新型高效的海水淡化和供热技术

CCSC大连分公司 王永智 刘 冬

目前海水淡化的方法主要有电渗法、反渗透、冷冻、蒸馏等多种方法，但上述方法均不太适用于船舶和钻井平台上，因为船舶和钻井平台是一个比较特殊的工作场所，船舶和钻井平台所用的海水淡化方法在很大程度上取决于选择何种电力以及可供利用的外来热源，在淡化成本上同样取决于消耗的电力或外来热源的成本。本文通过对喷雾汽化技术的研究，介绍一种适用于船舶或钻井平台海水淡化和供热的新型高效技术。

喷雾汽化━海水淡化的应用

对于远离陆地的船舶或海上钻井平台来说，淡水资源格外珍贵，目前主要的海水淡化技术大都需要大量的燃料或者电能，成本是制约海水淡化技术发展的主要因素，显然船舶或钻井平台上选择可供利用的电能或者热源，以及迫切需要寻找与之相适用的海水淡化方法，就显得尤为重要。

海水淡化产业工程效果图

喷雾汽化技术也属于雾化蒸发法（热法），需要外来热源，本文所说的喷雾汽化是指沸点温度下的汽化，与通常所说的喷雾蒸发虽无本质区别，但通常所说的喷雾蒸发是指任何温度下都可发生的一般指低位热能（50℃～90℃）的蒸发现象。本文所描述的喷雾汽化技术的原理与美国佐治亚州的一家公司新研制出一种新型海水淡化设备“迅速喷雾蒸发”（RSE）的技术相类似，并且本技术还可高效地进行热能转化（供热），实现能源和资源的综合利用。该技术已经研究了很多年，但还没有被开发，原因是该技术原本是作热能转换用的，研究的是喷雾汽化的传热机理，后来在研究的过程中发现应用在海水淡化上是非常理想的，并且这种技术设备本身具有一机多用的多功能特点。

据英国《新科学家》杂志报道，美国佐治亚州的一家公司研制出一种新型海水淡化设备，它使用了一种称为“迅速喷雾蒸发”（RSE）的技术：含盐的水通过管道喷雾进入分离室，形成非常细小的水滴；在分离室的热空气中，水滴迅速蒸发，水和盐分等杂质分离；水蒸气输入凝结室成为纯水，而盐分则落在分离室的底部。据称，新技术效率比现有的反向渗透等技术要高得多，淡化过程的费用只有现有技术的三分之一，RSE技术回收的效率可达95%，传统技术只能达到35%，投资只有蒸馏法和反渗透法的四分之一，且运行维护成本大为降低。

新型/高效的喷雾汽化

技术原理。喷雾汽化—海水淡化的技术系统是由外来热源、海水预处理装置、喷头（雾化器）、汽化室、自控装置、冷凝装置、物料（淡水、浓盐水或盐颗类）回收系统组成。喷雾汽化——海水淡化的原理是将海水通过喷头显雾状喷入汽化室，汽化室内的温度可采用船用柴油机废气余热、风电或太阳能等进行加热，雾化后的水滴形成弥散状态，水滴体积很小，直径一般在80μ m以内，比表面积很大，便于与汽化室内的热量传递，水滴颗类在流出喷嘴出口的瞬间产生膨胀汽化，海水中的水分被瞬间汽化成为水蒸汽，水和盐分等杂质分离，水蒸气输入凝结装置成为淡水，而浓盐水则落在喷雾汽化室的底部排出，或排到结晶槽中（制盐），喷雾汽化过程中海水的浓缩倍率很高，盐分可以结晶析出。

喷雾汽化的科学问题。喷雾汽化——海水淡化最重要的步骤是提高海水的汽化速率，而影响汽化速率的首要因素是海水的雾化效果，这涉及到喷嘴的结构和喷雾方式，涉及到系统的参数，还涉及到流体运动理论、界面效应、机械效应、液滴对流传质等一些理论，喷雾汽化的理论仍落后于实践。喷雾汽化——海水淡化的方法属于热法，但与传统的蒸馏法相比却有很大的区别，在热量和质量传递上显现出不寻常的特性：喷雾汽化一部分是利用物理的效应来增加水分子的内能，而传统的蒸馏法完全是靠增加热能的方法来提高水分子的内能；喷雾汽化主要是靠机械物理的方法来改变水分子团簇的结构，而传统的蒸馏法完全是靠热能来改变水分子团簇的结构；喷雾汽化传热是一种高效应的热能转换，而传统的蒸馏法是低效应的热能转换；喷雾汽化具有很高的能效比，而传统的蒸馏法热效率很低；喷雾汽化是一种瞬间完成的汽化现象，而传统的蒸馏法是一种缓慢的汽化现象；喷雾汽化的设备结垢倾向性小，而传统的蒸馏法很容易结垢。

喷雾汽化——海水淡化过程的加热方法，一般采用两种工艺方法：一种方法是外来热源通过先预热空气，然后将热空气通入汽化室直接加热雾化的海水，海水雾滴在空气的热气流中被迅速变成为水蒸汽。美国佐治亚州的一家公司新研制出一种新型海水淡化设备“迅速喷雾蒸发”（RSE）的技术就是采用热空气加热的方法，但该方法存在水蒸汽冷凝时含高分率不凝结气（空气），而蒸汽中存在不凝结气将严重阻碍冷凝过程，美国的这项技术采用的是水蒸汽被一组特殊的挡板截留。有研究发现，蒸汽中仅有0.5%的空气就可使冷凝传热系数降低50%，一般的热空气直接加热雾化海水的方法不凝结气的质量分率高达50%～90%，因此，若采用热空气直接加热雾化海水的方法必须有效地解决含高分率不凝结气的蒸汽冷凝问题。该方法蒸汽冷凝过程时的汽化热二次利用价值不高。另一种方法是外来热源通过设备壁面或其它方式的热交换使汽化室的内空间产生稳定的高温区，雾化后的海水在汽化室的内空间受热被瞬间汽化成为水蒸汽。该方法蒸汽冷凝过程时的汽化热有显著的二次利用价值。

喷雾汽化——海水淡化的结垢问题。一般的热方法受限于结垢和传热系数，喷雾汽化过程主要还是在汽化室内空间的汽-液界面完成，而在设备壁面进行的情况较少，设备结垢的倾向性小，海水雾化是靠流体的压力以一定的流速喷射出来，实验表明，液体流速增大可使结垢速率减小，喷雾的微射流会最大程度地破坏边界层，阻止固体壁面结垢，大大减小传递阻力，即便是在设备壁面结垢也是一种很薄的松软结合体，不会在设备壁面产生难以清除的硬结垢。

喷雾汽化的传热机理。在通常情况下，无论是淡水还是海水都是以分子团簇的形式存在的，淡水或海水都是高度内聚的。一般在直接加热水的汽化过程中，随着温度的提高，水分子动能的增加，改变水分子团簇的结构比例，水分子间的氢键逐步断裂，使水分子团簇变小，同时也需要克服水分子间的范德华力（水分子间作用力）和水的表面张力，才能汽化。喷雾汽化就是利用流体压力和喷嘴的机械结构共同作用使氢键遭到破坏，引起水内部结构较大的变化，使缔合的水分子团簇变小，形成细小的水分子。水分子团簇变小，水的溶解力、渗透力、扩散力等均有所增强，水的表面张力、氢键力有所减弱。有研究表明水的氢键力减弱，水分子间的范德华力也会减弱，这样就有利于克服水在汽化过程中的表面张力、氢键力及分子间的范德华力，更有利于提高水的汽化速率。雾化后的水滴汽化速率快，这得益于比表面积很大、水分子间作用力和水的表面张力减小、传热系数显著提高等因素，但水滴在汽化过程中的传热机理还有待于进一步探索。

喷雾汽化后的热能利用。喷雾汽化本身是一个吸热过程，在汽化的过程中要吸收大量周围环境（汽化室）的热量，不仅能够进行海水淡化，而且还有一项重要作用就是汽化后（汽化潜热）的热能利用，一般有二种方法可供热能利用，第一种方法是利用海水淡化后的汽化——冷凝过程，进行二次利用，提供船舶或钻井平台上采暖和热水；第二种方法是利用淡水喷雾汽化，直接变成了高效的相变热机，连续不断地为船舶或钻井平台上的加热设备进行供热，相当于一个小型蒸汽锅炉，可产生接近饱和蒸汽、过热蒸汽。它的供热用途主要包括：

1.用于船舶或钻井平台人员日常生活用的热水、食堂蒸锅的蒸汽热源、衣物的烘干设备和其它高温蒸汽的热源；

2.直接用作冬季空调的（蒸汽）热源或用于夏季吸收式制冷装置的加热源；

3.直接用于冬季船舶或钻井平台上除冰雪；

4.直接用于钻井平台特定情况下的石油热采技术；

5.用于重油舱的加热和保温。

能源利用高效广泛

喷雾汽化技术不但适用于普通的电能和外来热源，而且特别适用于船用柴油机废气余热利用，适用于风电或太阳能相结合，实现海水淡化和供热，并具有新型高效的特点。

喷雾汽化——海水淡化能够充分利用船用柴油机废气余热，不仅可以废热利用，提高整个淡化过程的经济效益，并且该技术是在任何温度下都可发生喷雾蒸发（汽化）的现象。

海上钻井平台是一个变工位的工作场所，要有生产运行维修和保障措施的基本条件，一般都有一定的能源装备，有的配备了发电机组，有的配备了风电和太阳能设备。风力发电由于受本身固有的波动性（不稳定）、间歇性的影响，同样太阳能因时间段和天气的原因，本身也具有不连续性和一定的波动性，因此风电或太阳能海水淡化与供热受到了很大限制，然而以喷雾汽化技术为核心的风电海水淡化和供热却能够很好地适应风电大幅度的波动，喷雾汽化技术的一个主要性能是能够根据不同工况条件下做出快速响应，因为喷雾汽化技术能够做到随汽化室的温度变化自动调节海水的雾化量，保证海水的淡化或供热效果。而太阳能与喷雾技术相结合，更是优于传统的太阳能蒸馏技术。

因此若将喷雾汽化技术与船用柴油机废气余热相结合应用在船舶上，或与风电/太阳能相结合用于海上钻井平台上，实现海水淡化及供热，将解决淡水、供热与环境之间的矛盾，这是一种全新的海水淡化和供热技术。

新型高效的船舶或钻井平台用海水淡化与供热技术系统的特点：

1.运行启动快（冷机开机制水或供热时间＜3min）。

2.设备体积小，模块化灵活组合，根据淡水的需求量配置独立模块，可多可少。

3.设备维修简单，全自动控制，系统温度可调，随时可以开机停机。

4.该技术系统可以常压，也可有压，满足系统循环；供热多样化，可以供蒸汽、采暖、供热水等。

5.根据需要利用汽化——冷凝过程，提供船舶或钻井平台采暖和热水，并且浓盐水可结晶制盐，实现淡水、供暖、制盐（盐化工）三联产。

喷雾汽化——海水淡化技术的优势明显，是否适合大规模应用还有待于验证，但喷雾汽化—海水淡化技术具有汽化速率高、模块化灵活组合、能效比高、适用性强、一机多用、海水浓缩倍率高、维护简单等特点，适于与供热技术以及其它淡化方法相结合，以降低综合成本，且避开了现有海水淡化过程中原料水预处理难度大、投资和操作费用高等特点，特别是有效地解决了传统海水淡化过程中的浓盐水排放问题，对保护环境特别有利，因而在特定的淡化环境中将有独到之处，将解决淡水、供热与环境之间的矛盾，实现能源和资源的综合利用，具有显著的发展趋势。