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。
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。
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。
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。
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5 0 0 M W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。
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。
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。
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。
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
[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.
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