大型低溫多效海水淡化裝備技術(shù)特點分析

黃維學(xué)，王志剛

1.一重集團(tuán)大連設(shè)計研究院有限公司高級工程師，遼寧 大連 116600

海水淡化是水資源的重要補(bǔ)充和戰(zhàn)略儲備，發(fā)展海水淡化事業(yè)勢在必行。在我國的海水淡化市場中，低溫多效蒸餾法所占的份額越來越大，并且向日產(chǎn)萬噸級以上的大型化發(fā)展。

1 工作原理及特點

（1）大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，蒸汽進(jìn)入第一效蒸發(fā)器，與進(jìn)料海水熱交換后冷凝成淡化水；海水蒸發(fā)的蒸汽進(jìn)入第二效蒸發(fā)器，并使幾乎同量的海水以比第一效更低的溫度蒸發(fā)，蒸汽自身又被冷凝。這一過程一直重復(fù)到最后一效，連續(xù)產(chǎn)出淡化水（見圖1）；

（2）低溫多效蒸餾技術(shù)的最大特點是鹽水的蒸發(fā)溫度不超過70℃，最高鹽水濃度控制在7%以下，為了避免海水中的氧氣對設(shè)備造成腐蝕，進(jìn)入低溫多效蒸餾裝置的海水首先需要在冷凝器中進(jìn)行脫氣處理，而且整個蒸發(fā)冷凝過程都必須在真空條件下進(jìn)行，這樣可減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，提高設(shè)備的使用性能、降低運行成本；

圖1 大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置

（3）低溫多效海水淡化裝置的造水比在一定范圍內(nèi)與蒸發(fā)器的效數(shù)成正比，如果蒸發(fā)器的效數(shù)較少，造水比就較低。但是蒸發(fā)器的效數(shù)又不能過多，否則難以形成溫度梯度，換熱過程無法進(jìn)行。

2 問題及對策

設(shè)計大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備首先要確定工藝流程，掌握初始條件，進(jìn)行工藝計算，然后就是考慮裝備結(jié)構(gòu)形式和制造材料的問題。本文僅對大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備的工藝流程選擇、設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、制造材料選擇這幾個問題進(jìn)行論述。

2.1 工藝流程選擇

（1）工藝流程特點

低溫多效蒸餾系統(tǒng)內(nèi)的流體只有鹽水和蒸汽兩種。由于蒸汽一定是從高壓效流向低壓效，故系統(tǒng)蒸汽流程和不凝氣流程都是相同的，而差異最大的就是鹽水的流程。其工藝流程主要有三種，分別是順流、逆流和平流。順流是指鹽水流動的路線與蒸汽流向相同，按從高壓效到低壓效的次序流動；逆流是指鹽水流動的路線和蒸汽的流向相反，按從低壓效到高壓效的次序流動；平流是指各效都單獨平行加入鹽水。順流的優(yōu)點是不需要輸送泵，但在后幾效隨著鹽水濃度的增高，沸點也隨之增高，不容易維持較大的溫度差，不利于傳熱；逆流一般用于濃縮比較高的生產(chǎn)過程，濃鹽水在低溫下黏度較大，相應(yīng)的傳熱系數(shù)較小。因此，為了均衡各效的傳熱系數(shù)可采用逆流的流程，但逆流工藝流程需要使用輸送泵，會增加運行及維護(hù)成本；平流的特點是在蒸發(fā)過程中有結(jié)晶易于析出[1]。

（2）大型蒸餾水系統(tǒng)工藝流程

大型低溫多效蒸餾系統(tǒng)中，當(dāng)濃縮比約等于2時，為保證系統(tǒng)傳熱管充分潤濕及各效液體負(fù)荷盡可能均衡，需要將幾效合為一個效組并按此方式設(shè)置多個效組，每個效組采用平流進(jìn)料；由于系統(tǒng)中冷凝器的真空度最高，海水成膜狀在傳熱管外預(yù)熱的同時，其中所溶解的不凝氣體（二氧化碳、氮氣、氧氣等）被最大程度地釋放，從而減小蒸發(fā)冷凝過程中因不凝氣存在對傳熱系數(shù)降低的影響。因此雖然效組間采用逆流進(jìn)料需要通過輸送泵維持流程的進(jìn)行，增加了運營成本，但是造水比也相對增大。故大型低溫多效蒸餾系統(tǒng)多采用逆流和平流相結(jié)合的混合工藝流程（見圖2）。

圖2 逆流和平流相結(jié)合的混合工藝流程

（3）熱壓縮裝置的作用

由于大型低溫多效蒸餾系統(tǒng)所使用的動力加熱蒸汽壓力和溫度均高于低溫多效海水淡化的合理范圍，故系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置熱壓縮裝置，利用加熱蒸汽抽吸中間效的部分二次蒸汽，待壓力降低后作為第一效蒸發(fā)器加熱蒸汽，能有效地避免首效蒸發(fā)器的結(jié)垢，并提高系統(tǒng)的造水比。

（4）不凝氣抽取

由于進(jìn)料海水中含有的不凝氣會影響蒸發(fā)器換熱效率，為此需要設(shè)置不凝氣抽氣系統(tǒng)。不凝氣抽取系統(tǒng)可采用與動力蒸汽壓力相同的蒸汽。常見的不凝氣抽取有兩種方式：一是在不凝氣富集到冷凝器時通過抽氣泵抽取后排放到大氣；二是將各效蒸發(fā)器的不凝氣通過一些專門的管道抽取后排放到大氣中。第一種方式的能量利用率更高一些，但是，隨著不凝氣在末幾效的富集，換熱系數(shù)有所下降；第二種方式的能量利用效率雖然較低，但不會導(dǎo)致不凝氣富集現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

低溫多效系統(tǒng)分4個主要組成部分：蒸發(fā)器、冷凝器、真空噴射系統(tǒng)、管道系統(tǒng)。由于蒸發(fā)器為多效組件，故制造成本最高，而影響系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵因素是真空噴射系統(tǒng)。因此，這兩部分是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標(biāo)不能僅限于提升系統(tǒng)的性能，如減少換熱面積，增加造水比，減少噸水電耗等，而且還應(yīng)包括減少建設(shè)投資和運行成本。

（1）蒸發(fā)器

由蒸發(fā)器和冷凝器構(gòu)成的封閉容器主要由以下部分組成：殼體、外部加強(qiáng)圈、內(nèi)部支撐架、鞍座、換熱管束、海水噴淋系統(tǒng)、汽水分離器、水室及密封裝置、淡水連接管、鹽水連接管、不凝氣抽出口、檢修人孔等。

由于蒸發(fā)器是有相變的真空換熱設(shè)備，所以對蒸發(fā)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時要首先考慮設(shè)備傳熱性能的好壞，這又涉及到物料水的分配系統(tǒng)、管束布置和不凝氣的抽取等相關(guān)問題。與此同時還要兼顧加工工藝的可行性和制造成本。由于蒸發(fā)器必須保證密封，防止蒸汽泄露，各效之間的連接既可以采用法蘭加橡膠密封，也可以焊接成整體。對換熱管束合理劃分流程，既可提高管內(nèi)蒸汽的流速，也有利于排出管內(nèi)冷凝液體，改善管內(nèi)換熱性能。目前，大型低溫多效蒸餾裝置蒸發(fā)器一般采用圓柱體結(jié)構(gòu)，換熱管按蒸發(fā)器軸向布置，并可以設(shè)置多管程；也有采用長方體結(jié)構(gòu)，換熱管按蒸發(fā)器徑向布置，這種結(jié)構(gòu)適用于軸向長度受限制的場所。蒸發(fā)器筒體直徑要根據(jù)工程的場地情況和傳熱面積計算結(jié)果合理確定。冷凝器的結(jié)構(gòu)形式與蒸發(fā)器相同。此外，合理選擇不凝氣的抽取量是保證熱能利用效率的必要條件，而擴(kuò)大管內(nèi)蒸汽冷凝段的面積能提高蒸發(fā)器的效率；通過對管束和殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可減少因蒸汽壓力損失所引起的溫差損失，減小換熱面積。

在多效蒸發(fā)過程中，由于效間壓力的降低，使上一效進(jìn)入下一效的濃海水和淡水利用自身的顯熱進(jìn)行閃蒸，雖然閃蒸的氣量占各效的總蒸發(fā)量很少，但不能忽略此過程對傳熱面積的影響。

（2）噴射系統(tǒng)

蒸汽噴射系統(tǒng)的抽氣效位置和引射能力是影響整個低溫多效系統(tǒng)使用性能的關(guān)鍵因素。盡管蒸汽噴射系統(tǒng)的工程造價在整個系統(tǒng)中所占的比例不高，但是蒸汽噴射系統(tǒng)的研究一直是各個海水淡化制造商的重要課題。截至目前，國內(nèi)該類大型海水淡化工程的真空噴射系統(tǒng)均采用進(jìn)口真空泵（見圖3）。因此，真空噴射系統(tǒng)國產(chǎn)化的瓶頸是在設(shè)計研發(fā)而非加工制造環(huán)節(jié)。而且真空噴射系統(tǒng)國產(chǎn)化需要由專業(yè)生產(chǎn)廠家組建一支專門研發(fā)真空噴射系統(tǒng)的團(tuán)隊，為海水淡化裝備制造商提供解決方案。

（3）管道系統(tǒng)

圖3 大型真空蒸汽噴射泵示意圖

管道系統(tǒng)的優(yōu)化要和工藝流程優(yōu)化結(jié)合起來，因為工藝流程直接決定管道系統(tǒng)的布置，閥門設(shè)置、管道的布置和水泵的選型等主要工作。包括抽真空、抽不凝氣、蒸汽噴射等整個蒸汽系統(tǒng)的管道必須整體考慮，合理布置共用管道；工藝流程決定水泵的流量，而管道布置會影響水泵的出口壓力，從而影響水泵的能耗，即影響噸水電耗。由于噸水電耗是考核低溫多效系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一，因此管道系統(tǒng)的設(shè)計首先要確保低溫多效系統(tǒng)的噸水電耗在合理范圍內(nèi)，其次還應(yīng)盡可能減少占地面積及建設(shè)投資。

2.3 材料選擇

大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備可以用不同的材料制造。因此也就存在材料選擇的問題。在同等條件下，用戶自然會傾向于既經(jīng)久耐用又價格低廉的材料。如果材料可以相互替代，那么材料的防腐問題是很重要的考核指標(biāo)。大型低溫多效系統(tǒng)中常見的腐蝕包括氯離子腐蝕、重金屬腐蝕和電化學(xué)腐蝕等。具體地說，與高速流動的海水相接觸的設(shè)備表面多采用鈦合金材料，例如冷凝器管束和蒸發(fā)器的上部管束，而換熱管以鋁黃銅居多，也有將鋁管作為換熱管，但需采用相應(yīng)的配套工藝來防止鋁管腐蝕。蒸發(fā)器和冷凝器的殼體、外部的加強(qiáng)圈和內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)件均采用金屬材料。由于殼體內(nèi)部直接與海水及蒸汽接觸，為防止金屬材料被腐蝕，使用不銹鋼是一種很好的選擇；還有就是使用碳鋼加防腐涂層技術(shù)，盡管碳鋼價格較便宜，但要注意做好防腐涂層以保證使用壽命和安全衛(wèi)生。蒸發(fā)器和冷凝器殼體的主要作用是保持真空，避免氣體泄露，而殼體的剛度基本依靠外部的加強(qiáng)圈和內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)件。就管路而言蒸汽管道使用碳鋼管，低壓水管可以使用玻璃鋼管，而殼體內(nèi)的噴淋管使用聚丙烯管為好，對于密封用橡膠及塑料應(yīng)要求既經(jīng)久耐用又安全衛(wèi)生。

3 結(jié)語

綜上所述，在大型低溫多效海水淡化設(shè)計時要選擇合適的工藝流程、要優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、要注意設(shè)備制造材料的選擇，這樣才能生產(chǎn)出性能好、造價低、具有市場競爭力的海水淡化設(shè)備。