低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置運行性能研究

低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置運行性能研究

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、動力消耗少、操作彈性大等優(yōu)勢,在海水淡化技術(shù)中占重要地位[4~10]。同時,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,且具有低溫運行、耗能低,所需熱源品位低的優(yōu)勢,可與電廠、石化企業(yè)合作,運行成本具有較大優(yōu)勢[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一步提高,同時在低溫蒸發(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,而且壓力波動可能導(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)達到更高的造水比,同時保證系統(tǒng)可在較寬的操作范圍內(nèi)高效運行是國際海水淡化領(lǐng)域致力解決的問題。國內(nèi)很多研究者對低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)進行了大量研究,主要包括低溫多效海水淡化系統(tǒng)的熱力學(xué)計算、對不同進料流程進行性能分析、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,對鹽溶液的傳熱特性進行了研究,為優(yōu)化多效蒸發(fā)海水濃縮過程提供了依據(jù)。國外學(xué)者對降膜蒸發(fā)過程中噴淋密度、傳熱管管徑等因素對傳熱系數(shù)的影響進行了大量實驗研究。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)與管外液膜流動的雷諾數(shù)大小無關(guān),而V.Slesarenko通過實驗發(fā)現(xiàn)在一定流量范圍內(nèi),傳熱系數(shù)不隨進料量的變化而變化。同時,有研究表明,隨著進料量增大,蒸發(fā)系數(shù)先增大后減小。由此可見,上述研究在實驗條件和實驗參數(shù)等方面存在較大差異,需要建立一套小型海水淡化實驗裝置對傳熱性能進行系統(tǒng)地研究。綜上所述,針對低溫多效豎管蒸發(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,對系統(tǒng)工藝各子環(huán)節(jié)均有報道,但缺乏整套工藝設(shè)備的系統(tǒng)實驗測試。為了對低溫多效海水淡化技術(shù)進行深入研究,本文采用大連區(qū)域的實際海水,依托1tuf0d7d-1低溫多效豎管蒸發(fā)海水淡化實驗平臺,針對大型海水淡化工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),考察了實驗平臺運行性能的穩(wěn)定性;并系統(tǒng)地研究了不同的海水進料量及首效蒸汽溫度對造水比、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)計提供試驗數(shù)據(jù)和設(shè)計依據(jù)。2實驗部分2.1蒸發(fā)工藝流程實驗系統(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,主要實驗流程如圖1所示。海水線:原料海水進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;另一部分進入多介質(zhì)過濾器,流經(jīng)微濾器、脫氣預(yù)熱器,進入脫氣塔進行脫碳脫氧,然后通入預(yù)熱器,依次進入零效、一效、二效、三效進行蒸發(fā),最后濃縮海水進入濃海水罐,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,進入一效蒸發(fā)器的殼程,冷凝淡水通過U型管進入第一效蒸發(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入產(chǎn)品水罐。實驗中海水是循環(huán)使用的,濃鹽水和產(chǎn)品水都回送原料罐。如圖2所示,實驗平臺采用上下兩層結(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,實驗觀察更方便,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。詳細設(shè)備尺寸參數(shù)見表1。2.2蒸發(fā)系統(tǒng)操作整個實驗過程在低壓下進行,實驗步驟包括:首先,預(yù)熱鍋爐,并排除不凝氣;然后啟動冷卻水循環(huán)泵和真空泵,將系統(tǒng)整體壓力抽至0.3kPa;再啟動原料進料泵,并控制進料量為200kguf0d7h-1,當脫氣塔底的液位到60%,啟動脫氣塔底泵,并投自控,啟動整個蒸發(fā)系統(tǒng)的運行操作,適時排系統(tǒng)的不凝氣;實驗條件穩(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)實驗。2.3水流量測量實驗實驗系統(tǒng)的主要測量參數(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測量;海水、濃水和產(chǎn)品水流量由安裝在管道上的電磁流量計測量;在產(chǎn)品水泵出口設(shè)置在線電導(dǎo)率測量儀和pH計。實驗中所有測量數(shù)據(jù)由電腦監(jiān)控并進行自動記錄。流量計、pH計和電導(dǎo)儀等測量儀器在實驗前均進行了標定。以淡水為工質(zhì)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了驗證,將測得的各效飽和蒸汽溫度和壓力傳感器所測的殼程壓力與公式計算值進行比較,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,實驗測量的溫度與壓力的對應(yīng)值與Antoine公式計算值略有差異,但都在較小范圍之內(nèi),因此,認為測量的溫度和壓力滿足實驗需要。2.4次蒸汽質(zhì)量在實驗之前,以淡水為工質(zhì),對系統(tǒng)熱平衡進行分析。簡單流程見圖4,一定量蒸汽作為一效熱源,進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。符號下標中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,作為加熱蒸汽進入第二效殼程加熱第二效淡水,蒸發(fā)水量可以計算為: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:計算殼程和管程的熱量Q1和Q2的相對誤差:如圖5所示,相對誤差ε的絕對值均小于10%,說明整個海水淡化實驗平臺具有良好的穩(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。本實驗采用的海水為大連地區(qū)實際海水,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,系統(tǒng)壓力較低,利于海水蒸發(fā);溫度較高時,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。考慮到系統(tǒng)壓力降低幅度有限,適當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。當處理量小于120kguf0d7h-1時,各個首效溫度下的濃縮比均大于2,而當處理量高于120kguf0d7h-1,首效溫度降至66℃時,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: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,可作為考察整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性能的指標。如圖8所示,在相同首效溫度下,造水比在3左右波動,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)測定海水淡化產(chǎn)品水的水質(zhì)是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標。本實驗采用在線監(jiān)測以及定時采集兩種方法檢測產(chǎn)品水水質(zhì)。經(jīng)過長時間穩(wěn)定運行,電導(dǎo)達到穩(wěn)定值,一般都在10μSuf0d7cm-1以下,最小可達到1.59μSuf0d7cm-1,對應(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)計的實驗結(jié)果針對大型海水淡化工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),本文依托1tuf0d7d-1低溫多效蒸發(fā)海水淡化實驗平臺,考察了系統(tǒng)運行性能的穩(wěn)定性;系統(tǒng)地研究了不同的海水進料量及首效蒸汽溫度對造水比、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)實驗平臺操作方便,運行平穩(wěn),操作彈性大,性能優(yōu)良,為低溫多效海水淡化裝置梯級放大的設(shè)計與優(yōu)化提供了參考和借鑒。(2)在實驗條件范圍內(nèi),造水比受首效溫