新型高效的海水淡化和供熱技術

CCSC大連分公司 王永智 劉 冬

目前海水淡化的方法主要有電滲法、反滲透、冷凍、蒸餾等多種方法，但上述方法均不太適用于船舶和鉆井平臺上，因為船舶和鉆井平臺是一個比較特殊的工作場所，船舶和鉆井平臺所用的海水淡化方法在很大程度上取決于選擇何種電力以及可供利用的外來熱源，在淡化成本上同樣取決于消耗的電力或外來熱源的成本。本文通過對噴霧汽化技術的研究，介紹一種適用于船舶或鉆井平臺海水淡化和供熱的新型高效技術。

噴霧汽化━海水淡化的應用

對于遠離陸地的船舶或海上鉆井平臺來說，淡水資源格外珍貴，目前主要的海水淡化技術大都需要大量的燃料或者電能，成本是制約海水淡化技術發(fā)展的主要因素，顯然船舶或鉆井平臺上選擇可供利用的電能或者熱源，以及迫切需要尋找與之相適用的海水淡化方法，就顯得尤為重要。

海水淡化產業(yè)工程效果圖

噴霧汽化技術也屬于霧化蒸發(fā)法（熱法），需要外來熱源，本文所說的噴霧汽化是指沸點溫度下的汽化，與通常所說的噴霧蒸發(fā)雖無本質區(qū)別，但通常所說的噴霧蒸發(fā)是指任何溫度下都可發(fā)生的一般指低位熱能（50℃～90℃）的蒸發(fā)現象。本文所描述的噴霧汽化技術的原理與美國佐治亞州的一家公司新研制出一種新型海水淡化設備“迅速噴霧蒸發(fā)”（RSE）的技術相類似，并且本技術還可高效地進行熱能轉化（供熱），實現能源和資源的綜合利用。該技術已經研究了很多年，但還沒有被開發(fā)，原因是該技術原本是作熱能轉換用的，研究的是噴霧汽化的傳熱機理，后來在研究的過程中發(fā)現應用在海水淡化上是非常理想的，并且這種技術設備本身具有一機多用的多功能特點。

據英國《新科學家》雜志報道，美國佐治亞州的一家公司研制出一種新型海水淡化設備，它使用了一種稱為“迅速噴霧蒸發(fā)”（RSE）的技術：含鹽的水通過管道噴霧進入分離室，形成非常細小的水滴；在分離室的熱空氣中，水滴迅速蒸發(fā)，水和鹽分等雜質分離；水蒸氣輸入凝結室成為純水，而鹽分則落在分離室的底部。據稱，新技術效率比現有的反向滲透等技術要高得多，淡化過程的費用只有現有技術的三分之一，RSE技術回收的效率可達95%，傳統(tǒng)技術只能達到35%，投資只有蒸餾法和反滲透法的四分之一，且運行維護成本大為降低。

新型/高效的噴霧汽化

技術原理。噴霧汽化—海水淡化的技術系統(tǒng)是由外來熱源、海水預處理裝置、噴頭（霧化器）、汽化室、自控裝置、冷凝裝置、物料（淡水、濃鹽水或鹽顆類）回收系統(tǒng)組成。噴霧汽化——海水淡化的原理是將海水通過噴頭顯霧狀噴入汽化室，汽化室內的溫度可采用船用柴油機廢氣余熱、風電或太陽能等進行加熱，霧化后的水滴形成彌散狀態(tài)，水滴體積很小，直徑一般在80μ m以內，比表面積很大，便于與汽化室內的熱量傳遞，水滴顆類在流出噴嘴出口的瞬間產生膨脹汽化，海水中的水分被瞬間汽化成為水蒸汽，水和鹽分等雜質分離，水蒸氣輸入凝結裝置成為淡水，而濃鹽水則落在噴霧汽化室的底部排出，或排到結晶槽中（制鹽），噴霧汽化過程中海水的濃縮倍率很高，鹽分可以結晶析出。

噴霧汽化的科學問題。噴霧汽化——海水淡化最重要的步驟是提高海水的汽化速率，而影響汽化速率的首要因素是海水的霧化效果，這涉及到噴嘴的結構和噴霧方式，涉及到系統(tǒng)的參數，還涉及到流體運動理論、界面效應、機械效應、液滴對流傳質等一些理論，噴霧汽化的理論仍落后于實踐。噴霧汽化——海水淡化的方法屬于熱法，但與傳統(tǒng)的蒸餾法相比卻有很大的區(qū)別，在熱量和質量傳遞上顯現出不尋常的特性：噴霧汽化一部分是利用物理的效應來增加水分子的內能，而傳統(tǒng)的蒸餾法完全是靠增加熱能的方法來提高水分子的內能；噴霧汽化主要是靠機械物理的方法來改變水分子團簇的結構，而傳統(tǒng)的蒸餾法完全是靠熱能來改變水分子團簇的結構；噴霧汽化傳熱是一種高效應的熱能轉換，而傳統(tǒng)的蒸餾法是低效應的熱能轉換；噴霧汽化具有很高的能效比，而傳統(tǒng)的蒸餾法熱效率很低；噴霧汽化是一種瞬間完成的汽化現象，而傳統(tǒng)的蒸餾法是一種緩慢的汽化現象；噴霧汽化的設備結垢傾向性小，而傳統(tǒng)的蒸餾法很容易結垢。

噴霧汽化——海水淡化過程的加熱方法，一般采用兩種工藝方法：一種方法是外來熱源通過先預熱空氣，然后將熱空氣通入汽化室直接加熱霧化的海水，海水霧滴在空氣的熱氣流中被迅速變成為水蒸汽。美國佐治亞州的一家公司新研制出一種新型海水淡化設備“迅速噴霧蒸發(fā)”（RSE）的技術就是采用熱空氣加熱的方法，但該方法存在水蒸汽冷凝時含高分率不凝結氣（空氣），而蒸汽中存在不凝結氣將嚴重阻礙冷凝過程，美國的這項技術采用的是水蒸汽被一組特殊的擋板截留。有研究發(fā)現，蒸汽中僅有0.5%的空氣就可使冷凝傳熱系數降低50%，一般的熱空氣直接加熱霧化海水的方法不凝結氣的質量分率高達50%～90%，因此，若采用熱空氣直接加熱霧化海水的方法必須有效地解決含高分率不凝結氣的蒸汽冷凝問題。該方法蒸汽冷凝過程時的汽化熱二次利用價值不高。另一種方法是外來熱源通過設備壁面或其它方式的熱交換使汽化室的內空間產生穩(wěn)定的高溫區(qū)，霧化后的海水在汽化室的內空間受熱被瞬間汽化成為水蒸汽。該方法蒸汽冷凝過程時的汽化熱有顯著的二次利用價值。

噴霧汽化——海水淡化的結垢問題。一般的熱方法受限于結垢和傳熱系數，噴霧汽化過程主要還是在汽化室內空間的汽-液界面完成，而在設備壁面進行的情況較少，設備結垢的傾向性小，海水霧化是靠流體的壓力以一定的流速噴射出來，實驗表明，液體流速增大可使結垢速率減小，噴霧的微射流會最大程度地破壞邊界層，阻止固體壁面結垢，大大減小傳遞阻力，即便是在設備壁面結垢也是一種很薄的松軟結合體，不會在設備壁面產生難以清除的硬結垢。

噴霧汽化的傳熱機理。在通常情況下，無論是淡水還是海水都是以分子團簇的形式存在的，淡水或海水都是高度內聚的。一般在直接加熱水的汽化過程中，隨著溫度的提高，水分子動能的增加，改變水分子團簇的結構比例，水分子間的氫鍵逐步斷裂，使水分子團簇變小，同時也需要克服水分子間的范德華力（水分子間作用力）和水的表面張力，才能汽化。噴霧汽化就是利用流體壓力和噴嘴的機械結構共同作用使氫鍵遭到破壞，引起水內部結構較大的變化，使締合的水分子團簇變小，形成細小的水分子。水分子團簇變小，水的溶解力、滲透力、擴散力等均有所增強，水的表面張力、氫鍵力有所減弱。有研究表明水的氫鍵力減弱，水分子間的范德華力也會減弱，這樣就有利于克服水在汽化過程中的表面張力、氫鍵力及分子間的范德華力，更有利于提高水的汽化速率。霧化后的水滴汽化速率快，這得益于比表面積很大、水分子間作用力和水的表面張力減小、傳熱系數顯著提高等因素，但水滴在汽化過程中的傳熱機理還有待于進一步探索。

噴霧汽化后的熱能利用。噴霧汽化本身是一個吸熱過程，在汽化的過程中要吸收大量周圍環(huán)境（汽化室）的熱量，不僅能夠進行海水淡化，而且還有一項重要作用就是汽化后（汽化潛熱）的熱能利用，一般有二種方法可供熱能利用，第一種方法是利用海水淡化后的汽化——冷凝過程，進行二次利用，提供船舶或鉆井平臺上采暖和熱水；第二種方法是利用淡水噴霧汽化，直接變成了高效的相變熱機，連續(xù)不斷地為船舶或鉆井平臺上的加熱設備進行供熱，相當于一個小型蒸汽鍋爐，可產生接近飽和蒸汽、過熱蒸汽。它的供熱用途主要包括：

1.用于船舶或鉆井平臺人員日常生活用的熱水、食堂蒸鍋的蒸汽熱源、衣物的烘干設備和其它高溫蒸汽的熱源；

2.直接用作冬季空調的（蒸汽）熱源或用于夏季吸收式制冷裝置的加熱源；

3.直接用于冬季船舶或鉆井平臺上除冰雪；

4.直接用于鉆井平臺特定情況下的石油熱采技術；

5.用于重油艙的加熱和保溫。

能源利用高效廣泛

噴霧汽化技術不但適用于普通的電能和外來熱源，而且特別適用于船用柴油機廢氣余熱利用，適用于風電或太陽能相結合，實現海水淡化和供熱，并具有新型高效的特點。

噴霧汽化——海水淡化能夠充分利用船用柴油機廢氣余熱，不僅可以廢熱利用，提高整個淡化過程的經濟效益，并且該技術是在任何溫度下都可發(fā)生噴霧蒸發(fā)（汽化）的現象。

海上鉆井平臺是一個變工位的工作場所，要有生產運行維修和保障措施的基本條件，一般都有一定的能源裝備，有的配備了發(fā)電機組，有的配備了風電和太陽能設備。風力發(fā)電由于受本身固有的波動性（不穩(wěn)定）、間歇性的影響，同樣太陽能因時間段和天氣的原因，本身也具有不連續(xù)性和一定的波動性，因此風電或太陽能海水淡化與供熱受到了很大限制，然而以噴霧汽化技術為核心的風電海水淡化和供熱卻能夠很好地適應風電大幅度的波動，噴霧汽化技術的一個主要性能是能夠根據不同工況條件下做出快速響應，因為噴霧汽化技術能夠做到隨汽化室的溫度變化自動調節(jié)海水的霧化量，保證海水的淡化或供熱效果。而太陽能與噴霧技術相結合，更是優(yōu)于傳統(tǒng)的太陽能蒸餾技術。

因此若將噴霧汽化技術與船用柴油機廢氣余熱相結合應用在船舶上，或與風電/太陽能相結合用于海上鉆井平臺上，實現海水淡化及供熱，將解決淡水、供熱與環(huán)境之間的矛盾，這是一種全新的海水淡化和供熱技術。

新型高效的船舶或鉆井平臺用海水淡化與供熱技術系統(tǒng)的特點：

1.運行啟動快（冷機開機制水或供熱時間＜3min）。

2.設備體積小，模塊化靈活組合，根據淡水的需求量配置獨立模塊，可多可少。

3.設備維修簡單，全自動控制，系統(tǒng)溫度可調，隨時可以開機停機。

4.該技術系統(tǒng)可以常壓，也可有壓，滿足系統(tǒng)循環(huán)；供熱多樣化，可以供蒸汽、采暖、供熱水等。

5.根據需要利用汽化——冷凝過程，提供船舶或鉆井平臺采暖和熱水，并且濃鹽水可結晶制鹽，實現淡水、供暖、制鹽（鹽化工）三聯產。

噴霧汽化——海水淡化技術的優(yōu)勢明顯，是否適合大規(guī)模應用還有待于驗證，但噴霧汽化—海水淡化技術具有汽化速率高、模塊化靈活組合、能效比高、適用性強、一機多用、海水濃縮倍率高、維護簡單等特點，適于與供熱技術以及其它淡化方法相結合，以降低綜合成本，且避開了現有海水淡化過程中原料水預處理難度大、投資和操作費用高等特點，特別是有效地解決了傳統(tǒng)海水淡化過程中的濃鹽水排放問題，對保護環(huán)境特別有利，因而在特定的淡化環(huán)境中將有獨到之處，將解決淡水、供熱與環(huán)境之間的矛盾，實現能源和資源的綜合利用，具有顯著的發(fā)展趨勢。