新型高效的船舶及海洋工程海水淡化技术

厦门建发船舶贸易公司 谢正祥

新型高效的船舶及海洋工程海水淡化技术

厦门建发船舶贸易公司 谢正祥

节能环保要求的提高对传统海水淡化装置提出了更高要求，而新技术的应用是实现节能增效的重要手段。该文介绍了一种新的低成本“喷雾蒸发海水淡化技术”，通过阐述该技术的原理、经济性、技术优势以及技术发展所面临的问题，结合相关产业政策，对相关企业提出了建设性意见。

新型海水淡化装置 喷雾蒸发 技术优势

随着传统造船业的不断发展和普通商船的饱和，全球各造船机构开始向高端船舶和海洋工程领域转变，同时促使船舶海水淡化市场向高端船舶和海洋平台转变，豪华游轮和多人居住的海洋工程装备船的市场前景非常广阔。目前，我国船舶企业积极贯彻落实《海洋工程装备制造业中长期发展规划》，加快发展海洋工程装备产业，交付和承接了一批先进产品。据不完全统计，2014年我国海上钻井平台和装备制造商共计获得167座钻井平台订单，占全球市场份额的40.1%，新订单的总价值为139亿美元[1]。而在豪华游轮领域，随着普通商船的饱和，国内各大船企和研究机构都将目光转向这颗位于造船业顶端的明珠，面对国内亟待开发的巨大豪华游轮旅游市场，各大船企无不对该行业前景寄予厚望，近期沪东船厂游轮项目的签约打开了国内豪华游轮制造的新篇章，福船集团的游轮项目也在有序推进。因此，海洋工程和豪华游轮领域的蓬勃发展在一定意义上也会促进海洋淡化成套装置市场的发展。

目前海水淡化的主要方法有蒸馏法、反渗透法、电渗法等，而这些海水淡化技术大都需要大量的燃料或电能，船舶和钻井平台的海水淡化成本主要取决于消耗的电力或外来热源，成本是制约海水淡化技术发展的主要原因。为了降低海水淡化的成本，业内人士开始将目光转向成本更低的喷雾蒸发海水淡化技术。其投资只有蒸馏法和反渗透法的1/4，而且其淡水回收率高达90%以上，运行维护成本也能大幅降低[2]。

1 喷雾蒸发海水淡化技术及其经济性分析

1.1 喷雾蒸发海水淡化技术

喷雾蒸发海水淡化技术是由“迅速喷雾蒸发”（RES）技术发展过来的，“迅速喷雾蒸发”技术原本是用来研究喷雾汽化的传热机理，后来在研究过程发现应用在海水淡化上非常理想。由于喷雾蒸发海水淡化技术所要求的蒸发温度不高（50～90℃），因此特别适合使用低位热能作为热源，目前所研究的低位热能主要包括工厂废热和太阳能等。海水或空气被低位热能预热，热能以显热形式存储其中，最后在蒸发过程中为水分提供气化潜热。

2015年8月，英国《新科学家》杂志报道，美国奥克索尼克斯（Aquasonics）公司推出了一项喷雾蒸发海水淡化技术，其钻井平台和船舶喷雾蒸发海水淡化系统图分别如图1和图2所示。该技术利用一组内径0.2～1.5mm的喷头将进料海水的速度增加到200～300m/s，然后将其导入到蒸发室，海水被分散成30～100μm的雾滴，并在热空气流中迅速变成水蒸气，水蒸气被特殊的挡板拦截住，而盐分则变成固体颗粒沉淀下来。Aquasonics公司运用该技术所得到的淡水，和传统技术相比节省50%以上的建设投资和运行费用，淡水回收率超过90%，如果能够结合低成本热源，造水的成本有望达到0.15美元/ t，分离出来的盐分可以制成工业用盐[3]。

图 1 陆基海水淡化系统图

图2 船舶海水淡化系统图

1.2 喷雾蒸发海水淡化系统经济性分析

喷雾蒸发海水淡化系统由外来热源、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、浓盐水和盐颗粒）回收系统组成。对这套系统进行成本核算，成本花费约为5000美元，生产成本0.2美元/吨，生命期限20年，由于这套设备基本不需要运行成本，只需要一些跟踪和调试系统的维护工作，因此其投资回报期相当短，仅需6个月。该系统最大的蒸发表面积约为0.0706m2（直径为0.3m），如果将最大蒸发面积扩大到0.706 m2（直径为0.9m），此时的安装成本基本不变，但是其淡水的生产成本将可降至0.16美元/ t。在蒸发室温度51℃、相对湿度90%，水滴直径小于40μm的条件下，该系统造水的能耗约为5.2kW·h/m3，也比常规蒸馏淡化法成本（10～30 kW·h/m3）低很多。

2 喷雾蒸发海水淡化的技术优势和前景分析

2.1 喷雾蒸发海水淡化的主要技术优势

（1）建设投资和运营费用相对较低。喷雾蒸发海水淡化的主要装置是高精度喷头，相对于传统方法少了一套蒸馏装置或者反渗透装置，使得其投资和运营费用相对较低。

（2）除喷头部件以外，其他地方的操作压力多为常压，操作温度一般也在50℃～90℃，便于使用低品位热能（船用柴油机的废气余热）作为能源，可以提高淡化过程的经济效益，而且有利于应用价格低廉容易取得的高分子材料来制作设备。

（3）气化过程是在气—液界面而不是在设备的壁面进行，因此设备的结垢倾向小，对海水的预处理要求也比较低。

（4）该种设备理论上可以将99%以上的海水转化为淡水且达到零排放，对保护环境方面非常有利，作为副产品的盐浆附加值很高，可用于建材、化工等行业。

2.2 喷雾蒸发海水淡化的前景分析

该技术淡化过程的费用和运行维护的成本远低于传统技术（蒸馏法和反渗透法），但是其海水淡化的回收率高达90%以上，远高于传统技术（蒸馏法和反渗透法）35%的回收率。

这种高效的效率以及低廉的投资成本引发了人们对这种新兴技术的高度重视，传统的海水淡化技术受困于高昂的投资和低下的效率，喷雾蒸发海水淡化技术作为一种新兴的海水淡化技术，将会占据很大部分的海水淡化市场。从市场前景来看，政府在最近几年陆续出台了诸多利于新型海水淡化行业的政策之后，海水淡化行业迎来了新一轮的发展，喷雾蒸发海水淡化技术以其高效的效率和低廉的成本有着广阔的应用前景。

3 喷雾蒸发海水淡化发展所面临的问题

3.1 喷雾蒸发海水淡化距离规模化应用还有一段距离

目前，国内船用海水淡化装置研究单位主要有：中船重工704研究所、711研究所、国家海洋局下属的天津海水淡化与综合利用研究所、南京绿洲机械厂、西北工业大学、海军工程大学、哈尔滨工程大学等，但是这些研究机构主要是研究蒸馏淡化装置，并没有投入到喷雾蒸发海水淡化装置的研究上。在国外也只有少数一些公司在研发喷雾蒸发海水淡化技术，技术还不是相当的成熟，也只有美国的奥克索尼克斯公司取得了一定成绩，也只是应用在小型船舶和钻井平台上，是否能够进行规模化应用还有待考证。

3.2 喷雾蒸发海水淡化产业化仍需大量资金投入

目前蒸馏法和反渗透法海水淡化在全世界各国船舶海水淡化市场中都占据主导地位，因为这些方法研究的时间比较长，技术得到不断改进和发展，广泛运用于各种场合，因此更具有说服力。而通过喷雾蒸发海水淡化所制得的淡水量和传统方法制得的淡水量相比不具备可比性，因此，喷雾蒸发海水淡化技术的支持者更多强调的是未来的发展趋势。

截至2014年下半年，我国已建海水淡化工程装机容量为67.4万t /日，其中蒸馏法淡化产量为19.6万t /日，反渗透法的产量为47.2万t /日[4]。海水淡化市场上基本都是使用蒸馏法和反渗透法来制取淡水，这也说明了用喷雾蒸发海水淡化技术制取淡水实现产业化发展仍需大量的资金投入。

4 船舶新型海水淡化关键技术的建议与思考

随着新型材料和海水淡化技术的应用，船舶海水淡化将朝着高效率、低成本及节能环保方向发展。而喷雾蒸发海水淡化技术作为一项工程技术创新，顺应了新的时代发展潮流，同时也面临着新的发展机遇。

在船舶与海洋工程装备领域，我国出台了《海洋工程装备制造业中长期发展规划》《2015—2020年船舶行业深度分析及“十三五”发展规划指导报告》《中国制造2025》，进一步明确了海水淡化技术装备在船舶及海洋工程领域的重要性，政府的高度重视使海水淡化行业迎来了大发展的机遇，企业只有抢占先机才能成为行业的领导者，结合国内造船和航运企业未来发展的趋势，提出如下建议：

4.1 新技术有利于拓展修造船板块的节能改造业务

企业的发展应响应国家总体战略，国内造船及航运企业面临越来越激烈的市场竞争，发展新型的节能技术进行降本增效已势在必行。结合喷雾蒸发海水淡化技术较高的生产效率和较低的生产成本，无疑未来在船舶及海洋工程领域有很大的发展空间和潜力。建议国内各造船及研究机构对喷雾蒸发海水淡化技术进行充分研究，特别是对该技术在船舶及海洋工程应用上的投资情况进行充分调研和分析，拓展修造船节能技术改造业务。

4.2 增强船舶新型海水淡化关键技术的自主研发能力

可采用相关企业和技术研发中心相结合的研发模式，进行船舶海水淡化关键技术和方法研究。

喷雾蒸发海水淡化过程最重要的步骤是海水的蒸发，海水的蒸发率主要取决于雾化效果，因此喷雾的方式和喷头设计就显得尤为重要。建议中远研发中心既要针对喷雾方式进行深入研究，重点研究喷雾角度对海水蒸发过程的影响，喷雾角度的大小决定了液滴的沉降速率，沉降速率密切关系到海水的淡化时间。也要研究喷头直径和喷头形状对海水蒸发的影响，这两者决定了生成液滴的大小和分布的均匀性，合适的液滴大小和均匀的分布，可以提高传热效率，从而降低能耗。

4.3 通过新技术应用促进降本增效

近年来，由于世界各地船舶能效标准越来越高，以及航运公司降本增效的要求，各大船舶公司都积极采取措施，利用新技术努力推行节能减排。

喷雾蒸发海水淡化技术以其低成本、高效率的特性得到大家的青睐，建议国内航运企业将这种新型的海水淡化技术与自动控制技术结合起来，模糊控制和神经网络控制已经在海水淡化控制系统中得到了应用，这些控制技术可以减轻船员的操作强度，同时可以提高船体的可靠性及智能化。特别是船体在不同海域或气候下能够自动调节工作压力、海水的进水量、产水量以及水质等，保证装置的最佳运行。并且通过该典型案例，以点带面，全面带动各类船舶的各项节能措施的坚定贯彻和广泛开展。

总之，新型船舶海水淡化技术的发展将会掀起一场革命性的浪潮，现有的基础、科技和经验都要随之改变和革新。勇于在新领域和新市场开拓创新，敢于率先进行深入研发并投入实用的企业，将会在如今竞争激烈的船舶市场中取得先机，大大提升企业的市场竞争力。

[1] 2014年海洋工程装备市场回顾[EB/OL]. (2015-02-15).http://www.chinaship/analysis/2564.html.

[2] 王永智, 刘冬. 新型高效的海水淡化和供热技术[J]. 中国船检，2015(8): 93-95.

[3] 成怀刚, 高从堦. 喷雾蒸发海水淡化技术研究进展[J]. 现代化工，2008(2): 19-22.

[4] 阮国岭：海水淡化产业潜力巨大[EB/OL]. (2015-09-24). http://www.chinashipnews.com.cn/show.php?contentid=5773.