1、论太阳能海水淡化技术的现状及发展趋势机械电子工程学院 能源与动力工程143 曾培乐 34 淡水资源：没有水，就没有生命。地球上只有百分之三的水是淡水，所有陆地生命归根结底都依赖于淡水，它决定着地球上生命的分布，水蒸气从海面升起，被气流夹带到内陆，随着海拔提高，汇聚成云层降雨，这也是淡水基本来源之一，溪流汇聚奔腾大河，雕凿出自然界奇观，河流沿岸提供了许多野生动物栖息地，孕育着物种丰富的物种，无论高山，还是湖底，有淡水的地方就有生命。我国的淡水资源：我国淡水资源总量为2.8万亿立方米,居世界第六位,但人均水量只相当世界人均占有量的1/4,居世界第109位.江河也缺水，黄河连年出现断流。楼兰古城因为
2、缺水，只剩下几处断垣残壁。罗布泊因为干涸，成为生命禁区。我国的淡水资源：中国的水资源并不丰富，总拥有量约2.7Tm3，可供开发利用的淡水资源量为11.1Tm3，居世界第六位。若按人均计，约为世界人均水量的1/4。列为世界第109位。我国是严重的缺水大国，在40多个严重缺水国家中位居前列。而且，我国水资源的时空分布不均衡，与耕地、人口的地区分布也不相适应。在全国总量中，耕地约占36%、人口约占54%的南方，水资源却占81%，而耕地占45%、人口占38%的北方七省市，水资源仅占97%。在时空分布上也不平衡，70%左右的雨水又集中在夏、秋两季，多以暴雨形式出现。以上不利的自然因素，注定了我国是一个缺
3、水的国家。上世纪末对全国640个城市统计，有300个左右的城市不同程度地缺水。其中严重缺水的城市114个，月缺水1600万吨，每年因缺水造成的直接损失达2000亿元。水海水淡化技术：海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，目前应用反渗透膜的反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的方法。常规的海水淡化技术：常规海水淡化方法大体上可分为两大
4、类：一类是热方法，以热源为驱动将海水蒸馏的过程，如多级闪蒸（MSF）、多效沸腾（MED）、蒸汽压缩法（VC）；另外一类是膜方法，以电能或压力为驱动的渗透/反渗透过程，如电渗析（ED）、反渗透法（RO）。除此之外，还有冷冻法、溶剂萃取法、水合物法、离子交换法、露点蒸发法等等，其中反渗透法、多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏法已实现工业化。1）反渗透法（Reverse Osmosis）反渗透技术通过对海水施加压力，使得水分子通过半透膜，水中的矿物质无法通过半透膜，这样就将水和盐类分离开来，这一过程称为反渗透。反渗透技术的优点在于能耗少，其能耗约144kJ/kg，远低于普通热法淡化技术。但在半透膜的另一侧
5、容易积聚盐类导致结垢，因而需要定期更换，且海水预处理过程复杂，设备维护量较大。2）多级闪蒸（Multi-stage Flash）多级闪蒸通过降低蒸发室内的气压，使得进入蒸发室内的热海水直接达到沸点汽化，由于其没有加热面，较好的解决了当时困扰热法淡化技术存在的蒸发面结垢难题。它可以在较高的温度下运行而不结垢；采用多级能量回收的技术也使得它有较高的热效率，热耗相对较低，单位产水热耗约340kJ/kg。多级闪蒸在每一级中都要保持较高的海水流量来避免蒸发室结垢，这使得水泵的电耗较高，因而经济性较多效蒸馏有一定下降；同时多级闪蒸的负荷适应性较差，一般在80%110%，适合大型的集中供水。3）低温多效（L
6、T Multi-effect Distillation）多效蒸发过程发生在蒸发室的加热面上，在水温较高时容易导致结垢，影响加热面的传热过程。低温多效技术将海水温度控制在70以下，以保证加热面不结垢。低温多效技术的负荷适应性好，在较宽的负荷范围内都有较高热效率，负荷范围可拓宽至40%110%，但其结构复杂，换热面积和占地面积大，初投资高常规海水淡化技术的弊端：常规的海水淡化方式都以化石燃料或电力为能源，能源消耗巨大，据测算，生产3500万吨淡水需要消耗3.5亿吨原油。同时化石燃料燃烧会向环境释放大量的温室气体，破环环境和生态。在缓解水资源短缺的同时，也给能源和环境带来了巨大压力，且初投资高，技术
7、难度大，在小型化装置上产水率较低，难以满足偏远地区、海外离岛以及能源匮乏地区的淡水需求。20世纪70年代的能源危机，迫使人类将目光转向新能源利用，近年来以太阳能为代表的新能源技术迅猛发展，技术日臻成熟，这为太阳能海水淡化技术的发展奠定了基础。太阳能海水淡化技术：太阳能海水淡化技术是一种利用太阳能蒸馏器来进行海水淡化的一门技术，太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高
8、等优点而逐渐受到人们重视。太阳能海水淡化技术的优势 首先是可独立运行，不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗，运行安全稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的地区有很大应用价值；其次是生产规模可有机组合，适应性好，投资相对较少，产水成本低，具备淡水供应市场的竞争力。人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热
9、性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。太阳能海水淡化装置的分类 人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。早期的太阳能蒸馏器由于水产量低，初期成本高，因而在很长一段时间里受到人们的冷落。第一次世界大战之后，太阳能蒸馏器再次引起了人们极大的兴趣。当时不少新装置被研制出来，比如顶棚式、倾斜幕芯式、倾斜盘式以及充气式太阳能
10、蒸馏器等等，为当时的海上救护以及人民的生活用水解决了很大问题。太阳能蒸馏器的运行原理是利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程，即产生蒸发与冷凝。运行方式一般可分为直接法和间接法两大类。顾名思义，直接法系统直接利用太阳能在集热器中进行蒸馏，而间接法系统的太阳能集热器与海水蒸馏部分是分离的。但是，近20 多年来，已有不少学者对直接法和间接法的混合系统进行了深人研究，并根据是否使用其他的太阳能集热器又将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式两大类。(1)被动式太阳能蒸馏系统 被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前
11、对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。目前，比较理想的盘式太阳能蒸馏器的效率约在35，晴好天时，产水量一般在 34kgm 左右。如果在海水中添加浓度为 1725ppm 的黑色萘胺，蒸馏水产量可以提高约 30。(1)主动式太阳能蒸馏系统 被动式太阳能蒸馏系统的一个严重缺点是工作温度低，产水量不高，也不利于在夜间工作和利用其它余热。为此，人们提出了数十种主动式太阳能蒸馏器的设计方案，并对此进行了大量研究。在主动式太阳能蒸馏系统中，由于配备有其它的附属设备，使其运行温度得以大幅提高，或使其内部的传热传质过程得以改善。而且，在大部分的主动式
12、太阳能蒸馏系统中，都能主动回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，因而这类系统能够得到比传统的太阳能蒸馏器高一至数倍的产水量。我国太阳能海水淡化技术的发展与现状：中国对太阳能海水淡化技术的研究也有较好的基础，在这方面做过较多工作的有中国科学院广州能源研究所和中国科学技术大学等。还在上世纪 80年代初，广州能源研究所即开展了太阳能海水淡化技术的研究，完成了空气饱和式太阳能蒸馏器的试验研究，并于1982年左右在我国嵊泗岛建造厂一个具有数百平方米太阳能采光面积的大规模的海水淡化装置，成为我国第一个实用的太阳能蒸馏系统。接着，中国科学技术大学也进行了一系列的太阳能蒸馏器的研究，并在理论上进行了探讨。对海水浓度
13、、海水中添加染料及装置的几何尺寸等因素对海水蒸发量的影响进行了实验，给出了有益的结果。进入上世纪90年代后，天津大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也加入到了太阳能海水淡化技术研究的行列，提出了一系列新颖的太阳能海水淡化装置的实验机型，并对这些机型进行了理论和实验研究。比较有代表意义的有西北工业大学提出的“新型，高效太阳能海水淡化装置”；天津大学提出的“回收潜热的太阳能蒸馏器”；中国科学技术大学提出的“降膜蒸发气流吸附太阳能蒸馏器”等等，使太阳能海水淡化技术有了较大进步。我国太阳能海水淡化技术的发展与现状：中国太阳能海水淡化技术的研究，走过了近 25年的历史，取得了可喜的成绩。综观整个研究过
14、程，基本可分为3个阶段。第一阶段在上世纪整个 80年代至90年代初期。这个阶段是中国太阳能海水淡化技术研究的起步阶段也是中国太阳能热利用研究的起步阶段。那时，包括太阳能蒸馏器在内的许多太阳能应用技术，如太阳能干燥器、太阳能热水器、太阳能集热器、太阳房以及太阳能聚光器等都吸引了许多科学家进行研究。但由于是起步阶段，所以整个研究都处于较低的水平上，如对太阳能海水淡化技术的研究，基本都集中在单级盘式太阳能蒸馏器上。第二阶段在上世纪90年代初到90年代末。此阶段上，许多研究者逐步认识到了盘式太阳能蒸馏器的缺陷。在设法减少装置中海水的容量方面，采取了梯级送水、湿布芯送水以及在海水表层加海绵等方式，大大减
15、小了装置中的海水存量，使装置中待蒸发的海水温度得到进一步提高，也使装置更快地有淡水产出，延长了产水时间，提高了装置的产水效率。在回收水蒸汽的凝结潜热方面，实验了多级迭盘式太阳能蒸馏器以及其他回收水蒸汽潜热的太阳能蒸馏器。采取这些措施之后，装置的总效率提高到了约50%。上世纪90年代末至现在，对太阳能海水淡化技术的研究进入到了第三个阶段。在总结和分析了第二阶段的研究成果后，人们发现：尽管采取了许多被动强化传热传质措施，如减小装置中海水的容量、多次回收蒸汽的凝结潜热等，仍不能满足用户的要求，即太阳能蒸馏器的经济性仍然不够理想。分析发现，装置内自然对流的传热传质模式是限制装置产水率提高的主要因素。于
16、是研究者纷纷选择了对主动式(加有动力，如水泵或风机等)的太阳能蒸馏器的研究。此期间出现了气流吸附式、多级降膜多效回热式、多级闪蒸式等许多新颖的太阳能海水淡化装置，装置的总效率也有了较大提高，达到 80%左右(包括电能的消耗)。太阳能海水淡化技术的未来发展 未来的太阳能海水淡化技术，在近期内将仍以蒸馏方法为主。利用太阳能发电进行海水淡化，虽在技术上没有太大障碍，但在经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比拟。比较实际的方法是，在电力缺乏的地区，利用太阳能发电提供一部分电力，为改善太阳能蒸馏系统性能服务。人们进一步认识到，太阳能海水淡化装置的根本出路应是与常规的现代海水淡化技术紧密结合起来，取之先进的制造工艺和强化传热传质新技术，使之与太阳能的具体特点结合起来，实现优势互补，才能极大地提高太阳能海水淡化装置的经济性，才能为广大用户所接受，也才能进一步推动我国的太阳能海水淡化技术向前发展。谢谢观赏WPS OfficeMake Presentation much more funWPS官方微博kingsoftwps
