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基于多级闪蒸技术的浓缩时结垢动态模拟试验分析

2020-07-03 360 上传者：管理员

摘要：本文设计了一套研究浓海水进一步浓缩时结垢动态模拟实验装置，并进行了动态试验。通过实验，探究多级闪蒸技术运用于海水淡化浓海水进一步浓缩时的结垢特性，为设计提供参考依据。

关键词：
多级闪蒸技术
实验结果
数据采集
浓海水
海洋资源
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某火电厂海水淡化装置排出浓海水和海水冷却塔年排出的浓海水总量约8800万m3，平均浓度为5.4°Beˊ。为实现浓盐水的综合利用，解决今后电厂及海水淡化工程浓盐水利用问题，需通过试验研究，将浓度为5.4°Beˊ的高度海水，引入多级闪蒸淡化装置，来验证此种工艺的技术的可行性，为设计选型和提高浓海水利用经济性提供支持，从而实现海水资源的最大化利用，降低盐场占地，为城市发展提供更多的空间。

1、多级闪蒸的原理与特点

多级闪蒸原理是将热海水依次投入压力逐级递减的设备中，从而进行逐级的闪蒸和冷凝。其中每一级闪蒸室温度降低限度为1.6～2.0℃，冷凝蒸汽与冷凝海水的传热温差大约为4～6℃。在多级闪蒸操作中，根据海水的流动方式，将闪蒸操作分为循环式和贯流式两种。在本次实验中，由于实验环境限制，采取贯流式的多级闪蒸流程。也就是将海水通过热交换并加热至最高温度之后，进入闪蒸室开展逐级闪蒸，到最末一级将浓海水直接排放。具体的操作流程见图1。

MSF多级闪蒸海水淡化技术主要特点：

（1）因为MSF采用热电联合造水（即双目造水)，可以利用电厂的低品位热能，如汽轮机的低压抽汽，这样不仅可以降低造水成本，还可以大大提高电厂的总体热效率，可使火力发电厂的热利用率从不足40%提高到90%左右，造水成本只相当于单目造水的1/3。

图1贯流式多级闪蒸流程示意图

（2）所产淡水纯度高，水中溶解固形物在5mg/L以下，只需经过一级混合离子交换器进行除盐，就可满足电厂锅炉补给水的要求，因此非常适合作为沿海电厂的锅炉补水设备。

（3）在MSF过程中．管内海水流动为受迫流动，流体具有一定的速度（1.7m/h）．可以对管壁起到冲刷作用，使海水中一些物质不容易沉积在管壁上，因此该装置结垢倾向小，不易堵塞（相对ME和VC而言）。基于以上特点，MSF装置不受原海水浓度等条件的限制，可以在沿海任何海域得到很好地使用。

（4）技术成熟、系统结构简单、产水量大且出水稳定、造水比高（蒸汽耗量与产水量之比选1∶10），因此适合于装置的大型化、规模化，不仅可以为电厂提供锅炉补给水，还可以成为当地淡水供应基地。这种热电结合海水淡化（即双目造水）的方法巳被世界各国所普遍采用。

2、多级闪蒸硫酸钙垢的防治方法

钙垢主要形式为碳酸钙以及硫酸钙或其水合物，其中碳酸钙垢可通过加酸法给与抑制，通过加酸控制MSF装置结垢的方法已成功使用了几十年。酸与碳酸氢盐的碱成分反应生成二氧化碳，再通过排气机几乎可全部去除碱成分，从而极大地减少了碱结垢形成的可能性。这种处理的主要缺点是使用酸，一个5000m3/d的MSF装置每年需要使用大约500t的酸。加酸法抑制加热器上钙垢的生成，同时可以得到较高的海水温度，得到较大产量，有研究表明pH的小幅增加就会引起热交换器表面上垢的形成，导致严重的性能下降。

除了加酸法外，抑制钙垢生成的方法还有加阻垢剂法等。通过控制适当的阻垢剂加入浓度，可以有效抑制硫酸钙的结垢速度；适当减低运行海水温度，也可以降低结垢速度，但是降低海水温度会导致多级闪蒸海水产量降低。

3、多级闪蒸工艺的改进

多级闪蒸技术进步主要有以下几方面。

3.1采用廉价的新型防腐合金材料

海水是极强的腐蚀性介质，采用新型防腐材料，可有效降低设备腐蚀，减少停产检修次数，提高设备利用率。目前国内外多级闪蒸设备用材料主要有碳钢与其他合金的复合板，钛或钛复合板等。

（1）选用工业纯钛TA1无缝管做闪蒸器的冷凝管和盐水加热器的热交换管，管板选用了TA1+16MnR+316L双面复合钢板。

（2）选用316L+Q235A不锈钢复合板作为闪蒸器的外壳板，用316L+Q235A+316L双面不锈钢复合板做级间隔墙板。

3.2采用新的防垢方法

防垢方法改进关系到淡水生产能力的提高。多级闪蒸第一级进口温度越高，理论上淡水产量也就越高，但由于结垢等的原因，往往不能无限升高进料温度，需在考虑结垢物质不能结垢前提下，测定一个最高进水温度。

3.3利用流体力学及传热理论的最新研究成果进行仿真设计

通过对MSF多级闪蒸过程的机理分析，可以建立完整的动态数学模型，考虑了蒸汽密度和级间闪蒸盐水流量变化的影响。仿真计算结果真实地反映了MSF系统动态过程的非线性特性。

3.4最佳工艺条件的设计和研究

在理论研究基础上，结合实践活动，对多级闪蒸装置进行改良，以达到提高海水利用率，增加淡水产量的目的。

4、多级闪蒸实验

实验海水选取渤海湾大沽盐场初级蒸发池内卤水600L，卤水的浓度为5.4°Beˊ，每次试验时间控制在20min左右。采用常压加热，多级闪蒸装置内减压，贯流式多级闪蒸流程，闪蒸室采用长管型结构。试验装置主要设备包括4级闪蒸室、真空系统、原料桶600L、循环桶600L、循环泵、加热系统。见图2。试验时将原料海水在原水桶内加热至预定最高海水温度后，开始向多级闪蒸系统供料，闪蒸后的浓海水流入循环桶储存，闪蒸得到的水蒸气在闪蒸室内冷凝，得到产品水，经产水管流入储水瓶储存。测量一次运行得到的每级产水量（容积法）。使用循环泵将循环桶中浓海水导入原水桶，重复上述步骤。

图2多级（4级）闪蒸装置图

浓海水多级闪蒸试验：（1）将原料海水加入循环桶，使用循环泵打入原料桶内，待原料桶内液位达到要求后，关闭循环泵。（2）开启加热系统，加热至最高海水温度。该温度由硫酸钙试验测得。（3）加热过程中，关闭与多级闪蒸装置相连阀门，开启抽真空阀，同时调节水喷泵控制阀门至抽真空管路，开启抽真空系统，将多级闪蒸装置抽至最大真空度。停泵并关闭真空管路上的阀门。（4）待加热至预定温度后，开启原料桶进水阀，靠真空度将海水吸入系统进行闪蒸。待真空表压力稳定后，记录各段真空度、温度示数。（5）待原料桶液位显示到达预定低液位后，关闭原料桶进水阀，停止进料，依次开启产水管阀门卸压，同时打开循环桶进水阀使浓海水进入循环桶。记录一个过程每段淡水产量。（6）取样与分析。测定并记录多次试验产水pH值、排出浓盐水浓度。

5、试验结论

（1）硫酸钙析出试验结论：原料海水浓缩至13.2°Beˊ/15℃，开始出现硫酸钙结晶现象，因此实际操作海水浓度不应高于此浓度。加入阻垢剂可减少硫酸钙的析出，从而减少设备结垢的可能性，因此实际操作过程中要加入适量阻垢剂减少设备结垢。

（2）本试验采用自制贯流式多级闪蒸装置模拟多级闪蒸过程，操作模拟过程可得如下结论：常温下，5.4°Beˊ沸点为100.8℃，在多级闪蒸试验装置运行时最高温度达到101.8℃。在多级闪蒸装置级数较少的情况下，进口初始真空度与产水量并无直接关系，因此实际操作过程中可控制初始进口真空度处于较低水平。本次试验操作稳定时间一般维持在10～20min,大型装置稳定时间则更长，因此应考虑使装置达稳的时间，在稳定后进行操作。

图3pH值变化情况图

（3）pH值随级数增加呈现下降趋势，实际运行中应考虑设备耐腐蚀问题（图3）。

（4）闪蒸浓水浓度控制在13.2°Beˊ以前为佳，以提高效率，降低成本。

综上所述，本次试验结果表明，多级闪蒸工艺浓缩电厂海水淡化后浓海水在技术上是可行的。

参考文献：

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