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国产首台 1.

25 万吨/日低温多效蒸馏 海水淡化技术研发及工程应用 周洪光 赵华 张建丽 神华国华(北京)电力研究院有限公司 摘要:本文从世界及中国淡水资源现状出发,介绍了海水淡化方法和低温多效蒸馏海水淡化 技术的原理以及国华电力在国内率先开展 1.25 万吨/日低温多效蒸馏海水淡化技术自主研发及工程 应用的情况.本项目的实施对推动我国海水淡水事业的发展具有重要的意义和作用. 关键词:国产首台 低温多效 海水淡化 技术研发 工程应用

1 世界及中国淡水资源现状 1.1 世界淡水资源现状 水资源作为大自然赋予人类的宝贵财富,是人类赖以生存和发展重要且不可替代的自然资源. 虽然地球表面的 75%被水覆盖, 地球的水体总量达到 13.97 亿立方千米, 但海水占 95.81%, 余下 4.19% 的淡水中又有 87%是人类难以利用的两极冰盖、冰川和冰雪,即人类实际可利用的淡水只占全球水 体总量的 0.32%. 联合国环境规划署的数据显示,近几十年来,全球用水量每年都以 4%-8%的速度持续递增,如 按当前的水资源消耗模式继续下去,现有的淡水资源己经不能满足

21 世纪社会和经济的发展.到2025 年,全世界将有

35 亿人口缺水,涉及的国家和地区将超过

40 个.随着世界人口的快速增长和 经济的发展,水污染的不断加剧,淡水资源需求矛盾将更加突出,今后若干年内人类对水资源的争 夺将愈演愈烈. 1.2 中国淡水资源现状 我国是一个海洋大国,沿海地区面积占国土面积的 13%,是我国经济发达地区,人口占全国的 40%以上,工农业生产总值占全国的 60%以上.沿海地区是我国最缺水的地区,水资源总量仅占全 国的 1/4,人均水资源量为 1266m?,不足全国人均水资源量的 60%.特别是大部分沿海城市人均淡 水资源量不足

500 m?,低于国际

1000 m?的生存线,其中天津、上海、大连、青岛、连云港等城市甚 至低于

200 m?.淡水资源短缺已成为严重制约沿海地区经济和社会发展的瓶颈和主要问题.

2 海水淡化技术方法 发展海水淡化技术已成为世界及我国沿海地区解决淡水资源短缺问题、保持经济可持续发展的 必然选择. 海水淡化技术方法主要有:热法和膜法两大类.热法主要包括多级闪蒸(MSF) 、低温多

1 效蒸馏(MED)和压气蒸馏(MVC)等.膜法主要包括海水反渗透法(SWRO)和电渗析 .这些 技术已在世界各国沿海地区得到了比较广泛的研究和应用.

3 低温多效蒸馏海水淡化技术的原理 低温多效蒸馏海水淡化技术是最早采用的海水淡化技术之一.早期主要用于少量蒸馏水的生产 和制糖工业的料液浓缩.20 世纪

80 年代后,低温多效蒸馏海水淡化技术日趋成熟.具有效率高、 制水量大、淡水品质高等优点,适合有低温热源的大容量海水淡化项目,近代逐渐用于给大型工业 锅炉和电厂供水. 多效蒸馏海水淡化装置由一系列蒸发器串联构成.加热蒸汽进入第一效蒸发器,与海水进行表 面式热交换后,自身冷凝成水,并使海水蒸发,所产生的二次蒸汽作为加热蒸汽,进入第二效蒸发 器凝结成产品淡水,并使第二效海水蒸发.这一过程一直重复到最后一效,连续产出淡化水.工艺 流程如图

1 所示. 图14+2 效低温多效蒸馏海水淡化装置工艺流程图 多效蒸馏分为低温和高温多效蒸馏两种.高温多效蒸馏可设置更多的蒸发器效数,以达到较高 的造水比,其热效率较高,蒸发器前几效的海水蒸发温度较高,传热管易结垢,腐蚀相对较重,因 而对设备的材料要求高,需频繁清洗设备,对海水预处理要求也高.针对高温多效蒸馏的缺点,发 展了低温多效蒸馏技术,其特点是盐水的蒸发温度不超过 70℃,减缓了设备的腐蚀和结垢.

4 低温多效蒸馏海水淡化技术研发 中国神华能源股份有限公司国华电力分公司从

2006 年起,依托神华国华(北京)电力研究院有 限公司和神华河北国华沧东发电有限责任公司,联合北京国电华北电力工程有限公 司、上海电站辅机厂等单位,在国内率先开展 1.25 万吨/日低温多效蒸馏海水淡化技术国产化自主研 究.主要研究工作如下: 4.1 低温多效蒸馏海水淡化基础技术研究 基础技术研究包括蒸发器水平管降膜蒸发传热试验研究、蒸发器布液与液膜流动试验研究和蒸 汽压缩喷射器(TVC)研究等三个方面.

2 4.1.1 水平管降膜蒸发传热试验研究 通过对水平管降膜蒸发器的传热与流动机理研究,阐明了蒸发-冷凝相变传热过程的影响因素, 确定了降液密度、蒸汽流速、传热管径、管长、管倾角等运行和结构参数,以及污垢系数的工程设 计取值范围,已建立了蒸发与冷凝传热系数及总传热系数的计算方法及计算程序. 4.1.2 蒸发器布液与液膜流动试验研究 通过喷淋布液试验、管间汽流模拟试验与数值模拟,研究了单喷头的喷淋特性和多喷头组合喷 淋的均匀性、喷淋扩散角和粒径分布情况,得到了合理的布液与管束结构参数范围与喷头布置优化 方案. 4.1.3 蒸汽压缩喷射器(TVC)研究 通过对蒸汽压缩喷射器(TVC)的实验研究和 CFD 三维数值模拟,研究了 TVC 的工作特性, 完成了蒸汽压缩喷射器计算与校核程序的开发, 建立了一套适于工程应用的 TVC 结构设计和性能校 核计算方法. 4.2 工程设计技术研究 工程设计技术研究包括海水淡化装置(TVC-MED)热力计算方法研究、水平管降膜蒸发器设计 计算方法研究、蒸汽压缩喷射器性能(TVC)计算方法研究、蒸发器本体设计与制造技术研究和控 制逻辑研究等五部分. 4.2.1 海水淡化装置(TVC-MED)热力计算方法研究 研究了 TVC-MED 海水淡化装置加热蒸汽参数、海水顶温、各效传热温差、总温差和 TVC 等设 备参数的选择与计算原则,开发了热力性能计算方法和程序.在此基础上完成了黄骅二期 1.25 万吨 /天低温多效海水淡化装置热力参数选择和计算. 4.2.2 水平管降膜蒸发器设计计算方法研究 现代大型多效蒸发海水淡化装置多采用水平管降膜式蒸发器.海水通过喷淋装置在横管束的管 外形成液膜,加热蒸汽(或前效二次蒸汽)在管内凝结.所有各效的管束、喷淋管和汽水分离器都 装在一个筒体中,因而热损失小,能耗低.通过对水平管降膜蒸发器换热系数和传热面积、流动阻 力和蒸发器结构设计关键参数进行了深入研究, 并对黄骅二期 1.25 万吨/日低温多效蒸馏海水淡化装 置进行了计算. 4.2.3 蒸汽压缩喷射器性能(TVC)计算方法研究 蒸汽压缩喷射器(TVC)是以高压蒸汽为动力, 将低压蒸气压缩至较高的压力, 实现低压蒸气增压 再利用的设备.在实验研究基础上,完成了 TVC 性能参数和结构设计计算方法. 4.2.4 蒸发器本体设计与制造技术研究 采用横管降膜蒸发器带蒸汽喷射压缩(TVC?MED)的蒸馏淡化工艺.采用六效蒸发器,串列 式水平布置,蒸发器由以下主要部分构成:壳体、换热管束、海水喷淋系统、汽水分离器、水蒸气 通道、前水室及水封装置、后水室及水封装置、淡水联接管、盐水联接管、不凝气抽出口等.每一 效均设有检修人孔.第

3、4 效间和第

4、5 效间留有中间作为检修空间. 海水采用平行进料方式.蒸汽喷射压缩器(TVC)设计在第

4 效的末端抽汽.由于蒸汽量减小, 第

5、6 两效体积减小.第6效后面设置凝汽器,冷凝第

6 效产生的蒸汽,同时加热全部进料海水. 抽真空系统为蒸汽喷射式,从凝汽器和第

1 效换热管末端两处抽气,维持系统运行真空 度;

设置启动蒸汽喷射器,供设备启动时快速达到设定的真空度,缩短启动时间. 黄骅二期 1.25 万吨/天海水淡化装置蒸发器外形图如下:

3 图24+2 效低温多效蒸馏海水淡化装置外形图 4.2.5 海水淡化装置(TVC-MED)控制逻辑研究 本项目国内首次自主开发了万吨级大型低温多效海水淡化装置控制系统及软件,并应用于黄骅 二期海水淡化工程.通过PLC控制系统软件,实现海水淡化系统的运行自动控制,实现海水淡化控 制系统安全稳定投入. 经黄骅二期 1.25 万吨/天海水淡化装置运行检验,PLC 控制系统控制逻辑合理,控制系统性能稳 定,硬件配置合理,能够保证海水淡化装置的运行安全性、稳定性与经济性.

5 低温多效蒸馏海水淡化技术工程应用 低温多效蒸馏海水淡化技术研发工作依托黄骅电厂二期 1.25 万吨/日低温多效蒸馏海水淡化工 程,在完成基础技术和工程设计技术国产化研究的同时,完成了项目的概念设计、初步设计和施工 图设计工作,进一步实施了工程应用. 5.1 工程设计 5.1.1 设计条件 (1) 海水水源: 温度: -1.5-30 ;

℃ 悬浮物: 50-300 mg/l. (2) 汽源 低温多效海水淡化设备的用汽来自汽轮机的抽汽,抽汽压力 MP........