海水冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)的試驗研究*

孫朋元， 袁 瀚， 張 繼， 孫坤元， 龐海林

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

隨著社會的發(fā)展，淡水資源日益減少，海水淡化技術(shù)在淡水資源再生方面發(fā)揮著重要作用[1]。在眾多海水淡化技術(shù)中，反滲透法、蒸餾法和冷凍法淡化是幾種主要的方式[2]。

冷凍法淡化是利用相變現(xiàn)象，在冰晶形成過程中鹽分被分離，通過收集和融化冰晶來生產(chǎn)淡水[3-4]。Shapiro首先將冷凍濃縮法應(yīng)用于一種濃縮有機化合物的實驗中[5]；Rich等利用部分熔融法排出被困的鹵水胞來提高海冰的純度[6]；Luo等采用單方向冷凍法制作分層冰，通過粉碎和離心方法來提高冰的質(zhì)量[7]。反滲透法淡化是在壓力驅(qū)動下，海水中的純水通過半透膜進入膜的低壓側(cè)，而海水中的鹽分則被阻擋在膜的高壓側(cè)并隨濃縮水排出，從而達到有效分離的過程[8]。Loeb和Sourirajan制得了世界上第一張高脫鹽率、高通量的反滲透膜[9-10]；Dow公司開發(fā)出中空纖維反滲透器用于海水和苦咸水淡化[11-12]；低成本、長壽命、高脫鹽和滲透性的新型反滲透膜成為現(xiàn)如今反滲透技術(shù)發(fā)展的重點之一[13]。

就目前的研究現(xiàn)狀來看，這幾種海水淡化技術(shù)的潛力還沒有充分發(fā)揮，有待進一步加以開發(fā)。其中，冷凍法淡化的冰晶分離和凈化較為困難，產(chǎn)水口感不佳，缺乏市場競爭力；反滲透法淡化成本高，反滲透膜壽命較短等。

本文提出了一種海水冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)，將冷凍法淡化和反滲透法淡化結(jié)合起來，可以較好的克服各自的弊端。該系統(tǒng)采用蒸發(fā)結(jié)晶器作為海水冷凍淡化的制冷設(shè)備，應(yīng)用間接冷凍法來制取流態(tài)冰，并對流態(tài)冰進行洗滌過濾，來達到淡化效果。經(jīng)過雙級冷凍預(yù)淡化的產(chǎn)品海水鹽度可以得到大幅度下降，對低鹽度海水進行進一步反滲透處理可以降低反滲透設(shè)備的運行功率，并且延長反滲透膜的使用壽命，最終降低反滲透淡化的總成本。另外對融冰過程以及分離出的高鹽度低溫海水進行冷量回收，用于制冷空調(diào)。本文建立了此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搭建了一個試驗臺來驗證和評估其表現(xiàn)。針對型號為YB-SWRO-500L的小型反滲透設(shè)備，進行了預(yù)脫鹽海水淡化的經(jīng)濟性分析。

1 系統(tǒng)描述

海水雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包含如圖中的所有元件，其中幾個主要元件的原理及結(jié)構(gòu)描述如下：

蒸發(fā)結(jié)晶器：該系統(tǒng)中的蒸發(fā)結(jié)晶器是一個冷凍脫鹽裝置，它由2個主要部分組成:內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的冰刀和外部的殼式換熱器。制冷劑流入內(nèi)殼與外殼之間的夾縫中，為海水冷凍結(jié)晶提供冷量，而海水流入內(nèi)殼中，在內(nèi)殼的熱交換面上結(jié)冰。然后旋轉(zhuǎn)的冰刀從熱交換表面刨除產(chǎn)生的冰并與海水混合，冰漿隨冰刀不斷螺旋上升，最后從冷凍脫鹽裝置排出，進行下一步處理。

圖1 海水雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of seawater two-stage freezing pre-desalinated system

振動分離器：振動分離器是冰晶和鹽水的分離裝置。當(dāng)冰漿從蒸發(fā)結(jié)晶器中排出，會落在振動分離器中的濾網(wǎng)上，此濾網(wǎng)只允許鹽水通過，分離出來的冰晶會通過裝置的振動沿順時針方向緩慢轉(zhuǎn)出分離器。

融冰槽：融冰槽是一個管殼式熱交換器。溫度較高的載冷劑流入盤管內(nèi)，為融冰提供能量，而冰晶則落入盤管外，吸熱在槽中融化。冰晶不停融化，冰融水不斷從槽中排出。

海水雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)的詳細淡化流程描述如下：

該系統(tǒng)中，利用雙級間接冷凍淡化的方法。進入預(yù)淡化系統(tǒng)的低溫制冷劑首先在蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中吸熱升溫放出一次冷量，初始海水在蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中獲得一次冷量后形成冰水混合物，由蒸發(fā)結(jié)晶器出口排出，進入振動分離器Ⅰ。冰水混合物在振動分離器Ⅰ中分離的同時，由噴嘴噴入少量淡水對流態(tài)冰進行洗滌，隨后高鹽度的水排出，洗滌后的流態(tài)冰則進入融冰槽Ⅰ與溫度較高的載冷劑通過盤管進行換熱，鹽度降低的流態(tài)冰融化后，接著泵入下一級蒸發(fā)結(jié)晶器與低溫制冷劑換熱獲得二次冷量，再依次經(jīng)過振動分離器Ⅱ和融冰槽Ⅱ重復(fù)上級步驟，從融冰槽Ⅱ出來的成品預(yù)淡化海水鹽度進一步降低。低鹽度預(yù)淡化海水將被送入反滲透淡化設(shè)備進行下一步的深度淡化。對融冰過程以及分離出的高鹽度低溫海水進行冷量回收，用于制冷空調(diào)。

2 預(yù)淡化系統(tǒng)的模型建立

2.1 基本假設(shè)

在對該系統(tǒng)的理論分析中，進行了如下假設(shè)：

(1)系統(tǒng)中的各部件均處于穩(wěn)態(tài)；

(2)忽略系統(tǒng)中各部件的熱損失；

(3)流態(tài)冰在洗滌過程中無融化現(xiàn)象。

2.2 數(shù)學(xué)模型

該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基于熱力學(xué)第一定律與第二定律建立，具體如下：

對系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量守恒方程為：

∑min=∑mout。

(1)

式中m為制冷劑的質(zhì)量流量(kg/s)。

2.2.1 海水側(cè)分析 對于蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ：海水進口溫度為T1，出口溫度為T2，結(jié)冰率為J1，洗滌水與海冰的比值為B1，初始海水流量為m1，則

Q1=cpm1(T1-T2)+mice1qlat。

(2)

mice1=J1m1。

(3)

式中：Q1為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中海水吸收的冷量(kW)；cp為海水的比熱(kJ·kg-1·K-1)；mice1為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中形成的流態(tài)冰的流量(kg/s)；qlat為海水的相變潛熱(kJ/kg)。

由蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ進入蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ的海水流量：

m2=mice1。

(4)

一次結(jié)晶消耗洗滌水流量：

mx1=B1mice1。

(5)

海水初始鹽度為y1，經(jīng)過一次脫鹽鹽度變?yōu)閥2，一次脫鹽率：

(6)

對于蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ：海水進口溫度為T3；出口溫度T4；結(jié)冰率為J2；洗滌水與海冰的比值為B2,則

Q2=cpm2(T3-T4)+mice2qlat。

(7)

mice2=J2·m2。

(8)

式中：Q2為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ中海水吸收的冷量(kW)；mice2為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ中形成的流態(tài)冰的流量(kg/s)。

最終，得到預(yù)淡化的成品水流量：

m3=mice2。

(9)

進入蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ的海水鹽度為y2,經(jīng)過二次脫鹽鹽度變?yōu)閥3，二次脫鹽率

(10)

經(jīng)過整個冷凍脫鹽流程，總的脫鹽率為：

(11)

預(yù)淡化成品水產(chǎn)出率：

(12)

上文中提到的結(jié)冰率J1，J2和鹽度y2，y3均由后續(xù)的分步淡化試驗得出。

2.2.2 制冷劑側(cè)分析 基于安全性考量，該系統(tǒng)中的制冷劑選用66.7%丙三醇水溶液(無毒無腐蝕不易揮發(fā))，在海水冷凍淡化裝置的制冰區(qū)間內(nèi)不會產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 66.7%丙三醇溶液的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of 66.7% glycerol solution

蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ放出冷量：

Qr1=cmr1(Tor1-Tir1)。

(13)

式中：Qr1為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中制冷劑放出的冷量(kW)；c為制冷劑的比熱，(kJ·kg-1·K-1)；mr1為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ中制冷劑的質(zhì)量流量，(kg/s)；Tir1為制冷劑進蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ的溫度(℃)；Tor1為制冷劑出蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅰ的溫度(℃)。

蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ放出冷量：

Qr2=cmr2(Tor2-Tir2)。

(14)

式中：Qr2為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ中制冷劑放出的冷量(kW)；mr2為蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ中制冷劑的質(zhì)量流量(kg/s)；Tir2為制冷劑進蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ的溫度(℃)；Tor2為制冷劑出蒸發(fā)結(jié)晶器Ⅱ的溫度(℃)。

2.2.3 系統(tǒng)熱平衡 蒸發(fā)結(jié)晶器中海水吸收的冷量等于制冷劑放出的冷量，即

Q1=Qr1，

(15)

Q2=Qr2。

(16)

3 預(yù)淡化系統(tǒng)的試驗研究

3.1 不確定度分析

一些測量儀器被安裝在每個部件上，并通過管道連接起來，這些儀器包括流量計、溫度計和鹽度計，表2列出了這些儀器的主要參數(shù)。

表2 儀器的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the instruments

不確定度分析基于誤差傳播理論，并利用Root-Sum-Square方法將誤差結(jié)合起來，方程如下所示：

經(jīng)過計算，預(yù)淡化海水產(chǎn)出率的不確定度為1.4%，總脫鹽率的不確定度為1.7%。試驗測試結(jié)果具備較高的可信度。

3.2 試驗結(jié)果及分析

圖2為冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)的試驗臺現(xiàn)場圖，通過進行多組重復(fù)試驗來測試該系統(tǒng)的表現(xiàn)，每組試驗都分為兩步進行。第一步中，初始海水的流量定為100 L/h，在這樣的海水流量條件下，通過調(diào)整進入蒸發(fā)結(jié)晶器中制冷劑的流量來改變制冷量。如果制冷量過大，海冰的產(chǎn)出量會增加，但是海冰流動性差，容易積聚成塊，鹽水胞不利于下滲從而導(dǎo)致海冰鹽度的升高；如果制冷量過小，海冰的流動性會改善，鹽度將會下降，但同時海冰的產(chǎn)量也會降低甚至不出冰。所以需要做多次試驗來找到最適合海水結(jié)晶的制冷量，最適合的標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)出更多冰的同時海冰具有更低的鹽度。最終在第一步試驗中得到最佳的海冰流量和鹽度，記錄下來作為進入下一步試驗的依據(jù)。第二步中，通過海水素和淡水配制得到與第一步結(jié)果相同的海水鹽度，通過閥門控制與第一步結(jié)果相同的海水流量。同樣調(diào)整進入蒸發(fā)結(jié)晶器中制冷劑的流量來找到最適合的制冷量。經(jīng)過這兩步冷凍輔助淡化過程，最終可以得到預(yù)淡化成品海水的流量和鹽度。

(制冷機出口 Refrigerant outlet；制冷劑入口 Refrigerant inlet；振動分離器 Vibration separator；蒸發(fā)結(jié)晶器 Evaporation crystallizer；海水入口 Seawater inlet；融冰槽 Ice melting tank；換熱水入口 Water inlet；反滲透設(shè)備 RO equipment.)

對雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)進行了15組分步試驗，每組海水側(cè)的試驗結(jié)果及主要數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)海水側(cè)主要數(shù)據(jù)Table 3 Main data of sea water side in the two-stage freezing pre-desalinated system

表4列出了多組分步試驗的數(shù)據(jù)平均值及其表現(xiàn)，結(jié)果表明，第一級冷凍預(yù)淡化中，海水的結(jié)晶率為41.8%，脫鹽率為35.4；第二級冷凍預(yù)淡化中，海水的結(jié)晶率可以達到58.4%，脫鹽率可達到51.8%；經(jīng)過雙級冷凍預(yù)淡化，最終預(yù)淡化海水的產(chǎn)量為24.4 L/h，鹽度降低到10.9‰。

表4 雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)各級結(jié)冰率和脫鹽率Table4 Icing rate and desalination rate of each stage in the two-stage freezing pre-desalinated system

表5列出了包含制冷劑在內(nèi)的整個系統(tǒng)的一組數(shù)據(jù)表現(xiàn)，經(jīng)計算，海水吸收的冷量少于制冷劑放出的冷量，這是由于蒸發(fā)結(jié)晶器自身存在熱容以及試驗過程中不可避免的管路冷耗造成的。對此，試驗需要通過保溫手段降低制冷劑管路的冷耗。

表5 雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)的一組數(shù)據(jù)表現(xiàn)Table 5 Performance of a set of data in the two-stage freezing pre-desalinated system

在穩(wěn)定的制冷劑入口溫度-28 ℃下，調(diào)節(jié)制冷劑流量使制冷量同時滿足蒸發(fā)結(jié)晶器出冰量較多和出冰鹽度較低，最后得到的預(yù)淡化海水的情況如圖3、4所示。圖3表示了預(yù)淡化海水產(chǎn)量的情況，結(jié)果表明，試驗條件下，預(yù)淡化海水的產(chǎn)量基本穩(wěn)定在21～27 L/h之間。圖4表示了預(yù)淡化海水鹽度的情況，可以看出，預(yù)淡化海水的鹽度基本維持在11左右，最低可以降到9。

圖3 預(yù)淡化海水產(chǎn)量Fig.3 Production of pre-desalinated seawater

圖4 預(yù)淡化海水鹽度Fig.4 Salinity of pre-desalinated seawater

4 經(jīng)濟性分析

4.1 預(yù)淡化過程經(jīng)濟性分析

4.1.1 回收冷量

(1)融冰槽Ⅰ

Qs1=mice1qlat=3.88。

(17)

式中：Qs1為融冰槽Ⅰ回收的冷量(kW)；mice1為融冰槽Ⅰ中融化冰的質(zhì)量流量，取試驗數(shù)據(jù)平均值41.8 L·h-1，即0.011 6 kg·s-1；qlat為海水的相變潛熱，取334 kJ·kg-1。

(2)融冰槽Ⅱ

Qs2=mice2qlat=2.27。

(18)

式中：Qs2為融冰槽Ⅱ回收的冷量(kW)；mice2為融冰槽Ⅱ中融化冰的質(zhì)量流量，取試驗數(shù)據(jù)平均值24.4 L·h-1，即0.006 8 kg·s-1；qlat為海水的相變潛熱，取334 kJ·kg-1。

(3)高鹽度低溫海水

Qs3=cpms(Ts2-Ts1)=1.76。

(19)

式中：Qs3為從高鹽度低溫海水中回收的冷量(kW)；cp為高鹽度低溫海水的比熱，取4.2 kJ·kg-1·K-1；ms為排出高鹽度低溫海水的質(zhì)量流量，為0.021 kg·s-1；Ts1為高鹽度低溫海水進行空調(diào)制冷換熱前的溫度，取0 ℃；Ts2為高鹽度低溫海水進行空調(diào)制冷換熱后的溫度，取20 ℃。

(4)預(yù)淡化過程回收總冷量

Qs=Qs1+Qs2+Qs3=7.91。

(20)

4.1.2 消耗電能

(1)蒸發(fā)結(jié)晶器刮刀電機

Qe1=0.3×2 = 0.6。

(21)

(2)振動分離器

Qe2=1.2×2 = 2.4。

(22)

(3)風(fēng)機

Qe3=0.15×3 = 0.45。

(23)

(4)水泵

Qe4=0.1。

(24)

(5)預(yù)淡化過程消耗總電能

Qe=Qe1+Qe2+Qe3+Qe4=3.55。

(25)

4.1.3 冷電比 綜上，預(yù)淡化過程中的冷電比=Qs/Qe=2.23>1，空調(diào)制冷收益明顯大于電能消耗，預(yù)淡化過程表現(xiàn)出良好的收益性。

4.2 反滲透淡化經(jīng)濟性分析

一般的反滲透淡化設(shè)備成本花費主要包括：耗電成本和膜更換成本。即

FT=Fp+Fm+Fe。

(26)

式中：FT為總成本；Fp為耗電成本；Fm為膜更換成本；Fe為其它成本。其中，耗電成本有計算公式：

Fp=Fp1MpMh。

(27)

式中：Fp1為單位耗電成本(元/kWh)；Mp為反滲透設(shè)備運行功率(kW)；Mh為反滲透設(shè)備運行時間(h)。

膜更換成本有計算公式[14]：

(28)

式中：Mo為元件費用(美元/支)；Mc為組件產(chǎn)量(gal/d，1 gal=3.785 L)；ML為元件壽命(year)。

根據(jù)公式(27)耗電成本主要取決于反滲透設(shè)備的運行功率和運行時間，反滲透設(shè)備的運行功率跟入口海水的鹽度有關(guān)，圖5為通過試驗得到的型號為YB-SWRO-500L的小型反滲透設(shè)備(含高壓泵)運行功率跟入口海水鹽度的關(guān)系，可以看出入口海水的鹽度越低，反滲透設(shè)備的運行功率也越低，說明降低入口海水鹽度能有效降低反滲透設(shè)備的運行功率。由試驗數(shù)據(jù)可知，鹽度35的普通海水對應(yīng)反滲透設(shè)備運行功率為1.8 kW，平均鹽度11的預(yù)淡化海水對應(yīng)反滲透設(shè)備運行功率為1.42 kW；該系統(tǒng)的預(yù)計應(yīng)用場景為海島或漁船，柴電機組發(fā)電成本較高，單位耗電成本取為1.3 元/kWh；假設(shè)一天中反滲透設(shè)備運行時間為12 h；則根據(jù)公式(27)，普通RO與預(yù)淡化RO的耗電成本分別為28.08和22.15元/d。

圖5 反滲透設(shè)備運行功率與入口海水鹽度的關(guān)系Fig.5 Relationship between running power of RO device and seawater salinity

對于反滲透設(shè)備，在相同的膜壽命下，經(jīng)過預(yù)淡化的低鹽度海水的總淡化成本低于初始海水的總淡化成本?，F(xiàn)有條件下，膜使用壽命短時間內(nèi)得不到驗證，因此不同鹽度海水反滲透淡化對應(yīng)的反滲透膜使用壽命參考文獻[14]中的數(shù)據(jù)，其它條件根據(jù)實際情況對膜更換成本進行計算。反滲透膜的費用為603 美元/支(由廠家提供)；反滲透設(shè)備的產(chǎn)量取試驗數(shù)據(jù)平均值25 L/h×12 h=300 L/d，即79.26 gal/d；普通RO反滲透膜使用壽命取為3年(高鹽度，高壓力)，預(yù)淡化RO反滲透膜使用壽命取為5年(低鹽度，低壓力)[14]；則根據(jù)公式(28)，普通RO與預(yù)淡化RO的膜更換成本分別為3.66和2.2 元/d(1.84和1.1 美元/m3)。

其他成本包括備件、試劑費用等，普通RO取為2 元/d，預(yù)淡化RO取為1 元/d[14]。

圖6 預(yù)淡化RO與普通RO成本對比Fig.6 Cost comparison between pre-desalination RO and general RO

綜上，對于YB-SWRO-500L的小型反滲透設(shè)備，假設(shè)一天中運行時間為12 h，將預(yù)淡化海水的總淡化成本與鹽度為35初始海水的總淡化成本進行比較，結(jié)果如圖6所示。最終一天中，普通RO總淡化成本為33.74元，預(yù)淡化RO總淡化成本為25.35元，雙級冷凍預(yù)淡化反滲透成本可比普通反滲透淡化成本節(jié)省33%左右。

5 結(jié)論

在這篇文章里，介紹了一個海水雙級冷凍預(yù)淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用間接冷凍淡化的原理，目的是為后續(xù)的反滲透淡化提供預(yù)先的輔助淡化過程，以此來降低反滲透設(shè)備入口海水的鹽度，從而降低反滲透設(shè)備的運行功率和延長反滲透膜的使用壽命，最終達到降低反滲透淡化總成本的目的，并對融冰過程中產(chǎn)生的冷量進行回收用于空調(diào)制冷。建立了此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搭建了一個試驗臺來驗證和評估其表現(xiàn)。針對型號為YB-SWRO-500L的小型反滲透設(shè)備，進行了預(yù)脫鹽海水淡化的經(jīng)濟性分析。在試驗條件下，基于對前文工作的分析，可以得到如下的一些結(jié)論：

(1)在制冷劑溫度為-28 ℃，初始海水入口流量100 L/h的條件下，預(yù)淡化海水的產(chǎn)量基本穩(wěn)定在21～27 L/h之間。

(2)預(yù)淡化海水的鹽度可由35降低到11左右，最低可以降到9，總脫鹽率最高能達到74%。

(3)預(yù)淡化過程中，對融冰過程以及分離出的高鹽度低溫海水可回收7.91 kW的總冷量用于空調(diào)制冷。

(4)經(jīng)過雙級冷凍預(yù)淡化過程，反滲透海水淡化的總成本可以降低33%左右。