太陽能海水（苦咸水）淡化系統(tǒng)的應(yīng)用

崔夏菁 壽好芳

摘 要：鶴壁市部分農(nóng)村地區(qū)長期存在飲水安全問題，部分村民生活在高氟區(qū)、高鹽區(qū)和高污染水區(qū)，飲用水水質(zhì)較差，直接威脅著人們的身體健康。我市雖已投入大量財(cái)力物力，通過尋找潔凈水源的方法來解決這一問題，但是這種現(xiàn)象仍然存在，這與我市建設(shè)生態(tài)之城的總方向極為不符。如何在不開辟新水源的情況下，對水質(zhì)較差的苦咸水進(jìn)行淡化，使其轉(zhuǎn)化為能夠直接飲用的淡水，不僅節(jié)省大量資金，又符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，這是本文研究的核心。

關(guān)鍵詞：太陽能；苦咸水淡化；生態(tài)之城

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的急劇增加，資源的過度開采，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，城市環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。能否處理好城市在快速健康發(fā)展的同時(shí)，不破壞周圍的環(huán)境，不對人們的生存的城市環(huán)境造成威脅，已成為各國政府在城市建設(shè)中工作的重點(diǎn)，建設(shè)生態(tài)城市是遵循城市發(fā)展規(guī)律、順應(yīng)時(shí)代潮流的必然選擇[ 1 ]。生態(tài)城市建設(shè)系統(tǒng)主要有四個(gè)方面構(gòu)成：基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)、自然生態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)城市建設(shè)應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，即形成“低投入、高產(chǎn)出、低排放、低污染”的高效運(yùn)行模式；運(yùn)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，它的模式是資源-產(chǎn)品-廢物-再生資源-再生資源產(chǎn)品，物質(zhì)和能量得到了合理的、持久的、高效的、循環(huán)的利用，對自然環(huán)境的影響降低到了最小程度[ 1 ]。

鶴壁市常年性河流有衛(wèi)河、淇河和共產(chǎn)主義渠，另有中、小型水庫20座，水資源較為豐富。但是，可利用水資源嚴(yán)重不足，太行山地是石灰?guī)r地帶，地表水滲露嚴(yán)重，更加重了水資源的缺乏。平原區(qū)地下水資源較為豐富，但是由于長期的超采，地下水降落漏斗不斷擴(kuò)大[ 2 ]。鶴壁市屬資源型缺水城市，鶴壁市大部分地區(qū)地下水含氟量較高，在泊洼易澇區(qū)和地勢低的區(qū)域，含鹽量較高，是河南省地下水含氟、含鹽量較高的地區(qū)之一[ 3 ]，特別是農(nóng)村地區(qū)，人們長期飲用高氟水、苦咸水、被污染水，直接威脅著人們的身體健康。

自2006年起，我市急需解決的不安全飲水人數(shù)為37.4萬人。據(jù)悉，自鶴壁市農(nóng)村飲水安全工程建立以來，政府每年都投資上千萬元用于解決這一問題，其中涉及鶴山區(qū)、淇濱區(qū)、淇縣、?？h等部分村莊。這一做法雖解決了部分群眾的吃水問題，但是每年都要耗巨資用于打井、引水、管網(wǎng)延伸等，不僅消耗大量財(cái)力物力，而且從長遠(yuǎn)考慮，不利于水資源的可持續(xù)發(fā)展。

盡管鶴壁市在環(huán)境建設(shè)方面已經(jīng)取得了一些成績，比如退耕還林、加大城區(qū)綠化面積等，但是也存在諸多不足，從資源能源方面來看，人民生產(chǎn)、生活的能源還是主要依賴煤炭，煤炭開發(fā)量逐年增大，而清潔能源的使用率很低，能源多樣性較差；在自然環(huán)境生態(tài)方面，水資源污染嚴(yán)重，地下水開采過度。結(jié)合我市水資源實(shí)際情況，提出了利用太陽能進(jìn)行苦咸水淡化的方案。我市有豐富的太陽能資源，充分利用這一清潔可再生能源進(jìn)行苦咸水淡化，將不適宜飲用的水淡化為可直接飲用水，投資一次即一勞永逸，不僅能徹底解決我市部分群眾飲水安全問題，而且符合可持續(xù)發(fā)展這一戰(zhàn)略思想，必將為我市建成生態(tài)之城添上濃墨重彩的一筆。

1 多效蒸餾/多級(jí)閃蒸流程

在作者之前的研究中，已對一套利用太陽能驅(qū)動(dòng)的順流五效蒸餾/四級(jí)閃蒸的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析[ 4 ]，通過建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在給出的設(shè)計(jì)工況下計(jì)算出了換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

多效蒸餾/多級(jí)閃蒸太陽能海水淡化裝置由太陽能集/蓄熱子系統(tǒng)和多效蒸餾/多級(jí)閃蒸海水淡化子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)內(nèi)蒸餾器全部采用水平管外降膜蒸發(fā)方式來強(qiáng)化蒸餾過程熱、質(zhì)傳遞。順流五效蒸餾/四級(jí)閃蒸太陽能海水淡化裝置流程簡圖如圖1所示。

2.1 太陽能集/蓄熱子系統(tǒng)

真空管（或平板）太陽能集熱器內(nèi)部的水吸收太陽輻射溫度升高，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，熱水循環(huán)泵啟動(dòng)，熱水流入蓄熱水箱進(jìn)行循環(huán)，蓄熱水箱內(nèi)的水溫逐漸升高。

當(dāng)水溫升高到設(shè)定值（65℃）后，被送入第一效蒸餾器的水平橫管中，作為熱源加熱滴淋下來的海水（苦咸水），熱水由于釋放出大量的熱量而導(dǎo)致溫度降低。降溫后的熱水經(jīng)由換熱器跟海水（苦咸水）發(fā)生熱量交換后溫度進(jìn)一步降低，最后重新流入集熱器內(nèi)吸收太陽能。熱水在太陽能集熱器、蓄熱水箱和太陽能海水淡化子系統(tǒng)之間進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，直至熱水溫度降低到不足以驅(qū)動(dòng)海水淡化子系統(tǒng)為止。

2.2 多級(jí)閃蒸/多效蒸餾海水淡化子系統(tǒng)

首效蒸餾器由太陽能加熱的熱水提供熱量，海水在首效蒸餾器的水平管外進(jìn)行降膜蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣作為熱源通入第二效蒸餾器的水平管中，水蒸氣在管內(nèi)放熱冷凝成淡水匯集在淡水箱中，而濃海水則繼續(xù)被通入下一效蒸餾器中進(jìn)行降膜蒸發(fā)。最末效蒸餾器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽及上一效蒸餾器內(nèi)凝結(jié)的水一起進(jìn)入冷凝器內(nèi)被冷卻海水冷凝并流入淡水罐，最后被淡水泵抽出。冷凝器出口的冷卻海水分出一部分，經(jīng)過濾處理后與末效蒸餾器出口的部分濃海水混合作為淡化用海水。這部分海水又進(jìn)入海水/熱水換熱器加熱到近飽和溫度后進(jìn)入首效蒸餾器并淋滴在水平管束上。

本裝置通過小溫差降膜蒸發(fā)、設(shè)置海水/熱水換熱器、回收末效濃海水熱量等方法回收了系統(tǒng)余熱，提高了設(shè)備的效率，提高了產(chǎn)水率。

3 結(jié)論

根據(jù)以上內(nèi)容，可設(shè)計(jì)制造出一臺(tái)苦咸水淡化裝置，建設(shè)在我市農(nóng)村地區(qū)，將不適宜飲用的苦咸水直接通入該系統(tǒng)中，即可得到直接飲用的淡水，無需再投入資金進(jìn)行打井、引水、管網(wǎng)延伸等工程，從而徹底解決我市農(nóng)村地區(qū)人民的吃水問題，為我市建設(shè)生態(tài)之城增添一份力量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯光軒.鶴壁市生態(tài)城市建設(shè)的SWOT分析：[碩士論文][D].新疆：新疆師范大學(xué)，2012.

[2] 張健.鶴壁市生態(tài)城市環(huán)境指標(biāo)體系優(yōu)化：[碩士論文][D].河南：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 劉萍，劉巖，李付江.農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)方法探討——以河南省鶴壁市為例[J].河南科學(xué)，2013，31（6）：846—849.

[4] 徐士鳴，崔夏菁，陳順全.多效蒸餾/多級(jí)閃蒸太陽能海水淡化系統(tǒng)數(shù)值模擬：第1部分——模型建立及設(shè)計(jì)工況下?lián)Q熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)確定[J].可持續(xù)能源，2012，2（3）：61-67.

作者簡介：崔夏菁（1987-），女，研究生學(xué)歷，碩士學(xué)位，助教，研究方向?yàn)樘柲芎Ｋ?/p>