業(yè)界視點 | 阮國嶺：應(yīng)對水資源危機 瞄準海水淡化新藍海
2018-02-07 14:44:36
作者：王元 來源：《腐蝕防護之友》
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阮國嶺 國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所總工程師
海水淡化是一種解決沿海缺水問題的水資源增量技術(shù)，其應(yīng)用范圍和規(guī)模逐年增加。海洋工程材料是構(gòu)建淡化裝備的基礎(chǔ)，發(fā)展海洋工程材料，是保障海水淡化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。值此 2017 第四屆海洋材料與腐蝕防護大會即將召開之際，記者邀請到本屆海洋材料與腐蝕防護大會的特邀報告人、國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所阮國嶺總工程師，阮總工就國內(nèi)外海水淡化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)裝備選材、腐蝕應(yīng)對措施、發(fā)展建議等多方面做了一系列的精彩解讀。
應(yīng)對全球水資源危機 發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)
聯(lián)合國教科文組織主持制定的水資源標準：人均水資源低于 3000m 3 為輕度缺水，低于 2000m 3 為中度缺水，低于 1000m 3 為重度缺水，低于 500m 3 為極度缺水，300m 3 為維持當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展的最低水資源量，即適當人口生存的最低標準。以此標準，到 2030 年全球半數(shù)人口將生活在缺水的環(huán)境中。尋求新的水源，通過海水淡化增加淡水供應(yīng)量，已逐漸成為全世界的共識和通用做法，目前已解決全球 2 億人的用水問題。
我國水資源總量近 2.84 萬億 m 3 ，居世界第六位，但人均量僅為世界平均水平的 1/4，排在第 110 名之后。而且我國水資源分布不均，16 省人均用水量低于重度缺水線，部分北方地區(qū)甚至低于世衛(wèi)組織規(guī)定的最低人均水資源標準，靠本地水已難保證人口生存及生態(tài)維系的用水需求。除北方資源型缺水外，南方水質(zhì)型缺水以及沿海地區(qū)地下水超采導(dǎo)致的海水入侵等問題，使國家供水安全保障面臨更為嚴峻的形勢。跨流域調(diào)水已不能解決我國水資源短缺的根本性問題，根據(jù)水利部《全國水資源綜合規(guī)劃》，到 2030 年，考慮南水北調(diào)，沿海地區(qū)年缺水量仍將達到 214 億 m 3 。
阮總工表示，海水淡化是增加淡水供給的開源之舉，是水資源的重要補充和戰(zhàn)略儲備。發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，對緩解沿海缺水地區(qū)和海島水資源短缺狀況，促進中西部地區(qū)苦咸水、微咸水淡化利用，優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，保障水資源可持續(xù)利用具有重要意義，也有利于培育形成新的經(jīng)濟增長點，推動發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。
膜法與熱法并駕齊驅(qū) 為海水淡化插上雙翼
國際脫鹽協(xié)會最新的統(tǒng)計顯示，全球淡化裝機容量在過去 5 年內(nèi)以平均每年 12% 的速度增長，而且增長速率有逐年上升趨勢。截至 2014 年 9 月，全球淡化廠超過 18000 個，分布在 150 多個國家和地區(qū)，累計裝機容量 8530 萬m 3 /d，在建及合同裝機容量678萬m 3 /d。
RO、MSF、MED 是國際三大主流商業(yè)化海水淡化技術(shù)，其中膜法海水淡化技術(shù)（RO）的市場占有率最高（達到44%），但包括 MSF 和 MED 的熱法海水淡化技術(shù)，市場保有量大且發(fā)展穩(wěn)定，因此市場占有率與膜法技術(shù)相當；從用途上看，63.1%的淡化水用于市政供水，解決了城市大規(guī)模生活用水需求，其余為滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)及軍事等方面需求。我國經(jīng)過 20 多年技術(shù)攻關(guān)，形成 MED 與 RO 并駕齊驅(qū)的海水淡化技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。截至 2014 年底，投建海水工程 112 個，總規(guī)模 92.7 萬 m 3 /d，其 中 MED 占 34.6%，RO 占 64.69%，主要分布北方沿海，天津產(chǎn)業(yè)發(fā)展位列全國之首。但我國淡化水用途單一，工業(yè)應(yīng)用為主，規(guī)模 58.7 萬 m 3 /d。
阮總工說，加大大型熱法膜法海水淡化、大型海水循環(huán)冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)反滲透海水淡化膜組件、高壓泵、能量回收等關(guān)鍵部件和熱法海水淡化核心部件的國產(chǎn)化，提高海水淡化裝備材料生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品檢驗檢測技術(shù)的研發(fā)力度；同時，鼓勵開發(fā)海水淡化新技術(shù)，增強自主創(chuàng)新能力和配套能力，這包括積極研發(fā)電廠余熱高效利用技術(shù)，鼓勵沿海有條件的發(fā)電企業(yè)實行電水聯(lián)產(chǎn)，大力發(fā)展與核能、風能、太陽能和海洋能等可再生能源耦合的新能源海水淡化技術(shù)。此外，還需研究建立國家級工程技術(shù)中心等科技創(chuàng)新服務(wù)平臺，加強國際技術(shù)交流與合作，提高海水淡化關(guān)鍵設(shè)備、成套裝置研制能力和技術(shù)集成水平。這些都是加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。
在熱法淡化領(lǐng)域，經(jīng)過20多年努力，我國在關(guān)鍵技術(shù)、工程設(shè)計、裝備研制、建設(shè)運營等方面取得了重要進展，具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的基本條件。但與國外相比，自主技術(shù)由于缺少大規(guī)模應(yīng)用示范，國際競爭力不足；相關(guān)企業(yè)普遍技術(shù)實力較弱，對新材料、新工藝的應(yīng)用開發(fā)投入不足，無法實施差異化競爭戰(zhàn)略。
國內(nèi)膜法海水淡化領(lǐng)域初步具有工藝設(shè)計、裝備集成、工程建設(shè)能力，部分企業(yè)具備RO海水淡化項目EPC能力。但與國外相比，尚缺乏金融支持渠道及高水平運營技術(shù)，運作 BOT 項目的能力較弱；在 RO 膜與能量回收等關(guān)鍵部件開發(fā)方面取得一定突破，但與國外產(chǎn)品存在差距，市場表現(xiàn)不佳。
阮總工表示，由于熱法淡化只適合一些有廢熱可以利用的場合，因此發(fā)展空間比膜法要??；膜法應(yīng)用范疇不光是海水，在苦咸水、廢水方面發(fā)展應(yīng)用范圍比較廣，從長遠來，可能全世界共同看好的是膜法。
發(fā)揮“鈦”優(yōu)勢 助力海水淡化產(chǎn)業(yè)前行
提及鈦材在海水淡化工程中的優(yōu)勢及應(yīng)用，阮總師指出，相對各種銅合金材料，鈦管耐沖刷腐蝕性能更強，應(yīng)用于多級閃蒸可提高熱回收效率，應(yīng)用于多效蒸餾可降低對海水預(yù)處理技術(shù)要求（主要是固體懸浮物含量），并降低后期維護成本。按成本因子法估算，采用傳統(tǒng)銅合金傳熱管，一套萬噸級蒸餾海水淡化裝置的噸水投資成本為 8097 元/（t/d），采用 TA2 鈦管噸水投資也僅為 8333 元 /（t/d），應(yīng)用經(jīng)濟性相當。鈦材在高溫、高鹽及低 pH 海水環(huán)境下具有較強的耐蝕性能，這為在高濃縮倍率蒸餾淡化及工業(yè)廢水濃縮方面的應(yīng)用提供更佳的安全保障。
從降低裝備投資成本和運營維護成本考慮，海水淡化用鈦材還需在以下方面開展工作：
一是低成本薄壁卷焊鈦傳熱管的開發(fā)。鈦密度約為銅的 1/2，以當前鈦傳熱管市場價格，與銅管應(yīng)用成本相當，但從降低熱阻、提高傳熱效率考慮，仍需開發(fā)超薄壁鈦傳熱管。這就需要上下游進一步開展合作攻關(guān)，在鈦材熔煉、大卷重鈦板、薄壁鈦管高效快速卷焊以及超薄壁鈦管工程應(yīng)用方面進行技術(shù)研發(fā)，縮短工藝流程、降低生產(chǎn)損耗、提高生產(chǎn)效率、保障鈦管安全應(yīng)用，從而進一步提升超薄壁鈦傳熱管的應(yīng)用經(jīng)濟性和可靠性。
二是全鈦蒸發(fā)器的開發(fā)。國際主流的熱法淡化蒸發(fā)器筒體選材方案主要為兩種，一是以 316L 不銹鋼、2205 雙相鋼為主的低維護方案，二是以碳鋼 + 防腐涂料為主的低成本方案。開發(fā)鈦鋼復(fù)合板蒸發(fā)器可兼顧兩者的優(yōu)勢，是未來熱法淡化裝置筒體材料的重要方向，但復(fù)合板的結(jié)構(gòu)特點也為蒸發(fā)器及其內(nèi)構(gòu)件設(shè)計帶來更大挑戰(zhàn)，這就需要上下游企業(yè)在復(fù)合板蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計及工程應(yīng)用保障技術(shù)方面開展合作攻關(guān)，以實現(xiàn)新材料的工程應(yīng)用。
三是 RO 海水淡化用鈦制高壓管路系統(tǒng)。鈦材在高速海水沖擊環(huán)境下，耐蝕性能優(yōu)于 C276 鎳基合金鋼和 254SMO奧氏體鋼，開發(fā) RO 用鈦制能量回收、高壓泵、增壓泵、閥門，可有效提升上述裝備過流部件的應(yīng)用可靠性、降低運行維護費用；開發(fā)針對百噸級、千噸級、萬噸級 RO 海水淡化高壓管路系統(tǒng)的鈦及鈦合金管路、連接件、工藝泵、閥門、儀表安裝座等系列化產(chǎn)品，完善工程配套能力，促進鈦材在 RO 海水淡化中的應(yīng)用；開發(fā)退役鈦材回收再利用技術(shù)，降低鈦制高壓管路系統(tǒng)的應(yīng)用成本。
放眼全局 未來將多方位強強聯(lián)合
從我們國家戰(zhàn)略需求來講，十八大明確建設(shè)海洋強國。海水淡化是建設(shè)海洋強國的重要資源環(huán)境技術(shù)，在國家海洋局推進海洋強國建設(shè)的 30 項任務(wù)中，海水利用在八大海洋產(chǎn)業(yè)中位列第二，且在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等任務(wù)中多次提及。
放眼國際，中東、亞洲及非洲地區(qū)的市場需求將帶動全球海水淡化發(fā)展。基于各國官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計和用水供需情況分析，未來 5 年全球新增產(chǎn)能預(yù)計 4000萬 m 3 /d；估算對蒸餾海水淡化傳熱材料的需求約為 40 萬噸，對蒸發(fā)器殼體材料及 RO 高壓管路材料的需求量超過 50 萬噸；在 RO 膜方面，目前全球海水淡化和苦咸水淡化反滲透膜年產(chǎn)能已達 1.2億平方米，未來需求量也將急劇增大。
阮總工表示海水淡化可能會成為應(yīng)對氣候變化的一個很重要的技術(shù)措施。海水淡化不僅僅指處理海水，也包括處理其他的水，用淡化技術(shù)處理水的過程，會成為應(yīng)對氣候變化的非常重要的技術(shù)措施。我們國內(nèi)海水淡化到現(xiàn)階段已經(jīng)不是技術(shù)制約了，更多的是叫政策制約。如果說全球的海水淡化能發(fā)展的起來，很大的程度上都有一個叫價格的形成機制，我們國家在此領(lǐng)域還不太完善。但從技術(shù)本身來說，我們國家與世界其他發(fā)達國家?guī)缀跆幱谙嗤剑绻覀儑业乃畠r政策放開之后，我國海水淡化產(chǎn)業(yè)會以速度驚人的發(fā)展甚至超越他們。
對于未來海水淡化裝備用的新材料，在選材上、在設(shè)計和建造過程可能會更加傾向于選擇耐蝕性能更好的材料、注重循環(huán)性能更好的材料、注重金屬材料和非金屬材料之間更合理的搭配。
阮總工強調(diào)，海水淡化產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展要做好以下幾點：
一是建立科學的法規(guī)政策框架。以建設(shè)海洋強國為契機，構(gòu)建科學的政策框架，為海水淡化提供市場發(fā)展空間。
制定出臺淡化水政府補貼具體方案和細則，明確不同區(qū)域、不同淡化技術(shù)淡化水的噸水補貼方案；制定給予淡化項目在稅收、融資、土地使用等方面的優(yōu)惠政策；國家層面明確淡化工程的投資、建設(shè)、運營管理機構(gòu)及機制，避免各部門扯皮，多頭管理的情況；國家出臺鼓勵政策，加大對自主技術(shù)的推廣，提高自主技術(shù)成熟度。
二是加大科研投入。設(shè)立海洋工程材料研發(fā)、應(yīng)用專項，促進裝備與材料開發(fā)的有機結(jié)合，滿足業(yè)主的不同需求，提升國產(chǎn)裝備的市場競爭力。鈦鋼復(fù)合板蒸發(fā)器和薄壁卷焊鈦管低成本加工技術(shù)、鈦制蒸發(fā)器的工程應(yīng)用技術(shù)研究，這些是熱法淡化可開展的工作。鈦制高壓管路系統(tǒng)及其相關(guān)部件的成套開發(fā)、鈦材在海水淡化高壓系統(tǒng)的示范應(yīng)用，這些是膜法淡化可開展的工作。
三是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及關(guān)鍵材料。基于鈦復(fù)合板材的蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計與材料應(yīng)用配套技術(shù)、超薄壁鈦傳熱管的低成本加工及工程應(yīng)用技術(shù)、針對 DN120 及以上規(guī)格鈦制高壓管路的標準建設(shè)、面向不同規(guī)模 RO 海水淡化應(yīng)用的鈦制高壓管路系統(tǒng)及配件的成套化和系列化，這些是要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)及材料問題。在基礎(chǔ)研究工作方面，要加強海水淡化用材的基礎(chǔ)研究，建立包括海水淡化材料機械、腐蝕等各項性能的數(shù)據(jù)庫，為加快新材料的推廣應(yīng)用、優(yōu)化我國淡化裝備選材技術(shù)標準體系、提升自主裝備的技術(shù)水平和國際競爭力奠定基礎(chǔ)。
后記：
發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)是一項系統(tǒng)工程，也是一項造福于民的偉大工程。在工程建設(shè)的實踐過程中，大家行動起來，積極探索、務(wù)實創(chuàng)新，為我們偉大祖國的美好明天貢獻力量吧！
● 人物簡介
阮國嶺，現(xiàn)任國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所總工程師、教授級高工，上海交通大學、中國海洋大學、青島科技大學、南京理工大學兼職教授、博導(dǎo)。
1990 年于浙江大學畢業(yè)，獲得博士學位，進入國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所。1993 年 10 月，他被破格評為高級工程師。1995 年 10 月，他被國家海洋局破格評為研究員。2002 年，他被任命為海水淡化與綜合利用研究所所長助理?，F(xiàn)任研究所總工程師。在海水淡化技術(shù)的主要方面，目前已申報國家發(fā)明和實用新型專利 21 項，其中的 10 項已獲得證書和公示。阮國嶺成為國內(nèi)“低溫蒸餾海水淡化技術(shù)”和“熱法及膜法海水淡化”的領(lǐng)軍人物，在國際學術(shù)界也有著較大的影響。
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