【文章內(nèi)容簡介】 定的降低。但是因為反滲透淡化過程需要加壓，耗用較大能量；同時RO技術(shù)對水質(zhì)有較高要求，苦咸水必須經(jīng)過各種形式預處理，工序復雜；而且膜組件又易損、易污染，需要定期清洗更換，成本仍然較高，設備也復雜；且產(chǎn)品水質(zhì)較低，所以現(xiàn)有淡化容量的70%仍然是使用蒸餾法。(MSF) Flow chart of MSF多級閃蒸(MSF)技術(shù)，它在降低能耗及防結(jié)垢問題方面有獨到的優(yōu)越性。閃蒸技術(shù)原理是：原料苦咸水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于閃蒸室內(nèi)的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進入閃蒸室后立即成為過熱水而急速地部分汽化，從而使熱鹽水自身的溫度降低，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。多級閃蒸就是以此原理為基礎，使熱鹽水依次流經(jīng)若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發(fā)降溫，同時鹽水也逐級增濃，直到其溫度接近（但高于）天然苦咸水溫度，因而可連續(xù)產(chǎn)出淡化水。多級閃蒸可用于以火電廠或核電廠的背壓或抽汽式透平的低位蒸汽為熱源的大型苦咸水淡化工程，為高中壓鍋爐提供優(yōu)質(zhì)脫鹽水，也可提供生活用淡水[12]。多級閃蒸是針對多效蒸發(fā)結(jié)垢較嚴重的缺點而發(fā)展起來的，單機容量大，最大的可達到7~8萬t/d；產(chǎn)品水鹽度一般為3~10mg/l。具有設備簡單可靠，運行穩(wěn)定性高，防垢性能好，操作彈性大，易于大型化以及可利用低位熱能和廢熱等優(yōu)點，一般是與熱力發(fā)電廠聯(lián)合建設與運行，以汽輪機低壓抽氣作為熱源，以降低運行成本。但是，其工程投資高，為反滲透法的2倍；動力消耗大，設備的操作彈性小，是設計值的80~110%，不適應于造水量要求可變的場合；其傳熱管腐蝕穿孔時將污染水質(zhì)。在海灣國家，由于石油比較豐富，水溫較高，鹽度高等原因，多級閃蒸技術(shù)應用得比較多。MSF裝置的優(yōu)點是設備單機容量大、使用壽命長、出水品質(zhì)好、熱效率高。但由于裝置濃縮苦咸水的最高操作溫度在110℃左右，對傳熱管和設備本體的腐蝕性較大，必須采用價格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材，因此設備造價高。另外，為了減輕結(jié)垢和腐蝕，對進入裝置的苦咸水加酸和進行脫氣（脫除CO2和O2），因而也增加了造水成本。(HD)增濕去濕淡化方法由傳統(tǒng)的蒸餾淡化發(fā)展而來，它是在蒸餾過程中引入流動的空氣作為水蒸汽的載體，并將蒸發(fā)室與冷凝室分離，使其溫度可以獨立控制；載氣在蒸發(fā)室中被鹽水增濕成為濕空氣，濕空氣攜帶一定量的水蒸汽進入冷凝室，經(jīng)過冷凝去濕得到淡水，并預熱進料鹽水使冷凝潛熱得到回收[13]。增濕與去濕是指水蒸汽在空氣中含量的增加與減少，即濕空氣含濕量的增減。當空氣中的水蒸氣含量增加時，稱為增濕，反之稱為去濕。通常，氣體增濕是通過空氣與液體的直接接觸，或者將空氣與水蒸汽的直接混合而實現(xiàn)的。在空氣與液體直接接觸過程中，空氣中水蒸汽的分壓趨于零，兩者之間存在水蒸汽的分壓差ΔP，在這種推動力下，液體表面的組分吸收來自空氣或液體的熱量后，以氣態(tài)形式進入空氣中，這樣空氣體就被濕化了。增濕去濕淡化法有三種不同的形式，第一、在同一空間內(nèi)自然對流增濕去濕；第二在同一空間內(nèi)強制對流增濕去濕；第三：蒸發(fā)和冷凝完全分離的增濕去濕。自然對流增濕去濕過程中，水蒸汽運動的驅(qū)動力為分子間作用力，水蒸汽顆粒的運動方式為布朗運動，其到達冷凝界面的時間較長，即淡化時間較短，產(chǎn)水量較低[14]。強制對流增濕去濕過程，氣體的對流循環(huán)不僅加速了液面水蒸汽的蒸發(fā)，還縮短了水蒸汽分子到達冷凝界面的時間，延長了淡化時間，產(chǎn)水量變大[15]。但是在同一空間內(nèi)進行增濕去濕過程中，冷凝器與蒸餾器溫差小，冷凝器的總傳熱系數(shù)小，為了充分回收冷凝潛熱就需要增大冷凝面積，并且在為了避免操作壓力過高，同一空間內(nèi)強制對流的流速不能太高，因此增濕去濕淡化過程進行不充分。為了克服這一缺點，人們將增濕器和冷凝器完全分離，即增濕過程和去濕過程分離。此舉便于自主控制增濕器和冷凝器的溫度，充分回收冷凝潛熱[16]。 Flow chart of HD，就是一個典型的蒸發(fā)器、冷凝器分離的增濕去濕苦咸水淡化系統(tǒng)，它由蒸發(fā)器、冷凝器和集熱器三個主要部分組成，且這三部分相互完全分離，系統(tǒng)工作流程主要包括閉式的空氣循環(huán)和開式的苦咸水循環(huán)兩個循環(huán)[17]。其原理是利用一個平板式太陽能集熱器來加熱苦咸水，用風機帶動空氣完成一個閉式循環(huán)，熱苦咸水與常溫空氣混合得到濕空氣，濕空氣在一個表面積很大的冷凝器內(nèi)冷凝，淡水凝結(jié)的大部分潛熱用來預熱苦咸水[18]。引入流動的空氣雖然可以加快苦咸水的蒸發(fā)，但勢必會帶走系統(tǒng)的一部分熱量，而且空氣的去濕程度也必然影響系統(tǒng)淡水的產(chǎn)量，所以增濕去濕法目前尚處于實驗研究階段。(MED)多效蒸餾法(MED)是苦咸水淡化技術(shù)中較早發(fā)展成功的方法之一，其經(jīng)歷了由浸沒管蒸發(fā)、豎管降膜蒸發(fā)，到橫管降膜蒸發(fā)的發(fā)展過程。目前，具有商業(yè)價值的脫鹽技術(shù)有豎管多效蒸發(fā)Vertical Tube(VTMED)和橫管多效蒸發(fā) Horizontal Tube(HTMED)，其它方法由于結(jié)垢嚴重而被淘汰[19]。它是由若干個單效蒸餾組成的系統(tǒng)，每一組蒸發(fā)器即為一效。，圖中D蒸發(fā)器，E加熱器，G水泵，K冷凝器，即進料苦咸水在冷凝器中預熱、脫氣之后分成兩股，一股排回大海，另外一股為進料液。料液加入阻垢劑，首先引入蒸汽進入第一效蒸發(fā)器，被輸入到第一效的蒸發(fā)管內(nèi)的蒸汽在管內(nèi)冷凝，管外苦咸水產(chǎn)生與冷凝量基本等量的二次蒸汽。然后將第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并在下一蒸發(fā)器中凝為蒸餾水。蒸發(fā)、冷凝過程在各效重復，每效均產(chǎn)生基本等量的蒸餾水，最后一效的蒸汽在冷凝器中被苦咸水冷凝。除第一效的加熱蒸汽來自鍋爐等外部熱源外，以后各效的加熱蒸汽均來自前一效產(chǎn)生的二次蒸汽。第一效的冷凝液返回鍋爐，其余效的冷凝液進入產(chǎn)品水罐，各效產(chǎn)品水罐相連，最后收集得到淡水。 Flow chart of MED因為每一效的蒸汽的熱量都被帶回下一效回收利用，熱能得以重復利用，所以多效蒸餾與單效蒸餾相比，造水比(the Gained Output Ratio，GOR)幾乎按效數(shù)成倍增加，但設備費用亦隨效數(shù)的增加而逐漸升高，故不能一味的增加效數(shù)，且設備體積一般較大。造水比(GOR)是所得淡水(蒸餾水)的重量與所耗加熱蒸汽的重量之比，是淡化廠經(jīng)濟效益的直接體現(xiàn)。 苦咸水淡化是實現(xiàn)水資源利用的開源技術(shù)，也是世界各國競相開發(fā)的朝陽產(chǎn)業(yè)。人類在400多年前就開始正式的研究苦咸水的淡化問題，使用蒸餾法生產(chǎn)淡水開始于1593年，之后人們開始了研究各種各樣的苦咸水淡化方法的旅程。21世紀以來，世界苦咸水淡化市場一直以每年10%~13%以上的速度在擴大。目前，無論是中東的產(chǎn)油國還是西方的發(fā)達國家，都建設有相當規(guī)模的苦咸水淡化廠。[20]?？梢钥闯觯澜缈嘞趟萘吭鲩L很快，2008年全球苦咸水淡化容量約為42106m3/d。1960年在阿聯(lián)酋建成的第一座苦咸水淡化廠，其產(chǎn)量僅為50m3/d，現(xiàn)在其規(guī)模己達2l06m3/d。從上世紀七十年代至今，大部分沿海國家都開始著手研究苦咸水淡化技術(shù)。當今各種苦咸水淡化方法都向大型化發(fā)展，世界上最大的多級閃蒸（MSF）苦咸水淡化裝置在阿聯(lián)酋，共有六臺裝置組成，103m3/d，l03m3。最大的低溫多效淡化裝置位于以色列的ASHDOD電廠，日產(chǎn)淡水19103m3。美國的Yuma淡化廠建成于1989年，日產(chǎn)淡水273103m3，是世界上最大的苦咸水反滲透淡化廠。 The growth trend of production capacity of world brackish water desalination plant隨著苦咸水淡化技術(shù)的發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)苦咸水淡化、各種苦咸水淡化方法的聯(lián)合系統(tǒng)得到廣泛的應用。在20世紀最后幾年，阿聯(lián)酋迪拜的Jebel Ali電站(G座)發(fā)電450MW，MSF與RO聯(lián)合系統(tǒng)造水28,8000m3/d，阿布扎比（Abu Dhabi）的水電部門建設裝機容量732MW的發(fā)電機組、348,000m3/d多級閃蒸苦咸水淡化廠。我國從20世紀50年代開始研究電滲析法；60年代中期開始研究反滲透法；70年代中期開始研制陸用蒸餾淡化裝置；80年代中后期建成工業(yè)規(guī)模的電廠用多級閃蒸裝置；到了90年代我國苦咸水淡化的形勢才發(fā)生了巨大的變化，經(jīng)濟高速發(fā)展加上旱情加重，苦咸水淡化市場開始形成。我國是繼美、法、日、以色列等之后研究和開發(fā)苦咸水淡化先進技術(shù)的國家之一。在中國，“向海洋要淡水”已經(jīng)形成了方興未艾的產(chǎn)業(yè)。到2007年底，105t/d，天津、青島、河北等沿海地區(qū)多個日處理10~20萬噸的大型苦咸水淡化項目相繼啟動。2009年7月，亞洲最大苦咸水淡化廠：天津大港新泉苦咸水淡化有限公司主體工程在天津建成，項目一期建設苦咸水處理能力為日產(chǎn)10萬噸，并最終形成日處理15萬噸的能力，主要為“大乙烯”建成投產(chǎn)后提供淡化苦咸水，剩余產(chǎn)能還將供給園區(qū)內(nèi)其他工業(yè)項目用水。很多沿海的大型電力、石化、化工企業(yè)，開始大量利用苦咸水，106m3，其中電力行業(yè)利用苦咸水作冷卻水量占90％[21]。經(jīng)過多年的科技攻關，中國在苦咸水淡化技術(shù)方面取得重大突破，技術(shù)經(jīng)濟日趨合理。部分技術(shù)如低溫多效苦咸水淡化技術(shù)、苦咸水循環(huán)冷卻技術(shù)已躋身國際先進水平。目前中國苦咸水淡化已基本具備了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展條件，但與國外先進水平還有很大差距?，F(xiàn)有的苦咸水淡化方法應用較廣泛的是蒸餾法和反滲透法(RO)。但是由于反滲透淡化過程需要加壓，耗用較大能量；同時RO技術(shù)對水質(zhì)有較高要求，苦咸水必須經(jīng)過各種形式預處理，工序復雜；而且膜組件又易損、易污染，需要定期清洗更換，成本較高，設備也復雜。所以現(xiàn)有淡化容量的70%仍然是使用蒸餾法，蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化技術(shù)，是水淡化最主要的方法，其原理即：將苦咸水加熱蒸發(fā)，再使水蒸汽冷凝得到淡水。蒸餾法由于在蒸發(fā)時需要大量的熱能，所以通常與火力發(fā)電站聯(lián)合建設與運行，而裝置的運行所消耗的能源完全由火力電站的電能和熱能提供，同時火力發(fā)電本身也需大量用水，這又加劇能源緊缺，造成新的水質(zhì)和大氣污染。因此利用太陽能的代替蒸餾中的化石能源和電能的消耗的太陽能苦咸水淡化技術(shù)，引起了世界的關注。 Solar stills disc monopole國內(nèi)外關于太陽能苦咸水淡化的研究已有很多。世界上第一個大型的太陽能苦咸水淡化裝置，是1874年在智利北部的Las Salinas建造的[22]。1992年Tiwari在一篇文獻中提出了將太陽能蒸餾系統(tǒng)化分為主動式和被動式兩大類的概念，并為廣大研究者所接受[23]。所謂的被動式太陽能苦咸水淡化裝置，是指裝置中不存在任何利用電能驅(qū)動的泵等元件，也不存在利用附加太陽能集熱器等部件進行主動加熱的太陽能苦咸水淡化裝置，裝置的運行完全是在太陽光的作用下被動進行[24]。—單極盤式太陽能蒸餾器，太陽輻射透過玻璃蓋扳,一部分從水面反射,其余的通過盛水槽中的黑色襯里被水體吸收,使苦咸水溫度升高,并使水蒸發(fā),蒸發(fā)的水蒸汽遇蓋板冷凝成水珠,沿著傾斜的蓋板流入集水槽中被收集，得到淡水[25]。由于被動式太陽能苦咸水淡化裝置沒有太陽能集熱器部件，工作溫度低，產(chǎn)水量不高，也沒有泵的循環(huán)部件系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效果并不十分聯(lián)想，所以人們更關注的是主動式太陽能苦咸水淡化裝置的研究。在主動式太陽能蒸餾系統(tǒng)中，由于配備有集熱器等附屬設備，使它的運行溫度得以大幅度提高，其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程得以改善。Veza等人在池式太陽能蒸餾器的基礎上，采用強迫空氣對流的操作方式，將蒸發(fā)器與冷凝器分離出來，[26]。該過程通過外力使鹽水表面的空氣強制循環(huán)，這有利于提高鹽水的汽化效率；同時，該裝置采用分離的冷凝器也強化了冷凝效果。 強迫空氣循環(huán)的增濕/除濕太陽能苦咸水淡化裝置示意圖 Schematic diagram of Forced air circulation in the humidification / dehumidification solar desalination plant錢強，朱躍釗，廖傳華等人分析了幾種太陽能苦咸水淡化裝置工作原理、結(jié)構(gòu)和傳熱，指出要提高裝置的性能參數(shù)和產(chǎn)水率，除應從加強傳熱、減少裝置中苦咸水熱容量等方面來考慮外，最主要的是提高太陽能蒸餾器提供熱源的溫度[27]。進一步研究表明，噴淋鹽水對設備的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)以及太陽能集熱器的效率均增加。左潞，鄭源，周建華等人還研究發(fā)現(xiàn)，如果在系統(tǒng)運行過程中，水蒸氣的冷凝潛熱能被重復利用，蒸發(fā)過程所需的熱能將被顯著降低，而大部分主動式太陽能蒸餾系統(tǒng)，都能主動回收蒸汽在凝結(jié)過程中釋放的潛熱，因而這類系統(tǒng)能夠得到比傳統(tǒng)太陽能蒸餾系統(tǒng)高一倍甚至數(shù)倍的產(chǎn)水量，這是目前主動式太陽能蒸餾裝置被廣泛重視的根本原因[28]?，F(xiàn)在人們研究較多的是太陽能多效蒸餾系統(tǒng)，它是將傳統(tǒng)的多效蒸餾中的鍋爐等熱源由一太陽能集熱裝置代替，它繼承了傳統(tǒng)多效蒸餾地將水蒸氣的凝結(jié)潛熱和熱鹽水的顯熱再循環(huán)加以利用的優(yōu)點，而且由太陽能代替了不可再生能源的消耗，裝置更加節(jié)能、環(huán)保[29]。但是，它的結(jié)構(gòu)通常都很復雜，運行成本及固定資本的投入相對較高，使得這些系統(tǒng)通常只對大型的設備具有經(jīng)濟可行性。在西北地區(qū)特別是靠近偏遠地區(qū)，人口分部相對稀疏，交通、電力十分不便，大型的苦咸水淡化設備并不適用。 Solar multieffect distillation system太陽能多效蒸餾系統(tǒng)電能的消耗一直是限制其發(fā)展的重要因素之一，所以本課題擬采用一種垂直軸風力機帶動水泵工作，用風能代替電能的消耗。國內(nèi)外關于風力機的研究多為水平軸風力機，其風能利用系數(shù)較高，是目前世界上的主流風力機，技術(shù)已發(fā)展的比較成熟[30]。但是由于水平軸風力機自身固有的一些特點，使得水平軸風力機的制造成本和運營維護成本較高。而垂直軸風力機卻有其自身的優(yōu)勢：葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受力方向恒定，疲勞壽命長；構(gòu)造緊湊，可靠性較高；不需要偏航系統(tǒng)，齒輪箱等部件可以放在地面或塔架底部，維護方便，制造運營維護成本較低；其風輪的尖速比遠小于水平軸風輪，這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動噪音很小，與環(huán)境更和諧[31]。垂直軸風力機潛力巨大，吸引了近年來人們越來越多的關注。 Straight blade vertical axis wind turbine 中國最早利用