（化工过程机械专业论文）多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究.pdf

多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 摘要 增湿去湿海水淡化技术作为一种新型的海水和苦成水淡化技术，其原理与 传统蒸馏法及反渗透法都不同。它是以载气( 如空气) 为载体，通过海水或苦成 水对其增湿和去湿操作来制取淡水。为了提高过程的热效率，通常将去湿过程与 增湿过程耦合，使冷凝潜热直接传递到蒸发室，为蒸发盐水提供汽化潜热。 本文提出以鼓泡方式进行载气的增湿操作，以实现海水淡化的设计思路。建 立了一台五级塔式结构的四效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化塔，塔内总有效传热面 积为6 7 m 2 ，利用太阳能加热第一级海水。建立了相应的太阳能集热系统、流体 输送系统、控制系统。并针对该系统进行了实验研究，完成了鼓泡蒸发淡化基本 流程和稳态条件下操作参数选定实验及影响因素实验。 实验研究表明，在稳态条件下，设备的淡水产率随第一级蒸发室内热盐水温 度( 初温) 的升高而提高，随各级鼓泡量的加大而提高。对于本实验设计的鼓泡 蒸发翅片冷凝淡化设备的淡水产率一般为1 2 - 1 6 k g h ，其级间温差、载气流量以 及初温等均存在适宜的操作范围。第一级蒸发室增湿热盐水温度在8 5 9 0 。c 之间 较为适宜。在实验条件下，各级温度分别为8 9 9 。c 、7 7 4 。c 、6 8 0 。c 、5 9 0 。c 、 3 8 3 ，各级载气流量分别为6 0 0 l h 、4 8 0 l h 、4 8 0 l h 、4 8 0 l h 时的淡水产率为 1 4 8 2 l h ，g o r 值为2 7 ，折算单位产量鼓泡功耗4 9 4 k w b 吨。 对比实验表明，鼓泡蒸发冷凝塔各级间存在一个的合理鼓泡量组合，以寻求 在一个较高的产水率条件下，达到最优的造水比( g o r ) 和较低的动力消耗。 本文设计的鼓泡蒸发淡化工艺和系统的淡化水含盐量低于5 0 m g l ，与传统蒸馏 法的淡化水水质相当。 通过对多效鼓泡蒸发淡化过程中的热量衡算、物料衡算、鼓泡增湿传质速率 计算及蒸发侧冷凝侧传热速率计算，建立了适用于鼓泡蒸发淡化过程的传热一传 质数学模型。研究了各级热力过程的传递特性，分别建立了鼓泡增湿传质系数和 蒸发侧冷凝侧传热系数的计算方法。 以建立的数学模型为基础，结合实验数据，研究了鼓泡蒸发冷凝淡化塔各级 稳态温度和各级蒸发侧冷凝侧总传热系数，给出了稳态操作条件下各级鼓泡增 湿传质系数和蒸发侧冷凝侧传热系数的算例。 在实验研究和模型研究的基础上，探讨了对鼓泡蒸发淡化系统进行进一步研 t t 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 究的方向。 关键词：海水淡化鼓泡蒸发增湿去湿p l c i i i 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 a b s t r a c t d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o no rr e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o np r o c e s s ，t h e 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 nd e s a l i n a t i o ni sah o v e ls e a w a t e ra n db r a c k i s hw a t e r d e s a l t i n gp r o c e s s ，i nw h i c ha i ri su s e da sac a r r i e rg a st oe v a p o r a t ew a t e rf r o ms a l i n e f e e d g e n e r a l l y , t oi n c r e a s et h et h e r m a le f f i c i e n c y , t h ee v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o n p r o c e s s e sa r et h e r m a l l yc o u p l e db yh e a tt 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 t c 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 ns 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 rt h e b r i n e a ne x p e r i m e n t a lp l a n tf o rc a r t i e r - g a sh u m i d i f yb yb u b b l i n gi sd e s i g n e da n db u i l ti n t h i sw o r k a st h ep r i m ep a r to ft h ed e s i g n af i v e - s t a g ee v a p o r a t i o nt o w e r 、衍t 1 1t h e f o u r - e f f e c td e s a l i n a t i o ni sb u i l tf o rt h eb u b b l ec o l u m n t h es o l a rc o l l e c t o ri su s e df o r h e a t i n gt h eb r i n ei nt h ef i r s t s t a g e t h ee f f e c t i v eh e a tt r a n s f e ra r e ao ft h ep l a n ti s 6 7 m 2 t h es o l a rc o l l e c t o rs y s t e m s ，f l u i dc o n v e y a n c es y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma r e d e s i g n e dc o r r e s p o n d i n g l y t h eo p e r m i n gp a r a m e t e r sa n di n f l u e n c ef a c t o r se x p e r i m e n t a r ec a r r i e do u tu n d e rt h es t e a d y - s t a t ec o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rp r o d u c t i v i t yo ft h eu n i ti n c r e a s e s 、析t h t h ei n c r e a s eo ft h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e ( t h eb r i n et e m p e r a t u r ei nt h ef i r s t s t a g e e v a p o r a t i o nc h a m b e r ) a n dt h eb u b b l ef l o wr a t e g e n e r a l l y , t h ew a t e rp r o d u c t i v i t yo f t h et o w e rv a r i e si nt h er a n g eo f1 2 1 6 k g hu n d e rt h es u i t a b l ei n t e r - s t a g et e m p e r a t u r e ， c a r r i e r - g a sf l o wr a t ea n di n i t i a lt e m p e r a t u r e t h ei d e a li n i t i a lt e m p e r a t u r er a n g ei s 8 5 - 9 0 。c i nt h ee x p e r i m e n t ，o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et e m p e r a t u r e so fe a c hs t a g ea r e 8 9 9 ，7 7 4 ，6 8 0 ，5 9 0 ，3 8 3 cs e p a r a t e l y ，a n dt h ec a r r i e r - g a sf l o wr a t e i ne a c he v a p o r a t i o nc h a m b e ra r e6 0 0 l h ，4 8 0 l h ，4 8 0 l h ，4 8 0 l hr e s p e c t i v e l y , t h e w a t e rp r o d u c t i v i t yi su pt o1 4 8 2 l h 谢t ht h eg o r p o i n ti s2 7 ，a n dt h e4 9 4 k w + h t o n e l e c t r i c i t yp o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n t h ec o n t r a s te x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w st h a tt h e r ei sar a t i o n a lc a r r i e r - g a sf l o wr a t ei n e a c hs t a g et oa c h i e v eah i g hp r o d u c t i v i t ya n dg o ra n dal o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h es a l i n i t yo ft h ep r o d u c e dw a t e rw a sd e t e r m i n e dt ob ei nt h er a n g eo f5 0 m g l ， w h i c hi sa l m o s tt h es a m ea st h et r a d i t i o n a lt h e r m a ld e s a l t i n gp r o c e s s e s i v 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 s t a r t i n gf r o mt h eh e a tb a l a n c e ，t h em a s sb a l a n c ea n dt h ec a l c u l a t i o no f t h eh e a ta n d m a s st r a n s f e rr a t e s ，ac o m p r e h e n s i v eh e a t m a s sc o u p l e dt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e l i s d e v e l o p e df o r t h eb u b b l i n gp r o c e s s t h e m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tf o rt h e h u m i d i f i c a t i o np r o c e s sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tf o rt h ee v a p o r a t i o n c o n d e n s a t i o n p r o c e s s e sa l ee x t e n s i v e l ya n a l y z e da n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d sa l e d e v e l o p e d b a s e do nt h ed e v e l o p e dm o d e la n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t f o rt h eh u m i d i f i c a t i o np r o c e s s e sf o re a c he v a p o r a t i o nc h a m b e ra n dt h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tf o rt h ee v a p o r a t i o n c o n d e n s a t i o np r o c e s s e si ne a c hs t a g ea l er e s e a r c h e d u n d e rt h es t e a d y s t a t ec o n d i t i o n s ，t h e n ，ac a s ei sg i v e nf o rt h ep e r f o r mc a l c u l a t i o n s b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，t h ef u t u r es t u d yi sd i s c u s s e df i n a l 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 ，b u b b 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 ，p l c v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿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谢意。 学位论文作者签名： 吉、1 o 签字日期：2 汐汐年弓月 驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 多。j 签字日期：a d 。年弓月彳日 翩繇嘞竹刷磁各洲 签字日期：d ，o 年哆月厂d 日 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 致谢 光阴荏苒，转眼间我即将结束两年半的硕士研究生学习生涯。回首两年多来 的点点滴滴，曾经有过许多无法忘怀的瞬间，曾经有许多善良的人带给我温暖， 值此论文结稿之际，我要向我的师长、亲人、同学们表示由衷的感谢。 感谢我的恩师曾胜副教授。在这两年多的学习阶段，他不仅在学业上给予我 悉心的指导，带领我走进了科研的大门，让我懂得如何做研究；而且在生活上给 予我诸多帮助，让我顺利的进行学业。谆谆教诲，悉心关怀，都让我感恩戴德。 感谢我的父母，是他们赐予我生命，给予我学习的机会；是他们用微薄的收 入和年迈的身躯撑起一个家，为我构筑了前进的阶梯；是他们给予了我无尽的动 力，让我不断向着理想前进。 感谢同一个屋檐下的实验室师兄弟们，他们是康成良师兄、李常品同学、任 意师弟、沈海平师弟和程涛涛师弟，是他们的热情帮助才有本文的顺利完成。在 同他们探讨和学习的过程中，我开阔了视野、广博了知识。在与他们共同学习的 阶段，我收获了知识，也收获了友谊。 还要感谢贺世正老师、郑水英老师、张加庆师兄、赵良梁师兄，他们对我学 习和生活上的帮助也让我难以忘怀。 感谢0 7 级的同窗好友们，有你们陪伴的日子才是最美好的。 感谢在这两年多中给予过我帮助的朋友们，无论走到那里，我都将铭记一同 走过的岁月。 仅以此文，献给那些关心过我和帮助过我的人! 刘忠 2 0 1 0 年1 月于求是园 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 1 绪论 1 1 课题意义 水作为地球上不可替代的自然资源，是人类赖以生存和发展的基本物质之 一。人体的6 0 是液体，其中主要为水。水对人体健康至关重要，一旦体内水分 流失高于1 0 ，生理功能将严重紊乱甚至死亡。与此同时，水作为一种战略性的 经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。水对社会经济而言不可或缺， 农作物没有水会枯死，工业生产离开水会瘫痪【l 】。 地球上的总储水量约为1 3 8 1 0 1 8 m 3 ，从水资源总量上看，水是十分丰富的。 然而，地球上1 3 8 1 0 1 8 i n 3 的总储水量中仅有3 左右的淡水，而存在于河流、 湖泊和浅层地表中的淡水资源仅占总储水量的0 2 ，这其中相当一部分是苦咸 水【2 1 ，9 7 的水资源由于含盐度太高而不能直接饮用或灌溉。更为严重的是，可 供人类利用的淡水资源的分布极不均衡。陆地上存在大量荒漠和半荒漠地区，这 些地区雨量稀少，不少水源含盐量较高，不能直接饮用，也不能供工农业生产利 用。随着世界人口的骤增和现代工业的迅猛发展，一方面对淡水的需求量急剧增 大；另一方面，由于工业废弃物的大量排放，使得大量河流、湖泊等水体严重污 染，从而加剧了人类淡水供求的矛盾【l - 2 。目前，世界上有8 0 个国家约1 5 亿人 口面临淡水不足，其中2 6 个国家约3 亿人完全生活于缺水状态。许多国家不仅 明显感到了工农业生产所需淡水的短缺，而且许多地区甚至难以找到符合饮用水 标准的水源。甚至某些国家之间发生军事冲突亦起因于争抢淡水资源。水资源匮 乏正随着人类生产生活的进步而加剧，水资源危机已成为仅次于全球气候变暖的 世界第二大环境问题【3 1 。我国也面临着人均水资源占有量低、水资源分布不均、 水质污染等问题。据统计，我国水资源总量居世界第六位，但人均占有量仅为世 界人均水资源占有量的1 4 ，被联合国列为1 3 个最贫水的国家之一。解决水资源 短缺的问题已成为世界各国关注的焦点【2 1 。 自上世纪5 0 年代，中东地区已开始大规模地进行海水淡化，以解决该地区 淡水极度匮乏的问题。经过半个世纪的研究、开发和产业化，海水淡化的优点已 经显现，成本也大幅降低，形成了热法和膜法两大主流技术。海水淡化不仅技术 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 上可行，而且经济上可以接受，发展十分迅速。海水淡化已成为解决水资源短缺 问题的重要途径。 目前，对海水或苦成水进行淡化的方法已经有数十种，工业上采用的主要有 多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等。这些方法都要以消耗大量的燃料或电力为代价。 根据国际脱盐协会( i n t e r n a t i o n a ld e s a l i n a t i o na s s o c i a t i o n ，i d a ) 的统计数据，截 止2 0 0 5 年底，全世界共有约1 2 3 0 0 个淡化工程，日产淡水总量为4 7 1 0 7 m 3 。 这个数据比1 9 9 0 年的日产1 3 1 0 7 m 3 增加了3 6 倍。淡化水的迅速增加会产生 一系列的问题，最突出的就是常规能源的消耗。据估计，以目前能耗最小的反渗 透为例，海水反渗透本体能耗在3 k w 。h m 3 ( 淡水) ，这意味着每生产一吨淡水， 需要消耗l k g 的燃油，要产生多达2 k g 的二氧化碳，并且淡化所产生的高浓度的 盐水如果直接排放势必会对海洋生态造成无法预知的影响。即使人类支付得起这 些燃料的费用，地球的温室效应和环境污染等也警示我们要谨慎行事【2 】。如何降 低淡水制备的能耗或如何利用绿色能源是目前世界淡水制备发展的重要方向之 一。 太阳能作为一种廉价的绿色能源，取之不尽，用之不竭。因此寻求用丰富而 清洁的太阳能进行海水淡化，必将受到青睐。在我国能源结构单一，电力资源紧 张的条件下，利用太阳能从海水( 或苦咸水) 中制取淡水，乃是解决淡水缺乏或 供应不足的重要途径之一。因此，利用太阳能进行海水淡化具有广泛的应用前景。 利用太阳能进行海水淡化的方法和研究很多，但由于太阳能辐射的能量密度较 低，具备分散性、间断性和不稳定性，现有的技术采用太阳能进行蒸馏，大都存 在着能量利用率低，热效率不高的突出问题，不易于实现装置的大型化连续生产。 实际上，以多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透为代表的现代海水淡化工业，非常适合 于大规模的集中供水。但是这些淡化方法不适用于中小规模供水和海岛取水及利 用低位能源( 如太阳能) 。 考虑到以上诸多方面，寻求一种高效利用太阳能进行中小规模海水淡化，以 适应分散地区供水需求的方法很有必要，这也是本课题的意义所在。本章将对课 题中涉及的理论、方法及技术发展现状进行综述。 2 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 1 2 海水淡化的一般问题 1 2 1 海水淡化的过程的理论功耗及蒸馏过程的最小耗热量1 ，4 】 海水淡化是分离海水中盐分和水的过程，要实现这一过程，可以通过气、液， 固之间的各种相变过程来实现。但作为一种非自发的热力过程，无论采取何种方 法和途径都必须消耗能量。如何降低这一过程的能耗，是海水淡化技术中必须首 先考虑的问题。从热力学的角度考虑，这一过程存在理论最小耗能量和理论最小 功耗1 5 6 。 海水淡化的最小功耗问题，许多学者都进行过讨论。其中，s i d e m a n 认为海 水淡化过程是从海水中分离出水蒸气的过程，从海水与蒸汽的熵，焓和自由能的 关系出发，给出了在2 5 1 ：；时海水淡化过程的理论最小功耗约为0 7 9 k w h m 3 4 1 。 若从化学溶解热的角度出发，通过化学公式计算，假定海水淡化过程是自含盐量 为3 4 海水中取出含盐量为0 0 5 的淡水，而使剩余浓盐海水的浓度提高4 倍。 则淡化过程所需之理论功耗( 极限情况) 为1 4 1 k w h m 3 【1 一。 然而在实际的海水淡化过程中，能耗远远高于这一指标。具体到蒸馏过程， 郑宏飞等1 1 从卡诺循环的热工角度出发，给出了蒸馏过程的理论最小耗功量( 电 能或机械能等) 约为1 4 1 k w h m 3 。 实际上目前各种淡化方法，产生1 吨淡水所需的能量，都远远大于此值。除 了实际情况与理想条件有所差别外，主要限于技术水平。这说明，海水淡化在降 低能耗方面，尚有很大的潜力可以发掘。目前世界上最先进的海水淡化装置的单 位产量耗功量( 电能或机械能等) 约为2 5 0 0 0 k j m 3 ( 淡水) ( 反渗透法) 1 7 ，约 为理想条件下功耗的5 倍。我国目前的反向渗透膜海水淡化技术基本达到国际先 进水平，小型装置的单位淡水产量的耗功量甚至仅需2 0 0 0 0 k j m 3 ，约为最小功耗 的4 倍【l 】o 由此根据卡诺循环效率求得所需的最小热量为： t q , m = 彳专 ( 1 1 ) j 一0 式中r 为热源的温度，死为冷源的温度，单位为k 。 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 由( 1 - 1 ) 可见，q m i n 随丁的升高而减小，但超过1 4 0 c 以后，曲线已趋于平 坦，在用蒸汽为海水淡化装置供热的系统中，一般以低压蒸汽供热最为经济，由 于受防垢方法的限制，不宜超过1 3 0 c t l l 。 在目前技术条件下，太阳能集热器的集热温度最高可达到1 2 0 c ，对于真空 管集热器一般集热温度在9 50 c 左右。此时在环境温度为2 5 下的蒸馏过程的最 小热耗为： = 南7 4 ( k w h m 3 ) ( 1 - 2 ) 1 2 2 海水淡化的一般方法 目前海水与苦成水的淡化方法已有十几种，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。其中蒸馏法又有多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸 馏( m e 或m e d ) 、压汽蒸馏( v c ) 和太阳能蒸馏之分，膜法海水淡化技术则包含了 反渗透法( r o ) 和电渗析法( e d 或e d r ) ，结晶法则由冷冻法和水合物法构成。实 践表明，真正实用的海水淡化只有m s f 、m e 、v c 、r o 和e d 等方法i s 。 1 ) 多效蒸馏法( m e ) 多效蒸馏( m u l t i p l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ，m e ) 是在单效蒸馏的基础上发展起来 的蒸馏技术，也是最早商业化的海水淡化技术。其主要原理是将海水加热蒸馏( 蒸 发) 产生的二次蒸汽再作为加热蒸汽对下一效的海水进行加热，使蒸馏所消耗的 热能得到充分多次的利用，以降低热能( 蒸汽) 消耗。作为一种典型的化工单元 操作，其操作温度一般较高，顶温1 0 0 1 2 0 ，主要与火电站联运。但早期的 多效蒸馏技术由于操作温度在1 0 0 。c ，装置存在严重的结垢问题，且难以清洗， 逐渐被多级闪蒸技术取代。但与多级闪蒸相比，多效蒸馏具有传热系数高，动力 消耗小，海水浓缩比大，操作弹性更大的特点，近二十年内发展很快，开发出了 许多新型高效的流程和设备。 考虑到在7 0 。c 以下无机盐的结垢不明显，以色列i d e 公司等开发出了低温 多效蒸馏技术( l t - m e d ) ，该技术使盐水的最高蒸发温度控制在7 0 c 以下，将 一系列的降膜蒸发器串联起来并分成若干效，用一定量的蒸汽输入，通过多次蒸 发冷凝，得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。其克服了早期多效蒸馏结垢严重的问 4 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 题，是目前蒸馏法海水淡化方法中能耗最低的方法。从上世纪8 0 年代开始，低 温多效蒸馏的市场份额逐步扩大【2 】。 2 ) 多级闪蒸法( m s f ) 多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s hd i s t i l l a t i o n , m s f ) 是针对多效蒸馏结垢严重的缺 点而发展起来的海水淡化技术。其主要原理是将加热到一定温度的原料海水依次 引入若干个压力逐渐降低的闪蒸室，由于闪蒸室中的压力控制在低于热海水温度 所对应的饱和蒸汽压的条件下，热的原料海水进入闪蒸室后迅速逐级汽化，蒸汽 冷凝得到淡水。同时盐水的浓度也逐级增加，温度逐级降低，直到其温度接近天 然海水温度。 多级闪蒸的加热和蒸发过程分离，在传热面上蒸发被抑制，盐分不易在传热 面上发生局部沉积而形成锅垢，通过人为的防垢措施，使得其淡化过程结构倾向 比一般多效蒸馏小。其运行安全性高，操作弹性大，适合大型和超大型的淡化生 产规模。缺点是盐水循环量大，运行费用高【1 1 。中东地区由于能源成本较低，自 2 0 世纪6 0 年代初在该地区开始实现大规模工业化生产以来，一直是各中东国家 的首选技术。 3 ) 压汽蒸馏法( v c ) 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 ) 是根据气体被压缩时的温度 升高的特性，将蒸发器中的二次蒸汽通过绝热压缩，提高其压力、温度及比焓后 再送回蒸发器的加热室，作为加热蒸汽使用，蒸发器内的海水继续蒸发，而蒸汽 冷凝为水，使蒸汽的潜热得到反复利用。从热力学观点来看，多效蒸馏的热功效 率很低，而压汽蒸馏只依靠压缩蒸汽所产生的热而不需要另外供给加热蒸汽即可 进行蒸发操作，同时利用换热器使待处理的物料充分回收冷凝水和浓缩盐水的热 量，使热功效率大大提高9 1 。 压汽蒸馏可分为机械压缩( m v c ) 和热压缩( t v c ) 。机械压缩是用压缩机 吸引二次蒸汽，一般适用于中小规模，日产淡水几百吨级。热力压缩是用蒸汽喷 射器吸引二次蒸汽，达到低压蒸汽的反复利用的目的，多用于大中型规模，日产 淡水可达千吨级。 ， 在多数情况下，压汽蒸馏同太阳能蒸馏一样，是与多效蒸馏过程相结合使用 的。 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 4 ) 反渗透法( r o ) 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 是利用反渗透膜将海水与淡水隔开，在海水 侧施加大于海水渗透压的外压，将海水中的纯水反渗透至淡水中。与传统的蒸馏 法相比，该过程没有相变发生。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的 最低能耗仅约为o 7 k w + h m 3 【1 1 。从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。但受 高压操作和反渗透膜性能的限制，目前单个淡化装置产能不能太大，原料水浓度 不宜过高，另外对结垢、污染、p h 值和氧化剂的控制要求严格。 反渗透法目前应用于海水和苦成水淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理， 饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液的处理和浓缩，以及废水处理等。目 前，反渗透法是海水淡化的主要方法，总能耗已经下降到3 k w h m 3 左右，淡化 成本下降到o 5 5 美元吨以下。 5 ) 电渗析法( e d ) 电渗析法( e d ) 以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除 水中离子的淡化过程。但为了防止因浓度差而引起的膜面结垢，采用频繁的自动 倒换电极极性的电渗析，被称为频繁倒极电渗析( e d r ) 。e d 和e d r 主要用于 淡化苦成水。 有专家认为，今后m s f , r o 和m e d 将决定海水淡化的未来，这是近5 0 年 发展得出的结论【9 】。 1 2 3 现阶段海水淡化存在的问题 应该指出，现存的主流的海水淡化技术都需要消耗大量的燃料或者电力为代 价。随着化石燃料的日益短缺，这些方法对能源的依赖会极大的提高海水淡化的 成本，而成本正是目前制约海水淡化的主要因素。以大量化石燃料资源的消耗换 取淡水，会加速全球变暖。另外，淡化产生的浓缩盐水如果直接排放，势必会对 海洋的生态环境造成影响，这种代价无法估量。 6 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 1 3 海水淡化的发展概况 1 3 1 国际海水淡化技术现状 根据国际脱盐协会( i d a ) 的统计数据，截止2 0 0 5 年底，全世界共有约1 2 3 0 0 个淡化工程，日产淡水总量为4 7 1 0 7 m 3 。这个数据比1 9 9 0 年的日产1 3 1 0 7 i n 3 增加了3 6 倍。海水淡化技术已解决了1 亿多人口的供水问题【3 1 。 多级闪蒸( m s f ) 、低温多效蒸馏( l t - m e d ) 和反渗透( r o ) 是当今海水 淡化三大主流技术f 1 0 1 。 在几种主要的海水淡化方法中，多级闪蒸海水淡化的产量在全世界的比例最 大，而且单机装置也最大。其设备的形式适合于大型化，适用于日产2 1 0 7 埏 以上的大型和超大型海水淡化规模，现有单机最大产量达9 1 0 7 k e d a 。目前在世 界上最大的多级闪蒸海水淡化工程位于沙特阿拉伯的吉达市s h u a i b a 开发区，日 产淡水4 5 4 万吨，在建后续工程设计规模达8 8 1 0 7 k g d 。f , , - j 蒸法一般都和电站 联合建设，对于水电联产的大型蒸馏淡化而言，选择多级闪蒸的经济性和技术安 全性都优于低温多效。与其他蒸馏方法相比，多级闪蒸的结垢倾向最小，操作维 护容易，海水预处理要求也最低，技术安全度是目前所有海水淡化技术中最高的。 截止2 0 0 3 年统计表明，在海水及苦成水淡化领域，多级闪蒸技术占4 3 5 ，若 仅以海水淡化而言，多级闪蒸占6 6 3 f 2 。 、 低温多效蒸馏作为多效蒸馏的一种改进技术，其操作温度低，极大的避免和 减缓了设备的腐蚀和结垢，可充分的利用工业废热及低品位蒸汽作为理想的热 源，大大的减轻抽取背压蒸汽对电厂发电的影响。相对于多级闪蒸而言，进料海 水的预处理工艺简单，操作弹性更大，动力消耗较低，系统热效率高，操作安全 可靠。很适合于各种形式的低位热源相结合 9 1 。2 0 世纪8 0 年代以后，低温多效 海水淡化技术发展迅速，2 0 0 0 年新增产量达到3 5 1 0 7 k g d 。- 9 多级闪蒸相比， 二者的装机容量差距正在逐渐缩小，到1 9 8 5 年二者的年装机容量基本相当。在 此之后更多的海水淡化装置采用了低温多效蒸馏技术，而且海水淡化工程的年装 机数量也逐渐发展到多级闪蒸的2 3 倍【2 】。目前世界上最大的低温多效蒸馏海水 淡化工程是位于阿联酋的a 1t a w e e l a h 海水淡化厂，日产淡水2 4 万吨【l l 】。 反渗透是一种高效节能技术，在海水和苦成水淡化、纯水和超纯水的制备、 7 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 工业用水处理、饮用水净化等领域有着广泛的应用。目前反渗透淡化装置的淡水 产量比例已由2 0 世纪7 0 年代的5 上升至4 5 。市场占有率也超过了其他方法， 成为全世界研究的热点方法之一。由于不断的改进能量回收技术，反渗透海水淡 化的能耗已从4 0 年前的2 6 4 k w l l 矗下降到4 k w h m 3 以下，并有可能进一步下 降到3 k w m m 3 。目前世界上最大的反渗透海水淡化工程是位于以色列南部地中 海岸工业区的阿什凯隆海水淡化厂，日产淡水3 3 万吨。目前反渗透在海水淡化， 尤其是苦成水淡化方面有着广泛的应用。 表1 1 是三种主要的海水淡化工艺的若干关键技术参数比较。低温多效蒸馏 在低品位热能利用，与发电结合和要求产水含盐较低的情况下，有一定的竞争力。 反渗透法对于水质要求不很高的情况下，可以作为首选技术。 表1 1 三种主要的海水淡化工艺关键技术参数对比【1 2 】 总体而言，国外海水淡化呈现技术成熟，产业化水平较高，规模大型化，成 本日趋合理，政府引导结合市场化运作的特点。 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 1 3 2 国内海水淡化技术现状 我国的进行海水淡化研究和开发有五十余年的时间，1 9 5 8 年开始电渗析的研 究，1 9 6 5 年开始反渗透和蒸馏的研究，是世界上起步较早，且是世界上少数几 个掌握海水淡化先进技术的国家之一。海水利用技术基本成熟，具备产业化发展 的条件，在反渗透法、蒸馏法( 热法) 等主流海水淡化关键技术方面均取得重大 突破，完成了自主知识产权的3 0 0 0 m 3 d 的低温多效海水淡化工程和5 0 0 0 m 3 d 的 反渗透海水淡化工程，并正在进行日产万吨级示范【1 4 1 。截止2 0 0 6 年6 月，我国 已建成运行的淡化工程4 1 个，总产量约为1 2 1 0 7 k g d ，仅占世界总日产量的 o 3 ，吨水的成本约为5 元左右。 在反渗透方面，1 9 9 7 年舟山嵊山岛引进国外膜组件建成5 0 0 m 3 d 的海水反渗 透淡化示范站，而后陆续在山东长岛、浙江嵊泗建成了5 0 0 m 3 d 反渗透海水淡化 示范工程。2 0 0 3 年国家发改委高技术产业化项目“山东荣成日产1 0 0 0 0 吨级反 渗透海水淡化示范工程”一期5 0 0 0 m 3 d 机组在荣成市石岛建成投产，目前海水 反渗透淡化装置有3 5 套，能耗约为4 k w 。h m s ，总淡水产量约8 1 1 0 7 k g d ，约 占现有总淡化产量的6 8 t 1 3 】。在拟建的海水淡化工程项目中也多数采用反渗透 法。 在蒸馏方面，1 9 8 7 年大港电厂引进美国两套日产3 0 0 0 吨的多级闪蒸装置。 2 0 0 4 年设计制造了日产3 0 0 0 吨的低温多效蒸馏装置，并于山东黄岛电厂进行调 试。目前热法的海水淡化装置规模小，也没有长期工程经验，与国外先进国家存 在较大差距。其中，低温多效装置4 套，日产淡水3 3 万吨，占现有淡化总产量 的2 7 。 在已建成投产的海水淡化装置中，反渗透法和低温多效蒸馏法的产水量合计 占了总产水量的9 5 ，其他方法的产水量加起来仅占总产水量的5 。其中，以 多级闪蒸法( m s f ) 约占5 ，而电渗析法( e d ) 和压汽蒸馏( v c ) 的产水量很小。反 渗透海水淡化技术应用于市政供水具有较大优势，用于市政供水的海水淡化系统 基本采用了反渗透技术。然而，对于要求提供锅炉3 1 、给水和工艺纯水，且有低品 位蒸汽或余热可利用的电力、石化等行业，低温多效蒸馏技术仍具有一定的竞争 性【1 3 l 。 表2 为我国几个大型海水淡化厂投资及成本情况。随着我国陆续掌握各项自 o 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 主知识产权的海水淡化技术，海水淡化的投资和运行成本大幅下降。反渗透海水 淡化的单位投资为5 0 0 0 , - , 6 0 0 0 元i i l 王d ，综合成本为4 5 5 5 元m 3 ，蒸馏法海水淡 化的单位投资一般为7 0 0 0 1 2 0 0 0 元m 王d ，综合成本为5 7 元1 1 1 3 【1 3 1 。 表1 2 我国几个海水淡化厂投资及成本 总体而言，国内的海水淡化技术日趋成熟，应用规模逐步扩大，关键技术和 配套装置已有一定基础，但也存在淡水日产量低，规模小，成本相对于传统取水 方式依然偏高等不利因素。 1 3 3 海水淡化发展趋势 当今世界海水淡化主要趋向大型化、水电联产、热膜联产等多种技术集成化 是海水淡化技术主要发展趋势。 多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机淡水产量，降 低单位电力消耗，提高传热效率等。低温多效蒸馏技术由于更加节能，发展迅速， 主要发展趋势为提高装置单机淡水产量，采用廉价材料以降低工程造价，适度提 高操作温度，提高传热效率等。反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行 成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜操作压力，提高反渗透系统回收率， 开发廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等【1 2 】。 由于目前蒸馏法海水淡化工程都是依托火电厂建设的，海水淡化技术的成本 很大程度上取决于电力和蒸汽的成本，建设一体化电水厂，实现水电联产是目前 大型海水淡化工程的主要建设模式。热法和膜法作为海水淡化的主流技术，实现 热膜联产，利用热法淡化装置的冷却水作为膜法淡化装置的原料水，以降低造水 l o 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 成本。目前世界上最大的热膜联产海水淡化工程是位于阿联酋的富查伊拉海水淡 化厂，采用m s f r o 模式，日产淡水4 5 4 万吨，其中多级闪蒸产水2 8 4 1 0 7 k g d ， 反渗透产水1 7x1 0 7 k g d ，发电量6 5 6 m w l 2 1 。 海水淡化是当今世界竞相研究的高新技术，美国、法国、日本、以色列等国 的技术先进，已形成成熟的海水淡化产业。然而海水淡化是一种能源密集型产业， 需要以较高能耗来实现溶盐从海水中脱离。目前使用比较广泛的海水淡化能源是 常规能源，主要包括煤、石油和天然气等。大量的消耗常规能源一方面会排放温 室气体，加剧环境污染，另一方面这些能源已呈现匮乏的局面。前面已经指出， 以目前能耗最小的反渗透为例，海水反渗透本体能耗在3 k w h m 3 ( 淡水) ，这意 味着每生产一吨淡水，需要消耗l k g 的燃油，要产生多达2 k g 的二氧化碳，并且 淡化所产生的高浓度的盐水如果直接排放势必会对海洋生态的造成无法预知的 影响。因此降低海水淡化过程的能耗，对现有技术进行集成和优化，对资源进行 最合理的配置，以提高能源的利用效率，实现淡化过程的零排放是海水淡化产业 可持续发展的一个重要途径。 海水淡化方法的集成大致可以分为三种形式：一是海水淡化方法本身及方法 间的集成，二是能源与海水淡化的集成，三是发电海水淡化综合利用的深度集 成 2 1 。 海水淡化方法间的集成的目的是提高热、电的利用率，降低成本。可以有热 法与热法的集成，如m s f m e d ，m s f v c ；膜法与膜法的集成，如r o e d ；膜法 与热法的集成，如r o m s f , r o m e d ；预处理方法与海水淡化技术的集成。目 前研究最多并在实际生产中运用的是膜法与热法集成中的反渗透和多级闪蒸( 低 温多效) 的组合。而预处理方法与海水淡化技术的集成具备较大的应用前景。 能源与海水淡化的集成主要包括火力发电、太阳能、核能与多级闪蒸、多效 蒸馏、反渗透或电渗析的集成。其目的是合理利用余热( 尤其是低品位能源) 和 剩余电力，达到能量合理利用。 发电海水淡化综合利用的深度集成涉及淡化过程中产生的含盐分水的利 用、海水淡化与制盐及盐化工生产联产的优化等，以达到合理配置资源优化项目 方案的目的。 目前国际上已经实现的海水淡化成本已达0 6 美元吨，其是基于能源与海水 多效鼓泡蒸发式太阳能海水淡化技术研究 淡化集成的“水电一体化”技术，通过技术集成可以真正实现海水淡化生产的大 型化、优化和节约化【2 】o 1 4 增湿去湿海水淡化技术研究现状 1 4 1 基本概况 前面已经指出，目前大规模工业应用的淡化方法主要是m s f , m e d 以及 r o 。但经验表明，这几种方法的产水成本与工厂规模密切相关，它们是解决沿 海地区缺水问题的有效办法，非常适合于大规模集中供水，但对于小规模利用低 位热能( 太阳能、地热以及工厂废热等) 却不方便，利用成本高，效率低。与此同 时，对于一些沿海岛屿和偏远苦成水地区来说，它们的淡水需求相对分散，常常 既缺水又缺电，因此迫切需要能够利用低位热能的中小型淡化技术和装置。在这 种情况下，增湿去湿( 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 ) 淡化过程逐渐受到人们的 关注【2 1 。 增湿去湿淡化方法由传统的太阳能蒸馏淡化发展而来。普通的太阳能蒸馏 器的热效率通常在5 0 左右。这主要是因为太阳能蒸馏器的蒸发与冷凝过程在同 一空间内进