海水淡化工藝設計的方案

1前言1.1概況我國淡水資源極為匱乏，電廠在生產(chǎn)電能的同時，可運用其便宜的熱和電，進行海水淡化，不僅可滿足其工業(yè)用水的需要，并且還可為周邊地區(qū)提供淡水水源。在推動和運用海水淡化技術方面，電廠有著其得天獨厚的有利條件。因此濱海電廠配套建設海水淡化妝置已成發(fā)展趨勢。1.2水源及水質(zhì)特點某電廠取水含有海域廣闊、水量充沛、海水較清、懸浮物及有害微生物少等特點，可大大節(jié)省海水取水成本及原料海水預解決成本。海水水質(zhì)分析報告以下：分析報告送樣單位批號：樣品類型：海水檢測根據(jù)：GB17378.4-檢測環(huán)境：檢測溫度25.5濕度63%分析編號101238101239分析編號101238101239原號碼頭取水口原號碼頭取水口水溫18.619.1NO3-3.003.00鹽度‰29.626.3NO2-0.100.10色度未檢出未檢出HCO3-138140SS8078CO32-0.000.00濁度<3<3Ba2+<0.01<0.01含沙量kg/m30.100.12Sr2+<0.001<0.001DO3.424.15Mn2+<0.01<0.01高錳酸鹽指數(shù)CODMn1.541.64pH7.858.02BOD55.866.75fCO224.1518.64氨氮<0.01<0.01非碳酸鹽硬度mmol/l104104TOC0.280.2碳酸鹽硬度mmol/l1.181.16油0.0360.024負硬度mmol/l0.000.00硫化物<0.01<0.01甲基橙堿度mmol/l1.151.15化學需氧量(O2)9.258.76酚酞堿度mmol/l0.000.00K+524436灼燒減量45823864Na+51865241酸度mmol/l0.250.20Ca2+670664全硅量(SiO2)2.001.00Mg2+14571421溶硅量(SiO2)1.800.96Fe2＋0.000.00膠硅量(SiO2)0.200.04Fe3＋0.000.02全固形物3675239156Al3＋<0.01<0.01溶解固形物3683239243NH3<0.01<0.01總硬度mmol/l105107Cl-1635216478SO42-342835961.3海水淡化規(guī)模根據(jù)建廠地區(qū)的缺水狀況，電廠可針對性地提出水電聯(lián)產(chǎn)的方案，現(xiàn)在可解決電廠的淡水用水，后來可根據(jù)需要適時配套建設大規(guī)模的海水淡化廠，為地方經(jīng)濟發(fā)展提供淡水資源保障。本項目結合2×1000MW發(fā)電機組的建設規(guī)模，暫按配套建設2×104m3/d規(guī)模的海水淡化妝置設計；并對總規(guī)模為40×10本專項報告按本期工程廠內(nèi)自用的2×104m3/d規(guī)模和規(guī)劃容量的40×1042海水淡化技術概述海水淡化技術的種類諸多，但適于產(chǎn)業(yè)化的重要有蒸餾法（俗稱熱法）和反滲入法（俗稱膜法）。蒸餾法重要有多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT－MED)技術。2.1蒸餾法淡化技術2.1.1多級閃蒸(MSF)MSF是蒸餾法海水淡化最慣用的一種辦法，在20世紀80年代以前，較大型的海水淡化妝置多數(shù)采用MSF技術。大港電廠二期工程引進了美國的多級閃蒸(MSF)海水淡化妝置，是我國第一套大型的海水淡化妝置。MSF的典型流程示意圖見圖2-1。圖2-1鹽水再循環(huán)式多級閃蒸（MSF）原理流程多級閃蒸過程原理以下；將原料海水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于該閃蒸室中的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進入閃蒸室后即成為過熱水而急速地部分氣化，從而使熱鹽水本身的溫度減少，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。MSF裝置含有設備單機容量大、使用壽命長、出水品質(zhì)好、造水比高、熱效率高、壽命長等優(yōu)點。但該裝置海水的最高操作溫度在110℃~120℃左右，對傳熱管和設備本體的腐蝕性較大，必須采用價格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材，因此設備造價高；設備的操作彈性小，多級閃蒸的操作彈性是其設計值的80%～110%，不適應于產(chǎn)水量規(guī)定可變的場合。2.1.2低溫多效蒸餾(LT－MED)低溫多效蒸餾海水淡化技術是指鹽水最高溫度不超出70℃的淡化技術，是20世紀80年代成熟的高效淡化技術。其特點是將一系列的噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)布置。加熱蒸汽被引入第一效，其冷凝熱使幾乎等量的海水蒸發(fā)，通過多次蒸發(fā)和冷凝，背面的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝液返回鍋爐，而其它效及海水冷凝器的冷凝液收集后作為產(chǎn)品水。為提高熱效率，現(xiàn)在多采用壓汽蒸餾的淡化工藝，壓縮可采用蒸汽噴射器，稱為熱壓縮（TVC）；或采用機械蒸汽壓縮機，即機械壓縮（MVC），由于受壓縮機的限制，其單臺裝置的容量較其它蒸餾裝置小?，F(xiàn)在絕大多數(shù)低溫多效蒸餾裝置都采用熱壓汽蒸餾的方式來提高熱能效率，即低溫多效加蒸汽壓縮噴射器（LT－MED－TVC）工藝。圖2-2是LT－MED－TVC蒸餾裝置的原理示意圖。圖2-2LT－MEDTVC蒸餾裝置的原理示意圖低溫多效海水淡化妝置的運行溫度遠遠低于MSF裝置的110℃，因此其能耗和管壁腐蝕及結垢速率均較低。和MSF相比，其設備本體和傳熱管的材質(zhì)規(guī)定較低，而熱效率較高。多效蒸餾的操作彈性很大，負荷范疇從110%變到40%，皆可正常操作，并且不會使造水比下降。低溫多效海水淡化妝置能夠用70℃左右，0.030-0.035MPa(a)的蒸汽作為熱源，當提供的汽機抽汽參數(shù)高于低溫多效加熱蒸汽的壓力和溫度的規(guī)定時，可采用熱壓縮裝置，能夠進一步提高系統(tǒng)的熱效率。國外近幾年MED發(fā)展快速，MED單臺最大產(chǎn)水量已達40000t/d，技術是成熟的。2.2海水反滲入(SWRO)淡化技術海水反滲入(SWRO)淡化技術在20世紀70年代后獲得了很大發(fā)展。由于RO膜材料的不停改善，以及能量回收效率的不停提高，SWRO技術越來越引發(fā)人們的關注，現(xiàn)也已成為蒸餾海水淡化系統(tǒng)的重要競爭對手。反滲入是用一種特殊的膜，在外加壓力的作用下使溶液中的某些組分選擇性透過，從而達成淡化、凈化或濃縮分離的目的。典型的海水反滲入解決工藝流程見圖2-3。預解決預解決反滲入膜組件保安過濾器產(chǎn)品水原水池澄清池海水電動機能量回收濃水混凝劑殺菌劑殺菌劑除氯還原劑消毒劑高壓泵圖2-3典型的海水反滲入工藝流程圖海水反滲入(SWRO)系統(tǒng)所需的能量決定于進水的含鹽量、系統(tǒng)的濃縮倍率、進水溫度及產(chǎn)品水的水質(zhì)，其能耗普通為9～10kW?h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為3.5～6kW?h/m3。海水反滲入SWRO設備除膜組件、高壓泵、能量回收裝置需要進口外，其它設備和器件均能夠在國內(nèi)加工制造，設備投資以及制水成本相對較低。2.3海水淡化工藝重要技術性能對比慣用的海水淡化工藝重要技術性能見表2-1。表2-1海水淡化工藝技術比較海水淡化工藝比較SWROLT－MED－TVCMSF產(chǎn)品水水質(zhì)(mg/L)200500110110電耗(kW?h/m3)3.56.0（有能量回收）121.54裝置熱耗（kJ/kg）190400190400進水預解決需設立完善的預解決系統(tǒng)規(guī)定進水濁度不大于20mg/L300mg/L進水水質(zhì)規(guī)定較低海水運用率（或回收率）35％55%25％40％（含冷卻水量）排出海水的濃度原海水的1.61.9倍原海水的1.51.8倍原海水的1.72.2倍最大單機產(chǎn)水量（m3/d）相對較小6819091000操作彈性（％）不限40～11080～110從表2-1能夠看出，蒸餾法與反滲入法的重要技術區(qū)別在于：對進水水質(zhì)的規(guī)定不同；單機產(chǎn)水量的不同；變工況能力的不同；能（熱）耗的不同等。蒸餾法在裝置規(guī)模、預解決系統(tǒng)的規(guī)定、出水水質(zhì)、運行可靠性以及電耗方面含有明顯優(yōu)勢，但蒸餾法的總能耗比SWRO法高；從海水用量上看，由于SWRO法水的運用率高，因此取水量較少。在變工況能力上，SWRO法則沒有限制。與LT－MED－TVC相比，MSF裝置單機容量大，對進水的水質(zhì)規(guī)定低，但其變工況能力差，抽汽參數(shù)高，工作溫度高，設備投資大，因而運行費用高。因此對于蒸餾法工藝推薦選用LT－MED－TVC方案。本專項將對SWRO和LT－MED－TVC兩種工藝進行技術經(jīng)濟比較，結合各淡水顧客的用水需求擬定海水淡化工藝。3電廠海水淡化方案選擇3.1海水淡化系統(tǒng)設計條件按滿足電廠自用的2X104m3/d海水淡化規(guī)模及向地方供水的40X103.2反滲入膜法（SWRO）海水淡化技術方案(方案一)3.海水反滲入，其預解決的目的是避免懸浮雜質(zhì)、有機物、膠體物質(zhì)、細菌、微生物等附著在膜表面或堵塞膜元件水流通道，避免海水膜表面結垢沉淀，確保海水膜免受機械和化學損失，使膜保持良好的性能和足夠長的使用壽命。根據(jù)海水的取水方式不同、所處的水域水質(zhì)不同，以及采用的海水淡化技術不同，采用的預解決方式不同。預解決系統(tǒng)的形式有：混凝、沉淀（澄清）、過濾（活性炭過濾器、多介質(zhì)過濾器微濾、超濾、納濾）等。常規(guī)的混凝澄清、介質(zhì)過濾的預解決方式在現(xiàn)在已運行的海水反滲入系統(tǒng)中應用較多、運行使用時間較長，但其占地面積大，系統(tǒng)復雜，操作費力，運行維護都需特別精心才干使反滲入膜不受到污染。超濾（微濾）預解決方式在水解決領域已應用數(shù)年，也有許多成功的經(jīng)驗。微濾（超濾）對海水中的膠體、懸浮顆粒、色度、濁度、細菌、大分子有機物含有良好的分離能力，其去除率好于常規(guī)的預解決方式，采用微濾(或超濾)作為海水反滲入的預解決，能夠滿足反滲入的進水水質(zhì)規(guī)定。此技術由于改善了反滲入進水水質(zhì)，不僅延長了海水反滲入的清洗周期、反滲入膜的使用壽命，并且有助于提高系統(tǒng)的回收率、減少運行費用。且新技術占地面積小，操作、維護簡樸。電廠普通狀況下海水水質(zhì)較好、懸浮物及泥沙含量較少，根據(jù)有關工程的經(jīng)驗，海水反滲入淡化系統(tǒng)預解決可采用直接超（微）濾裝置。3.2.21）工藝流程海水—自清洗過濾器—超濾—海水反滲入—淡水箱—顧客2）SWRO系統(tǒng)配備及設計參數(shù)制水規(guī)模：2X104m3/d單機容量：200m3/h設備套數(shù)：5套；50套反滲入海水淡化的回收率：40%~45%產(chǎn)品水水質(zhì)：TDS(固體溶解物總量)300~500mg/L設計水溫：15℃~3.海水淡化站建（構）筑物涉及：超濾、反滲入設備間，設備間內(nèi)設立控制室、加藥間、過濾間、水泵間、配電間等，室外設立各類水箱(池)等設施。海水淡化站占地分別約105m×50m，105mX3.3低溫多效（LT－MED－TVC）蒸餾法海水淡化技術方案(方案二)3.3.1低溫多效淡化妝置對進水的水質(zhì)規(guī)定不高，鑒于本工程取水海域水質(zhì)較清、泥沙含量少，進入海水淡化站的海水水質(zhì)較好。因此，本工程不設立預解決。為避免設備結垢，在進料液中加入聚磷酸鹽類阻垢劑。為避免海生物孳生，設立次氯酸鈉加藥系統(tǒng)，以對進入的海水進行殺菌滅藻解決。工藝流程為：海水——海水取水泵——MED裝置——淡水箱/池——顧客3.3.2制水規(guī)模：2X104m3/d單機容量：10000m3/d；設備臺數(shù)：2臺；16臺造水比：12.5產(chǎn)品水水質(zhì)：TDS(固體溶解物總量)5mg/L。抽汽量：兩臺機共67t/h；1334t/h抽汽參數(shù)：壓力為0.55MPa（暫定），溫度為300℃3.3低溫多效設備露天布置，另設控制室、加藥間、配電間等。室外布置淡水池和水箱等設施。淡化站占地分別約130m×80m；180m×560m。4海水淡化方案的經(jīng)濟比較4.1自用型海水淡化廠的經(jīng)濟比較對于與發(fā)電工程配套的自用型0m4.1）年發(fā)電量按發(fā)電年運用小時5500h計算，為110×108kW?h。2）廠用電廠用電涉及發(fā)電廠用水電和淡化用電兩部分，兩個方案的發(fā)電廠用電率差別很小，均按5％考慮。反滲入方案耗電：淡化站電耗3.5kW?h/m3，用于鍋爐補給水解決的淡水反滲入0.5kW?h/m3（為便于計算比較，淡水反滲入電耗按淡化站產(chǎn)淡水量進行了折算），總電耗4.0kW?h/m3低溫多效蒸餾方案耗電：淡化站電耗1.5kW?h/m33）工程投資根據(jù)近期國內(nèi)海水淡化項目的實施狀況，LTMEDTVC海水淡化妝置投資約為800010000元?d/m3，SWRO海水淡化妝置為40005000元?d/m3，淡水反滲入為600~650元?d/m3。本報告暫按上限取值，即：方案一取5000元?d/m3，方案二取10000元?d/m3。4）運行維護費用兩個方案的發(fā)電部分維修費用基本相似。海水淡化妝置的運行維護費用：反滲入方案?。核幤芳澳じ鼡Q費1.20元/m3淡水(涉及淡水反滲入部分)低溫多效蒸餾方案取：藥品費0.20元/m3淡水5）其它條件標煤價：1000元/噸蒸汽價格：按53.24元/噸計電費：廠用電價按0.29元/kWh計算?；菊叟f費：低溫多效設備屬于熱力設備，使用年限相對較長，因此其固定資產(chǎn)折舊年限取25年；海水反滲入設施使用年限相對低溫多效設備較短，因此其固定資產(chǎn)折舊年限取。按電廠實際耗水量計算運行費用4.按上述條件，兩個方案的經(jīng)濟指標計算成果見表4-1。表4-1海水淡化方案經(jīng)濟指標項目單位方案一方案二海水淡化站投資萬元1289022890制水成本(元/噸)5.158.39從表4-1數(shù)據(jù)能夠看出：與方案二相比，方案一含有投資省、制水成本低的優(yōu)點。4.2外供型海水淡化方案的經(jīng)濟比較4.2.1經(jīng)濟比較模式外供淡水時，海水淡化方案的經(jīng)濟比較辦法有兩種。一種是僅就不同的淡化妝置方案計算其投資、成本，在相似的資本金內(nèi)部收益率的條件下，計算出不同方案的水價。此辦法存在兩個問題，第一是對于蒸餾法的熱價如何擬定。熱價是影響蒸餾法水價的重要因素，而熱價的擬定涉及到熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的效益以及固定資產(chǎn)折舊在熱和電中兩種產(chǎn)品如何分攤，帶有很大的人為因素。第二是熱價的高低以及發(fā)電量的不同對發(fā)電部分（廠）的經(jīng)濟效益的影響沒有考慮?；谏鲜龇治觯緢蟾嫣岢龅诙N比較模式，即將發(fā)電部分與制淡水部分捆成一種廠來進行分析計算，即電廠有兩種產(chǎn)品：電和淡水。不同方案在鍋爐蒸發(fā)量、年供淡水量以及投資方內(nèi)部收益率相似的條件下，通過財務分析，假定電價計算水價，或假定水價計算電價，取其低者為優(yōu)。此種比較模式就避免了前述第一種辦法的問題。4.2.2比較計算的條件4.2.2.4.2.2.2年發(fā)電量按發(fā)電年運用小時5500h計算。年供淡水量按淡化妝置年運用小時7600h計算。4.2.2.1）方案一：發(fā)電廠用電率5%淡化廠用電率3.5kW?h/m32）方案二：發(fā)電廠用電率5.66%淡化廠用電率1.5kW?h/m34.2.2.4財務分析的其它條件標煤價：650元/噸（惠安電廠煤價）投資方內(nèi)部收益率：10％假定水價（不含稅）從4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0元/m3計算對應的電價4.2.34X104m3按上述條件，兩個方案的技術指標計算成果見表4-2。表4-2技術指標項目單位方案一（SWRO）方案二（LT-MED-TVC）總投資發(fā)電部分萬元924659.94924659.94海水淡化部分萬元211024.58427577.67累計萬元=SUM(ABOVE)1135684.52=SUM(ABOVE)1352237.61發(fā)電出力MW2×10002×857.74年發(fā)電量108kW?h110104.31年供電量108kW?h100.0796.51年供淡水量1012666.6712666.67平均發(fā)電標煤耗kg/kW?h0.28260.2358制淡水能（標煤）耗kg/m31.0418.815年耗煤量供電部分104t/a297.71241.18供淡水部分104t/a13.18106.91累計104t/a310.89348.09表4-3方案一（SWRO）財務分析計算成果表水價（元/m3）電價（元/MWh）投資方內(nèi)部收益率（％）投資回收期（年）備注不含稅含稅不含稅含稅4.55.07328.31383.671011.195.05.64321.96376.261011.195.56.2315.61368.841011.196.06.77309.25361.421011.196.57.33302.9354.011011.197.07.9296.55346.591011.194.064.59333.79390.061011.19注注：本行數(shù)據(jù)是以假定本工程不設海水淡化時的電廠計算電價來計算水價。表4-4方案二（LT-MED-TVC）財務分析計算成果表水價（元/m3）電價（元/MWh）投資方內(nèi)部收益率（％）投資回收期（年）備注不含稅含稅不含稅含稅4.55.08387.95453.251011.195.05.65381.37445.561011.195.56.21374.78437.871011.196.06.77368.19430.181011.196.57.34361.61422.491011.197.07.9355.02414.81011.198.619.72333.79390.011011.19注注：本行數(shù)據(jù)是以假定本工程不設海水淡化時的電廠計算電價來計算水價。圖4-1水價與電價關系曲線上述計算成果闡明，兩個方案在經(jīng)濟效益相似的條件下，隨著水價上升，電價隨之下降；在相似的水價下，方案一的電價明顯低于方案二的電價，或者說，在相似的電價下，方案一的水價明顯低于方案二的水價；由于方案二的制水能耗遠不不大于方案一的制水能耗，兩個方案在年供水量相似，方案二的供電量比方案一少3.56×108kW?h的狀況下，方案二年用煤量比方案一多37.2×104t（標煤），對應多排放二氧化碳約84.7×104t。現(xiàn)