低溫多效海水淡化阻垢劑動(dòng)態(tài)模擬裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

張 杰，張懷軍

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

水是人類生存及工業(yè)發(fā)展所必需的寶貴資源。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，地區(qū)淡水資源不足問(wèn)題越發(fā)突出，甚至成了制約當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展的瓶頸。濱海地區(qū)建設(shè)海水淡化設(shè)施是解決淡水資源不足的主要途徑，膜法（反滲透、電滲析）與蒸餾法是目前已商業(yè)化的主流工藝。相對(duì)于反滲透技術(shù)，低溫多效蒸餾技術(shù)（蒸餾法）因其直接利用發(fā)電機(jī)組中低壓抽汽、熱利用效率高、預(yù)處理水質(zhì)要求和運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)而在濱海電廠海水淡化具有更好的應(yīng)用前景［1］。海水淡化過(guò)程中，換熱器表面結(jié)垢問(wèn)題是影響海水淡化效率的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中在原海水中添加阻垢劑是控制系統(tǒng)結(jié)垢的主要手段，阻垢劑性能的好壞直接影響設(shè)備的運(yùn)行周期及效率、酸洗頻率，進(jìn)而影響系統(tǒng)的運(yùn)行成本及設(shè)備壽命。

海水淡化運(yùn)行過(guò)程中，海水被蒸發(fā)濃縮，具有在換熱管表面結(jié)垢的傾向，所以原料海水中要加入阻垢劑，抑制運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)垢，阻垢劑本身的性能及加藥濃度、運(yùn)行溫度、濃縮倍數(shù)等運(yùn)行參數(shù)都是影響蒸發(fā)器內(nèi)換熱表面結(jié)垢速率的重要因素。

國(guó)內(nèi)使用的阻垢劑一般為進(jìn)口產(chǎn)品，成本相對(duì)較高。如果考慮節(jié)省運(yùn)行成本，使用新的阻垢劑方案，安全的做法是在小型裝置上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，充分驗(yàn)證該阻垢劑在該工藝條件下的適用性、穩(wěn)定性、阻垢效率，并通過(guò)模擬試驗(yàn)確定最佳加藥量、極限濃縮倍率等控制參數(shù)。實(shí)際的結(jié)垢速率會(huì)受到水質(zhì)、溫度、換熱管表面特性、噴淋流量、阻垢劑性能、濃度等一系列因素的影響，要使試驗(yàn)結(jié)論對(duì)工業(yè)海水淡化設(shè)備的運(yùn)行具有指導(dǎo)價(jià)值，動(dòng)態(tài)模擬裝置必須盡可能真實(shí)反映工業(yè)海水淡化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況。已有的阻垢劑動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法準(zhǔn)確模擬低溫多效海水淡化工藝的真實(shí)狀態(tài)［2］。

1 低溫多效海水淡化工藝流程

進(jìn)行低溫多效海水淡化專用阻垢劑性能的試驗(yàn)，必須了解該工藝海水淡化的工藝特點(diǎn)，以北疆電廠海水淡化為例對(duì)低溫多效海水淡化的工藝流程進(jìn)行介紹。

北疆電廠海水淡化采用基于蒸汽壓縮循環(huán)的多效蒸餾工藝（MED），裝置本體由14效蒸發(fā)器和1臺(tái)降膜式冷凝器（FFC）、1臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)冷凝器（FCC）組成。工藝流程如圖1所示，單效蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示［3］。

圖1 海水淡化工藝流程

圖2 單效蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)5級(jí)或6級(jí)抽蒸汽作為海水淡化的動(dòng)力蒸汽，經(jīng)TVC（熱壓縮機(jī)）進(jìn)入第1效蒸發(fā)器，釋放潛熱，凝結(jié)水回收到電廠補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，第1效內(nèi)噴淋的海水被加熱蒸發(fā)產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)除霧器后進(jìn)入第2效，第2效內(nèi)續(xù)釋放潛熱加熱海水，蒸發(fā)產(chǎn)生的再生蒸汽進(jìn)入第3效蒸發(fā)器，同時(shí)蒸汽冷凝水作為產(chǎn)品水被收集進(jìn)入淡水閃蒸箱，冷凝蒸發(fā)過(guò)程逐級(jí)重復(fù)直至最后一級(jí)。最后一級(jí)蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽，一路進(jìn)入降膜式冷凝器，未冷凝的多余蒸汽進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)冷凝器，冷凝水作為產(chǎn)品水被收集到產(chǎn)品水緩沖罐，同時(shí)入料海水在降膜式冷凝器被脫氣并加熱［3］。

海水預(yù)處理系統(tǒng)合格來(lái)水，經(jīng)離子阱和過(guò)濾器后，首先進(jìn)入降膜冷凝器（FFC）進(jìn)行預(yù)熱并脫氣，然后進(jìn)入10～14效蒸發(fā)器，蒸發(fā)濃縮后的海水經(jīng)中間入料泵A泵入6～9效蒸發(fā)器，進(jìn)一步蒸發(fā)濃縮后的海水經(jīng)中間入料泵B泵入3～5效蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮后經(jīng)中間入料泵C泵入1～2效蒸發(fā)器。

低溫多效海水淡化是在較低溫度下產(chǎn)生飽和蒸汽，所以整個(gè)系統(tǒng)必須在負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行。為保證系統(tǒng)足夠的負(fù)壓，配備了不凝氣體（NCG）抽氣三級(jí)噴射器以及啟動(dòng)抽氣噴射器。

為防止海水蒸發(fā)濃縮后在管束表面結(jié)垢以及產(chǎn)生泡沫影響換熱效率，系統(tǒng)設(shè)有阻垢劑加藥及消泡劑加藥。

系統(tǒng)額定運(yùn)行參數(shù)如下。

各效濃海水溫度第1～14效依次為70.4℃、68.6℃、66.6℃、64.8℃、62.6℃、60.6℃、58.3℃、55.9℃、53.4 ℃、52.0 ℃、50.5 ℃、49.0 ℃、47.5 ℃、45.9℃；進(jìn)第1效蒸汽溫度為71.9℃；凝結(jié)水溫度為71.4℃；降膜冷凝器出水溫度為42℃；NCG出水溫度為49℃。

噴射器TVC前蒸汽壓力可變噴嘴500 kPa，固定噴嘴230 kPa；NCG蒸汽壓力600 kPa；第1效壓力33.7 kPa；降膜冷凝器壓力殼側(cè)8.13 kPa，管側(cè)9.12 kPa。

進(jìn)水質(zhì)量流量 1～2 效為 600 t/h，3～5 效為485 t/h，6～9 效為 445 t/h，10～14 效為 400 t/h；蒸汽流量為 70 t/h；凝結(jié)水流量為 107 t/h；淡水流量為1 002 t/h；原料海水流量為 2 004 t/h；濃鹽水流量為960 t/h。

阻垢劑加入量為14.1 L/h。

從整個(gè)系統(tǒng)工藝流程看，處于第1效蒸發(fā)器內(nèi)的溫度最高，海水的含鹽量最大，是系統(tǒng)內(nèi)結(jié)垢最易發(fā)生的位置。所以合格的阻垢劑必須保證在第1效蒸發(fā)器最惡劣條件下達(dá)到足夠的阻垢效率。

2 動(dòng)態(tài)模擬裝置設(shè)計(jì)

基于低溫多效工藝運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小型的低溫多效海水淡化阻垢性能試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模擬裝置，可用于低溫多效海水淡化系統(tǒng)阻垢劑性能試驗(yàn)，對(duì)新型專用阻垢劑篩選、研制、性能驗(yàn)證，以及阻垢劑濃度、極限濃縮倍率等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的確定提供有效支持，為海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)控制提供指導(dǎo)，防止低溫多效海水淡化系統(tǒng)換熱面快速結(jié)垢。

所設(shè)計(jì)的小型動(dòng)態(tài)模擬裝置，可以安裝在上下水齊全的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，整套裝置包括海水循環(huán)模塊、蒸汽冷凝模塊、熱循環(huán)模塊和抽真空模塊4個(gè)組成部分。循環(huán)蒸發(fā)模塊由補(bǔ)水箱?、蒸發(fā)器①、海水循環(huán)泵⑤、布水管④及相關(guān) 管道、閥門、流量計(jì)組成，旨在建立穩(wěn)定工況下的海水循環(huán)；蒸汽冷凝模塊由冷凝容器②、冷凝螺旋管⑨、淡水輸出泵?及相應(yīng)管道閥門組成，通過(guò)連接自來(lái)水為冷卻介質(zhì)，將裝置運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽凝結(jié)成產(chǎn)品淡水；熱循環(huán)模塊由熱水箱?、熱水循環(huán)泵?、自動(dòng)溫控電加熱器?、換熱管③及相應(yīng)管道、閥門組成，用于提供海水連續(xù)循環(huán)蒸發(fā)需要的熱量；抽真空模塊由循環(huán)水箱?、真空循環(huán)泵?、射流噴射器?及相應(yīng)管道閥門組成，通過(guò)循環(huán)泵的連續(xù)運(yùn)行及射流噴射器的抽吸作用抽出不凝氣體，用于建立和維持冷凝器、蒸發(fā)器內(nèi)的真空。動(dòng)態(tài)模擬裝置如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)模擬裝置

裝置主要部件的制作要求：1）蒸發(fā)器內(nèi)的換熱管應(yīng)方便安裝及拆卸，因?yàn)獒槍?duì)不同試驗(yàn)對(duì)象，換熱管需要更換，試驗(yàn)完成后也需要拆下?lián)Q熱管對(duì)垢量及表面狀態(tài)進(jìn)行檢查［4］；2）為便于模擬實(shí)驗(yàn)中對(duì)內(nèi)部狀況的隨時(shí)觀察，蒸發(fā)器和凝汽器最好采用透明材質(zhì)，并能適應(yīng)80℃的溫度，強(qiáng)度上可以耐受完全真空造成的壓力；3）所有需要接觸海水的管道、閥門、泵體（循環(huán)蒸發(fā)器模塊）、流量計(jì)的材質(zhì)應(yīng)能耐海水腐蝕。

3 動(dòng)態(tài)模擬裝置的試驗(yàn)方法及步驟

由于低溫多效海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，第1效蒸發(fā)器內(nèi)的溫度最高，海水的含鹽量最大，是系統(tǒng)內(nèi)最易發(fā)生結(jié)垢的位置。所以試驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)模擬第1效的工況，從而驗(yàn)證阻垢劑方案是否能在最惡劣條件下達(dá)到足夠的阻垢效率。

試驗(yàn)步驟如下。

第1步，試驗(yàn)準(zhǔn)備。取一段換熱管作為試驗(yàn)管件，安裝到蒸發(fā)器內(nèi)；取試驗(yàn)對(duì)象的海水（預(yù)處理后的）作為試驗(yàn)用水備用；抽真空水箱?及熱水循環(huán)水箱?內(nèi)加自來(lái)水或除鹽水到泵運(yùn)行所需的最低水位以上。試驗(yàn)海水加入原水貯水箱?內(nèi)，至高位，阻垢劑按預(yù)定的濃度加入原水貯水箱，攪拌均勻；如蒸發(fā)器內(nèi)有存水，放空。

第2步，建立海水循環(huán)。將原水貯水箱海水加入蒸發(fā)器①，液位不超過(guò)換熱管③下沿。啟動(dòng)海水循環(huán)泵⑤，建立蒸發(fā)器—海水循環(huán)泵—蒸發(fā)器的海水循環(huán)，檢查布水管噴水是否均勻，記錄初始狀態(tài)下蒸發(fā)器內(nèi)液位讀數(shù)。

第3步，建立真空。啟動(dòng)抽真空循環(huán)泵?，建立水循環(huán)，開啟抽真空閥27○，對(duì)冷凝器及蒸發(fā)器抽真空，到壓力表⑧顯示8 kPa以下，繼續(xù)保持抽真空，啟動(dòng)下一步。

第4步，系統(tǒng)升溫。啟動(dòng)熱水循環(huán)泵?，建立循環(huán)：熱水箱—熱水循環(huán)泵—蒸發(fā)器換熱管—熱水箱。建立正常循環(huán)后，設(shè)定溫度在試驗(yàn)溫度±1℃，投用電加熱器，投入自來(lái)水冷卻［4］。

第5步，穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。1）循環(huán)海水通過(guò)換熱管表面吸收熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱量，海水溫度不斷升高，當(dāng)海水溫度達(dá)蒸發(fā)器內(nèi)壓力下的飽和溫度，噴淋的海水在換熱管表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻成淡水，當(dāng)冷凝器內(nèi)淡水水位上升到高水位后（冷凝管下沿），啟動(dòng)淡水輸送泵將淡水排出，調(diào)節(jié)淡水輸送泵出口閥開度，保持冷凝器內(nèi)液位相對(duì)穩(wěn)定［4］。2）當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液位降低到擬定的濃縮倍率（濃縮倍率=初始狀態(tài)下蒸發(fā)器內(nèi)水容積/濃縮后水容積），先緩慢開啟海水補(bǔ)水閥?，維持蒸發(fā)器內(nèi)液位穩(wěn)定，此時(shí)補(bǔ)水流量等于蒸發(fā)量，記錄海水補(bǔ)水流量計(jì)?流量為作為穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)量F1，如果擬定的試驗(yàn)濃縮倍率為n，開啟濃海水排污閥?，調(diào)節(jié)開度，使得濃水排放流量為F1/（n-1），調(diào)節(jié)海水補(bǔ)水閥開度，使得補(bǔ)水流量為nF1/（n-1），這樣就建立了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，蒸發(fā)器內(nèi)水位是穩(wěn)定的，循環(huán)的海水離子濃度及阻垢劑濃度是基本穩(wěn)定的。

第6步，試驗(yàn)結(jié)束停運(yùn)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到預(yù)定的期限，或換熱管表面發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢或蒸發(fā)量明顯減少，需要結(jié)束試驗(yàn)時(shí)，執(zhí)行以下步驟：停加熱器→停熱水循環(huán)泵→關(guān)閉抽真空閥→停抽真空循環(huán)泵→關(guān)閉冷凝器冷卻水進(jìn)水閥→停淡水輸送泵→關(guān)閉原水貯水箱出液閥→關(guān)閉濃海水排污閥→停海水循環(huán)泵→開蒸發(fā)器上的真空破壞閥破壞真空。取出試驗(yàn)用換熱管，觀察表面狀況并進(jìn)行垢量分析，用于阻垢性能的評(píng)價(jià)［4］。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫多效海水淡化工藝運(yùn)行過(guò)程中，為了控制換熱面結(jié)垢，必須投加阻垢劑，由于目前主要采用進(jìn)口阻垢劑，成本高，是運(yùn)行成本的主要組成之一。探索更為經(jīng)濟(jì)高效的阻垢劑替代品，將大大節(jié)省運(yùn)行成本。但阻垢劑的替代必須建立在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，其可行性、有效性、安全性只有通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，參數(shù)控制（配比、加藥量、pH值等）也需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。模擬試驗(yàn)最根本的要求是要盡可能模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，這也是模擬裝置和試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)原則。本設(shè)計(jì)的模擬裝置，溫度、壓力、噴淋密度、濃縮倍率、阻垢劑濃度等參數(shù)均可調(diào)整設(shè)定，可以模擬低溫多效海水淡化多種工況，為低溫多效海水淡化阻垢劑的試驗(yàn)研究，探索經(jīng)濟(jì)合理的水質(zhì)控制方案提供有力支持。