大型低溫多效海水淡化裝備技術特點分析

黃維學，王志剛

1.一重集團大連設計研究院有限公司高級工程師，遼寧 大連 116600

海水淡化是水資源的重要補充和戰略儲備，發展海水淡化事業勢在必行。在我國的海水淡化市場中，低溫多效蒸餾法所占的份額越來越大，并且向日產萬噸級以上的大型化發展。

1 工作原理及特點

（1）大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來，蒸汽進入第一效蒸發器，與進料海水熱交換后冷凝成淡化水；海水蒸發的蒸汽進入第二效蒸發器，并使幾乎同量的海水以比第一效更低的溫度蒸發，蒸汽自身又被冷凝。這一過程一直重復到最后一效，連續產出淡化水（見圖1）；

（2）低溫多效蒸餾技術的最大特點是鹽水的蒸發溫度不超過70℃，最高鹽水濃度控制在7%以下，為了避免海水中的氧氣對設備造成腐蝕，進入低溫多效蒸餾裝置的海水首先需要在冷凝器中進行脫氣處理，而且整個蒸發冷凝過程都必須在真空條件下進行，這樣可減緩設備的腐蝕和結垢，提高設備的使用性能、降低運行成本；

圖1 大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置

（3）低溫多效海水淡化裝置的造水比在一定范圍內與蒸發器的效數成正比，如果蒸發器的效數較少，造水比就較低。但是蒸發器的效數又不能過多，否則難以形成溫度梯度，換熱過程無法進行。

2 問題及對策

設計大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備首先要確定工藝流程，掌握初始條件，進行工藝計算，然后就是考慮裝備結構形式和制造材料的問題。本文僅對大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備的工藝流程選擇、設備結構形式、制造材料選擇這幾個問題進行論述。

2.1 工藝流程選擇

（1）工藝流程特點

低溫多效蒸餾系統內的流體只有鹽水和蒸汽兩種。由于蒸汽一定是從高壓效流向低壓效，故系統蒸汽流程和不凝氣流程都是相同的，而差異最大的就是鹽水的流程。其工藝流程主要有三種，分別是順流、逆流和平流。順流是指鹽水流動的路線與蒸汽流向相同，按從高壓效到低壓效的次序流動；逆流是指鹽水流動的路線和蒸汽的流向相反，按從低壓效到高壓效的次序流動；平流是指各效都單獨平行加入鹽水。順流的優點是不需要輸送泵，但在后幾效隨著鹽水濃度的增高，沸點也隨之增高，不容易維持較大的溫度差，不利于傳熱；逆流一般用于濃縮比較高的生產過程，濃鹽水在低溫下黏度較大，相應的傳熱系數較小。因此，為了均衡各效的傳熱系數可采用逆流的流程，但逆流工藝流程需要使用輸送泵，會增加運行及維護成本；平流的特點是在蒸發過程中有結晶易于析出[1]。

（2）大型蒸餾水系統工藝流程

大型低溫多效蒸餾系統中，當濃縮比約等于2時，為保證系統傳熱管充分潤濕及各效液體負荷盡可能均衡，需要將幾效合為一個效組并按此方式設置多個效組，每個效組采用平流進料；由于系統中冷凝器的真空度最高，海水成膜狀在傳熱管外預熱的同時，其中所溶解的不凝氣體（二氧化碳、氮氣、氧氣等）被最大程度地釋放，從而減小蒸發冷凝過程中因不凝氣存在對傳熱系數降低的影響。因此雖然效組間采用逆流進料需要通過輸送泵維持流程的進行，增加了運營成本，但是造水比也相對增大。故大型低溫多效蒸餾系統多采用逆流和平流相結合的混合工藝流程（見圖2）。

圖2 逆流和平流相結合的混合工藝流程

（3）熱壓縮裝置的作用

由于大型低溫多效蒸餾系統所使用的動力加熱蒸汽壓力和溫度均高于低溫多效海水淡化的合理范圍，故系統應設置熱壓縮裝置，利用加熱蒸汽抽吸中間效的部分二次蒸汽，待壓力降低后作為第一效蒸發器加熱蒸汽，能有效地避免首效蒸發器的結垢，并提高系統的造水比。

（4）不凝氣抽取

由于進料海水中含有的不凝氣會影響蒸發器換熱效率，為此需要設置不凝氣抽氣系統。不凝氣抽取系統可采用與動力蒸汽壓力相同的蒸汽。常見的不凝氣抽取有兩種方式：一是在不凝氣富集到冷凝器時通過抽氣泵抽取后排放到大氣；二是將各效蒸發器的不凝氣通過一些專門的管道抽取后排放到大氣中。第一種方式的能量利用率更高一些，但是，隨著不凝氣在末幾效的富集，換熱系數有所下降；第二種方式的能量利用效率雖然較低，但不會導致不凝氣富集現象發生。

2.2 結構優化

低溫多效系統分4個主要組成部分：蒸發器、冷凝器、真空噴射系統、管道系統。由于蒸發器為多效組件，故制造成本最高，而影響系統性能的最關鍵因素是真空噴射系統。因此，這兩部分是結構優化的重點。當然，結構優化的最終目標不能僅限于提升系統的性能，如減少換熱面積，增加造水比，減少噸水電耗等，而且還應包括減少建設投資和運行成本。

（1）蒸發器

由蒸發器和冷凝器構成的封閉容器主要由以下部分組成：殼體、外部加強圈、內部支撐架、鞍座、換熱管束、海水噴淋系統、汽水分離器、水室及密封裝置、淡水連接管、鹽水連接管、不凝氣抽出口、檢修人孔等。

由于蒸發器是有相變的真空換熱設備，所以對蒸發器進行結構優化設計時要首先考慮設備傳熱性能的好壞，這又涉及到物料水的分配系統、管束布置和不凝氣的抽取等相關問題。與此同時還要兼顧加工工藝的可行性和制造成本。由于蒸發器必須保證密封，防止蒸汽泄露，各效之間的連接既可以采用法蘭加橡膠密封，也可以焊接成整體。對換熱管束合理劃分流程，既可提高管內蒸汽的流速，也有利于排出管內冷凝液體，改善管內換熱性能。目前，大型低溫多效蒸餾裝置蒸發器一般采用圓柱體結構，換熱管按蒸發器軸向布置，并可以設置多管程；也有采用長方體結構，換熱管按蒸發器徑向布置，這種結構適用于軸向長度受限制的場所。蒸發器筒體直徑要根據工程的場地情況和傳熱面積計算結果合理確定。冷凝器的結構形式與蒸發器相同。此外，合理選擇不凝氣的抽取量是保證熱能利用效率的必要條件，而擴大管內蒸汽冷凝段的面積能提高蒸發器的效率；通過對管束和殼體的結構優化可減少因蒸汽壓力損失所引起的溫差損失，減小換熱面積。

在多效蒸發過程中，由于效間壓力的降低，使上一效進入下一效的濃海水和淡水利用自身的顯熱進行閃蒸，雖然閃蒸的氣量占各效的總蒸發量很少，但不能忽略此過程對傳熱面積的影響。

（2）噴射系統

蒸汽噴射系統的抽氣效位置和引射能力是影響整個低溫多效系統使用性能的關鍵因素。盡管蒸汽噴射系統的工程造價在整個系統中所占的比例不高，但是蒸汽噴射系統的研究一直是各個海水淡化制造商的重要課題。截至目前，國內該類大型海水淡化工程的真空噴射系統均采用進口真空泵（見圖3）。因此，真空噴射系統國產化的瓶頸是在設計研發而非加工制造環節。而且真空噴射系統國產化需要由專業生產廠家組建一支專門研發真空噴射系統的團隊，為海水淡化裝備制造商提供解決方案。

（3）管道系統

圖3 大型真空蒸汽噴射泵示意圖

管道系統的優化要和工藝流程優化結合起來，因為工藝流程直接決定管道系統的布置，閥門設置、管道的布置和水泵的選型等主要工作。包括抽真空、抽不凝氣、蒸汽噴射等整個蒸汽系統的管道必須整體考慮，合理布置共用管道；工藝流程決定水泵的流量，而管道布置會影響水泵的出口壓力，從而影響水泵的能耗，即影響噸水電耗。由于噸水電耗是考核低溫多效系統性能優劣的主要指標之一，因此管道系統的設計首先要確保低溫多效系統的噸水電耗在合理范圍內，其次還應盡可能減少占地面積及建設投資。

2.3 材料選擇

大型低溫多效蒸餾海水淡化裝備可以用不同的材料制造。因此也就存在材料選擇的問題。在同等條件下，用戶自然會傾向于既經久耐用又價格低廉的材料。如果材料可以相互替代，那么材料的防腐問題是很重要的考核指標。大型低溫多效系統中常見的腐蝕包括氯離子腐蝕、重金屬腐蝕和電化學腐蝕等。具體地說，與高速流動的海水相接觸的設備表面多采用鈦合金材料，例如冷凝器管束和蒸發器的上部管束，而換熱管以鋁黃銅居多，也有將鋁管作為換熱管，但需采用相應的配套工藝來防止鋁管腐蝕。蒸發器和冷凝器的殼體、外部的加強圈和內部的支撐結構件均采用金屬材料。由于殼體內部直接與海水及蒸汽接觸，為防止金屬材料被腐蝕，使用不銹鋼是一種很好的選擇；還有就是使用碳鋼加防腐涂層技術，盡管碳鋼價格較便宜，但要注意做好防腐涂層以保證使用壽命和安全衛生。蒸發器和冷凝器殼體的主要作用是保持真空，避免氣體泄露，而殼體的剛度基本依靠外部的加強圈和內部的支撐結構件。就管路而言蒸汽管道使用碳鋼管，低壓水管可以使用玻璃鋼管，而殼體內的噴淋管使用聚丙烯管為好，對于密封用橡膠及塑料應要求既經久耐用又安全衛生。

3 結語

綜上所述，在大型低溫多效海水淡化設計時要選擇合適的工藝流程、要優化設備結構、要注意設備制造材料的選擇，這樣才能生產出性能好、造價低、具有市場競爭力的海水淡化設備。