海水噴霧淡化工藝的霧化過程分析

張曉晨，李 強，邢玉雷，劉洪錕

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

噴霧淡化作為一種新型海水淡化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于海水淡化、濃海水和高鹽廢水處理等領(lǐng)域，且可用于低位熱源的回收利用，具有良好的發(fā)展前景。美國AquaSonics公司[1]將其噴霧蒸發(fā)用于處理反滲透排放濃鹽水，其淡水回收率可以達到80%以上，造水成本有望低于0.51 美元/t；高從堦等[2]將噴霧蒸發(fā)的水蒸汽作為多效蒸餾首效的加熱蒸汽，淡水產(chǎn)量較多效蒸餾可提高30%左右。此外Secunda等[3]、Soteris等[4]、Muthunayagam等[5]都建立了噴霧淡化裝置，并對其淡化性能進行了測試，但對噴霧淡化工藝參數(shù)的針對性研究仍比較有限。

Ikegami等[6]對噴霧淡化裝置的噴霧方向進行了研究，結(jié)果證明，海水在蒸發(fā)室內(nèi)向上噴霧比向下噴霧更有利于提高蒸發(fā)速度，利于裝置的緊湊性設(shè)計。Muthunayagam等[7]考察了在噴霧蒸發(fā)過程中霧滴溫度的降低情況,發(fā)現(xiàn)霧滴的蒸發(fā)時間遠小于其在蒸發(fā)室內(nèi)的理論停留時間。目前針對噴霧淡化進行的霧化研究尚為有限且研究內(nèi)容分散，缺乏對整個霧化過程的系統(tǒng)研究。

本研究采用試驗手段，測試進料流量、霧化粒徑、噴嘴設(shè)置位置等不同影響因素對淡化效果的影響，得到霧化過程對淡化性能的影響規(guī)律，達到提高裝置造水性能的目的，對噴霧淡化的工藝設(shè)計具有借鑒意義。

1 試驗方法與流程

1.1 噴霧淡化工作原理

噴霧淡化的原理是在蒸發(fā)室內(nèi)利用噴嘴將海水霧化，同時蒸發(fā)室內(nèi)有空氣流通，由于霧化后的海水比表面積很大，水分迅速蒸發(fā)成為水蒸氣，而后被空氣流帶出蒸發(fā)室，隨后再被冷凝為淡水并予以回收。

1.2 試驗流程

噴霧淡化綜合性能試驗裝置如圖1所示，試驗流程如圖2所示，主要包括霧化系統(tǒng)、蒸發(fā)器、冷凝回收系統(tǒng)及真空系統(tǒng)。霧化方式采用霧化盤和兩流體噴槍兩種方式。試驗過程中，采用電加熱的方式對原水進行加熱，原水進入霧化系統(tǒng)，并通過泵的轉(zhuǎn)速對流量進行控制。原水霧化后在蒸發(fā)器內(nèi)閃蒸，并進入冷凝段冷凝為淡水。淡水在真空罐內(nèi)進行收集，產(chǎn)水的電導率用電導率儀測定，體積由真空罐液位計液位變化換算得出，霧化過程的液滴粒徑由激光粒度儀測定。

圖1 海水噴霧淡化綜合性能試驗裝置Fig.1 Experimental Installation of Seawater Spray Desalination

1.3 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

試驗中液滴粒徑由霧化盤頻率和兩流體噴嘴的氣水比例進行控制，霧化液滴粒徑由winner 318激光粒度分析儀(濟南微納顆粒技術(shù)有限公司)進行測定。液滴總體粒徑采用霧化液滴的索太爾平均直徑(SMD指有相同體積和表面積比值的平均粒徑[8-9])，對噴霧的液滴粒徑分布具有較好的代表性。

試驗于不同液滴粒徑、霧化器位置分別測定裝置產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)溫度的影響

圖3為蒸發(fā)器加熱溫度為70 ℃、真空度為0.08 MPa、進料流量為2～5 L/h的條件下，霧化粒徑在7～150 μm時，蒸發(fā)溫度隨粒徑變化的曲線。

根據(jù)IAPWS-IF97公式計算，真空度0.08 MPa對應(yīng)飽和溫度為59.32 ℃。由圖3可知，進料流量為4 L/h和5 L/h的條件下，蒸發(fā)溫度相近，穩(wěn)定在56.5～57.7 ℃，略低于飽和溫度，這說明裝置進料量基本達到飽和，腔體內(nèi)熱量都用于相變吸熱。3 L/h流量條件下，蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在57.9 ℃左右，雖然低于飽和溫度，但流量增加，蒸發(fā)溫度仍會略有下降，說明蒸發(fā)器內(nèi)有少量熱量剩余，進料量尚未達到飽和。流量為2 L/h條件下，蒸發(fā)溫度為62 ℃，說明2 L/h進料流量蒸發(fā)對應(yīng)傳熱溫差為8 ℃，且裝置未達到最大進料量。

而對于同一流量下的霧化粒徑，在近飽和進料的情況下，其粒徑對蒸發(fā)溫度影響不大，7～150 μm時，蒸發(fā)溫度變化量小于1 ℃，霧化粒徑較小，對應(yīng)蒸發(fā)溫度更低。對于未達到飽和進料的情況，蒸發(fā)溫度隨霧化粒徑變化較為明顯，呈先增大后逐漸平穩(wěn)的趨勢。這是由于在粒徑較小的情況下，液滴霧化較為徹底，液相與空氣接觸面積較大，換熱更為充分，傳熱溫差較大。隨著液滴粒徑增加，液相與空氣接觸面積減小，相應(yīng)傳熱溫差減小。

綜上所述，試驗裝置飽和進料量為4 L/h，在腔體溫度為70 ℃、真空度為0.08 MPa的運行條件下傳熱溫差為13 ℃。運行未達到飽和進料前蒸發(fā)溫度隨霧化粒徑增大呈先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢；達到飽和進料量后，蒸發(fā)溫度隨霧化粒徑變化不明顯。

2.2 霧化粒徑對裝置產(chǎn)水的影響

圖4、圖5為蒸發(fā)器加熱溫度為70 ℃、真空度為0.08 MPa、進料流量為2～5 L/h的條件下，霧化粒徑在7～750 μm時，產(chǎn)水量隨粒徑變化曲線和產(chǎn)水電導隨粒徑變化曲線。

圖4產(chǎn)水量隨粒徑變化曲線圖5產(chǎn)水電導隨粒徑變化曲線

Fig.4 Variation of Water Yield with Droplets Sizes Changing Fig.5 Variation of Water Production with Droplets Sizes Changing

由圖4可知：產(chǎn)水量隨液滴粒徑變化較為平緩，在進料流量小于4 L/h時，進料量尚未達到飽和，霧滴蒸發(fā)較為徹底，霧化粒徑對產(chǎn)水量影響較小；在進料流量大于4 L/h時，產(chǎn)水量隨粒徑變化存在一個峰值，最佳粒徑為50～100 μm。在進料流量為5 L/h的條件下，這一變化趨勢最為明顯，此時裝置進料已接近飽和，裝置蒸發(fā)量在50%左右，繼續(xù)提高進料量不會增加裝置產(chǎn)水。此時，霧化粒徑在100 μm左右，蒸發(fā)量有一個急劇升高的過程，蒸發(fā)量接近80%，霧化粒徑過小或過大，蒸發(fā)都會降低至穩(wěn)定水平。這主要是蒸發(fā)過程中100 μm的霧滴分散最為均勻，有利于液滴的換熱和蒸發(fā)。粒徑增大會減小液滴的比表面，影響換熱；粒徑過小，在蒸發(fā)過程中受氣流擾動，容易聚集為大液滴。

由圖5可知，裝置的產(chǎn)水電導受粒徑和流量影響不大，基本保持在15 μS/cm以下。

2.3 進料流量影響

圖6為蒸發(fā)器加熱溫度為70 ℃、真空度為0.08 MPa、進料流量為2～5 L/h的條件下，霧化粒徑在7～750 μm時，產(chǎn)水量隨進料流量變化曲線。

圖6 產(chǎn)水量隨進料流量變化曲線Fig.6 Variation of of Water Yield with Feed Flow Changing

由圖6可知：在有外加熱源的條件下，產(chǎn)水量隨進料流量線性增加，這主要是由于液滴蒸發(fā)比較徹底，蒸發(fā)率基本可以達到80%以上；在無外加熱源的條件下，產(chǎn)水量隨進料流量增加而升高的幅度明顯低于有熱源的情況，這是由于純閃蒸的蒸發(fā)動力較低，蒸發(fā)率只有15%左右。

2.4 霧化元件設(shè)置位置分析

圖7為蒸發(fā)器加熱溫度為70 ℃、真空度為0.08 MPa、進料流量為2～5 L/h的條件下，霧化粒徑為20 μm時，不同霧化器設(shè)置位置產(chǎn)水量隨進料流量變化曲線。

圖7 不同霧化器位置影響Fig.7 Influence of Different Atomizer Locations Rate

由圖7可知，霧化器設(shè)置在蒸發(fā)器中部的產(chǎn)水量最低，這主要是由于霧化器設(shè)置在蒸發(fā)器中部，其霧化高度降低，液體霧化空間變小，霧化不夠充分，液滴的顆粒分布密度、速度和尺寸不如其他兩種設(shè)置位置均勻，因此影響其蒸發(fā)效率。霧化器設(shè)置在蒸發(fā)器上下兩端的產(chǎn)水量相差不大，因為兩種設(shè)置方式的霧化空間相同，但是由于試驗裝置蒸汽出口設(shè)置在蒸發(fā)器頂部，將霧化器設(shè)置在底部，液滴受重力作用，在蒸發(fā)器內(nèi)停留時間更長，更有利于其蒸發(fā)作用。這一影響對于進料量大的工況表現(xiàn)得更為明顯，主要是因為進料量小的工況下，液滴本身的蒸發(fā)較為徹底，而進料量大的工況下存在一部分未完全蒸發(fā)的液滴，通過調(diào)整霧化器位置可令這部分液滴得到充分蒸發(fā)，其作用也表現(xiàn)得更為明顯。

3 結(jié)論

通過試驗手段，對噴霧淡化霧化過程的幾個影響因素進行了分析，結(jié)論如下。

(1)運行未達到飽和進料前蒸發(fā)溫度隨霧化粒徑增大呈先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢；達到飽和進料量后，蒸發(fā)溫度隨霧化粒徑變化不明顯，且裝置的產(chǎn)水電導受粒徑和流量影響不大，基本保持穩(wěn)定。

(2)在有外加熱源的條件下，液滴蒸發(fā)比較徹底，產(chǎn)水量隨進料流量線性增加；在無外加熱源的條件下，蒸發(fā)動力較低，產(chǎn)水量隨進料流量增加而升高的幅度明顯低于有熱源的情況。

(3)對于霧化器的設(shè)置，將其設(shè)置在蒸發(fā)器中部影響其霧化的均勻性及其蒸發(fā)效率。將其設(shè)置在頂部或者底部，其蒸發(fā)效果差別不大，受重力影響，底部設(shè)置霧化器，可以增加液滴的停留時間，其蒸發(fā)效果最好。

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