熱法海水淡化裝置阻垢集成技術研究及應用

唐智新，汪國川，吳 剛，王偉業，楊榮力，曹云明

（1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200；2.首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北唐山 064404）

前言

水資源短缺已經嚴重制約著社會經濟的快速發展，海水淡化技術日益成熟，已成為解決水資源短缺的有效技術。目前大規模工程化應用的海水淡化技術主要包括膜法中反滲透以及熱法中的多級閃蒸、多效蒸餾[1]。由于海水中有大量的易結垢離子，熱法海水淡化裝置在蒸發濃縮過程中，易結晶析出沉淀在換熱管表面形成硬垢。結垢會導致換熱管的熱傳導系數降低，使制水能耗大幅度升高，更嚴重的是易形成垢下腐蝕，造成換熱管穿孔泄漏，影響淡化水品質，并增加運行維護費用[2]。為保證系統的穩定運轉，需要采取多種阻垢和清洗技術。酸化和藥劑阻垢是最早也是最常用的阻垢技術，機械清洗和酸洗則是最常用的清洗方法[3]。但這些阻垢及清洗技術主要是針對碳酸鈣垢，對硫酸鈣垢的阻垢及清洗效果較差。針對首鋼京唐公司低溫多效蒸餾海水淡化裝置結垢情況，從加藥系統優化、新技術運用、清洗技術研發等方面進行了研究及應用。

1 現狀

首鋼京唐公司一期海水淡化項目建設4 套12 500 t/d 的低溫多效蒸餾海水淡化裝置，自2009年投產以來，隨著運行時間的增加以及海洋環境的變化，海水淡化裝置結垢現象日趨嚴重。垢的種類由原來的碳酸鈣為主逐漸變成以硫酸鈣為主，同時含有硅酸鹽等，且碳酸鈣與硫酸鈣交錯分層；垢層由原來的均勻較薄的一層逐漸變成塞滿部分換熱管縫隙。碳酸鈣垢通過常規酸洗方式很容易去除，但常規酸洗等清洗方式很難去除硫酸鈣垢，硫酸鈣結垢嚴重時只能通過更換換熱管的方式來解決，不但檢修時間較長，影響海水淡化產量，而且換熱管價格較貴，檢修費用較高。更重要的是京唐公司采用耦合式鹽平衡的方式實現工業廢水零排放，一旦海水淡化除鹽水減少，將造成工業廢水無法回收利用，進而嚴重危及首鋼京唐公司鋼鐵廠水系統的平衡。因此必須研究新的熱法海水淡化裝置阻垢及清洗技術，以減緩換熱管結垢的現象。

2 加藥系統優化

熱法海水淡化裝置阻垢劑的投加方式基本為補給水母管加藥，藥劑隨補給水均勻進入每一效，各效藥劑濃度均勻一致，由于各效的溫度各不相同，各效的結垢趨勢也各不相同。若按照最不利的效控制加藥量，則其余各效藥效加藥量都相應增加，浪費了藥劑；若按照其它效控制加藥量，可能導致部分效藥劑量不足而結垢，而部分效藥劑量較多而浪費。如首鋼京唐公司熱法海水淡化裝置投加4 mg/L的阻垢劑，隨著運行時間的增加，第1～7效出現不同程度的結垢的現象，其中第1 效結垢情況最為嚴重，第2～3效結垢較輕，第4～7效基本無結垢。

針對首鋼京唐公司海水淡化裝置結垢的實際情況，對其加藥系統進行了優化改造，在補給水母管投加阻垢劑的基礎上，設置了第1 效的單獨加藥裝置。通過閥門控制，既可實現單獨為第1 效額外投加藥劑，控制第1效結垢傾向，又可實現兩套加藥裝置互為備用，減少因加藥裝置的清洗及故障而導致海水淡化裝置停機的時間。加藥系統見圖1。

優化改造后，可以根據熱法海水淡化裝置各效的結垢情況，實現在各效內投加不同藥劑量及不同種類藥劑，可以有效延緩熱法海水淡化裝置的結垢趨勢，單套海水淡化裝置產水量年可以提高1%左右，并減少了海水淡化阻垢劑的使用量，具有較好的經濟效益。

3 新阻垢技術應用

隨著熱法海水淡化技術的不斷發展，新的阻垢技術不斷出現，各種物理阻垢技術應運而生。物理法可使成垢物質失去附壁結垢的能力或不能在加熱管壁上結晶生長，物理阻垢法對環境無危害，并以其節能和環保的的特點而成為研究熱點。目前對物理方法阻垢的研究主要集中在聲場、磁場、電場等各種物理場方面。

量子管通環阻垢技術是基于量子物理和激光振動技術而開發的針對水系統一種新的物理阻垢技術。該技術的核心是針對水中的鈣、鎂、鐵等各種物質開發出改變其物理特征的超精微振動波，以水作為傳輸和儲存這種振動波的介質，使管網中每個角落的水都能載上振動波信息，在整個管網系統中發揮阻垢、除垢、除銹、殺菌、滅藻等作用。與傳統阻垢技術相比，具有功能全面、高效穩定、綠色環保、安裝簡單、綜合費用低等優點。

目前，量子管通環阻垢技術主要應用于鍋爐水系統及循環水系統，還未有在熱法海水淡化裝置上使用的先例。針對首鋼京唐公司海水淡化裝置結垢的實際情況，在熱法海水淡化裝置第1 效安裝了量子管通環，見圖2。

圖2 量子管通環安裝位置示意圖

應用結果表明，該技術可以有效減緩熱法海水淡化裝置的結垢速率，第1 效換熱管的年結垢量減少了10%左右，海水淡化產量提高了1%以上，具有較好的經濟效益。

4 復合垢層的清洗技術

針對首鋼京唐公司熱法海水淡化裝置結垢成份較為復雜，碳酸鈣與硫酸鈣交錯分層，且成分以硫酸鈣居多的特點，研發了雙循環清洗技術，即“酸洗-中性洗”的復合式清洗模式。眾所周知硫酸鈣垢難以通過酸洗方式去除，傳統清洗技術不能徹底清洗干凈，雙循環清洗技術先通過循環酸洗快速溶解垢層中的碳酸鈣垢，清洗過程中對各項指標化驗，以判斷清洗終點；然后再通過循環中性清洗溶解垢層中的硫酸鈣垢，清洗過程中定期檢測中性藥劑濃度及總硬度，預測清洗效果及清洗時間；此后“酸洗-中性洗”交替循環進行，直至換熱管結垢徹底清除；雙循環清洗結束后，對換熱管內外部進行水沖洗，保證換熱管潔凈，然后進行預膜處理。

結合首鋼京唐公司海水淡化裝置的特點及現場的實際情況，研制出一體化的海水淡化裝置清洗設備，見圖3，該設備進出水管路采用PVC 管，管道長度及彎頭根據現場實際尺寸定制，管道之間采用法蘭連接，可以實現管道的快速組裝及拆卸，并避免跑冒滴漏；清洗藥箱材質采用碳鋼內襯玻璃鋼，內設泥漿加速分離設備，可以實現清洗下來的垢快速移除，防止泵堵塞；設置2 套裝置，其中酸性清洗和中性清洗各1 套，可以實現雙循環清洗的無縫銜接，減少清洗等待時間。一體化清洗設備的研制及應用，可以大速度提高海水淡化裝置的清洗效率，增加了清洗時間，同時滿足了現場文明檢修、6S要求。

圖3 一體化清洗設備系統圖

復合垢層的清洗技術不僅對碳酸鹽垢有很好的去除效果，對于行業內普遍認為較難處理的硫酸鹽垢也具有很好的去除效果，詳見圖4。碳酸鹽垢去除率可以達到98%以上，硫酸鹽垢去除率可以達到95%以上。清洗后，熱法海水淡化換熱管換熱效率提高了5%以上，除鹽水產量提高了10%以上。

圖4 換熱管清洗前中后對比圖

5 結語

熱法海水淡化裝置結垢會增加生產的能耗和成本，嚴重的時候會影響到生產的正常運行，因此需要我們積極地進行預防、處理。采取合理的阻垢和清洗技術可以提高裝置的換熱效率，降低裝置的運行成本。熱法海水淡化換熱管阻垢集成技術針對低溫多效蒸餾海水淡化裝置的工況條件，建立了蒸發器的多維度阻垢、除垢機制，對裝置的安全穩定經濟運行起到一個很好的保障。該技術在首鋼京唐公司應用后，取得較好的經濟及社會效益。