沙特阿拉伯是石油生產(chǎn)大國，日產(chǎn)原油1000萬桶。這其中的1/4(280萬桶)都用于國家的能源需求，而由于國家嚴重缺水，海水淡化廠的能耗需要占用其中的150萬桶。有預測成，按這樣的速度，到2021年沙特可能會因此變成石油進口國。為此沙特政府開展了一系列節(jié)能降耗的創(chuàng)新項目，其中包括在位于沙特東北部的邊境小鎮(zhèn)海夫吉(Khafji)建一座高新科技的海水淡化廠。
這座在建中的海水淡化廠被稱為全球首座大規(guī)模的太陽能發(fā)電海水淡化廠。該項目于2015年立項，由沙特AWT公司(Advanced Water Technology, AWT)與西班牙可再生能源集團公司Abengoa聯(lián)合開發(fā)，投資1.3億美元，在2017年底完工。該廠第一期的日處理能力為60000m³/天，能夠滿足15萬人的用水需求，并計劃在第二期新增90000m³/天的處理量。AWT是沙特阿拉伯王國阿卜杜拉阿齊茲國王科技城(King Abdulaziz City for Science and Technology ，簡稱KACST)的商業(yè)分公司，由沙特技術開發(fā)和投資公司Taqnia控股。
▲ 項目地點的衛(wèi)星示意圖
▲ Abengoa與KACST的簽約儀式
據(jù)介紹，該廠白天的電能來自廠區(qū)南邊的一個15MW高效能的CPV聚光光伏發(fā)電站，到了晚上則使用電網(wǎng)供電。由于光伏發(fā)電廠給電網(wǎng)輸送的電量超過晚上海水淡化廠使用的電量，所以該海水淡化廠被視作全球首座零碳排放的海水淡化項目。
▲ 海水淡化廠的晝夜供電模式
海水淡化廠介紹
這個新的海水淡化廠建在一個現(xiàn)有反滲透海水淡化廠旁邊，占地面積約17.5公頃。太陽能面板組將安裝在距離海水淡化廠1公里以外90公頃的土地上。
▲ 新舊海水淡化單元設計圖
這個海水淡化廠包含一個中央控制室、一個溶氣氣浮單元系統(tǒng)(DAF)、一個兩段式的超濾單元(UF)、一個自動加藥控制系統(tǒng)、一個反滲透單元(RO)，以及儲存罐單元(二氧化碳、氯和石灰)。
▲ 新海水淡化廠的工藝組成
反滲透單元分為六條平行線，通過一套能耗優(yōu)化系統(tǒng)，所有電機都由變頻器控制，能適應太陽能供電水平的變化作出優(yōu)化調整。該項目使用新型納米反滲透膜，其抗氯腐蝕、除鹽和防止微生物積累的性能都很高。這是KACST和IBM公司6年聯(lián)合研究的成果。另外根據(jù)該地區(qū)的海水特性，在反滲透單元之前配備預處理單元，大大降低鹽度和去除進水的油脂。
太陽能發(fā)電站介紹
Al Khafji海水淡化項目除了海水淡化廠，還包括一個CPV超高聚光光伏電站來為海水淡化單元提供電力。使用可再生能源能夠減少運行費用和減少溫室氣體排放。這個中壓太陽能發(fā)電站使用多晶光伏太陽能電池板，也是由KACST旗下的團隊設計研發(fā)，發(fā)電功率為15MW，跟海水淡化廠和國家電網(wǎng)相連。它的發(fā)電量在最高負荷運行時足夠滿足海水淡化單元的能耗需求。通過一套跟蹤技術，海水淡化單元的產(chǎn)能與太陽能發(fā)電站運行負荷匹配，進一步提高能效。
▲ 超高能聚光光伏發(fā)電站
水處理工序細節(jié)
沙特阿拉伯東部海水情況復雜，這里鹽度很高，而且還含有油脂、季節(jié)性赤潮、水母，所以在進行反滲透過濾前，需要進行一系列預處理工序：
海水首先進入一個裝有水母過濾裝置的取水塔，這個取水塔距離廠房6公里以外的水域，同時還備有石油泄露污染警報浮標。
▲ 取水塔和事故警報浮標
廠房的泵房將海水運至廠區(qū)，并作初步消毒:
隨后進入DAF溶氣氣浮單元，去除油脂和其他初始進水中的固體。
為了防止反滲透膜的堵塞，經(jīng)過DAF單元的出水還會先進入兩段式的UF超濾單元進一步去除海洋微生物和其他污染物。
最后再用兩段式反滲透來去除海水中的溶解性雜質和鹽，這套設備還有能量回收系統(tǒng)。
耐心打造的新行業(yè)
沙特阿拉伯建造這座太陽能發(fā)電的海水淡化廠的原因之一是想確保地區(qū)的供水安全，也就是說即使該地區(qū)的貿易線遭封鎖或者能源供應中斷，海水淡化廠的供電也能自給自足，為該地區(qū)的居民全年提供穩(wěn)定飲用水保障。
但如果僅為如此的話，據(jù)稱這廠本可以早5年落成。沙特王國之所以“一拖再拖”，是因為他們想得更加長遠。他們想將本國經(jīng)濟變得更加多元化，圍繞海水淡化行業(yè)創(chuàng)造更多就業(yè)，培養(yǎng)一批企業(yè)，將它打造成沙特新的出口行業(yè)。所以他們寧愿“慢工出細活”，完善工藝技術，讓它更加適應中東市場的需求。
正如上邊介紹提到的，該項目使用的反滲透膜和光伏發(fā)電材料都是為中東的嚴酷環(huán)境專門研發(fā)制造的。目前海水淡化技術分為反滲透法和熱法，全球70%的熱法淡化廠都已經(jīng)改用反滲透工藝，但是在沙特和其他中東國家，熱法淡化依然是主流，因為老式的反滲透膜不能適應紅海和波斯灣地區(qū)的高鹽度。這座在建中的新廠采用的是為該地區(qū)專門研發(fā)的納米膜，不僅能應付該地區(qū)的高鹽度，還因此降低了系統(tǒng)所需的能耗，IBM認為這款新型膜的抗污染性能更好。
除了膜材料的創(chuàng)新之外，配套的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)也加入了為沙漠環(huán)境研發(fā)的新型冷卻機制，大大降低了系統(tǒng)中斷和日常維護的幾率，并為此搭建了專門的生產(chǎn)線。
項目相關人員樂觀表示，這兩個創(chuàng)新點將使海水淡化成本變成更加低廉，甚至有一天能便宜到用它來生產(chǎn)農業(yè)灌溉用水。