新型热法海水淡化技术工程化问题.docx

新型热法海水淡化技术工程化问题 孔令斌 (泸州天叙天成新能源有限公司 646600)摘要 本文介绍了新型热法海水淡化技术体系，揭示了淡水海水温度差等因素影响热量利用效率的规律，建立了以水热比为核心的热法海水淡化装置性能评价理论，分析了新型热法海水淡化技术利用燃油、天然气、太阳能、核能及各类工业余热作热源的工程化问题，提出了适用于海岛、船舰的柴油机余热海水淡化装置设计方案，探明了海水资源综合利用和化解水危机的技术路线。关键词：海水淡化 工程化 问题 应用 1、新型热法海水淡化技术体系水资源短缺问题越来越困扰着人类，也不断促进了海水淡化技术进步。几百年来，热法海水淡化技术从简单的蒸馏法到现在的多级闪蒸法和多效蒸馏法，技术日趋成熟；膜法海水淡化技术也应运而生，现在占据了海水淡化行业的绝大部分市场；电渗析、电容吸附、膜蒸馏、正渗透、冰冻法等海水淡化技术也正在人类的探索中1。以上各类海水淡化技术的共同特点是将海水分离成淡水和浓盐水两部份。热法海水淡化技术受热传递、水蒸发冷凝物理规律的制约，膜法海水淡化受渗透压物理规律的制约。其他海水淡化技术也受相应物理规律制约。利用物理规律的合理程度决定技术的先进程度。新型热法海水淡化技术是最合理地利用热传递、水蒸发冷凝物理规律的先进技术，淡水海水温度差趋于零但不为零的物理规律说明其热量利用效率接近理论极限。新型热法海水淡化技术已形成了正压蒸馏、常压蒸馏、减压蒸馏完整的海水淡化技术体系。新型热法海水淡化技术不同于现有海水淡化技术的显著特点是将海水分离成淡水和固态盐。新型热法海水淡化技术研发开始于斯特林发电机余热利用2 3，是将空气加湿除湿原理用于斯特林发动机散热并淡化海水。进而发展成热空气多级加热的海水淡化装置4。为了有效利用各类余热，在各级海水蒸发罐内增设加热通道5，采取封隔各海水蒸发罐防止窜气的技术措施6，完善了加湿除湿海水淡化技术。其技术特征是有空气参与海水淡化过程，靠空气泡的界面和水面作蒸发面，各海水蒸发罐都处于正压蒸发状态。如果第一级海水蒸发罐的受热面和水面足以保证海水在规定的温度下换热和蒸发，不需要加湿除湿的空气，海水在常压下蒸发，海水淡化装置处于最经济的运行状态。在海水淡化装置有体积限制的情况下，可在空气排除通道上安装抽风机，以负压增强单位水面蒸发能力，形成一个或多个负压海水蒸发罐和多个常压海水蒸发罐的组合，构成减压蒸馏海水淡化装置7 。从理论上讲，相对现有热法海水淡化技术而言，新型热法海水淡化技术能最大限度利用热量。制约新型热法海水淡化技术的物理规律是热传递、水蒸发冷凝规律。影响新型热法海水淡化装置热量利用效率的关键因素是淡水海水温度差。2、 新型热法海水淡化技术工程化问题新技术要造福人类，必须解决好工程化问题。新型热法海水淡化技术工程化问题就是在蒸发温度、蒸发压力、海水蒸发罐级数、淡水产量、热量消耗之间求平衡。新型热法海水淡化是没有化学反应热的固液物理分离。装置连续生产运行时，单位时间内流入装置的热量和流出装置的热量守恒；单位时间内流入装置的物料和流出装置的物料守恒。设第n级海水蒸发罐温度为Tn，亦即第一级海水蒸发罐温度为T1，以此类推。设产出淡水温度为T0，海水温度为T，单位时间内淡水产量为M，单位时间内流入热量为Q1，单位时间内排盐损失热量为Q2，水的比热容为CP，不计其他形式的热量损失，热量守恒关系为 Q1-Q2=CPM(T0-T) （1）设单位时间内淡水产量M与单位时间内流入热量Q1之比为K，简称水热比。数学表达式为 K=MQ1 （2）公式（1）是设计海水淡化装置的理论计算公式，阐明了新型热法海水淡化技术相对于现有热法海水淡化技术的先进性。现有多级闪蒸法和多效蒸馏法所排浓盐水带走大量热量。而新型热法海水淡化技术将浓盐水所含热量都用于淡化海水。在消除浓盐水盐污染和热污染的同时，水热比K提高3倍以上。公式（2）是综合评价热法海水淡化装置热量利用效率的指标。所有热法海水淡化法通用。水热比K的主要影响因素是淡水海水温度差(T0-T)、排盐热损失、蒸馏方式、装置密封性、装置绝热性。水热比K数值越高，消耗相同热量产出的淡水越多，海水淡化装置性能越好。现有造水比不能评价新型热法海水淡化装置的热量利用效率。第一级海水蒸发罐到最后一级海水蒸发罐的温度变化规律是温度逐级降低，并趋近海水温度。即T1T2T3 -TnT 。但是，温度降低幅度变化规律受各海水蒸发罐受热面、蒸发面和蒸馏方式等因素影响，极其复杂，值得研究。目标是以最少的海水蒸发罐级数达到尽可能小的淡水海水温度差(T0-T)。第一级海水蒸发罐温度T1最高、海水最浓，容易结垢。适当控制其温度和添加阻垢剂是控制结垢的两项措施。正压蒸馏的海水淡化装置就是所有海水蒸发罐都是正压海水蒸发罐，并且用空气输运水蒸汽。常压蒸馏的海水淡化装置就是所有海水蒸发罐都是常压海水蒸发罐，水蒸汽完全靠自然蒸发冷凝实现海水淡化。设备结构最简单，但装置体积最大。减压蒸馏的海水淡化装置一般由数个负压海水蒸发罐和数个常压海水蒸发罐组成。抽风机进风管以前是负压海水蒸发罐，抽风机出风管以后是常压海水蒸发罐。极端状况有两种，一是只有一个负压海水蒸发罐，其余都是常压海水蒸发罐，二是所有海水蒸发罐都是负压海水蒸发罐。根据热源和环境，确定采取正压蒸馏方式、常压蒸馏方式或减压蒸馏方式。热源是工业余热、没有空间限制的条件下，采用只有常压海水蒸发罐的常压蒸馏装置。因为没有抽风机，设备更简单，运行更可靠，电耗也更低。在船舰等有空间限制的条件下，采用常压海水蒸发罐和负压海水蒸发罐联用的减压蒸馏装置，以减小装置体积。对于有毒有害低沸点的固液分离，采用只有负压海水蒸发罐的全封闭减压蒸馏装置，确保安全。为了梯级利用有温度差的两个热源的热量，采取在所有海水蒸发罐底部设置利用低温热源热量的加热管道和在第一级海水蒸发罐内设置利用高温热源热量的加热器的措施，妥善解决工业余热导入海水淡化装置的工程化难题8。使新型热法海水淡化装置能高效利用现有多级闪蒸法和多效蒸馏法无法利用的各类工业余热。因此，新型热法海水淡化技术工程化过程中，已经没有解决不了的问题。后续工作只是寻求最佳工艺参数组合。 3、 新型热法海水淡化技术的应用新型热法海水淡化技术将海水分离成固态盐和淡水的优势，不仅提高了水热比K，而且可以在海水浓缩液中提取海水中的各种元素，许多海水中含量极低的珍贵元素高度富集后可得到提纯利用，促进海洋化工产业发展。固态盐只是海水淡化副产品，现代晒盐业将失去存在价值，可节省晒盐场的大量土地。新型热法海水淡化技术可广泛利用燃油、天然气、太阳能、核能及各类工业余热作热源。用燃油或天然气作热源，配置一台燃油燃气锅炉9，将蒸汽接入第一级海水蒸发罐内的加热器，冷凝水返回锅炉，将燃烧废气接入所有海水蒸发罐底部的加热管道，燃油或天然气燃烧放出的全部热量都被用于海水淡化。用太阳能作热源，配置一套槽式太阳能集热系统，将导热介质接入海水淡化装置的加热管道，形成导热介质循环回路，就可实现太阳能海水淡化。用核能作热源，也就是设置连接核反应堆和海水淡化装置的导热介质循环回路即可。钢铁行业、发电行业、玻璃行业、水泥行业都有大量工业余热排放，对周围环境产生热污染。利用这些热量淡化海水，完全可以消除沿海工业城市水危机。针对钢铁行业发明的利用炉渣热量淡化海水的工艺及设备8，也可用于发电行业、玻璃行业、水泥行业的余热海水淡化工程。在缺电缺淡水的南海岛屿，柴油发电机组和海水淡化装置配套，柴油机冷却水接入所有海水蒸发罐底部的加热管道，燃烧废气接入第一级海水蒸发罐内的加热器8，就能实现水电联产，满足驻岛人员水电需求。在大型船舰上，也可给柴油机或汽轮机配置新型热法海水淡化装置，自行解决远航淡水供应问题。 综上所述，新型热法海水淡化技术能广泛利用各种热源、高效实现海水固液分离，是海水资源综合利用和化解水危机可行的技术路线。参考文献1高从堦 阮国岭 海水淡化技术与工程M 化学工业出版社 20162孔令斌 一种利用余热淡化海水的斯特林发电机P 中国专利公报 2014 3孔令斌 一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置P 中国专利公报 2014 4孔令斌 一种热空气多级加热的海水淡化装置P 中国