太阳能海水（苦咸水）淡化系统的应用

崔夏菁 寿好芳

摘 要：鹤壁市部分农村地区长期存在饮水安全问题，部分村民生活在高氟区、高盐区和高污染水区，饮用水水质较差，直接威胁着人们的身体健康。我市虽已投入大量财力物力，通过寻找洁净水源的方法来解决这一问题，但是这种现象仍然存在，这与我市建设生态之城的总方向极为不符。如何在不开辟新水源的情况下，对水质较差的苦咸水进行淡化，使其转化为能够直接饮用的淡水，不仅节省大量资金，又符合可持续发展战略，这是本文研究的核心。

关键词：太阳能；苦咸水淡化；生态之城

随着社会经济的快速发展，人口的急剧增加，资源的过度开采，环境污染日益严重，城市环境问题日趋严峻。能否处理好城市在快速健康发展的同时，不破坏周围的环境，不对人们的生存的城市環境造成威胁，已成为各国政府在城市建设中工作的重点，建设生态城市是遵循城市发展规律、顺应时代潮流的必然选择[ 1 ]。生态城市建设系统主要有四个方面构成：基础设施系统、社会生态系统、经济生态系统、自然生态系统。

生态城市建设应遵循可持续发展的原则，即形成“低投入、高产出、低排放、低污染”的高效运行模式；运用循环经济理论，它的模式是资源-产品-废物-再生资源-再生资源产品，物质和能量得到了合理的、持久的、高效的、循环的利用，对自然环境的影响降低到了最小程度[ 1 ]。

鹤壁市常年性河流有卫河、淇河和共产主义渠，另有中、小型水库20座，水资源较为丰富。但是，可利用水资源严重不足，太行山地是石灰岩地带，地表水渗露严重，更加重了水资源的缺乏。平原区地下水资源较为丰富，但是由于长期的超采，地下水降落漏斗不断扩大[ 2 ]。鹤壁市属资源型缺水城市，鹤壁市大部分地区地下水含氟量较高，在泊洼易涝区和地势低的区域，含盐量较高，是河南省地下水含氟、含盐量较高的地区之一[ 3 ]，特别是农村地区，人们长期饮用高氟水、苦咸水、被污染水，直接威胁着人们的身体健康。

自2006年起，我市急需解决的不安全饮水人数为37.4万人。据悉，自鹤壁市农村饮水安全工程建立以来，政府每年都投资上千万元用于解决这一问题，其中涉及鹤山区、淇滨区、淇县、浚县等部分村庄。这一做法虽解决了部分群众的吃水问题，但是每年都要耗巨资用于打井、引水、管网延伸等，不仅消耗大量财力物力，而且从长远考虑，不利于水资源的可持续发展。

尽管鹤壁市在环境建设方面已经取得了一些成绩，比如退耕还林、加大城区绿化面积等，但是也存在诸多不足，从资源能源方面来看，人民生产、生活的能源还是主要依赖煤炭，煤炭开发量逐年增大，而清洁能源的使用率很低，能源多样性较差；在自然环境生态方面，水资源污染严重，地下水开采过度。结合我市水资源实际情况，提出了利用太阳能进行苦咸水淡化的方案。我市有丰富的太阳能资源，充分利用这一清洁可再生能源进行苦咸水淡化，将不适宜饮用的水淡化为可直接饮用水，投资一次即一劳永逸，不仅能彻底解决我市部分群众饮水安全问题，而且符合可持续发展这一战略思想，必将为我市建成生态之城添上浓墨重彩的一笔。

1 多效蒸馏/多级闪蒸流程

在作者之前的研究中，已对一套利用太阳能驱动的顺流五效蒸馏/四级闪蒸的海水淡化系统进行了深入分析[ 4 ]，通过建立该系统的数学模型，在给出的设计工况下计算出了换热设备的结构。

多效蒸馏/多级闪蒸太阳能海水淡化装置由太阳能集/蓄热子系统和多效蒸馏/多级闪蒸海水淡化子系统组成。系统内蒸馏器全部采用水平管外降膜蒸发方式来强化蒸馏过程热、质传递。顺流五效蒸馏/四级闪蒸太阳能海水淡化装置流程简图如图1所示。

2.1 太阳能集/蓄热子系统

真空管（或平板）太阳能集热器内部的水吸收太阳辐射温度升高，当达到设定温度后，热水循环泵启动，热水流入蓄热水箱进行循环，蓄热水箱内的水温逐渐升高。

当水温升高到设定值（65℃）后，被送入第一效蒸馏器的水平横管中，作为热源加热滴淋下来的海水（苦咸水），热水由于释放出大量的热量而导致温度降低。降温后的热水经由换热器跟海水（苦咸水）发生热量交换后温度进一步降低，最后重新流入集热器内吸收太阳能。热水在太阳能集热器、蓄热水箱和太阳能海水淡化子系统之间进行循环流动，直至热水温度降低到不足以驱动海水淡化子系统为止。

2.2 多级闪蒸/多效蒸馏海水淡化子系统

首效蒸馏器由太阳能加热的热水提供热量，海水在首效蒸馏器的水平管外进行降膜蒸发，产生的水蒸气作为热源通入第二效蒸馏器的水平管中，水蒸气在管内放热冷凝成淡水汇集在淡水箱中，而浓海水则继续被通入下一效蒸馏器中进行降膜蒸发。最末效蒸馏器内产生的蒸汽及上一效蒸馏器内凝结的水一起进入冷凝器内被冷却海水冷凝并流入淡水罐，最后被淡水泵抽出。冷凝器出口的冷却海水分出一部分，经过滤处理后与末效蒸馏器出口的部分浓海水混合作为淡化用海水。这部分海水又进入海水/热水换热器加热到近饱和温度后进入首效蒸馏器并淋滴在水平管束上。

本装置通过小温差降膜蒸发、设置海水/热水换热器、回收末效浓海水热量等方法回收了系统余热，提高了设备的效率，提高了产水率。

3 结论

根据以上内容，可设计制造出一台苦咸水淡化装置，建设在我市农村地区，将不适宜饮用的苦咸水直接通入该系统中，即可得到直接饮用的淡水，无需再投入资金进行打井、引水、管网延伸等工程，从而彻底解决我市农村地区人民的吃水问题，为我市建设生态之城增添一份力量。

参考文献：

[1] 侯光轩.鹤壁市生态城市建设的SWOT分析：[硕士论文][D].新疆：新疆师范大学，2012.

[2] 张健.鹤壁市生态城市环境指标体系优化：[硕士论文][D].河南：河南农业大学，2012.

[3] 刘萍，刘岩，李付江.农村环境质量检测与评价方法探讨——以河南省鹤壁市为例[J].河南科学，2013，31（6）：846—849.

[4] 徐士鸣，崔夏菁，陈顺全.多效蒸馏/多级闪蒸太阳能海水淡化系统数值模拟：第1部分——模型建立及设计工况下换热设备结构参数确定[J].可持续能源，2012，2（3）：61-67.

作者简介：崔夏菁（1987-），女，研究生学历，硕士学位，助教，研究方向为太阳能海水淡化。