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蒸汽收集技术在净化空气的同时节约用水

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-08-12 浏览次数:14
 
 
  该系统可以回收发电厂冷却塔中的纯水。
 
  在美国,从湖泊、河流和井中抽取的所有水中,约有五分之二不是用于农业、饮用或卫生,而是用于冷却以化石燃料或核能发电的发电厂。这些工厂中超过 65% 使用蒸发冷却,导致从冷却塔中涌出巨大的白色羽状物,这可能是一种滋扰,在某些情况下甚至会导致危险的驾驶条件。

 
蒸汽收集技术在净化空气的同时节约用水

 
  现在,一家基于瓦拉纳西研究小组最近在麻省理工学院开发的技术的小公司希望减少这些工厂的用水需求和由此产生的羽流——并有可能帮助缓解发电厂对当地水资源造成压力的地区的水资源短缺系统。
 
  该技术在原理上非常简单,但将其开发到现在可以在工厂进行全面测试是一个更复杂的命题。这需要公司的创始人从安装原型系统中获得的实际经验,首先是在麻省理工学院的天然气 热电厂 ,然后是麻省理工学院的 核研究反应堆。
 
  在这些严苛的测试中,不仅要暴露在工作中的工业工厂的热量和振动中,还要暴露在新英格兰冬季的严酷环境中,该系统证明了其在消除蒸汽羽流和重新捕获水方面的有效性。而且,它在此过程中净化了水,使其比进入的冷却水清洁 100 倍。该系统现在正准备在商业发电厂和化学加工厂进行全面测试。
 
  “校园就像一个活生生的实验室”
 
  该技术最初是由机械工程教授 Kripa Varanasi 设想的,旨在通过从自然雾气和发电厂冷却塔羽流中捕获水滴来开发高效的水回收系统。该项目是作为 Maher Damak PhD '18 博士论文研究的一部分开始的,由麻省理工学院塔塔技术与设计中心提供资金,旨在提高雾收集系统的效率,例如一些干旱沿海地区使用的雾收集系统作为雾的来源饮用水。这些系统通常由垂直悬挂在雾堤路径上的塑料或金属网组成,效率极低,仅捕获通过它们的约 1% 至 3% 的水滴。
 
  瓦拉纳西和达马克发现,通过首先用一束带电粒子或离子击打微小的水滴,使每个水滴带上轻微的电荷,可以使蒸汽收集更加有效。然后,液滴流通过带有相反电荷的金属丝网,如窗纱。这会导致液滴被强烈地吸引到网格上,在那里它们由于重力而掉落并可以收集在放置在网格下方的托盘中。
 
  实验室测试表明该概念有效,研究人员与 Karim Khalil 博士 '18 一起  在 2018 年凭借基本概念赢得了麻省理工学院 10 万美元的创业大赛。这家新生公司被他们称为 Infinite Cooling,Damak 为首席执行官,Khalil 为 CTO,Varanasi 为董事长,立即着手  在麻省理工学院天然气动力中央公用事业厂的一个冷却塔上安装测试装置,由麻省理工学院可持续发展办公室资助。在对各种配置进行试验后,他们能够证明该系统确实可以消除羽流并产生高纯度的水。
 
  核科学与工程系的 Jacopo Buongiorno 教授立即发现了一个很好的合作机会,在 NRL 工程师 Ed Block 的帮助下,提供了使用麻省理工学院核反应堆实验室研究设施对系统进行进一步测试的机会。凭借其 24/7 全天候运行和更高温度的蒸汽排放,该工厂将对系统进行更严格的实际测试,并在核管理委员会许可的实际运行反应堆中证明其有效性,这是重要的一步在“降低风险”技术方面,使电力公司对采用该系统充满信心。
 
  该系统安装在工厂四个冷却塔之一的上方后,测试表明收集的水比进入冷却系统的给水清洁 100 多倍。它还证明,该装置——与早期版本不同,它的网筛垂直安装,平行于蒸汽流——对工厂的运行完全没有影响。测试视频生动地说明了一旦接通收集网的电源,白色蒸汽羽流立即完全消失。
 
  来自反应堆冷却塔的蒸汽羽流的高温和体积代表了“就羽流而言,这是一种最坏的情况,”达马克说,“所以如果我们能捕捉到这一点,我们基本上可以捕捉到任何东西。”
 
  与麻省理工学院核反应堆实验室合作,瓦拉纳西说,“这是非常重要的一步,因为它帮助我们进行了大规模测试。......它确实验证了水质和系统的性能。” 他说,这个过程“显示了将校园用作活实验室的重要性。它使我们能够大规模地进行此类实验,并展示了可持续减少校园水足迹的能力。”
 
  深远的利益
 
  发电厂的烟气通常被认为是一种碍眼的东西,并且可能会导致当地反对新建发电厂,因为它可能会造成视线模糊,甚至当模糊的烟气吹过道路时可能会造成交通危险。“消除羽状物的能力可能是一个重要的好处,允许将植物安置在否则可能会受到限制的地方,”Buongiorno 说。同时,该系统可以消除植物使用的大量水,然后流失到空中,可能减轻当地供水系统的压力,这在干旱地区尤其有用。
 
  该系统本质上是一个蒸馏过程,它产生的纯水可以进入需要高纯水的发电厂锅炉——与冷却系统是分开的。这可能会减少锅炉对淡水和净化系统的需求。
 
  更重要的是,在许多干旱的沿海地区,发电厂直接用海水冷却。该系统基本上可以为工厂增加海水淡化能力,其成本仅为建造新的独立海水淡化厂的一小部分,而且其运营成本的一小部分,因为热量基本上是免费提供的。
 
  水的污染通常通过测试其电导率来测量,电导率随着其包含的盐和其他污染物的量而增加。Khalil 解释说,发电厂冷却系统中使用的水通常为每厘米 3,000 微西门子,而剑桥市的供水通常约为每厘米 500 或 600 微西门子。他说,这个系统捕获的水通常低于每厘米 50 微西门子。
 
  由于麻省理工学院工厂的测试所提供的验证,该公司现在已经能够确保在运营的商业工厂的前两个安装的安排,这应该在今年晚些时候开始。一个是 900 兆瓦的发电厂,该系统的清洁水生产将成为主要优势,另一个是中西部的一家化学制造厂。
 
  瓦拉纳西说,在许多地方,发电厂必须为它们用于冷却的水付费,而新系统预计最多可减少 20% 的用水需求。他说,对于一个典型的发电厂来说,仅这一点每年就可以节省大约 100 万美元的水费。
 
  “六十年来,创新一直是美国商业行业的标志,”未参与该研究的核能研究所总裁兼首席执行官 Maria G. Korsnick 说。“随着气候变化影响生活的方方面面,包括全球供水,整个供应链的公司都在创新解决方案。在麻省理工学院对这项创新技术的测试为其在商业应用中的考虑提供了宝贵的基础。”

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