海水淡化的热法技术及其应用.pdf

海水淡化的热法技术及其应用发电设备(2 0 0 9N o 2)海水淡化的热法技术及其应用任一峰，刘尔静(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海2 0 0 0 9 0)摘要：介绍2 种常用热法海水淡化(多级闪蒸和多效蒸发)的原理着重对其特性和装置选材进行了对比。提出了海水淡化的多种能源形式，如每E l 海水淡化能力在1 0 万t 以上应用多级闪蒸更经济；若利用热力发电厂的低温余热时。采用低温多效蒸发更合理；在一定条件下还可专门设置深水池核反应堆为这一方法提供热源。关键词：发电厂；水资源；海水淡化；多级闪蒸；多效蒸发；淡化水成本中图分类号：T K 2 2 3 5文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 0 8 6 X(2 0 0 9)0 2 0 1 4 7 0 4T h eT h e r m a lS e a w a t e rD e s a l i n a t i o nT e c h n o l o g ya n di t sA p p l i c a t i o nR E NY i-f e n g，L I UE r j i n g(P o w e rS t a t i o nA u x i l i a r yE q u i p m e n tW o r k s，S h a n g h a iE l e c t r i cP o w e rG e n e r a t i o nE q u i p m e n tC o L t d，S h a n g h a i2 0 0 0 9 0，C h i n a)A b s t r a c t：W o r k i n gp r i n c i p l e so f2n o r m a l l yu s e dt h e r m a ls e a w a t e rd e s a l i n a t i o np r o c e s s e s(m u l t i s t a g ef l a s ha n dm u l t i-e f f e c te v a p o r a t i o n)a r eb e i n gd e s c r i b e d，w i t hf o c u sont h e i r f e a t u r e sa n dc o r r e s p o n d i n gm a t e r i a ls e l e c t i o nf o rr e l e v a n te q u i p m e n t T h es p e c i f i cd e s a l i n a t i o nw a ya n da p p l i c a b l ee n e r g yr e s o u r c e sa r ea n a l y z e da l s o，f o re x a m p l e，i ft h ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t yi sa b o v e1 0 5t o n。t h em u l t i s t a g ef l a s hp r o c e s sw i l lb em o r ee c o n o m i c a l，a n di fl o w-t e m p e r a t u r ew a s t eh e a tf r o mt h e r m a lp o w e rp l a n ti su s e d。t h el o w t e m p e r a t u r em u l t i-e f f e c te v a p o r a t i o np r o c e s sw i l lb es u i t a b l e U n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s n u c l e a rr e a c t o rh e a tm a ya l s ob eu s e dv i ad e e pw a t e rp o o ls p e c i a l l yb u i l tf o rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o np u r p o s e K e y w o r d s：p o w e rp l a n t；w a t e rr e s o u r c e；s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n；m u l t i s t a g ef l a s h；m u l t i-e f f e c te v a p o r a t i o n；c o s to fs e a w a t e rd e s a l i n a t i o n随着世界经济的发展，电力需求逐年增长。电站中许多设备对水质要求非常高。而淡水资源的不足日趋严重，集中全球6 0 经济总量的近海地区，缺水现象十分严峻。2 0 1 0 年后，我国将进入严重缺水期，据专家估计，2 0 3 0 年前中国的缺水量将达到6 0 0 亿m 3。因此，为保证我国经济的可持续发展，解决淡水资源问题迫在眉睫。我国拥有极为丰富的海水(苦咸水)资源，因此进行海水(苦咸水)淡化就成为解决我国淡水紧缺问题的一条重要途径。l 海水淡化技术海水淡化就是指从海水中提取淡水，又称脱盐。海水淡化技术的发展与工业应用已有半个世纪的历史。目前主要有以下3 种方法：多级闪蒸(M S F)、多效蒸发(M E D)和反渗透(R O)。M S F 和M E D2 种方法统称为热法。热法海水淡化装置利用沿海地区电厂、石化厂等产生的余热作为热源，对海水进行蒸馏，其产物为淡化水及浓盐水。在充分利用回收余热收藕日期：2 0 0 8 一1 0 1 3作者简介：任一峰(1 9 5 9 一)，男。高级工程师，主要从事电站辅机的技术开发和管理工作。1 4 7、I-，一述一，l，t一综，万方数据发电设备(2 0 0 9N o 2)海水淡化的热法技术及其应甩的同时，又保证了淡水资源的供应，特别是低温多效装置，其产出淡水水质较好，可直接利用作为锅炉补给水。热法海水淡化装置具有生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术，占海水淡化技术市场的5 7 以上。闪蒸，是指有一定压力和温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急剧蒸发的现象。而M S F 海水淡化是指盐水依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，并使这些蒸汽凝结而得到淡水。M S F 系统见图1。排放凝结水图l多级闪蒸(M S F)原理图M E D 的原理是：在第一效，海水经过蒸发器上部的喷嘴在管束外表面喷淋。盐水从每一排管子向更低一排落下，在每根管上形成降膜。加热蒸汽通过管内时，温度略微高一点的蒸汽在管内凝结，而盐水在管外蒸发生成二次蒸汽。前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并凝结成为淡水，依此类推，蒸发和凝结重复进行。在M E D 过程中，蒸发器按系列式布置，确保热水蒸发侧的压力可成功地维持在低值。在一个蒸发器中凝结蒸汽成倍增加，是多效蒸发过程的标志，其系统图见图2。1k g 蒸图2M E D 原理图2 海水淡化的热法技术对比表1 是2 种热法海水淡化的特点比较。表1热法海水淡化的特点对比M S F 技术非常成熟，单台规模大，使用寿命长，出水品质好，热效率高；但是投资规模大，适合严重缺水的地区，与电厂结合形成水电联产更有竞争优势。M E D 运行稳定可靠，维护费用低 万方数据海水淡化的热法技术及其应用发电设备(2 0 0 9N o 2)廉，耗电量小。淡化水水质高，适用电厂水电联产；但是单台规模较小，投资较大。目前应用低温多效进行海水淡化的用户较多。海水淡化过程废弃的浓盐水有可能作为制造化肥及其他产品的原材料。目前热法海水淡化制取的淡水成本还较高，其中能源消耗占成本的主要部分。因此淡化水价格的降低主要取决于可用能源的价格、蒸汽压力级效数、可用蒸汽量和设备价格等方面。制定符合实际的和最佳的技术条件，不断优化海水淡化系统是取得较好经济和社会效益的前提。3 热法海水淡化中主要部件的选材由于受到蒸发器装置的运行温度和海水污染的影响，在设计海水淡化装置时首先要考虑材料。表2 列出了热法海水淡化中的主要部件的选材1 2 1。表2 热法海水淡化中主要部件的选材部件M S FM E D筒身不锈复合钢板3 1 6 L 不锈复合钢板管板镍铜合金3 1 6 L3 1 6 L(r a i n 2 5 N i)隔板镍铜合金3 1 6 L3 1 6 L其余壳体内件；1 复6 1 合材辨料4 t；1 复6 L 合材酬料t筒身外部加强筋碳钢碳钢蒸发器上3 排换热管钛管钛管蒸发器其余换热管铝黄铜管白铜管铝黄铜管白铜管凝汽器换黼钛，篙管钛_ 鬻管日粥冒H 钢百板式换热器钛材钛材管路P P 管及G R P 管P P 管及G R P 管由于M S F 装置浓缩海水的最高工作温度在1 1 0 左右，对传热管和设备本体的腐蚀性较大，必须采用价格昂贵的铜镍合金、特制不锈钢及钛材，因此设备造价高。另外，为了减轻结垢和腐蚀，对进入装置的海水加酸和进行脱气(脱除C 0 z 和O。)，因而也增加了造水成本。而M E D运行温度小于7 0，远远低于M S F 装置的1 1 0，所以其能耗和管壁腐蚀及结垢速率均较低；和M S F 相比，其设备本体和传热管的材质要求也较低。海水淡化装置需要大量耐海水腐蚀的材料，目前国内外大量价廉物美的新材料已用于低温多效的海水淡化设备上。S e a C a r e 海优是一种不锈钢铁素体组织结构，具有强度高，延塑性好且加工硬化率低，增加了N i 含量，是为耐氯点腐蚀、缝隙腐蚀及氯应力腐蚀而设计的合金材料，在国外已广泛用作海水淡化热交换器、海水冷却凝汽器的管材，其价格比钛管低1 5 左右，有比较好的市场竞争力。目前国外也用A 5 0 5 2 铝合金管，其价格是铜管的1 3，重量是铜管的1 4，其横管降膜的亲水性比铜管要好。目前国内有的水一电联产机组的海水淡化装置也已采用，这是今后大型海水淡化装置发展的最有潜力的替换性材料同时，在温度不是很高的工况下，用于壳体的3 1 6 L 材料可用加涂层的碳钢材料来替换，目前已有在小型设备上成功使用的例子。一些塑料、复合材料等逐渐被使用在海水淡化设备上，如M E D 中的喷嘴就用A B S 塑料替代不锈钢材料，内部的检查走道就用碳钢栅架另加喷涂层。4 热法海水淡化的效果和成本(1)近年来M S F 技术有所进展，但无重大突破。主要进展是单机容量进一步扩大，最高可达日产1 0 万t 淡水；在运行管理方面开发了新软件，可协调运行参数，使系统配置最佳化，同时降低运行费用；采用新型聚羧酯防垢剂，兼抑垢和分散作用，可使M S F 在9 5 1 1 0 下运行，且用量少，对环境影响小选用高级奥氏体不锈钢代替镍基合金，以提高运行可靠性，减少停车维修，降低成本等。(2)M E D 为2 0 世纪3 0 年代的海水淡化方法。由于结垢和腐蚀等问题，加上后来M S F 的出现而使M E D 停滞不前。由于美、日等国投人大量资金进行改进提高，使市场占有份额上升。M E D 操作温度在6 0 7 0，使结垢和腐蚀有所减缓，可使用较廉价的材料，以降低成本。(3)如果由电厂配套，实施电一水联产，利用电厂低温余热，那么M E D 技术更为可靠和经济。1 0 万t 级及以上的海水淡化装置，采用M S F 技术则更为安全、可靠和经济。目前海水淡化热法技术在中东各国应用较多，而欧美各国较多是采用反渗透法。(4)天津大港电厂引进的日产30 0 0t 海水1 4 9 万方数据发电设备(2 0 0 9N o 2)海水淡化的热法技术及其应用淡化装置，每天可产淡水约55 0 0t，淡化水成本约7 元t。如果技术上进一步改造，估计淡化水成本可降至4 5 元t。这些都低于自来水深度处理的成本。(5)利用核能淡化海水具有良好的经济效益。若用2 0 0M W 核供热堆供热，日产1 6 万t 的纯净水，总投资需要1 6 亿元人民币，淡化水成本约为3 7 5 元t。5 几种海水淡化的热源5 1 燃气轮机提供能量的海水M E D 装置该组合包括1 台水平管降膜低温多效蒸发器、余热锅炉(H R S G)和1 台燃气轮机(最好燃用天然气)。在该系统中，大量微过热的蒸汽注入燃气轮机，用以增加烟气流量，在贯流式M E D 给水加热器中，注入蒸汽的热量得以完全利用，同时烟气也得到进一步冷却(见图3)。图3 燃气轮机供能的M E D 装置5 2 联合循环机组供能的海水M S F 装置沙特阿拉伯阿布扎比的T a w e e l a hA 2 包括1座7 2 0M w 联合循环电站和日产2 2 73 0 0m 3M S F 海水淡化装置(见图4)。3 台西门子公司的1 5 0 图4 联合循环和M S F 蒸发器流程图V 9 4 3 A 型带余热锅炉(H R S G)的燃气轮机将为2 台背压式汽轮机提供蒸汽。排汽将送入4 台H a n j u n g 公司的5 68 2 5m 3 d 单层十字管M S F蒸发器，其容量相当于现有的最大蒸发器的容量。从蒸发器抽气器回收的C 0 z 气体将被用来使蒸馏物再矿化。联合循环和M S F 装置将燃料消耗、排热和排气降低到了最低限度，从环境保护的观点来看，可使电站发挥更大的社会效益。5 3 核反应堆作为海水淡化的热源深水池反应堆(D P R)是一种极其简单、安全的反应堆。它可以产生适宜的热量和温度，可用作海水淡化的一种热源。一个简单、安全、低成本的核供热站和一个低温M E D 海水淡化厂相结合，所产淡水的成本相比其他组合方法低。6结语目前，世界上海水淡化的主要市场在中东地区，占海水淡化市场的6 0，美洲占2 0，其他地区2 0。在海水淡化装置制造国中，美国和日本占据市场份额的3 0，达数百亿美元。我国海水淡化年产量也已超过了千万吨。中国是继美、法、日、以等国之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一。数年前，我国2 万t d 苦咸水淡化工程已在河北沧州黄骅电厂建成投产。目前，我国每天海水淡化总产量少于5 万t，仅为全球淡化水总产量的0 1。这主要是因为我国海水淡化技术起步虽早，但研究水平及创新能力、装备的开发制造能力、系统设计和集成等方面与国外仍有较大的差距，关键设备仍依赖进口。笔者认为，相关企业应尽快与有关设计院合作，推动海水淡化产业的发展；必须围绕制约海水淡化成本降低的关键问题，研发具有自主知识产权的海水淡化新技术、新工艺、新装备和新产品。提高关键材料和关键设备的国产化率，增强自主建设大型产业化海水淡化工程的能力。参考文献：E 1 3 周敏海水淡化工程中管道材料选用E J 3 腐蚀与防护，2 0 0 6 2 7(1 0)：5 3 6 5 3 9 2 刘尔静，陈海峰低温多效海水淡化主设备的选材 J 发电设备。2 0 0 8，2 2(5)：4 3 6 4 3 7 万方数据海水淡化的热法技术及其应用海水淡化的热法技术及其应用作者：任一峰，刘尔静，REN Yi-feng，LIU Er-jing作者单位：上海电气电站设备有限公司,电站辅机厂,上海,200090刊名：发电设备英文刊名：POWER EQUIPMENT年，卷(期)：2009,23(2)被引用次数：2次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.周敏 海水淡化工程中管道材料选用期刊论文-腐蚀与防护 2006(10)2.刘尔静.陈海峰 低温多效海水淡化主设备的选材期刊论文-发电设备 2008(05)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.张建红.吴礼云.岳勇.马露露.张波.李蔚然 低温多效海水淡化技术经济分析会议论文-20082.徐佳.伍联营.王铎.高从堦.Xu Jia.Wu Lian-ying.Wang Duo.Gao Cong-jie 脱盐过程的比较和选择期刊论文-水处理技术2005,31(11)3.王建平.倪海.朱国栋 沙漠油田高浓度苦咸水淡化技术的研究期刊论文-净水技术2001,20(4)4.聂振都 低温多效蒸馏海水淡化的应用期刊论文-中国电力企业管理2002(9)5.李兆桓 四台阶平行管束降落膜技术海水淡化工艺流程和淡化装置会议论文-20076.何文斌 海水淡化技术在沿海火电厂的应用会议论文-20047.张晓兰.毕勤成.何永清.侯昊 低温多效海水淡化蒸发系统性能分析会议论文-20098.王永青.WANG Yong-qing 低温多效压汽蒸馏海水淡化系统热力分析期刊论文-化学工程2010,38(2)9.杨瑞哲.YANG Rui-zhe 黄骅发电厂海水淡化蒸发器保温施工工艺期刊论文-电力建设2008,29(7)10.周少祥.宋之平 热电联产海水淡化是解决沿海火电厂淡水资源供应的最佳选择会议论文-2001 引证文献(3条)引证文献(3条)1.秦英杰.刘立强.何菲.张艳萍.吴茵.王世昌 内部热能回收式多效膜蒸馏用于海水淡化及浓盐水深度浓缩期刊论文-膜科学与技术 2012(2)2.李长海.张雅潇 海水淡化技术及其应用期刊论文-电力科技与环保 2011(1)3.李长海.张雅潇 海水淡化技术及其应用期刊论文-电力科技与环保 2011(1)本文链接：http:/