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【产品利用】太阳能海水淡化刚出的新技术!

  北京大学包头创新研究院/付加庭

1、前言
   中国太阳能光热利用经过30 多年发展,一直以低温生活热水为主,据统计,截至2014年底,太阳能集热器保有量达到4.14亿平方米,位列世界第一。国家明确“十三五”期间将用5年时间由4 亿平方米保有量翻一番到8亿平方米的宏伟目标。要顺利完成这一目标,必须扩展太阳能热利用领域和方法,本文提出一种利用低温太阳能集热进行海水淡化的方法。
   现有的海水淡化技术很多,但是传统的海水淡化技术普遍存在投资高、能源消耗过大等因素,所耗能源主要来自石油和煤炭等化石燃料,因而导致海水淡化技术推广受到一定局限。个别研究表明淡水日产量1000m3的海水净化系统每年耗能量相当于10000吨石油。而对于缺乏化石燃料资源、人口密度低、没有大规模连接电网的偏远地区,很难建立传统的海水淡化装置。因此,利用无处不在的太阳能对海水进行淡化处理成为很好的选择。

2技术背景
   地球上海洋覆盖面积71%,海水的储量约13 .7亿立方千米,占地球总水量的95%,占地表水总量的98%。在陆地的水储量中,淡水只占全球水储量的2.53%,但是可供人类直接使用的淡水总量仅占地球总储水量的十万分之七。我国是人均水资源缺乏的国家,被联合国列为13个最缺水国家之一,全年淡水缺口高达400 亿吨。
   “十二五”期间,我国的海水淡化产业产值达到300 亿元以上,未来几年世界海水淡化市场将有近千亿的商机。在此背景下,发展海水淡化新技术,特别是利用太阳能进行海水淡化新技术,当务之急向海洋索取淡水已成为现代社会的重中之重。大力发展海水淡化新技术,对实现2020年8亿平方米太阳能集热器保有量这一目标,对缓解当代水资源短缺、日趋突出的供需矛盾和日益严重的环境污染等系列重大问题具有深远的战略意义。

3、太阳能海水淡化新技术
   3.1海水淡化新技术简介
   在太阳能海水淡化新技术的装置中,利用被太阳能加热的水与海水换热,加热后的海水进入有吸附材料的蒸发器蒸发,蒸汽再进入冷凝器释放潜热并由高效能量回收系统将潜热回收进海水,同时蒸汽在冷凝器中被冷凝成产品淡水。实现了淡化海水和能量的高效利用。系统无需高压泵和消耗化学药品,这种海水淡化方法的关键是吸附材料的使用以及高效能量回收技术;设备结构简单、建造费用低且易维修保养;节省能源、造水能力高、成本低;既适宜小规模分散地区应用同时又适合大规模工程,此技术不同于以往的任何一种海水淡化方法。太阳能海水淡化新技术原理示意如图1所示。
   3.2海水淡化新技术的特点
   海水淡化新技术是利用海水与太阳能集热进行热交换后达到预定的温度,再进入高效蒸馏单元内蒸发,由于蒸发器内处于负压状态,降低了海水的饱和温度,蒸馏单元内的海水处于饱和或者过饱和状态,海水开始蒸发,在蒸馏单元内使用了多孔吸附材料来增加海水的蒸发面积,进一步加快了海水蒸发速度,海水能够被迅速蒸发,水蒸气蒸发后与冷海水进行初步换热,从而水蒸气得到冷凝而产生淡水,海水也得到预热,水蒸气的蒸发潜热被回收利用,减少了能量的损耗,回收的热量可以再次利用到海水的加热过程中。因此,太阳能海水淡化新技术的优点显而易见。太阳能海水淡化实验装置如图2所示。
   太阳能海水淡化系统与现有海水淡化利用项目相比优点如下:
   (1)蒸发压力小,海水的沸点低,实现了海水低温蒸发。
   (2)利用多孔吸附材料增加了海水蒸发面积,增加淡水产量。
   (3)利用合理设计流程和布置,增加了整个系统的能量回收率,具有节能、环保的作用。
   (4)可独立运行。不受蒸汽、电力等条件限制,无污染、低能耗、运行安全、稳定可靠;不消耗石油天然气、煤炭等常规能源,对能源紧缺,环保要求高的地区更有突出的应用价值。
   (5)生产规模可有机组合,适应性好,投资相对较少,生产淡水成本低,具备淡水供应市场竞争力。太阳能海水淡化系统实际上是太阳能利用装置和传统的海水淡化装置的结合,用太阳能代替传统能源供给海水淡化装置所需能量。
   (6)对海水水质变化的适应性强、不易结水垢,理论可行、技术成熟、产水品质高,该技术投资小、运营成本低、产水率稳定。生产过程无需消耗大量电能,应用广泛,市场潜力大。

4、总结
   将太阳能低温热利用装置和海水淡化技术相结合,开辟了太阳能低温热利用的新领域,用太阳能代替传统能源供给海水淡化所需能量,在蒸发装置中有吸附材料增大蒸发面积,强化蒸发效率,并在冷能装置中通过低品质能量回收技术对蒸汽的汽化潜热进行了高效回收,太阳能海水淡化新技术的产业化推广,扩展了太阳能热利用的应用领域,对节能减排,海水资源化应用具有重要意义。