鼓泡蒸發式漁船尾氣海水淡化裝置設計研究

田興旺 劉峰 甄秀 于明 溫家政

摘要：指出了常規的海水淡化是高能耗產業，不僅加劇能源緊缺，而且還會排放溫室氣體及氮氧化合物等污染物質。基于海水淡化及節能減排目的，設計了一種綜合利用漁船高溫廢氣的鼓泡蒸發式海水淡化裝置，介紹了裝置的組成、循環流程、關鍵技術問題、經濟性分析及特色應用等。這種海水淡化裝置直接利用漁船高溫尾氣的熱量，可節省漁船負載的淡水量，為從事海上作業的人員提供便利。

關鍵詞：鼓泡蒸發;漁船尾氣;海水淡化;裝置設計;BIM技術

中圖分類號：P747

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）2-0125-02

1 引言

隨著世界淡水資源的日益枯竭，海水淡化已經成為解決水資源短缺最重要的手段之一，常規的海水淡化是高能耗產業[1]，而當前石化資源面臨即將耗盡的危險，使用常規能源進行海水淡化，不僅加劇能源緊缺而且排放溫室氣體氮氧化合物等污染物質。如何降低淡水制備的能耗或如何利用自然綠色能源是目前世界淡水制備發展的重要方向之一。

目前人工海水淡化方法主要有多級閃蒸、反滲透、多效蒸發等[2]。傳統方法在提高海水淡化效率的同時，卻投入了大量噴淋及裝置內部抽真空所需的功耗。無論是噴淋形成降膜還是裝置抽真空都是為了強化海水的傳熱傳質效率[3]。鼓泡傳熱傳質作為一種低功耗的強化傳熱傳質技術，將其運用于海水淡化領域可以在提高海水淡化效率的同時降低功耗[4，5]。

在充分認識鼓泡蒸發的強化傳熱傳質優勢基礎上，課題組分析和總結前人理論和試驗研究成果，研究設計了一種綜合利用漁船高溫廢氣的鼓泡蒸發式海水淡化裝置。

2 系統方案設計

2.1 裝置組成

本裝置主要由冷凝換熱箱、鼓泡蒸發箱、鼓泡器、過濾器、三通閥、水泵、換熱管、抽氣泵、尾氣集氣罐、空氣泵、淡水槽和排氣閥等部件組成。裝置二維平面圖如圖1所示。

2.2 循環流程

利用BIM技術設計的裝置三維效果圖如圖2所示。本裝置完整的循環運行過程包括3部分：①海水循環：原料海水通過過濾器預處理，經水泵進入冷凝換熱箱中的換熱管內，被鼓泡蒸發箱內排出的溫度較高的濕空氣預熱，進入鼓泡蒸發箱，被漁船高溫廢氣加熱蒸發，箱體底部的溫度較高的濃海水部分經三通閥與原料海水混合被水泵再次引入到冷凝換熱箱內，循環上述過程。②漁船尾氣循環：將漁船排出的高溫廢氣首先收集到尾氣集氣罐內，通過流量調節閥門，高溫尾氣利用自身壓力進入鼓泡蒸發箱內的換熱管中加熱海水，降溫后直接排出箱外。③空氣循環：鼓泡器由氣泵和鼓泡頭組成，呈圓盤狀，置于鼓泡蒸發器底部。鼓泡頭呈圓柱狀多孔結構，用于產生小氣泡。當鼓泡蒸發器的海水被加熱到某一溫度，開啟空氣泵輸送空氣，經由鼓泡頭以小氣泡的形式均勻的至上而下通過熱海水，在吸收了海水熱量后空氣升溫載濕能力提高，海水汽化后成為水蒸汽，使空氣濕度提高。開啟鼓泡蒸發器液面上部的抽氣泵，使海水上方產生局部負壓，氣相分壓降低使海水進一步汽化，將加濕后的空氣和蒸汽排出鼓泡蒸發箱，進入冷凝換熱箱冷卻后獲得淡水，收入淡水槽。

2.3 關鍵技術問題

（1）有效回收利用漁船廢氣的余熱，通過合理的布置換熱器用于加熱鼓泡蒸發箱內的海水，同時通過水泵及調節閥控制好海水的流量和溫度，提高能源利用效率。

（2）合理控制空氣泵的鼓風量和抽氣泵的引風量的大小，找到最佳工作點，收集水蒸氣冷凝以后的淡水。

3 技術經濟性分析

本裝置的技術經濟性體現在以下幾方面。①利用漁船發動機排出的高溫尾氣（200℃以上）通過換熱管間接為海水淡化提供主要熱源，廢氣不但不會污染海水，還節省了常規化石能源的消耗;②系統所用換熱管均為塑料換熱器，具有成本低（據資料顯示僅為傳統金屬換熱器的33%～66%）、更好的防腐防垢性能，質量更輕和能耗更低的優勢;③鼓泡蒸發與降膜蒸發相比，其用于形成氣泡的氣泵功耗遠遠小于形成降膜所需的噴淋功耗，可以在保證較高產水率的同時降低能耗;④抽氣泵可使海水液面上方產生局部負壓，氣相分壓降低使水面的海水進一步汽化排出鼓泡蒸發器，提高海水蒸發效率;⑤裝置所需的空氣泵、水泵及抽氣泵等設備的動力來源均可利用漁船發動機的部分輸出功率（所以即便產水量少，能效比也不低）;⑥通過三通閥循環再利用了溫度較高的部分濃海水與原料海水混合預熱，有效節約了不可再生資源。

理論蒸發量的公式為：

鼓泡蒸發裝置穩定運行能效比可定義為單位時間內蒸發淡水所攜帶的潛熱與裝置運行動力消耗的比值。其計算公式為：

4 裝置特色

本裝置提出的鼓泡蒸發式漁船尾氣海水淡化方法新穎，注重實際的應用，秉承了節能環保的設計理念。一方面，充分利用回收漁船排出的高溫尾氣作為海水淡化的主要熱源，提供海水蒸發時所需溫度。另一方面，利用鼓泡器向鼓泡蒸發箱內鼓人空氣，空氣作為一種不凝氣體其載濕能力會隨溫度的升高而顯著提高。基于此，將空氣通入熱海水中，形成氣泡，在氣泡上升過程中吸收海水熱量和蒸發的水蒸汽，充分利用相變過程具有較大的傳熱傳質的特點，收集水蒸氣冷凝以后的淡水。同時，裝置所需的空氣泵、水泵及抽氣泵等均可利用漁船發動機的部分功率作為動力來源，而且本裝置采取了循環再利用的理念，通過三通閥將鼓泡蒸發箱內溫度較高的部分濃海水與原料海水混合預熱，有效節約了不可再生資源;該系統裝置具有廣闊的應用前景和較高的商品化潛力。

5 結論

基于海水淡化及節能減排目的，設計了一種綜合利用漁船高溫廢氣的鼓泡蒸發式海水淡化裝置。介紹了裝置的組成、工作流程、進行性分析及特色應用前景等。本裝置結構簡單，實用性強，秉承了節能環保的設計理念，可以節省漁船負載的淡水量，為從事海上作業的人員提供便利。

參考文獻：

[1]M I Ahmed，M Hrairi，A F Ismail. On the characteristics of mul-tistage evacuated solar distillation[J]. Renewable Energy， 2009（34）：1471～1478.

[2]鄭宏飛，何開巖，陳子乾.太陽能海水淡化技術[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[3]李正良，鄭宏飛，陳子乾，等.降膜蒸發多效回熱吸收式太陽能海水淡化系統的實驗研究[J].太陽能學報，2007，28 （11）：1188～1193.

[4]劉忠，曾勝，沈海平，等.鼓泡蒸發式太陽能海水淡化裝置的試驗研究[J]，水處理技術，2010，36（8）：75～79.

[5]Hazim Mohamccd Qiblawcy， Fawzi banat. Solar themal desalination technologics[J].

Desalination，2008（ 220）： 633一644.