大型低温多效海水淡化装备技术特点分析

2011-05-25黄维学王志刚

一重技术 2011年3期

黄维学，王志刚

1.一重集团大连设计研究院有限公司高级工程师，辽宁大连 116600

海水淡化是水资源的重要补充和战略储备，发展海水淡化事业势在必行。在我国的海水淡化市场中，低温多效蒸馏法所占的份额越来越大，并且向日产万吨级以上的大型化发展。

1 工作原理及特点

（1）大型低温多效蒸馏海水淡化装置是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，蒸汽进入第一效蒸发器，与进料海水热交换后冷凝成淡化水；海水蒸发的蒸汽进入第二效蒸发器，并使几乎同量的海水以比第一效更低的温度蒸发，蒸汽自身又被冷凝。这一过程一直重复到最后一效，连续产出淡化水（见图1）；

（2）低温多效蒸馏技术的最大特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，最高盐水浓度控制在7%以下，为了避免海水中的氧气对设备造成腐蚀，进入低温多效蒸馏装置的海水首先需要在冷凝器中进行脱气处理，而且整个蒸发冷凝过程都必须在真空条件下进行，这样可减缓设备的腐蚀和结垢，提高设备的使用性能、降低运行成本；

图1 大型低温多效蒸馏海水淡化装置

（3）低温多效海水淡化装置的造水比在一定范围内与蒸发器的效数成正比，如果蒸发器的效数较少，造水比就较低。但是蒸发器的效数又不能过多，否则难以形成温度梯度，换热过程无法进行。

2 问题及对策

设计大型低温多效蒸馏海水淡化装备首先要确定工艺流程，掌握初始条件，进行工艺计算，然后就是考虑装备结构形式和制造材料的问题。本文仅对大型低温多效蒸馏海水淡化装备的工艺流程选择、设备结构形式、制造材料选择这几个问题进行论述。

2.1 工艺流程选择

（1）工艺流程特点

低温多效蒸馏系统内的流体只有盐水和蒸汽两种。由于蒸汽一定是从高压效流向低压效，故系统蒸汽流程和不凝气流程都是相同的，而差异最大的就是盐水的流程。其工艺流程主要有三种，分别是顺流、逆流和平流。顺流是指盐水流动的路线与蒸汽流向相同，按从高压效到低压效的次序流动；逆流是指盐水流动的路线和蒸汽的流向相反，按从低压效到高压效的次序流动；平流是指各效都单独平行加入盐水。顺流的优点是不需要输送泵，但在后几效随着盐水浓度的增高，沸点也随之增高，不容易维持较大的温度差，不利于传热；逆流一般用于浓缩比较高的生产过程，浓盐水在低温下黏度较大，相应的传热系数较小。因此，为了均衡各效的传热系数可采用逆流的流程，但逆流工艺流程需要使用输送泵，会增加运行及维护成本；平流的特点是在蒸发过程中有结晶易于析出[1]。

（2）大型蒸馏水系统工艺流程

大型低温多效蒸馏系统中，当浓缩比约等于2时，为保证系统传热管充分润湿及各效液体负荷尽可能均衡，需要将几效合为一个效组并按此方式设置多个效组，每个效组采用平流进料；由于系统中冷凝器的真空度最高，海水成膜状在传热管外预热的同时，其中所溶解的不凝气体（二氧化碳、氮气、氧气等）被最大程度地释放，从而减小蒸发冷凝过程中因不凝气存在对传热系数降低的影响。因此虽然效组间采用逆流进料需要通过输送泵维持流程的进行，增加了运营成本，但是造水比也相对增大。故大型低温多效蒸馏系统多采用逆流和平流相结合的混合工艺流程（见图2）。

图2 逆流和平流相结合的混合工艺流程

（3）热压缩装置的作用

由于大型低温多效蒸馏系统所使用的动力加热蒸汽压力和温度均高于低温多效海水淡化的合理范围，故系统应设置热压缩装置，利用加热蒸汽抽吸中间效的部分二次蒸汽，待压力降低后作为第一效蒸发器加热蒸汽，能有效地避免首效蒸发器的结垢，并提高系统的造水比。

（4）不凝气抽取

由于进料海水中含有的不凝气会影响蒸发器换热效率，为此需要设置不凝气抽气系统。不凝气抽取系统可采用与动力蒸汽压力相同的蒸汽。常见的不凝气抽取有两种方式：一是在不凝气富集到冷凝器时通过抽气泵抽取后排放到大气；二是将各效蒸发器的不凝气通过一些专门的管道抽取后排放到大气中。第一种方式的能量利用率更高一些，但是，随着不凝气在末几效的富集，换热系数有所下降；第二种方式的能量利用效率虽然较低，但不会导致不凝气富集现象发生。

2.2 结构优化

低温多效系统分4个主要组成部分：蒸发器、冷凝器、真空喷射系统、管道系统。由于蒸发器为多效组件，故制造成本最高，而影响系统性能的最关键因素是真空喷射系统。因此，这两部分是结构优化的重点。当然，结构优化的最终目标不能仅限于提升系统的性能，如减少换热面积，增加造水比，减少吨水电耗等，而且还应包括减少建设投资和运行成本。

（1）蒸发器

由蒸发器和冷凝器构成的封闭容器主要由以下部分组成：壳体、外部加强圈、内部支撑架、鞍座、换热管束、海水喷淋系统、汽水分离器、水室及密封装置、淡水连接管、盐水连接管、不凝气抽出口、检修人孔等。

由于蒸发器是有相变的真空换热设备，所以对蒸发器进行结构优化设计时要首先考虑设备传热性能的好坏，这又涉及到物料水的分配系统、管束布置和不凝气的抽取等相关问题。与此同时还要兼顾加工工艺的可行性和制造成本。由于蒸发器必须保证密封，防止蒸汽泄露，各效之间的连接既可以采用法兰加橡胶密封，也可以焊接成整体。对换热管束合理划分流程，既可提高管内蒸汽的流速，也有利于排出管内冷凝液体，改善管内换热性能。目前，大型低温多效蒸馏装置蒸发器一般采用圆柱体结构，换热管按蒸发器轴向布置，并可以设置多管程；也有采用长方体结构，换热管按蒸发器径向布置，这种结构适用于轴向长度受限制的场所。蒸发器筒体直径要根据工程的场地情况和传热面积计算结果合理确定。冷凝器的结构形式与蒸发器相同。此外，合理选择不凝气的抽取量是保证热能利用效率的必要条件，而扩大管内蒸汽冷凝段的面积能提高蒸发器的效率；通过对管束和壳体的结构优化可减少因蒸汽压力损失所引起的温差损失，减小换热面积。

在多效蒸发过程中，由于效间压力的降低，使上一效进入下一效的浓海水和淡水利用自身的显热进行闪蒸，虽然闪蒸的气量占各效的总蒸发量很少，但不能忽略此过程对传热面积的影响。

（2）喷射系统

蒸汽喷射系统的抽气效位置和引射能力是影响整个低温多效系统使用性能的关键因素。尽管蒸汽喷射系统的工程造价在整个系统中所占的比例不高，但是蒸汽喷射系统的研究一直是各个海水淡化制造商的重要课题。截至目前，国内该类大型海水淡化工程的真空喷射系统均采用进口真空泵（见图3）。因此，真空喷射系统国产化的瓶颈是在设计研发而非加工制造环节。而且真空喷射系统国产化需要由专业生产厂家组建一支专门研发真空喷射系统的团队，为海水淡化装备制造商提供解决方案。

（3）管道系统

图3 大型真空蒸汽喷射泵示意图

管道系统的优化要和工艺流程优化结合起来，因为工艺流程直接决定管道系统的布置，阀门设置、管道的布置和水泵的选型等主要工作。包括抽真空、抽不凝气、蒸汽喷射等整个蒸汽系统的管道必须整体考虑，合理布置共用管道；工艺流程决定水泵的流量，而管道布置会影响水泵的出口压力，从而影响水泵的能耗，即影响吨水电耗。由于吨水电耗是考核低温多效系统性能优劣的主要指标之一，因此管道系统的设计首先要确保低温多效系统的吨水电耗在合理范围内，其次还应尽可能减少占地面积及建设投资。

2.3 材料选择

大型低温多效蒸馏海水淡化装备可以用不同的材料制造。因此也就存在材料选择的问题。在同等条件下，用户自然会倾向于既经久耐用又价格低廉的材料。如果材料可以相互替代，那么材料的防腐问题是很重要的考核指标。大型低温多效系统中常见的腐蚀包括氯离子腐蚀、重金属腐蚀和电化学腐蚀等。具体地说，与高速流动的海水相接触的设备表面多采用钛合金材料，例如冷凝器管束和蒸发器的上部管束，而换热管以铝黄铜居多，也有将铝管作为换热管，但需采用相应的配套工艺来防止铝管腐蚀。蒸发器和冷凝器的壳体、外部的加强圈和内部的支撑结构件均采用金属材料。由于壳体内部直接与海水及蒸汽接触，为防止金属材料被腐蚀，使用不锈钢是一种很好的选择；还有就是使用碳钢加防腐涂层技术，尽管碳钢价格较便宜，但要注意做好防腐涂层以保证使用寿命和安全卫生。蒸发器和冷凝器壳体的主要作用是保持真空，避免气体泄露，而壳体的刚度基本依靠外部的加强圈和内部的支撑结构件。就管路而言蒸汽管道使用碳钢管，低压水管可以使用玻璃钢管，而壳体内的喷淋管使用聚丙烯管为好，对于密封用橡胶及塑料应要求既经久耐用又安全卫生。