鈦材在低溫多效海水淡化工業中的應用

趙斌　紀騰飛

摘 要：介紹了低溫多效海水淡化的基本原理，結合低溫多效海水淡化工業傳統材料不銹鋼、銅合金、鋁合金材料存在的問題，提出鈦材能有效彌補以上材料的不足，并根據國內外在低溫多效海水淡化工業中鈦材的使用情況，對未來我國鈦材在低溫多效海水淡化工業的應用進行展望。

關鍵詞：鈦材；海水淡化；問題；應用

中圖分類號： TG 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-237-2

0 引言

海水淡化技術是開發利用和保護水資源的重要手段和有效方法，海水淡化產業的高速發展，對緩解全球淡水資源短缺、供需矛盾日趨突出和環境污染日益嚴重等一系列重大問題具有深遠的戰略意義。

海水淡化方法按分離過程可分為蒸餾法、冷凍法、反滲透法、太陽能法、電解析法、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。雖然海水淡化方法多種多樣，但目前世界上使用較多且規?；瘧玫暮Ｋ挥卸嗉夐W蒸（MSF）、低溫多效（MED）、反滲透法（RO）等方法。目前來看全世界范圍內再裝機組還是以低溫多效（MED）為主，占到整個海水淡化機組的一半以上。

1 低溫多效海水淡化的基本原理及現有材料的問題

1.1 低溫多效海水淡化的基本原理

所謂低溫多效海水淡化技術是指蒸發器內處于中度真空環境下，使得鹽水的沸點降低至70℃的海水淡化技術，其主要機構形式為把一系列水平管降膜蒸發器串聯起來形成許多能效組，利用廢熱蒸汽輸入各個能效組對海水進行不斷地蒸發，對海水產生的二次蒸汽進行冷凝，從而得到蒸餾水，并且使未凝結蒸汽進入下一級蒸發器作為熱源蒸汽循環使用的海水淡化技術。低溫多效海水淡化的工藝流程如圖1所示。

低溫多效蒸餾海水淡化技術，利用熱電廠、化工廠、鋼鐵、低溫核反應堆提供的廢熱蒸汽，即可緩解沿海地區企業的缺水問題，又能實現資源綜合利用，讓淡水成本顯著降低。所以在一定程度上推進了低溫多效海水淡化的發展。利用廢熱蒸汽對海水進行蒸發形成二次蒸汽，二次蒸汽經過冷凝凝結成淡水，通過調整二次蒸汽的產量和冷凝速率達到比較理想的產水比，特別適合于利用低位余熱的大中型海水淡化使用。低溫多效海水淡化技術生產的淡水鹽度<5mg/L，完全可以滿足工業鍋爐用水、生產過程工藝用水、大規模的市政飲用水用水的要求。

1.2 低溫多效海水淡化工業中現有材料存在的問題

海水具有腐蝕性電解質溶液特性，當淡化設備使用普通碳鋼材料時，海水作為介質會對材料產生嚴重腐蝕，顯著降低設備的使用壽命。

不銹鋼材料在海洋大氣中耐蝕性較好，但是處于全浸區時腐蝕現象嚴重，而且不銹鋼材料與異種金屬接觸會導致電偶腐蝕，不銹鋼材料管道內海水流速需適宜，過小會引起雜物沉積腐蝕，過大會沖擊鈍化膜，局部膜破壞后引起點蝕等腐蝕。

銅合金材料一般作為清潔海水中冷卻器管子的材料，主要有海軍銅、鋁黃銅等，銅合金材料與海水接觸時表面生成一層氧化亞銅保護膜，可提高銅管的耐蝕性，但是銅管在使用過程中會產生沖蝕與沉積腐蝕現象。

鋁合金材料在海水中幾乎不具備抗污損能力，污損海生物對鋁合金有明顯腐蝕傾向。鋁合金材料在海水淡化工業中使用時常常會在間隙或邊緣出現表面腐蝕較深的點蝕，這是海水中污損生物引起的鋁合金材料縫隙腐蝕問題。

2 鈦材在低溫多效海水淡化中的優勢

鈦材的密度為4.51g/cm3，高于鋁合金但低于不銹鋼與銅合金，但鈦材比強度位于金屬之首，是不銹鋼的3倍，是鋁合金的1.3倍。鈦的表面暴露在大氣或者水溶液中，立即會形成氧化膜，例如在室溫大氣中氧化膜厚度約為1.2～1.6nm，并隨時間的延長而增厚，70天增厚到5nm，545天以后氧化膜厚度逐漸增加到8～9nm。所以在制造裝配過程中對鈦材表面氧化膜損傷，鈦材表面會很快與氧氣化合形成新的氧化膜。鈦對氯離子也具有很強的抗腐蝕性，在海水中，銅的腐蝕率為0.05mm/年，鋁的腐蝕率為0.01mm/年，而鈦的腐蝕率僅為0.003mm/年。

對于海水淡化蒸發器而言，蒸發管作為設備的核心部件。蒸發管的使用壽命直接決定了蒸發器的維修頻率和維修及維護成本，所以對于碳鋼、不銹鋼、銅合金以及鋁合金蒸發管來說，鈦蒸發管的使用年限明顯更長。海水中含有大量泥沙、微生物，海水進入蒸發后泥沙及微生物后附著于蒸發管內部，使得該部位合金管出現間隙腐蝕、堵塞等問題，嚴重時會使蒸發管失效。然而鈦材蒸發管就不會出現此類問題，為了保證水質有時不得不注入氧來殺死海水中的微生物時，更需使用耐蝕性能優異的鈦材蒸發管；鈦材的導熱系數雖然比碳鋼、銅合金、鋁合金低，但由于鈦材具有優異的耐腐蝕性能，所以鈦材蒸發管壁厚可以大大減薄，同樣作業條件下，鈦管壁厚僅為銅管的一半；海水流速為3～5m/s時，鈦制海水淡化設備的生物污堵現象最為輕微，鈦換熱器的污堵系數約為0.99～0.95，而且鈦表面不易結垢，可減少熱阻，使鈦的換熱性能顯著提高。

鈦材低溫多效海水淡化設備的總造價約為不銹鋼低溫多效海水淡化設備的2.5倍，但鈦材在海水環境中的使用壽命約為不銹鋼的2倍，因此使用鈦材可有效降低管道和設備的維修成本，同時延長了設備和管道的使用時間，經過對使用周期內的運行成本核算實際上是降低了成本。由于鈦材設備及管道在低溫多效海水淡化系統中不存在腐蝕問題，避免了設備及管道的腐蝕從而對產水系統產生腐蝕。所以鈦材是低溫多效海水淡化工業中的一種理想材料。

3 國內外使用情況

日本對于低溫多效海水的應用研究起步最早最成熟的國家，同時也是世界上最早在低溫多效海水淡化工業中采用鈦材。從十九世紀七十年代開始日本工業技術研究院就開始在低溫多效海水淡化蒸發器中使用直徑Φ19，壁厚分別為0.3mm和0.4mm鈦管作為蒸發管及冷凝管進行試驗。通過報道顯示目前日本已經在低溫多效海水淡化設備中成熟使用了0.5～0.7mm壁厚的鈦管。根據相關資料顯示日本在已建成的低溫多效海水淡化裝置中的鈦材使用總量達到了8000噸，采用Φ18×0.5和Φ19.05×0.5的鈦管作為蒸發管使用，而冷凝管采用Φ22×0.6和Φ25.4×0.7的鈦管。由于鈦材有著優良的耐蝕性所以在海水含鹽量高、水溫高、水污染比較嚴重的地方，鈦材的用量將大大提高。目前日本在低溫多效海水淡化設備中每萬噸產水裝置約使用5—10噸鈦材。

相對于日本來說國內關于鈦材在低溫多效海水淡化的應用研究起步較晚，從目前公開資料顯示國內在西沙群島建成一臺日產水200噸的低溫多效海水淡化裝置已使用鈦材，另外在部分海水淡化裝置熱放部位也使用鈦焊管使用情況良好，為未來鈦材在低溫多效海水淡化工業的應用提供了有力依據。

4 結語

隨著中國沿海地區淡水需求的日益增加，低溫多效海水淡化工業作為海水淡化工業的龍頭必將成為我國的一項新興產業。由于近年來鈦材價格大幅下滑，使得鈦材材料費在整個低溫多效海水淡化裝置所占比重也大幅下滑，因此鈦材在低溫多效海水淡化工業中的應用將有很廣闊的市場前景。

參 考 文 獻

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