熱泵循環海水淡化系統分析

秦景江 董 旭

(1.秦皇島電力公司，河北 秦皇島 066004; 2.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004)

在我國海水淡化技術研究起步較早，經過約40年研發和示范的經驗積累，工程實踐已日趨成熟。近年來，我國在引進、消化和創新海水淡化先進技術與裝備制造等方面做了大量的工作。截至2006年年底，我國淡化海水日產15萬t，占世界海水淡化日產量的4%，但與國外相比，我國海水淡化規模并不大，在研究水平、創新能力及系統設計和集成等方面仍有較大差距[1，2]。如今國家非常重視發展海水淡化產業，規定沿海地區新上電站項目(含核電)必須配套相應的海水淡化裝備。目前電力行業是應用海水淡化技術最多的行業，我國最大的海水淡化工程建在浙江省華能玉環電廠，工程規模34 560 m3/d，單機產水量5 760 m3/d[3]。國家政策大力扶持海水淡化產業，決定自2008年1月1日起，免征企業海水淡化工程所得稅。

我國海水淡化產業的發展前景廣闊，根據國家發展和改革委員會、國家海洋局及財政部聯合發布的《海水利用專項規劃》，在未來2年～10年內我國將有約日產400萬t海水淡化設備的市場需求，未來20年內國際上將有近700億美元的海水淡化市場，利用海水淡化技術大規模開辟新水源已是大勢所趨。隨著淡化海水生產成本的不斷降低，海水淡化技術將不僅限于沿海島嶼和企業供水，大規模應用于沿海居民生活供水也將是經濟可行的。

1 熱法海水淡化技術分析

目前世界上通用的熱法海水淡化技術主要有多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(L-MED)和壓汽蒸餾(VC)[4]。

1.1 多級閃蒸技術

多級閃蒸是一種利用閃蒸原理進行海水淡化的工藝流程，是將原料海水加熱至一定溫度后引入一個壓力較低的空間內，由于環境壓力低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓力，此時熱鹽水過熱急速汽化，之后熱鹽水自身溫度降低，產生的蒸汽冷凝后即為所需淡水。多級閃蒸技術即以此原理為基礎，使熱鹽水依次流經若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發降溫，同時鹽水也逐級增濃，直到其溫度稍高于天然海水的溫度[5]。該系統特點是末級濃海水只有少量排放，大部分則返回系統作為前若干級的冷卻水，同時回收閃蒸蒸汽的熱量，故海水得以重復利用，原料水量及預處理費用得以降低。MSF的使用有地域特征，特別在海灣國家采用較多，其通常與火力發電站聯合建設運行，以汽輪機低壓抽汽作為熱源，其優勢是海水結垢傾向小、易于大型化和運行可靠。但由于海水加熱過程中換熱效率較低并需要大量循環海水，因此換熱面積過大、動力系統能耗大。常用的濃海水循環型多級閃蒸技術工藝流程如圖1所示。

圖1 濃海水循環型多級閃蒸技術工藝流程

1.2 低溫多效蒸餾技術

低溫多效蒸餾技術(L-MED)是鹽水最高蒸發溫度不超過70℃的海水淡化方式，特征是將一系列水平管降膜蒸發器或垂直管降膜蒸發器串聯并分成若干效組，輸入一定量的蒸汽，通過噴淋原料海水多次蒸發和冷凝，在前一效蒸發的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，并冷凝產生所需淡水，最終得到多倍于初始加熱蒸汽量的蒸餾水。低溫多效蒸餾的操作過程具有飽和態、小溫差、低流阻等特點[6]。與多級閃蒸技術相比，其優點有:1)低溫多效蒸餾傳熱過程是沸騰和冷凝的雙側相變換熱，傳熱系數很高。對于特定蒸發溫度，低溫多效蒸餾所用傳熱面積比多級閃蒸少很多。2)低溫多效蒸餾動力消耗少。采用水平管噴淋降膜蒸發器耗電只需1 kWh/t左右，而多級閃蒸生產1 t淡水需耗電4 kWh。3)低溫多效蒸餾操作彈性很大，設備在負荷范圍從25%變化到110%的區間內皆可正常操作，而且產水比不會下降。4)低溫多效蒸餾可利用約70℃的低溫廢熱作為海水加熱熱源，是一種可利用余熱節能的海水淡化方法[7]。低溫多效蒸餾的缺點在于料液在加熱面上沸騰，同樣溫度下相對容易在傳熱管壁上結垢，需要經常清洗維護和采取嚴格的防垢措施。其工藝流程如圖2所示。

1.3 壓汽蒸餾技術

壓汽蒸餾技術也稱為熱泵蒸發，是用壓縮機將過飽和度較低的二次蒸汽稍加壓縮，提高其壓力后再輸入到系統中的動力方式。蒸汽在壓力提高之后其飽和溫度也相應提高，輸入系統后可以作為加熱熱源使用，從而構成一個閉路循環。壓汽蒸餾淡化海水具體過程為:加熱原料海水蒸發出二次蒸汽，二次蒸汽被加壓提高溫度作為蒸發器的加熱熱源，然后冷凝產生淡水。VC用電或蒸汽驅動，循環利用二次蒸汽，屬于節能的海水淡化方法。但是由于蒸汽壓縮機的設計與制造技術問題難以解決，淡化設備規模受到限制，很難實現大型量產化[8]。

圖2 低溫多效蒸餾技術工藝流程

2 熱泵循環海水淡化系統理論分析

利用熱泵循環的海水淡化系統特點是使用熱泵回收低溫多效蒸餾系統末效蒸汽熱量，既繼承壓汽蒸餾法可回收利用最末效蒸汽熱能的優點，沒有冷凝器放熱損失，又避免了壓汽蒸餾法的技術瓶頸——壓縮水蒸汽，而且保留了低溫多效蒸餾法蒸汽熱量多次使用的特點，因而理論上可實現節能生產淡水。此方法根據不可逆熱力學原理，把熱泵系統蒸發器、冷凝器與低溫多效蒸餾系統緊密結合，并對低溫多效蒸餾系統中幾個重要環節進行特殊設計以使整個海水淡化過程的熵增最小，希望能夠實現海水淡化過程最節能化。設計要點如下:

1)每一效蒸發器設置獨立循環水泵，一方面可避免不同溫度海水混合過程中產生不可逆損失，另一方面可使噴淋海水的溫度與各效對應蒸發溫度相近，縮短海水在蒸發器中預熱時間，節省傳熱面積。2)設置淡水和濃鹽水排放能量回收系統。通過將各效蒸發器排出的淡水和濃鹽水與各效蒸發器所需補充海水換熱，可實現最高效能量回收過程熵增最小的目的，同時也保證了供給補充海水的溫度盡可能升高，最大限度提高每一效水蒸汽產量。

3 系統設計

對熱泵循環海水淡化系統進行理論計算之前需進行初步設計。綜合考慮工質性能、設備市場行情等因素，初步設計主要注意事項如下:1)水的汽化潛熱大，海水淡化系統可回收熱量很大。為滿足大熱量要求，熱泵選擇離心式壓縮機。相對熱泵常用領域——空調系統，海水淡化功能要求熱泵工作溫度較高，故計算分析選擇R123冷媒匹配。2)系統簡圖和運行原理如圖3所示。壓縮機:熱泵系統離心壓縮機，壓縮R123冷媒;多效蒸發器:低溫多效蒸餾海水淡化裝置;節流閥:熱泵系統節流元件，冷媒通過后減壓汽化;換熱器1:熱泵將淡水加熱成蒸汽后作為低溫多效蒸餾熱源;換熱器2:熱泵回收低溫多效蒸餾后的熱量;換熱器3:回收鹵水熱量;換熱器4:回收淡水熱量;換熱器5:熱泵冷媒過冷器。

運行原理:封閉式循環熱泵系統蒸發器作為低溫多效蒸餾海水淡化系統冷凝器，吸收末效蒸發器的低壓蒸汽熱量，將其冷凝為淡水。熱泵冷凝器放置在海水淡化系統第1效蒸發器中作為熱源，將較高溫度熱能供給低壓海水使第1效蒸發器內循環海水汽化。產生較高壓力蒸汽又被輸送到第2效作為蒸發器熱源，在該效蒸發器中冷凝為淡水的同時使該效循環海水汽化。所產生新蒸汽被輸送到第3效，作為第3效蒸發器熱源……如此逐效相連，直到低溫多效蒸餾海水淡化系統冷凝器將熱量再次傳遞給熱泵系統蒸發器形成循環，使海水淡化過程循環進行。

圖3 熱泵循環海水淡化系統簡圖

4 系統能耗理論計算

熱泵循環海水淡化系統能耗主要由壓縮機與動力泵耗電組成，動力泵功耗根據參考文獻[9]給出低溫多效蒸餾工程實例為1 kWh/m3～2 kWh/m3，不妨取 1.5 kWh/m3。壓縮機能耗可由其熱力循環計算，圖4為熱泵循環壓焓圖。考慮到初步設計中已設置各種換熱器以最大程度減少熱量流失和熵增，即最大程度接近理想工況，所以以理想壓焓圖計算系統能耗是比較符合實際情況和簡便的。

圖4 熱泵循環壓焓圖

圖4中過程1～2為壓縮機對工質做功以提高工質壓力和溫度;過程2～3為冷凝過程，此過程中熱泵工質在第1效蒸發器將熱量傳遞給原料海水，使之蒸餾;過程3～4為膨脹過程，熱泵工質在第1效蒸發器中將熱量傳遞給原料海水后由氣態凝結為液態，后經膨脹閥節流，壓力、溫度降低，準備蒸發過程;過程4～1為蒸發過程，熱泵工質在海水淡化系統冷凝器中吸收管外水蒸汽熱量使水蒸汽冷凝為液體，工質氣化進入壓縮機壓縮。可見壓縮機功耗為:

其中，h1，h2分別為熱泵工質在1點及2點的焓值;qm為熱泵工質質量流量;Q0為冷凝負荷。冷凝負荷Q0等于使第1效蒸發器產生水蒸汽所需吸收的熱量，可表示為:

其中，D為裝置產水量;n為裝置效數;r為水蒸汽汽化潛熱，2 260 kJ/kg。所以，由式(1)～式(3)可得系統總能耗W0為:

根據壓縮機廠家所提供數據，目前熱泵機組最大制冷量即單臺熱泵熱量回收最大功率，在4 500 kW左右。據其估算，目前市場上熱泵機組最多可滿足產水量為700 t/d，以日產100 t淡水的4效裝置為例:根據 R123壓焓圖可知 h1=413.44 kJ/kg，h2=430 kJ/kg，h3=260 kJ/kg。將數據代入式(4)可求得 W0=18.9 kWh/m3。

5 結語

根據對產量100 t/d的4效熱泵循環海水淡化系統的設計計算，得出噸水耗電量為18.9 kWh/m3，相比于多級閃蒸系統37.34 kWh/m3大大節能，但相比于壓汽蒸餾11.43 kWh/m3耗電量偏高[10，11]，而且系統更復雜。從設計過程分析，能耗偏高的主要原因是R123和水這兩種工質通過間壁換熱，由于存在換熱溫差損失了大量可用能。

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