船舶主机烟气余热海水淡化装置设计

周新院，曹爱霞，何祥宁

（青岛黄海学院，山东青岛266427）

0 引言

自石油危机以来，各国都意识到了能源的重要性，作为主要运输工具的船舶，其能量利用率成为了研究的热点。船舶的主要推进装置柴油机热效率最高达到了50%，但仍有近一半的能量没有得到有效利用，因此，回收船舶余热成为提高船舶能效的有效手段。尤其是新船能效设计指数（EEDI）的实施，更是使提高能量利用率迫在眉睫。船舶上不论是人员日常生活还是机械设备运转，淡水都是不可或缺的资源[1]。而船舶自身携带淡水量有限，淡水也不易长时间储存，并且会影响船舶装载，对船舶续航力会带来不利影响，因此船上大都设有海水淡化装置，来满足日常生活及机械设备需要。现在技术较为成熟且应用最多的是真空蒸馏法，此种方法虽然是将主机缸套冷却水作为热源，但由于温度较低需要制造真空环境，能量耗费较大，而主机排烟温度在300℃上下，不需要真空环境，是较为理想的热源[2]。因此本文设计了一种新的船舶海水淡化系统，将船舶主机烟气余热、冷却水余热作为主要热源制淡。

1 船舶热量转化

燃油经过船舶柴油机产生热量主要向四个方面转化：一是机械能，主机将燃油燃烧的热能转化为机械能，通过带动螺旋桨转动，实现船舶前进或倒航，这部分能量得到了较为充分的利用；二是柴油机排气携带一定热量，这部分热量是排气阶段从气缸中排出的，属于高品位能量，能够较好实现余热回收，一般先利用其动能，然后再回收热能，主要设备是废气涡轮、动力涡轮、余热锅炉、汽轮机等；三是冷却介质带走的热量，这部分热量是保障主机正常运转所必需的耗费，由于冷却介质大部分是水，水有着比热容大、热传导系数高等优点，因此，利用这部分能量进行海水淡化的装置使用比较广泛；四是其他的热量消耗，主要是通过主机机体本身以及各类冷却器耗散掉的热量，这部分热量的品位较低，较难被利用，回收价值不高。

2 海水淡化装置

海水淡化技术是解决船舶淡水资源短缺的主要方法，除了日常饮用、洗漱，船舶淡水主要用于机械设备运行，如船舶辅锅炉等。海水淡化技术发展至今较为成熟的有蒸馏法、膜分离法、结晶法等[3]。而目前使用较为广泛的是蒸馏海水淡化技术和反渗透海水淡化技术。

2.1 蒸馏法

蒸馏法的基本原理是盐分几乎不溶于低压蒸汽。海水是混合物，其中的水作为溶剂存在，由于水的蒸发温度相对于其他物质低，因此通过加热即可使水以水蒸气的形式分离出来，再将水蒸气进行冷却即可得到蒸馏水，从而实现海水淡化。具体应用技术如下：

2.1.1 多效蒸馏海水淡化技术

多效蒸馏海水淡化技术是船舶海水淡化使用最早的方法，在真空环境下由船舶主机缸套冷却水提供热量，实现海水淡化，具有适用性强、淡水纯度高、设备结构简单的优点。蒸馏法分为单效蒸馏和多效蒸馏，随着对淡水需求量的增加，目前在大型船舶上广泛使用的是多效蒸馏技术，多个蒸发器串联使用，前面产生的蒸汽作后边的热源，增加蒸发器数目可以有效提高淡水产量。此技术的缺点主要是容易结垢，进而影响传热，使产水效率降低。

2.1.2 闪发式海水淡化技术

将海水加热到高于闪发室环境中的蒸发温度后，输送至具有一定真空度的闪发室中，海水迅速转变为水蒸气，淡水量需求大的船舶可以串联多个闪发室。该技术实现了海水加热与蒸发的分离，因此有效减少了结垢问题，并且具有较高的产水量，淡水纯度也高，缺点就是能耗较高。

2.1.3 热力蒸汽压缩式海水淡化技术

预热后的海水在蒸发器中受热形成蒸汽，将产生的蒸汽进行压缩提升其温度和压力，然后送回蒸发器中作为海水蒸发的热量，蒸汽放热后凝结成淡水，淡水还可用于预热海水，由此形成一个循环。热压缩整流技术压缩机的工作基于在喷射器中高压蒸汽能够引射低压蒸汽的原理，合成中压蒸汽，依此实现低压蒸汽的循环利用。此技术能耗低，效率高，但容易结垢，设备价格昂贵。

2.1.4 机械压缩式海水淡化技术

工作原理与热压缩蒸馏技术相同，差别在于蒸汽压缩的原理不同。机械压缩式是在电动压缩机上实现温度和压力的增加，然后送回蒸发器中作为热源蒸发海水。此技术不需要热源，只消耗电能即可实现，在没有余热可用的船舶上使用。

2.1.5 热泵式海水淡化技术

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，可以以逆循环的方式使热量从低温向高温转移的机械装置[4]。热泵系统中的冷凝器和蒸发器在该技术中发挥加热器和冷凝器的作用，在真空下实现闪发，蒸汽在蒸发器处冷却形成淡水。但由于热泵工质的临界温度一般不高，因此产水量很有限，实用价值不高。

2.2 膜分离法

2.2.1 反渗透海水淡化技术

反渗透海水淡化技术又被称为超过滤法。1973年杜邦公司中空纤维膜的问世使反渗透海水淡化技术在船舶上的应用成为现实。该技术利用反渗透膜实现海水中的水和其他物质分离，从而实现对淡水的提纯。其核心是一种具有选择性的膜，只有一种物质能够顺利通过，从而实现此种物质的提纯，海水淡化就是利用了此特性。海水在正向压力的作用下，其中的水透过渗透膜，而其他物质则被渗透膜阻止通过，从而实现淡水的提纯。该技术耗能较低，但是对海水的清洁程度有较高要求，维护成本高，主要的花费是在渗透膜的维护和更换上。

2.2.2 电渗析海水淡化技术

新型离子交换膜的成功问世是其走向实际应用的标志。与反渗透海水淡化技术不同，渗析是使用特定的离子交换膜选择只让海水中的溶质通过，从而实现海水的淡化。电渗析海水淡化技术具有设备简单、操作方便、适用范围广等优点，但能耗较高，并且对于惰性粒子无法有效处理，因此应用受到限制。

3 新型海水淡化装置系统设计

新世纪能源危机波及全球，并愈发严重，节能减排越来越受到世人重视。海水淡化装置是船上必备设备之一，其节能性能的优劣对于船舶节能有着直接影响，因此在分析各类海水淡化技术优缺点的基础上，以节能减排为出发点，设计了新型海水淡化装置，回收船用主机排气、冷却水等余热，应用蒸馏技术与反渗透膜相结合的方式综合考虑节能降耗、投入成本等问题。

3.1 系统设计

在充分分析各种海水淡化技术的基础上，选取蒸馏法与反渗透技术设计海水淡化系统方案，发挥两种方法各自的优势，采用多次逐步加热的形式，充分回收利用船舶余热，增加产水率，提升淡水纯度。新型海水淡化系统流程如图1所示。

图1 新型海水淡化系统流程图

海水经过粗滤之后首先流经冷凝器，用于冷却水蒸气、凝结淡水，海水初步加热，然后流入船舶主机冷却水系统，再次加热后通过雾化喷头将海水雾化后喷洒到烟气盘管上，部分海水受热汽化形成水蒸气，上浮至装置上部冷凝形成淡水汇集到集水盘中，剩余浓海水直接落到装置底部；在底部设置有反渗透膜组件，由于装置处于封闭状态，雾化的海水以及产生的蒸汽使海水侧保持在正压状态，提供反渗透膜组件工作的压力，压力大小通过压力调节阀实现，在压力作用下，水穿过反渗透膜实现淡水提纯，过多的海水直接排除舷外。船舶柴油机的高温排气直接从装置底部引入装置加热盘管，回收后低温烟气从装置上部排出。

3.2 性能分析

新型的海水淡化装置采用了蒸馏技术和反渗透式技术，充分回收船舶余热进行海水淡化，提升船舶能源利用率，节能减排效果明显。对比传统海水淡化装置，具有以下特点：

第一，该装置将船舶烟气余热作为热源进行海水淡化，加热温度较高，不需要真空环境，节约了真空制造成本，另外，反渗透膜件的工作压力也由系统本身提供。第二，加热盘管采用高效螺旋带有翅片的316L不锈钢，具有良好的耐海水腐蚀性能，高温强度优秀，是较为理想的热交换器管路制作材料。翅片增大换热面，提高换热效率，增大蒸汽产量，从而提升淡水产量。第三，进入装置的海水通过雾化喷头进行雾化，雾化的海水喷射到加热盘管表面，在加热盘管表面形成连续的水膜，提高蒸汽产量，进而提升淡水产量。第四，装置处于密封状态，由于水蒸气的产生以及海水雾化，使得容器下部膜件海水侧的压力高于淡水侧，即产生压力差，反渗透膜件发挥作用实现海水淡化，压力大小可以通过调节压力调节阀实现。第五，由于海水需要雾化，反渗透膜组件对海水清洁程度要求较高，因此海水需要进行预处理，保证清洁程度，增加了设备配置。第六，装置的热源是船舶柴油机排气和冷却水余热，因此装置的工作状况受主机工作状况影响较大，船舶主机处于变工况运转时，海水淡化装置工作因烟气温度变化致使稳定性受到影响。

4 总结

海水淡化装置作为船舶装配的重要设备，不管是结构形式和维护保养以及节能降耗，在以往均存在一定不足。近年来随着研究的深入，新的海水淡化技术不断涌现，尤其在当前节能降耗的大形势之下，海水淡化技术的发展着重于船舶余热的回收利用。文中设计的海水淡化装置，采用蒸馏技术和反渗透技术结合的方式依次加热海水，逐步提高海水温度，充分利用船舶余热能量，提升淡水产量。此装置充分发挥了两种技术各自的优势，为今后利用船舶余热的海水淡化装置的设计提供一定的参考。