太陽能海水淡化技術簡介

水資源是人類社會生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎之一。隨著世界人口增加、人類生活方式的變化，淡水資源的匱乏越來越引起人們的重視和關注。中國總體上屬于貧水國家，人口占世界人口的20%強，水資源卻僅占6%，人均擁有量僅為世界人均擁有量的1/4。水資源的缺乏，已經(jīng)嚴重阻礙了我國經(jīng)濟發(fā)展，破壞了生態(tài)環(huán)境。海水淡化作為一種開源增量技術，已成為解決水資源問題的重要途徑。然而我國在這方面的技術和國外比起來還相差甚遠。  　　與國外的差距 　　1.技術 　　對低溫多效技術的核心部件、材料、水電聯(lián)產(chǎn)等基礎研究有待深入,裝備驗證和環(huán)境條件不能滿足技術發(fā)展要求,缺乏大規(guī)模海水淡化裝置設計、加工制造、安裝調(diào)試及運行維護的工程實踐,迫切需要通過規(guī)模示范形成成套技術和鍛煉隊伍。反滲透膜組件、高壓泵、能量回收及水處理藥劑等關鍵部件和材料仍以進口為主,缺乏大規(guī)模反滲透海水淡化成套工程技術和實踐,迫切需要形成高壓泵、能量回收、膜組件等關鍵設備的自主技術和批量生產(chǎn),通過規(guī)模示范形成成套技術應對國外公司在國內(nèi)的競爭。核能海水淡化的概念已經(jīng)提出許多年,還缺乏工程實踐;核反應堆與海水淡化的接口還停留在研究和設計階段,需要打通流程,形成成套技術和裝備體系。 　　2.產(chǎn)業(yè)規(guī)模。 　　我國海水淡化工程規(guī)模多在千噸級,而國外已達到十萬噸級水平,我國海水淡化產(chǎn)水量僅占世界總產(chǎn)量的0.3%,與國外的差距明顯。 　　3.實施機制。 　　沒有專門機構(gòu)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),沒有形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。海水淡化必須有針對性地在政府指導、行業(yè)協(xié)調(diào)、產(chǎn)業(yè)政策、技術創(chuàng)新等方面統(tǒng)籌規(guī)劃,全面協(xié)調(diào)各方利益,才能形成合力,促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 　　4.示范及投入。 　　國家對規(guī)模示范工程的資金投入不足,造成規(guī)模示范不夠,制約了該領域技術的發(fā)展和成果的轉(zhuǎn)化。 　　太陽能海水淡化技術發(fā)展現(xiàn)狀 　　就目前的海水淡化技術，成本問題一直是海水淡化技術的最大阻礙，就拿10000噸/天反滲透海水淡化廠來說，一般化學藥品消耗在0.3~0.5元/噸水;電力消耗約2.2~2.5元/噸水;膜更換費用0.3~0.5元/噸水;職工工資福利約0.2元/噸水;固定資產(chǎn)折舊費0.9~1.2元/噸水;設備檢修維護費用為0.2~0.4元/噸水;管理費小于0.1元/噸水。這樣在不考慮貸款利息情況下，一般膜法海水淡化工程的制水成本為4.2~5.4元/噸水，其中電力成本及折舊是造水成本中最大的兩部分。 　　為節(jié)省能源和某些特殊的需要,人們開發(fā)了太陽能海水淡化技術。太陽能海水淡化方法可分直接法和間接法兩大類。 　　直接法 　　直接法是應用集熱器將太陽光照變成熱能直接加熱海水,蒸餾制得淡水的方法。它分淺盤型(也稱頂棚型、水平型)、傾斜型和多效型三種蒸餾裝置。 　　(1)淺盤型：它由盛水的淺盤(20~40mm)和透明罩組成。太陽光透過透明罩照到盤內(nèi)的黑色物質(zhì)上,使其產(chǎn)熱,使盤內(nèi)的海水升溫,產(chǎn)生蒸氣,蒸氣碰到透明罩被外界的空氣冷卻,凝結(jié)成水滴,流到淡水收集槽中,濃縮的海水在析出水垢之前排出這種方法產(chǎn)水量比較低,通常日產(chǎn)水量約為2~4kg/(m2·d)。日本在屏風島實臉工廠試用此法后發(fā)現(xiàn):采取保溫措施可以提高產(chǎn)水量20~30%,淺盤內(nèi)海水淺時產(chǎn)水量高,但過淺易生成水垢,通過過濾、沉淀、酸洗及抓殺菌等方法以預防或除去淺盤內(nèi)的水垢。此法已在科威特、希臘、印度和日本等推廣使用。 　　(2)傾斜型：傾斜型分傾料淺盤型和傾料吸水毛型兩種。傾斜淺盤型是將水盤由水平改成傾斜形,使海水沿著斜面流動,以提高集光效率和促進蒸發(fā)。其工作原理和淺盤型一樣,但水層更淺。采用此法產(chǎn)水量可提高30~60%,但技術難點比較多。它要根據(jù)蒸發(fā)量調(diào)節(jié)海水的流量,而且由于水層淺很容易析出水垢。目前未見使用該類型裝置的報道。傾斜毛型是通過在傾斜型的水盤面上設置吸水毛儲存海水,使海水層更淺,以減少熱容量提高造水量。這種方法也還有些問題有待解決,故也還沒有實用的例子。 　　(3)多效型：淺盤型和傾斜型都將蒸氣凝結(jié)成水滴時的熱量白白浪費掉了。為了提高熱能的利用效率,利用這部分熱量反復加熱海水提高產(chǎn)水量,研制了多效型蒸餾器。其工作原理.集熱板被太陽光加熱,在集熱板的反面有吸水毛,浸存有海水,海水遇熱蒸發(fā),水蒸氣遇到下面冷的隔板凝結(jié)成水滴,凝結(jié)時產(chǎn)生的熱量加熱隔板反面吸水毛上的海水,使之蒸發(fā)。這樣反復蒸發(fā)—濃縮—蒸發(fā),最后通過最下層的散熱板將余熱排出。還可裝上反光鏡增加集熱量以提高海水的產(chǎn)量。采用這種方法,其日產(chǎn)水量是淺盤型的7.5~10倍。此法的關鍵是吸水毛的的材料、粘附劑及集熱板的防海水腐蝕。 　　間接法 　　間接法是用集熱器將光能變成熱能,或用太陽電池將光能變成電能,并以此作為海水淡化裝置的能源制取淡水的方法。此法又分以下幾種: 　　(1)蒸餾法：在常壓下,海水的沸點約100.5℃。海水蒸發(fā)約需2261kJ/kg(540kcal/kg)的熱量,蒸氣在凝結(jié)成水時可放出同樣的熱量。根據(jù)這一原理,人們設法反復利用水凝時的熱量以節(jié)省能源。根據(jù)不同的利用方法,蒸餾法又分多級閃蒸法、多效蒸餾法和蒸氣壓縮蒸餾法。 　　多級閃蒸法：此法適用于較大規(guī)模的裝置,對負載變化適應范圍較小,成本較高。 　　多效蒸餾法:此法熱利用率比較高,對變化熱源適應范圍也較大,因此研制的速度比較快,但目前應用不如多級閃蒸法廣泛。 　　蒸氣壓縮法:使用該法時,壓縮機的動力能源在機器起動時由外部提供,待運轉(zhuǎn)后則利用海水蒸氣的潛熱驅(qū)動。此法適用于小型海水淡化裝置。壓縮機的動力也可用太陽能或太陽光發(fā)的電。但是,此法成本比較高,還有待進一步探索。 　　(2)反滲透：法此法是利用壓力差分離淡水,通過太陽能發(fā)電供給驅(qū)動高壓泵所需的電能。 　　(3)電滲析法：海水溫度升高時,海水的粘度減少,因此在該系統(tǒng)中既可利用太陽電池供給電滲析法所需的能量,又可利用太陽熱能提高海水的溫度,從而降低耗電量。此法目前還未推廣應用。 　　太陽能海水淡化裝置從比較簡單的直接法淺盤型蒸餾器開始,發(fā)展到能提高能量利用率的各種間接法。直接法的優(yōu)點是:(1)設備結(jié)構(gòu)簡單、建造費用低,且易維修保養(yǎng),(2)造水成本低,(3)適宜小規(guī)模分散地區(qū)應用。但該法產(chǎn)水能力低,故只能解決飲用水。其中,傾斜型蒸餾裝置有待于進一步研究,多效型蒸餾裝置可節(jié)省能源,造水能力高,發(fā)展得比較快,預計今后將會有大的發(fā)展。間接法比較復雜,成本亦較高,但造水能力強,適宜中等規(guī)模的淡水生產(chǎn)。目前一些技術問題已逐漸解決,成本問題將是推廣應用的重大障礙。 　　間接法中集能技術相當重要,這方面的革新將會左右該法的發(fā)展和推廣應用。集光型集熱器和多級閃蒸裝置組合的效果很好,若太陽能發(fā)電的成本能迅速下降的話,將有可能推廣。目前最佳方案是非集光型集熱器和多效型蒸餾器相結(jié)合的海水淡化裝置,并正在研究真空隔熱型集熱器和多效型蒸餾器相結(jié)合的方案。我國南海諸島地處熱帶,日照長,有充足的太陽能以利用,開發(fā)太陽能海水淡化裝置對這些地區(qū)有著極其重要的意義,很值得研究。由于這些島嶼遠離大陸,要求設備簡單,易操作、管理和保養(yǎng)。從目前國內(nèi)外研究情況看,采用直接蒸餾法最為有利。目前,淺盤型蒸餾器己推廣應用,傾斜型蒸餾器正在研究,而多效型還未見研究的報道。該法雖然難度比較大,要解決的間題較多,但有發(fā)展前途,值得研究和探索。 　　根據(jù)我所查詢的資料，我個人比較看好一種新型熱蒸餾海水淡化方式——吸附式太陽能海水淡化系統(tǒng) 吸附式太陽能海水淡化系統(tǒng)的基本工作原理 　　某些固體物質(zhì)如沸石活性炭,氯化鍶,氯化鈣等，對水蒸氣具有強烈的吸附特性。利用該特性可以將這些物質(zhì)做成水蒸氣的吸附與脫附床，再利用太陽能集熱裝置驅(qū)動吸附與脫附過程，即可組成太陽能吸附式海水淡化裝置。圖1是太陽能吸附式海水淡化系統(tǒng)的示意圖。 　　在該裝置中，裝有吸附材料的吸附床可直接吸收太陽光，太陽能集熱器既是發(fā)生器(對應于脫附過程)，又是吸附器(對應于吸附蒸汽過程)。吸附過程和脫附過程是交替進行的。夜間，利用白天被太陽能加熱的水給蒸發(fā)器加熱，蒸發(fā)器內(nèi)的海水受熱蒸發(fā)，蒸汽進入太陽能集熱器吸附床中，吸附床吸附蒸汽后釋放的潛熱由床底背部的冷卻系統(tǒng)帶走，蒸發(fā)器中形成的濃鹽水排出裝置外。最終，吸附床充分吸附蒸汽而達到飽和。白天，通過太陽能集熱器的集熱使吸附床中的溫度逐漸升高。當吸附材料表面的水蒸氣分壓大于冷凝器中水蒸氣的飽和分壓時，打開閥門3，蒸汽進入冷凝器中被冷凝成產(chǎn)品淡水。水蒸氣冷凝過程中釋放的潛熱，由冷卻水帶走即完成了一個循環(huán)過程。為了使系統(tǒng)連續(xù)工作，也可將吸附床做成多個，錯開它們的吸附與脫附時間。 　　吸附式太陽能海水淡化系統(tǒng)的特點和關鍵技術 　　與傳統(tǒng)的海水淡化方法相比，吸附式太陽能海水淡化技術有著如下的優(yōu)點： 　　1.產(chǎn)淡水效率高，能量利用性能系數(shù)大，性能系數(shù)是描述海水淡化系統(tǒng)能量輸入與產(chǎn)出相對大小的指標，海水淡化裝置的性能系數(shù)定義為產(chǎn)淡水所需的熱量與系統(tǒng)供給熱量的比值。性能系數(shù)大，表明供給能量轉(zhuǎn)化為淡水產(chǎn)量的效率高。 　　2.許多吸附材料都是普通的化工材料。廉價易購，特別是沸石和活性炭等價格非常低，利用這種材料作為吸附劑，能夠大大降低系統(tǒng)的運營成本。另外，沸石和活性炭都屬于無毒無臭的物質(zhì)。可完全滿足環(huán)保的要求。 　　3.利用太陽能作熱源，不僅可以節(jié)約電能，而且可以應用在電力短缺的偏遠地區(qū)和海島上。 　　系統(tǒng)既可由太陽熱能驅(qū)動，也可利用其它工藝的余熱驅(qū)動。 　　4.除小功率的泵以外，整個機組無其他運動部件。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜。 　　5.海水只集中于一個容器中，不與系統(tǒng)最熱的部件相接觸，從而減少了腐蝕與結(jié)垢。海水腐蝕的環(huán)節(jié)較少，對其他部分材料的要求不高，從而能降低防腐成本。盡管吸附式太陽能海水淡化系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但是，到目前為止仍無商業(yè)化運行的實例。吸附式太陽能海水淡化的下列關鍵技術還有待解決： 　　1.一般的吸附材料所需的脫附溫度較高，均在80攝氏度至150攝氏度之間，而太陽能集熱裝置在高溫下運行效率較低，致使整個系統(tǒng)的效率不高。但隨著太陽能應用技術的日益成熟與完善，當前利用熱管式真空管太陽能集熱器獲得80~150攝氏度的中溫已經(jīng)達到較高的效率。因此采用吸附式原理，利用太陽能進行海水淡化的技術路線重新得到人們的重視。 　　2.一般的吸附材料的導熱系數(shù)都較低，致使在吸附-脫附器中的傳熱傳質(zhì)過程受到限制。因此，設計高效的吸附-脫附器是系統(tǒng)的關鍵，強化其傳熱傳質(zhì)過程，降低總系統(tǒng)的運行溫度，是設計高效吸附-脫附器的改進方向 　　3.太陽能的能量密度很低，由太陽能轉(zhuǎn)換的熱能是有限的!充分利用熱能，重復利用水蒸氣的凝結(jié)潛熱，實現(xiàn)系統(tǒng)的多效運行，是提高系統(tǒng)性能系數(shù)的主要方向。 　　4.對于多吸附-脫附器的系統(tǒng)，特別是吸附過程與多效蒸餾過程相結(jié)合的系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)中各部件的協(xié)調(diào)運行，也是提高系統(tǒng)效率的關鍵，因此，開發(fā)合適的自動控制系統(tǒng)是提高整體系統(tǒng)效率的前提。