鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)中的應(yīng)用

趙斌　紀(jì)騰飛

摘 要：介紹了低溫多效海水淡化的基本原理，結(jié)合低溫多效海水淡化工業(yè)傳統(tǒng)材料不銹鋼、銅合金、鋁合金材料存在的問題，提出鈦材能有效彌補(bǔ)以上材料的不足，并根據(jù)國內(nèi)外在低溫多效海水淡化工業(yè)中鈦材的使用情況，對未來我國鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：鈦材；海水淡化；問題；應(yīng)用

中圖分類號： TG 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-237-2

0 引言

海水淡化技術(shù)是開發(fā)利用和保護(hù)水資源的重要手段和有效方法，海水淡化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對緩解全球淡水資源短缺、供需矛盾日趨突出和環(huán)境污染日益嚴(yán)重等一系列重大問題具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

海水淡化方法按分離過程可分為蒸餾法、冷凍法、反滲透法、太陽能法、電解析法、結(jié)晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。雖然海水淡化方法多種多樣，但目前世界上使用較多且規(guī)?；瘧?yīng)用的海水淡化只有多級閃蒸（MSF）、低溫多效（MED）、反滲透法（RO）等方法。目前來看全世界范圍內(nèi)再裝機(jī)組還是以低溫多效（MED）為主，占到整個海水淡化機(jī)組的一半以上。

1 低溫多效海水淡化的基本原理及現(xiàn)有材料的問題

1.1 低溫多效海水淡化的基本原理

所謂低溫多效海水淡化技術(shù)是指蒸發(fā)器內(nèi)處于中度真空環(huán)境下，使得鹽水的沸點(diǎn)降低至70℃的海水淡化技術(shù)，其主要機(jī)構(gòu)形式為把一系列水平管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來形成許多能效組，利用廢熱蒸汽輸入各個能效組對海水進(jìn)行不斷地蒸發(fā)，對海水產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行冷凝，從而得到蒸餾水，并且使未凝結(jié)蒸汽進(jìn)入下一級蒸發(fā)器作為熱源蒸汽循環(huán)使用的海水淡化技術(shù)。低溫多效海水淡化的工藝流程如圖1所示。

低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)，利用熱電廠、化工廠、鋼鐵、低溫核反應(yīng)堆提供的廢熱蒸汽，即可緩解沿海地區(qū)企業(yè)的缺水問題，又能實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，讓淡水成本顯著降低。所以在一定程度上推進(jìn)了低溫多效海水淡化的發(fā)展。利用廢熱蒸汽對海水進(jìn)行蒸發(fā)形成二次蒸汽，二次蒸汽經(jīng)過冷凝凝結(jié)成淡水，通過調(diào)整二次蒸汽的產(chǎn)量和冷凝速率達(dá)到比較理想的產(chǎn)水比，特別適合于利用低位余熱的大中型海水淡化使用。低溫多效海水淡化技術(shù)生產(chǎn)的淡水鹽度<5mg/L，完全可以滿足工業(yè)鍋爐用水、生產(chǎn)過程工藝用水、大規(guī)模的市政飲用水用水的要求。

1.2 低溫多效海水淡化工業(yè)中現(xiàn)有材料存在的問題

海水具有腐蝕性電解質(zhì)溶液特性，當(dāng)?shù)O(shè)備使用普通碳鋼材料時，海水作為介質(zhì)會對材料產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，顯著降低設(shè)備的使用壽命。

不銹鋼材料在海洋大氣中耐蝕性較好，但是處于全浸區(qū)時腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，而且不銹鋼材料與異種金屬接觸會導(dǎo)致電偶腐蝕，不銹鋼材料管道內(nèi)海水流速需適宜，過小會引起雜物沉積腐蝕，過大會沖擊鈍化膜，局部膜破壞后引起點(diǎn)蝕等腐蝕。

銅合金材料一般作為清潔海水中冷卻器管子的材料，主要有海軍銅、鋁黃銅等，銅合金材料與海水接觸時表面生成一層氧化亞銅保護(hù)膜，可提高銅管的耐蝕性，但是銅管在使用過程中會產(chǎn)生沖蝕與沉積腐蝕現(xiàn)象。

鋁合金材料在海水中幾乎不具備抗污損能力，污損海生物對鋁合金有明顯腐蝕傾向。鋁合金材料在海水淡化工業(yè)中使用時常常會在間隙或邊緣出現(xiàn)表面腐蝕較深的點(diǎn)蝕，這是海水中污損生物引起的鋁合金材料縫隙腐蝕問題。

2 鈦材在低溫多效海水淡化中的優(yōu)勢

鈦材的密度為4.51g/cm3，高于鋁合金但低于不銹鋼與銅合金，但鈦材比強(qiáng)度位于金屬之首，是不銹鋼的3倍，是鋁合金的1.3倍。鈦的表面暴露在大氣或者水溶液中，立即會形成氧化膜，例如在室溫大氣中氧化膜厚度約為1.2～1.6nm，并隨時間的延長而增厚，70天增厚到5nm，545天以后氧化膜厚度逐漸增加到8～9nm。所以在制造裝配過程中對鈦材表面氧化膜損傷，鈦材表面會很快與氧氣化合形成新的氧化膜。鈦對氯離子也具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，在海水中，銅的腐蝕率為0.05mm/年，鋁的腐蝕率為0.01mm/年，而鈦的腐蝕率僅為0.003mm/年。

對于海水淡化蒸發(fā)器而言，蒸發(fā)管作為設(shè)備的核心部件。蒸發(fā)管的使用壽命直接決定了蒸發(fā)器的維修頻率和維修及維護(hù)成本，所以對于碳鋼、不銹鋼、銅合金以及鋁合金蒸發(fā)管來說，鈦蒸發(fā)管的使用年限明顯更長。海水中含有大量泥沙、微生物，海水進(jìn)入蒸發(fā)后泥沙及微生物后附著于蒸發(fā)管內(nèi)部，使得該部位合金管出現(xiàn)間隙腐蝕、堵塞等問題，嚴(yán)重時會使蒸發(fā)管失效。然而鈦材蒸發(fā)管就不會出現(xiàn)此類問題，為了保證水質(zhì)有時不得不注入氧來殺死海水中的微生物時，更需使用耐蝕性能優(yōu)異的鈦材蒸發(fā)管；鈦材的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比碳鋼、銅合金、鋁合金低，但由于鈦材具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，所以鈦材蒸發(fā)管壁厚可以大大減薄，同樣作業(yè)條件下，鈦管壁厚僅為銅管的一半；海水流速為3～5m/s時，鈦制海水淡化設(shè)備的生物污堵現(xiàn)象最為輕微，鈦換熱器的污堵系數(shù)約為0.99～0.95，而且鈦表面不易結(jié)垢，可減少熱阻，使鈦的換熱性能顯著提高。

鈦材低溫多效海水淡化設(shè)備的總造價約為不銹鋼低溫多效海水淡化設(shè)備的2.5倍，但鈦材在海水環(huán)境中的使用壽命約為不銹鋼的2倍，因此使用鈦材可有效降低管道和設(shè)備的維修成本，同時延長了設(shè)備和管道的使用時間，經(jīng)過對使用周期內(nèi)的運(yùn)行成本核算實(shí)際上是降低了成本。由于鈦材設(shè)備及管道在低溫多效海水淡化系統(tǒng)中不存在腐蝕問題，避免了設(shè)備及管道的腐蝕從而對產(chǎn)水系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕。所以鈦材是低溫多效海水淡化工業(yè)中的一種理想材料。

3 國內(nèi)外使用情況

日本對于低溫多效海水的應(yīng)用研究起步最早最成熟的國家，同時也是世界上最早在低溫多效海水淡化工業(yè)中采用鈦材。從十九世紀(jì)七十年代開始日本工業(yè)技術(shù)研究院就開始在低溫多效海水淡化蒸發(fā)器中使用直徑Φ19，壁厚分別為0.3mm和0.4mm鈦管作為蒸發(fā)管及冷凝管進(jìn)行試驗(yàn)。通過報道顯示目前日本已經(jīng)在低溫多效海水淡化設(shè)備中成熟使用了0.5～0.7mm壁厚的鈦管。根據(jù)相關(guān)資料顯示日本在已建成的低溫多效海水淡化裝置中的鈦材使用總量達(dá)到了8000噸，采用Φ18×0.5和Φ19.05×0.5的鈦管作為蒸發(fā)管使用，而冷凝管采用Φ22×0.6和Φ25.4×0.7的鈦管。由于鈦材有著優(yōu)良的耐蝕性所以在海水含鹽量高、水溫高、水污染比較嚴(yán)重的地方，鈦材的用量將大大提高。目前日本在低溫多效海水淡化設(shè)備中每萬噸產(chǎn)水裝置約使用5—10噸鈦材。

相對于日本來說國內(nèi)關(guān)于鈦材在低溫多效海水淡化的應(yīng)用研究起步較晚，從目前公開資料顯示國內(nèi)在西沙群島建成一臺日產(chǎn)水200噸的低溫多效海水淡化裝置已使用鈦材，另外在部分海水淡化裝置熱放部位也使用鈦焊管使用情況良好，為未來鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)的應(yīng)用提供了有力依據(jù)。

4 結(jié)語

隨著中國沿海地區(qū)淡水需求的日益增加，低溫多效海水淡化工業(yè)作為海水淡化工業(yè)的龍頭必將成為我國的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)。由于近年來鈦材價格大幅下滑，使得鈦材材料費(fèi)在整個低溫多效海水淡化裝置所占比重也大幅下滑，因此鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)中的應(yīng)用將有很廣闊的市場前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張文毓.鈦及鈦合金在海水淡化中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009（3），30-33.

[2] 尹建華，馮厚軍，阮國玲.低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)[J].海洋技術(shù)，2002，21（4）：22-26.

[3] 鄒武裝.鈦手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4] 王日義.海水冷卻系統(tǒng)的腐蝕極其控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.