低温多效蒸馏海水淡化设备大型化的技术研究

低温多效蒸馏海水淡化 设备大型化的技术研究
张建丽，丁 涛，周洪光，李延兵，张忠梅，杨庆卫
神 华 国 华 （北 京 ）电 力 研 究 院 有 限 公 司 ，北 京 １０００２５
［摘 要］ 在２．５ 万ｔ／ｄ低温多效 蒸 馏 （ＬＴ－ＭＥＤ）海 水 淡 化 试 验 装 置 上 通 过 改 变 工 艺 参 数，考 察 装置操作温度、工艺流程、蒸发器换热管布置、物料海水流量及其过冷度 对淡水产量 的 影响。结果表明，在工作蒸汽量相同的条件下，低温２效产水量只有高温 ２ 效产水量的 ５０％ ～７０％ ；适 当 预 热 物 料 海 水 ，有 利 于 提 高 蒸 发 器 的 工 作 效 率 ；换 热 管 倾 斜 布 置 ，对 提 高 蒸 发 器 换 热 效 果 作 用 不 显 著 ；加 大 物 料 海 水 喷 淋 量 将 减 小 淡 水 产 量 和 造 水 比 ，喷 淋 密 度 宜 保 持 在 ０．０４～０．０６ｋｇ／ｍｓ范 围 内 。
ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＳＩＺＥ－ＥＮＬＡＲＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＯＦ ＳＥＡ－ＷＡＴＥＲ ＤＥＳＡＬＩＮＡＴＩＯＮ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＢＹ ＵＳＩＮＧ ＬＯＷ－ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ
ＭＵＬＴＩ－ＥＦＦＥＣＴ ＤＩＳＴＩＬＬＡＴＩＯＮ
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎｌｉ，ＤＩＮＧ Ｔａｏ，ＺＨＯＵ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ，ＬＩ Ｙａｎｂｉｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｍｅｉ，ＹＡＮＧ Ｑｉｎｇｗｅｉ
邻２效的工作状态进行模拟。 蒸发器的２效 封 装 在 同 一 个 圆 形 壳 体 中，沿 壳 体
纵 轴 对 称 布 置 ，其 内 部 采 用 可 拆 卸 结 构 设 计 ，以 便 于 换 热管束双管程和单管程２种结构的转换。蒸发器壳体 内径为２ ４００ ｍｍ，材 质 为 ＳＳ３１６Ｌ。 单 效 换 热 面 积 为 ２１８ｍ２，使用 ＨＡｌ７７－２Ａ 铝黄铜 管 作 为 主 换 热 管，上 ３ 排 选 用 钛 管 ，按 正 三 角 形 排 列 布 管 。
Ｓｈｅｎｈｕａ Ｇｕｏｈｕａ （Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２５，ＰＲＣ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｍ－ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅａ－ｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ （ＬＴ－ＭＥＤ）ｗｉｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ２５－ｔｈｏｕｓａｎｄ ｔ／ｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｒ－ ｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ－ｅｘｃｈａｎｉｎｇ ｐｉｐｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｅｒ，ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｓｅａ－ｗａｔｅｒ，ａｎｄ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｏｖｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｆｒｅｓｈ ｗａｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｗｏ－ｅｆｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ５０％ ～７０％ ｏｆ ｔｈａｔ ｉｎ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａ－ ｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｗｏ－ｅｆｆｅｃｔ ｍｏｄｅ；ｓｕｉｔａｂｌｙ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｓｅａ－ｗａｔｅｒ ｉｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ－ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ ｐｉｐｅｓ ｈａｓｎ’ｔ ｓｕｂ－ ｓｔａｎｔｉａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ－ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ ｉｎ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｓｅａ－ｗａｔｅｒ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｆｒｅｓｈ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｍａｋｉｎｇ ｒａｔｉｏ；ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ａｄｅｑｕａｔｅ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｉｎ ａ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０．０４～０．０６ｋｇ／ｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ；ｓｅａ－ｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｉｍ－ｔｅｓｔ ｆａｃｉｌｉｔｙ
３．４ 工 艺 参 数 对 装 置 性 能 的 影 响 保持动力 蒸 汽 量 为 ０．９ｔ／ｈ，凝 汽 器 出 口 温 度 为
５５ ℃，逐渐提高 物 料 海 水 流 量，考 察 喷 淋 密 度 变 化 对 产 水 量 的 影 响 ，结 果 见 图 ５。
３．３ 蒸 发 器 换 热 管 束 布 置 在单流程蒸发 器 工 况 下，将 换 热 管 沿 蒸 汽 流 动 方
在１．２５ 万ｔ／ｄ ＬＴ－ＭＥＤ 海水淡化装置的基础上， 建立了 模 拟 ２．５ 万 ｔ／ｄ ＬＴ－ＭＥＤ 海 水 淡 化 技 术 的 试 验装置。
图１为试验装置工艺流程。装置的制水蒸汽取自 电厂 海 水 淡 化 供 汽 母 管 至 ＴＶＣ。ＴＶＣ 前、后 设 置 减 温器。物料海水 系 统 设 置 ２ 个 加 热 器，可 分 别 抽 取 第 １、２效管程 的 蒸 汽 加 热 物 料 海 水，同 时 设 有 加 热 器 旁 路，以满足不同 物 料 水 流 程 的 对 比 试 验。 为 调 整 物 料 海水 盐 度、温 度，扩 展 试 验 模 拟 范 围，可 根 据 不 同 试 验 工况将浓盐水引入凝汽器前海水管道或引入凝汽器后 的海水管道。装 置 的 抽 真 空 系 统 采 用 水 环 真 空 泵，并 分别在２个物 料 海 水 加 热 器、２ 效 小 管 箱 和 凝 汽 器 上 设置不凝结气体抽出点。在不凝结气体抽出管道上设 置调节阀及可调 节 孔 板，用 于 满 足 不 同 试 验 工 况 的 要 求。
ＬＴ－ＭＥＤ 设备的 大 型 化 具 有 增 加 蒸 发 器 效 数 和 增大单效容量２种途径。由于盐水最高温度的限制和 温 差 损 失 的 问 题 ，随 着 蒸 发 器 效 数 的 增 加 ，装 置 的 传 热 推动 力 减 小，效 率 下 降，此 时 需 扩 大 换 热 面 积，从 而 使 得设备成本急剧增加［３］；增大单效产水容 量，则 管 束 规 模随之增大，使得换 热 管 外 海 水 蒸 发 蒸 汽 （二 次 蒸 汽） 的 流 速 增 加 ，对 管 间 下 降 液 膜 的 剪 切 作 用 增 加 ，严 重 时 水平换热管 外 将 不 能 形 成 完 整 的 液 膜，产 生 局 部 “干 壁”现象，导 致 无 法 正 常 产 水。 对 ＬＴ－ＭＥＤ 布 液 流 动 的试验研究表明，为减小大型 ＬＴ－ＭＥＤ 装置二次蒸汽 的压降损失和汽 流 剪 切 作 用 对 布 液 的 影 响，实 际 应 用 中宜采用管束分区设计。
向 按 斜 率 为 ５‰ 倾 斜 布 置 ，倾 斜 后 的 淡 水 产 量 见 图 ４。
图 ５ 物 料 海 水 喷 淋 量 变 化 对 淡 水 产 量 的 影 响
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由图５可见，淡 水 产 量 和 造 水 比 （产 水 量／蒸 汽 流 量）随物料海水 流 量 的 增 大 而 减 小，但 减 小 幅 度 不 大， 在物料海水 增 量 达 到 １２７％ 的 情 况 下，淡 水 产 量 和 造 水比减小量小于１０％。为 了 降 低 凝 汽 器 端 差、保 证 传 热管充分润湿及 防 止 结 垢，不 宜 提 高 产 水 量 来 减 小 喷 淋量。大型 ＬＴ－ＭＥＤ 装 置 物 料 海 水 喷 淋 密 度 宜 保 持 在 ０．０４～０．０６ｋｇ／ｍｓ范 围 内 。
［关 键 词 ］ 低 温 多 效 蒸 馏 ；海 水 淡 化 ；试 验 装 置 ；换 热 管 ；喷 淋 密 度 ；造 水 比 ［中图分类号］ Ｐ７４７＋ ．１３ ［文 献 标 识 码 ］ Ａ ［文 章 编 号］ １００２－３３６４（２０１２）０６－００８５－０４ ［ＤＯＩ 编 号］ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３３６４．２０１２．０６．０８５
图 ３ 单 、双 流 程 蒸 发 器 传 热 系 数 比 较
由 图 ３ 可 见 ，在 不 同 蒸 汽 负 荷 下 ，配 有 物 料 海 水 加 热器的单流程蒸发器传热系数均高于无加热器的双流 程蒸发器。海水加热器的作用相当于原蒸发器第２流 程 的 预 热 作 用 ，有 利 于 不 凝 结 气 体 汇 集 ，降 低 其 对 换 热 的影响。
２ 试验装置
试验采用 ２ 效 带 蒸 汽 热 力 压 缩 喷 射 器 （ＴＶＣ）的 ＬＴ－ＭＥＤ 海水淡化方案，产 水 量 １００ｔ／ｄ，其 关 键 结 构 和流动边界参数与２．５ 万ｔ／ｄ ＬＴ－ＭＥＤ 装置一致。通 过 改 变 操 作 条 件 ，对 大 型 装 置 首 、末 ２ 效 和 中 间 任 意 相
３．２ 工 艺 流 程 改 进 拆除蒸发器第 ２ 流 程 换 热 管 箱，使 各 效 转 换 为 单
流程，同时改变物料海水流程，物料海水从第 ２ 效开始 依 次 通 过 １、２ 号 加 热 器 。 将 此 试 验 工 况 与 不 通 过 物 料 海水加热器的双 流 程 蒸 发 器 的 工 况 进 行 比 较，结 果 见 图 ３。
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图１ ＬＴ－ＭＥＤ 试验装置工艺流程
图２ 模拟高温２效和低温２效淡水产量的比较

图 ４ 蒸 发 器 换 热 管 倾 斜 前 后 产 水 量 比 较
由 图 ４ 可 见 ，换 热 管 倾 斜 后 ，系 统 在 不 同 蒸 汽 负 荷 下的产水量平均比未倾 斜 时 仅 提 高 ０．８５％，提 高 幅 度 有限。为了便于 蒸 发 器 的 制 造 和 安 装，不 推 荐 采 用 换 热管倾斜设置方案。