新型高效的船舶及海洋工程海水淡化技術(shù)

廈門建發(fā)船舶貿(mào)易公司 謝正祥

新型高效的船舶及海洋工程海水淡化技術(shù)

廈門建發(fā)船舶貿(mào)易公司 謝正祥

節(jié)能環(huán)保要求的提高對傳統(tǒng)海水淡化裝置提出了更高要求，而新技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)節(jié)能增效的重要手段。該文介紹了一種新的低成本“噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)”，通過闡述該技術(shù)的原理、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)優(yōu)勢以及技術(shù)發(fā)展所面臨的問題，結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，對相關(guān)企業(yè)提出了建設(shè)性意見。

新型海水淡化裝置 噴霧蒸發(fā) 技術(shù)優(yōu)勢

隨著傳統(tǒng)造船業(yè)的不斷發(fā)展和普通商船的飽和，全球各造船機(jī)構(gòu)開始向高端船舶和海洋工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，同時促使船舶海水淡化市場向高端船舶和海洋平臺轉(zhuǎn)變，豪華游輪和多人居住的海洋工程裝備船的市場前景非常廣闊。目前，我國船舶企業(yè)積極貫徹落實《海洋工程裝備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，加快發(fā)展海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)，交付和承接了一批先進(jìn)產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計，2014年我國海上鉆井平臺和裝備制造商共計獲得167座鉆井平臺訂單，占全球市場份額的40.1%，新訂單的總價值為139億美元[1]。而在豪華游輪領(lǐng)域，隨著普通商船的飽和，國內(nèi)各大船企和研究機(jī)構(gòu)都將目光轉(zhuǎn)向這顆位于造船業(yè)頂端的明珠，面對國內(nèi)亟待開發(fā)的巨大豪華游輪旅游市場，各大船企無不對該行業(yè)前景寄予厚望，近期滬東船廠游輪項目的簽約打開了國內(nèi)豪華游輪制造的新篇章，福船集團(tuán)的游輪項目也在有序推進(jìn)。因此，海洋工程和豪華游輪領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展在一定意義上也會促進(jìn)海洋淡化成套裝置市場的發(fā)展。

目前海水淡化的主要方法有蒸餾法、反滲透法、電滲法等，而這些海水淡化技術(shù)大都需要大量的燃料或電能，船舶和鉆井平臺的海水淡化成本主要取決于消耗的電力或外來熱源，成本是制約海水淡化技術(shù)發(fā)展的主要原因。為了降低海水淡化的成本，業(yè)內(nèi)人士開始將目光轉(zhuǎn)向成本更低的噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)。其投資只有蒸餾法和反滲透法的1/4，而且其淡水回收率高達(dá)90%以上，運行維護(hù)成本也能大幅降低[2]。

1 噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性分析

1.1 噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)

噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)是由“迅速噴霧蒸發(fā)”（RES）技術(shù)發(fā)展過來的，“迅速噴霧蒸發(fā)”技術(shù)原本是用來研究噴霧汽化的傳熱機(jī)理，后來在研究過程發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在海水淡化上非常理想。由于噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)所要求的蒸發(fā)溫度不高（50～90℃），因此特別適合使用低位熱能作為熱源，目前所研究的低位熱能主要包括工廠廢熱和太陽能等。海水或空氣被低位熱能預(yù)熱，熱能以顯熱形式存儲其中，最后在蒸發(fā)過程中為水分提供氣化潛熱。

2015年8月，英國《新科學(xué)家》雜志報道，美國奧克索尼克斯（Aquasonics）公司推出了一項噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)，其鉆井平臺和船舶噴霧蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)圖分別如圖1和圖2所示。該技術(shù)利用一組內(nèi)徑0.2～1.5mm的噴頭將進(jìn)料海水的速度增加到200～300m/s，然后將其導(dǎo)入到蒸發(fā)室，海水被分散成30～100μm的霧滴，并在熱空氣流中迅速變成水蒸氣，水蒸氣被特殊的擋板攔截住，而鹽分則變成固體顆粒沉淀下來。Aquasonics公司運用該技術(shù)所得到的淡水，和傳統(tǒng)技術(shù)相比節(jié)省50%以上的建設(shè)投資和運行費用，淡水回收率超過90%，如果能夠結(jié)合低成本熱源，造水的成本有望達(dá)到0.15美元/ t，分離出來的鹽分可以制成工業(yè)用鹽[3]。

圖 1 陸基海水淡化系統(tǒng)圖

圖2 船舶海水淡化系統(tǒng)圖

1.2 噴霧蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

噴霧蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)由外來熱源、海水預(yù)處理裝置、噴頭（霧化器）、汽化室、自控裝置、冷凝裝置、物料（淡水、濃鹽水和鹽顆粒）回收系統(tǒng)組成。對這套系統(tǒng)進(jìn)行成本核算，成本花費約為5000美元，生產(chǎn)成本0.2美元/噸，生命期限20年，由于這套設(shè)備基本不需要運行成本，只需要一些跟蹤和調(diào)試系統(tǒng)的維護(hù)工作，因此其投資回報期相當(dāng)短，僅需6個月。該系統(tǒng)最大的蒸發(fā)表面積約為0.0706m2（直徑為0.3m），如果將最大蒸發(fā)面積擴(kuò)大到0.706 m2（直徑為0.9m），此時的安裝成本基本不變，但是其淡水的生產(chǎn)成本將可降至0.16美元/ t。在蒸發(fā)室溫度51℃、相對濕度90%，水滴直徑小于40μm的條件下，該系統(tǒng)造水的能耗約為5.2kW·h/m3，也比常規(guī)蒸餾淡化法成本（10～30 kW·h/m3）低很多。

2 噴霧蒸發(fā)海水淡化的技術(shù)優(yōu)勢和前景分析

2.1 噴霧蒸發(fā)海水淡化的主要技術(shù)優(yōu)勢

（1）建設(shè)投資和運營費用相對較低。噴霧蒸發(fā)海水淡化的主要裝置是高精度噴頭，相對于傳統(tǒng)方法少了一套蒸餾裝置或者反滲透裝置，使得其投資和運營費用相對較低。

（2）除噴頭部件以外，其他地方的操作壓力多為常壓，操作溫度一般也在50℃～90℃，便于使用低品位熱能（船用柴油機(jī)的廢氣余熱）作為能源，可以提高淡化過程的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于應(yīng)用價格低廉容易取得的高分子材料來制作設(shè)備。

（3）氣化過程是在氣—液界面而不是在設(shè)備的壁面進(jìn)行，因此設(shè)備的結(jié)垢傾向小，對海水的預(yù)處理要求也比較低。

（4）該種設(shè)備理論上可以將99%以上的海水轉(zhuǎn)化為淡水且達(dá)到零排放，對保護(hù)環(huán)境方面非常有利，作為副產(chǎn)品的鹽漿附加值很高，可用于建材、化工等行業(yè)。

2.2 噴霧蒸發(fā)海水淡化的前景分析

該技術(shù)淡化過程的費用和運行維護(hù)的成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)（蒸餾法和反滲透法），但是其海水淡化的回收率高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)（蒸餾法和反滲透法）35%的回收率。

這種高效的效率以及低廉的投資成本引發(fā)了人們對這種新興技術(shù)的高度重視，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)受困于高昂的投資和低下的效率，噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)作為一種新興的海水淡化技術(shù)，將會占據(jù)很大部分的海水淡化市場。從市場前景來看，政府在最近幾年陸續(xù)出臺了諸多利于新型海水淡化行業(yè)的政策之后，海水淡化行業(yè)迎來了新一輪的發(fā)展，噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)以其高效的效率和低廉的成本有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 噴霧蒸發(fā)海水淡化發(fā)展所面臨的問題

3.1 噴霧蒸發(fā)海水淡化距離規(guī)?；瘧?yīng)用還有一段距離

目前，國內(nèi)船用海水淡化裝置研究單位主要有：中船重工704研究所、711研究所、國家海洋局下屬的天津海水淡化與綜合利用研究所、南京綠洲機(jī)械廠、西北工業(yè)大學(xué)、海軍工程大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等，但是這些研究機(jī)構(gòu)主要是研究蒸餾淡化裝置，并沒有投入到噴霧蒸發(fā)海水淡化裝置的研究上。在國外也只有少數(shù)一些公司在研發(fā)噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)，技術(shù)還不是相當(dāng)?shù)某墒?，也只有美國的奧克索尼克斯公司取得了一定成績，也只是應(yīng)用在小型船舶和鉆井平臺上，是否能夠進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用還有待考證。

3.2 噴霧蒸發(fā)海水淡化產(chǎn)業(yè)化仍需大量資金投入

目前蒸餾法和反滲透法海水淡化在全世界各國船舶海水淡化市場中都占據(jù)主導(dǎo)地位，因為這些方法研究的時間比較長，技術(shù)得到不斷改進(jìn)和發(fā)展，廣泛運用于各種場合，因此更具有說服力。而通過噴霧蒸發(fā)海水淡化所制得的淡水量和傳統(tǒng)方法制得的淡水量相比不具備可比性，因此，噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的支持者更多強(qiáng)調(diào)的是未來的發(fā)展趨勢。

截至2014年下半年，我國已建海水淡化工程裝機(jī)容量為67.4萬t /日，其中蒸餾法淡化產(chǎn)量為19.6萬t /日，反滲透法的產(chǎn)量為47.2萬t /日[4]。海水淡化市場上基本都是使用蒸餾法和反滲透法來制取淡水，這也說明了用噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)制取淡水實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍需大量的資金投入。

4 船舶新型海水淡化關(guān)鍵技術(shù)的建議與思考

隨著新型材料和海水淡化技術(shù)的應(yīng)用，船舶海水淡化將朝著高效率、低成本及節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。而噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)作為一項工程技術(shù)創(chuàng)新，順應(yīng)了新的時代發(fā)展潮流，同時也面臨著新的發(fā)展機(jī)遇。

在船舶與海洋工程裝備領(lǐng)域，我國出臺了《海洋工程裝備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》《2015—2020年船舶行業(yè)深度分析及“十三五”發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)報告》《中國制造2025》，進(jìn)一步明確了海水淡化技術(shù)裝備在船舶及海洋工程領(lǐng)域的重要性，政府的高度重視使海水淡化行業(yè)迎來了大發(fā)展的機(jī)遇，企業(yè)只有搶占先機(jī)才能成為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，結(jié)合國內(nèi)造船和航運企業(yè)未來發(fā)展的趨勢，提出如下建議：

4.1 新技術(shù)有利于拓展修造船板塊的節(jié)能改造業(yè)務(wù)

企業(yè)的發(fā)展應(yīng)響應(yīng)國家總體戰(zhàn)略，國內(nèi)造船及航運企業(yè)面臨越來越激烈的市場競爭，發(fā)展新型的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行降本增效已勢在必行。結(jié)合噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)較高的生產(chǎn)效率和較低的生產(chǎn)成本，無疑未來在船舶及海洋工程領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間和潛力。建議國內(nèi)各造船及研究機(jī)構(gòu)對噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)進(jìn)行充分研究，特別是對該技術(shù)在船舶及海洋工程應(yīng)用上的投資情況進(jìn)行充分調(diào)研和分析，拓展修造船節(jié)能技術(shù)改造業(yè)務(wù)。

4.2 增強(qiáng)船舶新型海水淡化關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力

可采用相關(guān)企業(yè)和技術(shù)研發(fā)中心相結(jié)合的研發(fā)模式，進(jìn)行船舶海水淡化關(guān)鍵技術(shù)和方法研究。

噴霧蒸發(fā)海水淡化過程最重要的步驟是海水的蒸發(fā)，海水的蒸發(fā)率主要取決于霧化效果，因此噴霧的方式和噴頭設(shè)計就顯得尤為重要。建議中遠(yuǎn)研發(fā)中心既要針對噴霧方式進(jìn)行深入研究，重點研究噴霧角度對海水蒸發(fā)過程的影響，噴霧角度的大小決定了液滴的沉降速率，沉降速率密切關(guān)系到海水的淡化時間。也要研究噴頭直徑和噴頭形狀對海水蒸發(fā)的影響，這兩者決定了生成液滴的大小和分布的均勻性，合適的液滴大小和均勻的分布，可以提高傳熱效率，從而降低能耗。

4.3 通過新技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)降本增效

近年來，由于世界各地船舶能效標(biāo)準(zhǔn)越來越高，以及航運公司降本增效的要求，各大船舶公司都積極采取措施，利用新技術(shù)努力推行節(jié)能減排。

噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)以其低成本、高效率的特性得到大家的青睞，建議國內(nèi)航運企業(yè)將這種新型的海水淡化技術(shù)與自動控制技術(shù)結(jié)合起來，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)在海水淡化控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，這些控制技術(shù)可以減輕船員的操作強(qiáng)度，同時可以提高船體的可靠性及智能化。特別是船體在不同海域或氣候下能夠自動調(diào)節(jié)工作壓力、海水的進(jìn)水量、產(chǎn)水量以及水質(zhì)等，保證裝置的最佳運行。并且通過該典型案例，以點帶面，全面帶動各類船舶的各項節(jié)能措施的堅定貫徹和廣泛開展。

總之，新型船舶海水淡化技術(shù)的發(fā)展將會掀起一場革命性的浪潮，現(xiàn)有的基礎(chǔ)、科技和經(jīng)驗都要隨之改變和革新。勇于在新領(lǐng)域和新市場開拓創(chuàng)新，敢于率先進(jìn)行深入研發(fā)并投入實用的企業(yè)，將會在如今競爭激烈的船舶市場中取得先機(jī)，大大提升企業(yè)的市場競爭力。

[1] 2014年海洋工程裝備市場回顧[EB/OL]. (2015-02-15).http://www.chinaship/analysis/2564.html.

[2] 王永智, 劉冬. 新型高效的海水淡化和供熱技術(shù)[J]. 中國船檢，2015(8): 93-95.

[3] 成懷剛, 高從堦. 噴霧蒸發(fā)海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工，2008(2): 19-22.

[4] 阮國嶺：海水淡化產(chǎn)業(yè)潛力巨大[EB/OL]. (2015-09-24). http://www.chinashipnews.com.cn/show.php?contentid=5773.