低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置運(yùn)行性能研究

低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置運(yùn)行性能研究

1低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)海水處理是去除海水中的養(yǎng)分和水分的技術(shù)和過程。主要技術(shù)包括熱法、膜法、電鉻法和化學(xué)法。其中，多效多效蒸發(fā)、多孔蒸發(fā)和滲透是當(dāng)前海水淡化的三種主導(dǎo)技術(shù)，并在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用方面取得了成功[1.3]。多效蒸餾(MED)由于其具有換熱性能好、動(dòng)力消耗少、操作彈性大等優(yōu)勢(shì),在海水淡化技術(shù)中占重要地位[4~10]。同時(shí),低溫多效蒸發(fā)(LT-MED)技術(shù)很好地解決了蒸發(fā)中設(shè)備的結(jié)垢腐蝕問題,且具有低溫運(yùn)行、耗能低,所需熱源品位低的優(yōu)勢(shì),可與電廠、石化企業(yè)合作,運(yùn)行成本具有較大優(yōu)勢(shì)[11~14]。但考慮到結(jié)垢的影響,海水蒸發(fā)溫度一般不超過72℃,從而制約了換熱效率的進(jìn)一步提高,同時(shí)在低溫蒸發(fā)過程中,蒸汽比容的提高要求更大換熱面積,引起設(shè)備投資增加。此外,考慮到系統(tǒng)熱源品位與流量可能存在波動(dòng),而且壓力波動(dòng)可能導(dǎo)致無法保持各效間壓差,所以保證低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是非常重要的。因此,提高低溫多效蒸發(fā)過程的操作溫度,使系統(tǒng)達(dá)到更高的造水比,同時(shí)保證系統(tǒng)可在較寬的操作范圍內(nèi)高效運(yùn)行是國(guó)際海水淡化領(lǐng)域致力解決的問題。國(guó)內(nèi)很多研究者對(duì)低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)進(jìn)行了大量研究,主要包括低溫多效海水淡化系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算、對(duì)不同進(jìn)料流程進(jìn)行性能分析、水電聯(lián)產(chǎn)及水熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化研究,以及海水預(yù)處理和濃海水的處理研究等,而大多研究都是基于水平管降膜蒸發(fā)技術(shù),并不能很好地指導(dǎo)海水豎管降膜蒸發(fā)研究。此外,研究者從工程角度模擬海水,對(duì)鹽溶液的傳熱特性進(jìn)行了研究,為優(yōu)化多效蒸發(fā)海水濃縮過程提供了依據(jù)。國(guó)外學(xué)者對(duì)降膜蒸發(fā)過程中噴淋密度、傳熱管管徑等因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。Sideman的研究結(jié)果表明在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),總傳熱系數(shù)與管外液膜流動(dòng)的雷諾數(shù)大小無關(guān),而V.Slesarenko通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定流量范圍內(nèi),傳熱系數(shù)不隨進(jìn)料量的變化而變化。同時(shí),有研究表明,隨著進(jìn)料量增大,蒸發(fā)系數(shù)先增大后減小。由此可見,上述研究在實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)等方面存在較大差異,需要建立一套小型海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)傳熱性能進(jìn)行系統(tǒng)地研究。綜上所述,針對(duì)低溫多效豎管蒸發(fā)技術(shù)的研究主要集中在單管蒸發(fā)、常壓蒸發(fā)等蒸發(fā)器傳熱過程方面,對(duì)系統(tǒng)工藝各子環(huán)節(jié)均有報(bào)道,但缺乏整套工藝設(shè)備的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了對(duì)低溫多效海水淡化技術(shù)進(jìn)行深入研究,本文采用大連區(qū)域的實(shí)際海水,依托1tuf0d7d-1低溫多效豎管蒸發(fā)海水淡化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)大型海水淡化工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),考察了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行性能的穩(wěn)定性;并系統(tǒng)地研究了不同的海水進(jìn)料量及首效蒸汽溫度對(duì)造水比、濃縮比和產(chǎn)品水質(zhì)等系統(tǒng)性能的影響,為低溫多效蒸發(fā)技術(shù)的工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)部分2.1蒸發(fā)工藝流程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由鍋爐、預(yù)熱器、多介質(zhì)過濾器、微濾、蒸發(fā)器段、冷凝器和水罐,以及各種泵組成,主要實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。海水線:原料海水進(jìn)入末效冷凝器冷卻二次蒸汽,出來后一部分作為冷卻水通往脫氣冷凝器后再入原料罐;另一部分進(jìn)入多介質(zhì)過濾器,流經(jīng)微濾器、脫氣預(yù)熱器,進(jìn)入脫氣塔進(jìn)行脫碳脫氧,然后通入預(yù)熱器,依次進(jìn)入零效、一效、二效、三效進(jìn)行蒸發(fā),最后濃縮海水進(jìn)入濃海水罐,最后回到原料罐中。熱源線:用鍋爐蒸汽作為外來熱源,進(jìn)入預(yù)熱器,零效蒸發(fā)器以及脫氣預(yù)熱器,冷凝水都回送到鍋爐回水罐。零效產(chǎn)生的二次蒸汽作為一效的熱源,進(jìn)入一效蒸發(fā)器的殼程,冷凝淡水通過U型管進(jìn)入第一效蒸發(fā)器,部分發(fā)生閃蒸;依次類推,三效出來的二次蒸汽在末效冷凝器中冷凝下來進(jìn)入產(chǎn)品水罐。實(shí)驗(yàn)中海水是循環(huán)使用的,濃鹽水和產(chǎn)品水都回送原料罐。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用上下兩層結(jié)構(gòu),蒸發(fā)段裝置包括預(yù)熱器,四效蒸發(fā)器和末效冷凝器都安排在上層,其他設(shè)備以及輸送泵都安裝在下層地面上。上下層結(jié)構(gòu)合理利用了空間,實(shí)驗(yàn)觀察更方便,在蒸發(fā)器后面設(shè)有扶梯,可透過蒸發(fā)器頂部的視窗清楚地觀察海水布液情況。詳細(xì)設(shè)備尺寸參數(shù)見表1。2.2蒸發(fā)系統(tǒng)操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在低壓下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)步驟包括:首先,預(yù)熱鍋爐,并排除不凝氣;然后啟動(dòng)冷卻水循環(huán)泵和真空泵,將系統(tǒng)整體壓力抽至0.3kPa;再啟動(dòng)原料進(jìn)料泵,并控制進(jìn)料量為200kguf0d7h-1,當(dāng)脫氣塔底的液位到60%,啟動(dòng)脫氣塔底泵,并投自控,啟動(dòng)整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行操作,適時(shí)排系統(tǒng)的不凝氣;實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定后,由數(shù)據(jù)采集器采集溫度,壓力,流量等相關(guān)數(shù)據(jù);改變操作參數(shù),重復(fù)實(shí)驗(yàn)。2.3水流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要測(cè)量參數(shù)包括:溫度、壓力、流量、液位、電導(dǎo)率、pH等。其中,溫度和壓力通過設(shè)置在主體設(shè)備和工藝管道上的鉑電阻和壓力計(jì)測(cè)量;海水、濃水和產(chǎn)品水流量由安裝在管道上的電磁流量計(jì)測(cè)量;在產(chǎn)品水泵出口設(shè)置在線電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x和pH計(jì)。實(shí)驗(yàn)中所有測(cè)量數(shù)據(jù)由電腦監(jiān)控并進(jìn)行自動(dòng)記錄。流量計(jì)、pH計(jì)和電導(dǎo)儀等測(cè)量?jī)x器在實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行了標(biāo)定。以淡水為工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,將測(cè)得的各效飽和蒸汽溫度和壓力傳感器所測(cè)的殼程壓力與公式計(jì)算值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度與壓力的對(duì)應(yīng)值與Antoine公式計(jì)算值略有差異,但都在較小范圍之內(nèi),因此,認(rèn)為測(cè)量的溫度和壓力滿足實(shí)驗(yàn)需要。2.4次蒸汽質(zhì)量在實(shí)驗(yàn)之前,以淡水為工質(zhì),對(duì)系統(tǒng)熱平衡進(jìn)行分析。簡(jiǎn)單流程見圖4,一定量蒸汽作為一效熱源,進(jìn)出第一效和第二效的淡水溫度分別為td0、td1和td1、td2,體積流量分別為Fdv1、Fdv2和Fdv2、Fdv3,相應(yīng)的密度為uf072d1、uf072d2和uf072d2、uf072d3產(chǎn)生的二次蒸汽質(zhì)量分別為m1,m2。符號(hào)下標(biāo)中d表示淡水。由質(zhì)量守恒可知第一效的蒸發(fā)水量m1為:則第一效產(chǎn)生蒸汽量為m1,作為加熱蒸汽進(jìn)入第二效殼程加熱第二效淡水,蒸發(fā)水量可以計(jì)算為:第一效產(chǎn)生的二次蒸汽加熱第二效淡水在殼程冷凝時(shí)放出的熱量Q1為:第二效管內(nèi)二次蒸汽帶走的熱量Q2為:計(jì)算殼程和管程的熱量Q1和Q2的相對(duì)誤差:如圖5所示,相對(duì)誤差ε的絕對(duì)值均小于10%,說明整個(gè)海水淡化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的穩(wěn)定性。3結(jié)果與討論3.1要組成的組成“濃縮比”(CR)是指末效鹽水濃度(總固溶物TDS)與原料海水濃度之比。海水的濃縮比能夠反映出海水利用率,濃縮比越大海水利用率越高,但由于結(jié)垢因素制約,末效鹽水的濃縮比一般都不超過2。本實(shí)驗(yàn)采用的海水為大連地區(qū)實(shí)際海水,其主要組成見表2。圖6給出了不同流量下濃縮比隨首效溫度(TBT)變化情況。隨首效溫度增加,濃縮比先減小后增大。溫度較低時(shí),系統(tǒng)壓力較低,利于海水蒸發(fā);溫度較高時(shí),系統(tǒng)輸入熱量增加,而海水始末溫度不變,蒸發(fā)出的淡水增多?？紤]到系統(tǒng)壓力降低幅度有限,適當(dāng)提高首效溫度可作為提高海水利用率的有效手段。如圖7所示,在不同的首效溫度下,隨著處理量的增大,海水濃縮比減小。當(dāng)處理量小于120kguf0d7h-1時(shí),各個(gè)首效溫度下的濃縮比均大于2,而當(dāng)處理量高于120kguf0d7h-1,首效溫度降至66℃時(shí),海水的濃縮比略低于2。這是由于隨著處理量的增大,換熱管上液膜變厚,增加了換熱阻力,降低了蒸發(fā)器的傳熱性能,導(dǎo)致了濃縮比減小。因此,可根據(jù)實(shí)際工況采用相應(yīng)的處理量來獲得需要的海水濃縮比。3.2能綜合指標(biāo):能造水比是考察海水淡化裝置的重要參數(shù),關(guān)系到系統(tǒng)熱量的利用效率,可作為考察整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。如圖8所示,在相同首效溫度下,造水比在3左右波動(dòng),沒有隨海水處理量而明顯變化。由于汽化潛熱隨蒸汽溫度升高而減小,所以隨著加熱蒸汽溫度提高,單位質(zhì)量蒸汽冷凝放出的熱量減小,同時(shí)海水溫度提高使得濃海水帶走的熱量大大增加,導(dǎo)致造水比并沒有隨首效溫度的提高而增加。3.3產(chǎn)品水水質(zhì)測(cè)定海水淡化產(chǎn)品水的水質(zhì)是衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用在線監(jiān)測(cè)以及定時(shí)采集兩種方法檢測(cè)產(chǎn)品水水質(zhì)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,電導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定值,一般都在10μSuf0d7cm-1以下,最小可達(dá)到1.59μSuf0d7cm-1,對(duì)應(yīng)產(chǎn)品水的TDS均在5ppm以內(nèi)。4海水淡化工程主要參數(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)大型海水淡化工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),本文依托1tuf0d7d-1低溫多效蒸發(fā)海水淡化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),考察了系統(tǒng)運(yùn)行性能的穩(wěn)定性;系統(tǒng)地研究了不同的海水進(jìn)料量及首效蒸汽溫度對(duì)造水比、濃縮比和產(chǎn)品水質(zhì)等系統(tǒng)性能的影響,得到以下結(jié)論:(1)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作方便,運(yùn)行平穩(wěn),操作彈性大,性能優(yōu)良,為低溫多效海水淡化裝置梯級(jí)放大的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考和借鑒。(2)在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),造水比受首效溫