秦景江 董 旭

(1.秦皇島電力公司，河北 秦皇島 066004; 2.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

在我國海水淡化技術(shù)研究起步較早，經(jīng)過約40年研發(fā)和示范的經(jīng)驗(yàn)積累，工程實(shí)踐已日趨成熟。近年來，我國在引進(jìn)、消化和創(chuàng)新海水淡化先進(jìn)技術(shù)與裝備制造等方面做了大量的工作。截至2006年年底，我國淡化海水日產(chǎn)15萬t，占世界海水淡化日產(chǎn)量的4%，但與國外相比，我國海水淡化規(guī)模并不大，在研究水平、創(chuàng)新能力及系統(tǒng)設(shè)計和集成等方面仍有較大差距[1，2]。如今國家非常重視發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，規(guī)定沿海地區(qū)新上電站項(xiàng)目(含核電)必須配套相應(yīng)的海水淡化裝備。目前電力行業(yè)是應(yīng)用海水淡化技術(shù)最多的行業(yè)，我國最大的海水淡化工程建在浙江省華能玉環(huán)電廠，工程規(guī)模34 560 m3/d，單機(jī)產(chǎn)水量5 760 m3/d[3]。國家政策大力扶持海水淡化產(chǎn)業(yè)，決定自2008年1月1日起，免征企業(yè)海水淡化工程所得稅。

我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景廣闊，根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會、國家海洋局及財政部聯(lián)合發(fā)布的《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》，在未來2年～10年內(nèi)我國將有約日產(chǎn)400萬t海水淡化設(shè)備的市場需求，未來20年內(nèi)國際上將有近700億美元的海水淡化市場，利用海水淡化技術(shù)大規(guī)模開辟新水源已是大勢所趨。隨著淡化海水生產(chǎn)成本的不斷降低，海水淡化技術(shù)將不僅限于沿海島嶼和企業(yè)供水，大規(guī)模應(yīng)用于沿海居民生活供水也將是經(jīng)濟(jì)可行的。

1 熱法海水淡化技術(shù)分析

目前世界上通用的熱法海水淡化技術(shù)主要有多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(L-MED)和壓汽蒸餾(VC)[4]。

1.1 多級閃蒸技術(shù)

多級閃蒸是一種利用閃蒸原理進(jìn)行海水淡化的工藝流程，是將原料海水加熱至一定溫度后引入一個壓力較低的空間內(nèi)，由于環(huán)境壓力低于熱鹽水溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，此時熱鹽水過熱急速汽化，之后熱鹽水自身溫度降低，產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需淡水。多級閃蒸技術(shù)即以此原理為基礎(chǔ)，使熱鹽水依次流經(jīng)若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發(fā)降溫，同時鹽水也逐級增濃，直到其溫度稍高于天然海水的溫度[5]。該系統(tǒng)特點(diǎn)是末級濃海水只有少量排放，大部分則返回系統(tǒng)作為前若干級的冷卻水，同時回收閃蒸蒸汽的熱量，故海水得以重復(fù)利用，原料水量及預(yù)處理費(fèi)用得以降低。MSF的使用有地域特征，特別在海灣國家采用較多，其通常與火力發(fā)電站聯(lián)合建設(shè)運(yùn)行，以汽輪機(jī)低壓抽汽作為熱源，其優(yōu)勢是海水結(jié)垢傾向小、易于大型化和運(yùn)行可靠。但由于海水加熱過程中換熱效率較低并需要大量循環(huán)海水，因此換熱面積過大、動力系統(tǒng)能耗大。常用的濃海水循環(huán)型多級閃蒸技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 濃海水循環(huán)型多級閃蒸技術(shù)工藝流程

1.2 低溫多效蒸餾技術(shù)

低溫多效蒸餾技術(shù)(L-MED)是鹽水最高蒸發(fā)溫度不超過70℃的海水淡化方式，特征是將一系列水平管降膜蒸發(fā)器或垂直管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)并分成若干效組，輸入一定量的蒸汽，通過噴淋原料海水多次蒸發(fā)和冷凝，在前一效蒸發(fā)的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，并冷凝產(chǎn)生所需淡水，最終得到多倍于初始加熱蒸汽量的蒸餾水。低溫多效蒸餾的操作過程具有飽和態(tài)、小溫差、低流阻等特點(diǎn)[6]。與多級閃蒸技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)有:1)低溫多效蒸餾傳熱過程是沸騰和冷凝的雙側(cè)相變換熱，傳熱系數(shù)很高。對于特定蒸發(fā)溫度，低溫多效蒸餾所用傳熱面積比多級閃蒸少很多。2)低溫多效蒸餾動力消耗少。采用水平管噴淋降膜蒸發(fā)器耗電只需1 kWh/t左右，而多級閃蒸生產(chǎn)1 t淡水需耗電4 kWh。3)低溫多效蒸餾操作彈性很大，設(shè)備在負(fù)荷范圍從25%變化到110%的區(qū)間內(nèi)皆可正常操作，而且產(chǎn)水比不會下降。4)低溫多效蒸餾可利用約70℃的低溫廢熱作為海水加熱熱源，是一種可利用余熱節(jié)能的海水淡化方法[7]。低溫多效蒸餾的缺點(diǎn)在于料液在加熱面上沸騰，同樣溫度下相對容易在傳熱管壁上結(jié)垢，需要經(jīng)常清洗維護(hù)和采取嚴(yán)格的防垢措施。其工藝流程如圖2所示。

1.3 壓汽蒸餾技術(shù)

壓汽蒸餾技術(shù)也稱為熱泵蒸發(fā)，是用壓縮機(jī)將過飽和度較低的二次蒸汽稍加壓縮，提高其壓力后再輸入到系統(tǒng)中的動力方式。蒸汽在壓力提高之后其飽和溫度也相應(yīng)提高，輸入系統(tǒng)后可以作為加熱熱源使用，從而構(gòu)成一個閉路循環(huán)。壓汽蒸餾淡化海水具體過程為:加熱原料海水蒸發(fā)出二次蒸汽，二次蒸汽被加壓提高溫度作為蒸發(fā)器的加熱熱源，然后冷凝產(chǎn)生淡水。VC用電或蒸汽驅(qū)動，循環(huán)利用二次蒸汽，屬于節(jié)能的海水淡化方法。但是由于蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計與制造技術(shù)問題難以解決，淡化設(shè)備規(guī)模受到限制，很難實(shí)現(xiàn)大型量產(chǎn)化[8]。

圖2 低溫多效蒸餾技術(shù)工藝流程

2 熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)理論分析

利用熱泵循環(huán)的海水淡化系統(tǒng)特點(diǎn)是使用熱泵回收低溫多效蒸餾系統(tǒng)末效蒸汽熱量，既繼承壓汽蒸餾法可回收利用最末效蒸汽熱能的優(yōu)點(diǎn)，沒有冷凝器放熱損失，又避免了壓汽蒸餾法的技術(shù)瓶頸——壓縮水蒸汽，而且保留了低溫多效蒸餾法蒸汽熱量多次使用的特點(diǎn)，因而理論上可實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)淡水。此方法根據(jù)不可逆熱力學(xué)原理，把熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器、冷凝器與低溫多效蒸餾系統(tǒng)緊密結(jié)合，并對低溫多效蒸餾系統(tǒng)中幾個重要環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊設(shè)計以使整個海水淡化過程的熵增最小，希望能夠?qū)崿F(xiàn)海水淡化過程最節(jié)能化。設(shè)計要點(diǎn)如下:

1)每一效蒸發(fā)器設(shè)置獨(dú)立循環(huán)水泵，一方面可避免不同溫度海水混合過程中產(chǎn)生不可逆損失，另一方面可使噴淋海水的溫度與各效對應(yīng)蒸發(fā)溫度相近，縮短海水在蒸發(fā)器中預(yù)熱時間，節(jié)省傳熱面積。2)設(shè)置淡水和濃鹽水排放能量回收系統(tǒng)。通過將各效蒸發(fā)器排出的淡水和濃鹽水與各效蒸發(fā)器所需補(bǔ)充海水換熱，可實(shí)現(xiàn)最高效能量回收過程熵增最小的目的，同時也保證了供給補(bǔ)充海水的溫度盡可能升高，最大限度提高每一效水蒸汽產(chǎn)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計

對熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行理論計算之前需進(jìn)行初步設(shè)計。綜合考慮工質(zhì)性能、設(shè)備市場行情等因素，初步設(shè)計主要注意事項(xiàng)如下:1)水的汽化潛熱大，海水淡化系統(tǒng)可回收熱量很大。為滿足大熱量要求，熱泵選擇離心式壓縮機(jī)。相對熱泵常用領(lǐng)域——空調(diào)系統(tǒng)，海水淡化功能要求熱泵工作溫度較高，故計算分析選擇R123冷媒匹配。2)系統(tǒng)簡圖和運(yùn)行原理如圖3所示。壓縮機(jī):熱泵系統(tǒng)離心壓縮機(jī)，壓縮R123冷媒;多效蒸發(fā)器:低溫多效蒸餾海水淡化裝置;節(jié)流閥:熱泵系統(tǒng)節(jié)流元件，冷媒通過后減壓汽化;換熱器1:熱泵將淡水加熱成蒸汽后作為低溫多效蒸餾熱源;換熱器2:熱泵回收低溫多效蒸餾后的熱量;換熱器3:回收鹵水熱量;換熱器4:回收淡水熱量;換熱器5:熱泵冷媒過冷器。

運(yùn)行原理:封閉式循環(huán)熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器作為低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)冷凝器，吸收末效蒸發(fā)器的低壓蒸汽熱量，將其冷凝為淡水。熱泵冷凝器放置在海水淡化系統(tǒng)第1效蒸發(fā)器中作為熱源，將較高溫度熱能供給低壓海水使第1效蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)海水汽化。產(chǎn)生較高壓力蒸汽又被輸送到第2效作為蒸發(fā)器熱源，在該效蒸發(fā)器中冷凝為淡水的同時使該效循環(huán)海水汽化。所產(chǎn)生新蒸汽被輸送到第3效，作為第3效蒸發(fā)器熱源……如此逐效相連，直到低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)冷凝器將熱量再次傳遞給熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器形成循環(huán)，使海水淡化過程循環(huán)進(jìn)行。

圖3 熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)簡圖

4 系統(tǒng)能耗理論計算

熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)能耗主要由壓縮機(jī)與動力泵耗電組成，動力泵功耗根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]給出低溫多效蒸餾工程實(shí)例為1 kWh/m3～2 kWh/m3，不妨取 1.5 kWh/m3。壓縮機(jī)能耗可由其熱力循環(huán)計算，圖4為熱泵循環(huán)壓焓圖。考慮到初步設(shè)計中已設(shè)置各種換熱器以最大程度減少熱量流失和熵增，即最大程度接近理想工況，所以以理想壓焓圖計算系統(tǒng)能耗是比較符合實(shí)際情況和簡便的。

圖4 熱泵循環(huán)壓焓圖

圖4中過程1～2為壓縮機(jī)對工質(zhì)做功以提高工質(zhì)壓力和溫度;過程2～3為冷凝過程，此過程中熱泵工質(zhì)在第1效蒸發(fā)器將熱量傳遞給原料海水，使之蒸餾;過程3～4為膨脹過程，熱泵工質(zhì)在第1效蒸發(fā)器中將熱量傳遞給原料海水后由氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)，后經(jīng)膨脹閥節(jié)流，壓力、溫度降低，準(zhǔn)備蒸發(fā)過程;過程4～1為蒸發(fā)過程，熱泵工質(zhì)在海水淡化系統(tǒng)冷凝器中吸收管外水蒸汽熱量使水蒸汽冷凝為液體，工質(zhì)氣化進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮。可見壓縮機(jī)功耗為:

其中，h1，h2分別為熱泵工質(zhì)在1點(diǎn)及2點(diǎn)的焓值;qm為熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量;Q0為冷凝負(fù)荷。冷凝負(fù)荷Q0等于使第1效蒸發(fā)器產(chǎn)生水蒸汽所需吸收的熱量，可表示為:

其中，D為裝置產(chǎn)水量;n為裝置效數(shù);r為水蒸汽汽化潛熱，2 260 kJ/kg。所以，由式(1)～式(3)可得系統(tǒng)總能耗W0為:

根據(jù)壓縮機(jī)廠家所提供數(shù)據(jù)，目前熱泵機(jī)組最大制冷量即單臺熱泵熱量回收最大功率，在4 500 kW左右。據(jù)其估算，目前市場上熱泵機(jī)組最多可滿足產(chǎn)水量為700 t/d，以日產(chǎn)100 t淡水的4效裝置為例:根據(jù) R123壓焓圖可知 h1=413.44 kJ/kg，h2=430 kJ/kg，h3=260 kJ/kg。將數(shù)據(jù)代入式(4)可求得 W0=18.9 kWh/m3。

5 結(jié)語

根據(jù)對產(chǎn)量100 t/d的4效熱泵循環(huán)海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計計算，得出噸水耗電量為18.9 kWh/m3，相比于多級閃蒸系統(tǒng)37.34 kWh/m3大大節(jié)能，但相比于壓汽蒸餾11.43 kWh/m3耗電量偏高[10，11]，而且系統(tǒng)更復(fù)雜。從設(shè)計過程分析，能耗偏高的主要原因是R123和水這兩種工質(zhì)通過間壁換熱，由于存在換熱溫差損失了大量可用能。

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