海水喷雾淡化工艺的雾化过程分析

张晓晨，李 强，邢玉雷，刘洪锟

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

喷雾淡化作为一种新型海水淡化技术，可广泛应用于海水淡化、浓海水和高盐废水处理等领域，且可用于低位热源的回收利用，具有良好的发展前景。美国AquaSonics公司[1]将其喷雾蒸发用于处理反渗透排放浓盐水，其淡水回收率可以达到80%以上，造水成本有望低于0.51 美元/t；高从堦等[2]将喷雾蒸发的水蒸汽作为多效蒸馏首效的加热蒸汽，淡水产量较多效蒸馏可提高30%左右。此外Secunda等[3]、Soteris等[4]、Muthunayagam等[5]都建立了喷雾淡化装置，并对其淡化性能进行了测试，但对喷雾淡化工艺参数的针对性研究仍比较有限。

Ikegami等[6]对喷雾淡化装置的喷雾方向进行了研究，结果证明，海水在蒸发室内向上喷雾比向下喷雾更有利于提高蒸发速度，利于装置的紧凑性设计。Muthunayagam等[7]考察了在喷雾蒸发过程中雾滴温度的降低情况,发现雾滴的蒸发时间远小于其在蒸发室内的理论停留时间。目前针对喷雾淡化进行的雾化研究尚为有限且研究内容分散，缺乏对整个雾化过程的系统研究。

本研究采用试验手段，测试进料流量、雾化粒径、喷嘴设置位置等不同影响因素对淡化效果的影响，得到雾化过程对淡化性能的影响规律，达到提高装置造水性能的目的，对喷雾淡化的工艺设计具有借鉴意义。

1 试验方法与流程

1.1 喷雾淡化工作原理

喷雾淡化的原理是在蒸发室内利用喷嘴将海水雾化，同时蒸发室内有空气流通，由于雾化后的海水比表面积很大，水分迅速蒸发成为水蒸气，而后被空气流带出蒸发室，随后再被冷凝为淡水并予以回收。

1.2 试验流程

喷雾淡化综合性能试验装置如图1所示，试验流程如图2所示，主要包括雾化系统、蒸发器、冷凝回收系统及真空系统。雾化方式采用雾化盘和两流体喷枪两种方式。试验过程中，采用电加热的方式对原水进行加热，原水进入雾化系统，并通过泵的转速对流量进行控制。原水雾化后在蒸发器内闪蒸，并进入冷凝段冷凝为淡水。淡水在真空罐内进行收集，产水的电导率用电导率仪测定，体积由真空罐液位计液位变化换算得出，雾化过程的液滴粒径由激光粒度仪测定。

图1 海水喷雾淡化综合性能试验装置Fig.1 Experimental Installation of Seawater Spray Desalination

1.3 试验方法与数据处理

试验中液滴粒径由雾化盘频率和两流体喷嘴的气水比例进行控制，雾化液滴粒径由winner 318激光粒度分析仪(济南微纳颗粒技术有限公司)进行测定。液滴总体粒径采用雾化液滴的索太尔平均直径(SMD指有相同体积和表面积比值的平均粒径[8-9])，对喷雾的液滴粒径分布具有较好的代表性。

试验于不同液滴粒径、雾化器位置分别测定装置产水量和产水水质。

2 结果与讨论

2.1 蒸发温度的影响

图3为蒸发器加热温度为70 ℃、真空度为0.08 MPa、进料流量为2～5 L/h的条件下，雾化粒径在7～150 μm时，蒸发温度随粒径变化的曲线。

根据IAPWS-IF97公式计算，真空度0.08 MPa对应饱和温度为59.32 ℃。由图3可知，进料流量为4 L/h和5 L/h的条件下，蒸发温度相近，稳定在56.5～57.7 ℃，略低于饱和温度，这说明装置进料量基本达到饱和，腔体内热量都用于相变吸热。3 L/h流量条件下，蒸发温度稳定在57.9 ℃左右，虽然低于饱和温度，但流量增加，蒸发温度仍会略有下降，说明蒸发器内有少量热量剩余，进料量尚未达到饱和。流量为2 L/h条件下，蒸发温度为62 ℃，说明2 L/h进料流量蒸发对应传热温差为8 ℃，且装置未达到最大进料量。

而对于同一流量下的雾化粒径，在近饱和进料的情况下，其粒径对蒸发温度影响不大，7～150 μm时，蒸发温度变化量小于1 ℃，雾化粒径较小，对应蒸发温度更低。对于未达到饱和进料的情况，蒸发温度随雾化粒径变化较为明显，呈先增大后逐渐平稳的趋势。这是由于在粒径较小的情况下，液滴雾化较为彻底，液相与空气接触面积较大，换热更为充分，传热温差较大。随着液滴粒径增加，液相与空气接触面积减小，相应传热温差减小。

综上所述，试验装置饱和进料量为4 L/h，在腔体温度为70 ℃、真空度为0.08 MPa的运行条件下传热温差为13 ℃。运行未达到饱和进料前蒸发温度随雾化粒径增大呈先增大后趋于平稳的趋势；达到饱和进料量后，蒸发温度随雾化粒径变化不明显。

2.2 雾化粒径对装置产水的影响

图4、图5为蒸发器加热温度为70 ℃、真空度为0.08 MPa、进料流量为2～5 L/h的条件下，雾化粒径在7～750 μm时，产水量随粒径变化曲线和产水电导随粒径变化曲线。

图4产水量随粒径变化曲线图5产水电导随粒径变化曲线

Fig.4 Variation of Water Yield with Droplets Sizes Changing Fig.5 Variation of Water Production with Droplets Sizes Changing

由图4可知：产水量随液滴粒径变化较为平缓，在进料流量小于4 L/h时，进料量尚未达到饱和，雾滴蒸发较为彻底，雾化粒径对产水量影响较小；在进料流量大于4 L/h时，产水量随粒径变化存在一个峰值，最佳粒径为50～100 μm。在进料流量为5 L/h的条件下，这一变化趋势最为明显，此时装置进料已接近饱和，装置蒸发量在50%左右，继续提高进料量不会增加装置产水。此时，雾化粒径在100 μm左右，蒸发量有一个急剧升高的过程，蒸发量接近80%，雾化粒径过小或过大，蒸发都会降低至稳定水平。这主要是蒸发过程中100 μm的雾滴分散最为均匀，有利于液滴的换热和蒸发。粒径增大会减小液滴的比表面，影响换热；粒径过小，在蒸发过程中受气流扰动，容易聚集为大液滴。

由图5可知，装置的产水电导受粒径和流量影响不大，基本保持在15 μS/cm以下。

2.3 进料流量影响

图6为蒸发器加热温度为70 ℃、真空度为0.08 MPa、进料流量为2～5 L/h的条件下，雾化粒径在7～750 μm时，产水量随进料流量变化曲线。

图6 产水量随进料流量变化曲线Fig.6 Variation of of Water Yield with Feed Flow Changing

由图6可知：在有外加热源的条件下，产水量随进料流量线性增加，这主要是由于液滴蒸发比较彻底，蒸发率基本可以达到80%以上；在无外加热源的条件下，产水量随进料流量增加而升高的幅度明显低于有热源的情况，这是由于纯闪蒸的蒸发动力较低，蒸发率只有15%左右。

2.4 雾化元件设置位置分析

图7为蒸发器加热温度为70 ℃、真空度为0.08 MPa、进料流量为2～5 L/h的条件下，雾化粒径为20 μm时，不同雾化器设置位置产水量随进料流量变化曲线。

图7 不同雾化器位置影响Fig.7 Influence of Different Atomizer Locations Rate

由图7可知，雾化器设置在蒸发器中部的产水量最低，这主要是由于雾化器设置在蒸发器中部，其雾化高度降低，液体雾化空间变小，雾化不够充分，液滴的颗粒分布密度、速度和尺寸不如其他两种设置位置均匀，因此影响其蒸发效率。雾化器设置在蒸发器上下两端的产水量相差不大，因为两种设置方式的雾化空间相同，但是由于试验装置蒸汽出口设置在蒸发器顶部，将雾化器设置在底部，液滴受重力作用，在蒸发器内停留时间更长，更有利于其蒸发作用。这一影响对于进料量大的工况表现得更为明显，主要是因为进料量小的工况下，液滴本身的蒸发较为彻底，而进料量大的工况下存在一部分未完全蒸发的液滴，通过调整雾化器位置可令这部分液滴得到充分蒸发，其作用也表现得更为明显。

3 结论

通过试验手段，对喷雾淡化雾化过程的几个影响因素进行了分析，结论如下。

(1)运行未达到饱和进料前蒸发温度随雾化粒径增大呈先增大后趋于平稳的趋势；达到饱和进料量后，蒸发温度随雾化粒径变化不明显，且装置的产水电导受粒径和流量影响不大，基本保持稳定。

(2)在有外加热源的条件下，液滴蒸发比较彻底，产水量随进料流量线性增加；在无外加热源的条件下，蒸发动力较低，产水量随进料流量增加而升高的幅度明显低于有热源的情况。

(3)对于雾化器的设置，将其设置在蒸发器中部影响其雾化的均匀性及其蒸发效率。将其设置在顶部或者底部，其蒸发效果差别不大，受重力影响，底部设置雾化器，可以增加液滴的停留时间，其蒸发效果最好。

[1]US AquaSonics Corp.Method for solid liquid separation in water based solutions:US,6299735[P].2001-10-09.

[2]高从堦,高学理,王铎,等.低位热能喷雾蒸发-多效蒸馏海水淡化方法及装置:中国，200710016189.3[P].2007-10-09.

[3]SECUNDA D J,MOTZ L.Liquid-solids separation process:US,4323424[P].1982-04-06.

[4]SOTERIS A,KALOGIROU.Design of a new spray-type seawater evaporator[J].Desalination,2001,36(18):345-352.

[5]MUTHUNAYAGAM A E,RAMAMURTHI K,PADEN J R.Low temperature flash vaporization for desalination[J].Desalination,2005,40(16):25-32.

[6]IKEGAMI Y,SASAKI H,GOUDA T,et al.Experimental study on a spray flash desalination (influence of the direction of injection)[J].Desalination,2006,41(12):81-89.

[7]MUTHUNAYAGAM A E,RAMAMURTHI K,PADEN J R.Modeling and experiments on vaporization of saline water at low temperatures and reduced pressures[J].Applied Thermal Engineering,2005,25(5/6):941-952.

[8]刘阳,王松岭,赵文升,等.直接空冷机组增湿系统中压力式雾化喷嘴的特性研究[J].发电设备,2008,30(4):285-287.

[9]李清廉,田章福,王振国.模型三组元喷嘴雾化SMD变化规律[J].国防科技大学学报,2001,23(6):9-12.