（环境工程专业论文）一种新型太阳能海水淡化装置的研究.pdf

上海大学学位论文 摘要 众所周知，我国人口多，淡水资源短缺。海水淡化是解决淡水资源短缺的一 种有效途径。太阳能增湿去湿淡化技术是最具发展前景的一种太阳能海水淡化 工艺之一，尤其在需水量较分散、太阳能丰富地区。其优点有：装置容量灵活性 强、安装成本和运行费用温和、构造简易、可使用废热或太阳能等低品位热源。 本文提出了一种基于直接接触冷凝机制的新型太阳能增湿去湿海水淡化 技术，并利用模拟热源对该装置进行了实验研究。为了提高装置的传热传质速 率和节省冷却水用量，不仅在蒸发室与冷凝室之间设置了轴流风机，并将直接 喷淋冷凝器应用于冷凝室中来冷凝水蒸汽；系统利用冷凝淡水经制冷机冷却后 作为喷淋冷却水来节省冷却水用量； 本文主要对以下几个方面进行了研究： 一、建立了传统冷却方式和直接喷淋冷却式太阳能海水淡化装置的实验室小 试系统。确定了实验系统的工艺流程及实验步骤；对实验所涉及到的料液特性参 数及其应用条件进行了选定；建立了数据处理系统，得出相应的数据预处理和分 析方法。 二、对传统冷凝和直接喷淋冷凝为基础的两套海水淡化装置进行了实验研 究，研究表明：喷淋方式和传统冷凝方式下，降低冷却水温度，有利于提高产 水率；采用轴流风机和直接喷淋冷凝方式，不仅提高了湿空气流量而且使系统 内的传热传质过程得到强化，因而系统具有较高的产水率。轴流风机转速分别 在2 0 0 0 r p m 和1 5 0 0 r p m 左右，淡水产量取得最佳值。喷淋冷却方式平均淡水产 量比传统冷凝方式产水率要提高3 9 5 。传统冷凝方式下，单纯改变冷却水流 量，淡水产率出现波动，只有少量的增加。喷淋冷凝方式下，当喷淋流量为0 到2 0 0l _ h 之间，产水率随喷淋流量的提高而成j 下明显相关关系，当喷淋流量超 过2 0 0i h 时，喷淋流量的提高对产水率的影响较小。 三、建立了直接喷淋冷却式海水淡化装置的物理模型和数学模型；并采用 v b 2 0 0 5 语言编程，实现了分析程序的可视化；分析了轴流风机转速、喷淋流量 及喷淋冷却水温度对系统的影响。 上海大学学位论文 四、基于实验和模拟研究，以小型家用日产淡水1 8 l 的装置为例，探讨了直 接喷淋冷却式海水淡化系统的工艺设计过程并给出了设计要点。对提高装置工作 性能的方法进行了归纳总结。 关键词：海水淡化太阳能直接喷淋冷凝产水率v b 2 0 0 5 编程工艺设 计要点 上海人学学位论文 a b s t r a c t a sw ea l lk n o w , c h i n ai sap o p u l o u sc o u n t r y , a n ds h o r to ff r e s hw a t e rr e s o u r c e s s e aw a t e rd e s a l i n a t i o ni sa l le f f e c t i v ew a yt oo b t a i n 舶s hw a t e r t h eh 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 nt e c h n i q u eu s i n gs o l a re n e r g yi so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gs o l a rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o np r o c e s s e se s p e c i a l l yw h e nt h ew a t e rd e m a n di s d e c e n t r a l i z e da n dw h e r es o l a re n e r g yi sa b u n d a n t t h i sp r o c e s sp r e s e n t ss e v e r a l a d v a n t a g e ss u c ha sf l e x i b i l i t yi nc a p a c i t y , m o d e r a t ei n s t a l l a t i o na n do p e r a t i n gc o s t s ， s i m p l i c i t y ，p o s s i b i l i t yo fu s i n gl o wg r a d ee n e r g y ( w a s t eh e a ta n ds o l a re n e r g ye t c ) an e wt y p eo fs o l a rh 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 ns e a w a t e rd e s a l i n a t i o nu n i t b a s e do nd i r e c tc o n t a c tc o n d e n s a t i o nw a sd e v e l o p e da n dt e s t e di n d o o r si nt h i sw o r k i no r d e rt oi n c r e a s i n gt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rr a t ea n do v e r c o m et h ep h e n o m e n ao f w a s t i n gc o n d e n s e dw a t e r , n o t o n l y a na x i a l f l o wf a nb e t w e e ne v a p o r a t o ra n d c o n d e n s e rw a su s e di nt h i su n i tb u ta l s oav e r ye f f e c t i v es p r a y - c o o l i n gt y p eo f c o n d e n s e rw a sa p p l i e df o rc o n d e n s i n gw a t e rv a p o r t h ea m o u n to f c o o l i n gw a t e rw a s s a v e db e c a u s eo fu s i n gf r e s h w a t e rc o o l e db yr e f r i g e r a t o ra ss p r a y - c o o l i n gw a t e r t h em a i n w o r ko fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s ht h ec o n v e n t i o n a la n dd i r e c ts p r a y - c o o l i n gt y p eo fs o l a rs e a w a t e r d e s a l i n a t i o ns y s t e m d e t e r m i n et h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n de x p e r i m e n t a ls t e p so f t h ed i r e c ts p r a y - c o o l i n gt y p eo fs o l a rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o n s e l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fm a t e r i a l sa n di t sa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s i n v o l v e di n e x p e r i m e n t e s t a b l i s had a t ap r o c e s s i n gs y s t e ma n do b t a i nt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so fd a t a p r e t r e a t m e n ta n dd a t aa n a l y s i s ( 2 ) s t u d yt h e t w od i f f e r e n tu n i t sb a s e do nc o n v e n t i o n a la n dd i r e c t s p r a y c o o l i n gt y p eo fc o n d e n s e r 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 ef r e s h w a t e r y i e l do ft h et w ou n i ti n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo fc o o l i n gw a t e r st e m p e r a t u r e n o t o n l yt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra r eg r e a t l yi m p r o v e dd u et ou t i l i z a t i o no fd i r e c t s p r a y - c o o l i n gt y p eo fc o n d e n s a t i o n ，b u ta l s ot h ea i rf l o wi si n c r e a s e dd u et ot h e 上海人学学位论文 u t i l i z a t i o no fa l la x i a l f l o wf a nb e t w e e ne v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r t h eo p t i m a l s p e e dr a t eo fa x i a l f l o wf a ni n t w od i f f e r e n tu n i t si s15 0 0 r p ma n d2 0 0 0 r p m r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o w e dt h a ts p r a y - c o o l i n gt y p eo f c o n d e n s e rh a dm o r et h a n3 9 5 h i g h e rm e a nf r e s h w a t e ry i e l di nc o m p a r i s o nw i t h t h ec o n v e n t i o n a lc o n d e n s e ru n d e rt h es a m es u p p l i e de n e r g y f r e s h w a t e ry i e l do ft h e u n i tb a s e do nc o n v e n t i o n a lc o n d e n s e ri n c r e a s e sal i t t l ea n df l u c t u a t e si fo n l yt h e c o o l i n gw a t e r sf l o wr a t ei sc h a n g e d i m p r o v e m e n to ft h ef r e s h w a t e ry i e l do ft h eu n i t ， w h i c hb a s e do nd i r e c ts p r a y - c o o l i n gc o n d e n s e r , b ys p r a yc o o l i n gw a t e rf l o wr a t e r a n g e df r o m0t o2 0 0l h 。i sa sm u c ha st h es u p e rl i n e a r w h e nt h ef l o wr a t ei so v e r 2 0 0 l 。h - 1 ，t h es p r a yc o o l i n gw a t e rf l o wr a t eh a sl i t t l ee f f e c to nt h ef r e s h w a t e ry i e l d ( 3 ) e s t a b l i s ht h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed i r e c ts p r a y - c o o l i n g t y p eo fd e s a l i n a t i o na p p a r a t u s ；r e a l i z ea n a l y s i sp r o g r a mv i s u a l i z a t i o nb yu s i n g v i s u a lb a s i c2 0 0 5p r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fa x i a l f l o wf a n s r o t a t i o ns p e e d ，s p r a y - c o o l i n gw a t e r sf l o wr a t e s ，a n dc o o l i n gw a t e r st e m p e r a t u r ei s s h o w no nt h es y s t e m ( 4 ) w i t ha l lo v e r18 l di n s t a l l a t i o na sa l le x a m p l e ，t h ed e s i g np r o c e s sf o rt h e d e s a l i n a t i o ns y s t e mb yd i r e c ts p r a y - c o o l i n gt y p eo fs o l a rs e a w a t e rp r o c e s sw a s d e v e l o p e d k e yw o r d s ：s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n ；s o l a re n e r g y ；d i r e c ts p r a y c o o l i n gc o n d e n s a t i o n ； f r e s h w a t e ry i e l d ；v b 2 0 0 5p r o g r a m m i n g ；d e s i g np r o c e s s 上海大学学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：牺誊日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：7 面天词 导师签名：弛日期：逻盟：堕! 乡 l 海大学学位论文 *士 刖舌 淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一。水对社会经济而言也不 可或缺，其价值正在迅速上升。甚至有人说，二十一世纪的淡水就如同二十世 纪的石油一样，是决定一个国家富裕程度的珍贵商品。 我国是一个区域性水资源短缺和生态系统较为脆弱的国家，淡水资源形势 十分严峻，淡水资源人均占有量是世界人均占有量的2 8 1 ，城市每年缺水 6 x 1 0 9 m 3 ，全国有6 0 0 0 万人口常年饮水困难。我国沿海地区虽占国土面积的 1 3 ，却居住着全国4 0 的人口，提供6 0 以上的国内生产总值，但是这些岛 屿和沿海盐碱地区以及内陆苦咸水地区均属缺水地区，缺水问题已严重影响到 国民经济的发展和人民生活的质量。 随着全球经济的快速发展，人类对水资源的需求同益扩大，而水资源的不 足、时空分布的不均，加上超限度的开采、无节制的浪费、随意的污染以及管 理不善等，使本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，所以为了经济的可持续发 展，对水资源问题的解决是势在必行的。 为了增大淡水的供应，解决局部地区的缺水问题，有如异地调水、废水回用、 加强水资源管理等多。但运用现代技术规模开辟新的水源，更有利的途径就是就 近进行海水或苦咸水的淡化【l 】，在许多沿海地区和边远的内陆就近用海水或苦咸 水制取淡水要比从远处运输方便而且经济得多。海水淡化已在我国的一些地区开 始应用，表明其对沿海地区和岛屿缺水问题是一重要手段，在许多情况下是最佳 的选择【2 j 。节约和保护水资源，这不是解决水问题的唯一出路，海水淡化可望成为 一个新的选择。海水和苦咸水处理作为一种能有效缓解供水压力得现代技术，近 年来已成为广大科学家关注得的热门课题。 海水或苦咸水淡化的方法很多，但是以热法当中多级闪蒸和膜法当中的反渗 透发展较迅速，大规模工业应用成熟，它们为适合集中供水的沿海地区的缺水问 题提供了有效的解决办法，也取得了很大成就。 但是在很多情况下，缺水集体或单位分布比较分散，同时用水量也不大，如 内陆干旱或边远地区、海岛、鱼村、以及常年在船上作业的人员等，上述主要淡 一1 - 海人学学位论文 化方法目前对于小规模利用太阳能等地位热能都不太方便，利用成本高，且效率 较低。我国大陆沿海有6 5 0 0 多个岛屿，许多岛屿由于陆域面积狭窄，集雨面积 有限，载水条件差，地表径流大都直接入海，因而淡水资源匮乏，严重制约了海 岛的开发利用。而我国一些地区基础设施薄弱，常常缺水缺电，因此研究开发利 用太阳能等低品位热能的中小型淡化技术和装置是当前十分迫切的任务。 增湿一去湿淡化技术是一种新的海水或苦咸水淡化技术，其原理与传统蒸馏 法和反渗透法都不同。普通的增湿一去湿淡化工艺是在太阳能蒸馏器的基础上发 展而来的，它将蒸发设备与冷凝设备分离，分别控制各自的温度，在蒸发设备中 用盐水增湿空气，在冷凝设备中使湿空气冷凝去湿得到淡水。克服了提高蒸发温 度的同时又要降低冷凝温度的矛盾。如z l 9 8 2 3 2 6 1 7 3 1 3 】采用一种纸蜂窝结构蒸发 设备为核心部件，与另外一个冷凝设备和其他辅助设备组成了一套增湿一去湿淡 化系统。 本文的主要工作如下：在综合分析已有文献给出的多种太阳能海水淡化装 置的优缺点后，基于直接接触冷凝机制，提出以直接喷淋冷凝方式来强化冷凝 效率，设计了一套直接喷淋冷却式海水淡化装置，并对该装置进行小型流程实 验，系统掌握增湿一去湿淡化过程的运行规律；在初步女验的基础上进行必要 的过程强化研究；深入分析该过程的传递机理，建立描述过程的数学模型和传 热与传质系数的计算方法；进行增湿一去湿淡化过程的数学模拟研究，在实验 的基础上深化和拓展对过程的认识和把握；根据实验与模拟研究结果，通过实 例提出过程设计的建议，为太阳能海水淡化设备研制与现场试验打下基础。 本课题组与太阳能海水淡化技术相关的研究专题还有“高效太阳能集热器 的研制”，目前也在平行开展当中。通过本文工作与此专题研究的进行，将基本 解决太阳海水淡化技术的基础理论与应用问题。 【= 海大学学位论文 第一章综述 众所周知，我国是水资源短缺国家。中国工程院2 0 0 0 年7 月提出的“2 1 世 纪中国可持续发展水资源战略研究”报告指出，到2 0 1 0 年中国缺水量将达到 10 0 0 亿立方米，至2 0 3 0 年，缺水量仍将高于这一数值【4 1 。现代海水淡化技术尽管 已经有半个世纪的发展历史，而且在全球范围内取得了巨大成功，但人们认为对 于某些关键技术，包括新的廉价能源技术及新淡化技术等提出了更高的要求。本 章将就海水淡化和增湿一去湿淡化技术的研究与发展予以介绍和评述。 1 1 海水淡化技术概述 1 1 1 淡水资源的短缺与解决方案 在经济r 益发展的今天，全世界大部分国家都面临着淡水资源短缺这一共 同问题。我国淡水资源总量名列世界第六，人均水资源占有量相当于世界人均水 平的1 4 ，被列为世界上1 3 个贫水国之一【5 1 。用水紧缺成为困扰我国北方和西部 等许多城市发展的瓶颈之一，像上海这样位于江南的水乡城市也由于环境污染 成为水质型缺水城市。我国经济要持续发展，解决淡水资源紧张问题迫在眉睫。 解决局部地区的缺水问题，有异地调水、废水回用、加强水资源管理等多种 方法。但运用现代技术规模开辟新的水源，则首推海水淡化【l 】。用海水淡化技术 向大海要淡水，满足沿海城镇和岛屿对淡水的需求或紧急需求，是可行的，在许 多情况下是经济的。目前我国已经具备了日产万吨的海水淡化的过程能力，海水 淡化已在我国的一些地区应用多年，技术经济指标达同等容量的世界先进水平。 表明海水淡化能解决沿海地区和岛屿缺水问题，也是解决城市紧急用水补充问题 的重要手段，在许多情况下是最佳的选择。海水淡化技术已经在全球1 3 0 多个国 家推广应用，r 产淡水约4 千力吨，供养人口超过了1 个亿人【6 】。海水淡化在我 国有3 0 多年的历史，近期开始取得跨越性的大发展。目前，为了扩大我国生产、 生活中的淡水供给，更为了扩大自然水系蓄水量，美化生态环境，我国各地政府 和企业f 把海水淡化作为一个很大的产! 比来发展【7 1 。因此节约和保护水资源，这 i ：海大学学位论文 不是解决水问题的唯一出路，海水淡化将成为我国解决2 1 世纪淡水危机的必然 选择。 1 1 2 海水淡化技术的优势及其重要性 1 ) 海水淡化技术的优势 根据海水淡化技术的特点、规模以及世界各国的应用情况，海水淡化与远程 调水相比具有投资相对小，建设周期短的优势，可以快速见效8 1 。 海水淡化成本不断下降，相对于我国缺水解决方案“南水北调”，海水淡化已 具成本优势。 利用海水淡化技术的供水能力在许多领域，主要是工业领域，已经具有明 显优势。 产水水质不受地理位置、环境状态、气候条件以及社会等因素的影响，产水 率相对较稳定。 浓盐水综合利用生产各种化上及人民生活必需的副产品，以及低品位热能 利用于海水淡化如热电联产造水等可降低淡水成本，因此可以产生较好的综合 经济效益。 4 0 3 5 3 0 富2 5 e = 长 涩1 5 钆 划1 0 5 o 1 9 6 81 9 7 11 9 7 41 9 7 71 9 8 01 9 8 31 9 8 61 9 8 9 1 9 9 21 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 4 年份 图l l 世界海水淡化资源累积生产能力随年份变化曲线 2 ) 海水淡化技术的重要性 在过去四五十年，海水淡化技术在国内外取得了突破性进展，并付诸于工程 4 上海大学学位论文 应用。自从多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s h ，m s f ) 商业应用以来，海水淡化技术发展 十分迅速。图1 1 为世界海水淡化资源累积生产能力随年份变化曲线【6 9 1 。另有 专家预测，今后十年( 2 0 0 5 2 0 1 5 ) 世界淡化装置的生产能力将会新增3 1 0 0 万吨 厌【7 10 1 ，见表1 1 。 随着日益严重的水资源短缺和常规供水处理费用的提高，随着经济的迅速 发展和人民生活水平的不断提高，随着海水淡化技术的进步和发展，海水淡化 己经成为解决海岛居民生活用水的第一水源，即将成为调水困难的沿海城市的 重要补充水源和应急水源，也将成为解决水资源危机各项措施的有效补充。其 在水资源领域中的作用会越来越大，地位会变得越来越重要，前景十分广洲。 表1 1 我国海水和苦咸水淡化需求预测( 1 0 4 m ) 海水淡化 苦咸水淡化 4 0 一5 07 0 1 0 018 0 一2 0 0 1 5 0 一1 8 02 3 0 一2 5 02 8 0 3 0 0 1 1 3 海水淡化中的一般方法 ， 、 i 脱盐过程l 、一一 一l - 一一 图l 一2 海水淡化主要方法示意图 一l - 海大学学位论文 海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程，是分离海水中盐和水的过程。 如图l 一2 所示，海水淡化的方法主要有热法、膜法和化学方法三大类。其中热 法海水淡化技术主要有蒸馏法和结晶法，前者主要包括多级闪蒸、多效蒸馏和 压气蒸馏等方法，后者则包括冷冻法和水合物法。膜法的海水淡化技术主要包 括了反渗透和电渗析。化学方法主要有离子交换法，但由于成本较高，应用受 到一定的限制。目前主要的海水淡化方法有多级c j j 蒸( m s f ) 、多效蒸馏( m e d ) 、 反渗透( r o ) 、电渗析压( e d ) 等【1 2 】。 1 ) 多级c j j 蒸 多级闪蒸是五十年代末发展起来迄今应用最广、规模最大、成熟度最高的 海水淡化技术。其工作原理：将原料水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪 蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水 进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分汽化，从而使盐水自身的温度降低， 所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础，热盐水 依次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，得到淡水，同时盐水 浓度也逐渐增加。图1 3 为三级闪蒸淡化原理示意图。 蒸汽高压蒸汽 海水 冷凝水 图1 3 多级闪蒸淡化原理示意图 淡水 m s f 在过去2 0 多年的时间罩，造水比一直保持在8 左右 1 3 】。自2 0 世纪6 0 6 上海大学学位论文 年代出现直到2 0 0 0 年前后，m s f 一直主宰着世界淡化市场。此方法的特点是 加热与蒸发工程分离，因而大大减小了传热面上的结垢，设备构造较简单，特 别适合于大规模生产。这些优点使得多级闪蒸一经问世就迅速得到应用和发展。 多级闪蒸工艺也有其自身的缺陷，盐水循环量大、热效率较低和运行费用较高。 目前多级闪蒸主要在海湾国家采用，适合于大型和超大型淡化装置。日产 6 x 1 0 4 m 3 的单机已经投入商业运行，日产9 x 1 0 4 m 3 的单机正在设计当中。 2 ) 多效蒸馏 所谓的低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于7 0 的淡化技 术，其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入 通过多次的蒸发和冷凝，后一效的蒸发温度均低于前一效，从而得到多倍于蒸汽 量的蒸馏水的淡化过程。 l 震冷 中一连辩曩避曩 图l 一4 低温多效蒸馏淡化原理示意图 + 不气 一囊木 一雠 矬 舟却| 【 与多级闪蒸相比，多效蒸馏有许多优点【l5 1 。 ( 1 ) 多效蒸馏的传热过程是沸腾和冷凝换热，是双侧相变传热，因此传热系 数很高。对于相同的温度范围，多效蒸馏所用的传热面积要比多级闪蒸少。 ( 2 ) 多效蒸馏的动力消耗少。由于多级闪蒸产生淡水依赖的是海水吸收的显 热，而潜热远大于显热，因此生产同样多的淡化，多级闪蒸需要的循环量比多效 蒸馏大出很多，所以多级闪蒸需要更多的动力消耗。 ( 3 ) 多效蒸馏的操作弹性很大，负荷范围从11 0 到4 0 ，皆可正常操作，而 上海人学学位论文 且不会使造水比下降。 多效蒸馏的缺点是：由于料液在加热面上沸腾，同样的温度下容易在传热管 壁上结垢，需要经常清洗和采用严格的防垢措施。目前世界上的m e 淡化装置绝 大多数都是采用低温多效蒸馏( l t - m e n ) 【1 6 1 ，也被许多淡化专家认为是最节能 的淡化方法之一。图1 4 为低温多效蒸馏淡化原理示意图。 3 ) 反渗透 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 是自然界渗透现象的逆过程，也是一种通 用的液体膜分离技术。图l 一5 为反渗透原理示意图。反渗透作为一种压力驱动 的膜分离过程，分离过程无需发生相变，因而能耗较低。加之反渗透膜和能量回 收器的不断发展成熟，反渗透海水淡化技术近二十年来发展势头十分迅猛，已经 取代m s f 成为淡化市场的主导。日本现在采用的方法主要以反渗透为主，现在 淡化水生成能力1 0 0 0 9 6 0 0 t d 1 7 】。反渗透法已经成为欧洲地区的首选技术，反渗 透厂生成能力达到1 0 0 万m 3 d ，使用量居世界之最【1 8 】。 图l 一5 反渗透法原理示意图 ，连通管 反渗透技术在海水淡化领域得到很快发展，但是反渗透技术也存在不足之处 如前处理复杂及膜寿命短等问题。 ( 1 ) 前处理复杂：反渗透淡化工程设计与海水的组分、p h 、温度、及操作压 力等参数密切相关，所以对采用反渗透技术必须对进水进行预处理。 ( 2 ) 出水p h ：我国傅家谟等【1 9 】，对反渗透技术出水水质进行市场调查，结 果表明出水水质p h 值均5 0 6 0 之间，而世界各国对饮水p h 值有严格的规定， 限定其p h 在6 5 8 5 范围内。我国为了规范生活饮用水反渗透处理装置的出水 七海人学学位论文 水质，制定了饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规范一反渗透处理装型2 0 1 ， 自2 0 0 1 年4 月1 日起施行。 ( 3 ) 膜污染和膜清洗【2 1 】：在正常运行一段时间后，反渗透元件受到给水过程 中可能存在悬浮物质、难溶解物质的污染，这些污染物中最常见的为碳酸钙垢、 有机物沉积、生物污染等。膜污染是反渗透膜应用中的最大危害，它不仅缩短膜 使用寿命、增加运行成本，还直接影响膜系统的高效连续运行。对污染的去除需 要通过化学清沈和物理冲洗，有时需要通过改变运行条件来实现。 4 ) 电渗析 电渗析( e d ) 是指以直流电为推动力，利用透过选择性离子交换膜对水溶 液中阴离子、阳离子的选择透过性，使一个水体中的离子通过膜转移到另一个水 体中的分离过程。电渗析器的主要部件有阴、阳离子交换膜、隔板和电极三部分。 一台实用电渗析器由数百个膜对组成。图1 6 为双膜电渗析器原理示意图。 若电渗析器各系统进液都为n a c l 溶液，在通电情况下，淡水的隔室中的n a 离子与c l 离子就分别向阳膜与阴膜迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中的 n a c l 溶液浓度便逐渐降低；而相邻隔室中的n a c i 溶液则相应的逐渐升高，从而 电渗析器中就能不断流出淡化水和浓缩液。 阴 阳腰阴厦 。h ： ( 2 1 ： l h +c i h c l 。c 1 +a 一 阴极室中室阳极室 图l 一6 双膜电渗析器原理 极 当电解质浓度高时，电流要求大，淡化成本也随之越高。电渗析法适用于含 盐量小于2 0 0 0 0 m l 以下海水或苦咸水的淡化2 2 1 。因此e d 适用于苦咸水脱盐制 9 上海大学学位论文 取生活饮用水，自来水或低浓度苦咸水脱盐直接制取低压锅炉给水，或自来水深 度脱盐及e d 加离子交换制取纯水或高纯水【2 3 1 。 表1 2四种主要海水淡化方法的特点及其性能比较 海水淡化土要 主要方法 m s fl t - m e nr o e d 特点及性能比较 主要能源 热能、电能热能、电能电能也能 主要设备投资 稍高较低较低较低 预处理投资 稍高较低稍高稍高 断费用 铡氐蜊氐 ( 罴) 刻氐 操作温度12070 常温常温 典型原水含盐量( p p m 3 0 0 0 0 - 4 5 0 0 03 0 0 0 0 - - 4 5 0 0 03 0 0 0 0 - - 4 5 0 0 03 0 0 0 0 - - 4 5 0 0 0 t d s ) 产品水水质51010500500 ( p p mt d s ) 典型单机产水能力 3 0 0 0 - - 7 0 0 0 03 0 0 0 2 0 0 0 01 2 0 0 0 01 1 0 0 0 0 ( m 3 d ) 当前四种主流的海水淡化技术各有特点和应用场合，在实际的海水淡化工程 中采用什么方法应具体情况具体分析。表1 2 为四种主要海水淡化方法的特点 及其性能比较。海水淡化其他方法还有离子交换法，露点蒸发淡化法，冷冻法等。 1 2 海水淡化的发展趋势 海水淡化技术经过半个多世纪的发展，从技术上讲，已经比较成熟，淡化 规模不断扩大，成本不断降低，已成为解决全球水资源短缺的重要途径。传统 海水淡化自身也在不断发展进步，并出现了若干集成淡化技术和新型淡化技术。 1 2 1 海水淡化总体发展趋势 1 ) 2 0 世纪6 0 年代以前淡化市场的总量很小，主要以m s f 占主导地位；7 0 年代以来的苦咸水反渗透、8 0 年代后期开始膜的软化纳滤( m s n f ) 、以及 1 0 上海人学学位论文 9 0 年代后期崛起的低压膜水处理( 微滤和超滤，m f 肘f ) 等在水处理方面发挥 了巨大作用【2 4 彩】。除了中东国家，美洲、欧洲、和亚洲，大中型生产规模的装 置都以反渗透为首选，我国也是如此。 2 ) 从海水淡化技术进步来看，多级闪蒸( m s f ) 、低温多效( l t m e d ) 和反渗透( r o ) 为海水淡化的三大主流技术。多级c j j 蒸技术成熟、运行稳定。 主要发展趋势在于提高装置单机造水能力，与原子能发电相结合的超大型装置 的开发等。低温多效蒸馏技术由于节能的因素，今年来发展迅速，装置的规模 只益扩大，成本日益降低。主要发展趋势为提高装置单机造水能力，材料设备 研究降低工程造价，与多级闪蒸相结合的开发等。反渗透海水淡化技术发展最 快，工程造价和运行成本持续降低。主要发展趋势为半透膜及膜组件的研究、 新工艺和能量回收的研究等。 3 ) 从海水淡化能耗看，每生产1 升海水淡化水，至少要耗掉5 0 7 7 1 0 3 焦 能量，设淡水密度为1 o g c m 3 ，则理论耗能量1 4 l k w t 【2 6 1 。几种较常见的方 法，如蒸馏法、离子交换法、反渗透法以及冷冻法，都需要消耗大量的燃料和 电力，对环境及生态的影响是毫无疑问的。据相关文献报道，截至1 9 9 0 年，全 世界海水淡化产业生成能力是1 3 1 0 7 m 3 d ，相应的要消耗1 亿3 千万吨原油【2 7 1 。 通过使用清洁的可再生能源( 核能、太阳能、风能等) ；对浓海水综合利用，或 用冷却水和海流携带、污水稀释及海中喷射分散等方法处理；尽力采用新的集 成工艺并深入进行过程优化，使海水淡化的能耗、浓海水排放等对环境和生态等 的影响降到最低。 1 2 2 海水淡化中集成技术的发展 海水是一个极其复杂的低品位体系，这不仅要有单项技术的突破，也应考 虑综合利用。因此，未来的海水利用必将走向集成技术和过程优化。考虑到环 境友好和可持续发展的要求，海水淡化技术的集成与优化必将成为越来越有前 景的突进【2 引。海水淡化方法的集成的目的是充分发挥各方法的优势及合理利用 能量，降低成本获取综合效益。其集成大致有三种形式：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过程的集成；三是“发电一海水淡化一 e 海大学学位论文 综合利用”的深度集成。图l 一7 为替代型能源于海水淡化方法的集成。 图l 一7 替代型能源与海水淡化方法的集成 1 ) 海水淡化方法自身及方法间的集成 海水淡化方法自身的集成如多段多级反渗透或电渗析，可以提高回收率或 提高产水率的目的。日本t o r a y 公司研发的b c s ( b r i n ec o n v e r s i o ns y s t e m ) 系 统的水回收率可达6 0 ，并在西班牙m a s - - p a l o m a s4 5 0 0 v d 的装置上实现商业 化应用。现在世界范围内运行的b c s 系统共有1 2 套【2 9 。0 1 。 近年来，不同淡化技术之间的集成，甚至淡化技术与其他技术的集成开始得 到许多专家的推崇，并引起广泛关注。其中最典型的是m s f 和r o 的集成、纳 滤( n f ) 和m s f 的集成、海水淡化与蓄水层储存和回收技术( a s r ) 的联合应用 等。海水淡化方法间集成目前研究最多并应用于实际生产的是r o 法与m s f ( m e d ) 法的组合【3 1 - 3 2 1 。c r a d o n a 3 3 1 等对m s f 法与r o 法集成淡化系统的节能性 进行了研究，认为将r o 法的盐水排放物作为m s f 法的进水，可以减少预处理 单元的规模，并相应降低了对膜组件的要求。h e l a l 3 4 。6 】等通过对7 个不同的生 产工艺流程进行比较得出：两级r o 法的水生产费用最低，而r o 法与m s f 法 的集成可以获得更好的经济性和操作特性。 2 ) 能源与海水淡化过程的集成 目前海水淡化工业大规模使用的淡化方法中，m s f 、m e 和t v c 主要使用 上海人学学位论文 热能，而m v c 、r o 和e d 则主要使用电能。从源头上看，这些能源主要来自 不可再生的常规能源，主要包括煤、石油、天然气。大量消耗常规能源给环境 污染和生态的可持续发展带来了新的压力。在这种情况下，人们越来越重视替 代型能源在海水淡化中的使用。而从世界能源利用的趋势来看，海水淡化工业 中传统化石燃料的替代型能源主要包括核能、太阳能、风能、地热能、海洋能 以及生物质能等3 7 1 。因此，国内外都在研究新的能源来进行海水淡化，其中利 用核能和太阳能与海水淡化结合技术取得了突破性进展，并付诸于工程应用。 ( 1 ) 核能和淡化的结合 核能作为一种高效、清洁的能源，既可以供热，又可以发电，因而原则上可 以与任何常规的淡化工艺祸合。海水淡化装置可以使用核电站的海水取水、排水 设施，从而降低海水淡化厂的工程造价。由于核电站同时能提供电能和蒸汽，将 蒸馏法与反渗透海水淡化结合起来可以降低反渗透法海水淡化的成本。 f a i b i s h 3 8 j 等将反应堆的热量经多回路隔离后，在m s f 盐水加热器中加热盐 水，或为m e 提供首效加热蒸汽，即可实现与m s f 和m e 的祸合；i b r a h i ms a 1 m u t a z 3 9 1 利用核能发电为r o 提供电能，则可实现与r o 的成功藕合，进一步 的祸合则包括冷却水的利用或进料海水的预热，同时还涉及资金、设施、工作人 员及构筑物等方一面的综合考虑。 在国内，山东省与清华大学共同建设的利用“低温供热核反应堆”与“高温多 效蒸馏淡化工艺”相结合的海水淡化新技术将在烟台建成，其规模将达到年产 5 2 0 0 万吨，投资额1 6 亿，投资强度为l 万元吨淡水天，成本大约为3 7 5 元 屯。 表l 一3 核能海水淡化项目概况 核能海水淡化在一些国家得到实现，尤其在日本核能海水淡化项目较多，表 上海人学学位论文 1 3 是核能海水淡化项目概括【删。 目前核能淡化有待进一步验证的主要是系统的经济性和安全保障以及公众 接受问题。因而，核能淡水在大规模工业化之前，还需要建立一定规模的示范 项目。 ( 2 ) 太阳能和淡化的结合 太阳能是海水淡化最具潜力的廉价能源之一，太阳能蒸馏：其原理是利用太 阳的辐射热能，加热海水进行淡化。最简单的太阳能蒸馏器原理如图1 8 。 图l 一8 直接法太阳能蒸馏器示意图 对于利用太阳能产生热量驱动海水相变过程的海水淡化系统，就其能量利 用方式而言，一般可分为直接法和间接法两大类。如图1 8 所示的太阳能蒸馏 器直接利用太阳能在集热器中进行蒸馏，故成为直接法太阳能蒸馏器。间接法 是先将太阳能集中起来，然后再为其他淡化装置提供能源进行海水淡化的一种 技术。间接法太阳能利用如图l 一1 1 、图1 1 2 和图l 一1 3 。通过太阳能集热器 或太阳能电池可以和r o 、m s f 、m e d 等各种淡化技术结合。 常见的顶棚式太阳能蒸馏器，包括太阳能蒸馏池、瓮式太阳能蒸馏器，主 要有两个不足： ( a ) 海水加热、蒸发和冷凝都在同一密闭的容器内进行，这种结构难以实现 在提高蒸发温度的同时，又能降低冷凝温度； ( b ) 普通的太阳能蒸馏器产水率在hl m 2 d ，热效率通常低于3 0 - - - 5 0 ， 1 4 上海大学学位论文 因而占地面积大【4 1 4 2 1 。热扩散型太阳能多效蒸馏器具有可充分利用蒸汽潜热， 产水率高等特点，不足是容易发生窜水现象，从而影响淡水质量。 为了克服以上不足，在总结上述系统共性特点( 即常压环境，有空气存在 条件下，通过水分蒸发和冷凝得到海水) 基础上，我国学者张鹤飞和代严掣4 3 】 设计了一种集太阳能集热器、蒸发器和冷凝器与一体的增湿除湿型太阳能海水 淡化装置，湿空气在装置通过风机进行强迫中对流，以强化蒸发效果。b a s s e m 4 4 博士设计研究了露点蒸发技术在太阳能海水淡化过程中运用以提高湿空气的载 气能力，从而提高海水淡化产量。 f b a n a t 【4 5 】等讨论了利用p p 管式膜蒸馏组件同太阳能蒸发器相结合，进行 由模拟海水( 3 5 n a c l 水溶液) 生成饮用水的可行性。作者对太阳能蒸发器和 膜蒸馏组件在生成饮用水过程中的相互作用进行了定量分析发现，在相同的进 料温度下，膜蒸馏组件的水通量( 1 2 5 k g m 2 h ) 比太阳能蒸馏器的水通量( 0 1 k g m 2 h ) 高一个数量级，而前者所获饮用水的质量明显优于后者。王许云等【4 6 】 提出了一套太阳能中空纤维式膜蒸馏集成生成饮用水的系统，考察了一天中不 同时刻下太阳辐射强度、集热器出水水温、膜蒸馏系统产水通量等变化。 3 ) 发电一海水淡化一综合利用的深度集成 海水淡化与综合利用的深度集成是将海水与制盐及盐化工生成相结合，实 现海水淡化与制