光伏光熱—擴(kuò)容蒸發(fā)—膜蒸餾海水淡化裝置

王曉婷

摘 要：光伏光熱-擴(kuò)容蒸發(fā)-膜蒸餾海水淡化裝置包括光伏光熱組件、擴(kuò)容蒸發(fā)濃縮、真空冷凝和膜蒸餾四個部分。利用光伏光熱系統(tǒng)吸收太陽能，產(chǎn)出電能和熱能擴(kuò)容部分所得淡水可達(dá)優(yōu)質(zhì)飲用水標(biāo)準(zhǔn)（20ppm以下）；膜蒸餾利用擴(kuò)容所得疏水的低品位熱，通過溫度差和濃度差產(chǎn)生大量低品質(zhì)淡水（400ppm以下），實(shí)現(xiàn)能量梯級利用與綜合利用。低品位熱能利用于海水淡化可降低淡水成本，具有很大的應(yīng)用潛力和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

背景及意義

目前，我國某些孤島以及青海、西藏等高原地帶日常生活所需淡水多從大陸或附近島嶼調(diào)水解決用水問題，資源耗量大，經(jīng)濟(jì)成本高，且在惡劣天氣無法送達(dá)，因此在許多沿海地區(qū)和邊遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)就近用海水或苦咸水淡化制取淡水成了解決問題的突破口。

傳統(tǒng)海水淡化方式及缺陷主要有：

（1）多級閃蒸法：淡水分離設(shè)備及燃料油成本昂貴，濃鹽水余熱沒有得到較好利用，并且化石能源造成環(huán)境污染。

（2）反滲透法（RO）：裝置能耗較高，需在高壓下工作，膜組件易損，且出水品質(zhì)一般。

裝置介紹

整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由光伏光熱子系統(tǒng)、擴(kuò)容蒸發(fā)子系統(tǒng)、真空冷凝子系統(tǒng)、膜蒸餾系統(tǒng)四部分組成。整個系統(tǒng)的工作原理為：測試過程中將光伏組件調(diào)整至合適角度后，待處理海水經(jīng)入口水泵由電動調(diào)節(jié)閥控制流量進(jìn)入太陽能熱電系統(tǒng)吸熱升溫并給電池板降溫提高其效率，電池板發(fā)電給系統(tǒng)的電機(jī)、水泵等供電；升溫后的海水進(jìn)入熱水箱，集熱器將海水水溫提高到擴(kuò)容所需溫度后經(jīng)水泵和節(jié)流閥進(jìn)入擴(kuò)容蒸發(fā)器；擴(kuò)容蒸發(fā)器的真空度由接在淡水箱頂部的真空泵保持，高溫海水進(jìn)入擴(kuò)容器后因壓力的降低而汽化，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)除霧器進(jìn)入凝汽器，產(chǎn)生的濃鹽水經(jīng)鹽水泵進(jìn)入濃鹽水箱；凝汽器由外界同循環(huán)冷卻水冷卻，蒸汽進(jìn)入凝汽器冷凝后流入淡水箱儲存；濃鹽水箱中的濃鹽水經(jīng)鹽水泵進(jìn)入膜蒸餾裝置脫鹽得到淡水流入淡水箱儲存。所得淡水均可供用戶使用。

擴(kuò)容蒸發(fā)子系統(tǒng)

擴(kuò)容蒸發(fā)子系統(tǒng)的主要核心部件是擴(kuò)容器。運(yùn)行時，達(dá)到溫度要求的鹽水經(jīng)鹽水泵進(jìn)入擴(kuò)容蒸發(fā)器，擴(kuò)容蒸發(fā)器內(nèi)由真空泵維持一定的真空度，高溫鹽水因壓力的陡然降低而部分汽化，汽化產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)上方的管道在經(jīng)過除霧器后進(jìn)入凝汽器冷凝，余下的濃鹽水則在蒸發(fā)器下部由濃鹽水泵抽走至濃鹽水箱。

真空冷凝子系統(tǒng)

擴(kuò)容蒸發(fā)子系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入真空冷凝子系統(tǒng)，真空冷凝子系統(tǒng)主要是由凝汽器、淡水箱、真空泵組成的。運(yùn)行時，真空泵維持著凝汽器的真空度，保證擴(kuò)容蒸發(fā)器內(nèi)的蒸汽可順利到達(dá)凝汽器，循環(huán)冷卻水不斷地在冷凝管中流過給殼體內(nèi)的蒸汽冷卻使其冷凝。蒸汽充分冷凝后即可產(chǎn)出淡水進(jìn)入淡水箱中儲存。

膜蒸餾子系統(tǒng)

膜蒸餾利用疏水性微孔膜將兩種溫度不同的水溶液分隔開，在膜兩側(cè)水蒸氣壓力差的作用下，熱側(cè)的水蒸氣通過膜孔進(jìn)入冷側(cè)，在冷側(cè)冷凝下來得到淡水。在傳統(tǒng)的疏水膜基礎(chǔ)上引入納米粒子，產(chǎn)生超疏水基團(tuán)，能夠?qū)崿F(xiàn)水蒸氣的快速分離，提高產(chǎn)水量；另外，在超疏水膜的基礎(chǔ)上復(fù)合親水基團(tuán)，能夠阻止基膜的疏水性的退化以及防治污染物的富集，降低維護(hù)成本。

市場前景分析

目前海水淡化所使用的熱法產(chǎn)水品質(zhì)高，在20ppm以下，但產(chǎn)水率不高，且疏水的低品位熱無法得到有效利用；膜法產(chǎn)水量在20kg/（m2？h）左右，品質(zhì)略低于熱法。本系統(tǒng)將擴(kuò)容蒸發(fā)與膜蒸餾相結(jié)合，產(chǎn)水量提高10倍以上，且二次利用了擴(kuò)容所得疏水的低品位熱，提高太陽能的綜合利用率，兩部分淡水都達(dá)到生活飲用水國家標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了孤島以及邊遠(yuǎn)地區(qū)居民用水成本。

本裝置可以分布式運(yùn)行，具有小型集成化的特點(diǎn)，為孤島及邊遠(yuǎn)地區(qū)居民提供充足的水和電，具有廣泛的應(yīng)用前景。