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1、太阳能清洁制盐系统可行性研究报告榆林市盐田开发有限责任公司西北工业大学2012年8月 榆林编 制：郭树林榆林市盐田开发有限责任公司高级工程师成 珂西北工业大学博士 副教授陕西省建筑节能协会副会长西安太阳能学会会 长陈 燕西北工业大学博士 讲师周毓明西安文理学院机械设计与制造专业副教授边培莹西安文理学院机械设计与制造专业硕士 讲师联系人：郭树林电话：13319129088 Email：gsl_0712成 珂电话：18292012009 Email：cksolar目 录摘要11 总论11.1 项目背景11.2 实施目的21.3 实施意义22 申请单位情况42.1 基本情况42.2 人员及开发能力5
2、3 技术可行性和成熟性分析63.1 技术创新性63.1.1 技术原理63.1.1.1 卤水加热63.1.1.2 空气加热63.1.1.3 卤水喷淋73.1.2 项目创新73.1.3 项目来源73.2 成熟性和可靠性83.2.1 项目进展83.2.2 成熟度分析94 实施方案104.1 开发计划104.2 技术方案104.2.1 卤水加热114.2.1.1 中温卤水制取114.2.1.2 高温卤水制取114.2.2 空气加热114.2.3 卤水喷淋114.2.4 优化设想124.2.4.1 金属管集热器加热124.2.4.2 喷淋塔能量回收124.3 建造方案124.3.1 主材选择124.3.
3、2 辅材选择134.3.3 给排水设想134.3.3.1 给水134.3.3.2 排水134.3.4 消防设想144.3.5 电气设想144.3.6 场地选择设想145 投资预算与资金筹措145.1 投资预算145.2 新增资金的筹措156 经济、社会效益分析156.1 成本分析156.2 经济效益分析156.3 社会效益分析16 摘要榆林市盐矿储量丰富，区域气候具有干旱、多风、太阳能丰富的特点，适宜开展太阳能制盐。然而传统晒盐一方面占用土地易造成盐碱化污染，另一方面日晒盐能量利用率低，使得出盐速度慢，产盐量也少。另一方面，工业化大规模的真空制盐，需要大投入和较为复杂的技术工艺，高门槛限制了制
4、盐工业的普及。本项目综合卤水加热、空气加热和卤水喷淋技术，用集热器替代盐碱化的盐池，利用当地丰富的太阳能资源，并利用当地空气干燥的特点，制盐过程清洁环保，性价比高，易于推广。据测算，每亩投资22万元，可比普通晒盐提高3-4倍效率，追加的投资可在5年回收，有望成为当地一项特有的先进制盐技术。项目由榆林盐田开发有限责任公司与西北工业大学联合承担，采用产学研结合的方式，为发展榆林市南部盐业经济，打造中国新盐化基地作出贡献。1 总论1.1 项目背景榆林市拥有国内最大的岩盐田，具有面积大、储量多、品味高的特点，这一地区也是重要的盐化工中心。同时，榆林市地处陕西省太阳能资源很丰富区，年日照在2600小时以
5、上，太阳总辐射为53005730MJ/m2。因此，如果能将这两种资源有机结合，发挥地域优势，实现节能环保的太阳能清洁制盐技术，降低批量制盐的成本，不但具备显著的社会经济效益，也将是制盐工艺的一项创新性。1.2 实施目的目前制盐主要是两种方式：一种是真空制盐，工艺成熟，但耗能大，一般需要建设燃煤电站；一种是传统晒盐，工艺简单，但能造成周边土地的盐碱化。为了克服上述方式缺点，降低工业化批量制盐成本，本项目实施的主要目的是：（1）通过集热、聚光太阳能来取代原有晒盐所围盐池，不存在土地盐碱化问题；（2）利用当地空气干燥特点，高温卤水喷淋快速蒸发，实现批量制盐。1.3 实施意义1利用太阳能集热的高新技术
6、，提高产量，降低成本，减排CO2，改善环境，将传统制盐工业转变成一种生态工业。传统池晒盐，一般仅利用了10%左右的太阳能，大部分能量耗散到周围环境，或用于平衡夜间温度，以及下雨造成的卤水溶液稀释。而太阳能集热技术，利用率提高到30%以上，提高卤水温度，可以在短时间内完成出盐过程。特别是可以冬季产盐，解决了池晒盐季节性生产的难题。太阳能集热还不会造成土地盐碱化，可降低地表水份蒸发，能改善当地的生态环境。这些优点，对于改善我国西北地区生态环境，建立和谐发展的社会环境，具有重要的意义。2开发太阳能制盐，形成新理论和技术，可获得具有自主产权的创新。利用太阳能制盐，不是简单的将已有的太阳能热利用技术应用
7、于制盐工业。由于卤水含有的Na、Mg等离子，具有腐蚀性，同时晒盐过程对环境敏感。因此，需要在材料、能源与控制方面，根据制盐的特点，开发新的技术和工艺。以上技术和工艺的实现，需要形成新的理论，并用于生产实践。由于现阶段，国内外并没有该方面的应用研究，因此可形成具有自主知识产权的技术和方法。3太阳能制盐系统的生产与制造，依赖于能源化工领域，可形成新的产业链。太阳能制盐系统的产业化规模生产，依赖于能源化工领域中（玻璃）材料、机械、电子工业的水平。榆林地区是全国的能源化工基地，陕西省制造业特别是关中地区在材料、机械、电子工业具有一大批民用与国防重点企业，具有相对行业优势。因此可形成研发、生产与推广的完
8、整产业链.4采用太阳能集热技术，是传统制盐工业的一项变革，具有历史的开创性。制盐是一个传统工业，其中池晒盐有着数千年历史，真空制盐也有百年的历史。虽然经过多年完善，传统制盐工业仍旧存在一些问题。例如，池晒盐需要占用大量的土地作盐池，产量低，同时会形成土地的盐碱化；真空制盐则投资巨大，同时消耗大量的煤资源。因此，采用太阳能集热技术，利用其环保和可再生性，可以变革传统的制盐工艺和方法。5太阳能制盐，进一步转化成高温热能利用技术，能应用于供暖、制冷及发电领域。常规太阳能集热技术，一般温度较低，多用于生活卫生热水，很难应用于供暖、制冷及发电领域。太阳能制盐的集热温度可达到100以上，并能产生100以上
9、的过热蒸汽。将上述特点延伸，充分利用榆林地区太阳能资源形成高温太阳能，低端可用于供暖和制冷，高端可用于太阳能热发电，同样能产生很好的社会与经济效益。2 申请单位情况2.1 基本情况榆林市盐田开发有限责任公司是榆林市市政府直属的一家国有独资企业，负责榆林市境内岩盐资源的勘探和盐田开发、规划。公司坚持科学开发榆林盐田，秉承资源“综合利用、盐煤一体化”的发展思路，乘西部大开发之东风，承接产业转移，坚持园区化建设、集团化发展、集约化经营，发展循环经济，做大做强盐化产业，为打造中国新盐都，共建和谐榆林做出贡献。西北工业大学是国内最早从事太阳能应用的科研单位，涉及太阳能海水淡化、太阳能热发电、光伏发电、太
10、阳能飞机等多个领域。西北工业大学建校70多年，1960年被国务院确定为全国重点大学，“七五”、“八五”均被国务院列为重点建设的全国15所大学之一，“九五”首批进入国家“211工程”立项建设，“十五”进入国家“985工程”重点建设，是全国首批设立研究生院和国家大学科技园的高校之一。2.2 人员及开发能力技术负责人，成珂，博士，副教授，高级程序员，就职于西北工业大学动力与能源学院。陕西省建筑节能协会副会长，西安太阳能学会会长，陕西省绿色建筑评价标识专家委员会委员。项目技术团队包括陈炳录，西北工业大学高级实验师；陈燕，博士，西北工业大学讲师；沙宇，硕士，西北工业大学讲师。同时，参与项目技术人员还有西
11、安文理学院机械设计与制造专业周毓明副教授和边培莹讲师（硕士）。项目技术团队主要从事动力工程及工程热物理领域的研究，研究方向包括太阳能制盐、光伏发电、太阳能热利用、风力发电、空调制冷、燃料电池等方面。3 技术可行性和成熟性分析3.1 技术创新性3.1.1 技术原理图 技术原理如图所示，系统分为卤水加热、空气加热和卤水喷淋3个部分，技术原理如下：3.1.1.1 卤水加热10左右的常温卤水经真空管集热器加热至60-70中温卤水，再经过聚光集热器加热至近100高温卤水。3.1.1.2 空气加热20左右常温环境下的干燥空气经空气集热器加热至80左右的热干空气。3.1.1.3 卤水喷淋在喷淋塔内，近100
12、高温卤水自上而下喷淋，80左右的热干空自下而上鼓风，气液混合后卤水分离水分，最终成为盐结晶。3.1.2 项目创新项目利用榆林地区太阳辐射强和空气干燥的特点，主要创新如下：（1）常压下，将经加热的卤水和空气经喷淋混合，快速蒸发分离盐和水，将盐碱化的盐池转换为无污染的集热器，清洁环保；（2）根据温度等级加热卤水，中温段采用真空管集热器加热，高温段采用聚光集热器，通过分段加热降低太阳能收集成本；（3）利用空气集热器加热干燥空气，进一步提高空气干度和温度，使喷淋的蒸发和分离过程更为迅速，易于批量制盐。3.1.3 项目来源项目为自发研究项目，是在已有研究基础上进一步优化集成，拥有自主知识产权。直接相关项
13、目为：（1）高效太阳能制盐系统工程研究项目，榆林科技局支持项目，获榆林市科学技术奖二等奖；（2）盘式太阳能热发电系统，陕西省重大科技项目支持。以上研究的知识产权均为自主创新，现拟在以往研究成果基础上，进一步优化集成，最终完成一套能发挥榆林地域优势，在能效比和投入产出比方面适宜的制盐方式。3.2 成熟性和可靠性3.2.1 项目进展以太阳能集热和喷淋蒸发为基础太阳能清洁制盐方案，相关技术进展情况如下：（1）2006年，根据省发改委澳大利亚太阳能考察报告，西北工业大学受西北工业技术研究院委托，开展太阳能聚光集热研究；（2）2006年，西北工业技术研究与澳大利亚威圣能源就太阳能高温热利用签订技术合作协
14、议；（3）2007年，榆林市科技局支持下，榆林华奥盐田开发管理有限责任公司实施了高效太阳能制盐系统工程研究项目；（4）2008年，以西北工业大学高温集热为基础的盘式太阳能热发电系统获得省重大科技项目支持；（5）2008年，榆林华奥盐田开发管理有限责任公司通过联合西北工业大学、西北工业技术研究院利用太阳能集热制盐方式完成了高效太阳能制盐系统工程研究项目研究工作；（6）2009年，高效太阳能制盐系统工程研究项目获榆林市科学技术奖二等奖。以上项目的推进，为进一步研发太阳能清洁制盐方案奠定了基础。3.2.2 成熟度分析按照道尔顿定律,如风速和相对湿度不变,温度升高10，蒸发量增加1倍。因此，通过提高卤
15、水温度，就可以加速蒸发，提高晒盐产量。在上述项目的推进中，本项目各主要关键技术已基本掌握，可进一步优化达到计划目标。（1）确定太阳能生态制盐形式对比传统日晒盐的直接加热方式，项目采用集热器来收集制盐所需的太阳能，通过间接加热的方式来加速蒸发。本项目可节约原本用于晒盐池的土地，避免了大面积的盐碱化问题，确定了未来太阳能生态制盐的形式。（2）将太阳集热器用于制盐温度和水蒸发速率关系模型分析得出，溶液温度越高，蒸发速率越大。通过长期实验，验证了单位面积盐产量的提高，充分证明了该方案的用于制盐的实用性。（3）采用间接方式加热卤水通过对太阳池蒸发过程能量方程的研究，可以判断出蒸发过程主要的能量收支情况。
16、以此为依据，对晒盐池采用间接加热的方式，避免了卤水腐蚀，开拓了太阳能的利用范围。（4）建立整体性能预测模型建立了太阳能制盐的最佳模型，为以后性能优化、工程实施确立了理论依据。模型考虑了太阳在卤水池中的传递、集热器吸热、周围环境热交换的等方面，可用于本项目。4 实施方案4.1 开发计划本项目计划首期实施3年，主要是研发掌握各关键子系统，在集成优化的基础上，完成一套中试模型，为后期推广奠定基础。（1）2012年1月-2012年3月 完成项目调研和可行性研究报告编制工作；（2）2012年4月-2012年6月 完成系统试验验证模型设计和设备选型；（3）2012年7月-2012年9月 完成系统试验验证模
17、型安装与调试；（4）2012年9月-2013年9月 系统试验验证模型试验；（5）2013年10月-2013年12月 系统优化及中试模型设计、安装与调试；（6）2014年1月-2014年12月 系统中试模型试验、方案优化及最终确定。后期，根据项目进展，重点在榆林市南部盐矿资源丰富地区，适时开展推广工作。4.2 技术方案项目主要分卤水加热、空气加热和卤水喷淋三个子系统，各子系统技术方案如下：4.2.1 卤水加热4.2.1.1 中温卤水制取盐矿从地下抽取为卤水后，处常温状态，一般为10左右，卤水经过真空管集热器，吸收太阳能升温至60-70中温卤水。在标准状况下（太阳福照度1000W/m2，环境温度）
18、，每平方米集热器75中温卤水产量为5Kg/小时。4.2.1.2 高温卤水制取70-75中温卤水进一步通过聚光集热器，聚光集热器聚光比10，聚集太阳能将卤水进一步升温至近100高温卤水。在标准状况下，每平方米集热器100高温卤水产量为0.5Kg/小时。4.2.2 空气加热从周围环境吸入干燥空气，入口环境空气温度25，相对湿度30%，经过空气集热器加热至温度80，相对湿度5%。在标准状况下，每平方米空气集热器80热干空气产量为20Kg/小时。4.2.3 卤水喷淋在喷淋塔内，100高温卤水自上而下喷淋，80热干空气自下而上鼓入，气液混合后，卤水中的水分蒸发，分离出盐结晶。在标准状况下，每平方米集热面
19、积，喷淋量为0.5Kg/小时，鼓风量为时1Kg/小时，产盐量为0.13Kg/小时。4.2.4 优化设想4.2.4.1 金属管集热器加热由于聚光集热器需要跟踪太阳才能汇聚焦点，附加的跟踪设备既需要用电也需要增加维护，因此拟采用金属管集热器。金属管集热器内部采用金属管，吸热迅速，并可承压。在榆林地区实地试验，可直接将卤水加热至沸腾。拟在方案优化时，替代聚光集热器。4.2.4.2 喷淋塔能量回收喷淋塔鼓入热干空气，与高温卤水经过能量和质量交换后，理论上成为高温饱和湿空气。为了提高能效比，可用此湿热空气加热低温卤水，回收热能，另有潜力将其中的水分冷凝析出，达到部分水回收的功能。4.3 建造方案4.3.
20、1 主材选择（1）真空管集热器，外购（2）聚光集热器，自制（3）空气集热器，外购改装（4）喷淋塔，自制（5）喷淋喷头，自制4.3.2 辅材选择（1）输送泵，外购（2）喷淋泵，外购（3）鼓风机，外购（4）PVC管道，外购（5）风道，外购改装4.3.3 给排水设想4.3.3.1 给水采用汲取就近河水或打深井的取水方式，安装一台深井潜水泵，另存储一台备用泵。生活用水可在水房配置2立方米的储水箱。4.3.3.2 排水雨水可采用雨水收集、自然排水和有组织排水相结合的排水方式。少部分地面雨水直接由场地四周围墙排水孔外排，对于那些建（构）筑物、道路、电缆沟等分割的地段，可采雨水口收集到集水井，经地下设置的排
21、水暗管，有组织将水集中排至外。4.3.4 消防设想根据现场实际，拟不设室内、外水消防系统，采用不同类型的移动化学灭火器。设置不同类型的移动灭火器，分别成组设置，布置在重要、明显和便于取用的地点。4.3.5 电气设想根据现场电气接入实际情况，采用380/220V电压交流电。可接入风光互补发电系统，供给输送泵、喷淋泵和鼓风机用电。拟采用直流直驱方式，直接接入驱动电机，减少储能蓄电装置配置量。4.3.6 场地选择设想（1）场地选择在盐井附近，距水源较近的地点；（2）场地周围阳光无遮挡，地表适宜安装集热器；（3）项目本身无环境污染，主要来源于生活垃圾和生活污水，设垃圾收集箱和污水渗井集中处理；（4）因
22、地治宜绿化场地，利用雨水收集或喷淋回收的冷凝水。5 投资预算与资金筹措5.1 投资预算项目总投资额150万，其中研究费50万元，系统制作及运维50万元，相关试验费50万。5.2 新增资金的筹措项目首期总投资150万元。其中，项目组自筹100万元，以系统研发、设计、原理模型制作及试验等方式投入；另外50万元，争取相关科技资金无偿扶持，用于完成中试模型制作和完善工作。6 经济、社会效益分析6.1 成本分析（1）按单根58/1800真空管集热器集热面积0.093m2计算；（2）每亩按50%覆盖率设计，则需3586根；（3）按50支管太阳能集热器工程联箱设计，则需72件；（4）按每件1500元计算，则
23、集热器需投资10.8万元；（5）按每亩需配置集中卤水塔2万元；（6）按每亩需配置集中喷淋塔2万元；（7）按每亩需配置管路水泵5万元；（8）按每亩需配置其它辅助设备2万元；（9）则每亩太阳能清洁制盐系统投资22万元。6.2 经济效益分析（1）以卤水20加热至75，此时水增加焓值为230KJ/Kg (314.48-84.476);（2）以卤水75喷淋计算，此时蒸发潜热为2318KJ/Kg；（3）以卤水中NaCl溶解度36g计算，则1Kg水可溶解0.36KgNaCl；（4）则，制取1Kg盐（NaCl）理论分离卤水需热能7078KJ；（5）榆林年水平面日均照辐射能为16524KJ/m2，则全年为603
24、1260 KJ/m2；（6）榆林地区常规日晒盐每亩年产业60吨，则理论分离卤水需热能353900000KJ；（7）榆林地区每亩年太阳能为4022850420KJ；（8）则传统日晒盐太阳能利用率为353900000/4022850420100%=8.8%；（9）按一般集热系统效率40%估算，则每亩集热面积可产盐提高4倍，考虑其它20%损失，总效率为32%，则可提高3.6倍；（10）采用本系统后，每亩产盐可达216吨。（11）按每吨盐300元计算，则每亩产值为6.5万元，比传统日晒盐年增加产值5.4万元。（12）由于太阳能制盐运营成本低，追加系统静态投资可在22/3.9=4.07年回收。6.3 社会效益分析榆林是陕西省唯一的盐产区，根据近年来的进一步打井探测的结果看，盐田储量面积还有进一步扩大的趋势，开发利用的条件十分优越和广阔。太阳能制盐可以避免土地盐碱化，生产规模可根据当地情况调整，投资成本低，回收周期短，非常适宜大范围推广。对于发展榆林市南部盐业经济，打造中国新盐化基地，有着广阔的应用前景。
