低溫多效蒸餾海水淡化系統污堵原因分析及改進

馬世松

（河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061113）

0 概 述

河北國華滄東發電廠以600MW等級汽輪機的抽汽作為汽源，采用低溫多效蒸餾海水淡化技術制造淡水，一期工程與發電機組配套建有2臺萬噸級海水淡化裝置。設計要求海水淡化裝置入口處海水的總懸浮物（TSS）含量應小于300mg／L，但該裝置入口處海水的泥沙和懸浮物含量較高，且含量的變化較大。在歷史監測數據中顯示，該處海水的TSS含量一般在100～500mg／L。因此，為保證入口處海水的水質符合海淡設備的運行要求，在一期工程中，增加了2臺海水淡化裝置的預處理設備。選用兩列高效沉淀池，采用混凝澄清工藝對原海水進行預處理，共包括混凝、絮凝和沉降等三個過程［1］，處理海水的工藝流程，如圖1所示。預處理設備加入的主要藥品為混凝劑，其次是絮凝劑，混凝劑設計選用濃度為41%的FeCl3溶液，加藥量通常控制在80mg／L，年用量約646t；絮凝劑設計選用聚丙烯酰胺，年用量約4t。

圖1 海水淡化預處理設備工藝流程圖

每年冬季檢查海水淡化裝置時，就會發現在蒸發器換熱管表面、冷凝器和板式換熱器的換熱管內部含有大量紅褐色污垢，如圖2所示。這些污垢堵塞換熱管后，使海水淡化裝置進效海水的流量降低，并影響換熱器的換熱作用，從而導致海水淡化設備的制水效率大幅下降。在某年冬季，海水淡化裝置的造水比由設計值8.33劇降至4.5左右，為此，被迫停運海水淡化裝置進行污垢清理。

圖2 蒸發器換熱管表面的污垢

1 海水淡化設備被污堵的原因

該電廠附近海域的海水溫度每年約有3個半月在5℃以下（冬季時海水的最低溫度達－1.5℃）。

海水溫度的變化將對海水預處理的效果產生影響。利用混凝和絮凝的工藝方法，分別向高效沉淀池和絮凝池加入混凝劑三氯化鐵和絮凝劑聚丙烯酰胺，與天然海水中的堿度發生反應形成氫氧化鐵膠鐵，形成的絮凝物密度大且沉降性能好，對高濁水、低濁水的混凝效果比用鋁鹽更好，在5℃以下FeCl3的活性極差，遇到后續反應過程的溫升將激發活性，并在下級海水淡化裝置中溫度較高部位（如蒸發器和板式換熱器中）形成膠體，形成氧化鐵類［Fe2O3·nH2O］的紅褐色污垢并堵塞換熱管，如圖3所示。

圖3 冷凝器換熱管內部被污垢堵塞的狀況

這些化學反應為：

（1）水解反應：一般無機鹽的水解反應為吸熱反應，當水溫低于5℃時，水解速度極慢，形成的礬花細小、松散。

（2）混凝及絮凝反應：混凝反應的速度取決于反應顆粒的碰撞幾率，在低溫條件下顆粒的布朗運動減慢，動能降低，水的黏度增大，這些都不利于顆粒的碰撞和絮凝體的長大，形成的絮凝物結構疏松，含水量多，顆粒細小［2］。

（3）沉降過程：在低溫條件下，混凝反應生成的絮體顆粒細小，加之水的黏度增大，因此造成絮凝體沉降速度相對下降，出水水質差。

通過分析，海水淡化換熱設備產生污堵主要是因預處理的加藥所致，因此，需對預處理加藥工藝進行改進。

2 海水淡化預處理停止加藥試驗

當原海水的溫度低于5℃時，停止向海水預處理沉淀池和絮凝池加入混凝劑和絮凝劑，僅靠重力沉降作用對原海水進行處理。在試驗過程中，為保證預處理出水水質滿足海淡設備的進水要求，以預處理出水總懸浮物含量在300mg／L內，作為滿足試驗要求的最終判斷標準，以預處理出水濁度在300NTU內，作為試驗要求的輔助判斷標準。停止加藥試驗的流程，如圖4所示。停止加藥后的監測數據顯示，如圖5所示。盡管海水淡化預處理的出水水質有所波動，但出水的TSS均小于160mg／L（重量法人工測定）、出水的濁度均小于140NTU（在線監測值），說明了在停止對海水加藥期間，依靠預處理的物理沉降后的出水水質能滿足下級海水淡化裝置的進水要求。通過對系統內部的檢查發現，海水淡化預處理停止加藥后，蒸發器換熱管表面及其它換熱器的換熱管表面均清潔和光亮，如圖6、圖7所示。因此，盡管在海水預處理過程中，包括了混凝、絮凝和沉降等三個過程，但通過停止加藥的試驗發現，海水淡化的預處理加藥工藝有改進和優化空間。在冬季停止加藥試驗成功的基礎上，將預處理停止加藥的試驗周期擴展至全年。在后期的試驗結果表明，全年停止加藥在海水淡化的預處理也是可行的，停止加藥的試驗成功后，同時也產生了很大的經濟效益和社會效益。（1）全年節約藥品費用約80萬元，其中削減三氯化鐵用量646t，每年節約77.52萬元，削減聚丙烯酰胺用量4t，每年節約2.64萬元；（2）減少了換熱器的污堵，使海水淡化系統的制水效率明顯提高，冬季可平均提高1個造水比，降低制水成本0.3元／噸水；（3）每年減少檢修費用（包括設備定期清理及因清理所發生的備件更換費用）13萬元，減輕了檢修和維護工作量；（4）為二期工程的萬噸級海水淡化預處理系統設計提供了理論和試驗依據［3］。

圖4 海水淡化預處理停止加藥試驗框圖

圖5 海水淡化預處理停止加藥后出水水質曲線圖

圖6 停止加藥后蒸發器換熱管的表面較為清潔

圖7 停止加藥后冷凝器換熱管內部較為清潔

3 結 語

在低溫多效蒸餾海水淡化系統的傳統設計中，為保證海水淡化裝置進水水質，常采用混凝澄清工藝的預處理設備，但在實際運行中發現，混凝澄清工藝中加入的混凝劑和絮凝劑會使下級海水淡化換熱設備產生污堵，尤其在海水溫度較低的季節，更易產生污堵現象。污堵產生的主要原因是海水淡化換熱設備中局部區域的溫度較高，混凝藥品在該處易發生反應而生成沉淀物。針對產生污堵原因，對混凝澄清工藝進行試驗并加以改進，試驗結果證明，停止加入混凝藥品后，僅依靠預處理的物理沉降過程，也可保證其出水水質滿足設計要求。因此，在二期設計容量為1.25萬t／d國產低溫多效蒸餾海水淡化系統中，并未設置海水預處理設備，只是簡單設置一座緩沖水池，兼用作海水提升泵蓄水池，系統投產至今，運行情況良好，沒有再次發生換熱管的污堵現象。通過改進預處理工藝，不但節省了藥品費用，也防止了結垢現象的發生。