太阳能海水淡化技术教程
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论太阳能海水淡化技术的现状及发展趋势
机械电子工程学院 能源与动力工程14—3 曾培乐 34
淡水资源：
• 没有水，就没有生命。
• 地球上只有百分之三的水是淡水，所有陆地生命归根结底都依赖于淡水， 它决定着地球上生命的分布，水蒸气从海面升起，被气流夹带到内陆， 随着海拔提高，汇聚成云层降雨，这也是淡水基本来源之一，溪流汇聚 奔腾大河，雕凿出自然界奇观，河流沿岸提供了许多野生动物栖息地， 孕育着物种丰富的物种，无论高山，还是湖底，有淡水的地方就有生命。
太阳能海水淡化技术：
• 太阳能海水淡化技术是一种利用太阳能蒸馏器来进行海水淡化的一门技 术，太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以 及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太 阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是 一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规 能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
我国的淡水资源： • 我国淡水资源总量为2.8万 亿立方米,居世界第六位,但 人均水量只相当世界人均占 有量的1/4,居世界第109位.
• 江河也缺水，黄河连年出现断 流。楼兰古城因为缺水，只剩 下几处断垣残壁。罗布泊因为 干涸，成为生命禁区。
我国的淡水资源：
• 中国的水资源并不丰富，总拥有量约2.7Tm3，可供开发利用的淡水资源量为1— 1.1Tm3，居世界第六位。若按人均计，约为世界人均水量的1/4。列为世界第109 位。我国是严重的缺水大国，在40多个严重缺水国家中位居前列。而且，我国水 资源的时空分布不均衡，与耕地、人口的地区分布也不相适应。在全国总量中， 耕地约占36%、人口约占54%的南方，水资源却占81%，而耕地占45%、人口占 38%的北方七省市，水资源仅占9．7%。在时空分布上也不平衡，70%左右的雨 水又集中在夏、秋两季，多以暴雨形式出现。以上不利的自然因素，注定了我国 是一个缺水的国家。上世纪末对全国640个城市统计，有300个左右的城市不同程 度地缺水。其中严重缺水的城市114个，月缺水1600万吨，每年因缺水造成的直接 损失达2000亿元。 • 水
太阳能海水淡化技术的优势
• 首先是可独立运行，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、环保要求高的地区有很大 应用价值；其次是生产规模可有机组合，适应性好，投资 相对较少，产水成本低，具备淡水供应市场的竞争力。人 类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行 蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能 蒸馏器。蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式 太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由 于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘 式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性 能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传 统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将 太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的 海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、 无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
海水淡化技术：
• 海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术， 可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水 和工业锅炉补水等稳定供水。 • 从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。 现在所用的海水淡化方法有海水 冻结法、电渗Biblioteka Baidu法、蒸馏法、反渗透法，目前应用反渗透膜的反渗透法 以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代 蒸馏法成为应用最广泛的方法。
常规的海水淡化技术：
• 常规海水淡化方法大体上可分为两大类：一类是热方法，以热源为驱动 将海水蒸馏的过程，如多级闪蒸（MSF）、多效沸腾（MED）、蒸汽压 缩法（VC）；另外一类是膜方法，以电能或压力为驱动的渗透/反渗透 过程，如电渗析（ED）、反渗透法（RO）。除此之外，还有冷冻法、 溶剂萃取法、水合物法、离子交换法、露点蒸发法等等，其中反渗透法、 多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏法已实现工业化。
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1）反渗透法（Reverse Osmosis） 反渗透技术通过对海水施加压力，使得水分子通过半 透膜，水中的矿物质无法通过半透膜，这样就将水和盐类分离开来，这一过程称为反渗透。 反渗透技术的优点在于能耗少，其能耗约144kJ/kg，远低于普通热法淡化技术。但在半透 膜的另一侧容易积聚盐类导致结垢，因而需要定期更换，且海水预处理过程复杂，设备维 护量较大。 2）多级闪蒸（Multi-stage Flash） 多级闪蒸通过降低蒸发室内的气压，使得进入蒸发室 内的热海水直接达到沸点汽化，由于其没有加热面，较好的解决了当时困扰热法淡化技术 存在的蒸发面结垢难题。它可以在较高的温度下运行而不结垢；采用多级能量回收的技术 也使得它有较高的热效率，热耗相对较低，单位产水热耗约340kJ/kg。多级闪蒸在每一级 中都要保持较高的海水流量来避免蒸发室结垢，这使得水泵的电耗较高，因而经济性较多 效蒸馏有一定下降；同时多级闪蒸的负荷适应性较差，一般在80%~110%，适合大型的集 中供水。 3）低温多效（LT Multi-effect Distillation） 多效蒸发过程发生在蒸发室的加热面上，在 水温较高时容易导致结垢，影响加热面的传热过程。低温多效技术将海水温度控制在70℃ 以下，以保证加热面不结垢。低温多效技术的负荷适应性好，在较宽的负荷范围内都有较 高热效率，负荷范围可拓宽至40%~110%，但其结构复杂，换热面积和占地面积大，初投 资高
常规海水淡化技术的弊端：
• 常规的海水淡化方式都以化石燃料或电力为能源，能源消耗巨大，据测 算，生产3500万吨淡水需要消耗3.5亿吨原油。同时化石燃料燃烧会向 环境释放大量的温室气体，破环环境和生态。在缓解水资源短缺的同时， 也给能源和环境带来了巨大压力，且初投资高，技术难度大，在小型化 装置上产水率较低，难以满足偏远地区、海外离岛以及能源匮乏地区的 淡水需求。20世纪70年代的能源危机，迫使人类将目光转向新能源利用， 近年来以太阳能为代表的新能源技术迅猛发展，技术日臻成熟，这为太 阳能海水淡化技术的发展奠定了基础。
机械电子工程学院 能源与动力工程14—3 曾培乐 34
淡水资源：
• 没有水，就没有生命。
• 地球上只有百分之三的水是淡水，所有陆地生命归根结底都依赖于淡水， 它决定着地球上生命的分布，水蒸气从海面升起，被气流夹带到内陆， 随着海拔提高，汇聚成云层降雨，这也是淡水基本来源之一，溪流汇聚 奔腾大河，雕凿出自然界奇观，河流沿岸提供了许多野生动物栖息地， 孕育着物种丰富的物种，无论高山，还是湖底，有淡水的地方就有生命。
太阳能海水淡化技术：
• 太阳能海水淡化技术是一种利用太阳能蒸馏器来进行海水淡化的一门技 术，太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以 及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太 阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是 一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规 能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
我国的淡水资源： • 我国淡水资源总量为2.8万 亿立方米,居世界第六位,但 人均水量只相当世界人均占 有量的1/4,居世界第109位.
• 江河也缺水，黄河连年出现断 流。楼兰古城因为缺水，只剩 下几处断垣残壁。罗布泊因为 干涸，成为生命禁区。
我国的淡水资源：
• 中国的水资源并不丰富，总拥有量约2.7Tm3，可供开发利用的淡水资源量为1— 1.1Tm3，居世界第六位。若按人均计，约为世界人均水量的1/4。列为世界第109 位。我国是严重的缺水大国，在40多个严重缺水国家中位居前列。而且，我国水 资源的时空分布不均衡，与耕地、人口的地区分布也不相适应。在全国总量中， 耕地约占36%、人口约占54%的南方，水资源却占81%，而耕地占45%、人口占 38%的北方七省市，水资源仅占9．7%。在时空分布上也不平衡，70%左右的雨 水又集中在夏、秋两季，多以暴雨形式出现。以上不利的自然因素，注定了我国 是一个缺水的国家。上世纪末对全国640个城市统计，有300个左右的城市不同程 度地缺水。其中严重缺水的城市114个，月缺水1600万吨，每年因缺水造成的直接 损失达2000亿元。 • 水
太阳能海水淡化技术的优势
• 首先是可独立运行，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、环保要求高的地区有很大 应用价值；其次是生产规模可有机组合，适应性好，投资 相对较少，产水成本低，具备淡水供应市场的竞争力。人 类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行 蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能 蒸馏器。蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式 太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由 于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘 式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性 能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传 统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将 太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的 海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、 无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。
海水淡化技术：
• 海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术， 可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水 和工业锅炉补水等稳定供水。 • 从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。 现在所用的海水淡化方法有海水 冻结法、电渗Biblioteka Baidu法、蒸馏法、反渗透法，目前应用反渗透膜的反渗透法 以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代 蒸馏法成为应用最广泛的方法。
常规的海水淡化技术：
• 常规海水淡化方法大体上可分为两大类：一类是热方法，以热源为驱动 将海水蒸馏的过程，如多级闪蒸（MSF）、多效沸腾（MED）、蒸汽压 缩法（VC）；另外一类是膜方法，以电能或压力为驱动的渗透/反渗透 过程，如电渗析（ED）、反渗透法（RO）。除此之外，还有冷冻法、 溶剂萃取法、水合物法、离子交换法、露点蒸发法等等，其中反渗透法、 多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏法已实现工业化。
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1）反渗透法（Reverse Osmosis） 反渗透技术通过对海水施加压力，使得水分子通过半 透膜，水中的矿物质无法通过半透膜，这样就将水和盐类分离开来，这一过程称为反渗透。 反渗透技术的优点在于能耗少，其能耗约144kJ/kg，远低于普通热法淡化技术。但在半透 膜的另一侧容易积聚盐类导致结垢，因而需要定期更换，且海水预处理过程复杂，设备维 护量较大。 2）多级闪蒸（Multi-stage Flash） 多级闪蒸通过降低蒸发室内的气压，使得进入蒸发室 内的热海水直接达到沸点汽化，由于其没有加热面，较好的解决了当时困扰热法淡化技术 存在的蒸发面结垢难题。它可以在较高的温度下运行而不结垢；采用多级能量回收的技术 也使得它有较高的热效率，热耗相对较低，单位产水热耗约340kJ/kg。多级闪蒸在每一级 中都要保持较高的海水流量来避免蒸发室结垢，这使得水泵的电耗较高，因而经济性较多 效蒸馏有一定下降；同时多级闪蒸的负荷适应性较差，一般在80%~110%，适合大型的集 中供水。 3）低温多效（LT Multi-effect Distillation） 多效蒸发过程发生在蒸发室的加热面上，在 水温较高时容易导致结垢，影响加热面的传热过程。低温多效技术将海水温度控制在70℃ 以下，以保证加热面不结垢。低温多效技术的负荷适应性好，在较宽的负荷范围内都有较 高热效率，负荷范围可拓宽至40%~110%，但其结构复杂，换热面积和占地面积大，初投 资高
常规海水淡化技术的弊端：
• 常规的海水淡化方式都以化石燃料或电力为能源，能源消耗巨大，据测 算，生产3500万吨淡水需要消耗3.5亿吨原油。同时化石燃料燃烧会向 环境释放大量的温室气体，破环环境和生态。在缓解水资源短缺的同时， 也给能源和环境带来了巨大压力，且初投资高，技术难度大，在小型化 装置上产水率较低，难以满足偏远地区、海外离岛以及能源匮乏地区的 淡水需求。20世纪70年代的能源危机，迫使人类将目光转向新能源利用， 近年来以太阳能为代表的新能源技术迅猛发展，技术日臻成熟，这为太 阳能海水淡化技术的发展奠定了基础。