浅析太阳能海水淡化的发展过程.doc

摘要：本文按照在海水淡化过程中能源的来源方式不同，分常规能源和太阳能两个方面对海水淡化的研究进展进行了综述。着重介绍了太阳能海水淡化技术中的盘式海水淡化法和增湿海水淡化技术中存在的优缺点以及各国研究者所做出的改进方式以及实验研究成果。并对太阳能海水淡化技术目前存在的问题及发展趋势提出了一些建议。关键词：地球上拥有丰富的水资源，海水覆盖面积达71%，但不能直接用于生活用水和饮用水。地球上淡水资源只占水资源总量的2.5%，其中可供人类支配的淡水资源不足0.36%Error! Reference source not found.。第二次工业革命以来，化工、制造、电力等工业的兴起，使得人类对水资源的需求量大增，淡水资源日显不足；特别是进入20世纪以来，世界人口急剧增加，环境污染和生态破坏严重，城市化和人口集中等因素均给淡水供应带来巨大压力，人类无节制的开采及管理不善更加剧了水资源的供需矛盾。据测算，以目前世界人口的增长速度，至2025年世界人口将达85亿，届时淡水供需矛盾将更加突出Error! Reference source not found.。通过海水制取纯水已有百年历史，二战后海水淡化技术进入实用化、工业化阶段，技术日臻成熟，为解决淡水短缺问题提供了新的途径。本文作者按照在海水淡化过程中能源的来源方式不同，分两个方面给我们介绍了海水淡化的研究进展，并重点介绍了太阳能海水淡化技术中的盘式海水淡化法和增湿海水淡化技术中各国研究者所做出的研究成果。1 海水淡化研究进展11 常规能源海水淡化技术人类很早便开始利用海水来制取纯水，阿拉伯人在16世纪便通过蒸馏海水获取饮用水；至19世纪末英国已相继发明了管式蒸馏器、喷膜蒸发等技术，并开始对闪蒸技术进行研究；二战期间压汽蒸馏技术已开始应用于船舶和海外离岛的淡水供应，多效蒸馏装置也开始装备至战舰上；二战后阿拉伯地区石油开采为大型海水淡化机组的应用提供了契机，1957年多级闪蒸在中东地区大规模应用，1975年低温多效进入工业化应用，1980年反渗透淡化技术解决膜技术难题，并很快成为市场份额最高的淡化技术Error! Reference source not found.。常规海水淡化方法大体上可分为两大类：一类是热方法，以热源为驱动将海水蒸馏的过程，如多级闪蒸（MSF）、多效沸腾（MED）、蒸汽压缩法（VC）；另外一类是膜方法，以电能或压力为驱动的渗透/反渗透过程，如电渗析（ED）、反渗透法（RO）。除此之外，还有冷冻法、溶剂萃取法、水合物法、离子交换法、露点蒸发法等等，其中反渗透法、多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏法已实现工业化。1）反渗透法（Reverse Osmosis）反渗透技术通过对海水施加压力，使得水分子通过半透膜，水中的矿物质无法通过半透膜，这样就将水和盐类分离开来，这一过程称为反渗透。反渗透技术的优点在于能耗少，其能耗约144kJ/kg，远低于普通热法淡化技术。但在半透膜的另一侧容易积聚盐类导致结垢，因而需要定期更换，且海水预处理过程复杂，设备维护量较大。2）多级闪蒸（Multi-stage Flash）多级闪蒸通过降低蒸发室内的气压，使得进入蒸发室内的热海水直接达到沸点汽化，由于其没有加热面，较好的解决了当时困扰热法淡化技术存在的蒸发面结垢难题。它可以在较高的温度下运行而不结垢；采用多级能量回收的技术也使得它有较高的热效率，热耗相对较低，单位产水热耗约340kJ/kg。多级闪蒸在每一级中都要保持较高的海水流量来避免蒸发室结垢，这使得水泵的电耗较高，因而经济性较多效蒸馏有一定下降；同时多级闪蒸的负荷适应性较差，一般在80%110%，适合大型的集中供水。3）低温多效（LT Multi-effect Distillation）多效蒸发过程发生在蒸发室的加热面上，在水温较高时容易导致结垢，影响加热面的传热过程。低温多效技术将海水温度控制在70以下，以保证加热面不结垢。低温多效技术的负荷适应性好，在较宽的负荷范围内都有较高热效率，负荷范围可拓宽至40%110%，但其结构复杂，换热面积和占地面积大，初投资高Error! Reference source not found.。常规的海水淡化方式都以化石燃料或电力为能源，能源消耗巨大，据测算，生产3500万吨淡水需要消耗3.5亿吨原油。同时化石燃料燃烧会向环境释放大量的温室气体，破环环境和生态。在缓解水资源短缺的同时，也给能源和环境带来了巨大压力，且初投资高，技术难度大，在小型化装置上产水率较低，难以满足偏远地区、海外离岛以及能源匮乏地区的淡水需求。20世纪70年代的能源危机，迫使人类将目光转向新能源利用，近年来以太阳能为代表的新能源技术迅猛发展，技术日臻成熟，这为太阳能海水淡化技术的发展奠定了基础。1.2 太阳能海水淡化技术1.2.1太阳能盘式海水淡化技术最早进入实用阶段的太阳能蒸馏器是1872年出现在智利Las Salinas地区的一个面积达4600m2的太阳能盘式蒸馏器，日产淡水量达17吨，成功运行至1910年Error! Reference source not found.。盘式蒸馏器主要由玻璃盖板、盐水盘、吸热层、隔热层、接水槽构成。盐水盘底部的吸热层，经太阳辐射加热后，将热量传递给盐水盘中的海水，海水受热蒸发，蒸汽在玻璃盖板上凝结后，由接水槽收集起来。盐水盘底部的吸热层，经太阳辐射加热后，将热量传递给盐水盘中的海水，海水受热蒸发，蒸汽在玻璃盖板上凝结后，由接水槽收集起来。盘式蒸馏器的结构简单，制作和维护都比较容易，因而成为太阳能海水淡化初期最为常见的蒸馏器，至今仍然广为采用，其后的许多太阳能蒸馏器都由盘式改装而来。盘式蒸馏器Error! Reference source not found.盘式太阳能蒸馏器产水低，主要在于三个方面：玻璃盖板上是自然对流过程，传热系数低，蒸汽凝结不及时。Hassan（1992）等人Error! Reference source not found.在传统盘式蒸馏器基础上附加外部凝结器，产水率可增加30%50%；盘中水量大，热容量大，导致大量热量浪费在预热海水过程中，海水温度低，且用于蒸发的热量很少。为此Soldha（1980）等人Error! Reference source not found.研制了一种多级芯型太阳能蒸馏器，它依靠纤维材料的毛细作用将海水引入蒸发室内，由于水盘中的水少，热惯性小，因而蒸发速度快，产水率高，这种系统比盘式蒸馏器产水率提高16%50%，效率提高了6.5%18.9%；Satcunanathan等人Error! Reference source not found.发明了一种阶梯盘式蒸馏器，有效降低水盘的热惯性，加快海水的蒸发；为提高盘式蒸馏器工作水温，Soliman（1976）提出了在盘式太阳能蒸馏器中附加加热器的思想，即主动式太阳能蒸馏器Error! Reference source not found.；凝结换热时，水蒸气的潜热直接散失到大气中，余热不能重复利用。为更好的利用余热，产生了一种层叠式的盘式蒸馏器，由于级数增多后装置内部的温差减小，传热传质动力减弱，因而级数不宜大于3Error! Reference source not found.；另外，Mink(1998)Error! Reference source not found.的研究表明采用回热利用可增加30%的产水量。1.2.2集热式太阳能海水淡化技术随着太阳能集热器技术的进步，供热能力和温度有了很大提高，这就为太阳能集热器与传统海水淡化工艺结合创造了条件。科威特建立了220m2的槽形抛物面太阳能集热器及一个7000L的贮热罐，为一个12级的闪蒸系统提供热源。该装置能够在夜间以及太阳辐射不足时运行，单位集热面积产水率为传统太阳能蒸馏器的10倍Error! Reference source not found.。以太阳能为热源的传统淡化工艺复杂，设备投资高，另外还存在腐蚀、结垢等问题。由于太阳能自身不稳定，传统蒸馏工艺启动慢、产水效果并不理想，需要配备蓄热器或辅助加热器，目前这些技术尚不成熟，有待进一步的研究。1.2.3太阳能空气增湿海水淡化技术由美国亚利桑那大学提出的以空气升温增湿和冷却除湿来制取淡水的空气增湿淡化法Error! Reference source not found.（Air Humidification-dehumidification，简称HD）技术即旨在结合太阳能、地热能等品质较低热源，组建中小规模的淡化机组，为能源匮乏的农村、海岛等地区提供淡水的一种方案。空气增湿淡化技术比盘式蒸馏器增设了冷却和回热系统，并将蒸发和冷却过程分离，以达到更好的淡化效果。增湿淡化以空气为介质，携带蒸发室内吸收太阳辐射后的高温蒸汽进入冷却系统冷却获得淡水，同时将热量传递给冷却工质进行回热再利用。 增湿型海水淡化的基本原理空气增湿淡化技术的优点在于简单、高效，能够结合低品位的太阳能、地热能等能源，前人开发了多种增湿技术以增强水气热质交换效果，其中鼓泡增湿、喷雾增湿技术和水膜增湿较为常见。1） 鼓泡增湿淡化鼓泡增湿是将曝气装置安装在水盘中，空气经曝气后形成细小的气泡，气泡在上升的过程中与海水发生剧烈的热湿交换，空气湿度增大。埃及S.A. El-AgouzError! Reference source not found.试验结果表明，淡水产率随水温的升高和空气流量的减小而增大，而受水位的影响较小。张旭朋13,14研究表明，影响蒸发量的主要因素是热空气温度、热空气流量、初始水量、水温，同时研究还发现蒸发器的运行温度对淡水产率有决定性的影响。张柱建Error! Reference source not found.采用微负压引入的方法将平板型太阳能空气集热器加热后的热空气引入到蒸馏器内的海水中，通过曝气装置使热空气以微气泡的形式与海水进行换热，实现空气的增湿。郭丽玮Error! Reference source not found.研究发现载气流量在一定范围内增大时，增湿器出口的增湿效果增强，产水量增加，系统需求的热量增加；利用循环载气方法可以减少系统的热量需求；试验得到增湿效果影响次序为盐水温度载气流量液位高度。鼓泡增湿由于水中空气阻力较大，需要额外的空气压缩装置或高压风机，电耗较高。2）喷雾增湿淡化喷雾增湿是将热海水雾化为小水滴，增大海水与空气的接触面积，喷雾增湿技术在工业上应用广泛，技术较为成熟。雅典S. Yanniotis和 K. XerodemasError! Reference source not found.对喷雾增湿和水膜增湿两种方法进行了试验对比，研究表明：300mm厚纸蜂窝的增湿效果明显优于喷雾增湿；喷雾增湿所产淡水的电导率较高，分析原因是雾滴被空气携带进入冷凝器影响了淡水水质，而水膜增湿在较高气流速度下依然保持较低的电导率水平。浙江大学李忠Error! Reference source not found.建立了适用于鼓泡蒸发淡化过程的传热-传质数学模型，提出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。江苏大学李平Error! Reference source not found.对鼓泡增湿、直接蒸发、喷雾蒸发三种增湿方式进行了对比，结果表明喷雾法的蒸发量较鼓泡法低。喷雾增湿的关键在于控制喷雾粒径，雾滴过大则气水接触不足，增湿效果差；雾滴过小则雾滴可能被空气直接携带进入冷凝器，雾滴中的盐分会影响水质。3） 水膜增湿淡化水膜增湿法是将海水滴淋在降膜蒸发器上，海水在降膜蒸发器上形成均匀的水膜，空气与水膜发生热湿交换，湿空气的含湿量上升，以此达到增湿的目的。因水膜增湿法结构简单、增湿效果好，国内外研究普遍采用这种方法。前人在增湿技术的基础上，开发了多种型式的水膜增湿淡化器，较为经典的是由美国AlHajaj等人Error! Reference source not found.设计的一种环形通道式增湿减湿装置，采用蜂窝湿膜作为蒸发填料，空气在环形通道内循环流动，不断增湿去湿，纯水由冷凝器底部接水装置收集并导出。德国MuullerError! Reference source not found.设计了一种自然对流的增湿型海水淡化装置，蒸发室和冷凝室位于同一空间内，空气依靠增湿前后的密度差来完成蒸发室和冷凝器间循环流动。以色列Kudish等人Error! Reference source not found.也对类似装置进行了研究，他使用有机材料制作海水淡化实验装置，有效解决了海水的腐蚀问题，并研究了有机材料对传热传质过程的影响。法国Bourouni等Error! Reference source not found.采用地热能为热源，蒸发器采用横管降膜蒸发技术，因使用地热能而使淡水成本降低了75%。张晓东、原郭丰等人Error! Reference source not found.提出了一种与空调系统相结合的空气增湿海水淡化方法。AlHajaj的增湿淡化器Error! Reference source not found.为提高淡化装置的热效率，增湿淡化装置一般附设有回热设备，回热效果的好坏直接影响到系统产水率。陈子乾、郑宏飞等Error! Reference source not found.采用多级降膜蒸发和降膜凝结技术，性能系数达到了2.0。张联英等人Error! Reference source not found.研究了降膜蒸发多级内回热的太阳能海水淡化装置，在相同条件下，该装置的产水率比单级盘式太阳能蒸馏器提高了23倍。德国学者E. ChafikError! Reference source not found.采用冷凝器分级冷却蒸汽，相比于内回热装置，冷凝器分级将冷凝和蒸汽回热利用分离开来，冷却水量更容易控制，系统结构也更加简单。水气配比是影响增湿过程的重要参数，国内外学者对此进行了研究。突尼斯学者M. Ben Amara等人Error! Reference source not found.的研究结果表明：辐照在590W/m2时，气水流量的最佳比值为0.45。梁博森等人Error! Reference source not found.提出了在稳态工况下不同入口海水温度的蒸发速度经验公式；同时给出了不同水温下，最佳的水气质量配比。郑宏飞等人Error! Reference source not found.研究了多级降膜式蒸馏器，研究认为海水流量不宜过小，否则海水蒸发缓慢，同时降膜上容易结垢。埃及学者Fath等人Error! Reference source not found.则认为海水流量对产水率没有多大影响。阿曼学者Mousa K 和Abu ArabiError! Reference source not found.分析了不同气体氛围下增湿过程传热传质效果，试验表明：H2和He比空气能够产生更高的传热速率，而CO2和Ar有更高的质量传递速率，推荐使用二氧化碳作为增湿减湿型海水淡化的载气。国内外学者建立了许多淡化过程的数学模型，以便于研究增湿淡化过程中关键参数的影响，获得最佳的操作参数或影响规律。埃及A.S. Nafey等人建立了闭式双回路增湿太阳能海水淡化的数学模型；美国Al-Hajaj等人Error! Reference source not found.对环形增湿减湿器进行了数值模拟，提出了该装置内传热传质系数的计算方法；科威特H. EttouneyError! Reference source not found.提出了系统的整体设计方法和公式，不同增湿除湿方法性能评估方法；国内学者代彦军Error! Reference source not found.对降膜蒸发冷却复合传热传质进行了研究，建立了描述叉流式降膜蒸发传热传质过程的数学模型；原郭丰等Error! Reference source not found.对闭式增湿减湿海水淡化各部分的热力过程建立了数学模型。3 结语太阳能海水淡化能够较好地兼顾能源与水源需求，节约能源、保护环境，形成巨大的经济和环境效益，有助于解决我国农村苦咸水地区、孤岛等地区饮用水问题，有助于推动我国海水淡化技术的发展。但目前的太阳能淡化技术依然存在回热差、产水率低等缺点，我们可以在前人对增湿淡化装置研究的基础上，依据分级回热和多级增湿的基本原理，将分级回热方法用于太阳能海水淡化装置，以改善系统的回热特性和产水性能。 参考文献1. 刘昌明，陈志凯.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析 M.北京市：中国水利水电出版社，2001.2. 李姣, 刘俊成, 高从曾, 张金玲. 太阳能在海水淡化产业中的应用与研究进展水处理技术 2009 35（10）11153. 惠绍棠, 阮国岭, 于开录. 海水淡化与循环经济M.天津:天津人民出版社2005.4. Hassan E S and Elsherbiny S M. Effect of adding a passive condenser on solar still performance J .Energy Conversion and Management ,1993,34(1):6372.5. Sodha M S ,Nayak J K, Tiwan G N et al.Study on a double-basin multi-effect solar stillJ. Energy Conversion and Management, 1980, 20(1):20256. 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