低温多效蒸发海水淡化装置运行性能研究

低温多效蒸发海水淡化装置运行性能研究

1低温多效蒸发海水淡化技术海水处理是去除海水中的养分和水分的技术和过程。主要技术包括热法、膜法、电铬法和化学法。其中，多效多效蒸发、多孔蒸发和渗透是当前海水淡化的三种主导技术，并在大规模工业化应用方面取得了成功[1.3]。多效蒸馏(MED)由于其具有换热性能好、动力消耗少、操作弹性大等优势,在海水淡化技术中占重要地位[4~10]。同时,低温多效蒸发(LT-MED)技术很好地解决了蒸发中设备的结垢腐蚀问题,且具有低温运行、耗能低,所需热源品位低的优势,可与电厂、石化企业合作,运行成本具有较大优势[11~14]。但考虑到结垢的影响,海水蒸发温度一般不超过72℃,从而制约了换热效率的进一步提高,同时在低温蒸发过程中,蒸汽比容的提高要求更大换热面积,引起设备投资增加。此外,考虑到系统热源品位与流量可能存在波动,而且压力波动可能导致无法保持各效间压差,所以保证低温多效蒸发海水淡化系统运行的稳定性是非常重要的。因此,提高低温多效蒸发过程的操作温度,使系统达到更高的造水比,同时保证系统可在较宽的操作范围内高效运行是国际海水淡化领域致力解决的问题。国内很多研究者对低温多效蒸发海水淡化技术进行了大量研究,主要包括低温多效海水淡化系统的热力学计算、对不同进料流程进行性能分析、水电联产及水热电三联产系统的性能分析和优化研究,以及海水预处理和浓海水的处理研究等,而大多研究都是基于水平管降膜蒸发技术,并不能很好地指导海水竖管降膜蒸发研究。此外,研究者从工程角度模拟海水,对盐溶液的传热特性进行了研究,为优化多效蒸发海水浓缩过程提供了依据。国外学者对降膜蒸发过程中喷淋密度、传热管管径等因素对传热系数的影响进行了大量实验研究。Sideman的研究结果表明在一定的雷诺数范围内,总传热系数与管外液膜流动的雷诺数大小无关,而V.Slesarenko通过实验发现在一定流量范围内,传热系数不随进料量的变化而变化。同时,有研究表明,随着进料量增大,蒸发系数先增大后减小。由此可见,上述研究在实验条件和实验参数等方面存在较大差异,需要建立一套小型海水淡化实验装置对传热性能进行系统地研究。综上所述,针对低温多效竖管蒸发技术的研究主要集中在单管蒸发、常压蒸发等蒸发器传热过程方面,对系统工艺各子环节均有报道,但缺乏整套工艺设备的系统实验测试。为了对低温多效海水淡化技术进行深入研究,本文采用大连区域的实际海水,依托1tuf0d7d-1低温多效竖管蒸发海水淡化实验平台,针对大型海水淡化工程设计关键技术,考察了实验平台运行性能的稳定性;并系统地研究了不同的海水进料量及首效蒸汽温度对造水比、浓缩比和产品水质等系统性能的影响,为低温多效蒸发技术的工程设计提供试验数据和设计依据。2实验部分2.1蒸发工艺流程实验系统由锅炉、预热器、多介质过滤器、微滤、蒸发器段、冷凝器和水罐,以及各种泵组成,主要实验流程如图1所示。海水线:原料海水进入末效冷凝器冷却二次蒸汽,出来后一部分作为冷却水通往脱气冷凝器后再入原料罐;另一部分进入多介质过滤器,流经微滤器、脱气预热器,进入脱气塔进行脱碳脱氧,然后通入预热器,依次进入零效、一效、二效、三效进行蒸发,最后浓缩海水进入浓海水罐,最后回到原料罐中。热源线:用锅炉蒸汽作为外来热源,进入预热器,零效蒸发器以及脱气预热器,冷凝水都回送到锅炉回水罐。零效产生的二次蒸汽作为一效的热源,进入一效蒸发器的壳程,冷凝淡水通过U型管进入第一效蒸发器,部分发生闪蒸;依次类推,三效出来的二次蒸汽在末效冷凝器中冷凝下来进入产品水罐。实验中海水是循环使用的,浓盐水和产品水都回送原料罐。如图2所示,实验平台采用上下两层结构,蒸发段装置包括预热器,四效蒸发器和末效冷凝器都安排在上层,其他设备以及输送泵都安装在下层地面上。上下层结构合理利用了空间,实验观察更方便,在蒸发器后面设有扶梯,可透过蒸发器顶部的视窗清楚地观察海水布液情况。详细设备尺寸参数见表1。2.2蒸发系统操作整个实验过程在低压下进行,实验步骤包括:首先,预热锅炉,并排除不凝气;然后启动冷却水循环泵和真空泵,将系统整体压力抽至0.3kPa;再启动原料进料泵,并控制进料量为200kguf0d7h-1,当脱气塔底的液位到60%,启动脱气塔底泵,并投自控,启动整个蒸发系统的运行操作,适时排系统的不凝气;实验条件稳定后,由数据采集器采集温度,压力,流量等相关数据;改变操作参数,重复实验。2.3水流量测量实验实验系统的主要测量参数包括:温度、压力、流量、液位、电导率、pH等。其中,温度和压力通过设置在主体设备和工艺管道上的铂电阻和压力计测量;海水、浓水和产品水流量由安装在管道上的电磁流量计测量;在产品水泵出口设置在线电导率测量仪和pH计。实验中所有测量数据由电脑监控并进行自动记录。流量计、pH计和电导仪等测量仪器在实验前均进行了标定。以淡水为工质对系统数据采集系统进行了验证,将测得的各效饱和蒸汽温度和压力传感器所测的壳程压力与公式计算值进行比较,结果如图3所示。从图3中可以看出,实验测量的温度与压力的对应值与Antoine公式计算值略有差异,但都在较小范围之内,因此,认为测量的温度和压力满足实验需要。2.4次蒸汽质量在实验之前,以淡水为工质,对系统热平衡进行分析。简单流程见图4,一定量蒸汽作为一效热源,进出第一效和第二效的淡水温度分别为td0、td1和td1、td2,体积流量分别为Fdv1、Fdv2和Fdv2、Fdv3,相应的密度为uf072d1、uf072d2和uf072d2、uf072d3产生的二次蒸汽质量分别为m1,m2。符号下标中d表示淡水。由质量守恒可知第一效的蒸发水量m1为:则第一效产生蒸汽量为m1,作为加热蒸汽进入第二效壳程加热第二效淡水,蒸发水量可以计算为:第一效产生的二次蒸汽加热第二效淡水在壳程冷凝时放出的热量Q1为:第二效管内二次蒸汽带走的热量Q2为:计算壳程和管程的热量Q1和Q2的相对误差:如图5所示,相对误差ε的绝对值均小于10%,说明整个海水淡化实验平台具有良好的稳定性。3结果与讨论3.1要组成的组成“浓缩比”(CR)是指末效盐水浓度(总固溶物TDS)与原料海水浓度之比。海水的浓缩比能够反映出海水利用率,浓缩比越大海水利用率越高,但由于结垢因素制约,末效盐水的浓缩比一般都不超过2。本实验采用的海水为大连地区实际海水,其主要组成见表2。图6给出了不同流量下浓缩比随首效温度(TBT)变化情况。随首效温度增加,浓缩比先减小后增大。温度较低时,系统压力较低,利于海水蒸发;温度较高时,系统输入热量增加,而海水始末温度不变,蒸发出的淡水增多。考虑到系统压力降低幅度有限,适当提高首效温度可作为提高海水利用率的有效手段。如图7所示,在不同的首效温度下,随着处理量的增大,海水浓缩比减小。当处理量小于120kguf0d7h-1时,各个首效温度下的浓缩比均大于2,而当处理量高于120kguf0d7h-1,首效温度降至66℃时,海水的浓缩比略低于2。这是由于随着处理量的增大,换热管上液膜变厚,增加了换热阻力,降低了蒸发器的传热性能,导致了浓缩比减小。因此,可根据实际工况采用相应的处理量来获得需要的海水浓缩比。3.2能综合指标:能造水比是考察海水淡化装置的重要参数,关系到系统热量的利用效率,可作为考察整个系统的经济性能的指标。如图8所示,在相同首效温度下,造水比在3左右波动,没有随海水处理量而明显变化。由于汽化潜热随蒸汽温度升高而减小,所以随着加热蒸汽温度提高,单位质量蒸汽冷凝放出的热量减小,同时海水温度提高使得浓海水带走的热量大大增加,导致造水比并没有随首效温度的提高而增加。3.3产品水水质测定海水淡化产品水的水质是衡量系统性能的一个重要指标。本实验采用在线监测以及定时采集两种方法检测产品水水质。经过长时间稳定运行,电导达到稳定值,一般都在10μSuf0d7cm-1以下,最小可达到1.59μSuf0d7cm-1,对应产品水的TDS均在5ppm以内。4海水淡化工程主要参数设计的实验结果针对大型海水淡化工程设计关键技术,本文依托1tuf0d7d-1低温多效蒸发海水淡化实验平台,考察了系统运行性能的稳定性;系统地研究了不同的海水进料量及首效蒸汽温度对造水比、浓缩比和产品水质等系统性能的影响,得到以下结论:(1)实验平台操作方便,运行平稳,操作弹性大,性能优良,为低温多效海水淡化装置梯级放大的设计与优化提供了参考和借鉴。(2)在实验条件范围内,造水比受首效温