低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)進料方式的研究進展

劉天柱，趙東風，薛建良，李 石，劉 偉，張 華

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院，山東 青島266580；

2.山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島266590）

目前，淡水資源的相對匱乏和用水量的增大嚴重制約著國家的經(jīng)濟發(fā)展。開發(fā)新的淡水資源和減少污水排放是當前用水的主題。其中，含鹽水（包括海水和工業(yè)含鹽污水）的淡化或處理是解決當前用水問題的有效途徑[1－5］。

工業(yè)應用較多的海水淡化技術包括多級閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和反滲透（RO）等[6－7］。特別是低溫多效蒸發(fā)（LT－MED）技術由于操作溫度低、運行穩(wěn)定[8－12］，近幾年發(fā)展較快。2007 年，全球13 869個海水淡化工程中，采用 MED技術的占到9%[13］。研究發(fā)現(xiàn)，進料方式、進料鹽度和流量、加熱蒸汽的溫度和流量、系統(tǒng)效間壓力差等因素都會影響MED系統(tǒng)的性能，其中進料方式?jīng)Q定著系統(tǒng)的布置方式，其重要性尤為突出。作者在此簡述了LT－MED的原理、特點、系統(tǒng)分類，分析了不同進料方式的應用情況并進行了比較，提出了LT－MED進料方式的發(fā)展趨勢。

1 LT－MED技術的原理、特點、系統(tǒng)分類及應用

1.1 LT－MED的原理

MED是應用歷史最悠久的海水淡化技術[14］，具有非常高的熱效率[15］。它經(jīng)歷了浸沒管蒸發(fā)→垂直管降膜蒸發(fā)→橫管降膜蒸發(fā)的發(fā)展過程[16－17］。MED系統(tǒng)由多個蒸發(fā)器連接而成，其后一效的操作壓力和溶液沸點均較前一效低，僅在壓力最高的第一效加入加熱蒸汽，所產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，即后一效的加熱室成為前一效的二次蒸汽的冷凝器。MED系統(tǒng)的效數(shù)一般為4～21效，典型大型裝置的造水比為10～18[18］。

LT－MED原理與MED相同，只是首效蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度需要控制在70℃以下。

1.2 LT－MED的特點

與其它海水淡化技術相比，LT－MED技術有如下特點[19］：

（1）操作溫度低，可避免或減緩設備的腐蝕和結垢；

（2）對進料的預處理要求不高；

（3）系統(tǒng)的操作彈性大，安全性高。在高峰期，系統(tǒng)可以提供設計值110%的產(chǎn)品水；而在低谷期，系統(tǒng)可以穩(wěn)定地提供設計值40%的產(chǎn)品水；

（4）系統(tǒng)的熱效率高，動力消耗少；

（5）產(chǎn)品水純度高。一般含鹽量小于20×10－6，可直接用于釀酒廠、市政、居民用水等，節(jié)省用水成本[20］。

1.3 LT－MED系統(tǒng)的分類

含鹽水與蒸汽進入方式的不同直接影響到LTMED系統(tǒng)的性能。LT－MED系統(tǒng)按進料方式（圖1）可分為順流、逆流、平流和混流。順流進料：來自冷凝器的進料鹽水首先進入第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)，蒸發(fā)后的濃鹽水作為下一效的入料鹽水繼續(xù)蒸發(fā)，如此逐效進行；逆流進料：來自冷凝器的進料鹽水首先進入最后一效蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的濃鹽水進入前一效蒸發(fā)器繼續(xù)蒸發(fā)，如此逐效進行；平流進料：來自冷凝器的進料鹽水同時進入各效蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的濃鹽水直接進入下一效蒸發(fā)器底部閃蒸出部分蒸汽后排出，而不作為下一效的入料鹽水；混流進料：是介于順流進料和平流進料之間的一種流程，進料鹽水在混流前段和混流后段都以平流的方式進入蒸發(fā)器。

圖1 低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)的進料流程Fig.1 Feed arrangement flow chart of LT－MED

1.4 LT－MED系統(tǒng)的應用

LT－MED技術可與其它海水淡化技術耦合應用。例如，LT－MED與太陽能發(fā)電廠聯(lián)用系統(tǒng)的產(chǎn)品水日產(chǎn)量為47 918m3，蒸汽耗量為56.25kg·s－1，熱利用效率較高[21］。

Xue等[22］利用灰色系統(tǒng)理論對中國西北地區(qū)典型煉廠的5個生產(chǎn)裝置18條管線的低溫余熱進行比較，發(fā)現(xiàn)催化裂化裝置的油氣循環(huán)管線的余熱最適合作為LT－MED系統(tǒng)的驅動蒸汽。同時，LT－MED與MSF、RO 相比，制水成本明顯較低[23－25］。因此，LTMED為電廠、石化企業(yè)能源的有效綜合利用開辟了一條新途徑，有利于提高行業(yè)綜合利用能源的能力。

2 LT－MED系統(tǒng)不同進料方式的應用比較

不同的進料方式適合于不同的操作環(huán)境，如平流進料各效的進料量理論上近似相等，順流進料各效的進料量有一定的差別，而混流進料的進料量介于兩者之間。選擇合適的進料方式將會大大提高LT－MED系統(tǒng)的性能。

2.1 順流進料

早期對順流進料的研究是在考慮系統(tǒng)實際運行參數(shù)的同時建立系統(tǒng)模型，為MED的優(yōu)化設計作參考[26－27］。Darwish等[28］對 LT－MED 系 統(tǒng) 順流進料進行了簡單的性能計算，同時列舉了不同進料方式的典型的LT－MED系統(tǒng)運行參數(shù)。產(chǎn)水量為139kg·s－1的12效順流進料系統(tǒng)，造水比為9.8，而將其改為2組6效系統(tǒng)，產(chǎn)水量為290kg·s－1，造水比為12.4；若增加進料預熱器，系統(tǒng)的造水比可提高24.6%，蒸發(fā)器熱交換面積也明顯減小[29］。

孫小軍等[30］比較分析了LT－MED系統(tǒng)不同進料方式：順流進料蒸汽耗量為122.77t·h－1，造水比為3.39；逆流進料蒸汽耗量為117.04t·h－1，造水比為3.56；平流進料蒸汽耗量為114.18t·h－1，造水比為3.65；帶熱蒸汽壓縮（TVC）的平流進料蒸汽耗量為51.90t·h－1，造水比為8.03。顯然，順流進料性能較差。這是由于順流進料鹽水全部進入第一效蒸發(fā)器，加熱蒸汽冷凝過程中釋放的潛熱大部分用于將物料水加熱至沸騰，導致有效用于將物料水蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽的加熱蒸汽量所占比例減小，造成蒸汽耗量大、造水比小。

2.2 逆流進料

逆流進料可改善順流進料制水經(jīng)濟性不高這一缺點，同時，造水比相對于順流進料要高。但逆流進料時鹽水在第一效以最高的含鹽量和溫度排出蒸發(fā)器，結垢的風險較大。LT－MED第一效的最高蒸發(fā)溫度保持在70℃以下，再加入高效阻垢劑，可使結垢的風險大大降低。實例證明LT－MED系統(tǒng)運行6年才需化學清洗1次[31］。盡管逆流進料方式有顯著的優(yōu)勢，但各效間需多臺中間進料泵，增大了系統(tǒng)的復雜性和運行電耗。

2.3 平流進料

平流進料時各效鹽水逐級自流，無需中間進料泵，因此，運行與控制方便，電耗較少。意大利西西里島單元日產(chǎn)9 000m3的平流進料MED－TVC系統(tǒng)，由4個單元組成，造水比為16.7，產(chǎn)品水電耗為1.0kWh·t－1，頂值鹽水溫度控制在62.2℃，可有效減少腐蝕和結垢[32］。同時，由于平流進料的逐級閃蒸作用，熱效率較高。

EL－Dessouky等[33］對8效平流多效蒸發(fā)系統(tǒng)的性能進行了分析。平流進料熱交換面積為335m2，轉化率為0.325，循環(huán)冷凝水流量為8.9m3·h－1，與相同效數(shù)順流與混流系統(tǒng)比較，性能較差。此外，平流進料的蒸發(fā)器的換熱面積大（原因在于平流進料鹽水溫度低于飽和溫度，蒸發(fā)器管束上部面積部分用于加熱海水至飽和溫度），投資成本高，因此，平流進料的應用逐漸減少。

2.4 混流進料

目前，混流進料因抗結垢性強、蒸發(fā)器傳熱面積小、造水比大等優(yōu)點而逐漸受到關注。EL－Dessouky等[33］報道，混流進料的蒸發(fā)器熱交換面積為255m2，轉化率為0.714，與其它3種進料方式比較，混流進料的性能比為5.8，運行及投資成本最低。Liu等[34－35］根據(jù)質量和能量守恒定律，建立了平流進料和混流進料LT－MED與熱蒸汽壓縮聯(lián)用系統(tǒng)模型。結果表明，熱蒸汽壓縮機被引流蒸汽的最佳位置位于混流進料位置之后，這是由在此位置系統(tǒng)的造水比最大、蒸發(fā)器熱交換面積最小所決定的。然而，目前所研究的LT－MED混流系統(tǒng)的混流點只有一個，而理論上系統(tǒng)最優(yōu)混流點不止一個，應當可根據(jù)系統(tǒng)效數(shù)和性能的要求選擇多個最優(yōu)混流點，進一步提高系統(tǒng)的性能比。

2.5 不同進料方式的LT－MED系統(tǒng)特性比較（表1 ）

表1 不同進料方式的低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)特性比較Tab.1 Comparison of the characteristics of LT－MED with different feed arrangement method

3 結語

LT－MED技術具有操作溫度低、可利用低溫廢熱、預處理要求低等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。為提高LT－MED系統(tǒng)的性能比，需對不同進料方式的LT－MED系統(tǒng)進行改進和完善：

（1）順流進料系統(tǒng)消耗加熱蒸汽量較大，熱經(jīng)濟性能不高。若增加進料鹽水預熱器，可顯著降低蒸汽耗量，有助于減小蒸發(fā)器的換熱面積進而降低設備投資，提高制水經(jīng)濟性。

（2）逆流進料系統(tǒng)雖有顯著優(yōu)點，但結垢風險大，應用較少。可在不影響鹽水蒸發(fā)的同時，控制進入第一效鹽水的溫度和鹽度，同時研制經(jīng)濟實用的新型阻垢劑，降低系統(tǒng)能耗，充分發(fā)揮逆流進料的優(yōu)勢。

（3）平流進料一般要求各效蒸發(fā)器對鹽水的濃縮比近似相等，高溫下鹽水易結垢，因此鹽水濃縮比不能太大。且蒸發(fā)器換熱面積較大，系統(tǒng)投資成本高，應用有限。

（4）未來研究要重點探索混流進料中的多個最優(yōu)混流點，建立投資成本最少、運行成本最低的混流LTMED系統(tǒng)將是大勢所趨。

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