【摘 要】
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随着全球日益增长的淡水资源需求,到2025年约有35亿人面临缺水的困境。我国的水资源供应现状同样不容乐观,人均水资源拥有量仅为世界人均水平的四分之一。发展海水淡化技术是应对水资源短缺问题的主要手段,但当前世界上大部分的海水淡化技术均由化石燃料驱动,主流的海水淡化技术如反渗透等作为能源密集型过程需要消耗大量的高品位电能,巨大的化石燃料消耗以及碳排放是制约海水淡化技术发展的重要因素。膜蒸馏是一种新兴的
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目《水-能转换的热力学等效关系及系统评价》,项目编号 51906046； 广东省自然科学基金面上项目《分液冷凝强化极低品位热能驱动的膜蒸馏系统》,项目编号 2021A1515010792；
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随着全球日益增长的淡水资源需求,到2025年约有35亿人面临缺水的困境。我国的水资源供应现状同样不容乐观,人均水资源拥有量仅为世界人均水平的四分之一。发展海水淡化技术是应对水资源短缺问题的主要手段,但当前世界上大部分的海水淡化技术均由化石燃料驱动,主流的海水淡化技术如反渗透等作为能源密集型过程需要消耗大量的高品位电能,巨大的化石燃料消耗以及碳排放是制约海水淡化技术发展的重要因素。膜蒸馏是一种新兴的海水淡化技术,能够利用工业余热和可再生能源等低品位热能,具有实现可持续性海水淡化的潜力,目前已有较广泛的应用。本文提出了一种基于联立方程法的数学模型,对超临界二氧化碳布雷顿循环余热、地热能和太阳能等三种低品位热能驱动的膜蒸馏系统进行了热经济性分析,并构建了全生命周期评价框架对其环境影响进行了较全面的评估,同时考虑了经济性、环境影响和产水量等多个因素对膜蒸馏系统进行了多目标优化,为低品位热能驱动的膜蒸馏技术的设计和应用提供了理论依据。建立了膜蒸馏过程的热力学模型,并验证了其准确性。构建了低品位热能驱动的膜蒸馏海水淡化系统方案的热经济性优化模型。结果表明,余热驱动的膜蒸馏方案具有三种热源方案中最小的产水成本0.589$/m~3,与主流的海水淡化技术相比显示了成本优势,同时年产水量可达462.3×10~3 m~3,约为世界海水淡化厂平均产水量的四分之一。在三种热源方案中,泵送电费和MD模块的相关费用为系统产水需求改变时导致产水成本变化的主要因素。构建了MD系统从建设阶段到退役阶段全生命周期评价的框架。结果表明,余热和太阳能驱动的海水淡化方案分别导致了2.321 kg CO2-Eq/m~3和6.326 kg CO2-Eq/m~3的全球变暖潜力,与常规的热法海水淡化技术相比具有环境优势。同时由于泵送电能的消耗,三种热源方案的大部分评价指标中运行阶段的影响大于其他阶段。在终点指标方面,余热方案的环境分数为0.160 Pt/m~3,相比其他两种可再生能源方案更加环保。多目标优化分析表明,三种热源方案均具有相互冲突的经济性目标和环境影响目标,可以通过权衡使MD系统具有较优经济性能的同时实现较低的环境排放。
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