CCSC大連分公司 王永智 劉 冬

目前海水淡化的方法主要有電滲法、反滲透、冷凍、蒸餾等多種方法，但上述方法均不太適用于船舶和鉆井平臺(tái)上，因?yàn)榇昂豌@井平臺(tái)是一個(gè)比較特殊的工作場(chǎng)所，船舶和鉆井平臺(tái)所用的海水淡化方法在很大程度上取決于選擇何種電力以及可供利用的外來(lái)熱源，在淡化成本上同樣取決于消耗的電力或外來(lái)熱源的成本。本文通過(guò)對(duì)噴霧汽化技術(shù)的研究，介紹一種適用于船舶或鉆井平臺(tái)海水淡化和供熱的新型高效技術(shù)。

噴霧汽化━海水淡化的應(yīng)用

對(duì)于遠(yuǎn)離陸地的船舶或海上鉆井平臺(tái)來(lái)說(shuō)，淡水資源格外珍貴，目前主要的海水淡化技術(shù)大都需要大量的燃料或者電能，成本是制約海水淡化技術(shù)發(fā)展的主要因素，顯然船舶或鉆井平臺(tái)上選擇可供利用的電能或者熱源，以及迫切需要尋找與之相適用的海水淡化方法，就顯得尤為重要。

海水淡化產(chǎn)業(yè)工程效果圖

噴霧汽化技術(shù)也屬于霧化蒸發(fā)法（熱法），需要外來(lái)熱源，本文所說(shuō)的噴霧汽化是指沸點(diǎn)溫度下的汽化，與通常所說(shuō)的噴霧蒸發(fā)雖無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但通常所說(shuō)的噴霧蒸發(fā)是指任何溫度下都可發(fā)生的一般指低位熱能（50℃～90℃）的蒸發(fā)現(xiàn)象。本文所描述的噴霧汽化技術(shù)的原理與美國(guó)佐治亞州的一家公司新研制出一種新型海水淡化設(shè)備“迅速?lài)婌F蒸發(fā)”（RSE）的技術(shù)相類(lèi)似，并且本技術(shù)還可高效地進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化（供熱），實(shí)現(xiàn)能源和資源的綜合利用。該技術(shù)已經(jīng)研究了很多年，但還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)，原因是該技術(shù)原本是作熱能轉(zhuǎn)換用的，研究的是噴霧汽化的傳熱機(jī)理，后來(lái)在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在海水淡化上是非常理想的，并且這種技術(shù)設(shè)備本身具有一機(jī)多用的多功能特點(diǎn)。

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，美國(guó)佐治亞州的一家公司研制出一種新型海水淡化設(shè)備，它使用了一種稱(chēng)為“迅速?lài)婌F蒸發(fā)”（RSE）的技術(shù)：含鹽的水通過(guò)管道噴霧進(jìn)入分離室，形成非常細(xì)小的水滴；在分離室的熱空氣中，水滴迅速蒸發(fā)，水和鹽分等雜質(zhì)分離；水蒸氣輸入凝結(jié)室成為純水，而鹽分則落在分離室的底部。據(jù)稱(chēng)，新技術(shù)效率比現(xiàn)有的反向滲透等技術(shù)要高得多，淡化過(guò)程的費(fèi)用只有現(xiàn)有技術(shù)的三分之一，RSE技術(shù)回收的效率可達(dá)95%，傳統(tǒng)技術(shù)只能達(dá)到35%，投資只有蒸餾法和反滲透法的四分之一，且運(yùn)行維護(hù)成本大為降低。

新型/高效的噴霧汽化

技術(shù)原理。噴霧汽化—海水淡化的技術(shù)系統(tǒng)是由外來(lái)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、濃鹽水或鹽顆類(lèi)）回收系統(tǒng)組成。噴霧汽化——海水淡化的原理是將海水通過(guò)噴頭顯霧狀噴入汽化室，汽化室內(nèi)的溫度可采用船用柴油機(jī)廢氣余熱、風(fēng)電或太陽(yáng)能等進(jìn)行加熱，霧化后的水滴形成彌散狀態(tài)，水滴體積很小，直徑一般在80μ m以?xún)?nèi)，比表面積很大，便于與汽化室內(nèi)的熱量傳遞，水滴顆類(lèi)在流出噴嘴出口的瞬間產(chǎn)生膨脹汽化，海水中的水分被瞬間汽化成為水蒸汽，水和鹽分等雜質(zhì)分離，水蒸氣輸入凝結(jié)裝置成為淡水，而濃鹽水則落在噴霧汽化室的底部排出，或排到結(jié)晶槽中（制鹽），噴霧汽化過(guò)程中海水的濃縮倍率很高，鹽分可以結(jié)晶析出。

噴霧汽化的科學(xué)問(wèn)題。噴霧汽化——海水淡化最重要的步驟是提高海水的汽化速率，而影響汽化速率的首要因素是海水的霧化效果，這涉及到噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴霧方式，涉及到系統(tǒng)的參數(shù)，還涉及到流體運(yùn)動(dòng)理論、界面效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、液滴對(duì)流傳質(zhì)等一些理論，噴霧汽化的理論仍落后于實(shí)踐。噴霧汽化——海水淡化的方法屬于熱法，但與傳統(tǒng)的蒸餾法相比卻有很大的區(qū)別，在熱量和質(zhì)量傳遞上顯現(xiàn)出不尋常的特性：噴霧汽化一部分是利用物理的效應(yīng)來(lái)增加水分子的內(nèi)能，而傳統(tǒng)的蒸餾法完全是靠增加熱能的方法來(lái)提高水分子的內(nèi)能；噴霧汽化主要是靠機(jī)械物理的方法來(lái)改變水分子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的蒸餾法完全是靠熱能來(lái)改變水分子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)；噴霧汽化傳熱是一種高效應(yīng)的熱能轉(zhuǎn)換，而傳統(tǒng)的蒸餾法是低效應(yīng)的熱能轉(zhuǎn)換；噴霧汽化具有很高的能效比，而傳統(tǒng)的蒸餾法熱效率很低；噴霧汽化是一種瞬間完成的汽化現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的蒸餾法是一種緩慢的汽化現(xiàn)象；噴霧汽化的設(shè)備結(jié)垢傾向性小，而傳統(tǒng)的蒸餾法很容易結(jié)垢。

噴霧汽化——海水淡化過(guò)程的加熱方法，一般采用兩種工藝方法：一種方法是外來(lái)熱源通過(guò)先預(yù)熱空氣，然后將熱空氣通入汽化室直接加熱霧化的海水，海水霧滴在空氣的熱氣流中被迅速變成為水蒸汽。美國(guó)佐治亞州的一家公司新研制出一種新型海水淡化設(shè)備“迅速?lài)婌F蒸發(fā)”（RSE）的技術(shù)就是采用熱空氣加熱的方法，但該方法存在水蒸汽冷凝時(shí)含高分率不凝結(jié)氣（空氣），而蒸汽中存在不凝結(jié)氣將嚴(yán)重阻礙冷凝過(guò)程，美國(guó)的這項(xiàng)技術(shù)采用的是水蒸汽被一組特殊的擋板截留。有研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽中僅有0.5%的空氣就可使冷凝傳熱系數(shù)降低50%，一般的熱空氣直接加熱霧化海水的方法不凝結(jié)氣的質(zhì)量分率高達(dá)50%～90%，因此，若采用熱空氣直接加熱霧化海水的方法必須有效地解決含高分率不凝結(jié)氣的蒸汽冷凝問(wèn)題。該方法蒸汽冷凝過(guò)程時(shí)的汽化熱二次利用價(jià)值不高。另一種方法是外來(lái)熱源通過(guò)設(shè)備壁面或其它方式的熱交換使汽化室的內(nèi)空間產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫區(qū)，霧化后的海水在汽化室的內(nèi)空間受熱被瞬間汽化成為水蒸汽。該方法蒸汽冷凝過(guò)程時(shí)的汽化熱有顯著的二次利用價(jià)值。

噴霧汽化——海水淡化的結(jié)垢問(wèn)題。一般的熱方法受限于結(jié)垢和傳熱系數(shù)，噴霧汽化過(guò)程主要還是在汽化室內(nèi)空間的汽-液界面完成，而在設(shè)備壁面進(jìn)行的情況較少，設(shè)備結(jié)垢的傾向性小，海水霧化是靠流體的壓力以一定的流速?lài)娚涑鰜?lái)，實(shí)驗(yàn)表明，液體流速增大可使結(jié)垢速率減小，噴霧的微射流會(huì)最大程度地破壞邊界層，阻止固體壁面結(jié)垢，大大減小傳遞阻力，即便是在設(shè)備壁面結(jié)垢也是一種很薄的松軟結(jié)合體，不會(huì)在設(shè)備壁面產(chǎn)生難以清除的硬結(jié)垢。

噴霧汽化的傳熱機(jī)理。在通常情況下，無(wú)論是淡水還是海水都是以分子團(tuán)簇的形式存在的，淡水或海水都是高度內(nèi)聚的。一般在直接加熱水的汽化過(guò)程中，隨著溫度的提高，水分子動(dòng)能的增加，改變水分子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)比例，水分子間的氫鍵逐步斷裂，使水分子團(tuán)簇變小，同時(shí)也需要克服水分子間的范德華力（水分子間作用力）和水的表面張力，才能汽化。噴霧汽化就是利用流體壓力和噴嘴的機(jī)械結(jié)構(gòu)共同作用使氫鍵遭到破壞，引起水內(nèi)部結(jié)構(gòu)較大的變化，使締合的水分子團(tuán)簇變小，形成細(xì)小的水分子。水分子團(tuán)簇變小，水的溶解力、滲透力、擴(kuò)散力等均有所增強(qiáng)，水的表面張力、氫鍵力有所減弱。有研究表明水的氫鍵力減弱，水分子間的范德華力也會(huì)減弱，這樣就有利于克服水在汽化過(guò)程中的表面張力、氫鍵力及分子間的范德華力，更有利于提高水的汽化速率。霧化后的水滴汽化速率快，這得益于比表面積很大、水分子間作用力和水的表面張力減小、傳熱系數(shù)顯著提高等因素，但水滴在汽化過(guò)程中的傳熱機(jī)理還有待于進(jìn)一步探索。

噴霧汽化后的熱能利用。噴霧汽化本身是一個(gè)吸熱過(guò)程，在汽化的過(guò)程中要吸收大量周?chē)h(huán)境（汽化室）的熱量，不僅能夠進(jìn)行海水淡化，而且還有一項(xiàng)重要作用就是汽化后（汽化潛熱）的熱能利用，一般有二種方法可供熱能利用，第一種方法是利用海水淡化后的汽化——冷凝過(guò)程，進(jìn)行二次利用，提供船舶或鉆井平臺(tái)上采暖和熱水；第二種方法是利用淡水噴霧汽化，直接變成了高效的相變熱機(jī)，連續(xù)不斷地為船舶或鉆井平臺(tái)上的加熱設(shè)備進(jìn)行供熱，相當(dāng)于一個(gè)小型蒸汽鍋爐，可產(chǎn)生接近飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽。它的供熱用途主要包括：

1.用于船舶或鉆井平臺(tái)人員日常生活用的熱水、食堂蒸鍋的蒸汽熱源、衣物的烘干設(shè)備和其它高溫蒸汽的熱源；

2.直接用作冬季空調(diào)的（蒸汽）熱源或用于夏季吸收式制冷裝置的加熱源；

3.直接用于冬季船舶或鉆井平臺(tái)上除冰雪；

4.直接用于鉆井平臺(tái)特定情況下的石油熱采技術(shù)；

5.用于重油艙的加熱和保溫。

能源利用高效廣泛

噴霧汽化技術(shù)不但適用于普通的電能和外來(lái)熱源，而且特別適用于船用柴油機(jī)廢氣余熱利用，適用于風(fēng)電或太陽(yáng)能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)海水淡化和供熱，并具有新型高效的特點(diǎn)。

噴霧汽化——海水淡化能夠充分利用船用柴油機(jī)廢氣余熱，不僅可以廢熱利用，提高整個(gè)淡化過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益，并且該技術(shù)是在任何溫度下都可發(fā)生噴霧蒸發(fā)（汽化）的現(xiàn)象。

海上鉆井平臺(tái)是一個(gè)變工位的工作場(chǎng)所，要有生產(chǎn)運(yùn)行維修和保障措施的基本條件，一般都有一定的能源裝備，有的配備了發(fā)電機(jī)組，有的配備了風(fēng)電和太陽(yáng)能設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電由于受本身固有的波動(dòng)性（不穩(wěn)定）、間歇性的影響，同樣太陽(yáng)能因時(shí)間段和天氣的原因，本身也具有不連續(xù)性和一定的波動(dòng)性，因此風(fēng)電或太陽(yáng)能海水淡化與供熱受到了很大限制，然而以噴霧汽化技術(shù)為核心的風(fēng)電海水淡化和供熱卻能夠很好地適應(yīng)風(fēng)電大幅度的波動(dòng)，噴霧汽化技術(shù)的一個(gè)主要性能是能夠根據(jù)不同工況條件下做出快速響應(yīng)，因?yàn)閲婌F汽化技術(shù)能夠做到隨汽化室的溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)海水的霧化量，保證海水的淡化或供熱效果。而太陽(yáng)能與噴霧技術(shù)相結(jié)合，更是優(yōu)于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾技術(shù)。

因此若將噴霧汽化技術(shù)與船用柴油機(jī)廢氣余熱相結(jié)合應(yīng)用在船舶上，或與風(fēng)電/太陽(yáng)能相結(jié)合用于海上鉆井平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)海水淡化及供熱，將解決淡水、供熱與環(huán)境之間的矛盾，這是一種全新的海水淡化和供熱技術(shù)。

新型高效的船舶或鉆井平臺(tái)用海水淡化與供熱技術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1.運(yùn)行啟動(dòng)快（冷機(jī)開(kāi)機(jī)制水或供熱時(shí)間＜3min）。

2.設(shè)備體積小，模塊化靈活組合，根據(jù)淡水的需求量配置獨(dú)立模塊，可多可少。

3.設(shè)備維修簡(jiǎn)單，全自動(dòng)控制，系統(tǒng)溫度可調(diào)，隨時(shí)可以開(kāi)機(jī)停機(jī)。

4.該技術(shù)系統(tǒng)可以常壓，也可有壓，滿足系統(tǒng)循環(huán)；供熱多樣化，可以供蒸汽、采暖、供熱水等。

5.根據(jù)需要利用汽化——冷凝過(guò)程，提供船舶或鉆井平臺(tái)采暖和熱水，并且濃鹽水可結(jié)晶制鹽，實(shí)現(xiàn)淡水、供暖、制鹽（鹽化工）三聯(lián)產(chǎn)。

噴霧汽化——海水淡化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯，是否適合大規(guī)模應(yīng)用還有待于驗(yàn)證，但噴霧汽化—海水淡化技術(shù)具有汽化速率高、模塊化靈活組合、能效比高、適用性強(qiáng)、一機(jī)多用、海水濃縮倍率高、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適于與供熱技術(shù)以及其它淡化方法相結(jié)合，以降低綜合成本，且避開(kāi)了現(xiàn)有海水淡化過(guò)程中原料水預(yù)處理難度大、投資和操作費(fèi)用高等特點(diǎn)，特別是有效地解決了傳統(tǒng)海水淡化過(guò)程中的濃鹽水排放問(wèn)題，對(duì)保護(hù)環(huán)境特別有利，因而在特定的淡化環(huán)境中將有獨(dú)到之處，將解決淡水、供熱與環(huán)境之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)能源和資源的綜合利用，具有顯著的發(fā)展趨勢(shì)。