（化学工程专业论文）直接热耦合增湿—去湿过程海水淡化研究.pdf

摘要 直接热耦合增湿一去湿过程，以空气作为水汽的载体，通过对空气的增湿 和去湿，将海水或苦咸水淡化，是一项新的淡化技术。该过程又称为露点蒸发 蒸发。与传统的增湿一去湿淡化方法相比，由于该技术采用了去湿与增湿过程 直接热耦合的新颖工艺，不仅促进了海水的蒸发，提高了增湿效果，同时也大 大提高了过程的热利用率。 本文建立了带有余热回收设备的直接热耦合增湿一去湿海水淡化装置。首 次直接对现场( 秦皇岛) 海水进行了直接热耦合增湿一去湿海水淡化实验研究， 考察了直接热耦合增湿一去湿过程对淡化海水的适应性。研究表明，对t d s 为 5 0 0 0 0m g l 的高盐度海水，产品水水质稳定( t d s 为3 4m g l ) ，与m s f 、 m e d 等蒸馏法相当。同时首次考察了普通海水蒸发装置用阻垢剂对直接热耦合 增湿一去湿淡化过程的适应性。研究表明，聚马来酸类阻垢剂可适用直接热耦 合增湿一去湿海水淡化过程，实际应用中4p p m 的使用量就足以维持设备正常 运行。 系统分析了过程的影响因素，研究表明：系统淡水产量随海水流量的增加 先增加而后减缓；随载气流量则先增加而后稍下降；随海水顶温和外加蒸汽流 量的增加，系统的淡水产量基本呈单调增加的趋势；随着海水流量、载气流量 及海水顶温的增加，系统g o r ( 造水比) 表现出先增加而后减小的趋势。 针对主体柱蒸发侧载气进口并不饱和这一事实，首次建立了并不限于蒸发 侧饱和假设的具有基础性和普遍性的直接热耦合增湿一去湿过程热一质传递数 学模型。并结合大量实验数据，分别建立了各相关传质与传热系数的计算关联 式。在所建立模型的基础上模拟了不同操作条件对系统产量和g o r 等的影响。 与实验结果对比表明：模拟结果与实验结果吻合较好，设备性能随各操作条件 的变化规律与实验结果一致。 通过模拟，研究了典型操作条件下，设备内部温、湿度、不凝气含量及总 传热系数的分布情况。结果表明，空气在离开主体柱蒸发侧之前基本能够达到 充分饱和，对本文实验设备，其达到饱和所需要的传热管长度一般不超过2 m ； 而总传热系数的分布受到不凝气含量分布情况的影响，随着冷凝过程的进行， 不凝气含量逐渐增加，局部总传热系数则逐渐减小；典型操作条件下的主体柱 总传热系数为1 0 0 8 0 0w m 2 ，回收冷凝器总传热系数为1 0 0 2 2 0w m 2 。 关键词：海水淡化露点蒸发热耦合增湿去湿传热系数传质系数数学模拟 a b s t r a c t t h ed i r e c th e a tc o u p l i n gh u m i d i f i c a t i o n d e h u m i d i f i c a t i o n ( d e w v a p o r a t i o n ) d e s a l i n a t i o ni san o v e ls e a w a t e ra n db r a c k i s hw a t e rd e s a l t i n gp r o c e s s ，i nw h i c ha i ri s u s e da sac a r r i e rg a st oe v a p o r a t ew a t e rv a p o rf r o mf e e ds a l i n ew a t e ra n dt of o r m f r e s hw a t e rb yl a t e rc o n d e n s a t i o n t oi m p r o v et h eh u m i d i f i c a t i o ne f f e c ta n di n c r e a s e t h et h e r m a le f f i c i e n c y , d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lh u m i d i f i c a t i o n d e h u m i d i f i c a t i o n d e s a l i n a t i o nm e t h o d s ，i nt h ei n n o v a t i v ed e w v a p o r a t i o nd e s a l i n a t i o nt e c h n i q u et h e e v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o np r o c e s s e s a r et h e r m a l l yc o u p l e db yd i r e c th e a t t r a n s f e r , s ot h a tt h ec o n d e n s a t i o nl a t e n th e a tc a nb et r a n s f e r r e dt ot h ee v a p o r a t i o n s i d et op r o v i d ee v a p o r a t i v el a t e n th e a tf o rs a l i n ew a t e r t h ed e w v a p o r a t i o nd e s a l i n a t i o ns y s t e mw i t ht h er e s i d u a lh e a tr e c o v e r e rw a s d e s i g n e da n db u i l ti nt h i sw o r k t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ea p p l i c a b i l i t y o ft h ed e w v a p o r a t i o nf o rd e s a l t i n gs e a w a t e rw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t t d so fp r o d u c e dw a t e ri su s u a l l yi nt h er a n g eo f3 - 4m g lf o rt h ef e e ds e a w a t e ro f 5 0 0 0 0m g lt d s ，w h i c hi sc o m p a r a b l ew i t ht h a to fm s fo rm e d m e a n w h i l e ，t h e a p p l i c a b i l i t yo fc o m m e r c i a ls c a l a n tu s i n gi nm s ff o r t h ed e w v a p o r a t i o np r o c e s sw a s a l s o i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h e p o l y m e r i c s c a l ei n h i b i t o ro ft h e p o l y c a r b o x y l a t et y p ei sa d a p t e df o rt h ed e w v a p o r a t i o nd e s a l i n a t i o n i no p e r a t i o nt h e q u a n t i t yo f4p p mi ss u f f i c i e n tf o rr u n n i n go ft h es y s t e m t h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef l e s hw a t e rp r o d u c t i o no ft h es y s t e mf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec a r r i e rg a sf l o wr a t e ，w h i l ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s e sw i t ht h ee l e v a t i o n o ff e e ds e a w a t e rt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a ls t e a mf l o wr a t e t h eg a i n e do u t p u tr a t i o ( g o r ) f i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es e a w a t e rf l o wr a t e ， t h ea i rf l o wr a t ea n df e e ds e a w a t e rt e m p e r a t u r e t h ec o m p r e h e n s i v eh e a t - m a s st r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e df o r t h ed e w v a p o r a t i o np r o c e s s ，w h i c hi s n tl i m i t e db yt h es u p p o s i t i o no fs a t u r a t e di n l e t t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fc o r r e s p o n d i n gm a s sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sw e r e d e v e l o p e d t h ec o m p a r a t i v er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l t so f m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h ed e v e l o p e dm o d e la r ea c c o r d i n gw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n t s t h ep r o f i l e so ft h et e m p e r a t u r e s ，h u m i d i t i e s ，n o n c o n d e n s a b l eg a sc o n t e n t sa n d t o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si nt h eu n i t sw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh u m i da i ri ss a t u r a t e db e f o r el e a v i n gf r o mt h e e v a p o r a t i o ns i d eo ft h em a i nc o l u m na n dt h et u b el e n g t h sn e e d e df o rs a t u r a t i o na r e u s u a l l yl e s st h a n2m t h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a r ei n f l u e n c e db yt h e n o n c o n d e n s a b l eg a sc o n t e n t s b yt h ec o n d e n s a t i o np r o c e s st h ec o n t e n t so ft h e n o n c o n d e n s a b l eg a si n c r e a s ew h i l et h el o c a lt o t a lh e a tt r a n s f e rd e c r e a s e a tt h e t y p i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n st h el o c a lt o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sv a r yf r o m10 0 t o8 0 0w m 2o ci nt h em a i nc o l u m na n df r o m1 0 0t o2 0 0w m 2o ci nt h eh e a t r e s i d u a lr e c o v e r e lr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n ，d e w v a p o r a t i o n ，h e a tc o u p l i n g ，h u m i d i f i c a t i o n ， d e h u m i d i f i c a t i o n ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n 1 i i 附录符号说明 英文符号 符号说明 主体柱蒸发侧气液间传热界面面积，m 2 主体柱蒸发侧气液间传质界面面积，m 2 主体柱壳程热损失传热面积，m 2 回收冷凝器壳程热损失传热面积，m 2 主体柱中的总传热面积，m 2 回收冷凝器中的总传热面积，m 2 恒压热容，j k g 千空气的恒压热容，j k g 湿空气恒压热容，j k g 海水恒压热容，j k g 纯水恒压热容，j k g 水蒸汽的恒压热容，j k g 主体柱换热管外径，m 回收冷凝器换热管外径，m 水蒸汽在空气中的扩散系数，m 2 s o 。c 下水蒸汽在空气中的扩散系数，m 2 s 主体柱外壳内径，m 主体柱壳程当量直径，m 回收冷凝器壳程当量直径，m 主体柱换热管内径，m 回收冷凝器外壳内径，m 主体柱中冷凝水的流量，k g h 主体柱冷凝水进口流量，k g h 主体柱冷凝水出口流量，k g h 回收冷凝器壳程冷凝水的流量，k g h 以钿血“ac go甜g面引如皿以影西f r r 附录符号说明 回收冷凝器壳程冷凝水进口流量，k g h a 回收冷凝器壳程冷凝水出口流量，k g h 干空气流量，k g h 造水比 按b e c k m a n 定义计算的造水比 主体柱冷凝侧湿空气湿度，k g ，k 勖 主体柱冷凝侧湿空气进口湿度，k g ，l ( 踟 主体柱冷凝侧湿空气出口湿度，k g 。k 飘 主体柱蒸发侧湿空气湿度，k g ，k 勖 主体柱蒸发侧湿空气进口湿度，k g 、，k 踟 模型算出的主体柱蒸发侧湿空气进口湿度，k g 。k g a 主体柱蒸发侧湿空气出1 2 1 湿度，k g 、，k g a 主体柱冷凝侧当量冷却一冷凝传热系数，w m 2 主体柱冷凝侧显热传热系数，w m 2 回收冷凝器壳程湿空气湿度，k g ，k 勖 回收冷凝器壳程湿空气进口湿度，k g v k g a 回收冷凝器壳程湿空气出1 ：3 湿度，k g 。k g d 回收冷凝器壳程当量冷却一冷凝传热系数，w m 2 回收冷凝器壳程显热传热系数，w m 2 回收冷凝器海水侧传热系数，w m 2 空气饱和湿度，k g 。k g a 主体柱蒸发侧海水表面饱和湿度，k g 。k g a 主体柱冷凝侧湿空气的焓，j k g 主体柱冷凝侧进口湿空气的焓，j k g 主体柱冷凝侧出1 2 1 湿空气的焓，j k g 主体柱蒸发侧湿空气的焓，j k g 主体柱蒸发侧进口湿空气的焓，j k g 主体柱蒸发侧出口湿空气的焓，j k g 回收冷凝器壳程湿空气的焓，j k g 回收冷凝器壳程进e l 湿空气的焓，j k g 回收冷凝器壳程出口湿空气的焓，j k g g蚴懈凰故坼b幻放风厶厶如如“b 附录符号说明 饱和湿空气的焓，j k g 主体柱蒸发侧显热传热系数，w m 2 主体柱蒸发侧基于湿度差的传质系数，k g m 2 s 主体柱蒸发侧的平均传质系数，k g m 2 s 主体柱壳程平均热损失传热系数，w m 2 回收冷凝器壳程平均热损失传热系数，w m 2 回收冷凝器中的局部总传热系数，w m 2 主体柱中的局部总传热系数，w m 2 主体柱中的平均总传热系数，w m 2 回收冷凝器中的平均总传热系数，w m 2 海水的流量，k g h 回收冷凝器螺旋换热管长度，m 刘易斯数 主体柱蒸发侧海水进口流量，k g h 主体柱蒸发侧海水出口流量，k g h 主体柱冷凝侧饱和湿空气的湿度对饱和温度的导数 回收冷凝器壳程饱和湿空气的湿度对饱和温度的导数 主体柱换热管数 主体柱冷凝侧饱和湿空气的焓对饱和温度的导数 回收冷凝器壳程饱和湿空气的焓对饱和温度的导数 主体柱冷凝侧努塞特数 主体柱蒸发侧努塞特数 回收冷凝器壳程努塞特数 总压，p a 普兰特数 纯水饱和蒸汽压，p a 海水饱和蒸汽压，p a 主体柱冷凝侧传递的潜热，w 主体柱壳程损失热量，w 回收冷凝器中通过换热管壁的传热量，w 回收冷凝器壳程损失热量，w l 0 加 j n 矗 e ， l 厶恐知鼠酶墨m三f如“ 帆 耽 们 也批批批p办 挑 m 驮c 5 j g 组 附录符号说明 回收冷凝器壳程释放出的热量，w 主体柱冷凝侧释放出的热量，w 主体柱冷凝侧传递的显热，w 主体柱中通过传热管壁的热量，w 水的汽化热，j k g o c 下水的汽化热，j k g 主体柱冷凝侧气相雷诺数 主体柱蒸发侧气相雷诺数 主体柱蒸发侧海水降膜雷诺数 回收冷凝器壳程气相雷诺数 外蒸汽i i 流量，k g h 施密特数 主体柱中换热管束的管心距，m 主体柱冷凝侧定性温度， 主体柱管内海水液膜定性温度， 环境温度， 主体柱冷凝侧湿空气温度， 主体柱冷凝侧湿空气进口温度， 主体柱冷凝侧湿空气出口温度， 主体柱中冷凝水的温度， 主体柱冷凝水进口温度， 主体柱冷凝水出口温度， 主体柱蒸发侧湿空气温度， 主体柱蒸发侧湿空气进口温度， 模型算出的主体柱蒸发侧湿空气进口温度， 主体柱蒸发侧湿空气出口温度， 主体柱的对数平均冷凝传热温差， 主体柱壳程损失传热的对数平均传热温差， 饱和温度， 主体柱平均冷凝传热温差， 回收冷凝器平均冷凝传热温差， s v d e l l n 瑚 d ， ， ， 由 ，r d r 【- r ， 【- ， 如然队g r 加舰脓耽s ，乃死死蹦瓦岫兀 附录符号说明 咒d i n 正d o u i 冗d 珀i n z t r d o m 矗l r 。 i n i n o u t t w j n t w , o u t t d s 甜 1 l l w x z t z 希腊字母 回收冷凝器壳程湿空气温度， 回收冷凝器壳程湿空气进口温度， 回收冷凝器壳程湿空气出口温度， 回收冷凝器壳程冷凝水的温度， 回收冷凝器壳程冷凝水进口温度， 回收冷凝器壳程冷凝水出口温度， 回收冷凝器壳程损失传热的对数平均传热温差， 回收冷凝器管程海水温度， 回收冷凝器管程海水进口温度， 模型算出的回收冷凝器管程海水进口温度， 回收冷凝器管程海水出口温度， 主体柱中的海水温度， 主体柱蒸发侧海水进口温度， 主体柱蒸发侧海水出口温度， 总溶解固体，m g l 气速，m s 湿空气比容，m 3 k g d 质量分率 摩尔分率 主体柱有效换热段长度，m 回收冷凝器有效换热段长度，m 单位换热段长度上的主体柱传热面积，m 2 m 单位换热段长度上的主体柱蒸发侧气液界面面积，m 2 m 单位换热段长度上的主体柱壳程热损失面积，m 2 m 单位换热段长度上的回收冷凝器传热面积，m 2 m 单位换热段长度上的回收冷凝器壳程热损失面积，m 2 m 主体柱换热管内壁降液负荷，k g m s 导热系数，w m 鳓 啦 啦 m 瞅 厂 互 附录符号说明 w p 下标 粘度，p a s 海水粘度，p a s 密度，k g m 3 空气 计算值 实验值 混合气 蒸汽 ，f x 口 耐 唧 腑 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：了海 签字日期：2 瞄年 毛月 f 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 了涛 导师签名： 签字日期：2 0 “年月 i2 日 签字日期：阳蟛年名月包日 刖旨 前言 水是生命之源，人类无论在生产还是生活中，都要消耗大量的淡水。而今 天，淡水资源的短缺已经成为一个全世界普遍面临的问题，日益威胁到人类的 生存与发展。据联合国有关报告指出，全世界目前有l1 亿人缺乏安全清洁的饮 用水，并且这个数字仍在继续增加。在我国，缺水也严重影响到国民经济的发 展和人民的生活质量。据统计，我国目前每年的缺水量高达4 0 0 亿m 3 ，造成的 经济损失超过2 0 0 0 亿元。全国6 6 0 多个城市中，有4 0 0 多个城市缺水，其中 1 0 8 个为严重缺水城市。在人口最多、经济最发达的东部沿海工业城市，人均 水资源量大多低于5 0 0m 3 。大连、天津、青岛等北方城市，人均水资源量更低 于2 0 0i n 3 ，处于极度缺水状态。解决缺水问题对于保障我国经济和社会的可持 续发展具有重要的战略意义。 水在地球上的总量其实并不少，但其中的大部分却存在于海洋，不能被直 接饮用或用于人类生产活动。将海水淡化，以解决人类的淡水危机问题，无疑 极具有长远的意义。在过去的半个多世纪里，海水淡化已被证明是解决人类缺 水问题最现实、有效的途径之一。一些海水淡化技术日臻成熟，造水成本也正 不断降低，已经在世界各地得到了大规模的广泛应用。目前，全世界的淡化水 生产能力已有约4 0 0 0 万m 3 d ，淡化装置的数量多达上万套，解决了全球l 亿 多人口的用水需求。在干旱缺水的中东地区，淡化更是当地淡水的主要来源。 目前，在世界上被广泛应用的海水与苦咸水淡化技术主要是蒸馏( 包括多 级闪蒸、多效蒸发、压气蒸馏等) 和反渗透。在中东、欧美、日本等国家和地 区相继建立了许多日产淡水数万甚至数十万吨的大型蒸馏和反渗透淡化工厂， 为一些人口密集沿海及近海地区的缺水问题提供了有效的解决办法。然而，传 统蒸馏法需要消耗大量的能源，反渗透法虽然相对节能，但往往要求对海水进 行复杂、严格的预处理，出于成本的考虑，这些淡化技术更适合于大规模的应 用。对于每天数十吨甚至数吨的小规模淡化需求，采用这些方法是不经济的。 在一些缺水的岛屿、沿海渔村及内陆偏远苦咸水地区，淡水需求量少而且 分散。这些地区往往基础设施薄弱，缺少燃料和电力，无论建立蒸馏或反渗透 淡化工厂，还是长途运水都是不现实、不经济的，迫切需要设备可靠、维护方 日u舌 便，预处理技术要求不高，并且能够利用低位热能( 如太阳能、地热等) 的中 小型本地化淡化装置。 自上世纪八十年代末以来，直接热耦合增湿一去湿( 又称为露点蒸发) 新 型淡化技术得到了越来越多的关注与发展。它利用空气作为水分的载体，通过 对空气的增湿和去湿，将海水( 或苦咸水) 淡化。与普通增湿一去湿淡化方法 显著不同的是，在这种新型工艺中，去湿过程释放的大量冷凝热通过冷凝侧与 蒸发侧之间的传热，直接提供给增湿过程，供给海水( 或苦咸水) 蒸发之用。 去湿与增湿过程通过传热直接耦合起来，不仅促进了海水( 或苦咸水) 的蒸发， 提高了增湿效果，同时也为进一步提高过程热利用率创造了可能。 目前，直接热耦合增湿一去湿淡化技术虽然发展规模还比较小，但由于其 具有投资省、效率高、易于操作、结垢倾向小、原料水不要求严格预处理、并 可利用低位热能等独特优点，特别适用于淡水需求相对分散的场合，是对传统 淡化技术的有益补充，发展前景十分广阔。在国外，直接热耦合增湿一去湿( 露 点蒸发) 淡化技术受到美国内务部开发局的持续支持，相应研究已进入中试阶 段，并即将开始工业应用和技术推广。在我国，直接热耦合增湿一去湿淡化技 术也受到有关单位的关注与支持，本课题即作为国家自然科学基金重点项目 ( n o 2 0 2 3 6 0 3 0 ) 得到国家自然科学基金委和中国节能投资总公司的联合资助。 作为上述资助项目的重要研究内容，在本课题已有成果的基础上，本文建 立了由主体淡化柱、回收冷凝器和补充加热器等设备构成的完整直接热耦合增 湿一去湿淡化系统；首次直接对现场海水进行了直接热耦合增湿一去湿海水淡 化实验研究，考察了直接热耦合增湿一去湿过程对实际海水淡化的适应性；系 统分析了过程的影响因素，确定了较优的操作条件范围：首次考察了现有商用 阻垢剂对直接热耦合增湿一去湿淡化过程的适应性；首次提出并建立了不饱和 空气进口条件下的直接热耦合增湿一去湿淡化过程传热传质微分数学模型，并 结合大量实验数据建立了直接热耦合增湿一去湿淡化过程相关传热系数及传质 系数的计算关联式：最后在模型的基础上进行了数学模拟研究，揭示了直接热 耦合增湿一去湿淡化系统的内部运行规律，在实验的基础上进一步深化和拓展 了对过程的认识和把握，为直接热耦合增湿一去湿淡化过程的规模化设计奠定 了基础。 第一章综述 第一章综述 淡水资源的日益紧缺迫使人们把目光投向取之不尽、用之不竭的大海。向 大海要水，终将成为人类解决淡水危机问题的必由之路。已经有越来越多的国 家积极加入到发展海水淡化事业的潮流中来。本章将就目前的海水淡化和直接 热耦合增湿一去湿( 露点蒸发) 淡化技术的研究与发展给予介绍和评述。 1 1 海水淡化的需求与现实 1 1 1 全球水资源短缺问题 2 l 世纪是水的世纪。随着全球淡水资源的日益紧缺，水越来越成为人们今 天关注的焦点。有关报告指出，“缺水问题将严重制约2 l 世纪的经济和社会发 展并可能导致国家间的冲突”。第4 7 届联合国大会也将每年的3 月2 2 日定为“世 界水日”，号召世界各国对全球淡水资源日益紧缺问题提起高度警觉。据联合国 世界水资源发展报告指出，全球目前有1 1 亿人缺乏安全清洁的饮用水，并 且这个数字仍在继续增加。 在我国，缺水问题也日益成为困扰许多地区发展的瓶颈之一。由于人口众 多，我国的人均年水资源拥有量十分有限，仅为世界平均水平的1 4 ，被联合 国列为十三个最贫水国家之一。加之水资源的时空分布不均、各地的人口不均、 社会经济发展不平衡、以及环境污染、生态恶化等问题，更造成我国部分地区 尤其是发达地区的水资源严重短例】。有预测指出【3 】 到2 0 1 0 年我国北方沿 海四省( 市) 人均综合用水量将达到3 2 5 3 6 5m 3 ，缺水量将达到1 6 6 2 5 5 亿 m 3 ，淡水供需矛盾将更加尖锐。为保障人民生活质量和国民经济的可持续发展， 缺水问题的解决已迫在眉睫。 到哪里去找更多的淡水，是人们首先面临的问题。地球上9 7 5 的水存在 于海洋，剩下的2 5 中，有8 7 是两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪， 真正能够被人类利用的仅是江河湖泊以及地下水中的一部分，约占地球总水量 的0 2 6 。地下水的过度开采已经带来地面沉降、海水倒灌的危险。据报道， 在我国天津、河北沧州、山东德州等地区，地下漏斗区已连为一片，并仍在继 第一章综述 续扩大。而跨流域调水必须考虑到成本和对调出区的影响，此外，一旦水源地 区枯水，引水地区也会处于十分被动的局面。加强水资源管理与治理、节约用 水、废水回用等手段虽然也可以一定程度上缓解局部地区的缺水问题，然而并 没有在根本上增加淡水资源的总量，无法满足人类淡水需求的日益增长。如何 才能得到长久稳定的水源? 人们把索取的目光投向取之不尽、用之不竭的大海。 1 1 2 海水淡化发展概况 大海是其实是一个丰富的淡水库，其总量的约9 7 皆为淡水，有大约1 3 3 亿立方千米之多。但这些水却不能被人们方便地利用，不能够直接饮用或用于 农业灌溉等生产活动中。将海水淡化，是人类长期以来的梦想与渴求，也是获 得一个长久稳定水源的必由之路。早在2 0 0 0 多年以前，古希腊的水手就曾尝试 在船上使用一种简单的蒸馏器来从海水中制取淡水【引。然而海水淡化技术的快 速发展和大规模应用其实只是近几十年的事情，由于技术的限制，在这之前只 有一些零星的应用和报道。值得一提的是瑞典工程师c w i l s o n 于1 8 7 2 年在智利 北部建立的第一个大型太阳能海水淡化装置，该装置成功运行了将近4 0 年，能 够为当地的矿区提供2 3m 3 d 的淡水【5 】。1 9 世纪4 0 年代，在由甘蔗汁生产蔗糖的 工艺中，提高蒸发效率的努力促使了多效蒸发技术出现。这项技术后来被应用 在海水淡化中，并成为多级闪蒸出现以前的主要淡化方法。1 9 世纪末2 0 世纪初 机械压汽蒸馏和热力压汽蒸馏技术也先后出现了【6 】。二战期间，船用浸没式多 效蒸发和压汽蒸馏装置被大力发展，在各式军舰及船只上获得了装备。真正具 有划时代意义的技术性突破出现在2 0 世纪5 0 、6 0 年代。1 9 5 7 年r s s i l v e r 和a f r a n k e l 发展了多级闪蒸技术，该技术克服了多效蒸发中易结垢和腐蚀的问题， 很快在中东地区获得了推广，并由此揭开了海水淡化技术被大规模应用、发展 的序幕。几乎与此同时，另一种重要的海水淡化技术反渗透也出现了，这 种无相变的过程同蒸馏法相比更加节省能量，因而同样受到了广泛的关注。尤 其在1 9 8 0 年代中期以后，随着反渗透膜性能提高、价格下降以及能量回收效率 提高，反渗透海水淡化技术在全世界范围获得了大力的发展和应用，成为几乎 投资最省、成本最低、发展最快的淡化方法之一。【2 】 经过半个多世纪的发展，现代海水淡化技术已经逐渐走向成熟，日益成为 一种稳定可靠的淡水供应方法。不仅水质好、供水稳定，随着技术进步，淡化 的成本也正在不断降低。目前，海水淡化的本体能耗已降低到了2 3k w h m 3 ， 第一章综述 淡化水成本仅为0 5 美元m 3 左右【7 1 。其有效性越来越得到人们的广泛认同。图 1 1 给出了1 9 6 5 年以来全世界淡化装置生产容量的增长情况【8 】。可以看到，全球 淡化水生产规模的增长很快，并且呈现出加速增长的趋势。目前，全世界淡化 水生产能力已达到约4 0 0 0 万m 3 d 7 1 ，解决了1 亿多人口的用水问题，在中东一些 国家淡化水甚至已占到淡水总供应量的8 0 - - + 9 0 。发展海水淡化技术，向大海 要水，已成为当今世界各国解决缺水问题的普遍共识。 4 0 3 5 舍 主2 5 三2 0 o c d 导1 5 u 1 0 5 o ，i l ：0a t r a c t e dc a p a c i t y 7 - n 7一ji l ， ，w ，1 j i - i il _ 。，一 f i il ! ，i i il 二- - i i ：li j i ， ia i) fe l a t 1 0n i r j i ， i - i li ii il i- l - i i - ij - i l li - i i - ii 誊晷景譬薹善蓦爱譬紊晷晷晷荟毫誊萎善誉善 西, e - 掌拿拿拿, o e - 拿兽西s , - 西s - 兽掌0 兽耋誊0 窝食食 c o n t r a c ty e a r 图1 1 全世界淡化装置生产容量的增长趋势 f i g 1 1t h ei n c r e a s i n gc a p a c i t yo f t h ew o r l d w i d ed e s a l i n a t i o ni n s t a l l a t i o n sv e r s u st h ey e a r 我国是一个海洋大国，拥有漫长的海岸线。开发利用海水资源，进行海水 淡化是解决我国东部沿海及近海地区严重缺水问题的最现实选择，同时也对这 些地区未来的可持续发展具有重要的战略意义。不仅可以缓解我国发达地区日 益紧张的水资源供需矛盾，也对解决植被破坏、环境污染、地下水过度开采等 一系列问题有深远的影响。我国的海水淡化研究开始于上世纪5 0 、6 0 年代，但 长期以来由于人们认识不足而发展缓慢，技术水平与发达国家相比差距较大。 直到目前，我国的海水淡化规模仍然较小，淡化水日产量仅占世界的l 左右。 但近年来，随着缺水问题的日益严重，海水淡化已逐渐受到我国政府的高度重 视，被列为未来重点发展的新兴产业之一。在2 0 0 5 年“两会”上，由人大代表 第一章综述 提出的关于发展海水淡化的建议，被列为2 0 0 5 年1 0 大重点建议之一。而在 不久前出台的海水利用专项规划中更提出，到2 0 1 0 年，我国海水淡化能力 要达到8 0 万1 0 0 万m 3 d ，海水利用对解决沿海地区缺水问题的贡献率要达到 1 6 2 4 ：到2 0 2 0 年，全国海水淡化能力要达到2 5 0 万3 0 0 万m 3 d ，海水利用 对解决沿海地区缺水问题的贡献率要达到2 6 3 7 【3 1 。目前，我国许多沿海缺水 城市或海岛都在积极筹划发展海水淡化项目 9 i 2 】，一些海水资源利用产业化规 模示范工程项目也被建立起来( 1 3 17 1 。海水淡化事业在我国的发展正以前所未有 的速度蒸蒸日上，然而值得注意的是我国目前工程中所用膜元件、高压泵和能 量回收装置等关键部件绝大部分均依靠进口，国产化能力还有待提高。表1 1 、 1 2 列出了我国目前已建和拟建的一些主要海水淡化工程项目。 表1 1 【7 】国内已建的主要海水淡化设施 t a b l e1 lm a j o rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o nu t i l i t i e si nc h i n a 第章综述 表1 - 2 7 1 国内在建和规划中的主要海水淡化项目 t a b l e1 2m a j o rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o np r o j e c t sb e i n gc o n s t r u t e da n dp l a n n e di nc h i n a 1 2 主要海水淡化技术 海水淡化方法( 或者说脱盐方法) 按分离过程可分为蒸馏法、膜法、结晶 法、溶剂萃取法和离子交换法等。蒸馏法又包括多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发 ( m e d ) 、压汽蒸馏( v c ) 等技术，主要利用水和盐的挥发度差异使两者分离，一 般产品水含盐量较少，但由于有相变发生，一般能耗较高，另外常伴有设备腐 蚀和结垢问题。膜法包括反渗透( r o ) 、纳滤( n f ) 、电渗析( e d ) 等方法，利用膜 对水和盐的选择透过性能，将盐分截留或移走从而得到淡水，其过程无相变， 节能，但一般对预处理要求较高。结晶法则包括冷冻法和水合物法等，目前应 用较少。虽然淡化的方法很多，共有数十种，但多年的实践表明，真正实用的 方法只有m s f 、m e 、v c 、e d 和r o 等f 1 8 1 ，并且其中的e d 技术主要用于苦咸水 淡化。 第一章综述 1 2 1 多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s h ，m s f ) 一定温度的水在环境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时会发生骤然的 蒸发，这种现象称为闪蒸。多级闪蒸是使经过加热的海水依次在多个压力逐级 降低的闪蒸室中多次蒸发来获得淡水的过程。由于加热面与蒸发面分离，大大 改善了以前常存在于早期多效蒸发技术中的蒸发面结垢问题。自上世纪5 0 年代 末问世以来，在中东地区迅速获得了广泛的应用与发展【1 9 】。目前也仍占世界海 水淡化市场的5 0 以上。 多级闪蒸常与火电厂联合建设、运行，以汽轮机低压抽汽作为热源，采取 水电联产模式，一方面满足了大型发电厂对大量优质锅炉补充水的需要，另一 方面也使发电过程中产生的大量低品位余热得到充分利用，使综合成本降低。 与其它蒸馏法相比，多级闪蒸技术最成熟，运行安全性最高，较适合于大型和 超大型淡化装置，过程中不产生真正的沸腾，。改善了一般蒸馏法中常存在的积 垢现象，是目前单机容量最大的淡化方法，有日产6 万m 3 淡水的单机已投入 商业运行【l 】。但其传热系数同多效蒸发相比较低，需要较大的传热面积，造水 比也相对低，另外动力消耗大，还有腐蚀问题也是影响其竞争力的不利因素。 多级闪蒸淡化方法能耗一般为8 l ok w h m 3 淡水【7 】。近些年来，随着反渗透技 术的蓬勃发展，多级闪蒸在世界淡化市场中的比重逐渐降低，但由于其对预处 理的要求相对反渗透较低，目前仍是中东地区的主要淡化方法。 1 2 2 多效蒸发( m u l t i p l ee f f e c te v a p o r a t i o n ，m e ) 多效蒸发是多个蒸发器串联运行的蒸发过程，海水在前一蒸发器中蒸发出 的二次蒸汽被用作下一蒸发器的加热蒸汽，供给下一效蒸发器中的海水蒸发， 而冷凝的二次蒸汽则成为淡水产出。多效蒸发是双侧相变传热，传热系数高， 在多级闪蒸出现以前曾是淡化市场的主导技术。然而早期的多效蒸发在较高温 度( 1 0 0 1 2 0 ) 下操作，易于结垢和腐蚀，需经常清洗和采取严格的防垢措 施。在上世纪5 0 年代多级闪蒸技术应用以后，其发展更长期停滞不前。 1 9 7 5 年诞生了低温多效蒸馏技术( l t - m e d ) ，使多效蒸发重新获得了竞争 力，也成为目前研究的热点技术之一【2 0 1 。低温多效蒸馏通常在7 0 以下操作， 多采用水平管降膜蒸发的形式。同传统蒸馏法相比，低温多效技术操作温度低， 减缓了设备的腐蚀和结垢，允许使用较廉价的换热材料，如铝合金管等，节省 第一章综述 投资；进料海水的预处理也得到简化，海水进入之前只需经过筛网过滤和加入 少量( 5m g l 左右) 阻垢剂就可以，而不像多级闪蒸必须进行加酸和脱气处理； 操作弹性大；动力消耗小，用于输送液体的动力消耗般只有0 9 1 2k w h m 3 ， 大大降低了淡化水的生产成本，这一点对于电价较高的地区尤为重要；系统热 效率高，3 0 以上的温差即可以安排1 2 效以上的传热效数，达到1 0 左右的造 水比；操作安全可靠，由于通常采用管内蒸汽冷凝而管外液膜蒸发，即使传热 管发生了腐蚀穿孔而泄露，因汽侧压力高于液膜侧压力，浓盐水也绝对不会流 到产品水中，最多只会产生蒸汽的少量泄漏而影响造水比；在水电联产、利用 乏蒸汽造水方面发展前景广阔，较适合于利用低位余热的大中型海水淡化。目 前，该技术的能耗通常在6 7k w h m 3 淡水，单机容量最高为2 万m 3 i d 7 1 。 1 2 3 压汽蒸馏( v a p o rc o m p r e s s i o nd i s t i l l a t i o n ，v c ) 压汽蒸馏淡化，其实是多效蒸发的一种变形【2 1 】。它利用了蒸汽压缩使温度 升高的原理。在压气蒸馏过程中，蒸发出的二次蒸汽经过绝热压缩，提高蒸汽 温度后，再引回到蒸馏器加热盘管中，加热管外海水，蒸馏器内的海水获得冷 凝潜热后沸腾、蒸发，蒸发出的蒸汽再被送去压缩，不断循环，同时淡水也在 冷凝过程中产生出来。根据压缩方式不同压气蒸馏可分为两种，采用蒸汽喷射 器压缩的称为热压缩( t v c ) ，采用机械蒸汽压缩机压缩的称为机械压缩( m v c ) ， 后者一般依靠电能驱动。压气蒸馏也属于最节能的方法之一，但由于受压缩机 体积的限制，其规模一般不大，多为日产千吨级，适于中小型淡化装型2 2 】。 1 2 4 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 反渗透是将海水加压，使淡水透过盐分不能透过的半透膜，从而使淡水与 盐分分离的淡化方法。其分离过程中无相变发生，因而与蒸馏法相比能耗较低。 自上世纪7 0 年代进入淡化市场以来，由于其投资省、能耗低、建造周期短、易 于实现自动控制等优点，得到了迅速的发展，已逐渐成为淡化市场的主导【2 3 1 。 除了中东国家由于水质问题不宜采用反渗透，在亚洲、美洲、