事故安全。经两年来的初步论证分析，低温常压堆的设计可以实现在所考虑的设计基准事故和超设计基准事故的情况下，不会发生燃料元件烧毁。堆芯熔化和大量放射性释放的概率比大型核电站低1～2个数量级，完全可以满足在大城市附近建造这种核动力堆的安全法规要求。
(4)低温常压运行参数更有利于降低核供热系统的建造成本
低温常压的运行参数和大量采用非能动安全设施，节省了大量复杂的安全相关的辅助设施，使系统大为简化。所有设备在低温低压下运行，使设备的设计和制造更为简单，造价显著降低。此外，设计充分利用了民用核电站和军用核动力的技术，节省了大量的设备研制费用。这些措施的综合使低温常压堆核供热系统的建造成本显著降低，并可与其他热源相竞争。初步的经济分析表明，核供热系统的单位造价约为每千瓦热功率1500元左右，淡水的生产成本为4～5元/吨。
(5)低温常压堆核供热系统的研究开发有望推动核能海水淡化产业的发展
低温常压堆核供热系统的设计充分利用了民用核电和军用核动力的成熟技术，不需要大量新技术的研究开发，只需投入一定的研究费用，对关键技术进行设计研究和试验验证，即可达到工程设计和建造的要求。低温常压堆核供热系统具有安全可靠性高、系统简单、运行方便、建造周期短、建造和运行成本低、可以满足动力堆在大城市附近建造的十分严格的安全性要求，很好地解决了长期制约核能海水淡化发展的高度安全性要求和由此带来的高建造成本之间的矛盾。低温常压堆核能海水淡化厂示范工程的建造和运行将为利用核能海水淡化向大城市供水解决水资源短缺问题探索出一条可行的途径，并有望进入国内外市场，使核能海水淡化形成产业化。
本研究开发项目将对开发核能海水淡化市场，开辟和平利用核能的新途径，打造核能海水淡化产业链，形成核工业在核技术应用领域新的经济增长点，促进核行业的多元化发展和可持续发展具有深远的意义。
4. 低温池壳式常压堆是主要为海水淡化而开发的堆型，但同时仍可以用以用于城市供热和同位素的生产。

市场前景与预测：
1. 核能海水淡化工程
v 根据大型工艺设备的最佳经济配置，我们设计了三种规模的参考方案：日产8-10万吨淡水；//日产15万吨淡水；//日产20万吨淡水；
v 我们根据实际情况和需求，设计技术先进和高性价比的解决方案。可提供的服务模式包括：设备生产销售；//交钥匙工程；//合作建设；/BOT；//技术转让；工程设计；设备和运营管理服务；//协助项目融资
v 市场分销模式：工业企业供水、食品饮料企业供水、高档住宅小区直饮水、灌装生产线供水、城市管网供水。
v 水源是城市发展的新动力，北大青鸟携手国内外长期战略伙伴，投资建设核能海水淡化项目补充沿海城市淡水资源，并作为公共服务企业提供运营管理，依托资本及实业投资经验，协助政府共同发展绿色经济。

2. 海水淡化工程设备制造产业
以再生水和海水淡化技术设备产业化推广为核心，以污水处理、再生水、海水淡化设施运行管理为辅助，努力形成一个集技术研发、工程建设能力、建设管理能力、运行管理能力、设备制造能力、投资和融资能力为一体的高科技企业。
发展规划：海水淡化技术研发和设备供应、项目设计建设和运营管理、国内外水处理工程承揽、综合系统集成能力建设及核能海水淡化工程设计施工及维护。

项目投资概算：
核能海水淡化的规模经济效果是市场占有的基础保证，因此适用于大型工业企业、能源公司、市政当局与权力机关、旅游开发地等用水大户，投产规模8～20万吨的工程投资与产水成本比例最合理。
下面我们以日产8万吨（纯净度在5ppm以下）的核能海水淡化工程为例进行经济估算。
核能海水淡化工程由常压堆、淡化站及辅助设施组成。项目投资估算分为两部分，即常压堆及海水淡化站，将辅助设施分别并入这两部分中。
投资估算中包括：工程前期，反应堆工程，海水淡化工程，辅助工程，工程其他费用，辐照综合利用设施费，首炉燃料费和预备费等。
基础价总投资82084万元，其中：常压堆基础价33884万元，海水淡化工程基础价48200万元。
固定价投资以零浮动率计，同基础价投资。
建成价投资86009万元，其中：常压堆建成价35377万元，海水淡化工程建成价50632万元。
常压堆投资构成如下：合计工程费24182万元。其中，设备购置费13146万元，占54.4%，建筑安装费7574万元，占31.3%%，其他工程费用 3483万元，占14.4%。另外，辐照综合利用设施费用4000万元，首炉燃料费用2316万元，基本预备费3386万元，基础总投资为33884万元。
海水淡化工程投资构成如下：合计工程费42200万元。其中，淡化装置工程费35000万元，占82.9%；海水取水及预处理工程费2830 万元，占6.7%；厂区与厂房、产品水输送、浓水排放和输配电等工程费2020万元，占4.8%；其他费用2350万元，占5.6%；基本预备费按工程费为6000万元，基础总投资为48200万元。
分析结果为：全寿期平均供热成本为9.57元/吉焦耳，全寿期平均供水成本为2.92元/吨。