多效板式海水淡化技術的研發(fā)

多效板式海水淡化技術的研發(fā)

剩余的78%是海洋。因此，船舶運輸是人類社會發(fā)展的重要支柱。海洋航行所需的淡水制造設備（如海水淡化設備）是海洋航行和運營所需的工具。目前,中國市場上90%以上的船用造水機是進口產品,其中阿法拉伐公司的產品占了絕大部分份額,其余部分則是丹麥APV公司及日本Sasakura公司的產品。國內生產船用造水機的廠家主要是南京綠洲機器廠,其產品是引進丹麥阿特拉斯公司技術許可證生產的管殼蒸餾式造水機,但由于管殼蒸餾式產品在技術上不如阿法拉伐的板式造水機,裝船量并不大。因此,研發(fā)一種技術先進、性能優(yōu)異、操作方便且成本低廉的國有品牌海水淡化裝置是非常有必要的。在研究了國內外各類船用海水淡化裝置的基礎上,文中提出了一種利用發(fā)動機缸套冷卻水余熱(簡稱余熱水)提供熱源,通過板式升膜蒸發(fā)制取淡水的新工藝,此工藝具有成本低、能耗少、效率高及淡化水質好的優(yōu)點。1蒸發(fā)法制取海水海水淡化是將海水中的鹽分和雜質除去后達到可以飲用和生活用水、工業(yè)用水標準的一個過程。蒸餾法制取海水是將海水加熱后使之蒸發(fā)汽化,利用鹽分幾乎不溶于低壓蒸汽這一性質,將鹽分和水分離,然后將產生的二次蒸汽冷凝成水,形成符合生活及工業(yè)應用的不含鹽分或含鹽分極少的淡水。到目前為止,蒸餾法制取海水仍然是船舶海水淡化最主要的技術。1.1蒸發(fā)溫度對鹽水質量分數(shù)的影響海水中的鹽類主要包括氯化鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硫酸鈣、硫酸鉀及碳酸鈣等,其中氯化鈉的質量分數(shù)約占77.7%,氯化鎂的質量分數(shù)約占10.9%。這些鹽類在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低,其中以硫酸鈣鹽類最為典型。當蒸發(fā)溫度較高時,海水的鹽類很快在蒸發(fā)表面形成垢層,使熱阻大為增加并腐蝕到金屬表面。低溫海水蒸發(fā)是指海水在第一效的最高蒸發(fā)溫度(鹽水頂溫)不高于70℃,由此,蒸發(fā)表面鹽類結晶的速率將大為降低,顯著減少海水結垢量,從而解決以往多效海水蒸發(fā)時易結垢之難題。1.2多效板式海水淡化系統(tǒng)為了節(jié)省能量消耗和提高裝置的產水比,海水淡化裝置需要采用多效蒸發(fā)造水(將2個以上的單級裝置串聯(lián)起來)。在多效蒸發(fā)中,第一級蒸發(fā)器產生的二次蒸汽可以作為壓力較低的第二級蒸發(fā)器的熱源。多效板式海水淡化裝置一般可多達五至六效。對于艦船用蒸發(fā)裝置,過多的蒸發(fā)效數(shù)會增加控制的復雜度,降低工作可靠性,且低溫蒸發(fā)難以實現(xiàn)。而效數(shù)過少則影響產水量,熱量利用不合理。為此,本次設計采用了二效蒸發(fā)(2個單效蒸發(fā)裝置串聯(lián)起來),余熱水作為一效蒸發(fā)器的熱源,利用此余熱與一效海水熱交換進行一效蒸發(fā),一效蒸發(fā)后的二次蒸汽則作為二效蒸發(fā)器的熱源。2冷凝水出水口配置船舶余熱用于海水淡化的工藝流程圖見圖1。假設海水平均溫度為20℃。從海中抽取海水至冷凝器,二效蒸發(fā)器蒸發(fā)出的蒸汽被冷凝,冷凝器中的海水經過熱交換后溫度上升至30℃,其中約85%被排出船外,15%送入一效蒸發(fā)器,作為待蒸發(fā)海水。在一效蒸發(fā)器中,海水與發(fā)動機缸套冷卻水進行熱交換后升至67℃,進行一效升膜蒸發(fā),蒸發(fā)后的海水溫度降低,流至二效蒸發(fā)器,進行二效升膜蒸發(fā),蒸發(fā)后的剩余的海水排出船外。一效蒸發(fā)器中的海水被加熱至沸騰后流至一效分離室進行汽水分離,產生的壓力較低蒸汽作為二效蒸發(fā)器的熱源,在二效蒸發(fā)器進行熱交換后冷凝成水,二效蒸發(fā)器產生的二次蒸汽經冷凝器后也被冷凝為水。收集二效蒸發(fā)器和冷凝器中所產生的冷凝水即為純凈水,用鹽度計檢測合格后即可使用(鹽度小于7×10-6)。常壓下水的沸點為100℃,一、二效蒸發(fā)時溫度遠低于此值。要在較低的溫度下實現(xiàn)蒸發(fā),就需要降低一、二效蒸發(fā)室壓力,為此,在冷凝水出水口配置了真空泵,且連通一、二效分離室。只要保持分離室壓力低于此溫度時物料的沸點壓力,則系統(tǒng)即可連續(xù)蒸發(fā)制造淡水。3蒸發(fā)設備綜合利用率根據(jù)單效蒸發(fā)器熱量平衡與質量平衡分析,有qmz1/qmf1=0.91(1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水)。如果將蒸發(fā)出的二次蒸汽通往第二個蒸發(fā)室的加熱室作為熱源用,那么同樣1kg的蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水,故二效蒸發(fā)比單效蒸發(fā)熱量利用程度高。由于溶液有沸點升高現(xiàn)象,管線有流動阻力損失,故1kg的新鮮蒸汽通過雙效蒸發(fā)并不能蒸出1.82kg的淡水,而是比此值要小。本例計算中各效加熱蒸汽均為飽和蒸氣,對于蒸發(fā)器及冷凝器均采用逆流換熱,各效設備利用率為98%。已知t1=30℃,w0=3.2%,w2=6.4%,ty=70℃。需要計算的參數(shù)有qm、qmz1、qmz2、qmy、Φ1、Φ2、Δt1、Δt2、A1和A2。3.1效蒸發(fā)器海水進料量qm1的計算總蒸發(fā)量及一、二效的物料平衡分別按照下式計算:qm=qmz1+qmz2=qm(1-w1/w2)(1)qmw0=qmh1w1=qmh2w2(2)其中qmh1=qm?qmz1qmh2=qm?qmh1?qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg?qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg?qmh1?qmz1qmh1=qm-qmz1qmh2=qm-qmh1-qmz1w1=qmgw0qmh1=qmgw0qmg-qmz1w2=qmgw1qmh2=qmgw1qmg-qmh1-qmz1根據(jù)以上各式及相關條件,計算出一效蒸發(fā)器需海水量qmh1=4167kg/h,二效蒸發(fā)器海水進料量為qmh2=3125kg/h。3.2計算條件選取各效溫差分配符合以下關系式:Δt1Δt2=Φ1K1=Φ2K2(3)Δt1Δt2=Φ1Κ1=Φ2Κ2(3)將已知條件代入上式,可計算出Δt1≈113℃,Δt2≈11℃。3.3相關融合信息的計算一、二效傳熱面積分別按照下式計算:A1=Φ1K1Δt1A2=Φ2K2Δt2(4)A1=Φ1Κ1Δt1A2=Φ2Κ2Δt2(4)代入相關已知條件計,算出A1=28m2,A1=25m2。3.4qmi計算圖1余熱水量按下式計算:qmy=K1A1Δt1γq(5)qmy=Κ1A1Δt1γq(5)式中,γq為水57.5℃汽化潛熱,γq=2287kJ/kg。代入已知條件計算出qmy=46901g/h。3.5蒸發(fā)器絕對壓力不同時點文中所有計算均未考慮熱量損失,設計時應考慮各效間應有3%~4%的熱損失。當二效蒸發(fā)器中絕對壓力低于9.58kPa時,二效開始蒸發(fā);一效蒸發(fā)器絕對壓力低于22.7kPa時,一效開始蒸發(fā)。要建立必要和穩(wěn)定的真空度,除上述基本條件外,還必須用真空泵不斷抽出冷凝器中所積聚的空氣,才能保證由于低溫凝結所獲得的真空度不受破壞。4蒸發(fā)效率比較此裝置以70℃余熱水作為熱源用于海水淡化。當余熱水溫度升高時,一、二效蒸發(fā)溫度略有提高,但設備的蒸