低溫多效海水淡化蒸發(fā)器變工況參數(shù)的研究

郭 翠，宋玉亮

（1.山東科達環(huán)境工程有限公司；2.濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東濰坊 261021）

引言

國內(nèi)沿海地區(qū)淡水資源的缺乏不僅給人民生活帶來了極大的不便，而且嚴重阻礙了地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展［1］。為緩解沿海地區(qū)淡水資源缺乏的局面，充分利用當?shù)刎S富的海水資源，可采用建設較大規(guī)模的水熱電聯(lián)產(chǎn)的海水淡化廠，以同時解決電廠自用水和周邊地區(qū)生產(chǎn)生活用水需求。多效蒸餾海水淡化技術是比較早成功推廣使用的海水淡化技術之一，其原理與常規(guī)蒸餾技術相同，是利用高溫蒸汽與海水的溫差進行熱交換后，再將從海水中蒸發(fā)出的水蒸汽冷凝成液態(tài)水并收集得到淡水，但因該技術存在較嚴重的結(jié)垢和其它問題限制了多效蒸餾法的發(fā)展［2］。隨著技術的不斷發(fā)展，低溫多效海水淡化技術逐漸得到認可，通過控制海水工作溫度在70 ℃以下，使結(jié)垢大大降低，技術的優(yōu)勢日漸凸顯，已成為海水淡化領域內(nèi)主流技術之一。低溫多效海水淡化運行穩(wěn)定、安全可靠，對海水水質(zhì)和預處理要求較低，產(chǎn)出的淡水水質(zhì)高，僅需簡單處理就可以直接作為鍋爐水的補給水，淡化過程所需熱源可利用火力發(fā)電廠汽輪機作過功的低位熱源，使低壓蒸汽的熱量得到充分利用，同時大幅度降低了海水淡化的運行成本。此外，低溫多效裝置與熱蒸汽壓縮技術相結(jié)合（LT-TVC-MED），通過蒸汽熱壓縮器（TVC）來提高海水淡化裝置的造水比和熱效率，達到更低的能耗，降低海水淡化廠碳排放量。由于低溫多效海水淡化技術在利用低溫余熱進行海水淡化方面優(yōu)勢突出，發(fā)展迅速，在國內(nèi)外已有眾多運行的實例，其中天津北疆電廠、黃驊電廠和首鋼京唐公司海水淡化工程均為國內(nèi)較早采用低溫多效海水淡化技術建設的項目。

為了研究低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的工作性能，研究設計低溫多效海水淡化蒸發(fā)器理論計算模型。在不同工作條件下，對低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的工作參數(shù)進行計算，并對影響海水淡化蒸發(fā)器工作性能的因素進行分析，同時與已經(jīng)投產(chǎn)的某電廠海水淡化蒸發(fā)器運行參數(shù)比對，為海水淡化蒸發(fā)器的實際設計運行提供參考。

1 低溫多效海水淡化蒸發(fā)器模型

1.1 工藝流程

低溫多效海水淡化蒸發(fā)器是一種橫管降膜式蒸發(fā)裝置［3］，如圖1 所示，其特征是將一系列的水平噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，經(jīng)過預熱的海水被均勻地噴淋到蒸發(fā)器的換熱管上，并沿換熱管以薄膜形式向下流動，在低于大氣壓力下，將定量加熱蒸汽輸入首效蒸發(fā)器，這樣海水吸收管內(nèi)蒸汽冷凝釋放的潛熱而蒸發(fā)，前一效蒸發(fā)的蒸汽進入下一效，作為下一效的輸入能量，在下一效內(nèi)重復上一效過程（溫度均低于前一效），通過多次蒸發(fā)和冷凝，從而得到數(shù)倍于輸入蒸汽量的淡水。

圖1 LT-TVC-MED 工藝流程圖

模擬蒸發(fā)器模型按4 效水平降膜蒸餾過程設計，為了提高能量的利用率，當利用發(fā)電機組抽汽作為動力蒸汽時，使用蒸汽熱壓縮器（TVC）將末效二次蒸汽作為引射流體抽回，使得蒸汽熱壓縮器出口加熱蒸汽的壓力降至第一效蒸發(fā)器凝結(jié)溫度所對應的壓力，再經(jīng)過減溫器調(diào)節(jié)到飽和狀態(tài)。考慮到實際生產(chǎn)中設備加工的便利，該模型按照每一效蒸發(fā)器的大小和換熱面積相等設計。

根據(jù)整個蒸發(fā)器系統(tǒng)質(zhì)量守恒和能量守恒的定律，考慮到蒸發(fā)器的熱損失對能量平衡的影響，建立整個蒸發(fā)器系統(tǒng)物料平衡方程與能量平衡方程［4］。

1.2 蒸發(fā)器物料衡算

對總蒸發(fā)量的物料衡算：

對任意一效的物料衡算：

式中：D—總蒸發(fā)量（產(chǎn)水量），t/h；

Dn—第n效二次蒸汽量，t/h；

G—海水進料量，t/h；

gn—第n效濃鹽水量，t/h；

C0—海水濃度，%；

Cn—第n效濃鹽水濃度，%；

C濃—濃鹽水排出濃度，%。

1.3 蒸發(fā)器熱量衡算

考慮海水過冷度和蒸發(fā)器熱損失的影響，在各效濃鹽水直接排出的工藝條件下，蒸發(fā)器的熱量衡算：

式中：η—蒸發(fā)器的傳熱效率，%；

D0—加熱蒸汽量，t/h；

r0—加熱蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；

rn—第n效二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg；

Gn—第n效海水進料量，t/h；

Cpn—第n效進料海水的比熱，kJ/（kg·℃）；

tn′—第n效進料海水的溫度，℃；

tn—第n效蒸發(fā)器工作溫度，℃。

2 計算結(jié)果與分析

以4 效蒸發(fā)器為計算模型，每效均采用平均進料模式，濃鹽水和產(chǎn)出的淡水分別通過U 形管逐效累計排出。

2.1 末效工作溫度不同時工況分析

計算中設定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過預熱），首效的海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進料海水鹽度為3.1%，排出濃鹽水鹽度4.65%，蒸發(fā)器的傳熱效率98%，TVC 的引射系數(shù)為1.3。作為分析，末效工作溫度分別設定為54.5 ℃、56 ℃和57.5 ℃，計算結(jié)果如表1所示。

從表1 中可以看出，在傳熱效率和TVC 引射系數(shù)不變的情況下，動力蒸汽流量隨末效工作溫度的升高而降低，從而使造水比相應提高。但也能看出動力蒸汽流量降低的幅度比較少，而且較低的能量消耗通常需要更高的投資，末效溫度降低的同時，每效之間的溫差也越低。由熱計算基本方程可得，為了實現(xiàn)相同的熱交換效果，溫差越小熱交換面積就越大，即需要采用更大換熱面積的蒸發(fā)器，相應的設備制造和土建建設投資都需要增加。

表1 蒸發(fā)器動力蒸汽流量及造水比隨末效溫度的變化表

2.2 蒸發(fā)器傳熱效率不同時工況分析

設定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過預熱），首效海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進料海水濃度3.1%，濃鹽水排出濃度4.65%，末效工作溫度為54.5 ℃，TVC的引射系數(shù)為1.3。作為分析，蒸發(fā)器的傳熱效率分別設定為98%，98.25%，98.5%，98.75%，99%，計算結(jié)果如表2所示。

表2 蒸發(fā)器動力蒸汽流量及造水比隨傳熱效率的變化表

由表2 可知，在蒸發(fā)器工作溫度和TVC 引射系數(shù)一定的情況下，動力蒸汽流量隨傳熱效率的提高而減少，從而使造水比相應提高，而且動力蒸汽流量減少的幅度比較大。可見提高傳熱效率可以有效的降低能耗，提高造水比。

傳熱效率的大小主要受兩方面影響：一方面是蒸發(fā)器本身的熱損失，另一方面就是蒸發(fā)器的傳熱效果。蒸發(fā)器本身的熱損失與設備的保溫有關，蒸發(fā)器的傳熱效果則由總傳熱系數(shù)決定，總傳熱系數(shù)又受蒸汽溫度和流速，換熱管的材質(zhì)和管徑，海水噴淋密度，換熱管壁污垢熱阻等參數(shù)影響。

2.3 TVC引射系數(shù)不同時工況分析

設定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過預熱），首效海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進料海水鹽度3.1%，濃鹽水排出鹽度4.65%，末效工作溫度為54.5 ℃，蒸發(fā)器的傳熱效率為98%。作為分析，TVC 的引射系數(shù)分別設定為1.3，1.35，1.4，1.45，1.5，計算結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，在蒸發(fā)器工作溫度和傳熱效率不變的情況下，動力蒸汽流量隨引射系數(shù)的提高而減少，從而使造水比相應提高，而且動力蒸汽流量減少的幅度很大。雖然提高引射系數(shù)能顯著的減少能耗提高造水比，但是一方面，國產(chǎn)TVC 設備的引射系數(shù)一般比較低，設備穩(wěn)定性差，而進口TVC設備的價格又很昂貴；另一方面，TVC采用過高的引射系數(shù)，其實減少了從末效蒸發(fā)器進入冷凝器的二次蒸汽量，結(jié)果導致冷凝器出口海水的溫度降低，海水的噴淋溫度降低，使噴淋海水的過冷度升高，不利于蒸汽潛熱的充分利用，會減少每效產(chǎn)生的二次蒸汽量，最終影響淡水的產(chǎn)量。

表3 蒸發(fā)器動力蒸汽流量及造水比隨引射系數(shù)的變化表

3 結(jié)論

（1）在其他參數(shù)一定的情況下，提高末效蒸發(fā)器工作溫度能小幅度提高造水比，降低能耗，但要結(jié)合具體工程的建設面積，并考慮蒸發(fā)器成本的增加。

（2）在其他參數(shù)一定的情況下，提高傳熱效率能較大幅度提高造水比，降低能耗，傳熱效率主要由蒸發(fā)器的噴淋技術和結(jié)構(gòu)設計工藝等因素決定，某些參數(shù)需要通過實驗得出。

（3）在其他參數(shù)不變的情況下，提高引射系數(shù)能很大幅度提高造水比，降低能耗，但國產(chǎn)蒸汽熱壓縮裝置（TVC）的技術還不夠完善，熱泵的處理能力和穩(wěn)定性不高，進口的TVC 價格很高，而且過高的引射系數(shù)不利于冷凝器對進料海水的預熱，最終會影響產(chǎn)水量。