提高低温多效海水淡化装置造水比可行性方案研究
摘要:低温多效蒸馏法是20世纪80年代开发的海水淡化新技术。
它的特点是控制盐水的最高蒸发温度为70℃,对原料海水的预处理要
求不高,蒸发过程动力消耗小、生产的淡水水质高。我公司引进法国
技术投资建设的低温多效蒸馏海水淡化装置,利用电厂低品位蒸汽,将
海水多次蒸发和冷凝,以达到较高的造水比。
关键词:低温多效 海水淡化 造水比 盐水再循环
低温多效海水淡化装置利用蒸发器完全在真空状态下运行(其运
行真空值可达-0.090MPa),从而使盐水的最高蒸发温度低于70℃的海
水淡化技术,其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来,用
一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝,后面一效的蒸发温度均低
于前面一效,从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。其工艺流
程见图1[1]。
海水经过每效均重复蒸发和喷淋过程,浓缩后的海水继续向下效
流动,直到最后在温度最低的效组中以浓缩液的形式离开该效组。该
装置需要的蒸汽由汽轮机四段抽汽供给,蒸汽进入温度最高的第1效
蒸发管内部,蒸汽进入温度最高的第1效蒸发管内部,在管内发生冷凝
的同时,管外海水由于吸收了在蒸发器内冷凝蒸汽的潜热而汽化,产生
了与冷凝量基本相同的海水蒸发,产生的二次蒸汽在穿过浓盐水液滴
分离器以保证蒸馏水的纯度之后,又引入到下效的传热管内,蒸发和冷
凝过程沿着一串蒸发器的各效重复多次,每效都产生了相当数量的蒸
馏水,最后在冷凝器集中,然后被海水冷却,由蒸馏水泵打出送入淡水
箱,如此生产出来纯度很高的水,水质含盐量可以小于5mg/L。第1效
的蒸汽冷凝液被收集起来,然后被送入凝结水箱,不凝性气体从每根冷
凝管中抽出,分别从1效和汇流至第四效。这些不凝性气体最后在排
热冷凝器的最冷端富集,并用蒸汽喷射器抽出。参照热力系统平衡图
分析,对于蒸发器造水比影响较为显著主要包括进效海水温度、蒸发
器的真空度、以及蒸发器管束的换热效率等。针对影响造水比的因素
提出以下可行性方案。
1 设法提高进效海水温度,以提高造水比
1.1 提高板式换热器的换热效率,以增加板式换热器利用海水淡
化蒸汽冷凝后生成的蒸馏水以及经过蒸发浓缩后的盐水余热,对物料
海水进行加热
经过近两年不同季节的实践摸索,针对低温多效海水淡化对于海
水适应性较强的特点,逐步采取了不进行海水预处理加药处理,这样大
大减轻了因海水投加混凝剂、絮凝剂造成的板式换热器污堵现象,经
过海水不加药试验,板式换热器运行周期由原来的半年延长到一年,换
热效果明显好转,这样既提高了进效海水温度,又减少了药品消耗以及
由于检修增加的费用,并延长了设备的使用寿命。
1.2 进行盐水再循环试验
进入冬季,海水温度逐渐下降,黄骅地区海水最低温度历年达到
-1.5℃,比海水淡化装置设计的海水最低温度-0.35℃低,仅依靠板式换
热器的加热已经无法满足要求,一方面增加换热器换热面积可提高换
热效果,在现有条件下会大大提高设备费用,根据海水预热器盐水排放
温度一般维持在28℃左右,采取盐水再循环方式,使盐水与物料海水混
合,以提高进效海水温度。通过盐水再循环前后数据对比,可以看出盐
水再循环对造水比的影响。
工况安排:在海水淡化造水比明显下降条件下,使机组负荷相对平
稳,维持为500MW～580MW,进效蒸汽流量一定时,保持各效进效海水
总流量1300 t/h,盐水再循环流量分别在0 t/h、100 t/h,160 t/h时,盐水
再循环过程数据对比,考察盐水再循环对造水比的影响。
由表1可以看出盐水再循环前后,保持海水淡化各效总流量
1300t/h左右,通过各组数据进行分析,可以看出,随着盐水再循环流量
的增加,由0～150t/h盐水再循环流量变化,海水淡化造水比显著提高,
由最初的4.37提高至5.76水平,同时盐水再循环对蒸馏水含盐量的影
响甚微,基本无变化;同时第五组数据表明,在降低进效海水流量的条
件下,即使不进行盐水再循环,对造水比的提高也较为明显。在允许条
件下,随着盐水再循环流量的提高,造水比将随之增加,盐水再循环前
后,因盐水量的变化,对盐水泵电流有轻微影响,当再循环流量增加后,
盐水泵电机负荷略有上升,受其它条件限制,不能无限制的增加盐水循
环流量,盐度增加后,结垢倾向将大大增加。盐水再循环在海水预热器
换热效果下降的条件下,对盐水排放的热量回收起到了关键作用,在换
热器效果较好时,盐水再循环对造水比的影响将会下降,显然海水经预
热器盐水加热效果已经减小了盐水排放热量损失。
1.3 适当减小物料海水流量
物料海水减少,一方面提高了板式换热器加热后的海水温度,同时
经过蒸馏冷凝器后的海水温度也会显著上升,使物料海水温度提高,另
一方面,物料水减少造成不良影响,海水的喷淋面积、喷淋流量会有所
下降,同样对蒸发器的换热效率下降,由于物料水流量下降,增加了换
热管壁结垢倾向,对传热是十分不利的,因此,不建议采用。
2 保证合格的蒸汽品质,以提高造水比
保证合格的蒸汽品质,以提高蒸汽热力压缩机的工作性能,是提高
海水淡化产水量的关键,在机组不同负荷下:300MW、400MW、
500MW,600MW,各工况试验结果,各工况下的造水比进行对比。
从表2的试验结果可以看出。
在机组负荷为300MW时,海水淡化装置进汽压力保持滑压状态,
进汽压力保持在0.25MPa之间,海水淡化装置进汽喷嘴开度在61%～
70%,装置稳定运行,装置出力保持在额定出力79%,造水比为6.92。
在机组负荷为400Mw时,海水淡化装置进汽压力随机组压力变化,
保持在0.34MPa～0.37MPa之间,海水淡化装置进汽喷嘴开度在
51%～55%之间变化,装置稳定运行,装置出力保持在额定出力92%,造
水比为6.88。
在机组负荷为500MW时,海水淡化装置进汽压力随机组压力变
化,进汽压力保持在0.50MPa～0.52MPa之间,海水淡化装置进汽喷嘴
开度在22%～27%之间变化,但通过试验发现喷嘴开度在22%时装置
的造水比有所降低,因此不建议运行在过低的喷嘴开度下,可以保证装
置稳定运行,装置出力则保持在额定出力91%,造水比为7.15。
在机组负荷为600MW时,海水淡化装置进汽压力随机组压力变
化,进汽压力保持在0.58MPa～0.60MPa之间,海水淡化装置进汽喷嘴
开度在22%～24%之间变化,根据以上负荷数据判断,喷嘴开度增加,能
够确保装置稳定运行,装置出力则保持在93%左右,造水比为6.80。另
外,在机组负荷为600MW时,若要求装置出力增加,则需要消耗的蒸汽
量增加,会影响机组负荷。
通过提高加热蒸汽流量和温度,使蒸发器运行在较高温度下,从而
提高蒸馏水产量,只有在压力比较稳定的情况下,热力压缩机的工作效
果是最佳的,通过对性能试验数据进行分析(排除其他因素的影响),海
水淡化在机组500MW负荷左右范围运行,压力维持在0.5MPa～
0.55MPa,喷嘴的工况最佳,其造水比是较高的,也是最经济的。
3 提高海水淡化蒸发室内真空度,以提高造水比
海水淡化蒸发室工作在真空状态下,一般蒸发室压力维持在
0.01MPa,真空下饱和水汽化温度低于大气压下水的沸点100℃,表3为
真空条件下饱和水与饱和水蒸汽热力性质表[2]。
根据饱和水和饱和水蒸气热力性质表,适当提高真空度可降低汽
化温度,从而使蒸发室产生较多的蒸汽量,但随着蒸汽量的增加,如产
生的大量蒸汽不能及时的冷凝,会降低蒸发室和冷凝器的真空度,虽然
低温多效海水淡化装置利用二级喷射抽汽器,及时排掉产生的不凝气
体,并维持系统的真空,一旦大量的蒸汽不能及时完全的凝结,势必会
随着不凝气体排放,一方面蒸发室的压力会逐渐升高,蒸发的温度也要
随之提高,在温度一定的条件下,只能降低蒸汽产量,另一方面,可凝结
气体随着不凝气排放,也造成了少量浪费,这对经济运行是不利的。真
空度和蒸发温度是互相制约的两个条件,只有找到一个最佳的稳态平
衡点,一般控制盐水排放温度在53℃,相对应的压力低于0.015MPa,方
可满足汽化温度。
4 定期酸洗除垢,提高蒸发器铜管换热,以提高造水比
即使低温多效海水淡化装置将盐水蒸发温度控制在70℃以下,基
于控制不当造成的超温以及海水喷淋不均局部浓缩等原因,蒸发器管
束结垢仍是不可避免的,结垢对造水比的影响是客观存在的,一般第一
效结垢倾向要远远大于后面的几效。根据垢样分析,主要成分以碳酸
盐垢为主,在清洗方案选择上要特别注意的蒸发器本体材质及铜管的
腐蚀影响。清洗标准一般认为在海水淡化造水比下降1左右时,应及
时对蒸发器管束检查结垢程度,确定清洗方案,进行必要的清洗以提高
造水比。
5 结语
综合以上因素,多种原因影响到低温多效海水淡化装置的经济运
行。通过提高进效海水温度,维持稳定的蒸汽品质,提高蒸发室的真空
度,在确定换热管结垢情况下,采取以上方案对于海水淡化的造水比提
高具有较好的利用价值,更有利于低温多效海水淡化装置在沿海地区
广泛的应用和发展。
参考文献
[1] 王世昌.海水淡化工程[M].化学工业出版社,2003,3.
[2] 严家騄,余晓福,王永青[M].水和水蒸气热力性质图表(第2
版)[M].高等教育出版社，2004,1.