太阳能海水淡化技术

2012-08-15李志朋王风霞史玉凤

科技传播 2012年6期

关键词：产水量盘式淡化

李志朋，王风霞，史玉凤

1.鞍钢附企动力工程公司建筑机装分公司，辽宁鞍山 114011

2.鞍钢股份化工总厂，辽宁鞍山 114011

3.中国矿业大学，江苏徐州 221116

0 引言

随着社会经济的发展和人口数量的增长，人们对于能源的需求越来越大。现在常用的能源主要来自化石燃料，但这种资源在地球上的存量是有限的，而且容易引起环境污染，因此可再生能源成为人们关注的焦点[1]。人类对淡水资源的需求与日俱增，据有关国际组织预测，到2050年，预测生活在缺水国家中的人口将增加到10.6亿和24.3亿之间，约占全球预测人口的13%～20%[2]。海水中有大量的水资源，所以将海水淡化将是解决淡水危机的有效途径。已在很大程度上缓解了部分地区的缺水状况，未来也将是调水困难的沿海城市应急补充水源的重要手段，很多国家都在积极投资建造海水淡化厂。常规海水淡化的方法主要有多级蒸发、多级闪蒸、蒸汽压缩、反渗透膜法、电渗析法、离子交换法、冷冻法等。这些方法都要消耗大量的常规能源，又加剧了能源紧缺，造成新的污染。所以将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合与一起的太阳能海水淡化是一种可持续发展的海水淡化技术，是现今研究的热门话题。

1 太阳能海水淡化的优缺点

太阳能海水淡化系统与其他海水淡化系统相比有许多优点：1）可独立运行，不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗，运行安全稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的地区有很大应用价值；2）生产规模可有机组合，适应性好，投资相对较少，产水成本低，具备淡水供应市场的竞争力；3）所得淡水纯度高；4）安全。

太阳能海水淡化也有一些缺点，如占地面积较大及冬天结冰的问题等。在选用海水淡化方式时需要权衡各种技术的优缺点，选用最佳的淡化方式。

2 现有的太阳能海水淡化系统

人类利用太阳能淡化海水，已经有很长的历史了，最早利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，一般称为太阳能蒸馏器。太阳能蒸馏器的运行原理是利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程，即产生蒸发与冷凝。根据是否使用其他的太阳能集热器可将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式两类。被动式海水淡化的装置中不使用电能驱动元件，主动式太阳能蒸馏使用了附加设备。

2.1 被动式太阳能蒸馏系统

盘式太阳能蒸馏器是被动式太阳能蒸馏器的典型代表。具有结构简单，取材方便，制作、运行和维护都比较容易的特点。被动式太阳能蒸馏系统的工作温度较低，产水量较小，不利于在夜间工作和利用其他余热。

单级盘式太阳能蒸馏器的结构简单、取材方便，运行时基本无需人员管理，但是有产水效率低、占地面积大的缺点。

多级太阳能蒸馏器重复利用了水蒸气的凝结潜热，可得到比单级盘式太阳能蒸馏器更高的单位面积产水率。增加盘的级数有利于增加单位面积的产水量，但当盘的级数增加到3级以上时，产水量的增加幅度很小。这是因为装置内的温差减少，减弱了装置内传热传质的动力。

外凝结器式盘式换热器是为解决传统的盘式太阳能蒸馏器的缺点而提出的。传统盘式太阳能蒸馏器利用装置上方的透明盖板做凝结器，这种方式有以下缺点：1）水蒸气凝结时放出潜热，使盖板温度升高，从而提高了盖板附近的水蒸气分压，使蒸发面与凝结面之间的水蒸气分压减小；2）蒸汽在盖板上凝结后产生水膜与水珠，在一定程度上降低了盖板的透过率，降低了蒸馏器内海水接收到的太阳辐射总量，不利于性能的提高。为了避免这些缺点，可加设外凝结器，当外凝结器的冷凝面积足够大时，增加外凝结器可以提高30%～50%的产水量。

多级芯型盘式太阳能蒸馏器利用对水有强亲和作用或毛细作用的多纤维材料做液芯，例如黄麻布、棉纱布等，克服了传统太阳能蒸馏器的海水热容量大，受热温升缓慢，延迟淡水产出时间的缺点。多级芯型盘式太阳能蒸馏器比传统的太阳能蒸馏器的单位面积产水量提高16%～50%，效率提高6.5%～18.9%。

聚光型太阳能蒸馏器分为盘形抛物面式、槽型抛物面式和平面镜反射式等几种。

太阳能集热装置实时跟踪太阳，使吸热面垂直于太阳光线是十分必要的，简单盘式太阳能蒸馏器的吸热面是水平放置的，不能跟踪太阳，其接受到的太阳辐射量小于同等面积的倾斜的水面，将水盘做成阶梯状的倾斜太阳能蒸馏器可吸收更多的太阳辐射，产水量明显高于传统的太阳能蒸馏器。

2.2 主动式太阳能蒸馏系统

其运行温度提高，内部的传热传质过程得以改善，主动回收了蒸汽的冷凝潜热，效率大大提高。

有平板式太阳能集热器辅助加热的盘式太阳能蒸馏器可大幅度的提高单位采光面积的产水量。其收集和贮存太阳能作用的平板太阳能集热器的效率较高，可将蒸馏器内的水加热至较高的温度，增大产水率，提高效率。给蒸馏器盖板进行冷却时，效果更佳。当系统采用被动式运行，同时有盖板冷却时，系统总效率最高，可达到45%～52%。其次是系统主动运行，同时有盖板冷却的情况，此时的系统总效率为30%左右。最差的是系统主动运行但无盖板冷却的情况，此时的系统总效率为10%左右。因此蒸馏器采用主动加热时，应该想方设法的回收盖板的潜热，这是提高系统总效率和经济学的关键。

加设储热水箱的主动式太阳能蒸馏器是针对加设平板式集热器的主动式太阳能蒸馏器未能充分利用环境温度随时间的变化这一缺点而提出的。加设平板式集热器的主动式太阳能蒸馏器的工作温度最高时，其环境温度也是最高的。加设储热水箱的主动式太阳能蒸馏器可以有效的利用夜间的低温环境，另外储热水箱的加设可以延长蒸馏器在高温区的运行时间，由于以上两点原因可以加长装置的产水时间，有可能全天24小时都有淡水产出，并且夜间与白天的产水量基本相同。

针对传统盘式太阳能蒸馏器中水蒸气的浮升及在盖板附近的冷凝过程为传热传质强度较弱的自然对流的缺点，提出了外带凝结器的主动式太阳能蒸馏器。此蒸馏器将部分水蒸气通过风机抽吸到蒸馏器外的冷凝器中，在冷凝器中与冷却盘管接触，产出淡水。在此设计中蒸馏器内处于负压，有利于水的蒸发，提高产水量。但也有以下缺点：设计复杂，投资成本高，需要一些电能，不利于在偏远地区推广使用等。

将太阳能集热器与多级盘式太阳能蒸馏器相结合的特点包括系统运行温度较高，提高了海水蒸发的动力，反复利用了蒸汽在盖板处凝结时放出的冷凝潜热。利用集热器给三级蒸馏器主动加热时，蒸馏器产水量可以增加2倍～2.5倍左右。

太阳能集热器还可以与多级叠盘式蒸馏器联合使用，在这种运行方式中多级叠盘式蒸馏器部分不接受太阳能，只起到蒸发与冷凝的作用，有利于节约占地和设备投资。供热功率相同并恒定时，叠盘数增加，有利于淡水的生产。一般运行温度在70℃附近时取三级，在80℃附近时取四级，大于90℃时可以考虑取五级。该装置的产水率随着运行温度的升高而升高，由于真空管集热器的热损失较小，因而这种装置的产淡水时间可以延长到晚上，甚至到第二天的早上。但是多级叠盘式蒸馏器也有一些缺点，1）各盘盘底均为单角单槽式结构，为了使蒸馏水顺利流至槽底，盘底夹角不能大于150°，否则凝结形成的淡水水珠可能会因重力作用而重新滴落盐水中，从而增加了系统的热惰性；2）平面盘底结构限制了装置的冷凝面积；3）盘底结构增加了水蒸气的对流传质阻力，降低系统的效率。

有折皱底面的多级叠盘式太阳能蒸馏器可克服多级叠盘式蒸馏器的部分缺点，降低了盘与盘之间的距离，单位能耗产水率更高。其他的太阳能蒸馏器还有饱和空气增湿减湿太阳能蒸馏器、降膜蒸发加湿除湿太阳能蒸馏器、单级降膜蒸发与降膜冷凝式太阳能蒸馏器、多级降膜蒸发与多级降膜冷凝式太阳能蒸馏器、降膜蒸发-气流吸附型闭式循环太阳能蒸馏系统、横管降膜蒸发闭式循环太阳能蒸馏系统[3]。

3 与传统海水淡化技术相结合

传统的海水淡化技术大致可以分为两类：1）相变过程，其中包括多级闪蒸、多效沸腾和蒸汽压缩等；2）渗析过程，主要有反渗透膜法和电渗析法等。

鉴于传统海水淡化技术的方案、措施、材料和管理经验等比较成熟，将太阳能海水淡化与传统海水淡化技术相结合也是现在的一大趋势。传统的海水淡化方式包括：多级闪蒸海水淡化、多效闪蒸海水淡化、压缩蒸馏海水淡化、利用海水与淡水的分压差进行海水淡化、横管降膜蒸发多效回热式太阳能海水淡化装置等。

将太阳能海水淡化技术与传统的海水淡化装置结合起来，需要做到以下几点：1）结合后的系统适用于太阳能的应用，即运行温度在中低温范围；2）尽量减少热量在传输过程中的损失，提高效率；3）选用合适的海水预处理过程；4）设备投资、初建投资等问题；5）装置的占地面积等问题；6）对原有系统尽量少做改装，提高原有部件的利用率。

利用多级闪蒸海水淡化系统生产1m3的淡水，需要消耗热能221.9MJ～276.3MJ，需要消耗电能3kW·h～4kW·h，即多效闪蒸技术主要消耗的是热能，可以将太阳能海水淡化系统与多级闪蒸海水淡化系统相结合使用。

多效蒸发海水淡化是将一个蒸发器蒸发出来的蒸汽引入下一个蒸发器，利用凝结放出的热加热蒸发器中的海水，以产生淡水。它的特点是几个蒸发器相互串联，前一蒸发器内蒸发时产生的蒸汽用作后一蒸发器的加热蒸汽。多效蒸发海水淡化技术也主要利用热能。与多级蒸发海水淡化系统相比，多效蒸发采用了降膜蒸发和冷凝过程，因此在相同产水量的情况下，多效蒸发的运行温度可以更低，更适合与太阳能海水淡化技术相结合。

许多情况下，蒸汽压缩蒸馏过程知识开始时需要由外部引入少量加热蒸汽启动，此后利用二次蒸汽自动蒸发，不在需要外部热源。蒸汽压缩蒸馏有热功效率高，体积小，无需大规模热源，适用于海岛、轮船等地方的优点，但也有一些缺点，例如生产规模受压缩机容量的限制。若利用太阳能为压缩蒸馏提供初级能源，使装置在较高温度段运行，这样可以减少通过压缩机的蒸汽的体积，提高压缩机的效率，从而减小换热器内外的压差。将蒸汽压缩蒸馏技术与多级闪蒸技术及多效闪蒸技术相结合是更理想的方案，可以最大限度的提高装置的热功效率。

在273K～373K的温度范围内，海水表面的饱和蒸汽分压比淡水表面的饱和蒸汽分压约低1.84%。当海水与淡水保持在相同的温度下，淡水将向海水蒸发。反之，如果使淡水表面温度保持比海水表面温度更低，并达到一定值之下，那么海水就可能向淡水表面蒸发，也就是说利用海水与淡水的饱和蒸汽分压不同来实现海水淡化。可将太阳能转化为热能注入到海水中，使海水表面温度提高，实现海水的淡化。

电渗析法是利用电场的作用，强行将离子向电极处吸引，致使电极中间部位的离子浓度大为下降，从而制得淡水。电渗析法不仅可以用于淡化海水，还可以用于水质处理。太阳能海水淡化技术与渗析海水淡化技术相结合是利用太阳能转化成的电能驱动系统产生淡水[4]。利用太阳能发电的方式包括两种，一种是太阳能热发电，也称为聚焦型太阳能热发电，通过大量反射镜通过聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽来驱动汽轮机发电；另一种是太阳能光伏发电，是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。太阳能光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。