吸附式海水淡化技术及其研究和发展状况-曾辉

机电技术2012年4月136*福建省教育厅资助科技项目(JA10193)作者简介：曾辉(1985－)，男，硕士，研究方向：海水淡化。王永青(1970－)，女，博士，教授，研究方向：海水淡化、能量系统。吸附式海水淡化技术及其研究和发展状况*曾辉1王永青2(集美大学轮机工程学院1/机械工程学院2，福建厦门361021)摘要：吸附式海水淡化利用某些固体物质对水蒸气的吸附和解吸作用而工作，是一种由热能驱动的新型海水淡化技术。文中介绍了吸附式海水淡化的原理，总结并分析了国内外研究发展状况，指出了其优势所在和发展前景。关键词：海水淡化；吸附；研究发展状况中图分类号：P747文献标识码：A文章编号:1672-4801(2012)02-136-04水资源是人类社会生存和发展的物质基础之一。随着世界人口增加、人类生活方式的变化，淡水资源的匮乏越来越引起人们的重视和关注。中国总体上属于贫水国家，人口占世界人口的20%强，水资源却仅占6%，人均拥有量仅为世界人均拥有量的1/4[1]。水资源的缺乏，已经严重阻碍了我国经济发展，破坏了生态环境。海水淡化作为一种开源增量技术，已成为解决水资源问题的重要途径。常用的海水淡化方法有反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏，后三者属于热蒸馏方法。反渗透系统由电能/机械能驱动，近些年在膜组件性能、能量回收技术等方面得到了长足发展，造水成本大幅下降，其产水容量已占海水淡化总容量的50%以上[2]。热蒸馏海水淡化方法目前主要用于电—水联产，即利用电厂较低温度的热能来生产淡水，此外，该方法非常适合于工业余热回收和太阳热能、地热能等的有效利用。本文将介绍并讨论一种新型热蒸馏海水淡化方式——吸附式海水淡化(Adsorptiondesalination，AD)，它利用某些固体物质(如硅胶、沸石等)对水蒸气的吸附和解吸作用而工作，具有能量利用率高、对原水水质要求不高、对驱动热源温度要求低等优势。下面介绍AD系统的原理和特点，分析国内外研究发展状况，并指出未来的发展前景。1吸附式海水淡化系统流程及常用吸附剂1.1系统原理吸附式海水淡化系统主要有两种：一种是将吸附式热泵与传统的单效或多效蒸发海水淡化过程有机结合，适用于单独的淡水生产，这里称为AVCD(Adsorptionvaporcompressiondesalination)系统；另一种由吸附式制冷系统演变而来，适用于水、冷联产，这里称为ADR(Adsorptiondesalinationandrefrigeration)系统。1.1.1AVCD系统图1AVCD系统典型流程图1所示为单效蒸发双床AVCD系统，主要由吸附床、蒸发—冷凝器、海水预热器等设备组成，其中床1和床2交替进行吸附和解吸过程。吸附床从某一状态经一系列热力过程后又回到该状态，称为一个工作循环。图1所示为半个循环的工作原理。开始时，床2刚完成解吸过程，温度较高且干燥，床1刚完成吸附过程，温度低且基本处于吸附饱和状态。两床间的循环流体流动，实现两床间的回热：床1被加热，可以减少驱动热源的消耗；床2被冷却，可以减少冷却水的用量。床1先被循环流体、然后被外界蒸汽或热水加热；当解吸床1内蒸汽压力大于蒸发—冷凝器中冷凝管道内的压力时，解吸产生的蒸汽开始冷凝，所放热量使管外的海水升温并部分汽化；当第2期曾辉等：吸附式海水淡化技术及其研究和发展状况137蒸发-冷凝器内蒸汽压力大于床2的内压力时，蒸汽被吸附床2吸附，循环流体和冷却水带走吸附时产生的热量；这样完成前半个循环，此时床1刚完成解吸过程，床2刚完成吸附过程，循环流体开始流动，床1被冷却，床2被加热，开始后半个循环。进料海水经过海水预热器预热到一定温度后进入蒸发器；冷凝管道中的冷凝水被回热降温后作为产品淡水输出；未蒸发的浓盐水经回热后排向环境。1.1.2ADR系统图2ADR系统典型流程ADR系统主要由蒸发器、吸附(解吸)床、冷凝器等组成。进料海水进入蒸发器吸热并部分汽化，通过控制系统的真空度，使汽化过程在低于环境温度下进行，因此未蒸发的浓盐水可作为冷媒使用，但因其腐蚀性较强，所以可在蒸发器盘管中通入水，降温后作为冷冻水使用，浓盐水则排出系统。当蒸发器内蒸气压力大于吸附床1的蒸气压力时，阀1开启(阀2关闭)，蒸汽由阀1进入吸附床1，被吸附剂吸附，冷却水带走吸附热；当吸附饱和后，热水回路对吸附床1进行加热，吸附床解吸，当吸附床内水蒸气压力大于冷凝压力时，阀3开启(阀4关闭)，蒸汽进入冷凝器中冷凝，产出淡水，释放的潜热由冷却水带走。当完全解吸后，停止对吸附床1加热，同时将冷却水通入盘管中使吸附床冷却。当吸附床1内的水蒸气压力小于蒸发器内水蒸气压力时，水蒸气再次进入吸附床1，重复上述过程。吸附床2进行的过程与床1完全相反，分别对两床进行加热和冷却，同时通过控制阀1、2、3、4，使得整个系统的吸附和解吸过程连续进行，从而不间断地生成淡水和冷量。1.2常用吸附剂吸附剂是气体进行吸附和解吸的基础。理论上讲，能与水蒸气发生吸附/解吸作用的物质都可以用于吸附式海水淡化；相关文献中，主要考虑的是硅胶和沸石分子筛。硅胶是一种合成的无定形二氧化硅，孔径分布单一而狭窄，常用的孔径有2nm、3nm(A型)和0.7nm(B型)，比表面积在100～1000m2/g左右。硅胶化学稳定性较高，耐热耐磨性好，对水的吸附量大，缺点是吸附水分时，放出大量的吸附热，在常温下吸附硅胶的温度能上升到100℃，并使硅胶粉碎。硅胶对水具有极强的吸附作用，经常用于脱水和干燥方面。A型硅胶可用于各种干燥场合，B型只适用50%以上湿度的场合[3]。A型硅胶在吸附式制冷中得到了较多应用，就其性质和适用的参数范围来看，亦应适用于吸附式海水淡化系统。沸石是碱或碱土元素，是一类具有规则的孔结构的无机晶体，分为天然和合成沸石。沸石的解吸温度高，而且吸附容量随温度变化不敏感，沸石的窗孔尺寸使吸附具有很大的选择性，由于表面笼的结构可以随吸附剂在小范围内变化，所以叫做沸石分子筛。人工合成的沸石分子筛价格较高，导热性能较好，且表面具有均刀的微孔，可以制成各种不同孔径的产品。沸石分子筛与吸附质的作用较强，因此吸附和解吸热较高，解吸温度较高，可达250～300℃，并且加热到500℃以上不破坏其吸附能力，一般的沸石分子筛加热到600～700℃才会被破坏[3]。沸石分子筛常用于高温余热回收。文献[4]和[6]对吸附式海水淡化的研究就是基于沸石分子筛进行的。2研究和发展状况目前，吸附式海水淡化处于理论模拟和实验研究阶段，离实用化还有相当长的距离，相关研究文献[4-15]亦非常有限。科威特的AhmadAl-Ansari等[4]计算并分析了以沸石分子筛为吸附剂时单效蒸发AVCD系统的热力性能，主要包括不同沸腾温度、不同蒸发-冷凝器传热温差、不同吸附比下，系统性能比(淡水与驱动蒸汽的质量流量之比)、比传热面积(单位时间生产单位质量淡水所需的传热面积)、冷却水比流率(冷却水与淡水质量流量之比)的变化，并与单效蒸发吸收式压汽(Absorptionvaporcompression,ABVC)和热力压汽(Thermalvapor机电技术2012年4月138compression,TVC)海水淡化系统进行了比较，结果表明：AVCD系统的能量利用率很高，当海水沸腾温度为40℃时，单效蒸发系统的性能比高达4，当沸腾温度为90℃时，性能比高于7，这是其他单效蒸发系统所无法比拟的；与ABVC和TVC相比，AVCD所需的比传热面积较高，但冷却水比流率较低。表1所示为三种单效蒸发系统的性能示例[4]。理论计算表明，多效AVCD系统亦有很高的性能比，在级数相等的条件下，比单纯的多效系统性能比高一倍左右[5]。表1ABVC、AVCD、TVC性能比较[4]参数ABVCAVCDTVC海水沸腾温度/℃808080蒸汽冷凝温度/℃8282109冷凝盘管入口蒸汽温度/℃8298.3109进料海水浓度/ppm420004200042000排弃浓盐水浓度/ppm700007000070000进料海水温度/℃252525蒸发-冷凝器入口海水温度72.977875性能比2.747.251.29冷却水比流率1.541.114.99比传热面积m2/(kg/s)32446375摩洛哥的D.Zejli等[6]研究了一个太阳能驱动的双床多效AVCD系统：经预热的海水在闪蒸器中产生闪发蒸汽，该蒸汽被沸石吸附床吸附；用来自聚焦型太阳能集热系统的200℃的热流体加热吸附床，解吸出的蒸汽用作三效蒸发海水淡化系统的热源。计算时考虑了两个吸附床间的热波回热，结果表明，该系统的性能比(产水量×汽化潜热/耗热量)可高达10～17。单纯的三效蒸发系统性能比不会超过3，由此可见，AVCD系统在节能方面具有很大潜力。在ADR系统方面，国立新加坡大学的KyawThu[7-11]等进行了一系列研究，主要包括：以RD型硅胶为吸附剂，搭建了四床单效蒸发ADR系统的实验台，该实验台既能以四床模式运行，又能以两床模式运行；实验研究了参数变化对性能的影响和不同热源条件下系统的昀佳循环时间；建立了系统的数学模型，分析了热力性能；研究了在冷凝器和蒸发器间采用回热措施的影响。结果表明：以85℃热水作为驱动热源，实验台一个循环的产水量为3.6m3，同时产冷(10℃冷冻水)23Rton；蒸发器和冷凝器间采用回热措施，可使产水率提高近一倍，且系统在热水温度低于50℃时仍能正常运行；在吸附床和解吸床间采用延迟闭阀和压力平衡措施，可使产水率和性能比分别提高15.7％和42.5％；四床模式比两床模式产水量高、昀佳循环时间短，且热水温度越高，昀佳循环时间越短(如表2所示)[9]。KimChoonNg等[12]还考虑利用太阳能来驱动ADR系统：利用215m2的平板太阳能集热器产生65～80℃的热水，四床系统的日产水量约为7.2m3，制冷量约为48Rton。此外，澳大利亚的JunWWu等[13-15]讨论了图2所示的ADR系统单独产水时的热力性能，并讨论了单独产水和水、冷联产对蒸发温度和冷却水温度的要求。表2ADR系统4床、2床运行模式性能比较[9]4床2床热水温度/℃循环周期/s日产淡水/t能耗比循环周期/s产日淡水/t能耗比85108010.00230.606512408.79320.57318012009.10360.619513608.24620.59977513208.52180.640914807.52130.62317014406.90120.644117206.45100.63806515606.28950.679519606.10760.6830我国目前没有吸附式海水淡化方面的相关研究，只有郑宏飞等[16,17]介绍了文献[4]、[5]中的系统流程，讨论了系统特点，分析了用太阳热能作为驱动热源的可行性，昀终认为这是一种高效的、环境友好型的海水淡化方式。需要指出的是，图2所示的ADR系统流程只有在冷量和淡水联产时才具有能量利用方面的优势，如果仅作为海水淡化系统使用，其能量利用率很低。例如，文献[12]中，单位质量淡水能耗高于2600kJ/kg，比单独的单效蒸发系统还要第2期曾辉等：吸附式海水淡化技术及其研究和发展状况139高；再例如，国立新加坡大学的实验台即使以四床模式运行，产水性能比也只有0.61～0.68[9]。显然，ADR流程用于单独产水是不合理的。3吸附式海水淡化系统的特点总结起来，吸附式海水淡化具有以下特点：1)能量利用率高，所产淡水水质高；2)易于实现水、冷联产；3)对驱动热源的适应性广，中温、低温热能均可利用，尤其在低温热能(如70℃的热水)的有效利用方面优势突出；4)非常适合与工业余热利用、太阳能利用等相结合，具有环保的特点；5)整个系统运动部件较少，控制系统较简单，噪音小，可靠性高，装置使用寿命长；6)大多数吸附材料为普通化工材料，特别是硅胶和沸石等，价格较低，作为吸附剂，能够降低系统的投资成本。硅胶和沸石为无毒材料，满足环保要求；7)海水不与驱动热源直接换热，减少了腐蚀与结垢，降低了防腐成本；8)固体吸附剂传热传质性能差、吸