海水淡化濃鹽水板式換熱系統(tǒng)改造方案的研究

孟 月，張 波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063200）

前言

采用熱膜耦合方式將熱法海水淡化濃鹽水作為膜法海水淡化裝置原水的主要優(yōu)點是不需要增加膜法原水取水設施，且冬季不需要對原水加熱;主要難點在于夏季濃鹽水的降溫（33 ℃以下）措施、預處理對濃鹽水的適用性及反滲透膜的優(yōu)化設置。為解決夏季濃鹽水溫度高、無法作為膜法原水的難點問題。最簡單直接的辦法是使用冷卻塔對濃鹽水進行冷卻，但是這種方法投資較高、占地面積大、濃鹽水溫度高導致冷卻塔鹽霧大等問題。為此，本文研究就現(xiàn)有設備對濃鹽水進行降溫的可行性。

該公司共有4套海水淡化蒸發(fā)器主體，單臺蒸發(fā)器的濃鹽水排放量為1 208 t/h，則4臺蒸發(fā)器的濃鹽水排放量為4 832 t/h。唐山三友化工股份有限公司（簡稱三友化工）和1萬t/d膜法海水淡化裝置是濃鹽水的主要用戶。其中，三友化工濃鹽水的最大用量為1 500 t/h，1萬t/d膜法海水淡化裝置濃鹽水的用量為1 190 t/h（回收率按35%計算）。因此，可將第1、2臺蒸發(fā)器排出的濃鹽水供給三友化工，第3、4臺蒸發(fā)器排出的濃鹽水供給1萬t/d膜法海水淡化裝置的方式。

1 蒸發(fā)器濃鹽水板式換熱器系統(tǒng)設置情況

蒸發(fā)器濃鹽水板式換熱器系統(tǒng)通過濃鹽水與原海水進行換熱，來滿足生產(chǎn)工藝需求，如圖1。

圖1 濃鹽水板式換熱系統(tǒng)示意圖

蒸發(fā)器主體的運行手冊中給出了冬季、春秋季和夏季3種運行模式下的熱平衡圖。蒸發(fā)器主體在不同運行模式下的運行參數(shù)，見表1。

隨著夏季海水溫度升高，受出末效海水溫度不超39 ℃制約，進末效海水溫度不能太高，故濃鹽水不再進入板式換熱器與海水換熱，而是通過直排閥直接排放，因此濃鹽水排放溫度升高（42.1 ℃），超過33 ℃，無法作為膜法原水。

表1 蒸發(fā)器主體在不同運行模式下運行參數(shù)

2 板式換熱器性能分析

為解決濃鹽水排放溫度高（高于33 ℃）的問題，對濃鹽水板式換熱器性能進行分析。公司海水淡化蒸發(fā)器濃鹽水板式換熱器采用AS60型鈦板式換熱器，其運行參數(shù)如下：

結(jié)構形式：介質(zhì)逆流/同側(cè)布置；

總有效換熱面積：236.25 m2；

工作壓力：-0.1～0.5 MPa；

傳熱系數(shù)：3 697 W/（m2·℃）；

濃鹽水流量：1 208 m3/h；

濃鹽水進口溫度：42.1 ℃；

濃鹽水出口溫度：33.0 ℃；

海水進口溫度：26 ℃（夏季平均溫度）。

板式換熱器冷熱介質(zhì)換熱如圖2所示。

圖2 板式換熱器冷熱介質(zhì)換熱示意圖

為利用現(xiàn)有板式換熱器，首先計算濃鹽水流量為 1 208 t/h時，計算板式換熱器性能是否滿足要求[1-2]。

熱介質(zhì)濃鹽水放熱量Q1的計算式為：

式中：C——水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；

m1——濃鹽水流量，取1 208 t/h；

t1——濃鹽水進口溫度，取42.1 ℃，

t2——濃鹽水出口溫度，取33 ℃；

Δt濃——濃鹽水換熱后溫度的變化，經(jīng)計算為9.1 ℃。

則濃鹽水放熱量Q1為：

Q1=4.18×1 208×103×9.1=45.95×106（kJ/h）

濃鹽水板式換熱器換熱量Q的計算是為：

式中：K——板式換熱器傳熱系數(shù)，取3 697 W/（m2·℃）；

A——換熱面積，取236.25 m2；

Δtm——對數(shù)平均溫差，單位℃。

則濃鹽水板式換熱器換熱量Q為：

Q=3.697×236.25/Δtm=873.416Δtm（kW）

由能量守恒定律可知：

即：

45.95×106/3600=873.416Δtm

由上式可計算出對數(shù)平均溫差Δtm為14.6 ℃。而對數(shù)平均溫差Δtm的計算式為：

由板式換熱器介質(zhì)逆流布置形式可知：

各式中：t1——濃鹽水進口溫度，取42.1 ℃；

t2——濃鹽水出口溫度，取33 ℃；

t3——海水進口溫度，取26 ℃；

t4——海水出口溫度，單位℃。

依式（4）至式（6）可計算出Δt1為24 ℃，t4為18.1 ℃，t4小于t3，說明所需對數(shù)平均溫差過大，冷介質(zhì)換熱后出口溫度小于換熱器溫度，無法實現(xiàn)。其次計算濃鹽水流量變化時板式換熱器性能是否滿足要求[3]。由能量守恒定律可知：

Q1=Cm1Δt濃

Q2=Cm2Δt海

Q=KAΔtm

各式中：Q1——熱介質(zhì)濃鹽水放熱量；

Q2——冷介質(zhì)吸熱量；

Q——板式換熱器的換熱量；

C——水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；

m1——濃鹽水流量，取1 208 t/h；

Δt濃——濃鹽水換熱后的溫度變化，取9.1 ℃；

m2——海水流量，單位t/h；

Δt海——海水換熱后的溫度變化，單位℃；

K——板式換熱器傳熱系數(shù)，取 3 697 W/（m2·℃）；

A——換熱面積，取236.25 m2；

Δtm——對數(shù)平均溫差，單位℃。

根據(jù)以上公式可計算出濃鹽水板式換熱器的運行參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 濃鹽水板式換熱器運行參數(shù)計算結(jié)果

由表2可知，當板式換熱器入口海水（溫度為26 ℃）流量為 695～1 037 t/h（海水最大流量為1 204 t/h）時，可將619～695 t/h（膜法裝置原水需求量為1 190 t/h）濃鹽水由 42.1 ℃ 冷卻至33 ℃，2臺蒸發(fā)器改造后可滿足膜法海水淡化裝置對于原水溫度及流量的要求。

3 第3、4臺濃鹽水板式換熱器改造方案

根據(jù)板式換熱器性能分析結(jié)果，對第3、4臺濃鹽水板式換熱器提出以下改造方案：

1）在濃鹽水進入濃鹽水板式換熱器的管道上增加流量計，在濃鹽水板式換熱器出口處增加去往膜法海水淡化裝置的濃鹽水管道及隔斷閥，增加濃鹽水板式換熱器出口海水排放管道，如圖3。

2）采取夏季運行模式時，控制直排閥開度，使流量為619～695 t/h的濃鹽水進入濃鹽水板式換熱器，其余直接排放；海水換熱后直接排放，不進入末效。

圖3 第3、4臺濃鹽水板式換熱器改造方案

3）采取春秋季運行模式時，海水經(jīng)濃鹽水板式換熱器換熱后部分回末效，部分排放，將濃鹽水溫度冷卻至33 ℃以下，并維持蒸發(fā)器末效出口海水溫度。

4）采取冬季運行模式時，海水經(jīng)濃鹽水板式換熱器換熱后全部回末效；直排閥和隔斷閥關閉，濃鹽水經(jīng)濃鹽水板式換熱器換熱后全部去往膜法海水淡化裝置作為進水原水。

4 結(jié)語

根據(jù)計算結(jié)果，通過增加流量計、隔斷閥和相關管道，對海水淡化濃鹽水板式換熱系統(tǒng)進行改造，采用熱膜耦合的方式，可將熱法海水淡化濃鹽水作為膜法海水淡化裝置的原水。對比增加冷卻塔解決濃鹽水溫度過高的方法，避免了增加海水取水設施，且冬季不需要對原水進行加熱。同時合理配置了資源，使能量合理回收利用，充分發(fā)揮了熱法和膜法兩種海水淡化技術的優(yōu)勢，降低了系統(tǒng)的投資和運行成本。