熱法海水淡化裝置阻垢集成技術(shù)研究及應(yīng)用

唐智新，汪國川，吳 剛，王偉業(yè)，楊榮力，曹云明

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063200；2.首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北唐山 064404）

前言

水資源短缺已經(jīng)嚴重制約著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，海水淡化技術(shù)日益成熟，已成為解決水資源短缺的有效技術(shù)。目前大規(guī)模工程化應(yīng)用的海水淡化技術(shù)主要包括膜法中反滲透以及熱法中的多級閃蒸、多效蒸餾[1]。由于海水中有大量的易結(jié)垢離子，熱法海水淡化裝置在蒸發(fā)濃縮過程中，易結(jié)晶析出沉淀在換熱管表面形成硬垢。結(jié)垢會導(dǎo)致?lián)Q熱管的熱傳導(dǎo)系數(shù)降低，使制水能耗大幅度升高，更嚴重的是易形成垢下腐蝕，造成換熱管穿孔泄漏，影響淡化水品質(zhì)，并增加運行維護費用[2]。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，需要采取多種阻垢和清洗技術(shù)。酸化和藥劑阻垢是最早也是最常用的阻垢技術(shù)，機械清洗和酸洗則是最常用的清洗方法[3]。但這些阻垢及清洗技術(shù)主要是針對碳酸鈣垢，對硫酸鈣垢的阻垢及清洗效果較差。針對首鋼京唐公司低溫多效蒸餾海水淡化裝置結(jié)垢情況，從加藥系統(tǒng)優(yōu)化、新技術(shù)運用、清洗技術(shù)研發(fā)等方面進行了研究及應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀

首鋼京唐公司一期海水淡化項目建設(shè)4 套12 500 t/d 的低溫多效蒸餾海水淡化裝置，自2009年投產(chǎn)以來，隨著運行時間的增加以及海洋環(huán)境的變化，海水淡化裝置結(jié)垢現(xiàn)象日趨嚴重。垢的種類由原來的碳酸鈣為主逐漸變成以硫酸鈣為主，同時含有硅酸鹽等，且碳酸鈣與硫酸鈣交錯分層；垢層由原來的均勻較薄的一層逐漸變成塞滿部分換熱管縫隙。碳酸鈣垢通過常規(guī)酸洗方式很容易去除，但常規(guī)酸洗等清洗方式很難去除硫酸鈣垢，硫酸鈣結(jié)垢嚴重時只能通過更換換熱管的方式來解決，不但檢修時間較長，影響海水淡化產(chǎn)量，而且換熱管價格較貴，檢修費用較高。更重要的是京唐公司采用耦合式鹽平衡的方式實現(xiàn)工業(yè)廢水零排放，一旦海水淡化除鹽水減少，將造成工業(yè)廢水無法回收利用，進而嚴重危及首鋼京唐公司鋼鐵廠水系統(tǒng)的平衡。因此必須研究新的熱法海水淡化裝置阻垢及清洗技術(shù)，以減緩換熱管結(jié)垢的現(xiàn)象。

2 加藥系統(tǒng)優(yōu)化

熱法海水淡化裝置阻垢劑的投加方式基本為補給水母管加藥，藥劑隨補給水均勻進入每一效，各效藥劑濃度均勻一致，由于各效的溫度各不相同，各效的結(jié)垢趨勢也各不相同。若按照最不利的效控制加藥量，則其余各效藥效加藥量都相應(yīng)增加，浪費了藥劑；若按照其它效控制加藥量，可能導(dǎo)致部分效藥劑量不足而結(jié)垢，而部分效藥劑量較多而浪費。如首鋼京唐公司熱法海水淡化裝置投加4 mg/L的阻垢劑，隨著運行時間的增加，第1～7效出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢的現(xiàn)象，其中第1 效結(jié)垢情況最為嚴重，第2～3效結(jié)垢較輕，第4～7效基本無結(jié)垢。

針對首鋼京唐公司海水淡化裝置結(jié)垢的實際情況，對其加藥系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造，在補給水母管投加阻垢劑的基礎(chǔ)上，設(shè)置了第1 效的單獨加藥裝置。通過閥門控制，既可實現(xiàn)單獨為第1 效額外投加藥劑，控制第1效結(jié)垢傾向，又可實現(xiàn)兩套加藥裝置互為備用，減少因加藥裝置的清洗及故障而導(dǎo)致海水淡化裝置停機的時間。加藥系統(tǒng)見圖1。

優(yōu)化改造后，可以根據(jù)熱法海水淡化裝置各效的結(jié)垢情況，實現(xiàn)在各效內(nèi)投加不同藥劑量及不同種類藥劑，可以有效延緩熱法海水淡化裝置的結(jié)垢趨勢，單套海水淡化裝置產(chǎn)水量年可以提高1%左右，并減少了海水淡化阻垢劑的使用量，具有較好的經(jīng)濟效益。

3 新阻垢技術(shù)應(yīng)用

隨著熱法海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，新的阻垢技術(shù)不斷出現(xiàn)，各種物理阻垢技術(shù)應(yīng)運而生。物理法可使成垢物質(zhì)失去附壁結(jié)垢的能力或不能在加熱管壁上結(jié)晶生長，物理阻垢法對環(huán)境無危害，并以其節(jié)能和環(huán)保的的特點而成為研究熱點。目前對物理方法阻垢的研究主要集中在聲場、磁場、電場等各種物理場方面。

量子管通環(huán)阻垢技術(shù)是基于量子物理和激光振動技術(shù)而開發(fā)的針對水系統(tǒng)一種新的物理阻垢技術(shù)。該技術(shù)的核心是針對水中的鈣、鎂、鐵等各種物質(zhì)開發(fā)出改變其物理特征的超精微振動波，以水作為傳輸和儲存這種振動波的介質(zhì)，使管網(wǎng)中每個角落的水都能載上振動波信息，在整個管網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮阻垢、除垢、除銹、殺菌、滅藻等作用。與傳統(tǒng)阻垢技術(shù)相比，具有功能全面、高效穩(wěn)定、綠色環(huán)保、安裝簡單、綜合費用低等優(yōu)點。

目前，量子管通環(huán)阻垢技術(shù)主要應(yīng)用于鍋爐水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)，還未有在熱法海水淡化裝置上使用的先例。針對首鋼京唐公司海水淡化裝置結(jié)垢的實際情況，在熱法海水淡化裝置第1 效安裝了量子管通環(huán)，見圖2。

圖2 量子管通環(huán)安裝位置示意圖

應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)可以有效減緩熱法海水淡化裝置的結(jié)垢速率，第1 效換熱管的年結(jié)垢量減少了10%左右，海水淡化產(chǎn)量提高了1%以上，具有較好的經(jīng)濟效益。

4 復(fù)合垢層的清洗技術(shù)

針對首鋼京唐公司熱法海水淡化裝置結(jié)垢成份較為復(fù)雜，碳酸鈣與硫酸鈣交錯分層，且成分以硫酸鈣居多的特點，研發(fā)了雙循環(huán)清洗技術(shù)，即“酸洗-中性洗”的復(fù)合式清洗模式。眾所周知硫酸鈣垢難以通過酸洗方式去除，傳統(tǒng)清洗技術(shù)不能徹底清洗干凈，雙循環(huán)清洗技術(shù)先通過循環(huán)酸洗快速溶解垢層中的碳酸鈣垢，清洗過程中對各項指標化驗，以判斷清洗終點；然后再通過循環(huán)中性清洗溶解垢層中的硫酸鈣垢，清洗過程中定期檢測中性藥劑濃度及總硬度，預(yù)測清洗效果及清洗時間；此后“酸洗-中性洗”交替循環(huán)進行，直至換熱管結(jié)垢徹底清除；雙循環(huán)清洗結(jié)束后，對換熱管內(nèi)外部進行水沖洗，保證換熱管潔凈，然后進行預(yù)膜處理。

結(jié)合首鋼京唐公司海水淡化裝置的特點及現(xiàn)場的實際情況，研制出一體化的海水淡化裝置清洗設(shè)備，見圖3，該設(shè)備進出水管路采用PVC 管，管道長度及彎頭根據(jù)現(xiàn)場實際尺寸定制，管道之間采用法蘭連接，可以實現(xiàn)管道的快速組裝及拆卸，并避免跑冒滴漏；清洗藥箱材質(zhì)采用碳鋼內(nèi)襯玻璃鋼，內(nèi)設(shè)泥漿加速分離設(shè)備，可以實現(xiàn)清洗下來的垢快速移除，防止泵堵塞；設(shè)置2 套裝置，其中酸性清洗和中性清洗各1 套，可以實現(xiàn)雙循環(huán)清洗的無縫銜接，減少清洗等待時間。一體化清洗設(shè)備的研制及應(yīng)用，可以大速度提高海水淡化裝置的清洗效率，增加了清洗時間，同時滿足了現(xiàn)場文明檢修、6S要求。

圖3 一體化清洗設(shè)備系統(tǒng)圖

復(fù)合垢層的清洗技術(shù)不僅對碳酸鹽垢有很好的去除效果，對于行業(yè)內(nèi)普遍認為較難處理的硫酸鹽垢也具有很好的去除效果，詳見圖4。碳酸鹽垢去除率可以達到98%以上，硫酸鹽垢去除率可以達到95%以上。清洗后，熱法海水淡化換熱管換熱效率提高了5%以上，除鹽水產(chǎn)量提高了10%以上。

圖4 換熱管清洗前中后對比圖

5 結(jié)語

熱法海水淡化裝置結(jié)垢會增加生產(chǎn)的能耗和成本，嚴重的時候會影響到生產(chǎn)的正常運行，因此需要我們積極地進行預(yù)防、處理。采取合理的阻垢和清洗技術(shù)可以提高裝置的換熱效率，降低裝置的運行成本。熱法海水淡化換熱管阻垢集成技術(shù)針對低溫多效蒸餾海水淡化裝置的工況條件，建立了蒸發(fā)器的多維度阻垢、除垢機制，對裝置的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行起到一個很好的保障。該技術(shù)在首鋼京唐公司應(yīng)用后，取得較好的經(jīng)濟及社會效益。