低温多效海水淡化工程应用探讨董广成 赵燕 张元奇 黄维学 王光儒（中国一重集团大连设计研究院有限公司 辽宁大连 116600）摘 要:比较了当前热法海水淡化工程两个主流技术，并针对当前较为流行的低温多效热法海水淡化工程化设计过程中的重要环节进行了分析，并提供了相应的设计建议方法；最后结合海水淡化的新兴技术的发展状况，对低温多效低温多效海水淡化的发展趋势进行了预测分析。关键字:低温多效技术 蒸发器效数 进料方式 蒸发器设计 海水淡化趋势1.引言 我国水资源总量2. 81 万亿m3,居世界第6 位,但人口为世界人口的四分之一,人均水资源为世界第108 位,是世界上21 个贫水国家之一。由于地球上的水总体积约有13亿8600万千米立方，其中96.5%分布在海洋，淡水只有3500千米立方左右。若扣除无法取用的冰川和高山顶上的冰冠，以及分布在盐碱湖和内海的水量，陆地上谈水湖和河流的水量不到地球总水量的 1%。从某种意义上说,海水才是取之不尽、用之不竭的主要水源。因此,发展海水淡化技术,向海洋要淡水是解决淡水资源供需矛盾最有效的途径，海水淡化的工作意义重大。海水淡化技术也称海水脱盐技术,是分离海水中盐和水的过程。按分离原理和方法,海水淡化技术可分为相变法和非相变法两大类。相变法主要包括:蒸馏法、冷冻法;非相变法主要是膜法。现应用最为广泛的、形成较大规模产业化的是低温多效法(MED) 、多级闪蒸法(MSF)两种热法海水淡化的方法。热法海水淡化中的多级闪蒸(MSF)和低温多效(MED)技术特征存在较大差异,也是造成世界不同地域各种技术使用率差别较大的主要原因。多级闪蒸的操作最高温度在90112间，低温多效的操作温度略低一些为70。比较而言，由于低温多效蒸发器的盐水操作温度最高不能超过70。当使用可靠的阻垢剂时，由于热蒸汽管蔟上的浓盐水在重力的作用下向下流动，多效蒸发器的水垢沉积率非常低。另外，在低温多效的操作温度下，只需使用标准不锈钢或敷有适当涂层的碳钢就可以完全地控制住低温多效设备腐蚀。从整套装置而言，低温多效蒸发器装置所用的工艺泵，包括盐水泵、产品水泵和冷凝水泵等，大多是简单的卧式离心泵，这使得地面基础工作更加简单。因此，在设备中没有高压回路和高压泵，能够降低投资成本。从设备维护角度来看，低温多效淡化装置全部控制操作只用很少的仪表和开关就可以完成，而且装置的高适应性可以完全满足低负荷时的运行要求，从而降低操作维护设备作用。基于以上几个因素，热法海水淡化工程中的低温多效技术同多级闪蒸技术相比，多级闪蒸技术比低温多效技术的投资和成本偏高。另外，由于低温多效海水淡化以其易实现大型化的特点, 现已经成为海水淡化工程的主要应用技术。 针对低温多效海水淡化技术工程化设计的重要环节进行探讨研究，为低温多效海水淡化进一步推广具有重要意义。2.低温多效海水淡化工程设计 一套低温多效海水淡化装置的工艺主要由蒸汽器的效数、蒸汽器的进料方式、蒸发器结构设计及日常维护这些设计环节密切相关。能否有机地协调这些因素决定着一套低温多效海水淡化项目成败的关键。现就这些主要设计环节在做工程设计时需要注意的事宜分别进行探讨。2.1蒸发器最佳效数的确定多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效的低，因此，可引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，这就是多效蒸发器的操作原理，一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作。蒸发装置中效数越多，温度差损失越大，且对某些浓溶液的蒸发还可能发生总温度差损失等于或大于总有效温度差，此时，蒸发操作就无法进行，所以多效蒸发的效数应有一定的限制。在确定淡化装置效数时，建议考虑以下的因素：（1）为了最大限度减少水垢的沉积，浓盐水的最大温度不应超过63.（2）最后一效的水温应略高于冷却海水的温度。（3）在符合上述条件的温度范围内，计算蒸发器的效数需要考虑所需的单位热量消耗。这样有利于实现投资成本与运行成本的优化，以生产出最廉价的淡水。事实上较低的能量消耗通常需要更高的投资。因为在符合条件的温度范围内效数越多，则两个连续效之间的净温度差就越小。根据热能交换方程，这个差值越小，为达到要求的热交换效果所需的热交换面积就越大。因此，在效数增加时，为了达到规定的产水量，需要增加热交换器的面积，这也意味着需要采用更大的蒸发器并相应地增加建设投资。由上面分析可知，最佳效数要通过经济权衡决定，单位生产能力的总费用为最低时的效数即为最佳效数。2.2进料方式的确定在化工行业里，根据物料本身的特性蒸发器有并流、逆流和平流进料三种进料方式。由于并流加料后效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效间的输送可以利用效间的压强差，而不用输送泵。另外，由于后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶液进入后效时，会因过热而自动蒸发（闪蒸），因而可以多产生一部分二次蒸汽。但是，在并流进料过程中，由于后效溶液的浓度比前效高，且温度又低，所以沿溶液流动方向的浓度逐渐增高，致使传热系数逐渐下降。这就大大制约了并流进料的应用范围。逆流加料法蒸发流程的主要优点是溶液的浓度沿着流动方向不断提高，同时温度也逐渐上升，因此各效溶液的粘度较为接近，使各效的传热系数也大致相同。其缺点是效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大，且因各效的进料温度均低于沸点，与并流相比，产生的二次蒸汽量也减少。一般情况下，逆流加料法适宜处理粘度随温度和浓度变化较大的溶液，而不适宜处理热敏性的溶液。平流主要适宜用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液，或不便在效间输送的处理液。基于这三种进料方式的特点，有研究人员利用海水分别进行了研究，结果表明：对于效数较少的多效海水淡化装置,宜选择平流进料,其造水比高且无需中间进料泵;当效数很多(如10 效以上) 时,可考虑采用逆流进料或逆流与平流相结合的混流进料方式。逆流进料效间温差越小,造水比越高,而平流进料和顺流进料则可采用较大的效间温差。这就要求采用低温多效海水淡化技术工程设计中，确定海水进料方式时，除了要借鉴并流、逆流和平流进料的优缺点外，还应注意到：海水浓缩倍数提高,造水比相应增大,但系统结垢的风险也随之增加。2.3蒸发器的设计低温多效装置的效数和进料方式确定后，与该工艺匹配的海水淡化设备蒸发器的设计直接决定着装置的运行情况，是实现工艺路线的另一个重要环节。由于蒸发器的传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，属于壁面两侧流体均有相变的恒温传热过程。蒸发器的换热特征决定了蒸发器在设计时需要考虑海水物理性质，具体表现为：海水在蒸发过程中是否易晶体析出、易结垢、易生成泡沫、易分解和聚合等特点，而且还要考虑到溶液的粘度及腐蚀性在蒸发过程中的变化。这些因素都直接影响着蒸发器总传热系数，也直接影响着蒸发器的结构、生产能力和生产强度，还直接影响工艺设计的评判。因此，确定蒸发器总传热系数是蒸发器设计的重中之重。但是蒸发器总传热系数除了与海水的性质有密切关系外，还与蒸发器的结构（主要考虑到换热壁面的介质流动状况）有密切关系。 蒸发器主要由加热室及分离器组成。按照加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型和单程型两大类。循环形蒸发器包括中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、列文蒸发器和强制循环蒸发器。单程型蒸发器包括升膜蒸发器、降膜蒸发器、升-降膜蒸发器和刮板搅拌薄膜蒸发器。蒸发器的类型选择需要海水特性随温度和压强的变化关系。具体表现为：(1)确定多效工艺的计算条件及最终工艺特征-包括效数、冷热介质流速等。(2)由于浓盐水浓度逐渐增高，考虑设备材料的选择。(3)确定除沫器的设计方案。(4)海水预处理方案的确定。综上，蒸发器的设计需要综合海水特性随温度和压强的变化情况、处理量和装备空间因素进行优化设计。2.4设备维护 海水淡化厂包括将海水从预处理厂提取到主设备的海水提升泵房、将主设备中的浓盐水排出的中和池泵房、为主设备提供冷却水的冷却水泵房、将淡化水排出送至输水管网的淡化水出水泵房和海水淡化主车间等。总的来说，这套工艺主要分为动设备（泵，阀等）和静设备（蒸发器，储罐等）两部分。动设备和静设备操作维护费用是项目成本重要部分之一。对于静设备（加热器、蒸发器、冷凝器等）来说，通常会发生密封、疲劳、腐蚀、振动等问题。对于动设备（泵、压缩机等）来说，经常会出现气蚀、喘振等问题。解决这类问题，首先必须得到设备本身的具体参数结合使用工况，然后利用热力学和振动学的理论方法就可消除或减弱这些问题的负面影响；最后利用管道配管设计理论应考虑诸如流速、管道固有频率等因素，尽量避免或减弱系统振动破坏影响。 低温多效海水淡化系统除了对正常运转的设备常规维护外，蒸发器的除垢维护更是重中之重。蒸发器内的水垢如果累积到一定程度，不但会使产水量下降，甚至可以导致整套设备的报废。水垢是海水温度上升时所产生的矿物质与盐分的沉积，它的主要成份是碳酸钙。碳酸钙是由海水中溶解的碳酸氢钙在高温的作用下发生化学反应生成的。海水环境温度超过60时，碳酸氢钙在高温的作用下发生化学反应非常剧烈，在蒸发器内释放出的二氧化碳导致盐水的pH值上升，加速了氢氧化镁的反应，也会形成沉淀。另一方面，硫酸钙的溶解性随温度升高而降低，它在某些时候也会发生沉淀。管蔟的结垢会使热传导系数大大降低。因此，对海水进行处理最关键的要点就是合理降低其含盐量，并以此来降低换热管结垢程度。除此之外，目前通常使用阻垢剂来消除蒸馏装置中水垢的沉积，它们分别是水垢控制剂和酸化剂。定期使用腐蚀性较低的酸溶液在管束中进行数小时的循环，可以溶解管道内碳酸盐的沉积而不损伤管道。除垢的周期取决于源海水的含盐量、运行时间与淡化条件，但必须执行GB/T238792工业设备化学清洗质量标准。3.发展趋势随着节能理论和技术的不断发展，一些升级的低温多效海水海水淡化工艺也应运而生。蒸汽喷射泵与低温多效结合（MED&TVC）是一种低温多效海水淡化升级技术之一，国际上有许多成功应用经验。与传统低温多效工艺相比，该技术不但能够节省动力蒸汽，而且通过改变蒸汽喷射泵（TVC）的抽射点位置达到提升改变造水比的目的。除此之外，随着节能技术理论上的发展和突破，以节能为优化目标，基于夹点技术为代表的新型系统节能工艺的建立，为传统低温多效海水淡化技术升级和进一步推广阐明了一个重要方向。另外，任何海水淡化处理技术都有它的适用范围,往往使用单一的技术并不一定能够较好解决各种海水淡化处理问题,尤其是节省成本和提高经济效益的问题。因此，在实际应用中通常将不同的海水淡化技术进行组合使用,如电渗析（ED） 与低温多效技术的结合, 反渗透膜法与低温多效的结合使用等,这样往往可以发挥各自的特点,取得更大的技术成果和经济效益。另外，低温多效与常规的水处理技术联合使用也是不可忽视的。因此,在研究海水淡化工艺时,将低温多效技术与其它海水淡化技术相互配合使用也是今后开发新型海水淡化处理工艺的一个重要方向。5.结论 低温多效海水淡化是一个易实现大型化和经济性能最好的热法海水淡化工艺。低温多效蒸发器的效数、进料方式、结构形式及日常维护是低温多效海水淡化工艺和设备设计的主要参考因素，是权衡整套工艺经济性能的重要指标，协调好这些因素是在工程设计过程中所要解决问题的关键。随着世界的发展, 淡水资源的匮乏日趋严重，发展基于节能理论和技术的新设备和工艺建立起来的低能耗新型低温多效海水淡化技术无疑会大大降低海水淡化制水成本, 一定能够促进国内海水淡化事业的发展，并为低碳经济发展提供可靠的保证。【参考文献】1 刘向兵,李立国. 高等学校实施战略管理的理论探讨J. 科技信息. 2010(23) 2 祁顺生. 以价值为基础的要素与企业 J. http:/www.jiaoyu68.com/news/class/ .中国教育期刊学会.2001(02)3 张振川. 现代企业风