鼓泡蒸发式渔船尾气海水淡化装置设计研究

1、    鼓泡蒸发式渔船尾气海水淡化装置设计研究    田兴旺 刘峰 甄秀 于明 温家政摘要：指出了常規的海水淡化是高能耗产业，不仅加剧能源紧缺，而且还会排放温室气体及氮氧化合物等污染物质。基于海水淡化及节能减排目的，设计了一种综合利用渔船高温废气的鼓泡蒸发式海水淡化装置，介绍了装置的组成、循环流程、关键技术问题、经济性分析及特色应用等。这种海水淡化装置直接利用渔船高温尾气的热量，可节省渔船负载的淡水量，为从事海上作业的人员提供便利。关键词：鼓泡蒸发;渔船尾气;海水淡化;装置设计;bim技术：p747：a：1674-9944（2018）2-0125-021

2、 引言随着世界淡水资源的日益枯竭，海水淡化已经成为解决水资源短缺最重要的手段之一，常规的海水淡化是高能耗产业1，而当前石化资源面临即将耗尽的危险，使用常规能源进行海水淡化，不仅加剧能源紧缺而且排放温室气体氮氧化合物等污染物质。如何降低淡水制备的能耗或如何利用自然绿色能源是目前世界淡水制备发展的重要方向之一。目前人工海水淡化方法主要有多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等2。传统方法在提高海水淡化效率的同时，却投入了大量喷淋及装置内部抽真空所需的功耗。无论是喷淋形成降膜还是装置抽真空都是为了强化海水的传热传质效率3。鼓泡传热传质作为一种低功耗的强化传热传质技术，将其运用于海水淡化领域可以在提高海水淡化效率

3、的同时降低功耗4，5。在充分认识鼓泡蒸发的强化传热传质优势基础上，课题组分析和总结前人理论和试验研究成果，研究设计了一种综合利用渔船高温废气的鼓泡蒸发式海水淡化装置。2 系统方案设计2.1 装置组成本装置主要由冷凝换热箱、鼓泡蒸发箱、鼓泡器、过滤器、三通阀、水泵、换热管、抽气泵、尾气集气罐、空气泵、淡水槽和排气阀等部件组成。装置二维平面图如图1所示。2.2 循环流程利用bim技术设计的装置三维效果图如图2所示。本装置完整的循环运行过程包括3部分：海水循环：原料海水通过过滤器预处理，经水泵进入冷凝换热箱中的换热管内，被鼓泡蒸发箱内排出的温度较高的湿空气预热，进入鼓泡蒸发箱，被渔船高温废气加热蒸发

4、，箱体底部的温度较高的浓海水部分经三通阀与原料海水混合被水泵再次引入到冷凝换热箱内，循环上述过程。渔船尾气循环：将渔船排出的高温废气首先收集到尾气集气罐内，通过流量调节阀门，高温尾气利用自身压力进入鼓泡蒸发箱内的换热管中加热海水，降温后直接排出箱外。空气循环：鼓泡器由气泵和鼓泡头组成，呈圆盘状，置于鼓泡蒸发器底部。鼓泡头呈圆柱状多孔结构，用于产生小气泡。当鼓泡蒸发器的海水被加热到某一温度，开启空气泵输送空气，经由鼓泡头以小气泡的形式均匀的至上而下通过热海水，在吸收了海水热量后空气升温载湿能力提高，海水汽化后成为水蒸汽，使空气湿度提高。开启鼓泡蒸发器液面上部的抽气泵，使海水上方产生局部负压，气相

5、分压降低使海水进一步汽化，将加湿后的空气和蒸汽排出鼓泡蒸发箱，进入冷凝换热箱冷却后获得淡水，收入淡水槽。2.3 关键技术问题（1）有效回收利用渔船废气的余热，通过合理的布置换热器用于加热鼓泡蒸发箱内的海水，同时通过水泵及调节阀控制好海水的流量和温度，提高能源利用效率。（2）合理控制空气泵的鼓风量和抽气泵的引风量的大小，找到最佳工作点，收集水蒸气冷凝以后的淡水。3 技术经济性分析本装置的技术经济性体现在以下几方面。利用渔船发动机排出的高温尾气（200以上）通过换热管间接为海水淡化提供主要热源，废气不但不会污染海水，还节省了常规化石能源的消耗;系统所用换热管均为塑料换热器，具有成本低（据资料显示仅

6、为传统金属换热器的33%66%）、更好的防腐防垢性能，质量更轻和能耗更低的优势;鼓泡蒸发与降膜蒸发相比，其用于形成气泡的气泵功耗远远小于形成降膜所需的喷淋功耗，可以在保证较高产水率的同时降低能耗;抽气泵可使海水液面上方产生局部负压，气相分压降低使水面的海水进一步汽化排出鼓泡蒸发器，提高海水蒸发效率;装置所需的空气泵、水泵及抽气泵等设备的动力来源均可利用渔船发动机的部分输出功率（所以即便产水量少，能效比也不低）;通过三通阀循环再利用了温度较高的部分浓海水与原料海水混合预热，有效节约了不可再生资源。理论蒸发量的公式为：鼓泡蒸发装置稳定运行能效比可定义为单位时间内蒸发淡水所携带的潜热与装置运行动力消

7、耗的比值。其计算公式为：4 装置特色本装置提出的鼓泡蒸发式渔船尾气海水淡化方法新颖，注重实际的应用，秉承了节能环保的设计理念。一方面，充分利用回收渔船排出的高温尾气作为海水淡化的主要热源，提供海水蒸发时所需温度。另一方面，利用鼓泡器向鼓泡蒸发箱内鼓人空气，空气作为一种不凝气体其载湿能力会随温度的升高而显著提高。基于此，将空气通入热海水中，形成气泡，在气泡上升过程中吸收海水热量和蒸发的水蒸汽，充分利用相变过程具有较大的传热传质的特点，收集水蒸气冷凝以后的淡水。同时，装置所需的空气泵、水泵及抽气泵等均可利用渔船发动机的部分功率作为动力来源，而且本装置采取了循环再利用的理念，通过三通阀将鼓泡蒸发箱内

8、温度较高的部分浓海水与原料海水混合预热，有效节约了不可再生资源;该系统装置具有广阔的应用前景和较高的商品化潜力。5 结论基于海水淡化及节能减排目的，设计了一种综合利用渔船高温废气的鼓泡蒸发式海水淡化装置。介绍了装置的组成、工作流程、进行性分析及特色应用前景等。本装置结构简单，实用性强，秉承了节能环保的设计理念，可以节省渔船负载的淡水量，为从事海上作业的人员提供便利。参考文献：1m i ahmed，m hrairi，a f ismail. on the characteristics of mul-tistage evacuated solar distillationj. renewable energy， 2009（34）：14711478.2郑宏飞，何开岩，陈子乾.太阳能海水淡化技术m.北京：北京理工大学出版社，2005.3李正良，郑宏飞，陈子乾，等.降膜蒸发多效回热吸收式太阳能海水淡化系统的实验研究j.太阳能学报，2007，28 （11）：11881193.4刘忠，曾胜，沈海平，等.鼓泡蒸发式太阳能海水淡化装置的试验研究j，水处理技术，2010，