基于海洋能的海水资源综合利用研究

一、研究背景

海水制淡是解决沿海（近海）地区淡水资源短缺的现实选择，具有重要的社会意义和经济价值，海水淡化技术本身产业已成熟。利用海洋能实现海能海用、就地取能、就近发电，实现沿海缺水地区或无水岛屿、岛礁的海水淡化供给，进一步实现了海上可再生能源技术与海水淡化技术的融合，拓展了产业链，可望进一步降低海水淡化的成本。海水淡化后的浓盐水中的氯化钠浓度与电解盐工艺溶液中氯化钠的浓度已经非常接近。在海洋能发电技术方面，包括浙江大学、中国科学院广州能源研究所等单位在内的国内外研究机构和企业在海洋能发电领域做了长期的、大量的工作，潮流能、波浪能等发电装备与技术日趋成熟。但是同时利用海洋能产生的电力和海水制淡产生的副产品浓盐水，来完成通常在内陆厂家消耗大量电力的电化工生产过程是一个新概念，目前尚无直接、具体的研究和实施案例。因此下文将分析上述方案中的利用海洋能发电和海水制淡剩余浓盐水（通常回弃大海）两种海上资源，通过电解制氢及生产其他化工产品的工艺、成本及应用技术等问题，探讨这一方案的可行性、有效性，评估其潜在的经济、社会效益。

二、 海水淡化与其浓盐水副产品资源化利用可行性分析

三、 基于潮流能或洋流能的海水资源综合利用方案

潮流能或洋流能是指海水在水平方向上流动所具有的动能，两者成因不尽相同。前者在海岸或者岛屿附近最为集中，对应流速大，能量密度大。后者在广阔大洋普遍存在，通常流速偏小但总量极大。潮流能或洋流能规律性强，对海洋环境的影响较小，很适合进行大规模开发 [5]。因此，在海岸或者岛屿上开展以潮流能发电为基础的海水资源综合利用，便于就地取能、海能海用，具有极强的现实意义和可能性。

（一）基于潮流能的海水资源利用方式

1. 基于潮流能发电的海水淡化

对于绝大部分远离大陆的海岛而言，缺乏淡水资源是一个普遍的问题。常规的海水淡化方式离不开电能的支持，而岛屿的长距离输电往往有诸多限制，有时难以实现。而这些海岛附近往往具有天然的潮流能或洋流能。因此，通过潮（洋）流能发电设备将其动能转化为电能，再驱动海水淡化装置获得淡水，是解决远离大陆海岛淡水问题的有效方案。

2. 基于潮流能发电的海水浓盐水处理

氯碱工业的核心部分为电解工序。据测算在整个生产过程中，电解工序所消耗的电能占到整体能耗的 53.2%，许多制碱厂曾自备小型发电厂，在满足生产过程中对电能消耗的同时又降低了生产成本 [6]。然而自备电厂多为火力发电厂，在发电过程中对环境影响大，电能消耗逐渐成为影响烧碱制备的限制性因素。

这为将潮（洋）流能发电和氯碱工业相结合提供了可能，也为浓海水用于氯碱生产提供了便利。将潮流能发电、海水淡化以及氯碱生产就地或就近结合，从而形成一套新的海洋能综合利用体系，应是海洋能开发利用历程上的重要一步。

（二）基于潮（洋）流能的海水资源综合利用流程分析

图 1 为海水资源化综合利用流程图。原海水取水经过一系列处理流程得到淡水、固碱产品、氢气、氯气和浓盐酸等产物，流程中电能均由潮（洋）流能发电装备提供。

图 1 海水资源化综合利用流程图

首先，用反渗透膜法将预处理后的海水进行淡化获得氯化钠浓度为 6%~8% 的浓海水 [7]，反渗透膜法具有投资低、能耗低等优点 [8]。

然后，将得到的浓海水用电渗析法得到精致浓海水。工业上通常采用电解饱和氯化钠溶液的方法制备烧碱、氯气和氢气 [9]，故需要进行浓海水精制提高溶液中氯化钠的含量。电渗析法作为成熟的海水浓缩方法 [10]，可提高浓海水中氯化钠的浓度以达到制碱的要求。

最后，电解饱和氯化钠溶液制备烧碱、氯气和氢气。在电解工序中，精制浓海水从阳极侧进入离子膜电解槽，阴极侧加入部分海水淡化所得的淡水，经电解后在阳极侧得到淡盐水和氯气，在阴极侧得到电解液和氢气。

阳极生成的淡盐水和氯气经过钛冷却器冷却后再气液分离。流出的淡盐水经脱氯环节去除其中的次氯酸，可以在浓海水精制环节重复利用。氯气冷却干燥后，可以液化储存，也可以与阴极生成的氢气合成盐酸，供电解工序使用。氢气干燥后可进入高压储氢罐储存备用，也可进入盐酸生产工序。此外，将阴极所得的电解液蒸发，便可获得固体烧碱产品。

（三）工艺运行经济型分析

采用电渗析法来浓缩经海水淡化后的浓海水，折合成氯化钠计算其用电量为 170 kW · h/t [13]，以 0.85 元 / kW · h 电价来计算，则获得氯化钠的用电成本为 144.5 元 /t。而目前氯碱工业生产的原盐价格在 250 元 /t 左右，故利用浓缩后的浓海水作为氯碱生产的原液从一定程度上可降低原料成本。

产能为 2.5×103 t/d 的海水淡化设备每天能产生 3×103 t 浓海水，故需要充分利用浓海水，烧碱产能需为 5×104 t/a。根据文献 [14] ，离子膜电解法制烧碱每吨电耗为 2340 kW·h、蒸汽消耗为 0.9 t，氯化钠消耗为 1.6 t，结合前文对电价和氯化钠价格的折算，得每吨烧碱的能耗成本为 2310 元。以10 a 为时间期限，加上设备折旧费及经营成本，折算每吨烧碱总成本约为 2594 元。

四、海水资源的下游应用

饱和食盐水经电解能生成氢气、氯气、烧碱，三者均是重要的化工原料。烧碱是氯碱工业的主要产品，具有重要的工业价值，被誉为“化工之母”。氯气和氢气是氯碱工业重要的联产品，对于氯碱工业的发展起着关键作用。

烧碱广泛应用于洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制品、基础化工及有机化工行业。国内烧碱需求结构基本保持稳定，下游消费市场仍以氧化铝、造纸、印染、化纤等传统行业为主 [15]。

氯气是氯碱工业重要的联产品，应用十分广泛，是重要的自来水消毒剂，也是漂白粉、漂白剂的主要原料，在电子工业大量应用于超大规模集成电路制造。氯气下游产品也相当丰富。以氯气为源头，可氯醇化生产环氧丙烷，下游生产聚醚和四氯乙烯，四氯乙烯可以部分生产制冷剂外售；可生产氯丙烯、环氧氯丙烷；可生成光气，再生产二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），与另一条生产线的产品配合可以进一步生产聚氨酯；可以单独生产三氯乙烯直接外售 [16]。

氢气在炼油方面和燃料电池方面应用广泛。其对于提高轻油收率、改善油品品质具有重要的作用。2017 年我国的炼油总量达 7.7×108 t，耗氢量约为6.16×106 ~1.078×107 t [16]。燃料电池具有巨大的商业价值，在交通、能源、军事和航天等领域前景广阔。而氢燃料电池是燃料电池应用的重点方向。以氢燃料电池为核心的氢燃料电池汽车、分布式发电、应急电源等产业已经初现端倪 [17]。

五、结语

将潮流能发电和海水淡化、氯碱生产相结合，因地制宜，可充分利用海洋资源，可减轻对陆地能源的依赖，并为在海岛和海上建立相关产业提供了可能。

增加了潮流能的使用范围，为潮流能使用提供了重要的经济价值，为潮流能发电产业化发展增添了新的驱动力。

海水淡化获得的淡水可以为氯碱生产服务，可以为海岛提供生活用水，也可以进行储存，作为淡水补给站为来往船只提供淡水。

将浓海水就地利用，不但减少了海水淡化副产物对环境的污染，降低氯碱生产的成本，又可充分利用海洋化学能，提高经济效益。