船舶主機煙氣余熱海水淡化裝置設(shè)計

周新院，曹愛霞，何祥寧

（青島黃海學(xué)院，山東青島266427）

0 引言

自石油危機以來，各國都意識到了能源的重要性，作為主要運輸工具的船舶，其能量利用率成為了研究的熱點。船舶的主要推進裝置柴油機熱效率最高達(dá)到了50%，但仍有近一半的能量沒有得到有效利用，因此，回收船舶余熱成為提高船舶能效的有效手段。尤其是新船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）的實施，更是使提高能量利用率迫在眉睫。船舶上不論是人員日常生活還是機械設(shè)備運轉(zhuǎn)，淡水都是不可或缺的資源[1]。而船舶自身攜帶淡水量有限，淡水也不易長時間儲存，并且會影響船舶裝載，對船舶續(xù)航力會帶來不利影響，因此船上大都設(shè)有海水淡化裝置，來滿足日常生活及機械設(shè)備需要?，F(xiàn)在技術(shù)較為成熟且應(yīng)用最多的是真空蒸餾法，此種方法雖然是將主機缸套冷卻水作為熱源，但由于溫度較低需要制造真空環(huán)境，能量耗費較大，而主機排煙溫度在300℃上下，不需要真空環(huán)境，是較為理想的熱源[2]。因此本文設(shè)計了一種新的船舶海水淡化系統(tǒng)，將船舶主機煙氣余熱、冷卻水余熱作為主要熱源制淡。

1 船舶熱量轉(zhuǎn)化

燃油經(jīng)過船舶柴油機產(chǎn)生熱量主要向四個方面轉(zhuǎn)化：一是機械能，主機將燃油燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，通過帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)船舶前進或倒航，這部分能量得到了較為充分的利用；二是柴油機排氣攜帶一定熱量，這部分熱量是排氣階段從氣缸中排出的，屬于高品位能量，能夠較好實現(xiàn)余熱回收，一般先利用其動能，然后再回收熱能，主要設(shè)備是廢氣渦輪、動力渦輪、余熱鍋爐、汽輪機等；三是冷卻介質(zhì)帶走的熱量，這部分熱量是保障主機正常運轉(zhuǎn)所必需的耗費，由于冷卻介質(zhì)大部分是水，水有著比熱容大、熱傳導(dǎo)系數(shù)高等優(yōu)點，因此，利用這部分能量進行海水淡化的裝置使用比較廣泛；四是其他的熱量消耗，主要是通過主機機體本身以及各類冷卻器耗散掉的熱量，這部分熱量的品位較低，較難被利用，回收價值不高。

2 海水淡化裝置

海水淡化技術(shù)是解決船舶淡水資源短缺的主要方法，除了日常飲用、洗漱，船舶淡水主要用于機械設(shè)備運行，如船舶輔鍋爐等。海水淡化技術(shù)發(fā)展至今較為成熟的有蒸餾法、膜分離法、結(jié)晶法等[3]。而目前使用較為廣泛的是蒸餾海水淡化技術(shù)和反滲透海水淡化技術(shù)。

2.1 蒸餾法

蒸餾法的基本原理是鹽分幾乎不溶于低壓蒸汽。海水是混合物，其中的水作為溶劑存在，由于水的蒸發(fā)溫度相對于其他物質(zhì)低，因此通過加熱即可使水以水蒸氣的形式分離出來，再將水蒸氣進行冷卻即可得到蒸餾水，從而實現(xiàn)海水淡化。具體應(yīng)用技術(shù)如下：

2.1.1 多效蒸餾海水淡化技術(shù)

多效蒸餾海水淡化技術(shù)是船舶海水淡化使用最早的方法，在真空環(huán)境下由船舶主機缸套冷卻水提供熱量，實現(xiàn)海水淡化，具有適用性強、淡水純度高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。蒸餾法分為單效蒸餾和多效蒸餾，隨著對淡水需求量的增加，目前在大型船舶上廣泛使用的是多效蒸餾技術(shù)，多個蒸發(fā)器串聯(lián)使用，前面產(chǎn)生的蒸汽作后邊的熱源，增加蒸發(fā)器數(shù)目可以有效提高淡水產(chǎn)量。此技術(shù)的缺點主要是容易結(jié)垢，進而影響傳熱，使產(chǎn)水效率降低。

2.1.2 閃發(fā)式海水淡化技術(shù)

將海水加熱到高于閃發(fā)室環(huán)境中的蒸發(fā)溫度后，輸送至具有一定真空度的閃發(fā)室中，海水迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，淡水量需求大的船舶可以串?lián)多個閃發(fā)室。該技術(shù)實現(xiàn)了海水加熱與蒸發(fā)的分離，因此有效減少了結(jié)垢問題，并且具有較高的產(chǎn)水量，淡水純度也高，缺點就是能耗較高。

2.1.3 熱力蒸汽壓縮式海水淡化技術(shù)

預(yù)熱后的海水在蒸發(fā)器中受熱形成蒸汽，將產(chǎn)生的蒸汽進行壓縮提升其溫度和壓力，然后送回蒸發(fā)器中作為海水蒸發(fā)的熱量，蒸汽放熱后凝結(jié)成淡水，淡水還可用于預(yù)熱海水，由此形成一個循環(huán)。熱壓縮整流技術(shù)壓縮機的工作基于在噴射器中高壓蒸汽能夠引射低壓蒸汽的原理，合成中壓蒸汽，依此實現(xiàn)低壓蒸汽的循環(huán)利用。此技術(shù)能耗低，效率高，但容易結(jié)垢，設(shè)備價格昂貴。

2.1.4 機械壓縮式海水淡化技術(shù)

工作原理與熱壓縮蒸餾技術(shù)相同，差別在于蒸汽壓縮的原理不同。機械壓縮式是在電動壓縮機上實現(xiàn)溫度和壓力的增加，然后送回蒸發(fā)器中作為熱源蒸發(fā)海水。此技術(shù)不需要熱源，只消耗電能即可實現(xiàn)，在沒有余熱可用的船舶上使用。

2.1.5 熱泵式海水淡化技術(shù)

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置，可以以逆循環(huán)的方式使熱量從低溫向高溫轉(zhuǎn)移的機械裝置[4]。熱泵系統(tǒng)中的冷凝器和蒸發(fā)器在該技術(shù)中發(fā)揮加熱器和冷凝器的作用，在真空下實現(xiàn)閃發(fā)，蒸汽在蒸發(fā)器處冷卻形成淡水。但由于熱泵工質(zhì)的臨界溫度一般不高，因此產(chǎn)水量很有限，實用價值不高。

2.2 膜分離法

2.2.1 反滲透海水淡化技術(shù)

反滲透海水淡化技術(shù)又被稱為超過濾法。1973年杜邦公司中空纖維膜的問世使反滲透海水淡化技術(shù)在船舶上的應(yīng)用成為現(xiàn)實。該技術(shù)利用反滲透膜實現(xiàn)海水中的水和其他物質(zhì)分離，從而實現(xiàn)對淡水的提純。其核心是一種具有選擇性的膜，只有一種物質(zhì)能夠順利通過，從而實現(xiàn)此種物質(zhì)的提純，海水淡化就是利用了此特性。海水在正向壓力的作用下，其中的水透過滲透膜，而其他物質(zhì)則被滲透膜阻止通過，從而實現(xiàn)淡水的提純。該技術(shù)耗能較低，但是對海水的清潔程度有較高要求，維護成本高，主要的花費是在滲透膜的維護和更換上。

2.2.2 電滲析海水淡化技術(shù)

新型離子交換膜的成功問世是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的標(biāo)志。與反滲透海水淡化技術(shù)不同，滲析是使用特定的離子交換膜選擇只讓海水中的溶質(zhì)通過，從而實現(xiàn)海水的淡化。電滲析海水淡化技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便、適用范圍廣等優(yōu)點，但能耗較高，并且對于惰性粒子無法有效處理，因此應(yīng)用受到限制。

3 新型海水淡化裝置系統(tǒng)設(shè)計

新世紀(jì)能源危機波及全球，并愈發(fā)嚴(yán)重，節(jié)能減排越來越受到世人重視。海水淡化裝置是船上必備設(shè)備之一，其節(jié)能性能的優(yōu)劣對于船舶節(jié)能有著直接影響，因此在分析各類海水淡化技術(shù)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，以節(jié)能減排為出發(fā)點，設(shè)計了新型海水淡化裝置，回收船用主機排氣、冷卻水等余熱，應(yīng)用蒸餾技術(shù)與反滲透膜相結(jié)合的方式綜合考慮節(jié)能降耗、投入成本等問題。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

在充分分析各種海水淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取蒸餾法與反滲透技術(shù)設(shè)計海水淡化系統(tǒng)方案，發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)勢，采用多次逐步加熱的形式，充分回收利用船舶余熱，增加產(chǎn)水率，提升淡水純度。新型海水淡化系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 新型海水淡化系統(tǒng)流程圖

海水經(jīng)過粗濾之后首先流經(jīng)冷凝器，用于冷卻水蒸氣、凝結(jié)淡水，海水初步加熱，然后流入船舶主機冷卻水系統(tǒng)，再次加熱后通過霧化噴頭將海水霧化后噴灑到煙氣盤管上，部分海水受熱汽化形成水蒸氣，上浮至裝置上部冷凝形成淡水匯集到集水盤中，剩余濃海水直接落到裝置底部；在底部設(shè)置有反滲透膜組件，由于裝置處于封閉狀態(tài)，霧化的海水以及產(chǎn)生的蒸汽使海水側(cè)保持在正壓狀態(tài)，提供反滲透膜組件工作的壓力，壓力大小通過壓力調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)，在壓力作用下，水穿過反滲透膜實現(xiàn)淡水提純，過多的海水直接排除舷外。船舶柴油機的高溫排氣直接從裝置底部引入裝置加熱盤管，回收后低溫?zé)煔鈴难b置上部排出。

3.2 性能分析

新型的海水淡化裝置采用了蒸餾技術(shù)和反滲透式技術(shù)，充分回收船舶余熱進行海水淡化，提升船舶能源利用率，節(jié)能減排效果明顯。對比傳統(tǒng)海水淡化裝置，具有以下特點：

第一，該裝置將船舶煙氣余熱作為熱源進行海水淡化，加熱溫度較高，不需要真空環(huán)境，節(jié)約了真空制造成本，另外，反滲透膜件的工作壓力也由系統(tǒng)本身提供。第二，加熱盤管采用高效螺旋帶有翅片的316L不銹鋼，具有良好的耐海水腐蝕性能，高溫強度優(yōu)秀，是較為理想的熱交換器管路制作材料。翅片增大換熱面，提高換熱效率，增大蒸汽產(chǎn)量，從而提升淡水產(chǎn)量。第三，進入裝置的海水通過霧化噴頭進行霧化，霧化的海水噴射到加熱盤管表面，在加熱盤管表面形成連續(xù)的水膜，提高蒸汽產(chǎn)量，進而提升淡水產(chǎn)量。第四，裝置處于密封狀態(tài)，由于水蒸氣的產(chǎn)生以及海水霧化，使得容器下部膜件海水側(cè)的壓力高于淡水側(cè)，即產(chǎn)生壓力差，反滲透膜件發(fā)揮作用實現(xiàn)海水淡化，壓力大小可以通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)。第五，由于海水需要霧化，反滲透膜組件對海水清潔程度要求較高，因此海水需要進行預(yù)處理，保證清潔程度，增加了設(shè)備配置。第六，裝置的熱源是船舶柴油機排氣和冷卻水余熱，因此裝置的工作狀況受主機工作狀況影響較大，船舶主機處于變工況運轉(zhuǎn)時，海水淡化裝置工作因煙氣溫度變化致使穩(wěn)定性受到影響。

4 總結(jié)

海水淡化裝置作為船舶裝配的重要設(shè)備，不管是結(jié)構(gòu)形式和維護保養(yǎng)以及節(jié)能降耗，在以往均存在一定不足。近年來隨著研究的深入，新的海水淡化技術(shù)不斷涌現(xiàn)，尤其在當(dāng)前節(jié)能降耗的大形勢之下，海水淡化技術(shù)的發(fā)展著重于船舶余熱的回收利用。文中設(shè)計的海水淡化裝置，采用蒸餾技術(shù)和反滲透技術(shù)結(jié)合的方式依次加熱海水，逐步提高海水溫度，充分利用船舶余熱能量，提升淡水產(chǎn)量。此裝置充分發(fā)揮了兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢，為今后利用船舶余熱的海水淡化裝置的設(shè)計提供一定的參考。